通过matlab的线性规划函数解决完美匹配问题

前文《GEODUAL软件说明书之完美匹配问题》中介绍了使用软件求解完美匹配问题的步骤和理论。现在通过matlab的线性规划求解器,从问题源头出发,手动求解完美匹配问题。本例采用10个点的匹配问题。坐标如图1,2所示:


图1 坐标点信息
图2 坐标系下分布

完美匹配问题满足的规划问题如下:


图3 目标优化函数和约束条件

由于护城河(moat)都是在相切圆之后确定的,因此先使护城河的宽度w_{s} 为0,则上面的规划问题就变为了:


图4 暂不考虑护城河后的目标函数和约束条件

下面通过matlab来求解上述的线性规划问题。由于有10个坐标点,第一步求解点集间的距离矩阵如图5:


图5 点集间的距离矩阵

之后列r_{p} +r_{q}\leq d_{pq}  的约束不等式,由于有10个点,且p \neq q,所以一共有9+8+....1=45个不等式。将其系数列入表格并且带入距离值可得:


图6 系数矩阵和距离矩阵

使用matlab的linprog求解函数求解此线性规划问题的解,其中满足r_{p} \geq 0


图7 matlab线性规划函数介绍

求得的结果如图8所示:


图8 线性规划求得结果

此结果为每个坐标点为圆心的最大半径值,绘制出如图9所示:


图9 求解的相切圆结果

根据上图可以简单地画出完美匹配问题的结果:


图10 结果

将其和GEODUAL软件中的结果对比,发现线段匹配的结果相同,但是相切圆的画法出现了问题,其中软件输出的B和G点相切圆半径差距较大,导致G圆无法与D圆相切从而产生S_{DIH} 的护城河,但是根据笔者计算的结果左方的护城河集合应该是S_{BGDIH} 。笔者认为,应该是线性规划所用的计算公式不同导致的,笔者的算法先省略了护城河的宽度,计算完相切圆半径后再确定护城河宽度,而GEOGUAL中是连带护城河宽度一起计算的,因此存在多组线性规划的最优解,其中一组是笔者的,G点相切圆半径大些,省去了S_{DIH} 护城河的宽度值。而软件计算的是使G点相切圆半径小些,增加了S_{DIH} 护城河的宽度值。而前后两种算法的增减量之和是相同的。

图11 GEODUAL软件算出的结果
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