operations_research/bilder_04/erzeuge_kap06_gantt.py

#!/usr/bin/env python3

# erzeuge_kap06_gantt.py
"""
Erzeugt das Gantt-Diagramm zum Job-Shop-Beispiel aus Kapitel 6 in zwei Fassungen:

    bilder_04/kap06_jobshop_gantt.svg          statisch, fuer das PDF
    bilder_04/kap06_jobshop_gantt.png          statisch, Rasterfassung
    bilder_04/plotly/kap06_jobshop_gantt.html  interaktiv, fuer die Website

Die Daten sind identisch mit JobShop_Intervalle.py; geloest wird hier erneut,
damit Diagramm und Buchtext nicht auseinanderlaufen koennen.

Aufruf (aus dem Repository-Wurzelverzeichnis):
    python3 bilder_04/erzeuge_kap06_gantt.py

Benoetigt: ortools, matplotlib, plotly
"""

from __future__ import annotations

import os

import matplotlib
matplotlib.use("Agg")                      # kein Fenster, auch auf Servern
import matplotlib.pyplot as plt
import plotly.graph_objects as go
from ortools.sat.python import cp_model

# Identisch zu JobShop_Intervalle.py
AUFTRAEGE = [
    [(0, 3), (1, 2), (2, 2)],      # Auftrag 0
    [(0, 2), (2, 1), (1, 4)],      # Auftrag 1
    [(1, 4), (2, 3)],              # Auftrag 2
]
MASCHINENNAMEN = ["Fraese", "Dreherei", "Lackiererei"]

# Buchpalette (Indigo, Cyan, Amber) - dieselben Farben wie im uebrigen Werk
FARBEN = ["#4338ca", "#0891b2", "#b45309"]

BASIS = os.path.dirname(os.path.dirname(os.path.abspath(__file__)))
BILDER = os.path.join(BASIS, "bilder_04")
PLOTLY_VERZ = os.path.join(BILDER, "plotly")


def loese() -> tuple[list[tuple[int, int, int, int]], int]:
    """Liefert (Auftrag, Maschine, Beginn, Dauer) je Arbeitsgang und den Makespan."""
    anzahl_maschinen = 1 + max(m for auftrag in AUFTRAEGE for m, _ in auftrag)
    horizont = sum(dauer for auftrag in AUFTRAEGE for _, dauer in auftrag)

    modell = cp_model.CpModel()
    intervalle: dict[int, list] = {m: [] for m in range(anzahl_maschinen)}
    beginn_var: dict[tuple[int, int], object] = {}
    ende_var: dict[tuple[int, int], object] = {}

    for a, auftrag in enumerate(AUFTRAEGE):
        for g, (maschine, dauer) in enumerate(auftrag):
            beginn = modell.NewIntVar(0, horizont, f"b_{a}_{g}")
            ende = modell.NewIntVar(0, horizont, f"e_{a}_{g}")
            intervall = modell.NewIntervalVar(beginn, dauer, ende, f"i_{a}_{g}")
            intervalle[maschine].append(intervall)
            beginn_var[a, g] = beginn
            ende_var[a, g] = ende
            if g > 0:                       # Arbeitsgaenge in ihrer Reihenfolge
                modell.Add(beginn >= ende_var[a, g - 1])

    for maschine in range(anzahl_maschinen):
        modell.AddNoOverlap(intervalle[maschine])

    makespan = modell.NewIntVar(0, horizont, "makespan")
    modell.AddMaxEquality(makespan, [ende_var[a, len(auftrag) - 1]
                                     for a, auftrag in enumerate(AUFTRAEGE)])
    modell.Minimize(makespan)

    loeser = cp_model.CpSolver()
    # Dieselben Parameter wie in JobShop_Intervalle.py - sonst zeigt das
    # Diagramm einen anderen (gleich guten) Plan als der Buchtext.
    loeser.parameters.num_workers = 1
    loeser.parameters.random_seed = 1
    status = loeser.Solve(modell)
    if status not in (cp_model.OPTIMAL, cp_model.FEASIBLE):
        raise RuntimeError(f"Kein Plan gefunden: {loeser.StatusName(status)}")

    plan = [(a, maschine, loeser.Value(beginn_var[a, g]), dauer)
            for a, auftrag in enumerate(AUFTRAEGE)
            for g, (maschine, dauer) in enumerate(auftrag)]
    return plan, loeser.Value(makespan)


def zeichne_statisch(plan, makespan: int) -> None:
    """Matplotlib-Fassung fuer das PDF."""
    figur, achse = plt.subplots(figsize=(9.0, 3.2))
    for auftrag, maschine, beginn, dauer in plan:
        achse.barh(y=maschine, width=dauer, left=beginn, height=0.55,
                   color=FARBEN[auftrag % len(FARBEN)],
                   edgecolor="white", linewidth=1.2)
        achse.text(beginn + dauer / 2, maschine, f"A{auftrag}",
                   ha="center", va="center", color="white",
                   fontsize=10, fontweight="bold")

    achse.set_yticks(range(len(MASCHINENNAMEN)))
    achse.set_yticklabels(MASCHINENNAMEN)
    achse.invert_yaxis()
    achse.set_xlabel("Zeiteinheiten")
    achse.set_xlim(0, makespan)
    achse.set_xticks(range(makespan + 1))
    achse.set_title(f"Job-Shop-Plan, Makespan = {makespan}", fontsize=11)
    achse.grid(axis="x", linestyle=":", alpha=0.5)
    for rand in ("top", "right", "left"):
        achse.spines[rand].set_visible(False)
    figur.tight_layout()

    os.makedirs(BILDER, exist_ok=True)
    for endung in ("svg", "png"):
        pfad = os.path.join(BILDER, f"kap06_jobshop_gantt.{endung}")
        figur.savefig(pfad, format=endung, dpi=160)
        print(f"geschrieben: {pfad}")
    plt.close(figur)


def zeichne_interaktiv(plan, makespan: int) -> None:
    """Plotly-Fassung fuer die Website.

    include_plotlyjs=False: Die Bibliothek wird vom Build einmal je Seite
    eingebunden (assets/plotly.min.js), nicht in jede Figur kopiert.
    """
    figur = go.Figure()
    schon_beschriftet = set()
    for auftrag, maschine, beginn, dauer in plan:
        figur.add_trace(go.Bar(
            x=[dauer], y=[MASCHINENNAMEN[maschine]], base=[beginn],
            orientation="h", name=f"Auftrag {auftrag}",
            legendgroup=f"A{auftrag}",
            showlegend=auftrag not in schon_beschriftet,
            marker_color=FARBEN[auftrag % len(FARBEN)],
            marker_line=dict(color="white", width=1.5),
            hovertemplate=(f"<b>Auftrag {auftrag}</b><br>"
                           f"{MASCHINENNAMEN[maschine]}<br>"
                           f"von {beginn} bis {beginn + dauer} "
                           f"({dauer} Zeiteinheiten)<extra></extra>"),
        ))
        schon_beschriftet.add(auftrag)

    figur.update_layout(
        barmode="overlay",
        title=f"Job-Shop-Plan, Makespan = {makespan}",
        xaxis=dict(title="Zeiteinheiten", dtick=1, range=[0, makespan]),
        yaxis=dict(autorange="reversed"),
        height=320,
        margin=dict(l=90, r=20, t=50, b=45),
        # Transparenter Hintergrund, damit die Figur sich in helles wie
        # dunkles Seitendesign einfuegt.
        paper_bgcolor="rgba(0,0,0,0)",
        plot_bgcolor="rgba(0,0,0,0)",
        legend=dict(orientation="h", y=-0.25),
    )

    os.makedirs(PLOTLY_VERZ, exist_ok=True)
    pfad = os.path.join(PLOTLY_VERZ, "kap06_jobshop_gantt.html")
    with open(pfad, "w", encoding="utf-8") as datei:
        datei.write(figur.to_html(full_html=False, include_plotlyjs=False,
                                  div_id="kap06-jobshop-gantt"))
    print(f"geschrieben: {pfad}")


if __name__ == "__main__":
    plan, makespan = loese()
    print(f"Makespan: {makespan}")
    zeichne_statisch(plan, makespan)
    zeichne_interaktiv(plan, makespan)