| 1 | /* -*- C++ -*- | 
|---|
| 2 | * | 
|---|
| 3 | * This file is a part of LEMON, a generic C++ optimization library | 
|---|
| 4 | * | 
|---|
| 5 | * Copyright (C) 2003-2007 | 
|---|
| 6 | * Egervary Jeno Kombinatorikus Optimalizalasi Kutatocsoport | 
|---|
| 7 | * (Egervary Research Group on Combinatorial Optimization, EGRES). | 
|---|
| 8 | * | 
|---|
| 9 | * Permission to use, modify and distribute this software is granted | 
|---|
| 10 | * provided that this copyright notice appears in all copies. For | 
|---|
| 11 | * precise terms see the accompanying LICENSE file. | 
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| 12 | * | 
|---|
| 13 | * This software is provided "AS IS" with no warranty of any kind, | 
|---|
| 14 | * express or implied, and with no claim as to its suitability for any | 
|---|
| 15 | * purpose. | 
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| 16 | * | 
|---|
| 17 | */ | 
|---|
| 18 |  | 
|---|
| 19 | #include <lemon/list_graph.h> | 
|---|
| 20 | #include <lemon/graph_utils.h> | 
|---|
| 21 | #include <lemon/random.h> | 
|---|
| 22 | #include <lemon/dim2.h> | 
|---|
| 23 | #include <lemon/bfs.h> | 
|---|
| 24 | #include <lemon/counter.h> | 
|---|
| 25 | #include <lemon/suurballe.h> | 
|---|
| 26 | #include <lemon/graph_to_eps.h> | 
|---|
| 27 | #include <lemon/graph_writer.h> | 
|---|
| 28 | #include <lemon/arg_parser.h> | 
|---|
| 29 | #include <cmath> | 
|---|
| 30 | #include <algorithm> | 
|---|
| 31 | #include <lemon/unionfind.h> | 
|---|
| 32 |  | 
|---|
| 33 | using namespace lemon; | 
|---|
| 34 |  | 
|---|
| 35 | typedef dim2::Point<double> Point; | 
|---|
| 36 |  | 
|---|
| 37 | UGRAPH_TYPEDEFS(ListUGraph); | 
|---|
| 38 |  | 
|---|
| 39 | int N; | 
|---|
| 40 | int girth; | 
|---|
| 41 |  | 
|---|
| 42 | ListUGraph g; | 
|---|
| 43 |  | 
|---|
| 44 | std::vector<Node> nodes; | 
|---|
| 45 | ListUGraph::NodeMap<Point> coords(g); | 
|---|
| 46 |  | 
|---|
| 47 | int tsp_impr_num=0; | 
|---|
| 48 |  | 
|---|
| 49 | const double EPSILON=1e-8; | 
|---|
| 50 | bool tsp_improve(Node u, Node v) | 
|---|
| 51 | { | 
|---|
| 52 | double luv=std::sqrt((coords[v]-coords[u]).normSquare()); | 
|---|
| 53 | Node u2=u; | 
|---|
| 54 | Node v2=v; | 
|---|
| 55 | do { | 
|---|
| 56 | Node n; | 
|---|
| 57 | for(IncEdgeIt e(g,v2);(n=g.runningNode(e))==u2;++e); | 
|---|
| 58 | u2=v2; | 
|---|
| 59 | v2=n; | 
|---|
| 60 | if(luv+std::sqrt((coords[v2]-coords[u2]).normSquare())-EPSILON> | 
|---|
| 61 | std::sqrt((coords[u]-coords[u2]).normSquare())+ | 
|---|
| 62 | std::sqrt((coords[v]-coords[v2]).normSquare())) | 
|---|
| 63 | { | 
|---|
| 64 | g.erase(findUEdge(g,u,v)); | 
|---|
| 65 | g.erase(findUEdge(g,u2,v2)); | 
|---|
| 66 | g.addEdge(u2,u); | 
|---|
| 67 | g.addEdge(v,v2); | 
|---|
| 68 | tsp_impr_num++; | 
|---|
| 69 | return true; | 
|---|
| 70 | } | 
|---|
| 71 | } while(v2!=u); | 
|---|
| 72 | return false; | 
|---|
| 73 | } | 
|---|
| 74 |  | 
|---|
| 75 | bool tsp_improve(Node u) | 
|---|
| 76 | { | 
|---|
| 77 | for(IncEdgeIt e(g,u);e!=INVALID;++e) | 
|---|
| 78 | if(tsp_improve(u,g.runningNode(e))) return true; | 
|---|
| 79 | return false; | 
|---|
| 80 | } | 
|---|
| 81 |  | 
|---|
| 82 | void tsp_improve() | 
|---|
| 83 | { | 
|---|
| 84 | bool b; | 
|---|
| 85 | do { | 
|---|
| 86 | b=false; | 
|---|
| 87 | for(NodeIt n(g);n!=INVALID;++n) | 
|---|
| 88 | if(tsp_improve(n)) b=true; | 
|---|
| 89 | } while(b); | 
|---|
| 90 | } | 
|---|
| 91 |  | 
|---|
| 92 | void tsp() | 
|---|
| 93 | { | 
|---|
| 94 | for(int i=0;i<N;i++) g.addEdge(nodes[i],nodes[(i+1)%N]); | 
|---|
| 95 | tsp_improve(); | 
|---|
| 96 | } | 
|---|
| 97 |  | 
|---|
| 98 | class Line | 
|---|
| 99 | { | 
|---|
| 100 | public: | 
|---|
| 101 | Point a; | 
|---|
| 102 | Point b; | 
|---|
| 103 | Line(Point _a,Point _b) :a(_a),b(_b) {} | 
|---|
| 104 | Line(Node _a,Node _b) : a(coords[_a]),b(coords[_b]) {} | 
|---|
| 105 | Line(const Edge &e) : a(coords[g.source(e)]),b(coords[g.target(e)]) {} | 
|---|
| 106 | Line(const UEdge &e) : a(coords[g.source(e)]),b(coords[g.target(e)]) {} | 
|---|
| 107 | }; | 
|---|
| 108 |  | 
|---|
| 109 | inline std::ostream& operator<<(std::ostream &os, const Line &l) | 
|---|
| 110 | { | 
|---|
| 111 | os << l.a << "->" << l.b; | 
|---|
| 112 | return os; | 
|---|
| 113 | } | 
|---|
| 114 |  | 
|---|
| 115 | bool cross(Line a, Line b) | 
|---|
| 116 | { | 
|---|
| 117 | Point ao=rot90(a.b-a.a); | 
|---|
| 118 | Point bo=rot90(b.b-b.a); | 
|---|
| 119 | return (ao*(b.a-a.a))*(ao*(b.b-a.a))<0 && | 
|---|
| 120 | (bo*(a.a-b.a))*(bo*(a.b-b.a))<0; | 
|---|
| 121 | } | 
|---|
| 122 |  | 
|---|
| 123 | struct Pedge | 
|---|
| 124 | { | 
|---|
| 125 | Node a; | 
|---|
| 126 | Node b; | 
|---|
| 127 | double len; | 
|---|
| 128 | }; | 
|---|
| 129 |  | 
|---|
| 130 | bool pedgeLess(Pedge a,Pedge b) | 
|---|
| 131 | { | 
|---|
| 132 | return a.len<b.len; | 
|---|
| 133 | } | 
|---|
| 134 |  | 
|---|
| 135 | std::vector<UEdge> edges; | 
|---|
| 136 |  | 
|---|
| 137 | void triangle() | 
|---|
| 138 | { | 
|---|
| 139 | Counter cnt("Number of edges added: "); | 
|---|
| 140 | std::vector<Pedge> pedges; | 
|---|
| 141 | for(NodeIt n(g);n!=INVALID;++n) | 
|---|
| 142 | for(NodeIt m=++(NodeIt(n));m!=INVALID;++m) | 
|---|
| 143 | { | 
|---|
| 144 | Pedge p; | 
|---|
| 145 | p.a=n; | 
|---|
| 146 | p.b=m; | 
|---|
| 147 | p.len=(coords[m]-coords[n]).normSquare(); | 
|---|
| 148 | pedges.push_back(p); | 
|---|
| 149 | } | 
|---|
| 150 | std::sort(pedges.begin(),pedges.end(),pedgeLess); | 
|---|
| 151 | for(std::vector<Pedge>::iterator pi=pedges.begin();pi!=pedges.end();++pi) | 
|---|
| 152 | { | 
|---|
| 153 | Line li(pi->a,pi->b); | 
|---|
| 154 | UEdgeIt e(g); | 
|---|
| 155 | for(;e!=INVALID && !cross(e,li);++e) ; | 
|---|
| 156 | UEdge ne; | 
|---|
| 157 | if(e==INVALID) { | 
|---|
| 158 | ne=g.addEdge(pi->a,pi->b); | 
|---|
| 159 | edges.push_back(ne); | 
|---|
| 160 | cnt++; | 
|---|
| 161 | } | 
|---|
| 162 | } | 
|---|
| 163 | } | 
|---|
| 164 |  | 
|---|
| 165 | void sparse(int d) | 
|---|
| 166 | { | 
|---|
| 167 | Counter cnt("Number of edges removed: "); | 
|---|
| 168 | Bfs<ListUGraph> bfs(g); | 
|---|
| 169 | for(std::vector<UEdge>::reverse_iterator ei=edges.rbegin(); | 
|---|
| 170 | ei!=edges.rend();++ei) | 
|---|
| 171 | { | 
|---|
| 172 | Node a=g.source(*ei); | 
|---|
| 173 | Node b=g.target(*ei); | 
|---|
| 174 | g.erase(*ei); | 
|---|
| 175 | bfs.run(a,b); | 
|---|
| 176 | if(bfs.predEdge(b)==INVALID || bfs.dist(b)>d) | 
|---|
| 177 | g.addEdge(a,b); | 
|---|
| 178 | else cnt++; | 
|---|
| 179 | } | 
|---|
| 180 | } | 
|---|
| 181 |  | 
|---|
| 182 | void sparse2(int d) | 
|---|
| 183 | { | 
|---|
| 184 | Counter cnt("Number of edges removed: "); | 
|---|
| 185 | for(std::vector<UEdge>::reverse_iterator ei=edges.rbegin(); | 
|---|
| 186 | ei!=edges.rend();++ei) | 
|---|
| 187 | { | 
|---|
| 188 | Node a=g.source(*ei); | 
|---|
| 189 | Node b=g.target(*ei); | 
|---|
| 190 | g.erase(*ei); | 
|---|
| 191 | ConstMap<Edge,int> cegy(1); | 
|---|
| 192 | Suurballe<ListUGraph,ConstMap<Edge,int> > sur(g,cegy,a,b); | 
|---|
| 193 | int k=sur.run(2); | 
|---|
| 194 | if(k<2 || sur.totalLength()>d) | 
|---|
| 195 | g.addEdge(a,b); | 
|---|
| 196 | else cnt++; | 
|---|
| 197 | //       else std::cout << "Remove edge " << g.id(a) << "-" << g.id(b) << '\n'; | 
|---|
| 198 | } | 
|---|
| 199 | } | 
|---|
| 200 |  | 
|---|
| 201 | void sparseTriangle(int d) | 
|---|
| 202 | { | 
|---|
| 203 | Counter cnt("Number of edges added: "); | 
|---|
| 204 | std::vector<Pedge> pedges; | 
|---|
| 205 | for(NodeIt n(g);n!=INVALID;++n) | 
|---|
| 206 | for(NodeIt m=++(NodeIt(n));m!=INVALID;++m) | 
|---|
| 207 | { | 
|---|
| 208 | Pedge p; | 
|---|
| 209 | p.a=n; | 
|---|
| 210 | p.b=m; | 
|---|
| 211 | p.len=(coords[m]-coords[n]).normSquare(); | 
|---|
| 212 | pedges.push_back(p); | 
|---|
| 213 | } | 
|---|
| 214 | std::sort(pedges.begin(),pedges.end(),pedgeLess); | 
|---|
| 215 | for(std::vector<Pedge>::iterator pi=pedges.begin();pi!=pedges.end();++pi) | 
|---|
| 216 | { | 
|---|
| 217 | Line li(pi->a,pi->b); | 
|---|
| 218 | UEdgeIt e(g); | 
|---|
| 219 | for(;e!=INVALID && !cross(e,li);++e) ; | 
|---|
| 220 | UEdge ne; | 
|---|
| 221 | if(e==INVALID) { | 
|---|
| 222 | ConstMap<Edge,int> cegy(1); | 
|---|
| 223 | Suurballe<ListUGraph,ConstMap<Edge,int> > | 
|---|
| 224 | sur(g,cegy,pi->a,pi->b); | 
|---|
| 225 | int k=sur.run(2); | 
|---|
| 226 | if(k<2 || sur.totalLength()>d) | 
|---|
| 227 | { | 
|---|
| 228 | ne=g.addEdge(pi->a,pi->b); | 
|---|
| 229 | edges.push_back(ne); | 
|---|
| 230 | cnt++; | 
|---|
| 231 | } | 
|---|
| 232 | } | 
|---|
| 233 | } | 
|---|
| 234 | } | 
|---|
| 235 |  | 
|---|
| 236 | void minTree() { | 
|---|
| 237 | std::vector<Pedge> pedges; | 
|---|
| 238 | for(NodeIt n(g);n!=INVALID;++n) | 
|---|
| 239 | for(NodeIt m=++(NodeIt(n));m!=INVALID;++m) | 
|---|
| 240 | { | 
|---|
| 241 | Pedge p; | 
|---|
| 242 | p.a=n; | 
|---|
| 243 | p.b=m; | 
|---|
| 244 | p.len=(coords[m]-coords[n]).normSquare(); | 
|---|
| 245 | pedges.push_back(p); | 
|---|
| 246 | } | 
|---|
| 247 | std::sort(pedges.begin(),pedges.end(),pedgeLess); | 
|---|
| 248 | ListUGraph::NodeMap<int> comp(g); | 
|---|
| 249 | UnionFind<ListUGraph::NodeMap<int> > uf(comp); | 
|---|
| 250 | for (NodeIt it(g); it != INVALID; ++it) | 
|---|
| 251 | uf.insert(it); | 
|---|
| 252 |  | 
|---|
| 253 | int en=0; | 
|---|
| 254 | for(std::vector<Pedge>::iterator pi=pedges.begin();pi!=pedges.end();++pi) | 
|---|
| 255 | { | 
|---|
| 256 | if ( uf.join(pi->a,pi->b) ) { | 
|---|
| 257 | g.addEdge(pi->a,pi->b); | 
|---|
| 258 | en++; | 
|---|
| 259 | if(en>=N-1) return; | 
|---|
| 260 | } | 
|---|
| 261 | } | 
|---|
| 262 | } | 
|---|
| 263 |  | 
|---|
| 264 |  | 
|---|
| 265 |  | 
|---|
| 266 | int main(int argc,char **argv) | 
|---|
| 267 | { | 
|---|
| 268 | ArgParser ap(argc,argv); | 
|---|
| 269 |  | 
|---|
| 270 | bool eps; | 
|---|
| 271 | bool disc_d, square_d, gauss_d; | 
|---|
| 272 | bool tsp_a,two_a,tree_a; | 
|---|
| 273 | int num_of_cities=1; | 
|---|
| 274 | double area=1; | 
|---|
| 275 | N=100; | 
|---|
| 276 | girth=10; | 
|---|
| 277 | std::string ndist("disc"); | 
|---|
| 278 | ap.option("n", "Number of nodes (default is 100)", N) | 
|---|
| 279 | .option("g", "Girth parameter (default is 10)", girth) | 
|---|
| 280 | .option("cities", "Number of cities (default is 1)", num_of_cities) | 
|---|
| 281 | .option("area", "Full relative area of the cities (default is 1)", area) | 
|---|
| 282 | .option("disc", "Nodes are evenly distributed on a unit disc (default)",disc_d) | 
|---|
| 283 | .optionGroup("dist", "disc") | 
|---|
| 284 | .option("square", "Nodes are evenly distributed on a unit square", square_d) | 
|---|
| 285 | .optionGroup("dist", "square") | 
|---|
| 286 | .option("gauss", | 
|---|
| 287 | "Nodes are located according to a two-dim gauss distribution", | 
|---|
| 288 | gauss_d) | 
|---|
| 289 | .optionGroup("dist", "gauss") | 
|---|
| 290 | //     .mandatoryGroup("dist") | 
|---|
| 291 | .onlyOneGroup("dist") | 
|---|
| 292 | .option("eps", "Also generate .eps output (prefix.eps)",eps) | 
|---|
| 293 | .option("2con", "Create a two connected planar graph",two_a) | 
|---|
| 294 | .optionGroup("alg","2con") | 
|---|
| 295 | .option("tree", "Create a min. cost spanning tree",tree_a) | 
|---|
| 296 | .optionGroup("alg","tree") | 
|---|
| 297 | .option("tsp", "Create a TSP tour",tsp_a) | 
|---|
| 298 | .optionGroup("alg","tsp") | 
|---|
| 299 | .onlyOneGroup("alg") | 
|---|
| 300 | .other("[prefix]","Prefix of the output files. Default is 'lgf-gen-out'") | 
|---|
| 301 | .run(); | 
|---|
| 302 |  | 
|---|
| 303 | std::string prefix; | 
|---|
| 304 | switch(ap.files().size()) | 
|---|
| 305 | { | 
|---|
| 306 | case 0: | 
|---|
| 307 | prefix="lgf-gen-out"; | 
|---|
| 308 | break; | 
|---|
| 309 | case 1: | 
|---|
| 310 | prefix=ap.files()[0]; | 
|---|
| 311 | break; | 
|---|
| 312 | default: | 
|---|
| 313 | std::cerr << "\nAt most one prefix can be given\n\n"; | 
|---|
| 314 | exit(1); | 
|---|
| 315 | } | 
|---|
| 316 |  | 
|---|
| 317 | double sum_sizes=0; | 
|---|
| 318 | std::vector<double> sizes; | 
|---|
| 319 | std::vector<double> cum_sizes; | 
|---|
| 320 | for(int s=0;s<num_of_cities;s++) | 
|---|
| 321 | { | 
|---|
| 322 | //        sum_sizes+=rnd.exponential(); | 
|---|
| 323 | double d=rnd(); | 
|---|
| 324 | sum_sizes+=d; | 
|---|
| 325 | sizes.push_back(d); | 
|---|
| 326 | cum_sizes.push_back(sum_sizes); | 
|---|
| 327 | } | 
|---|
| 328 | int i=0; | 
|---|
| 329 | for(int s=0;s<num_of_cities;s++) | 
|---|
| 330 | { | 
|---|
| 331 | Point center=(num_of_cities==1?Point(0,0):rnd.disc()); | 
|---|
| 332 | if(gauss_d) | 
|---|
| 333 | for(;i<N*(cum_sizes[s]/sum_sizes);i++) { | 
|---|
| 334 | Node n=g.addNode(); | 
|---|
| 335 | nodes.push_back(n); | 
|---|
| 336 | coords[n]=center+rnd.gauss2()*area* | 
|---|
| 337 | std::sqrt(sizes[s]/sum_sizes); | 
|---|
| 338 | } | 
|---|
| 339 | else if(square_d) | 
|---|
| 340 | for(;i<N*(cum_sizes[s]/sum_sizes);i++) { | 
|---|
| 341 | Node n=g.addNode(); | 
|---|
| 342 | nodes.push_back(n); | 
|---|
| 343 | coords[n]=center+Point(rnd()*2-1,rnd()*2-1)*area* | 
|---|
| 344 | std::sqrt(sizes[s]/sum_sizes); | 
|---|
| 345 | } | 
|---|
| 346 | else if(disc_d || true) | 
|---|
| 347 | for(;i<N*(cum_sizes[s]/sum_sizes);i++) { | 
|---|
| 348 | Node n=g.addNode(); | 
|---|
| 349 | nodes.push_back(n); | 
|---|
| 350 | coords[n]=center+rnd.disc()*area* | 
|---|
| 351 | std::sqrt(sizes[s]/sum_sizes); | 
|---|
| 352 | } | 
|---|
| 353 | } | 
|---|
| 354 |  | 
|---|
| 355 | if(tsp_a) { | 
|---|
| 356 | tsp(); | 
|---|
| 357 | std::cout << "#2-opt improvements: " << tsp_impr_num << std::endl; | 
|---|
| 358 | } | 
|---|
| 359 | else if(two_a) { | 
|---|
| 360 | std::cout << "Make triangles\n"; | 
|---|
| 361 | //   triangle(); | 
|---|
| 362 | sparseTriangle(girth); | 
|---|
| 363 | std::cout << "Make it sparser\n"; | 
|---|
| 364 | sparse2(girth); | 
|---|
| 365 | } | 
|---|
| 366 | else if(tree_a) { | 
|---|
| 367 | minTree(); | 
|---|
| 368 | } | 
|---|
| 369 |  | 
|---|
| 370 |  | 
|---|
| 371 | std::cout << "Number of nodes    : " << countNodes(g) << std::endl; | 
|---|
| 372 | std::cout << "Number of edges    : " << countUEdges(g) << std::endl; | 
|---|
| 373 | double tlen=0; | 
|---|
| 374 | for(UEdgeIt e(g);e!=INVALID;++e) | 
|---|
| 375 | tlen+=sqrt((coords[g.source(e)]-coords[g.target(e)]).normSquare()); | 
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| 376 | std::cout << "Total edge length  : " << tlen << std::endl; | 
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| 377 | if(eps) | 
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| 378 | graphToEps(g,prefix+".eps"). | 
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| 379 | scale(600).nodeScale(.2).edgeWidthScale(.001).preScale(false). | 
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| 380 | coords(coords).run(); | 
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| 381 |  | 
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| 382 | UGraphWriter<ListUGraph>(prefix+".lgf",g). | 
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| 383 | writeNodeMap("coordinates_x",scaleMap(xMap(coords),600)). | 
|---|
| 384 | writeNodeMap("coordinates_y",scaleMap(yMap(coords),600)). | 
|---|
| 385 | run(); | 
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| 386 | } | 
|---|
| 387 |  | 
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