Python实现关键路径和七格图计算详解

import json  
from datetime import datetime  
from typing import List  
  
import graphviz  
from jinja2 import Template  
  
from activity import Activity  
  
  
class Project:  
    def __init__(self):  
        self.activities: List[Activity] = []  
        self.duration = 0  
        self.logger = []  
  
    def log(self, log: str) -> None:  
        self.logger.append(log)  
  
    def add_activity(self, activity: Activity) -> None:  
        """  
        添加一个活动到项目中  
        :param  
        activity: 待添加的活动  
        """        # 将活动添加到项目中  
        self.activities.append(activity)  
  
    def calculate(self) -> None:  
        """ 计算整个项目的关键信息  
        :return: None  
        """        self.calculate_successor()  
        self._calculate_forward_pass()  # 计算正推法  
        self._calculate_backward_pass()  # 计算倒推法  
        self._calculate_total_floats()  # 计算总浮动时间  
        self._calculate_free_floats()  # 计算自由浮动时间  
  
    def calculate_successor(self) -> None:  
        self.log("开始计算紧后活动")  
        for act in self.activities:  
            for pred in act.predecessors:  
                for act_inner in self.activities:  
                    if act_inner.id == pred:  
                        act_inner.successors.append(act.id)  
  
    def _calculate_forward_pass(self) -> None:  
        self.log("## 开始正推法计算")  
        # 进入 while 循环，只有当所有活动的最早开始时间和最早完成时间都已经计算出来时，才会退出循环  
        while not self._is_forward_pass_calculated():  
            # 遍历每个活动  
            for activity in self.activities:  
                # 如果活动的最早开始时间已经被计算过，则跳过  
                if activity.est is not None:  
                    continue  
                # 如果活动没有前置活动， 则从1开始计算最早开始时间和最早结束时间  
                if not activity.predecessors:  
                    activity.est = 1  
                    activity.eft = activity.est + activity.duration - 1  
                    self.log(  
                        f"活动 {activity.name} 没有紧前活动，设定最早开始时间为1， 并根据工期计算最早结束时间为{activity.eft}")  
                else:  
                    # 计算当前活动的所有前置活动的最早完成时间  
                    predecessors_eft = [act.eft for act in self.activities if  
                                        act.id in activity.predecessors and act.eft is not None]  
                    # 如果当前活动的所有前置活动的最早完成时间都已经计算出来，则计算当前活动的最早开始时间和最早完成时间  
                    if len(predecessors_eft) == len(activity.predecessors):  
                        activity.est = max(predecessors_eft) + 1  
                        activity.eft = activity.est + activity.duration - 1  
                        self.log(  
                            f"活动 {activity.name} 紧前活动已完成正推法计算， 开始日期按最早开始时间里面最大的," +  
                            f"设定为{activity.est}并根据工期计算最早结束时间为{activity.eft}")  
  
                        # 更新项目总持续时间为最大最早完成时间  
        self.duration = max([act.eft for act in self.activities])  
  
    def _calculate_backward_pass(self) -> None:  
        """ 计算倒推法  
        :return: None  
        """  
        self.log("## 开始倒推法计算")  # 输出提示信息  
        # 进入 while 循环，只有当所有活动的最晚开始时间和最晚完成时间都已经计算出来时，才会退出循环  
        while not self._is_backward_pass_calculated():  
            # 遍历每个活动  
            for act in reversed(self.activities):  
                # 如果活动的最晚开始时间已经被计算过，则跳过  
                if act.lft is not None:  
                    continue  
                # 如果活动没有后继活动， 则从总持续时间开始计算最晚开始时间和最晚结束时间  
                if not act.successors:  
                    act.lft = self.duration  
                    act.lst = act.lft - act.duration + 1  
                    self.log(f"活动 {act.name} 没有紧后活动，按照正推工期设定最晚结束时间为{act.lft}," +  
                             f"并根据工期计算最晚开始时间为{act.lst}")  
                else:  
                    # 计算当前活动的所有后继活动的最晚开始时间  
                    successors_lst = self._calculate_lst(act)  
                    # 如果当前活动的所有后继活动的最晚开始时间都已经计算出来，则计算当前活动的最晚开始时间和最晚完成时间  
                    if len(successors_lst) == len(act.successors):  
                        act.lft = min(successors_lst) - 1  
                        act.lst = act.lft - act.duration + 1  
                        self.log(f"活动 {act.name} 紧后活动计算完成，按照倒推工期设定最晚结束时间为{act.lft}," +  
                                 f"并根据工期计算最晚开始时间为{act.lst}")  
        # 更新项目总持续时间为最大最晚完成时间  
        self.duration = max([act.lft for act in self.activities])  
  
    def _calculate_lst(self, activity: Activity) -> List[int]:  
        """计算某一活动的所有最晚开始时间  
        :param activity: 活动对象  
        :return: 最晚开始时间列表  
        """        rst = []  # 初始化结果列表  
        for act in activity.successors:  # 遍历该活动的后继活动  
            for act2 in self.activities:  # 遍历所有活动  
                if act2.id == act and act2.lst is not None:  # 如果找到了该后继活动且其最晚开始时间不为空  
                    rst.append(act2.lst)  # 将最晚开始时间加入结果列表  
        return rst  # 返回结果列表  
  
    def _is_forward_pass_calculated(self) -> bool:  
        """ 判断整个项目正推法计算已经完成  
        :return: 若已计算正向传递则返回True，否则返回False  
        """  
        for act in self.activities:  # 遍历所有活动  
            if act.est is None or act.eft is None:  # 如果该活动的最早开始时间或最早完成时间为空  
                return False  # 则返回False，表示还未计算正向传递  
        return True  # 如果所有活动的最早开始时间和最早完成时间都已计算，则返回True，表示已计算正向传递  
  
    def _is_backward_pass_calculated(self) -> bool:  
        """ 判断整个项目倒推法计算已经完成  
        :return: 若已计算倒推法则返回True，否则返回False  
        """        for act in self.activities:  # 遍历所有活动  
            if act.lst is None or act.lft is None:  # 如果该活动的最晚开始时间或最晚完成时间为空  
                return False  # 则返回False，表示还未计算倒推法  
        return True  # 如果所有活动的最晚开始时间和最晚完成时间都已计算，则返回True，表示已计算倒推法  
  
    def _calculate_total_floats(self) -> None:  
        """ 计算所有活动的总浮动时间  
        :return: None  
         """  
        self.log(f"## 开始计算项目所有活动的总浮动时间")  
        for act in self.activities:  # 遍历所有活动  
            if act.est is not None and act.lst is not None:  # 如果该活动的最早开始时间和最晚开始时间都已计算  
                act.tf = act.lst - act.est  # 则计算该活动的总浮动时间  
                self.log(f"计算{act.name}的总浮动时间" + f"最晚开始时间{act.lst} - 最早开始时间{act.est} = {act.tf}", )  
            else:  # 如果该活动的最早开始时间或最晚开始时间为空  
                act.tf = None  # 则将该活动的总浮动时间设为None  
  
    def _calculate_free_floats(self) -> None:  
        """ 计算所有活动的自由浮动时间  
        :return: None  
        """        self.log(f"## 开始计算项目所有活动的自由浮动时间")  # 输出提示信息  
        for act in self.activities:  # 遍历所有活动  
            if act.tf == 0:  # 如果该活动的总浮动时间为0  
                self.log(f"计算{act.name}的自由浮动时间" + f"因为{act.name}的总浮动时间为0，自由浮动时间为0")  # 输出提示信息  
                act.ff = 0  # 则将该活动的自由浮动时间设为0  
            elif act.tf > 0:  # 如果该活动的总浮动时间大于0  
                self.log(f"计算{act.name}的自由浮动时间")  # 输出提示信息  
                self.log(f"- {act.name}的总浮动时间{act.tf} > 0,")  # 输出提示信息  
                tmp = []  # 初始化临时列表  
                for act2 in self.activities:  # 遍历所有活动  
                    if act2.id in act.successors:  # 如果该活动是该活动的紧后活动  
                        self.log(f"- {act.name}的紧后活动{act2.name}的自由浮动动时间为{act2.tf}")  # 输出提示信息  
                        tmp.append(act2.tf)  # 将该紧后活动的自由浮动时间加入临时列表  
                if len(tmp) != 0:  # 如果临时列表不为空  
                    act.ff = act.tf - max(tmp)  # 则计算该活动的自由浮动时间  
                    if act.ff < 0:  
                        act.ff = 0  
                    self.log(f"- 用活动自己的总浮动{act.tf}减去多个紧后活动总浮动的最大值{max(tmp)} = {act.ff}")  
                else:  # 如果临时列表为空  
                    act.ff = act.tf  # 则将该活动的自由浮动时间设为总浮动时间  
  
    def calculate_critical_path(self) -> List[Activity]:  
        """ 计算整个项目的关键路径  
        :return: 整个项目的关键路径  
        """        ctc_path = []  # 初始化关键路径列表  
        for act in self.activities:  # 遍历所有活动  
            if act.tf == 0:  # 如果该活动的总浮动时间为0  
                ctc_path.append(act)  # 则将该活动加入关键路径列表  
        return ctc_path  # 返回关键路径列表  
  
    def calculate_project_duration(self) -> int:  
        """ 计算整个项目的持续时间  
        :return: 整个项目的持续时间  
        """        return max(activity.eft for activity in self.activities)  # 返回所有活动的最早完成时间中的最大值，即整个项目的持续时间  
  
  
# 从JSON文件中读取活动信息  
with open('activities.json', 'r', encoding='utf-8') as f:  
    activities_data = json.load(f)  
  
# 创建Project对象并添加活动  
project = Project()  
for activity_data in activities_data:  
    activity = Activity(  
        activity_data['id'],  
        activity_data['name'],  
        activity_data['duration'],  
        activity_data['predecessors']  
    )    project.add_activity(activity)  
  
# 计算每个活动的最早开始时间、最晚开始时间等数据  
project.calculate()  
  
# 计算关键路径和项目总工期  
critical_path = project.calculate_critical_path()  
project_duration = project.calculate_project_duration()  
  
# 生成项目的活动清单  
with open('template.html', 'r', encoding='utf-8') as f:  
    template = Template(f.read())  
html = template.render(  
    activities=project.activities,  
    critical_path=critical_path,  
    project_duration=project_duration,  
    log=project.logger  
)  
  
# 生成项目进度网络图  
aon_graph = graphviz.Digraph(format='png', graph_attr={'rankdir': 'LR'})  
for activity in project.activities:  
    aon_graph.node(str(activity.id), activity.name)  
    for predecessor in activity.predecessors:  
        aon_graph.edge(str(predecessor), str(activity.id))  
  
timestamp = datetime.now().strftime('%Y%m%d%H%M%S')  
  
aon_filename = f"aon_{timestamp}"  
  
aon_graph.render(aon_filename)  
  
# 将项目进度网络图插入到HTML文件中  
aon_image = f'<img src="{aon_filename}.png" alt="Precedence Diagramming Method: AON">'  
html = html.replace('<p>Precedence Diagramming Method: AON: <br/>[image]</p>',  
                    '<p>紧前关系绘图法: AON: <br/>' + aon_image + '</p>')  
  
filename = datetime.now().strftime('%Y%m%d%H%M%S') + '.html'  
with open(filename, 'w', encoding='utf-8') as f:  
    f.write(html)

class Activity:  
    """  
    活动类，用于表示项目中的一个活动。  
  
    Attributes:        id (int): 活动的唯一标识符。  
        name (str): 活动的名称。  
        duration (int): 活动的持续时间。  
        predecessors (List[int]): 活动的前置活动列表，存储前置活动的id。  
        est (int): 活动的最早开始时间。  
        lst (int): 活动的最晚开始时间。  
        eft (int): 活动的最早完成时间。  
        lft (int): 活动的最晚完成时间。  
        tf (int): 活动的总浮动时间。  
        ff (int): 活动的自由浮动时间。  
        successors (List[int]): 活动的后继活动列表，存储后继活动的Activity对象。  
    """  
    def __init__(self, id: int, name: str, duration: int, predecessors: List[int]):  
        """  
        初始化活动对象。  
  
        Args:            id (int): 活动的唯一标识符。  
            name (str): 活动的名称。  
            duration (int): 活动的持续时间。  
            predecessors (List[int]): 活动的前置活动列表，存储前置活动的id。  
        """        self.id = id  
        self.name = name  
        self.duration = duration  
        self.predecessors = predecessors  
        self.est = None  
        self.lst = None  
        self.eft = None  
        self.lft = None  
        self.tf = None  
        self.ff = None  
        self.successors = []  
  
    def __str__(self):  
        return f"id: {self.id}, name: {self.name}, est: {self.est}, lst: {self.lst}, eft: {self.eft}, lft: {self.lft},"  
        + f"successors: {self.successors}"

[  
  {    "id": 1,  
    "name": "A",  
    "duration": 2,  
    "predecessors": []  
  },  
  {  
    "id": 9,  
    "name": "A2",  
    "duration": 3,  
    "predecessors": []  
  },  
    {  
    "id": 10,  
    "name": "A3",  
    "duration": 2,  
    "predecessors": []  
  },  
  {  
    "id": 2,  
    "name": "B",  
    "duration": 3,  
    "predecessors": [  
      1,  
      9  
    ]  
  },  
  {  
    "id": 3,  
    "name": "C",  
    "duration": 4,  
    "predecessors": [  
      1  
    ]  
  },  
  {  
    "id": 4,  
    "name": "D",  
    "duration": 2,  
    "predecessors": [  
      2,10  
    ]  
  },  
  {  
    "id": 5,  
    "name": "E",  
    "duration": 3,  
    "predecessors": [  
      2  
    ]  
  },  
  {  
    "id": 6,  
    "name": "F",  
    "duration": 2,  
    "predecessors": [  
      3  
    ]  
  },  
  {  
    "id": 7,  
    "name": "G",  
    "duration": 3,  
    "predecessors": [  
      4,  
      5  
    ]  
  },  
  {  
    "id": 8,  
    "name": "H",  
    "duration": 2,  
    "predecessors": [  
      6,  
      7  
    ]  
  },  
  {  
    "id": 11,  
    "name": "H2",  
    "duration": 4,  
    "predecessors": [  
      6,  
      7  
    ]  
  }  
]

<!DOCTYPE html>  
<html>  
<head>  
    <meta charset="UTF-8">  
    <title>PMP关键路径计算</title>  
    <style>        table {  
            border-collapse: collapse;  
            width: 100%;  
        }  
  
        th, td {  
            border: 1px solid black;  
            padding: 8px;  
            text-align: center;  
        }  
  
        th {  
            background-color: #4CAF50;  
            color: white;  
        }  
  
        .critical {  
            background-color: #ffcccc;  
        }  
    </style>  
</head>  
<body>  
<h1>活动清单</h1>  
<table>  
    <tr>  
        <th>ID</th>  
        <th>活动名</th>  
        <th>持续时间</th>  
        <th>紧前活动</th>  
        <th>紧后活动</th>  
        <th>最早开始时间EST</th>  
        <th>最早结束时间EFT</th>  
        <th>最晚开始时间LST</th>  
        <th>最晚结束时间LFT</th>  
        <th>总浮动时间TF</th>  
        <th>自由浮动时间FF</th>  
    </tr>  
    {% for activity in activities %}  
    <tr {% if activity in critical_path %}class="critical" {% endif %}>  
        <td>{{ activity.id }}</td>  
        <td>{{ activity.name }}</td>  
        <td>{{ activity.duration }}</td>  
        <td>            {% for predecessor in activity.predecessors %}  
            {% for act in activities %}  
            {% if act.id == predecessor %}  
            {{ act.name }}  
            {% endif %}  
            {% endfor %}  
            {% if not loop.last %}, {% endif %}  
            {% endfor %}  
        </td>  
        <td>            {% for successor in activity.successors %}  
            {% for act in activities %}  
  
            {% if act.id == successor %}  
            {{ act.name }}  
            {% endif %}  
            {% endfor %}  
            {% if not loop.last %}, {% endif %}  
            {% endfor %}  
        </td>  
        <td>{{ activity.est }}</td>  
        <td>{{ activity.eft }}</td>  
        <td>{{ activity.lst }}</td>  
        <td>{{ activity.lft }}</td>  
        <td>{{ activity.tf }}</td>  
        <td>{{ activity.ff }}</td>  
    </tr>  
    {% endfor %}  
</table>  
<p>关键路径是: {% for activity in critical_path %}{{ activity.name }}{% if not loop.last %} -> {% endif %}{% endfor  
    %}</p>  
<p>项目总工期: {{ project_duration }}</p>  
<p>Precedence Diagramming Method: AON: <br/>[image]</p>  
<p>  
<table>  
    <tr>  
        <th>执行过程</th>  
    </tr>  
    {% for i in log %}  
    <tr>  
        <td style="text-align: left">{{i}}</td>  
    </tr>  
    {% endfor %}  
</table>  
</p>  
</body>  
</html>