Maximum Flow

Posted 2020-11-27 mathor

本文参考以下文章

• Maximum flow

Flow Networks基本性质

在图论中，网络流被定义为一个有向图，其中包含一个起点Source和一个终点Target，以及几条连接各顶点的边。每条边都有各自的容量Capacity，这是边所能允许的最大流量

网络流中的流量(f)应满足如下条件

• 从节点(x)流向节点(y)的流量，不能比(edge(x,y))的capacity还大，(f(x,y)≤c(x,y))
• 若定义 从节点(x)流向节点(y)的的流量有5单位，(f(x,y)=5)，则 从节点(y)流向节点(x)的流量有-5单位，(f(y,x)=-5)
• 对图中除了Source和Target以外的结点，所有输入的流量之和要等于所有输出的流量之和
  • 也就是流量不会无故增加或无故减少，可视为一种能量守恒
  • 以下图为例，流入节点A的流量为6，流出的流量也是6，对C、D也是

最大流：网络允许从源Source流向终点Target的最大流量

下面介绍Ford-Fulkerson Algorithm（若使用BFS，则又称为Edmonds-Karp Algorithm）来解决此问题

Ford-Fulkerson Algorithm

Ford-Fulkerson Algorithm需要两个辅助工具

1. Residual Networks（残差网络）
2. Augmenting Paths（增广路径）

Residual Networks

残差网络表示图中每条边剩余可允许通过的流量构成的图，以下图为例

若在Path：S-A-C-D-T上的所有边都有6单位的流量，那么这些边，(edge(S,A))、(edge(A,C))、(edge(C,D))、(edge(D,T))的剩余容量都应该减6。例如，(edge(S,A))只能容纳3单位的流量，(edge(C,D))只能容纳1单位的流量

若(edge(x,y))上有(f(x,y))单位的流量流过，则(edge(x,y))上的residual capacity定义为：

• (c_f(x,y)=c(x,y)-f(x,y))
  • (c(x,y))为原始edge(x,y)的容量
  • (f(x,y))表示目前edge(x,y)已有多少流量
  • (c_f(x,y))表示edge(x,y)还能容纳多少流量

Residual Networks也是一个有向图，其中：

• 顶点集与原有向图完全相同
• 边的容量被residual capacity取代，如下图所示

最关键的是，若(edge(A,C))上有6单位的流量流过(f(A,C)=6)，那么在其Residual Networks上，会相应产生出一条顶点C指向顶点A的边(edge(C,A))，并具有6单位的residual capacity(c_f(C,A)=6)

这样做有什么意义？可以用如果想要重新配置流量方向来理解

举例来说，假设现在恢复到初始状态（没有任何流量流过），现在有2单位的流量经过Path：S-C-A-B-T，但是由于并不存在从顶点C指向顶点A的(edge(C,A))，因此(c(C,A)=0)。假设有6单位的流量从顶点A流向顶点C（如上图所示），那么现在就可以从(edge(A,C))上把2单位的流量收回，从而分配到(edge(A,B))上，而(edge(A,C))上，就只剩下4单位的流量，最后结果如下图左所示，此时的Residual Networks如下图右所示

下图是从网上找到的另一个例子

Augmenting Paths

在Residual Networks里，所有能够从源Source走到终Target的路径，也就是所有能够增加流量的路径，就称为Augmenting Paths（增广路径）

以上图为例，Augmenting Paths有很多种可能，例如

• Path：S-A-B-T，1~3单位的流量
  • 因为在该路径中，所有edge中最小的capacity为(c(S,A)=c(A,B)=3)，因此可以容许流量大小为1~3
• Path：S-C-B-D-T，1~2单位的流量
  • 因为在该路径中，所有edge中最小的capacity为(c(B,D)=c(D,T)=2)，因此可以容许的流量大小为1~2

综上

• 若要看当前流入Target的总流量，要在下图左，edge上标示flow/capacity的图上找
  • 下图左流入终点Target的flow为8单位
• 若要找还能增加多少流量，也就是找Augmenting Paths，需要在Residual Networks上找，如下图右所示
  • 若在Path：S-A-B-T、Path：S-A-C-D-T、Path：S-C-B-T流入不超过该路径上最低residual capacity的flow， 都是Augmenting Paths

讲完上面两个概念，下面讲解Ford-Fulkerson Algorithm算法

• 在Residual Networks上寻找Augmenting Paths
  • 以BFS()寻找，确保每次找到的Augmenting Paths一定经过最少的edge
  • 找到Augmenting Paths上最小的residual capacity，将其加入总flow
  • 再以最小的residual capacity更新Residual Networks上edge的residual capacity
• 重复上述步骤，直到再也没有Augmenting Paths为止

以上图为例，寻找Maximum Flow的步骤如下

• 开始时用flow = 0初始化residual Networks

• 在图中，以bfs()找到从S到T且edge最少的Path：S-A-B-T
  • bfs()找到的可能有三条最短Path，这里就以S-A-B-T为例

• 观察Path：S-A-B-T上的edge，发现(edge(A,B))具有最小的residual capacity (c_f(A,B)=3)，所以update：总flow增加3
• 更新edge的residual capacity
  • (c_f(S,A)=c(S,A)-f(S,A)=9-3=6)
  • (c_f(A,S)=c(A,S)-f(A,S)=0+3=3)
  • (c_f(A,B)=c(A,B)-f(A,B)=3-3=0)
  • (c_f(B,A)=c(B,A)-f(B,A)=0+3=3)
  • (c_f(B,T)=c(B,T)-f(B,T)=9-3=6)
  • (c_f(T,B)=c(T,B)-f(T,B)=0+3=3)

• 在途中，以bfs()找到从S*到T且edge最少的Path：S-C-D-T

• 观察Path：S-C-D-T上的edge，发现(edge(C,D))具有最小的residual capacity (c_f(C,D)=7)，所以update：总flow增加7

• 更新edge的residual capacity

  • (c_f(S,C)=c(S,C)-f(S,C)=9-7=2)
  • (c_f(C,S)=c(C,S)-f(C,S)=0+7=7)
  • (c_f(C,D)=c(C,D)-f(C,D)=7-7=0)
  • (c_f(D,C)=c(D,C)-f(D,C)=0+7=7)
  • (c_f(D,T)=c(D,T)-f(D,T)=8-7=1)
  • (c_f(T,D)=c(D,T)-f(T,D)=0+7=7)

接着重复上述步骤：更新Residual Networks，寻找Augmenting Paths

• 找到Path：S-C-B-T

• 更新Residual Networks

• 找到Path：S-A-C-B-T

• 更新Residual Networks

• 找到Path：S-A-C-B-D-T

• 更新Residual Networks

• 找到Maximum Flow=17

完整代码如下

#include <iostream>
#include <vector>
#include <queue>
using namespace std;

class Graph {
private:
    int num_vertex; //顶点
    vector<vector<int>> map; // 邻接矩阵
public:
    Graph():num_vertex(0){};
    Graph(int n);
    void AddEdge(int from, int to, int capacity);
    void FordFulkerson(int s, int t);
    bool BfsFindExistingPath(vector<vector<int>> graph, int* predecessor, int s, int t);
    int MinCapacity(vector<vector<int>> graph, int* predecessor, int t);
};

Graph::Graph(int n):num_vertex(n) {
    map.resize(num_vertex);
    for (int i = 0; i < num_vertex; i++)
        map[i].resize(num_vertex);
}

bool Graph::BfsFindExistingPath(vector<vector<int>> graph, int* predecessor, int s, int t) {
    int visited[num_vertex];
    for (int i = 0; i < num_vertex; i++) {
        visited[i] = 0; // 0 表示没有访问过
        predecessor[i] = -1;
    }

    queue<int> queue;
    queue.push(s);
    visited[s] = 1; // 1 表示访问过
    while (!queue.empty()) {
        int vertex = queue.front(); queue.pop();
        for (int j = 0; j < num_vertex; j++) {
            if (graph[vertex][j] != 0 && visited[j] == 0) {
                queue.push(j);
                visited[j] = 1;
                predecessor[j] = vertex;
            }
        }
    }
    return (visited[t] == 1); // 若t被访问过，表示有path从s到t
}

int Graph::MinCapacity(vector<vector<int>> graph, int* predecessor, int t) {
    int min = 0x3f3f3f; // 确保min会更新，假设graph上的capacity都小于0x3f3f3f
    
    // 用predecessor[idx]和idx表示一条edge
    // 找到 从s到t 的path中，capacity最小的值，存入min
    for (int idx = t; predecessor[idx] != -1; idx = predecessor[idx])
        if (graph[predecessor[idx]][idx] != 0 && graph[predecessor[idx]][idx] < min)
            min = graph[predecessor[idx]][idx];
    return min;
}

void Graph::FordFulkerson(int s, int t) {
    vector<vector<int>> graphResidual(map);
    int maxflow = 0;
    int predecessor[num_vertex];

    // bfs find augmeting path
    while (BfsFindExistingPath(graphResidual, predecessor, s, t)) {
        int min_capacity = MinCapacity(graphResidual, predecessor, t);
        maxflow = maxflow + min_capacity;
        for (int y = t; y != s; y= predecessor[y]) {
            // update residual graph
            int x = predecessor[y];
            graphResidual[x][y] -= min_capacity;
            graphResidual[y][x] += min_capacity;
        }
    }
    cout << "Maximum Flow: " << maxflow << endl;
}

void Graph::AddEdge(int from, int to, int capacity) {
    map[from][to] = capacity;
}

int main() {
    Graph g(6);
    g.AddEdge(0, 1, 9);g.AddEdge(0, 3, 9);
    g.AddEdge(1, 2, 3);g.AddEdge(1, 3, 8);
    g.AddEdge(2, 4, 2);g.AddEdge(2, 5, 9);
    g.AddEdge(3, 2, 7);g.AddEdge(3, 4, 7);
    g.AddEdge(4, 2, 4);g.AddEdge(4, 5, 8);

    g.FordFulkerson(0, 5); // 指定source为0，target为5
    return 0;
}