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标题:基于偏好关系的宿舍分配优化:用图论与组合搜索求解多人房间匹配问题

聖光之護

聖光之護

发布时间:2026-01-06 15:38:02

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来源于php中文网

原创

标题:基于偏好关系的宿舍分配优化:用图论与组合搜索求解多人房间匹配问题

本文介绍如何将学生宿舍分配问题建模为加权图上的组合优化任务,利用 networkx 构建偏好图、定义路径得分函数,并通过有限枚举+约束过滤策略,在合理规模下找到满足房间容量(14 个三人间 + 6 个双人间)且整体“偏好满意度”最高的分组方案。

在组织班级集体出行时,将 54 名学生合理分配至 14 间三床房和 6 间双床房,并尽可能满足其相互住宿偏好,本质上是一个带容量约束的多组匹配优化问题。直接暴力穷举所有分组方式(如 $ \frac{54!}{(3!)^{14}(2!)^6 \cdot 14! \cdot 6!} $)计算量远超可行范围;但若善用图建模与智能剪枝,可在中小规模(≤60人)下获得高质量近似最优解。

核心思路:将“偏好”转化为图边权重

我们将每位学生视为图节点,若学生 A 与 B 互为偏好(即 B in preferences[A] 且 A in preferences[B]),则在无向图中添加一条权重为 +2 的边;若单向偏好或无偏好,则设为 -1(可依实际需求调整)。这样,一个三人房 {A,B,C} 的“兼容度得分”可定义为三边权重之和:
$$ \text{score}(A,B,C) = w{AB} + w{BC} + w{AC} $$
同理,双人房 {A,B} 得分为 $w
{AB}$。该设计天然鼓励“闭环偏好”(如 A↔B↔C↔A),也惩罚孤立或冲突匹配。

实现关键:约束感知的组合生成与评分

由于目标房间结构固定(14×3 + 6×2 = 54),我们不枚举全部划分,而是分两步高效构造合法解:

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  1. 预生成所有合法子组
    使用 itertools.combinations(students, 2) 和 itertools.combinations(students, 3) 分别生成所有可能的双人/三人候选组,并计算其得分:

    from itertools import combinations
    valid_pairs = []
    valid_triples = []
    for pair in combinations(students, 2):
        if pair[1] in preferences.get(pair[0], []) and pair[0] in preferences.get(pair[1], []):
            valid_pairs.append((pair, 2))  # 互惠偏好得2分
        else:
            valid_pairs.append((pair, -1))
    
    for triple in combinations(students, 3):
        # 检查三者是否两两互惠(强偏好三角)
        if all(t in preferences.get(s, []) for s, t in [(triple[0], triple[1]), 
                                                       (triple[0], triple[2]), 
                                                       (triple[1], triple[2])]):
            valid_triples.append((triple, 6))  # 3条边×2分
        # 可扩展:支持部分互惠的中间得分(如4分、5分)
  2. 构建全局分配并过滤非法解
    从 valid_pairs 和 valid_triples 中选取恰好 6 个 pair 和 14 个 triple,确保:

    • 所有 54 名学生恰好出现一次(无重复、无遗漏);
    • 使用 collections.Counter 快速验证覆盖性。
      为控制计算量,可加入启发式剪枝:优先尝试高分子组,或使用 heapq 维护候选池。

注意事项与进阶建议

  • 时间复杂度管理:对 54 人,C(54,3)=24804 个三人组 + C(54,2)=1431 个两人组,枚举所有 (14+6) 元组合仍不可行。实践中应:
    ✅ 限制仅考虑得分 ≥ 阈值(如 ≥4)的子组;
    ✅ 采用贪心初始化 + 局部搜索(如模拟退火)优化;
    ❌ 避免无剪枝的全组合 itertools.combinations(all_groups, 20)。
  • 偏好数据清洗:原始 preferences 字典需标准化(统一 ID、处理空列表、补全单向偏好为双向或标记为弱关联)。
  • 扩展性设计:若未来需支持“禁止同住”(如冲突学生)、楼层/性别约束,可在图中添加负无穷权重边,或在 is_allowed() 函数中嵌入额外校验逻辑。

最终,该方法将主观偏好客观量化,以图论为桥梁,把一个看似混乱的社交匹配问题,转化为可编程、可评估、可迭代优化的工程任务——这正是算法思维在真实场景中的有力体现。

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