应急中心选址问题数学建模

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D 、R 的 i, j 元素分别表示为 Dij 、Rij i 1,2, ,24; j 1,2, ,24 , 对于
所有的城市 i 、j 和 k ,如果 Dij Dik Dkj ,则令 Dij Dik Dkj ,Rij k(表 示从城市 i 到 j 要经过城市 k ,若 Rij 0 ,表示两城市可直达)。经过 matlab 和 lingo 软件编程计算的出矩阵 D 和 R ,见附录 2
各个社区对应人口(单位:千人)如表 1-1: 表 1-1
编号 A B C D E F G H I J K L 人口 10 12 18 6 10 15 4 8 7 11 13 11 编号 M N P Q R S T U V W X Y 人口 11 8 9 22 14 8 7 10 15 28 18 13
4.3 问题 3 的分析
要求分三组(路)巡视,得到总路程最短且各组尽可能均衡的巡视路线,可 转化为三个售货员的最佳旅行售货员问题。先用 MATLAB 软件编程计算得到加 权网络图的最小生成树,按每块近似有相等总路程的标准将最小生成树分成三
块,每一块都转化为一个最佳旅行售货员问题。即在给定的加权网络图中寻找从
aij (i 1, 2,...n, j 1, 2,...n) 为i 和 j 直接连通的道路长度。
a11 a12...a1n
L
a21
a22 ...a2 n
an1 an2 ann
社区间道路信息可知 n是 24,根据社区间道路信息表可以得出邻接矩阵为
L ,见附录 1。
2) 获得两社区间距离矩阵 D 。
同时根据个社区人口居住情况可以得出如下人口统计图:
各社区人口统计图 30
25
20
人口/千人
15
10
Biblioteka Baidu
5
0 A BCD E F G H I J K L MN PQ RS T UVWX Y 社区
图 5.1
根据表 5.1 和图 5.1 可以看出 W,Q 两个社区人口量最多,且从该社区出发 的道路数比较多,很可能是煤气缴费站的设置点,同时也是派出所设置点;K 社 区人口量也比较多,且连接各道路距离比较大,因此,K 点可能是派出所设置点。 这些是从图形和图标表面直观得出的,需要建模去验证。
针对问题 2:为避免资源的浪费,且满足条件,建立了以最少分组数为目标 函数的单目标最优化模型,用问题一中最短路径的 Floyd 算法,运用 LINGO 软 件编程计算,得到个社区之间的最短距离,再经过计算可得到本问的派出所管辖 范围是 2.5 千米。最后采用就近归组的搜索方法,逐步优化,最终得到最少需要 设置 3 个派出所,其所在位置有三种方案,分别是:(1)K 区,W 区,D 区; (2)K 区,W 区,R 区;(3)K 区,W 区,Q 区。最后根据效率和公平性和 工作负荷考虑考虑,其第三种方案为最佳方案,故选择 K 区,W 区,Q 区,其 各自管辖区域路线图如图 8-1。
针对问题 3:建立了双目标最优化模型。首先将问题三转化为三个售货员的 最佳旅行售货员问题,得到以总路程最短和路程均衡度最小的目标函数,采用最 短路径 Floyd 算法,并用 MATLAB 和 LINGO 软件编程计算,得到最优树图,然 后按每块近似有相等总路程的标准将最优树分成三块,最后根据最小环路定理, 得到三组巡视路程分别为 11.8 km 、11 km 和 12.5 km ,三组巡视的总路程达到 35.3 km ,路程均衡度为 12%,具体巡视路线安排见表 9-1 和图 9.2 。
4 问题分析
4.1 问题 1 的分析
此题主要考虑居民平均最短距离,解决的是多源选址问题,找到三个煤气缴 费站最佳选址。当考虑到社区人口数量和和各社区之间的距离时,人口量是影响 平均最短距离的首要因素,尽可能把煤气缴费站建在人口密集的区域。
本问题的目标是从 24 个社区组成区域内中,选出一定 3 个社区设置煤气缴 费站, 建立缴费点网络,实现居民与最近的缴费点之间平均距离最小。
1.3 本文具体需要解决的问题
(1)为了方便社区居民缴纳煤气费,煤气公司现拟建三个煤气缴费站,问煤气 缴费站怎样选址才能使得居民与最近煤气站之间的平均距离最小。
(2) 市公安局拟在该城区建立若干个派出所,请为派出所分配管辖范围,使 其在所管辖的范围内出现突发事件时,尽量能在 3 分钟内有警察(警车的时速为 50km/h)到达事发地,问设置多少个派出所比较合理,位置选在哪?
6 求最短路径
问题一、二、三均需要计算出两社区间距离矩阵 D ,记录对应的最短路径,
以便分区时作为参考条件。最短路径算法主要由改善的 floyd-warshall 算法实现,
最后获得由任意两城市间距离矩阵 D 和对应的最短路径。算法具体原理如下:
1)利用社区间道路信息,构造邻接矩阵 L 。
若城市 i 和 j 间无直接连通的道路,则令 (i, j) 元素 aij 为正无穷大;否则
关键词 Floyd-Warshall 算法 穷举法 最小生成树 最短路径
1 问题重述
1.1 问题背景
这是一个最优选址问题,是一种重要的长期决策,它的好坏直接影响到服务
方法,服务质量,服务效率,服务成本,所以选址问题的研究有着重大的经济社
会和军事意义。
1.2 问题的提出
实际问题:某城市共有 24 个社区 A,B,C、、、、、、Y,任何两个社区之间都 是相通的,只是有的社区是有道路直接相连,有的是通过其他社区联系在一起,
F
6
E(8),L(10),U(14),W(11),G(11),Y(11)
G
3
F(11),I(10),W(15)
H
4
M(15),P(19),K(11),Y(8)
I
4
B(28),P(19),G(10),Y(25)
J
3
L(8),N(6),U(8)
K
3
M(12),H(11),P(23)
L
4
F(10),J(8),Y(10),M(9)
费站,根据24模型假设(3)可知,只能在社区设置 3 个煤气缴费站,所以有约束
是否在社区 i 设置缴费站
均衡度
赋权连通图
Lk
子图 Gk 中的最佳回路
w(ei )
边 ei 的边权
w(vi )
点 vi 的点权
lk
Lk 的各边权之和
ck
Lk 的各点权之和
i 1, 2, 3...24 ; j 1, 2,...24 ; k 1, 2, 3;
A, B, C,...X ,Y V1,V2 ,V3...V23 ,V24
M
4
N(6),L(9),H(15),K(12)
N
2
M(6),J(6)
P
3
H(19),I(19),K(23)
Q
3
R(7),D(9),V(10)
R
2
S(12),Q(7)
S
3
A(20),D(8),R(12)
T
3
C(10),E(6),V(7)
U
4
E(9),F(14),J(8),V(15)
V
3
Q(10),T(7),U(15)
且最邻近,为保证各缴费点工作负担波动不大,该社区的居民只能到最邻近 的其中一个纳税点缴税; (6) 假设路况相同,警车到达个社区途中按照规定的速度匀速行使;
3 符号说明
符号
Rj Dij ij Pi 0 G(V , E)
表 3-1
符号意义 第 j 个社区的居民人口数
社区间可行的最短路径长度
社区 j 是否到社区 i 缴费
min
i1
j 1 24
Rj
j 1
2)约束条件的确立 (1)若ij 0 表示社区 j 不到社区 i 缴费,ij 1表示社区 j 到社区 i 缴费,
根据模型假设(4)可知,每个社区的居民只能到附近最近的一个缴费站缴费,
24
因此可有约束条件:
i1
ij
1,j=1,2,…24。
(2)若 Pi 0 表示不在社区 i 设置煤气缴费站,Pi 1表示在社区 i 设置煤气缴
W
5
B(22),C(15),F(11),G(15),X(8)
X
3
A(16),B(18),W(8)
Y
4
F(11),H(8),I(25),L(10)
若将 24 社区个之间的的道路网络图,社区看作一个图的顶点,各社区的公 路看作此图对应顶点间的边,各条公路的长度看作对应边上的权,所给各社区的 的道路连接如图就转化为加权网络图 G(V , E) 。利用图论中的一些算法对问题一, 二三进行简答。
选址问题数学模型
摘要
本题是用图论与算法结合的数学模型,来解决居民各社区生活中存在三个的 问题:合理的建立3个煤气缴费站的问题;如何建立合理的派出所;市领导人巡 视路线最佳安排方案的问题。通过对原型进行初步分析,分清各个要素及求解目 标,理出它们之间的联系.在用图论模型描述研究对象时,为了突出与求解目标 息息相关的要素,降低思考的复杂度。对客观事物进行抽象、化简,并用图来描 述事物特征及内在联系的过程.建立图论模型是为了简化问题,突出要点,以便 更深入地研究问题
此问题是突发事件应急救援设施选址决策模型, 首先要求派出所分配管辖 范围覆盖所有的区域, 在考虑具体目标时,一是从快速反应或者公平性考虑, 要 求派出所至需求点的最大距离最小化; 二是从应急救援设施的使用效率出发, 要 求派出所至需求区的总加权距离为最小。最后, 在建立应派出所时还要考虑相关 的成本资金问题,最少的派出所能在满足所有要求的情况下覆盖所有区域。
给定点 W 出发,行遍所有顶点至少一次,使得总权(路程)最小.解决此类问题
的一般方法是不现实的,本题可使用近似算法来求得近似最优解.
再确定总路程最短且满足各组尽可能均衡的路线的目标函数,最后对目标函
数适当改进,得到最终的双目标最优化模型。
5 数据的分析
根据图 1.1 和表 1-1 可以看出 24 个社区人口密度不同,各社区之间的距离也
1) 目标函数的确立: 为使得居民与最近煤气站之间的平均距离最小,只要各社区居民在满足区域 要求的条件下,在各个社区的每个居民都去煤气缴费站的情况下,居民的平均路 径最短,因此只要求出所有居民到离社区附近的缴费站的总路程最小,然后除以 个社区居民所有人数。故目标函数为:
24 24
Rj Dijij
不同,得出如下道路信息表:
表 5-1 道路信息表
社区编号 从该社区出发的道路数 与该社区直接相连的社区编号及道路长度(百米)
A
3
C(24),S(20),X(16)
B
3
I(28),W(22),X(18)
C
5
A(24),D(11),E(9),T(10),W(15)
D
3
C(11),Q(9),S(8)
E
4
C(9),F(8),T(6),U(9)
各社区的的道路连接如图 1.1
Q 10 V
15
U
9 7
7
T
9
8 J 6N
8
D
6
14 L
6
R
10 11
E
9 M
8
9
8 10 10
12
C
F 11
12
S
15
11 11
Y 15
20
24 X
8
W 15 G
8
K
11
25 H
16 18 22
10
A
B
28
I
23 19 19
P
图 1.1 (注:横线上的数据表示相邻社区之间的距离,单位:百米)
(3) 社区 W 是市政府所在地,市领导从 W 出发巡视,分三组巡视所有社区, 为了尽快完成巡视,合理的安排巡视路线
2 模型假设
(1) 不考虑各社区的实际尺度,简化为点处理 ; (2) 每个社区的居民都去缴费站缴费; (3) 只在社区拟建三个煤气缴费站; (4) 每个社区的居民只能到离该社区最近的煤气缴费站缴费; (5) 若与某些社区最近的缴费站有若干个,即其可能与若干个缴费点的距离相同
针对问题 1:0-1 规划的穷举法模型。该模型首先采用改善的 Floyd-Warshall 算法计算出城市间最短路径矩阵见附录表一;然后,用 0-1 规划的穷举法获得模 型目标函数的最优解,其煤气缴费站设置点分别在 Q、W、M 社区,各社区居民 缴费区域见表 7-1,居民与最近的缴费点之间平均距离的最小值 11.7118 百米。
对于每个社区缴费点的建立与否只有两种可能,所以可以通过计算社区间的 最短路径,然后充分利用社区的居民以及道路信息,采用合适的方法搜索缴费点; 再确定各缴费点管辖的区域,直到求得最优解。本问题重点要解决如何选择缴费 点和如何划分缴费区域,即建立合理的最优缴费点搜索和区域划分模型。
4.2 问题 2 的分析
其流程图如下:
开始

两社区
间距离

矩阵 D



社区间最
L
短路径矩 阵R

图 6.1 改善的 floyd-warshall 算法流程图
结束
7 问题 1 的解答
7.1 模型的建立
该模型首先采用改善的 Floyd-Warshall 算法计算出城市间最短路径矩阵;然 后,用 0-1 规划的穷举法获得模型目标函数的最优解。
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