ASD/graphe.py
2018-01-23 17:57:53 +01:00

646 lines
20 KiB
Python

import sys
import random
import numpy as np
import triangulation
import tas
import stack
class Graphe:
"""Implémente un graphe non orienté."""
class Cout:
CARBURANT = 0
TEMPS = 1
def __init__(self, nom):
"""Initialise un graphe vide.
:param nom: Nom du graphe
"""
self.nom = nom
self.sommets = []
self.aretes = []
self.cout = Graphe.Cout.TEMPS
self.arrivee = None
def renomme(self, nom):
"""Renome le graphe
:param nom: Nouveau nom du graphe.
"""
self.nom = nom
def ajouteSommet(self, x, y):
"""Ajoute le sommet s au graphe.
:param x: abcisse du sommet.
:param y: ordonnée du sommet.
:return: Le sommet créé.
"""
s = Sommet((x, y), len(self.sommets), graphe=self)
self.sommets.append(s)
return s
def connecte(self, s1, s2, longueur, v_moyenne):
"""Connecte les sommets s1 et s2.
:param s1: premier sommet.
:param s2: deuxième sommet.
:param longueur: longueur de l'arrête.
:param v_moyenne: vitesse moyenne sur l'arrête.
:return: L'arête créée.
"""
a = Arete(s1, s2, longueur, v_moyenne, self)
self.aretes.append(a)
s1.aretes.add(a)
s2.aretes.add(a)
return a
def n(self):
"""Retourne le nombre de sommets du graphe."""
return len(self.sommets)
def m(self):
"""Retourne le nombre d'arrêtes du graphe."""
return len(self.aretes)
def __str__(self):
return "V({nom})=[\n{noeuds}\n]\nE({nom})=[\n{aretes}\n]\n".format(
nom=self.nom,
aretes='\n'.join([str(v) for v in self.aretes]),
noeuds='\n'.join([str(n) for n in self.sommets])
)
def trace(self, dest):
"""Affiche le graphe sur la destination.
:param dest: instance de Afficheur.
"""
dest.renomme(self.nom)
for s in self.sommets:
dest.changeCouleur(s.couleur)
dest.tracePoint((s.x(), s.y()))
if hasattr(s, 'nom'):
dest.traceTexte((s.x(), s.y()), s.nom)
else:
dest.traceTexte((s.x(), s.y()), 'v' + str(s.num))
for a in self.aretes:
dest.changeCouleur(a.couleur)
dest.traceLigne((a.s1.x(), a.s1.y()), (a.s2.x(), a.s2.y()))
def ajouteRoute(self, v1, v2, vmax):
"""Ajoute une route de distance euclidienne entre v1 et v2.
:param v1: Premier sommet.
:param v2: Deuxième sommet.
:param vmax: vitesse maximale sur la route.
:return: Route créée.
"""
return self.connecte(v1, v2, v1.distance(v2), vmax)
def ajouteNationale(self, v1, v2):
"""Ajoute une nationale au graphe. (rouge et vmax = 90km/h).
:param v1: Premier sommet.
:param v2: Deuxième sommet.
:return: route créée.
"""
a = self.ajouteRoute(v1, v2, 90)
a.couleur = (1., 0., 0.)
return a
def ajouteDepartementale(self, v1, v2):
"""Ajoute une départementale au graphe. (jaune et vmax = 60km/h).
:param v1: Premier sommet.
:param v2: Deuxième sommet.
:return: route créée.
"""
a = self.ajouteRoute(v1, v2, 60)
a.couleur = (1., 1., 0.)
return a
def dijkstra(self, depart=None):
"""Calcule les plus courts chemins depuis le sommet `depart` (attention,
effets de bord).
:param depart: Sommet de départ.
"""
for s in self.sommets:
s.cumul = None
s.precedent = None
sommets = [depart or self.sommets[0]]
sommets[0].cumul = 0
while sommets:
i, s = min(enumerate(sommets), key=lambda x: x[1].cumul)
sommets.pop(i)
for arete in s.aretes:
voisin = arete.voisin(s)
if voisin.cumul is None: # cumul infini
sommets.append(voisin)
if voisin.cumul is None or s.cumul + arete.cout < voisin.cumul:
voisin.cumul = s.cumul + arete.cout
voisin.precedent = arete
def dijkstraAvecTas(self, depart=None):
"""Calcule les plus courts chemins depuis le sommet `depart` (attention,
effets de bord).
:param depart: Sommet de départ.
"""
for s in self.sommets:
s.cumul = None
s.precedent = None
sommets = tas.Tas(lambda x: -x.cumul)
depart = depart or self.sommets[0]
depart.cumul = 0
depart.cle = sommets.ajoute(depart)
while not sommets.empty():
s = sommets.pop()
for arete in s.aretes:
voisin = arete.voisin(s)
inf = voisin.cumul is None
if inf or s.cumul + arete.cout < voisin.cumul:
voisin.cumul = s.cumul + arete.cout
if inf: # cumul infini
voisin.cle = sommets.ajoute(voisin)
else:
sommets.actualise(voisin.cle)
voisin.precedent = arete
def dijkstraPartiel(self, depart=None, arrivee=None):
"""Calcule les plus courts chemins depuis le sommet `depart` vers
`arrivee` (attention, effets de bord).
:param depart: Sommet de départ.
"""
for s in self.sommets:
s.cumul = None
s.precedent = None
sommets = tas.Tas(lambda x: -x.cumul)
depart = depart or self.sommets[0]
arrivee = arrivee or self.sommets[-1]
depart.cumul = 0
depart.cle = sommets.ajoute(depart)
n_visite = 0
quit = False
while not (sommets.empty() or quit):
s = sommets.pop()
for arete in s.aretes:
voisin = arete.voisin(s)
inf = voisin.cumul is None
if inf or s.cumul + arete.cout < voisin.cumul:
voisin.cumul = s.cumul + arete.cout
voisin.precedent = arete
if inf: # cumul infini
n_visite += 1
voisin.couleur = (0.5, 0.9, 0.1)
if voisin == arrivee:
quit = True
voisin.cle = sommets.ajoute(voisin)
else:
sommets.actualise(voisin.cle)
return self.cheminOptimal(arrivee), n_visite
def astar(self, depart=None, arrivee=None):
"""Calcule les plus courts chemins depuis le sommet `depart` vers
`arrivee` (attention, effets de bord).
:param depart: Sommet de départ.
"""
for s in self.sommets:
s.cumul = None
s.precedent = None
self.arrivee = arrivee or self.sommets[-1]
arrivee = self.arrivee
sommets = tas.Tas(lambda x: -(x.cumul + x.minCumulRestant))
depart = depart or self.sommets[0]
depart.cumul = 0
depart.cle = sommets.ajoute(depart)
n_visite = 0
quit = False
while not (sommets.empty() or quit):
s = sommets.pop()
for arete in s.aretes:
voisin = arete.voisin(s)
inf = voisin.cumul is None
if inf or s.cumul + arete.cout < voisin.cumul:
voisin.cumul = s.cumul + arete.cout
voisin.precedent = arete
if inf: # cumul infini
n_visite += 1
voisin.couleur = (0.5, 0.9, 0.1)
if voisin == arrivee:
quit = True
voisin.cle = sommets.ajoute(voisin)
else:
sommets.actualise(voisin.cle)
return self.cheminOptimal(arrivee), n_visite
def traceArbreDesChemins(self):
"""Change la couleur des chemins optimaux en violet-rose
(252, 17, 189) et le départ en bleu (10, 98, 252).
"""
for s in self.sommets:
if s.precedent:
s.precedent.couleur = (252 / 255, 17 / 255, 189 / 255)
if not s.cumul: # sommet de départ
s.couleur = (10 / 255, 98 / 255, 252 / 255)
def fixeCarburantCommeCout(self):
"""Fixe le carburant pour cout lors du calcul de plus court chemin."""
self.cout = Graphe.Cout.CARBURANT
def fixeTempsCommeCout(self):
"""Fixe le temps pour cout lors du calcul de plus court chemin."""
self.cout = Graphe.Cout.TEMPS
def cheminOptimal(self, arrivee):
"""Donne le chemin optimal pour aller à `arrivee` depuis le point
de départ donné à `dijkstra`.
:param arrivee: Sommet d'arrivee
:return: le chemin (liste des arêtes)
"""
chemin = []
suivant = arrivee
while suivant.cumul:
chemin.append(suivant.precedent)
suivant = suivant.precedent.voisin(suivant)
chemin.reverse()
return chemin
def colorieChemin(self, chemin, c):
"""Colorie le chemin.
:param chemin: une liste d'arrêtes
:param c: une couleur
"""
for a in chemin:
a.couleur = c
def matriceCout(self, tournee):
"""Calcule la matrice de cout d'une tournée.
:param tournee:La liste des étapes avec en première position le départ.
"""
n = len(tournee)
matrice = np.zeros((n, n))
for x, sx in enumerate(tournee):
self.dijkstra(sx)
for y, sy in enumerate(tournee):
matrice[x, y] = matrice[y, x] = sy.cumul
return matrice
def voyageurDeCommerceNaif(self, tournee):
meilleurItineraire = []
minCout = sys.float_info.max
matrice = self.matriceCout(tournee)
cout = 0
visite = [False] * len(tournee)
visite[0] = True
itineraire = [0]
def backtrack():
nonlocal meilleurItineraire, minCout, matrice, cout, visite, itineraire
if cout < minCout:
if len(itineraire) == len(tournee):
if cout + matrice[0, itineraire[-1]] < minCout:
minCout = cout + matrice[0, itineraire[-1]]
meilleurItineraire = [tournee[x] for x in itineraire]
else:
for i, sommet_visite in enumerate(visite):
if not sommet_visite:
visite[i] = True
indicePrec = itineraire[-1]
itineraire.append(i)
cout += matrice[i, indicePrec]
backtrack()
visite[i] = False
cout -= matrice[i, indicePrec]
itineraire.pop()
backtrack()
return minCout, meilleurItineraire
def traceItineraire(self, itineraire):
for i, x in enumerate(itineraire):
x.nom = "s" + str(i)
suivant = itineraire[(i + 1) % len(itineraire)]
c, _ = self.astar(x, suivant)
self.colorieChemin(c, (0.8, 0.1, 0.8))
def Prim(self):
for s in self.sommets:
s.selection = False
for a in self.aretes:
a.selection = False
aretes = tas.Tas(lambda x: -x.cout)
for a in self.sommets[0].aretes:
aretes.ajoute(a)
self.sommets[0].selection = True
arbre = []
ptot = 0
while not aretes.empty():
a = aretes.pop()
s1, s2 = a.s1, a.s2
if not s1.selection or not s2.selection:
a.selection = True
ptot += a.cout
if not s1.selection:
s1.selection = True
for a_1 in s1.aretes:
aretes.ajoute(a_1)
if not s2.selection:
s2.selection = True
for a_2 in s2.aretes:
aretes.ajoute(a_2)
return ptot
def colorieSelection(self, couleur=(0.1, 0.6, 0.2)):
"""Colorie les sommets et arêtes avec le drapeau `selection` à True."""
for s in self.sommets:
if s.selection:
s.couleur = couleur
for s in self.aretes:
if s.selection:
s.couleur = couleur
def grapheDeCout(self, tournee):
g = Graphe("Graphe de cout de " + self.nom)
for s in tournee:
s_a = g.ajouteSommet(s.x(), s.y())
s_a.image = s
s.image = s_a
for i, s in enumerate(g.sommets):
self.dijkstraAvecTas(s.image)
for s_v in g.sommets[i:]:
d = sum((a.cout for a in self.cheminOptimal(s_v.image)))
g.connecte(s, s_v, d, 1)
return g
def tourneeApproximative(self, tournee):
g_cout = self.grapheDeCout(tournee)
g_cout.Prim()
pile = stack.Stack()
pile.add(tournee[0].image)
tournee[0].image.selection = False
chemin = [tournee[0]]
while not pile.empty():
actuel = pile.pop()
fils = list(filter(lambda x: x.selection, actuel.aretes))
if fils:
a = fils.pop()
a.selection = False
nouveau = a.voisin(actuel)
nouveau.selection = False
chemin.append(nouveau.image)
pile.add(actuel)
pile.add(nouveau)
return chemin
class Sommet:
"""Implémente un sommet de graphe."""
def __init__(self, pos, num, couleur=(0., 0., 0.), graphe=None):
"""Initialise un sommet.
:param pos: couple donnant la position du point.
:param num: numéro du sommet.
:param couleur: couleur du sommet.
"""
self.pos = pos
self.num = num
self.couleur = couleur
self.aretes = set()
self.cumul = None
self.precedent = None
self.graphe = graphe
self.selection = False
self.image = None
@property
def minCumulRestant(self):
x, y = self.graphe.arrivee.pos
d = ((self.pos[0] - x)**2 + (self.pos[1] - y)**2)**(1 / 2)
if self.graphe.cout is Graphe.Cout.TEMPS:
return d / 90 # On minore le temps en divisant par la vitesse max
elif self.graphe.cout is Graphe.Cout.CARBURANT:
return d
else:
return 0
def __str__(self):
return "v{} (x = {} km y = {} km)".format(
str(self.num),
str(self.x()),
str(self.y())
)
def distance(self, v):
"""Calcule la distance entre deux points.
:param v: Point de calcul de la distance.
"""
return ((self.x() - v.x())**2 + (self.y() - v.y())**2)**(1 / 2)
def x(self):
"""Retourne l'abcisse de x."""
return self.pos[0]
def y(self):
"""Retourne l'ordonnée de y."""
return self.pos[1]
class Arete:
"""Implémente une arête de graphe."""
def __init__(
self, s1, s2, longueur, v_moyenne, graph, couleur=(0., 0., 0.)):
"""Initialise une arête.
:param s1: sommet 1.
:param s2: sommet 2.
:param longueur: longueur de l'arête.
:param v_moyenne: vitesse moyenne sur l'arête.
:param couleur: couleur de l'arête.
:param graph: le graphe de l'arête.
"""
self.s1 = s1
self.s2 = s2
s1.aretes.add(self)
s2.aretes.add(self)
self.longueur = longueur
self.v_moyenne = v_moyenne
self.couleur = couleur
self.graph = graph
self.selection = False
def voisin(self, s):
"""Retourne le sommet voisin de s dans l'arête.
:param s: Un sommet de l'arête.
"""
if s == self.s1:
return self.s2
else:
return self.s1
@property
def cout(self):
"""Retourne le cout de l'arête."""
if self.graph.cout is Graphe.Cout.TEMPS:
return self.longueur / self.v_moyenne
elif self.graph.cout is Graphe.Cout.CARBURANT:
return self.longueur
else:
return 1
def __str__(self):
return " v{v1}, v{v2} (long. = {lon} km vlim. = {v} km/h)".format(
v1=str(self.s1.num),
v2=str(self.s2.num),
lon=str(self.longueur),
v=str(self.v_moyenne)
)
def pointsAleatoires(n, L):
"""Crée un graphe de n points aléatoires non reliés dans le carré centré en
0 de largeure L.
:param n: nombre de points.
:param L: Côté du carré.
"""
g = Graphe("Graphe aléatoire")
for _ in range(n):
x, y = random.uniform(-L / 2, L / 2), random.uniform(-L / 2, L / 2)
g.ajouteSommet(x, y)
return g
def test_gabriel(g, v1, v2):
"""Teste si on peut connecter deux sommets selon le critère de Gabriel.
:param g: Le graphe.
:param v1: Premier sommet.
:param v2: Deuxième sommet.
"""
milieu = Sommet(((v1.x() + v2.x()) / 2, (v1.y() + v2.y()) / 2), -1)
rayon = v1.distance(v2) / 2
ajoute = True
for v3 in g.sommets:
if v3 in [v1, v2]:
continue
elif v3.distance(milieu) < rayon:
ajoute = False
break
return ajoute
def gabriel(g, ignore_gvr=False):
"""Crée le graphe de Gabriel associé à g avec des routes démartementales.
:param g: Un graphe sans arrêtes.
:param ignore_gvr: booléen indiquant si on ne doit pas ajouter une arrête
quand gvr en ajoute une.
"""
for v1 in g.sommets:
for v2 in g.sommets:
if v2 == v1:
continue
if test_gabriel(g, v1, v2):
if (ignore_gvr and not test_gvr(g, v1, v2)) or not ignore_gvr:
g.ajouteDepartementale(v1, v2)
def test_gvr(g, v1, v2):
"""Teste si on peut connecter deux sommets selon le critère GVR.
:param g: Le graphe.
:param v1: Premier sommet.
:param v2: Deuxième sommet.
"""
rayon = v1.distance(v2)
ajoute = True
for v3 in g.sommets:
if v3 in [v1, v2]:
continue
elif v3.distance(v1) < rayon and v3.distance(v2) < rayon:
ajoute = False
break
return ajoute
def gvr(g):
"""Crée le graphe GVR associé à g avec des routes nationales.
:param g: Un graphe sans arrêtes.
"""
for v1 in g.sommets:
for v2 in g.sommets:
if v2 == v1:
continue
if test_gvr(g, v1, v2):
g.ajouteNationale(v1, v2)
def reseau(g):
"""Construit une carte routière avec comme nationales les routes obtenues
par la méthode GVR et départementales celles de Gabriel.
:param g: Un raphe sans arêtes.
"""
gabriel(g, ignore_gvr=True)
gvr(g)
def delaunay(g):
"""Crée une triangulation de Delaunay à partir d ' un nuage de point"""
t = triangulation.Triangulation(g)
# Définit une fonction destinée à être appelée
# pour toute paire (s1,s2) de sommets
# qui forme une arête dans la triangulation de Delaunay.
# v3 et v4 sont les troisièmes sommets des deux triangles
# ayant (s1,s2) comme côté.
def selectionneAretes(graphe, v1, v2, v3, v4):
# Fait de chaque arête de la triangulation
# une nationale
graphe.ajouteNationale(v1, v2)
# Construit le graphe de retour, égal à la triangulation de Delaunay
g = t.construitGrapheDeSortie(selectionneAretes)
g.renomme("Delaunay(" + str(g.n()) + ")")
return g
def reseauRapide(g):
"""Crée une triangulation de Delaunay à partir d ' un nuage de point"""
t = triangulation.Triangulation(g)
# Définit une fonction destinée à être appelée
# pour toute paire (s1,s2) de sommets
# qui forme une arête dans la triangulation de Delaunay.
# v3 et v4 sont les troisièmes sommets des deux triangles
# ayant (s1,s2) comme côté.
def selectionneAretes(graphe, v1, v2, v3, v4):
if test_gabriel(graphe, v1, v2):
if test_gvr(graphe, v1, v2):
graphe.ajouteNationale(v1, v2)
else:
graphe.ajouteDepartementale(v1, v2)
# Construit le graphe de retour, égal à la triangulation de Delaunay
g = t.construitGrapheDeSortie(selectionneAretes)
g.renomme("Delaunay(" + str(g.n()) + ")")
return g