PuLP Task Schedule optimisation

I’m working on optimising the makespan of a set of scheduled parallel tasks using PuLP. We define a world with J CPUs, I tasks and following constraints:

  1. A task will only be executed once its dependencies have finished executing
  2. A task can be executed “in parallel” with another, meaning it needs to begin and end at exactly the same time
  3. Task executions only overlap if assigned to different CPUs
  4. Tasks execute in order on the same CPU

This is a pretty standard formulation of parallel task scheduling, and the code below generates an optimal schedule with the given constraints.

I now want to constrain the duration of the task i on CPU j to a discrete value of runtime[(i, j)], but can’t quite figure how. I’ve tried to relate task duration d[i], to runtime k of i on j z[(i, j, k)] like this:

{(i, j): (sum(z[(i, j, k)] * k for k in range(1, max_duration + 1)) == d[i], f"eqX_{i}{j}") for i, j in it.product(I, J)}

however this does not take CPU assignment r[i] into consideration.

Is this the right approach to take? I’m fairly new to PuLP, and certainly not an optimisation expert, so perhaps I’m just missing something.

N_CPUS = 4
N_TASKS = 5

# World dimensions
I = range(N_TASKS)
J = range(N_CPUS)

# Runtime of task i on CPU j
runtime = {
    (0, 0): 5, (0, 1): 3, (0, 2): 1, (0, 3): 2,
    (1, 0): 5, (1, 1): 8, (1, 2): 2, (1, 3): 6,
    (2, 0): 5, (2, 1): 8, (2, 2): 2, (2, 3): 6,
    (3, 0): 2, (3, 1): 4, (3, 2): 5, (3, 3): 1,
    (4, 0): 4, (4, 1): 6, (4, 2): 8, (4, 3): 5,
}

# Maximum possible circuit duration
max_duration = max(runtime.values())

# Ballpark estimate of the maximum makespan
max_makespan = max_duration * len(I)

# Task dependencies
#      0
# 1 ------- 2
#      3
#      4
sequential_deps = [(0, 1), (0, 2), (1, 3), (2, 3), (3, 4)]
parallel_deps = [(1, 2)]

# Create the problem variable
m = op.LpProblem("TaskScheduling", op.LpMinimize)

# Assigned CPU for task i
r = {i: op.LpVariable(f"r{i}", 0, len(J), op.LpInteger) for i in I}
# Scheduled start time of task i
t = {i: op.LpVariable(f"t{i}", 0, max_makespan, op.LpInteger) for i in I}
# Duration of task i
d = {i: op.LpVariable(f"d{i}", 1, max_duration, op.LpInteger) for i in I}
# Whether task i scheduled on CPU j has duration k
z = {(i, j, k): op.LpVariable(f"duration{i}{j}{k}", cat=op.LpBinary) for i, j, k in it.product(I, J, range(1, max_duration + 1))}
# Whether task i finishes before task j starts
sigma = {(i, j): op.LpVariable(f"sigma{i}{j}", cat=op.LpBinary) for i, j in it.product(I, I)}
# Whether CPU of task i (r_i) is less than that of task j
theta = {(i, j): op.LpVariable(f"theta{i}{j}", cat=op.LpBinary) for i, j in it.product(I, I)}
# Makespan
W = op.LpVariable("makespan", 0, max_makespan, op.LpInteger)

cons = [
    # Total makespan constraint
    {i: (t[i] + d[i] <= W, f"eq0_{i}") for i in I},
    # CPU assignment constraints
    {(i, j): (sigma[(i, j)] + sigma[(j, i)] <= 1, f"eq2_{i}{j}") for i, j in it.product(I, I) if i != j},
    {(i, j): (theta[(i, j)] + theta[(j, i)] <= 1, f"eq3_{i}{j}") for i, j in it.product(I, I) if i != j},
    {(i, j): (sigma[(i, j)] + sigma[(j, i)] + theta[(i, j)] + theta[(j, i)] >= 1, f"eq4_{i}{j}") for i, j in it.product(I, I) if i != j},
    # Relate time to CPU assignment
    {(i, j): (r[j] - r[i] - 1 - (theta[(i, j)] - 1) * len(J) >= 0, f"eq5_{i}{j}") for i, j in it.product(I, I) if i != j},
    {(i, j): (r[j] - r[i] - theta[(i, j)] * len(J) <= 0, f"eq6_{i}{j}") for i, j in it.product(I, I) if i != j},
    {(i, j): (t[i] + d[i] + (sigma[(i, j)] - 1) * max_makespan <= t[j], f"eq7_{i}{j}") for i, j in it.product(I, I) if i != j},
    # Sequential scheduling constraints
    {(i, j): (t[i] + d[i] <= t[j], f"eq8_{i}{j}") for (i, j) in sequential_deps},
    {(i, j): (sigma[(i, j)] == 1, f"eq9_{i}{j}") for (i, j) in sequential_deps},
    # Parallel scheduling constraints
    {(i, j): (t[i] == t[j], f"eq10_{i}{j}") for (i, j) in parallel_deps},
    {(i, j): (d[i] == d[j], f"eq11_{i}{j}") for (i, j) in parallel_deps},
    {(i, j): (r[i] != r[j], f"eq12_{i}{j}") for (i, j) in parallel_deps},
    {(i, j): (theta[(i, j)] + theta[(j, i)] >= 1, f"eq16_{i}{j}") for (i, j) in parallel_deps},
    # Associate task i, cpu j with duration k 
    {(i, j, k): (z[(i, j, k)] == (1 if runtime[(i, j)] == k else 0), f"eq17_{i}{j}{k}") for i, j, k in it.product(I, J, range(1, max_duration + 1))},
    {(i, j): (sum(z[(i, j, k)] for k in range(1, max_duration + 1)) == 1, f"eq18_{i}{j}") for i, j in it.product(I, J)},
]

# Add equations to the problem
m += W

for c in cons:
    for i in c:
        m += c[i]

# Solve the problem
m.solve()

# Print the optimized values
for v in m.variables():
    print(v.name, "=", v.varValue)

print("Optimal makespan:", W.varValue)

I’ve described the problem and my approach so far in the post above.

New contributor

Marcin Praski is a new contributor to this site. Take care in asking for clarification, commenting, and answering.
Check out our Code of Conduct.

1

Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức sự kiện 5 sao Thông tin về chúng tôi Dịch vụ sinh nhật bé trai Dịch vụ sinh nhật bé gái Sự kiện trọn gói Các tiết mục giải trí Dịch vụ bổ trợ Tiệc cưới sang trọng Dịch vụ khai trương Tư vấn tổ chức sự kiện Hình ảnh sự kiện Cập nhật tin tức Liên hệ ngay Thuê chú hề chuyên nghiệp Tiệc tất niên cho công ty Trang trí tiệc cuối năm Tiệc tất niên độc đáo Sinh nhật bé Hải Đăng Sinh nhật đáng yêu bé Khánh Vân Sinh nhật sang trọng Bích Ngân Tiệc sinh nhật bé Thanh Trang Dịch vụ ông già Noel Xiếc thú vui nhộn Biểu diễn xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức tiệc uy tín Khám phá dịch vụ của chúng tôi Tiệc sinh nhật cho bé trai Trang trí tiệc cho bé gái Gói sự kiện chuyên nghiệp Chương trình giải trí hấp dẫn Dịch vụ hỗ trợ sự kiện Trang trí tiệc cưới đẹp Khởi đầu thành công với khai trương Chuyên gia tư vấn sự kiện Xem ảnh các sự kiện đẹp Tin mới về sự kiện Kết nối với đội ngũ chuyên gia Chú hề vui nhộn cho tiệc sinh nhật Ý tưởng tiệc cuối năm Tất niên độc đáo Trang trí tiệc hiện đại Tổ chức sinh nhật cho Hải Đăng Sinh nhật độc quyền Khánh Vân Phong cách tiệc Bích Ngân Trang trí tiệc bé Thanh Trang Thuê dịch vụ ông già Noel chuyên nghiệp Xem xiếc khỉ đặc sắc Xiếc quay đĩa thú vị
Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa
Thiết kế website Thiết kế website Thiết kế website Cách kháng tài khoản quảng cáo Mua bán Fanpage Facebook Dịch vụ SEO Tổ chức sinh nhật