Xem mẫu

  1. CH¦¥NG 4 øng dông quy ho¹ch phi tuyÕn vµ quy ho¹ch ®éng trong hÖ thèng nguån n­íc Nh÷ng øng dông ban ®Çu c¸c kü thuËt vËn trï häc vµo c¸c bµi to¸n hÖ thèng nguån n­íc chñ yÕu dùa vµo viÖc sö dông c¸c kü thuËt quy ho¹ch tuyÕn tÝnh vµ quy ho¹ch ®éng. ViÖc sö dông nh÷ng kü thuËt nµy ®Ó gi¶i c¸c bµi to¸n hÖ thèng nguån n­íc ®· ®­îc ghi l¹i trong kh¸ nhiÒu c¸c tµi liÖu. C¸c ®o¹n ch­¬ng tr×nh quy ho¹ch tuyÕn tÝnh ®­îc phæ biÕn réng r·i, tuy nhiªn quy ho¹ch ®éng ®ßi hái mçi ®o¹n ch­¬ng tr×nh riªng cho tõng øng dông. ViÖc sö dông quy ho¹ch phi tuyÕn trong gi¶i quyÕt c¸c bµi to¸n hÖ thèng nguån n­íc ch­a ®­îc phæ biÕn mÆc dï hÇu hÕt c¸c bµi to¸n yªu cÇu lêi gi¶i trong thùc tÕ lµ nh÷ng bµi to¸n phi tuyÕn. Sù ph¸t triÓn gÇn ®©y cña nh÷ng kü thuËt quy ho¹ch phi tuyÕn míi vµ c¸c ®o¹n ch­¬ng tr×nh quy ho¹ch phi tuyÕn s½n cã ®· l«i cuèn nh÷ng øng dông míi cña quy ho¹ch phi tuyÕn vµo c¸c bµi to¸n hÖ thèng nguån n­íc. Hai phÇn ®Çu tiªn cña ch­¬ng nµy tr×nh bµy nh÷ng c¬ së cña quy ho¹ch ®éng. Sau ®ã, tr×nh bµy c¸c b­íc tÝnh to¸n tèi ­u hãa phi tuyÕn kh«ng rµng buéc vµ c¸c b­íc tÝnh to¸n tèi ­u hãa phi tuyÕn cã rµng buéc. 4.1. Quy ho¹ch ®éng Quy ho¹ch ®éng (DP-Dynamic Programming) biÕn ®æi mét bµi to¸n quyÕt ®Þnh nèi tiÕp hay nhiÒu giai ®o¹n cã thÓ cã nhiÒu biÕn quyÕt ®Þnh liªn quan víi nhau thµnh mét chuçi nh÷ng bµi to¸n tõng giai ®o¹n ®¬n lÎ, mçi bµi to¸n con ®¬n lÎ nµy chØ chøa mét hoÆc mét vµi biÕn. Nãi c¸ch kh¸c, kü thuËt quy ho¹ch ®éng ph©n t¸ch mét bµi to¸n N quyÕt ®Þnh thµnh mét chuçi N bµi to¸n con quyÕt ®Þnh riªng lÎ nh­ng cã liªn quan víi nhau. Sù ph©n t¸ch nµy lµ rÊt h÷u dông trong viÖc gi¶i quyÕt nh÷ng bµi to¸n lín, phøc t¹p b»ng viÖc ph©n t¸ch mét bµi to¸n thµnh mét chuçi c¸c bµi to¸n con nhá h¬n 129
  2. vµ sau ®ã kÕt hîp c¸c lêi gi¶i cña c¸c bµi to¸n nhá h¬n ®Ó nhËn ®­îc lêi gi¶i cña m« h×nh tæng thÓ. Lý do sö dông sù ph©n t¸ch nµy nh»m ®Ó gi¶i mét bµi to¸n cã hiÖu qu¶ h¬n mµ cã thÓ tiÕt kiÖm ®¸ng kÓ khèi l­îng tÝnh to¸n. Theo kinh nghiÖm, khèi l­îng tÝnh to¸n t¨ng theo hµm mò cïng víi sè biÕn nh­ng chØ t¨ng tuyÕn tÝnh theo sè c¸c bµi to¸n con. Ch­¬ng nµy chñ yÕu chØ ®Ò cËp ®Õn quy ho¹ch ®éng. Nh÷ng cuèn s¸ch ®Ò cËp ®Õn quy ho¹ch ®éng lµ Dreyfus and Law (1977), Cooper and Cooper (1981) vµ Denardo (1982). §Ó diÔn t¶ triÕt lý chung vÒ kü thuËt quy ho¹ch ®éng, xem xÐt bµi to¸n ph©n bæ tµi nguyªn sau. Gi¶ sö r»ng c¸c nguån vèn ®­îc ph©n bæ cho ba dù ¸n thuû lîi A, B vµ C, nh»m tèi ®a hãa tæng thu nhËp dù tÝnh. Mçi dù ¸n gåm cã nh÷ng ph­¬ng ¸n x©y dùng kh¸c nhau mµ ®ßi hái nh÷ng møc cÊp vèn kh¸c nhau vµ mang l¹i nh÷ng lîi nhuËn kh¸c nhau. Do sù h¹n chÕ vÒ ng©n s¸ch, tæng l­îng vèn s½n cã cho toµn bé c¸c dù ¸n lµ kh«ng ®æi (®· Ên ®Þnh). NÕu sè ph­¬ng ¸n cho mçi dù ¸n lµ kh«ng qu¸ lín, th× cã thÓ liÖt kª ®Çy ®ñ tÊt c¶ nh÷ng sù kÕt hîp cã thÓ nh÷ng ph­¬ng ¸n cña dù ¸n ®Ó x¸c ®Þnh sù kÕt hîp c¸c ph­¬ng ¸n tèi ­u cho sù ph¸t triÓn dù ¸n tæng thÓ. TÊt nhiªn, h­íng tiÕp cËn liÖt kª ®Çy ®ñ nµy cã ba nh­îc ®iÓm chÝnh: (1) nã sÏ trë nªn kh«ng kh¶ thi nÕu sè l­îng nh÷ng sù kÕt hîp c¸c ph­¬ng ¸n lµ lín; (2) kh«ng thÓ kiÓm ®Þnh ®­îc tæ hîp hµnh ®éng tèi ­u cho tíi khi tÊt c¶ ph­¬ng ¸n kÕt hîp ®­îc kiÓm tra, thËm chÝ tæ hîp nµy b¾t gÆp ngay tõ nh÷ng tÝnh to¸n ban ®Çu; vµ (3) kh«ng thÓ lo¹i trõ ngay tõ ®Çu nh÷ng tæ hîp nghiÖm kh«ng kh¶ thi. Trong quy ho¹ch ®éng mçi ph­¬ng ¸n cho mçi dù ¸n ®­îc xem xÐt riªng mµ kh«ng bá qua sù phô thuéc lÉn nhau gi÷a c¸c dù ¸n th«ng qua tæng ng©n s¸ch hiÖn cã. V× tæng l­îng vèn bÞ h¹n chÕ, l­îng vèn dµnh cho mçi dù ¸n phô thuéc vµo sù ph©n bæ cho c¸c dù ¸n cßn l¹i. Víi bÊt kú nh÷ng l­îng vèn ®­îc Ên ®Þnh cho c¸c dù ¸n A vµ B, sù ph©n bæ cho dù ¸n cßn l¹i, C, ph¶i ®­îc tiÕn hµnh ®Ó tèi ­u hãa lîi nhuËn cña nã ®èi víi kh¶ n¨ng vèn cßn l¹i ®ã. Nãi c¸ch kh¸c, sù ph©n bæ tèi ­u cho dù ¸n C phô thuéc vµo l­îng vèn dµnh cho C sau khi ®· ph©n bæ cho A vµ B. V× kh«ng biÕt nh÷ng sù ph©n bæ tèi ­u cho c¸c dù ¸n A vµ B, sù ph©n bæ vµ lîi nhuËn tèi ­u tõ dù ¸n C ph¶i ®­îc x¸c ®Þnh cho tÊt c¶ c¸c l­îng vèn cßn l¹i cã thÓ, sau khi nh÷ng sù ph©n bæ cho c¸c dù ¸n A vµ B ®­îc tiÕn hµnh. H¬n n÷a víi bÊt cø l­îng vèn nµo ®­îc ph©n bæ cho dù ¸n A, nh÷ng sù ph©n bæ cho dù ¸n B vµ C ph¶i ®­îc lµm mét c¸ch tèi ­u ®èi víi l­îng vèn cßn l¹i sau khi ®· ph©n bæ cho dù ¸n A. §Ó t×m ®­îc sù ph©n bæ tèi ­u cho dù ¸n B ta t×m sù ph©n bæ lµm tèi ®a hãa lîi nhuËn tõ dù ¸n B cïng víi lîi nhuËn tèi ­u tõ dù ¸n C. Sù ph©n bæ nµy lµ mét hµm cña c¸c l­îng vèn cßn l¹i tõ sù ph©n bæ cho dù ¸n B. Cuèi cïng, sù ph©n bæ tèi ­u cho dù ¸n A ®­îc x¸c ®Þnh ®Ó tèi ®a lîi nhuËn tõ dù ¸n A céng víi lîi nhuËn tèi ­u kÕt hîp cña dù 130
  3. ¸n B vµ C, nh­ mét hµm cña c¸c l­îng vèn cßn l¹i sau khi ph©n bæ cho dù ¸n A. Trong thùc tÕ, nh÷ng l­îng vèn ®­îc ph©n bæ ®ång thêi cho c¶ ba dù ¸n nµy. Sù ph©n bæ theo mét chuçi thø tù lµ mét ®éng t¸c vÒ mÆt to¸n häc cho phÐp ta tiÕn hµnh c¸c quyÕt ®Þnh kÕ tiÕp nhau. Quy ho¹ch ®éng cã thÓ kh¾c phôc ®­îc nh÷ng h¹n chÕ cña ph­¬ng ph¸p liÖt kª ®Çy ®ñ b»ng viÖc sö dông c¸c kh¸i niÖm sau: 1. Bµi to¸n ®­îc t¸ch ra thµnh c¸c bµi to¸n con vµ ph­¬ng ¸n tèi ­u ®­îc lùa chän cho mçi bµi to¸n con theo mét chuçi tr×nh tù ®Ó kh«ng bao giê cÇn liÖt kª tÊt c¶ nh÷ng ph­¬ng ¸n vÒ tr­íc cña bµi to¸n. 2. Bëi v× tèi ­u hãa ®­îc ¸p dông cho tõng bµi to¸n con, nh÷ng ph­¬ng ¸n kh«ng tèi ­u sÏ tù ®éng bÞ lo¹i bá. 3. C¸c bµi to¸n con cÇn ®­îc kÕt nèi víi nhau theo mét c¸ch nhÊt ®Þnh ®Ó kh«ng bao giê cã thÓ tèi ­u hãa trªn nh÷ng ph­¬ng ¸n kh«ng kh¶ thi. 4.1.1. C¸c thµnh phÇn cña m« h×nh quy ho¹ch ®éng. VÝ dô ph©n bæ l­îng vèn cho dù ¸n n­íc võa ®­îc m« t¶ cã thÓ ®­îc m« h×nh hãa b»ng to¸n häc lµ: Mi N Max rij xij (4.1.1a) i 1 j 1 víi gi¶ thiÕt lµ: N Mi  cij xij  F (4.1.1b) i 1 j 1 Mi  xij  1, (4.1.1c) víi i  1, 2,3,...N j 1 TÊt c¶ xij = 0 hoÆc 1 (4.1.1d) Trong ®ã rij lµ lîi nhuËn cã thÓ sinh ra tõ ph­¬ng ¸n j cña dù ¸n i, cij lµ yªu cÇu cÊp vèn cho ph­¬ng ¸n j cña dù ¸n i, xij lµ mét biÕn quyÕt ®Þnh mµ cã thÓ lÊy hoÆc b»ng 0 hoÆc b»ng 1, b»ng 0 khi ph­¬ng ¸n j cña dù ¸n i kh«ng ®­îc lùa chän vµ b»ng 1 khi ph­¬ng ph­¬ng ¸n j cña dù ¸n i ®­îc lùa chän. F lµ tæng l­îng vèn giµnh cho dù ¸n nµy, N lµ tæng sè l­îng c¸c dù ¸n ®­îc xem xÐt, vµ Mi lµ tæng sè c¸c ph­¬ng ¸n cña dù ¸n i. TËp hîp thø hai vÒ c¸c rµng buéc biÓu thÞ r»ng kh«ng ph¶i tÊt c¶ c¸c dù ¸n xÐt ®Õn ph¶i ®­îc cÊp vèn. H¬n n÷a, c¸c ph­¬ng ¸n cña mçi dù ¸n lµ xung kh¾c víi nhau, tøc lµ chØ mét ph­¬ng ¸n trong mçi dù ¸n cã thÓ ®­îc chän. 131
  4. H×nh 4.1.1 BiÓu thÞ thø tù cña chuçi c¸c bµi to¸n quy ho¹ch ®éng. Theo th¶o luËn chung vÒ h­íng tiÕp cËn gi¶i quyÕt quy ho¹ch ®éng, m« h×nh quy ho¹ch to¸n häc trªn cã thÓ ®­îc m« t¶ nh­ trong h×nh 4.1.1. Theo h×nh 4.1.1, c¸c phÇn tö vµ c¸c ng«n tõ c¬ b¶n trong sù thiÕt lËp c¸c bµi to¸n quy ho¹ch ®éng nh­ sau: 1. C¸c giai ®o¹n (n) lµ c¸c ®iÓm cña bµi to¸n mµ c¸c quyÕt ®Þnh ®­îc lùa chän. Trong vÝ dô ph©n bæ l­îng vèn, mçi dù ¸n ®Æc tr­ng cho mét giai ®o¹n trong m« h×nh quy ho¹ch ®éng. NÕu mét bµi to¸n ra quyÕt ®Þnh cã thÓ ®­îc ph©n t¸ch thµnh N bµi to¸n con, khi chuyÓn sang bµi to¸n quy ho¹ch ®éng sÏ cã N giai ®o¹n. 2. C¸c biÕn quyÕt ®Þnh (dn) lµ c¸c tæ hîp hµnh ®éng ®­îc tiÕn hµnh trong mçi giai ®o¹n. QuyÕt ®Þnh trong vÝ dô ph©n bæ l­îng vèn dù ¸n lµ ph­¬ng ¸n ®­îc lùa chän trong dù ¸n. Sè c¸c biÕn quyÕt ®Þnh, dn, trong mçi giai ®o¹n kh«ng nhÊt thiÕt b»ng 1. 3. C¸c biÕn tr¹ng th¸i (Sn) lµ c¸c biÕn diÔn t¶ tr¹ng th¸i cña mét hÖ thèng t¹i giai ®o¹n n bÊt kú. Mét biÕn tr¹ng th¸i cã thÓ lµ rêi r¹c hoÆc liªn tôc, h¹n ®Þnh hoÆc kh«ng h¹n ®Þnh. Trong h×nh 4.1.1, ë giai ®o¹n n bÊt kú, cã c¸c tr¹ng th¸i ®Çu vµo, Sn, vµ c¸c tr¹ng th¸i ®Çu ra, Sn+1. C¸c biÕn tr¹ng th¸i cña hÖ thèng trong mét m« h×nh quy ho¹ch ®éng cã chøc n¨ng liªn kÕt c¸c giai ®o¹n kÕ tiÕp sao cho khi mçi giai ®o¹n ®­îc tèi ­u hãa riªng biÖt quyÕt ®Þnh thu ®­îc tù ®éng kh¶ thi cho toµn bé bµi to¸n. H¬n n÷a, nã cho phÐp ta ra nh÷ng quyÕt ®Þnh tèi ­u cho c¸c giai ®o¹n cßn l¹i mµ kh«ng cÇn ph¶i kiÓm tra ¶nh h­ëng cña c¸c quyÕt ®Þnh trong t­¬ng lai tíi c¸c quyÕt ®Þnh ®· ra tr­íc ®Êy. 4. Lîi nhuËn giai ®o¹n (rn) lµ mét chØ sè ®o tÝnh hiÖu qu¶ cña quyÕt ®Þnh lµm trong mçi giai ®o¹n. Nã lµ mét hµm cña tr¹ng th¸i ®Çu vµo, tr¹ng th¸i ®Çu ra vµ c¸c biÕn quyÕt ®Þnh cña mét giai ®o¹n nhÊt ®Þnh. Tøc lµ: rn=r(Sn, Sn+1, dn). 5. PhÐp biÕn ®æi tr¹ng th¸i hay phÐp biÕn ®æi giai ®o¹n (tn) lµ mét phÐp biÕn ®æi ®¬n trÞ biÓu thÞ mèi quan hÖ gi÷a tr¹ng th¸i ®Çu vµo, tr¹ng th¸i ®Çu ra, vµ quyÕt ®Þnh. Nãi chung, th«ng qua phÐp biÕn ®æi tr¹ng th¸i nµy, ®Çu ra t¹i mét 132
  5. B ¶ng 4.1.1 Chi phÝ vµ lîi nhuËn cña c¸c ph­¬ng ¸n trong VÝ dô 4.1.1 Dù ¸n A Dù ¸n B Dù ¸n C Chi phÝ Lîi nhuËn C hi phÝ Lîi nhuËn Chi phÝ Lîi nhuËn Ph­¬ng ¸n cA rA cA rA cA rA (triÖu ®«) (triÖu ®«) ( triÖu ®«) (triÖu ®«) (triÖu ®«) (triÖu ®«) 1 1 5 2 8 1 3 2 2 6 3 9 3 5 3 3 8 4 12 - - giai ®o¹n n bÊt kú cã thÓ ®­îc biÓu thÞ b»ng mét hµm cña tr¹ng th¸i ®Çu vµo vµ biÕn quyÕt ®Þnh nh­ sau: Sn+1=tn(Sn, dn) (4.1.2) §Ó minh häa thuËt gi¶i ®¹i sè cña h­íng tiÕp cËn quy ho¹ch ®éng trong tèi ­u hãa mét bµi to¸n, bµi to¸n ph©n bæ vèn dù ¸n ®­îc gi¶i trong vÝ dô sau. VÝ dô 4.1.1. B ¶ng 4.1.1. gåm vèn cÇn thiÕt (triÖu ®« la) cho mçi ph­¬ng ¸n vµ ri biÓu thÞ lîi nhuËn (triÖu ®« la) mµ cã thÓ ®­îc sinh ra do mçi dù ¸n. Tæng ng©n s¸ch x©y dùng lµ 7 triÖu ®« la. Gi¶ sö r»ng tÊt c¶ c¸c dù ¸n ®ang xÐt ph¶i ®­îc thùc thi. X¸c ®Þnh tæ hîp tèi ­u c¸c ph­¬ng ¸n ®Ó tèi ®a hãa lîi nhuËn tæng céng. Lêi gi¶i. C¸c yÕu tè c¬ b¶n cho m« h×nh quy ho¹ch ®éng ®­îc ®Þnh nghÜa nh­ sau: 1. Giai ®o¹n (n): mçi dù ¸n biÓu thÞ mét giai ®o¹n víi n = A, B vµ C. 2. BiÕn tr¹ng th¸i (Sn): biÕn tr¹ng th¸i t¹i mçi giai ®o¹n lµ tËp hîp c¸c ph­¬ng ¸n ®­îc xÐt. 3. BiÕn quyÕt ®Þnh (dn): biÕn quyÕt ®Þnh lµ ph­¬ng ¸n ®­îc chän cho mçi giai ®o¹n (dù ¸n). 4. Lîi nhuËn giai ®o¹n (rn): lîi nhuËn ®­îc sinh ra tõ ph­¬ng ¸n ®· chän. Hµm chuyÓn ®æi tr¹ng th¸i (tn): Sn = dn víi n = C vµ Sn+1 = dn víi n = A vµ B. 5. Theo d¹ng gi¶n ®å, bµi to¸n nµy cã thÓ ®­îc miªu t¶ nh­ trong h×nh 4.1.2a d­íi d¹ng mét bµi to¸n chuçi quyÕt ®Þnh. Mét c¸ch râ rµng h¬n, hÖ thèng nµy cã thÓ ®­îc H×nh 4.1.2a S ù biÓu thÞ thµnh chuçi cña bµi to¸n vÝ dô ph©n bæ ng©n s¸ch. 133
  6. H×nh 4.1.2b BiÓu thÞ m¹ng l­íi cña vÝ dô ph©n bæ ng©n s¸ch sö dông c¸c ph­¬ng ¸n nh­ lµ c¸c biÕn tr¹ng th¸i. më réng cho mét sù biÓu thÞ m¹ng l­íi nh­ ®­îc chØ ra trong h×nh 4.1.2b khi chØ ra tr¹ng th¸i kh¶ thi (c¸c ph­¬ng ¸n) trong mçi giai ®o¹n (dù ¸n). Gi¶ sö r»ng chuçi c¸c quyÕt ®Þnh theo thø tù dù ¸n ®­îc chØ ra trong h×nh 4.1.2a; ph©n tÝch nµy cã thÓ ®­îc tiÕn hµnh theo tr×nh tù ng­îc l¹i b»ng viÖc b¾t ®Çu víi dù ¸n cuèi cïng (tøc lµ dù ¸n C). Thø tù cña c¸c dù ¸n lµ kh«ng quan träng trong vÝ dô nµy. ThuËt to¸n ®Ö quy b¾t ®Çu víi giai ®o¹n n = C, cã hai tr¹ng th¸i (hay ph­¬ng ¸n) kh¶ thi nh­ ®­îc chØ ra trong h×nh 4.1.2b. V× ®©y lµ tr¹ng th¸i cuèi cïng, kh«ng liªn quan ®Õn sù tèi ­u hãa nµo. * * Nãi c¸ch kh¸c, quyÕt ®Þnh tèi ­u cho dù ¸n C lµ d C  S C bëi v× sù tèi ­u hãa t­¬ng øng cã thÓ ®­îc ph¸t biÓu lµ Max fC(SC) = rC(dC = SC) ë d¹ng b¶ng, c¸c tÝnh to¸n cho giai ®o¹n nµy ®­îc chØ ra trong B¶ng 4.1.2(a). Lïi l¹i mét giai ®o¹n ®Ó xem xÐt dù ¸n B. Víi mçi tr¹ng th¸i kh¶ thi ë giai ®o¹n n = B, môc ®Ých lµ ®Ó x¸c ®Þnh sù kÕt nèi tèt nhÊt (d­íi d¹ng lîi nhuËn ®­îc tÝch lòy cho tíi dù ¸n B) cho tÊt c¶ c¸c tr¹ng th¸i kh¶ thi trong c¸c giai ®o¹n ngay sau (chØ cã giai ®o¹n C ë thêi ®iÓm hiÖn t¹i). Bµi to¸n tèi ­u hãa lµ Max f B ( S B )  rB  S B   fC  d B  * Nh÷ng tÝnh to¸n ®Ó x¸c ®Þnh c¸c kÕt nèi tèi ­u cho mçi tr¹ng th¸i kh¶ thi trong dù ¸n B ®­îc ®­a ra trong B¶ng 4.1.2(b). Chó ý r»ng bµi to¸n nµy lµ mét chuçi lùa chän c¸c ph­¬ng ¸n víi rµng buéc vÒ ng©n s¸ch. CÇn ph¶i theo dâi vµ kiÓm tra c¸c phÝ tæn tÝch lòy khi qu¸ tr×nh tèi ­u hãa chuyÓn tõ mét giai ®o¹n nµy sang giai ®o¹n kÕ tiÕp. Trong B¶ng 4.1.2(b) víi mçi tr¹ng th¸i kh¶ thi cña dù ¸n B, ®ã lµ, SB = (ph­¬ng ¸n 1, ph­¬ng ¸n 2, ph­¬ng ¸n 3), ®iÒu ®ã t­¬ng øng hai quyÕt ®Þnh cã thÓ víi c¸c tr¹ng th¸i trong giai ®o¹n kÕ tiÕp (dù ¸n C), dC = SC = (ph­¬ng ¸n 1, ph­¬ng ¸n 2). §Ó gi¶i thÝch nh÷ng tÝnh to¸n cã liªn quan trong B¶ng 4.1.2(b) xÐt dßng cuèi cïng t­¬ng øng víi SB = ph­¬ng ¸n 3. Lîi nhuËn tÝch lòy g¾n liÒn víi dC = ph­¬ng ¸n 1 lµ 12 triÖu ®« la + 3 triÖu ®« la = 15 triÖu ®« la trong ®ã sè ®Çu tiªn (12 triÖu ®« la) lµ lîi nhuËn sinh ra tõ sù lùa chän ph­¬ng ¸n 3 cho dù ¸n B vµ sè thø hai (3 triÖu ®« la) do sù lùa chän ph­¬ng ¸n 1 cho dù ¸n C nh­ ®· ®­îc chØ ra trong B¶ng 4.1.2(a). Chi phÝ tÝch lòy t­¬ng øng víi sù kÕt nèi c¸c tr¹ng th¸i gi÷a c¸c dù ¸n B vµ C nµy (tøc lµ, SB = ph­¬ng ¸n 3 vµ SC = ph­¬ng ¸n 1) lµ 4 triÖu ®« + 1 triÖu ®« = 5 triÖu ®«, lµ kh¶ thi trong vßng h¹n chÕ ng©n s¸ch lµ 7 triÖu ®«. Víi chó ý tíi SB = ph­¬ng ¸n 3 vµ dB = SC = ph­¬ng ¸n 2, lîi nhuËn tÝch lòy lµ 17 triÖu ®«, lín h¬n quyÕt ®Þnh ban ®Çu lµ 15 triÖu ®«; tuy nhiªn, chi phÝ tÝch lòy lµ 7 triÖu ®« sö dông hÕt toµn bé ng©n s¸ch vµ kh«ng cßn kinh phÝ cho dù ¸n A. §iÒu nµy vi ph¹m rµng buéc yªu cÇu r»ng tÊt c¶ c¸c dù ¸n ph¶i ®­îc thùc thi. V× vËy, quyÕt ®Þnh dB = SC = ph­¬ng ¸n 2 lµ kh«ng kh¶ thi vµ cÇn ph¶i lo¹i bá. Hai cét cuèi cïng cña B¶ng 4.1.2(b) ghi vµo lîi nhuËn tÝch lòy tèi ­u vµ quyÕt ®Þnh tèi ­u øng víi mçi tr¹ng th¸i kh¶ thi cho dù ¸n B. Nh÷ng sù nèi kÕt tèi ­u cho mçi tr¹ng th¸i kh¶ thi trong tõng giai ®o¹n tíi giai ®o¹n kÕ tiÕp ®­îc ®¸nh dÊu bëi c¸c khung ch÷ nhËt trong B¶ng 4.1.2b. 134
  7. Khi ®· kÕt thóc ph©n bæ dù ¸n B, ph©n tÝch ®­îc tiÕn hµnh theo chiÓu ng­îc l¹i ®Ó xem xÐt dù ¸n A. Gi¶i ph¸p tèi ­u cho dù ¸n A lµ ph­¬ng ¸n 3, cã lîi nhuËn tæng céng lµ 21 triÖu ®« la cho ba dù ¸n nµy. Sö dông cïng mét qu¸ tr×nh tÝnh nh­ ®· dïng cho dù ¸n B, b¶ng tÝnh to¸n cho dù ¸n A ®­îc chØ ra trong B¶ng 4.1.2(c). KiÓm tra cét cuèi cïng trong B¶ng 4.1.2(c) t­¬ng øng víi quyÕt ®Þnh tèi ­u d * , ng­êi ta thÊy r»ng tæng l­îng vèn b»ng 7 triÖu ®« ®­îc sö dông hÕt khi thùc hiÖn gi¶i ph¸p tèi A ­u. B­íc cuèi cïng cña kü thuËt quy ho¹ch ®éng lµ “b­íc t×m ng­îc” qua ba giai ®o¹n theo thø tù ng­îc l¹i, tøc lµ A  B  C dïng b¶ng tÝnh to¸n t­¬ng øng. Chó ý r»ng, tõ B¶ng 4.1.2(c), tæng lîi nhuËn cã thÓ ®¹t ®­îc lín nhÊt lµ 21 triÖu ®« øng víi SA = ph­¬ng ¸n 2. Víi SA = ph­¬ng ¸n 2, quyÕt ®Þnh tèi ­u lµ d *  S B = ph­¬ng ¸n 3 nh­ ®· ®­îc khoanh trßn. TiÕp tôc t×m ng­îc trong A d *  S C = ph­¬ng ¸n 1. §Õn B¶ng 4.1.2(b), víi SB = ph­¬ng ¸n 3, quyÕt ®Þnh tèi ­u t­¬ng øng lµ B ®©y th× hoµn thµnh b­íc t×m ng­îc chØ ra sù lùa chän tèi ­u cña c¸c ph­¬ng ¸n lµ ( d * ,d B ,dC )  ( * * A ph­¬ng ¸n 2, ph­¬ng ¸n 3, ph­¬ng ¸n 1) vµ tæng lîi nhuËn tèi ­u (lín nhÊt) lµ 21 triÖu ®« la. B­íc t×m ng­îc ®­îc minh häa trong h×nh 4.1.2b chØ ra bëi c¸c ®­êng nÐt ®Ëm. Bµi to¸n nµy còng cã thÓ ®­îc gi¶i b»ng viÖc x¸c ®Þnh biÕn tr¹ng th¸i lµ l­îng ng©n s¸ch s½n cã (Bµi to¸n 4.1.2). 4.1.2. C¸c ®Æc tr­ng vÒ thuËt gi¶i cña quy ho¹ch ®éng Tõ vÝ dô 4.1.1, c¸c ®Æc tÝnh c¬ b¶n ®Æc tr­ng cho tÊt c¶ c¸c bµi to¸n quy ho¹ch ®éng lµ nh­ sau: 1. Bµi to¸n ®­îc chia ra thµnh c¸c giai ®o¹n, víi c¸c biÕn quyÕt ®Þnh t¹i mçi giai ®o¹n. 2. Mçi giai ®o¹n cã mét sè tr¹ng th¸i g¾n liÒn víi nã. 3. ¶nh h­ëng cña quyÕt ®Þnh ®­îc lùa chän t¹i mçi giai ®o¹n lµ ®Ó t¹o ra mét lîi nhuËn, dùa trªn hµm lîi nhuËn cña giai ®o¹n ®ã, vµ ®Ó biÕn ®æi biÕn tr¹ng th¸i hiÖn t¹i thµnh biÕn tr¹ng th¸i cho giai ®o¹n kÕ tiÕp, th«ng qua hµm chuyÓn ®æi tr¹ng th¸i. 4. Víi tr¹ng th¸i hiÖn t¹i, mét chÝnh s¸ch tèi ­u cho c¸c giai ®o¹n cßn l¹i lµ ®éc lËp víi chÝnh s¸ch ®· ®­îc chÊp nhËn trong c¸c giai ®o¹n tr­íc. §©y gäi lµ nguyªn lý Bellman vÒ tÝnh tèi ­u, ®­îc xem nh­ lµ cèt lâi cña quy ho¹ch ®éng. 5. Lêi gi¶i b¾t ®Çu b»ng viÖc t×m quyÕt ®Þnh tèi ­u cho mçi tr¹ng th¸i cã thÓ trong B¶ng 4.1.2( a) TÝnh to¸n quy ho¹ch ®éng cho dù ¸n C Lîi nhuËn tèi ­u QuyÕt ®Þnh tèi ­u SC * * fC (triÖu ®« la) dC 3 Ph­¬ng ¸n 1 P h­¬ng ¸n 1 (chi phÝ = 1 triÖu ®« la) ( 1)+ 5 Ph­¬ng ¸n 2 Ph­¬ng ¸n 2 (chi phÝ = 3 triÖu ®« la) (3) DÊu + trong () lµ chi phÝ tÝch lòy cho c¸c dù ¸n C. 135
  8. B¶ng 4.1.2(b) TÝnh to¸n quy ho¹ch ®éng cho dù ¸n B * f B (S B ,d B ) = rB (S B )+ f C (d B ) dB = S C * d* f B () P h­¬ng ¸n 1 Ph­¬ng ¸n 2 SB B Ph­¬ng ¸n 1 PA - 2 8+3=11 8+5=13 ($5) 13 (2+1=3)+ (2+3=5) Ph­¬ng ¸n 2 PA - 2 9+3=12 9+5=14 ($6) 14 (3+1=4) (3+3=6) Ph­¬ng ¸n 3 PA-1 12+3=15 12+5=17 15 ($5) (4+3=7, kh«ng kh¶ thi)# ( 4+1=5) DÊu + trong () lµ chi phÝ tÝch lòy cho c¸c dù ¸n C # kh«ng kh¶ thi, quyÕt ®Þnh nµy sö dông tÊt c¶ $7 triÖu ng©n s¸ch kh«ng dù tr÷ cho dù ¸n A. giai ®o¹n cuèi cïng (gäi lµ ®Ö quy lïi) hay trong giai ®o¹n ®Çu tiªn (gäi lµ ®Ö quy tiÕn). Mét thuËt gi¶i tiÕn b¾t ®Çu tÝnh to¸n tõ giai ®o¹n ®Çu tiªn cho tíi giai ®o¹n cuèi cïng cßn mét thuËt gi¶i lïi b¾t ®Çu tÝnh to¸n tõ giai ®o¹n cuèi cïng tíi giai ®o¹n ®Çu tiªn. 6. Mét mèi quan hÖ ®Ö quy x¸c ®Þnh chÝnh s¸ch tèi ­u cho mçi tr¹ng th¸i ë giai ®o¹n n bÊt kú cã thÓ ®­îc x©y dùng khi cho tr­íc chÝnh s¸ch tèi ­u cho mçi tr¹ng th¸i ë giai ®o¹n tiÕp theo, n+1. Ph­¬ng tr×nh ®Ö quy lïi nµy, theo h×nh 4.1.1, cã thÓ ®­îc viÕt lµ: f n* ( Sn )  opt .rn ( Sn .d n ) o f n*1 (Sn1 ) dn (4.1.3)  opt .rn (Sn .dn ) o f n*1[tn ( Sn , dn )] dn trong ®ã obiÓu thÞ mét to¸n tö ®¹i sè mµ cã thÓ lµ +, -,  , hoÆc bÊt kú miÔn lµ phï hîp víi bµi to¸n. Ph­¬ng tr×nh ®Ö quy cho mét thuËt gi¶i tiÕn ®­îc ph¸t biÓu lµ: f n* ( Sn )  opt .rn ( Sn , d n ) o f n*1 ( Sn1 ) (4.1.4) dn Chó ý r»ng, trong vÝ dô nµy, nh÷ng tÝnh to¸n cho giai ®o¹n 3 (dù ¸n C) kh«ng liªn quan ®Õn sè h¹ng fn+1(Sn+1) trong ph­¬ng tr×nh ®Ö quy 4.1.3. Nãi chung ®©y sÏ lµ tr­êng hîp sö dông tèi ­u hãa quy ho¹ch ®éng lïi. Do ®ã, ph­¬ng tr×nh ®Ö quy cho kü thuËt quy ho¹ch ®éng lïi cã thÓ ®­îc viÕt lµ: opt .[rn (S n , d n )], víi n = N (4.1.5a)  dn * f ( Sn )   n * opt .[rn (S n , d n ) o f n 1 ( S n 1 )], víi n = 1 ®Õn N - 1 (4.1.5b)  dn B ¶ng 4.1.2(c) TÝnh to¸n quy ho¹ch ®éng cho dù ¸n A * * d* f A (S A ,d A ) = rA (S A )+ f B (d A ) f A () SA A 136
  9. dA = S B P h­¬ng ¸n 1 Ph­¬ng ¸n 2 Ph­¬ng ¸n 3 5+13=8 5+14=19 20 PA - 3 5+15=20 PA - 1 (1+5=6)+ (1+6=7) ($6) ( 1+5=6) 6+13=19 6+14=20 21 PA - 3 6+15=21 PA - 2 (2+5=7) (2+6=8, kh«ng kh¶ ($7) ( 2+5=7) thi) * 8+13=21 8+14=22 +15+23 - - PA - 3 (3+5=8, kh«ng kh¶ (3+6=9, kh«ng kh¶ (3+5=8, kh«ng kh¶ - thi) thi) thi) D Êu + trong () lµ chi phÝ tÝch lòy cho c¸c dù ¸n A, B vµ C. VÝ dô 4.1.2. X¸c ®Þnh c¸c ph­¬ng tr×nh ®Ö quy lïi cho VÝ dô 4.1.1. f3*  S 3   Max  rC  ; víi giai ®o¹n thø hai Lêi gi¶i. Víi giai ®o¹n thø ba (n=3) dC   ; vµ víi giai ®o¹n 1 f  S   Max  r  *  f B* . f 2  S 2   Max rB  f C 1 1 A dB dA VÝ dô 4.1.3. C¸c dßng ch¶y tíi mét hå cã tæng dung tÝch b»ng 4 ®¬n vÞ n­íc lµ 2, 1, 2 vµ 1 ®¬n vÞ t­¬ng øng víi bèn mïa trong n¨m. §Ó tiÖn lîi, l­îng n­íc chØ ®­îc tÝnh b»ng c¸c ®¬n vÞ nguyªn. Do ®ã, l­îng x¶ ra tõ hå ®Ó cung cÊp cho mét thµnh phè vµ n«ng nghiÖp ®­îc b¸n víi gi¸ lµ $2000 cho ®¬n vÞ ®Çu tiªn, $1500 cho ®¬n vÞ thø hai, $1000 cho ®¬n vÞ thø ba, vµ $500 cho ®¬n vÞ thø t­. Khi hå chøa ®Çy n­íc vµ x¶ trµn 1 ®¬n vÞ n­íc, mét trËn lò nhá sÏ dÉn tíi thiÖt h¹i $1500, Khi x¶ trµn lªn tíi 2 ®¬n vÞ, mét trËn lò lín sÏ g©y thiÖt h¹i $4000, X¸c ®Þnh chÝnh s¸ch vËn hµnh ®Ó lîi nhuËn hµng n¨m lín nhÊt b»ng quy ho¹ch ®éng sö dông thuËt gi¶i lïi, xÐt víi bÊt kú l­îng dù tr÷ nµo ë thêi ®iÓm cuèi n¨m. Lêi gi¶i. B ­íc ®Çu tiªn lµ gi¶i thÝch hµm lîi nhuËn. Mét ®¬n vÞ x¶ ra tõ hå cã lîi nhuËn lµ $2000; 2 ®¬n vÞ x¶ cã lîi nhuËn lµ $2000+ $1500 = $3500; 3 ®¬n vÞ x¶ cã lîi nhuËn lµ $3500 + $1000 = $4500; 4 ®¬n vÞ x¶ cã lîi nhuËn lµ $4500 + $500 = $5000; 5 ®¬n vÞ x¶ (khi mµ hå chøa chØ cã dung tÝch lµ 4 ®¬n vÞ th× ®iÒu nµy cã nghÜa lµ hå chøa bÞ ®Çy vµ 1 ®¬n vÞ ph¶i x¶ trµn); lîi nhuËn sÏ lµ $5000 (4 ®¬n vÞ cÊp n­íc) - $1500 (1 ®¬n vÞ x¶ trµn) = $3500; vµ 6 ®¬n vÞ x¶ th× lîi nhuËn sÏ lµ $5000 -$4000 (2 ®¬n vÞ x¶ trµn) = $1000, Mçi mïa thÓ hiÖn mét giai ®o¹n nh­ trªn h×nh 4.1.3. BiÕn tr¹ng th¸i cho bµi to¸n vËn hµnh hå chøa nµy chÝnh lµ l­îng tr÷ trong hå, lµ l­îng tr÷ ban ®Çu hay ®Çu mïa Sn = STn vµ l­îng tr÷ kÕt thóc ~ hay cuèi mïa S n  STn 1 ®èi víi mïa thø n. L­îng x¶ tõ hå chøa lµ biÕn quyÕt ®Þnh ®­îc ký hiÖu lµ dn = Rn ®èi víi mïa thø n. Hµm chuyÓn ®æi ®¬n gi¶n chÝnh lµ ph­¬ng tr×nh liªn tôc liªn hÖ l­îng tr÷ ®Çu thêi ®o¹n víi l­îng tr÷ cuèi thêi ®o¹n cña giai ®o¹n n: ~ S n  S n  QFn  Rn trong ®ã QFn lµ dßng ch¶y ®Õn cho giai ®o¹n n. L­îng tr÷ cuèi cña mét giai ®o¹n (mïa) nµo ®ã sÏ lµ l­îng tr÷ ban ®Çu cho tr¹ng th¸i kÕ tiÕp, nghÜa lµ ~ S n  S n1 Ph­¬ng tr×nh ®Ö quy lïi quy ho¹ch ®éng cho vÝ dô nµy lµ:   * f n  Max[rn ( S n , d n )]   Max[ C¸c b­íc tÝnh to¸n quy ho¹ch ®éng ®­îc tr×nh bµy ë c¸c b¶ng 4.1.3(a)-(d). Xem b¶ng 4.1.3(a) ®Ó theo dâi c¸c b­íc tÝnh to¸n cho giai ®o¹n 4. Cét ®Çu tiªn thÓ hiÖn l­îng tr÷ (tr¹ng th¸i) ban ®Çu cña mïa (giai ®o¹n) 4. Cét thø hai lµ gi¸ trÞ l­îng tr÷ ban ®Çu céng víi l­îng dßng ch¶y tíi hå QF4 = 1. N¨m cét tiÕp theo lµ linh hån cña tÝnh to¸n quy ho¹ch ®éng mµ ë ®ã c¸c ph­¬ng tr×nh ®Ö quy ®­îc 137
  10. ~ S 4 = 0, 1, 2, vµ 4. §èi víi gi¶i. Mçi cét dµnh cho c¸c gi¸ trÞ cã thÓ cña l­îng tr÷ cuèi thêi ®o¹n * giai ®o¹n 4, c¸c tÝnh to¸n lµ kh«ng cÇn thiÕt v× ph­¬ng tr×nh ®Ö quy lµ f 4 ( S 4 )  r4 ( S 4 , d 4 ) . VÝ ~ S4  0 dô nh­ nÕu l­îng tr÷ ban ®Çu S4 = 0 vµ l­îng tr÷ cuèi cho ta l­îng x¶ R4 = 1. L­îng x¶ nµy ®­îc x¸c ®Þnh tõ viÖc gi¶i hµm chuyÓn ®æi tr¹ng th¸i cho R4 ~ R4  S 4  QF4  S 4  0  1  0  1 Víi l­îng x¶ lµ 1 ®¬n vÞ th× lîi nhuËn lµ $2000 do ®ã f4 (S4)=r4(S4=0, d4=R4=1) = $2000, Mét c¸ch ~ S 4  0 , R4 = 1 + 1 - 0 = 2 vµ khi ®ã f4(S4)=r4(S4=1, d4=R4=2) = $3500, t­¬ng tù cho S4 = 1 vµ * C¸c cét lîi nhuËn tèi ®a f 4 ( S 4 ) ®Þnh nghÜa c¸c gi¸ trÞ lîi nhuËn cùc ®¹i cho mçi l­îng tr÷ ban ®Çu cã xÐt ®Õn l­îng tr÷ cuèi. §iÒu nµy gièng nh­ viÖc xÐt mçi l­îng x¶ (quyÕt ®Þnh) cã thÓ ®èi víi l­îng tr÷ ban ®Çu. L­îng x¶ tèi ­u cho mçi l­îng tr÷ ban ®Çu ®­îc liÖt kª trong cét kÕ tiÕp vµ l­îng tr÷ cuçi tèi ­u ®­îc liÖt kª ë cét cuèi cïng. B¶ng 4.1.3(b) tr×nh bµy c¸c tÝnh to¸n quy ho¹ch ®éng cho giai ®o¹n (mïa) thø 3 víi l­îng dßng ~ S3  0 . L­îng ch¶y tíi hå lµ 2 ®¬n vÞ. §Ó minh ho¹ quy tr×nh tÝnh to¸n xÐt tr­êng hîp S3 = 0 vµ x¶ ®­îc thÓ hiÖn th«ng qua tæ hîp gi÷a l­îng tr÷ ban ®Çu vµ l­îng tr÷ cuèi lµ ~ R3  S 4  QF3  S 3  0  2  0  2 , do vËy lîi nhuËn lµ r3(S3=0, d3=R3=2) = $3500, Tõ b¶ng ~ * S3  S 4 . C¸c 4.1.3(a) lîi nhuËn luü tÝch tèi ­u cho giai ®o¹n 4 lµ f 4 ( S 4  0)  $2000 ®èi víi b­íc tÝnh to¸n ®­îc lÆp theo chiÒu ng­îc l¹i cho giai ®o¹n 2 (mïa 2) råi giai ®o¹n (mïa) 1 nh­ ®­îc tr×nh bµy lÇn l­ît t¹i c¸c b¶ng 4.1.3(c) vµ (d). 138
  11. H×nh 4.1.3 K h«ng gian tr¹ng th¸i vµ c¸c giai ®o¹n cho VÝ dô 4.1.3. Khi c¸c tÝnh to¸n quy ho¹ch ®éng cho giai ®o¹n 1 kÕt thóc, b­íc t×m ng­îc ®­îc tiÕn hµnh ®Ó t×m ra tËp hîp c¸c l­îng x¶ tèi ­u. XÐt c¸c tÝnh to¸n quy ho¹ch ®éng cho giai ®o¹n 1 ë b¶ng 4.1.3(d), lîi nhuËn lín nhÊt thu ®­îc tõ mçi l­îng tr÷ S1 lµ: $11000 víi S1 = 0, $12500 víi S1 = 1, $14000 víi S1 = 2, $15000 víi S1 = 3, vµ $16000 víi S1 = 4. Lîi nhuËn lín nhÊt nh­ vËy lµ $16000, Mét phÐp t×m ng­îc ®­îc tiÕn hµnh cho mçi l­îng tr÷ ban ®Çu. Víi môc ®Ých minh ho¹, phÐp t×m ng­îc ®­îc tiÕn hµnh ®èi víi tr­êng hîp lîi nhuËn cùc ®¹i b»ng $16000 t­¬ng øng víi S1 = 4. Trong * tr­êng hîp nµy l­îng x¶ tèi ­u d1  2 hoÆc 3 ®¬n vÞ vµ t­¬ng øng víi chóng lµ l­îng tr÷ cuèi thêi ~ ~ S1  4 hoÆc 3. XÐt trong b¶ng 4.1.3(c) víi S 2  S1  4 hoÆc 3 th× l­îng x¶ tèi ­u víi S2 = ®o¹n ~ * S2  2 3 lµ d 2  2 hoÆc 3 ®èi víi c¸c l­îng tr÷ cuèi cïng t­¬ng øng cña giai ®o¹n 2 hoÆc 1. §èi ~ * S2  3 víi S2 = 4, l­îng x¶ tèi ­u d 2  2 hoÆc 3 t­¬ng øng víi l­îng tr÷ cuèi thêi ®o¹n hoÆc 2. ~ Do vËy S 3  S 2  1 , 2 hoÆc 3. B©y giê ®i xÐt b¶ng 4.1.3(b) cho giai ®o¹n 3, c¸c l­îng x¶ tèi ­u ~* ~* * lµ: víi S3 = 1, d2 = 2 vµ S 3  1 ; víi S3 = 2, d 3  2 hoÆc 3 vµ S 3  2 hoÆc 3; vµ víi S3 = 3, ~* ~* * d 3  3 vµ S 3  2 . C¸c l­îng tr÷ cuèi tèi ­u cña giai ®o¹n 3 lµ S 3  1 hoÆc 2. Qu¸ tr×nh t×m ~ ng­îc l¹i ®­îc tiÕp tôc ®Õn giai ®o¹n 4 trong b¶ng 4.1.3(a). Víi S 4  S *  1 hoÆc 2 th× c¸c quyÕt 4 * * ®Þnh tèi ­u t­¬ng øng d 4  2 hoÆc 3 ®Ó cho S 4  0 trong c¶ hai tr­êng hîp. Tãm l¹i: lîi nhuËn lín nhÊt trong bµi to¸n nµy cã thÓ b¾t ®Çu víi hå chøa lµ ®Çy n­íc vµo thêi ®iÓm b¾t ®Çu cña n¨m vµ x¶ hÕt vµo thêi ®iÓm cuèi n¨m. §iÒu nµy lµ hiÓn nhiªn trong vÝ dô ta ®ang xÐt. Tuy nhiªn nÕu xÐt theo quan ®iÓm vËn hµnh mét hå chøa thùc tÕ, chÝnh s¸ch vËn hµnh nµy kh«ng thÓ thùc thi. Qu¸ tr×nh t×m ng­îc tèi ­u ®­îc minh ho¹ cô thÓ h¬n trong h×nh 4.1.4 cïng víi c¸c l­îng x¶ tèi ­u. MÆc dï quy ho¹ch ®éng mang nhiÒu ­u ®iÓm trong viÖc gi¶i c¸c bµi to¸n nguån n­íc, ®Æc biÖt lµ ®èi víi c¸c bµi to¸n ph©n tÝch c¸c qu¸ tr×nh nhiÒu giai ®o¹n, nã cã hai h¹n chÕ lµ yªu cÇu vÒ bé nhí m¸y tÝnh vµ thêi gian tÝnh to¸n lín. Hai h¹n chÕ nµy cã thÓ lµ kh¸ nghiªm träng trong hai tr­êng hîp: (1) khi sè c¸c biÕn tr¹ng th¸i lµ lín; vµ (2) khi quy ho¹ch ®éng ®­îc ¸p dông theo ph­¬ng ph¸p rêi r¹c ®Ó tÝnh to¸n cho mét kh«ng gian tr¹ng th¸i liªn tôc. VÊn ®Ò liªn quan ®Õn tr­êng hîp 2 lµ tån t¹i nhiÒu khã kh¨n trong viÖc t×m kiÕm nghiÖm tèi ­u thùc nÕu kh«ng t¨ng mét c¸ch ®¸ng kÓ sè c¸c kho¶ng rêi r¹c ho¸ trong kh«ng gian tr¹ng th¸i. Cïng víi nh÷ng tiÕn bé vÒ c«ng nghÖ m¸y tÝnh, nh÷ng nh­îc ®iÓm nµy dÇn trë nªn Ýt nghiªm träng. Mét gia sè c¸c rêi r¹c ho¸ hay sè c¸c biÕn tr¹ng th¸i cã thÓ lµm t¨ng theo hµm mò sè c¸c tÝnh to¸n c¸c c«ng thøc ®Ö quy vµ bé nhí cho mçi giai ®o¹n. VÊn ®Ò t¨ng nhanh yªu cÇu vÒ bé nhí vµ thêi gian tÝnh g¾n víi c¸c bµi to¸n quy ho¹ch ®éng ®a biÕn tr¹ng th¸i nµy th­êng ®­îc ®Ò cËp tíi víi tªn gäi lêi nguyÒn cña sè chiÒu (vÊn ®Ò t¨ng theo quy luËt hµm mò khi t¨ng sè chiÒu trªn kh«ng gian tÝnh). 139
  12. B ¶ng 4.1.3(a) TÝnh to¸n quy ho¹ch ®éng cho giai ®o¹n 4 cña VÝ dô 4.1.3 (a) Giai ®o¹n 4 - Mïa 4 Tæng Lîi nhuËn QuyÕt L­îng Lîi nhuËn f4(S4)=r4(S4,d4) L­îng l­îng lín nhÊt ®Þnh (X¶) tr÷ cuèi tr÷ ban L­îng tr÷ cuèi S 4 tr÷ f 4*  S4  * * d 4 = R4 S4 ®Çu S4 S4 + QF4 0 1 2 3 4 0 1 2000 0 - - - 2000 1 0 1 2 3500 2000 0 - - 3500 2 0 2 3 4500 3500 2000 0 - 4500 3 0 3 4 5000 4500 3500 2000 0 5000 4 0 4 5 3500 5000 4500 3500 2000 5000 4 1 Nh×n tõ khÝa c¹nh gi¶i quyÕt vÊn ®Ò, vÊn ®Ò vÒ yªu cÇu bé nhí lµ nghiªm träng h¬n vÊn ®Ò vÒ thêi gian tÝnh to¸n. NÕu bé nhí t¹m bÞ chiÕm chç v­ît qu¸ kh¶ n¨ng cña mét bé nhí m¸y tÝnh th× bµi to¸n sÏ kh«ng gi¶i ®­îc. MÆt kh¸c, mét sù gia t¨ng vÒ thêi gian tÝnh to¸n chØ yªu cÇu ta cã thªm chót kiªn nhÉn ®Ó cã ®­îc kÕt qu¶. ChÝnh v× vËy mµ vÊn ®Ò t¨ng nhanh vÒ yªu cÇu bé nhí g¾n víi c¸c bµi to¸n quy ho¹ch ®éng ®a biÕn tr¹ng th¸i cã thÓ ph©n biÖt c¸c bµi to¸n gi¶i ®­îc vµ c¸c bµi to¸n kh«ng thÓ gi¶i ®­îc. 140
  13. B¶ng 4.1.3(b) TÝnh to¸n quy ho¹ch ®éng cho giai ®o¹n 3 cña VÝ dô 4.1.3 (b) Giai ®o¹n 3 – Mïa 3 QuyÕt f 3  S 3  = r3  S 3 ,d 3  + f 4*  S 4  L­îng tr÷ Lîi nhuËn Lîi nhuËn L­îng tr÷ Tæng ®Þnh cuèi cïng lín nhÊt ban ®Çu l­îng tr÷ (X¶) S 3 = S4 L­îng tr÷ cuèi * f 3*  S 3  S3 S3 + QF3 S 3 = S4 d 3 = R* 0 1 2 3 4 3 3500 + 2000 2000 + 3500 0 + 4500 0 2 - - 5500 2,1 0,1 = = = 5500 5500 4500 4500 + 2000 3500 + 3500 2000 + 4500 0 + 5000 = 1 3 - 7000 2 1 = = = 5000 6500 7000 6500 5000 + 2000 4500 + 3500 3500 + 4500 2000 + 5000 0 + 5000 = 2 4 8000 3,2 1,2 = = = = 5000 7000 8000 8000 7000 3500 + 2000 5000 + 3500 4500 + 4500 3500 + 5000 2000 + 5000 3 5 9000 3 2, = = = = = 7000 5500 8500 9000 8500 1000 + 2000 3500 + 3500 5000 + 4500 4500 + 5000 3500 + 5000 4 6 = = = = 9500 4,3 2,3 = 8500 3000 7000 9500 9500
  14. B¶ng 4.1.3(c) TÝnh to¸n quy ho¹ch ®éng cho giai ®o¹n 2 cña VÝ dô 4.1.3 (c) Giai ®o¹n 2 – Mïa 2 f 2 S 2   r2 S 2 , d 2   f 3* S 3  Lîi nhuËn L­îng tr÷ L­îng tr÷ Tæng l­îng Lîi nhuËn QuyÕt ®Þnh S 2  S3 L­îng tr÷ cuèi cuèi cïng ban ®Çu tr÷ lín nhÊt (X¶) * S 2  * * f d2  R S 2  S3 S2 S2+QF2 0 1 2 3 4 2 2 0 1 2000+5500= 0+7000= _ _ _ 7500 1 0 7500 7000 1 2 3500+5500= 2000+7000= 0+8000= _ _ 9000 2,1 0,1 9000 9000 8000 2 3 4500+5500= 3500+7000= 2000+8000= 0+9000= _ 10500 2 1 10000 10500 10000 9000 3 4 5000+5500= 4500+7000= 3500+8000= 2000+9000= 0+9500= 11500 3,2 1,2 10500 11500 11500 11000 9500 4 5 3500+5500= 5000+7000= 4500+8000= 3500+9000= 2000+9500= 12500 3,2 2,3 9000 12000 12500 12500 11500
  15. B¶ng 4.1.3(d) TÝnh to¸n quy ho¹ch ®éng cho giai ®o¹n 1 cña VÝ dô 4.1.3 (d) Giai ®o¹n 1 – Mïa 1 f1 S1   r1 S1 , d1   f 2* S 2  Lîi nhuËn L­îng tr÷ L­îng tr÷ Tæng Lîi nhuËn QuyÕt ®Þnh S1  S2 L­îng tr÷ cuèi cuèi cïng ban ®Çu l­îng tr÷ lín nhÊt (X¶) * S1  * * f d1  R S1  S2 S1 S1+QF1 0 1 2 3 4 1 1 0 2 3500+7500= 2000+9000= 0+10500= _ _ 11000 2,1 0,1 11000 11000 10500 1 3 4500+7500= 3500+9000= 2000+10500= 0+11500= _ 12500 2,1 1,2 12000 12500 12500 11500 2 4 5000+7500= 4500+9000= 3500+10500= 2000+11500= 0+12500= 14000 2 2 12500 13500 14000 13500 12500 3 5 3500+7500= 5000+9000= 4500+10500= 3500+11500= 2000+12500= 15000 3,2 2,3 11000 14000 15000 15000 14500 4 6 1000+7500= 3500+9000= 5000+10500= 4500+11500= 3500+12500= 16000 3,2 3,4 8500 12500 15500 16000 16000
  16. H×nh 4.1.4 B ­íc t×m ng­îc cho vÝ dô 4.1.3. 4.2. Quy ho¹ch ®éng sai ph©n rêi r¹c Quy ho¹ch ®éng sai ph©n rêi r¹c (DDDP-Discrete Differential Dynamic Programming) lµ mét thñ tôc quy ho¹ch ®éng lÆp, ®­îc ®Æc biÖt thiÕt kÕ ®Ó kh¾c phôc mét sè khã kh¨n cña c¸ch tiÕp cËn quy ho¹ch ®éng ®· ®­îc ®Ò cËp ®Õn ë tr­íc. Quy ho¹ch ®éng sai ph©n rêi r¹c sö dông ph­¬ng tr×nh ®Ö quy gièng nh­ quy ho¹ch ®éng ®Ó t×m kiÕm trong sè c¸c tr¹ng th¸i rêi r¹c thuéc miÒn giai ®o¹n-tr¹ng th¸i. Thay b»ng viÖc t×m kiÕm nghiÖm tèi ­u trªn toµn miÒn giai ®o¹n-tr¹ng th¸i nh­ trong tr­êng hîp quy ho¹ch ®éng, quy ho¹ch ®éng sai ph©n rêi r¹c chØ kiÓm tra mét phÇn cña miÒn giai ®o¹n-tr¹ng th¸i vµ do ®ã tiÕt kiÖm thêi gian vµ bé nhí m¸y tÝnh (Chow et al., 1975). Quy tr×nh tèi ­u hãa nµy ®­îc gi¶i th«ng qua c¸c b­íc lÆp cña c¸c tr¹ng th¸i vµ c¸c quyÕt ®Þnh thö nghiÖm ®Ó t×m kiÕm sù tèi ­u cho mét hÖ thèng víi nh÷ng rµng buéc lµ c¸c tr¹ng th¸i vµ c¸c quyÕt ®Þnh thö nghiÖm ph¶i n»m trong miÒn kh¶ thi t­¬ng øng, ®ã lµ, kh¶ thi trong trong c¸c kh«ng gian tr¹ng th¸i vµ quyÕt ®Þnh. Trong quy ho¹ch ®éng sai ph©n rêi r¹c, b­íc ®Çu tiªn lµ gi¶ thiÕt mét chuçi thö nghiÖm cña c¸c quyÕt ®Þnh cã thÓ chÊp nhËn ®­îc gäi lµ chÝnh s¸ch thö nghiÖm vµ c¸c vector tr¹ng th¸i cña mçi giai ®o¹n ®­îc tÝnh t­¬ng øng. Chuçi c¸c tr¹ng th¸i n»m trong miÒn tr¹ng th¸i kh¶ thi cho c¸c giai ®o¹n kh¸c nhau ®­îc gäi lµ quü ®¹o thö nghiÖm. Mét quy tr×nh kh¸c víi thñ tôc trªn lµ ®Çu tiªn ®i gi¶ sö mét quü ®¹o thö nghiÖm vµ sau ®ã sö dông nã ®Ó tÝnh ra chÝnh s¸ch thö nghiÖm. Mét vµi tr¹ng th¸i ë l©n cËn mét quü ®¹o thö nghiÖm, cã thÓ ®­îc ®­a vµo h×nh thµnh mét d¶i ®­îc gäi lµ hµnh lang quü ®¹o thö nghiÖm (Xem h×nh 4.2.1). 118
  17. H×nh 4.2.1 Sù thiÕt lËp hµnh lang quanh quü ®¹o thö nghiÖm cho mét bµi to¸n ba giai ®o¹n. Trong thùc hµnh th«ng th­êng kh«ng gian tr¹ng th¸i ®­îc rêi r¹c ho¸ thµnh c¸c sè gia ®Òu nhau, gäi lµ c¸c sè gia tr¹ng th¸i, trong ®ã tæng sè c¸c rêi r¹c hãa, ®­îc xem lµ c¸c ®iÓm l­íi hay c¸c ®iÓm m¾t c¸o, cho mçi biÕn tr¹ng th¸i lµ nh­ nhau. Do ®ã, c¸c quyÕt ®Þnh ph¶i ®­îc lùa chän t­¬ng øng víi ph­¬ng ph¸p rêi r¹c hãa c¸c biÕn tr¹ng th¸i. Kho¶ng sè gia cña biÕn quyÕt ®Þnh phô thuéc vµo kho¶ng sè gia cña biÕn tr¹ng th¸i t­¬ng øng. H­íng tiÕp cËn quy ho¹ch ®éng truyÒn thèng ®­îc ¸p dông trong mét bµi to¸n quy ho¹ch ®éng sai ph©n rêi r¹c cho c¸c tr¹ng th¸i trong hµnh lang ®ã sö dông mèi quan hÖ ®Ö quy ®Ó t×m ra mét quü ®¹o tèt h¬n. Quü ®¹o nµy x¸c ®Þnh mét chÝnh s¸ch hay tËp hîp cña c¸c quyÕt ®Þnh trong hµnh lang ®· ®­îc ®­a ra. Quü ®¹o thö nghiÖm nµy sau ®ã ®­îc sö dông nh­ mét quü ®¹o míi ®Ó t¹o ra mét hµnh lang míi. Qu¸ tr×nh h×nh thµnh vµ tèi ­u hµnh lang nµy xÐt tíi c¸c tr¹ng th¸i n»m trong hµnh lang ®ã vµ qua tr×nh t×m ng­îc trë l¹i ®Ó nhËn ®­îc mét quü ®¹o tèt h¬n cho toµn bé hÖ thèng ®­îc gäi lµ mét b­íc lÆp. Quü ®¹o míi, ®Þnh nghÜa hÖ thèng th«ng qua sù tèi ­u cña hµnh lang thö nghiÖm, sau ®ã ®­îc sö dông nh­ quü ®¹o thö nghiÖm míi ®Ó thiÕt lËp hµnh lang tèt h¬n cho b­íc lÆp tiÕp theo. Thñ tôc nµy ®­îc lÆp tíi qu¸ mét b­íc lÆp thø k nµo ®ã mµ ë ®ã cho ra mét hµnh lang. Hµnh lang nµy cung cÊp mét lîi nhuËn cña hÖ thèng fk sao cho c¸c b­íc lÆp tiÕp theo víi cïng kÝch th­íc cña hµnh lang nµy sÏ t¹o ra mét chªnh lÖch trong lîi nhuËn hÖ thèng, fk-fk-1 nhá h¬n mét dung sai x¸c ®Þnh. T¹i ®iÓm nµy trong thñ tôc tèi ­u hãa, kÝch th­íc cña sè gia tr¹ng th¸i cã thÓ ®­îc gi¶m xuèng ®Ó thiÕt lËp mét hµnh lang míi mµ trong ®ã c¸c tr¹ng th¸i hay c¸c ®iÓm l­íi xÝt nhau h¬n. Mét hµnh lang nhá h¬n ®­îc h×nh thµnh quanh quü ®¹o ®· ®­îc c¶i thiÖn tõ b­íc lÆp cuèi cïng. 119
  18. C¸c b­íc lÆp tiÕp tôc gi¶m kÝch th­íc cña sè gia tr¹ng th¸i th«ng qua hÖ thèng cho ®Õn khi ®¹t tíi mét kÝch th­íc hµnh lang nhá nhÊt x¸c ®Þnh. Tiªu chuÈn ®­îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh khi nµo kÝch th­íc sè gia tr¹ng th¸i cÇn ®­îc gi¶m lµ dùa trªn sù thay ®æi t­¬ng ®èi cña gi¸ trÞ hµm môc tiªu tèi ­u cña b­íc lÆp tr­íc, ®ã lµ: (4.2.1) f k  f k 1 / f k 1   trong ®ã  lµ møc dung sai x¸c ®Þnh. h×nh 4.2.2 lµ mét s¬ ®å khèi thÓ hiÖn thuËt gi¶i chung cña thñ tôc quy ho¹ch ®éng sai ph©n rêi r¹c. MÆc dï viÖc sö dông quy ho¹ch ®éng sai ph©n rêi r¹c phÇn nµo kh¾c phôc vÊn ®Ò liªn quan tíi lêi nguyÒn cña sè chiÒu cña quy ho¹ch ®éng th«ng th­êng, nã l¹i g©y ra mét sè vÊn ®Ò cÇn quan t©m kh¸c liªn quan ®Õn viÖc lùa chän quü ®¹o ban ®Çu, viÖc thay ®æi ®iÓm l­íi hay kh«ng gian tr¹ng th¸i, vµ sù héi tô tíi mét tèi ­u ®Þa ph­¬ng thay v× mét tèi ­u toµn côc. C¸c nh©n tè chÝnh ¶nh h­ëng tíi viÖc thùc hiÖn quy ho¹ch ®éng sai ph©n rêi r¹c gåm cã: 1. Sè c¸c ®iÓm l­íi; 2. Sè gia tr¹ng th¸i ban ®Çu cïng víi sè ®iÓm l­íi x¸c ®Þnh ®é réng hµnh lang; 3. Quü ®¹o thö nghiÖm ban ®Çu ®­îc sö dông ®Ó thiÕt lËp vÞ trÝ cña c¸c hµnh lang bªn trong kh«ng gian tr¹ng th¸i cho b­íc lÆp ®Çu tiªn; 4. Tèc ®é gi¶m cña kÝch th­íc sè gia tr¹ng th¸i mµ x¸c ®Þnh ®é réng hµnh lang cho c¸c b­íc lÆp kh¸c nhau. Nh÷ng nh©n tè nµy ®«i khi phô thuéc lÉn nhau trong viÖc sö dông thÝch hîp vµ hiÖu qu¶ quy ho¹ch ®éng sai ph©n rêi r¹c cho c¸c bµi to¸n tµi nguyªn n­íc. Sù lùa chän quü ®¹o thö nghiÖm ban ®Çu vµ ®é réng hµnh lang ban ®Çu lµ phô thuéc lÉn nhau. VÝ dô, nÕu mét ®é réng hµnh lang nhá ®­îc chän cïng víi mét quü ®¹o thö nghiÖm ban ®Çu c¸ch xa vïng tèi ­u, c¸c b­íc lÆp kh«ng cÇn thiÕt ®­îc ®ßi hái ®Ó di chuyÓn quü ®¹o ®ã vµo trong vïng tèi ­u hoÆc gÇn tèi ­u. Cã thÓ trong mét sè tr­êng hîp bµi to¸n quy ho¹ch ®éng sai ph©n rêi r¹c sÏ héi tô tíi mét nghiÖm kh¸ xa nghiÖm tèi ­u. Sè c¸c ®iÓm l­íi vµ sè gia tr¹ng th¸i ban ®Çu cïng x¸c ®Þnh ®é réng cña hµnh lang ban ®Çu. Sö dông mét sù kÕt hîp mét sè l­îng nhá c¸c ®iÓm l­íi vµ mét sè gia tr¹ng th¸i ban ®Çu nhá còng cã thÓ dÉn tíi nh÷ng lêi gi¶i tèi ­u ®Þa ph­¬ng c¸ch xa nghiÖm tèi ­u. ¶nh h­ëng cña viÖc chän mét quü ®¹o ban ®Çu kh«ng tèt cã thÓ ®­îc gi¶m ®i nÕu mét sè l­îng lín c¸c ®iÓm l­íi vµ/hoÆc c¸c sè gia tr¹ng th¸i ban ®Çu lín ®­îc sö dông. Thùc chÊt, quü ®¹o ban ®Çu cµng tèt th× yªu cÇu sè c¸c ®iÓm l­íi vµ c¸c sè gia tr¹ng th¸i ban ®Çu cµng nhá, hoÆc ®¬n gi¶n, cµng cã thÓ sö dông ®é réng hµnh lang ban ®Çu nhá. Sè gia tr¹ng th¸i rÊt nhá víi c¸c ®iÓm l­íi nhiÒu h¬n còng cã thÓ ®­îc sö dông ®Ó thiÕt lËp mét ®é réng hµnh lang nhá. §iÒu nµy cã thÓ dÉn tíi sù héi tô tèt h¬n; tuy nhiªn, viÖc t¨ng sè 120
  19. l­îng c¸c ®iÓm l­íi lµm t¨ng thêi gian tÝnh to¸n vµ nhu cÇu l­u tr÷. Thêi gian tÝnh to¸n cã thÓ ®­îc c¶i thiÖn b»ng viÖc gia t¨ng tèc ®é gi¶m cña sè gia tr¹ng th¸i t¹i mçi b­íc lÆp; tuy nhiªn, tèc ®é suy gi¶m cña sè gia tr¹ng th¸i qu¸ lín cã thÓ bá qua khu vùc tèi ­u v× vËy kh«ng cung cÊp lêi gi¶i tèi ­u. ViÖc lùa chän mét sè gia tr¹ng th¸i ban ®Çu lín vµ mét tèc ®é suy gi¶m kÝch th­íc sè gia tr¹ng th¸i lín cã thÓ lµ cã lîi. Tuy nhiªn, khi sè gia tr¹ng th¸i ban ®Çu qu¸ lín, dÉn tíi c¸c ®é réng hµnh lang lín, nh÷ng sù tÝnh to¸n kh«ng cÇn thiÕt ®­îc thùc hiÖn ë c¸c khu vùc kh«ng gian tr¹ng th¸i c¸ch xa vïng tèi ­u. H×NH 4.2.2 ThuËt gi¶i tæng qu¸t cho quy ho¹ch ®éng sai ph©n rêi r¹c 4.3. §¹i sè ma trËn cho quy ho¹ch phi tuyÕn 121
  20. §Ó gi¶i thÝch c¸c kh¸i niÖm cña qui ho¹ch phi tuyÕn, nhiÒu kü thuËt vÒ ®¹i sè ma trËn vµ ®¹i sè tuyÕn tÝnh ®­îc sö dông. Trong môc nµy giíi thiÖu tãm t¾t mét sè kh¸i niÖm ®ã. Mét ®­êng lµ mét tËp hîp c¸c ®iÓm x=x0+  d (4.3.1) H×nh 4.3.1 X ¸c ®Þnh mét ®­êng th¼ng trong kh«ng gian hai chiÒu. trong ®ã x0 lµ mét ®iÓm x¸c ®Þnh trªn ®­êng th¼ng,  lµ mét kÝch th­íc b­íc (bËc) v« h­íng, vµ d lµ h­íng cña ®­êng th¼ng. h×nh 4.3.1 biÓu thÞ mét ®­êng th¼ng trong kh«ng gian hai chiÒu trong ®ã x0 lµ ®iÓm (1,1) vµ d lµ vector chØ h­íng (2,1)T ®­îc biÓu thÞ b»ng mòi tªn trong ®ã ch÷ T ë trªn biÓu thÞ chuyÓn vÞ cña mét vector hay mét ma trËn. Mét hµm nhiÒu biÕn f(x) t¹i ®iÓm x còng lµ mét kh¸i niÖm quan träng. Víi mét hµm mµ lµ liªn tôc vµ ®¹o hµm liªn tôc, cã mét vector cña ®¹o hµm bËc nhÊt ®­îc gäi lµ gradient hay vector gradient. T  f   f f f  f  x       (4.3.2) , ,....,   x   x1 x2 xn  T trong ®ã  lµ vector cña to¸n tö gradient   / x1,...,  / xn  . VÒ mÆt h×nh häc, vector gradient t¹i mét ®iÓm cho tr­íc biÓu thÞ h­íng mµ theo ®ã tèc ®é gia t¨ng lín nhÊt trong gi¸ trÞ hµm sÏ diÔn ra. Víi f(x) cã ®¹o hµm liªn tôc bËc hai tån t¹i mét ma trËn ®¹o hµm bËc hai ®­îc gäi lµ ma trËn Hessian hay Hessian.  2 f 2 f 2 f  ...   x2 x1x2 x1xn   2 1 2 2 f f f  ... H ( x)   2 f  x    x x (4.3.3) x12  2 x2  ... 1 2 ...  ... ... 2 2 f  f  ... ... 2  xnx1 xn    122
nguon tai.lieu . vn