数学建模优化

数学建模优化
数学建模优化

物资配送优化研究

摘要

物资配送策略的研究对商品经济发展、人力资源增广有正向推进作用。本文采用改进的递阶遗传算法对物资配送方案进行优化设计。

问题一,是针对给定物资配送任务,设计最佳送货方案的多旅行商问题。首先,在数据预处理阶段,采用Floyd算法求解出任意两点最小运输时间;然后,在此基础上,以运输里程最短为唯一目标函数,建立0—1变量优化模型;最后,利用递阶遗传算法以及启发式算法思想对模型进行分析,并采用Matlab软件编写程序(命令及全部计算机源程序见附件1)得到物流中心应同时出动3台货车,通过指定路径(见图5)给所有客户点送货,使得运行里程达到最短为508km。

问题二,需要建立每天最佳送货策略的一般数学模型及相应的求解方法。首先,将问题一有效转化为经典车辆调度(VRP)问题,加入指派车辆数目最少,以及客户满意程度最高为目标函数;然后,建立0—1变量多目标优化模型,并通过功效系数法,将多目标转换为单目标,由此建立每天最佳送货策略的一般数学模型(模型二);最后,通过改进的递阶遗传算法(见)对模型进行求解。

问题三,就问题二的基础上,考虑客户数量较大的情况。将问题二中的一般优化模型通过四叉树分区思想进行调整,建立分区巡回优化模型。在求解数据精度降低的同时,大大降低求解问题的时间复杂度。最后,利用递阶遗传算法对分区后的TSP模型进行求解,即给出时间复杂度较低的求解方法。

最后,在文章结尾,对模型结果进行合理性分析,均得出计算结果合理的结论。并就文章进行优缺点评价。

关键词:Floyd算法;递阶遗传算法;多旅行商问题;0—1变量优化模型;分区巡回优化模型;时间复杂度。

1.1问题的背景

物资配送是物资流通企业按照用户的订货需求及其标准,以最经济的货物进行采购、储存、加工、分炼、配装、运输直到把货物交至用户手中的物资流通活动。并且物资配送具有以下特点[1](见图1):

物资配送特点

配送是从物流据点至用

户的中转型送货形式。

配送在物资运输的整个、活动中处于

“支线输送”“终端输送”的位置。

配送是送货上门式的服务性供应,直接

将物资送到用户指定地点

配送不单是运送活动,还包括大量的分

货,配货、配装等工作

配送多定时、定线,距离短,

批量小,品种多。

图1.物资配送具备特点示意图

本题主要针对配送运输过程进行优化研究:需要根据当天客户所需物资的重量、物流中心与各客户以及各客户间的公路里程设定一个最佳的送货方案(方案包括当天出动车辆数、行驶路径、当天总运行里程)在满足客户所提出的时间要求下,使配送中心配送费用最小或总运行里程最短。

1.2问题的提出

现有一批物资配送任务及其要求,其中货车载重量为8T、平均速度为50km/h,送货车辆从物流中心出发,为8个客户配送物资。已知,8个客户所需物资的重量、在任意客户处所需要的卸货时间以及物流中心与各客户以及各客户间的公路里程。根据各客户要求送货车辆到达的时间范围需求解:

1. 给当日设计一个最佳的送货车辆安排方案(包括出动车辆的台数以及每一台车辆的具体行驶路径),使总运行里程最短;并给出你们实际使用的软件名称、命令和编写的全部计算机源程序。

2. 将数据一般化,为物流中心建立一个每天最佳送货策略的数学模型,并给出求解方法。

3. 将问题实际化,考虑此物流中心的客户数量较大,建立模型和求解方法将做哪些调整?

2.1 问题分析 1

问题综述

本文主要对物流中心配送物资方案进行优化研究,主要包括三个问题,且三个问题属于层层递进关系。无论约束与目标如何变化,问题最终需求最佳方案均需含有:当天出动车的数量、行驶路径及总运行里程。整体分析问题,需按(图2)流程进行完成。

图2.全文主要思维流程图

2 具体问题的分析

(1) 问题一的分析

问题一是为物流中心具体任务设计最佳配送方案。此问题属于组合优化问题,

指派多辆货车从同一地点出发,选择一条路线进行货物配送,并让每一客户点能够准时得到所需货物。此类问题可以采用多旅行商问题建立模型,并基于遗传算法和计算机仿真模拟对模型进行求解,得出最佳方案。

图3.关于问题一的分析流程图

(2)问题二的分析

问题二是对问题一的深入思考,拟在建立没有具体的数据的一个每天最佳送货策略的一般数学模型。本题可以采用启发式算法思想,在问题一的基础上,加入派遣车辆数量最少以及客户满意程度为目标。并给出求解此模型的求解方法。

(3)问题三的分析

问题三属于问题二的深入理解。在问题二的基础上加入客户数量较大这一条件。从现实入手分析,客户数量较大可能导致客户中心拥有货车数量不够、运输时间过长等结果。选择分区思想,考虑选取一辆车对一个区域的所有客户进行运送货物。并且由于客户数量的增加,考虑物流中心的忙碌程度,可以通过降低计算最短路径的精度,提高方案的时间有效率。

3关键问题的理解

(1)关于两客户点之间路径选择的理解

由于要使送货的路径达到最小,合理选择路径是解决此类问题的关键。不难发现,表格中任意两点之间的距离并不为最佳(如:从物流中心直接达到第5个客户处需要200km,而从物流中心途径第一客户处,再转向到第5客户处仅需要经过90km,类似的还有从物流中心到第7客户处、从第3客户处到第8客户处)。(见图4)

从时间角度观测,从物流中心到第5个客户处需要经过的时间包括:从物流中心到第5节点处的最短路径行驶过程所消耗时间;在第5节点处卸货所花费的时间。(注:此处并不在中间任意客户点卸货,只是由于最短路径的需要而途径中间节点,故不考虑途径任意节点卸货时间)。

90km

图4.特殊点路径选择示意图

(2)关于配送费用最小或总运行里程最短的理解

根据题目所设所需求解目标为配送费用最小或运行里程最短。文中考虑物资配送过程中,运输过程占有最为昂贵的费用,那么要合理控制运送费用需要尽可能减少运输的里程数。而运送过程受时间限制,一味追求里程的优化可能造成时间的延迟和不充分利用。由于题目假设车辆以平均速度前行,可思考将文章最终目的转换为寻找运送过程时间最短的优化。

(3)关于早到损失、迟到惩罚的理解

配送时间是配送方案的重点考虑对象,到达客户点的快慢对物流中心和客户均会造成影响。由于车辆较早到达会造成资金损失,车辆在规定时间以后到达会降低客户对此

物流中心的满意程度。于是针对此关键问题,在基本时间约束的条件下,引入客户满意度函数,综合考虑车辆早到以及迟到所造成的影响,得到最佳方案。 (4) 顾客数量较大的理解

顾客数量较大会对方案造成一定的影响,数量的增加可能导致时间约束的改变。数量的增加对时间的要求更为严重,所以此情况应该考虑适当的算法降低时间复杂度,减少计算的精度,增加计算的速度,从而得到顾客数量较大情况下的优化模型。

三 模型假设

[1] 假设货车在接到任务安排后,同时出发,将货物送至各客户点。 [2] 假设不考虑货运途中突发情况及红绿灯等待时间。 [3] 假设物流中心车辆足够,不会出现运输车辆不足的情况。 [4] 假设同一客户点只需要一辆运货车辆进行物资运送。 [5] 假设物流中心所指派的车辆均只运行一次(及一个回路)。

四 模型说明

五 数据预处理

5.1 建立各段最小运输时间模型

根据题目中所给数据(表2),根据任意两点之间的距离,绘制出任意两点间的网络赋权图。并建立距离的邻接矩阵,形如:

()

ij n n

A a ?= (1)

其中

ij

a 表示:从i 个客户点到第j 个客户点的距离。

然后,由关键问题分析,明确任意两点之间的距离并不是任意两点之间的最小路径。 下面就任意两点之间的最短距离进行求解:

算法选择:

其中Floyd 算法又称为弗洛伊德算法[2],插点法,是一种用于寻找给定的加权图中顶点间最短路径的算法。要找到各段之间的最小运输时间,可以利用最短路径进行等效转换。对于最短路径的求解,采用Floyd 算法较为简单、方便。 算法步骤:

step 1:从任意一条单边路径开始。所有两点之间的距离是边的权,如果两点之间没有边相连,则权为无穷大。

step 2:对于每一对顶点u 和v ,看看是否存在一个顶点w 使得从u 到w 再到v 比已知的路径更短。如果是更新它。

step 3:将求解得到的任意两点之间的最短路径写入表格,得出结论。 算法结果:

利用Matlab 软件(见附件1),求解出任意两点之间的最短路径(见表1):

并将上述结果,通过矩阵进行表示,可写作:

()

ij n n

D d ?= (2)

那么,根据物流中心派发货运车队的车辆的平均速度可以求解到:从第i 客户点到达第j 客户点的最短时间:

ij ij d t v

=

(3)

根据任意两点之间运输的最短时间,可以得到关于运输过程最短时间的矩阵,形如:

()

ij n n

T t ?= (4)

将矩阵用表格的形式表示出来,可写作(见表2):

表2.运输过程中各点之间行驶的最小时间(单位:小时)

六 模型建立与求解

6.3 运行里程最短的优化模型(问题一) 6.1.1

多旅行商(MTSP )问题

旅行商问题(traveling salesman problem,TSP ):是一个典型的组合优化难题,它在许多领域都有着广泛的应用,已被证明属于NP 问题。所谓TSP 是指有N 个城市,要求旅行商到达每个城市各一次,且仅一次,并回到起点,且要求旅行路线最短。

多旅行商问题(multiple traveling salesman problem ,MTSP )[3]:是指M 个旅行商从同一个城市(或不同城市)出发,分别走一条旅行路线,使得每个城市有且仅有一个旅行商经过(出发城市除外),且总路程最短。

有关TSP 的研究在现实问题中有很大的使用价值,诸如交通运输、管道铺设、路线的选择、计算机网络的拓扑设计、邮递员送信等,都可抽象成TSP 或MTSP 。 6.1.2

多旅行商问题选择理由

解决此类组合优化问题并不容易,再得到物资配送任务之后,物流中心会派出公司的车辆分别对不同地点客户进行送货。那么,物流公司将指派一定数量的车(从客户所需求的货物总量与每辆车载重量进行比较,可以确定指派车辆不止一辆),可以看作多旅行商问题中的旅行商。

而根据数据预处理阶段所做工作,将要求问题等效转换为每个客户点有且仅有一辆指派车辆经过,且所消耗时间最短,此为一组组合优化问题,故求解问题选择使用多旅行商问题。 6.1.3

物资配送过程时间最短的优化模型建立

1. 决策变量

定义车辆k 是否从第i 个客户点到第j 个客户点为:

{

1,0,ijk k i j x k i j =车辆要从第个客户点到达第个客户点车辆不从第个客户点到达第个客户点

(5)

并且,定义车辆k 是否对第i 个客户点进行送货:

{

0ki k i y k i =1,车辆为第个客户点送货,车辆不对第个客户点送货

(6)

2. 目标函数

根据题目要求,需要通过设计一个较为优化的方案,使得配送中心的配送费用最小或总运行里程最短。问题一意在追求总运行里程最短。那么,在公司所使用的运输货车的平均速度相等的情况,考虑行驶里程最小转化为花费时间最短:

1

00

min ()m n n

ij ijk k i j z t x ====∑∑∑

(7)

其中,z 表示:公司指派的m 辆车,运输货物到指定地点的时间消耗。 3. 约束条件

从运输的一次性考虑,每个客户点只需要有物流中心的配送车辆运送货物一次即可,而从物流中心发出的车辆的总和应该为m :

{

1

011,2,

,m

ki

k m i y

i n

====∑,, (8)

任意一个送货点有且仅有一个起点和终点与之相连,形如:

000,1,,;1,2,,)

0,1,

,;1,2,

,)

n

ijk

kj i n

ijk

ki j x y j n k m x

y i n k m ========∑∑,(,(

(9)

第k 辆车运送给客户货物的总量不应该超过该车载重总量,即是:

1

=1,2,,)n

i ki

i q y

Q k m =≤∑,( (10)

当然,客户对货物接收的时间有较强的要求,需要在一定时间范围将货物送达。现定义:第i 个客户点配送终止时间(从物流中心到该点时间与在该点卸货时间的总和)e i ,以及在客户j 处的起始时间w j ,若存在x ijk =1,则有:

,(,0,1,2,,)[,]

i ij j j j j j j j e t w w s e i j n w a b ?+=?

+==??

∈? (11)

H 是支路消去约束[5]消去构成不完整路线的解,应该满足:

()ijk x H ∈

(12)

综上所述建立优化模型为:

{

1

00

1001

min ()

()0

11,2,,0,1,,;1,2,

,)

..0,1,,;1,2,

,)

=1,2,,)

,0,1,2,,,0m n n

ij ijk k i j ijk m

ki k n

ijk kj

i n ijk ki j n

i ki i i ij j j

j j z t x x H m i y i n x y j n k m s t x y i n k m q y Q k m e t w i j n w s e i j ========∈=========≤+==+==∑∑∑∑∑∑∑,,,(,(,(,(),(,1,2,,[,],0,1,2,,j j j n w a b i j n ???????????????∈=??

),()

(13)

6.1.4 物资配送过程时间最短的优化模型求解

6.2 数据一般化最佳方案优化模型(问题二) 6.2.1

模型准备

从物流中心角度进行分析,在得到客户订购的任务后,物流中心将根据客户需求时

间、客户需求数量以及运送点距离等因素对物流中心已有的货运车队进行派遣,属于物资配送车辆调度问题(VRP 问题)。

采用多旅行商问题思路可以解决本小问,文章为追求形式多样性,将采用不同于问题一的思想,对本小问进行模型建立与求解。

由于此题为第三问的基础,考虑客户数量并不会太多。于是假设:每辆车只出发一次且每辆车只到达一个节点。 6.2.2

模型建立

物流服务中心有m 辆相同的车辆,给n 个应急点提供货物。令G =(V ,E)为一无向图,其中{}=0,1,2,,i V v i n =为顶点集,{}

,,,i j i j E v v v v V i j =∈≠为边集。顶点0v 为物

流服务中心,{}12,,,n C v v v =为客户点的集合。以及车辆集{}1,2,,k A g k m ==

1. 决策变量

定义车辆k 是否从第i 个客户点到第j 个客户点为决策变量: {

1,0,ijk k i j x k i j =车辆要从第个客户点到达第个客户点车辆不从第个客户点到达第个客户点

(14)

2. 目标函数

目标一:与问题一类似,首先将行驶过程总花费时间最短定义为目标函数:

1

00

min ()m n n

ij ijk k i j z t x ====∑∑∑

(15)

目标二:另外,由于此问题要考虑所花费的费用最小,需要要求公司所派遣的车辆数目达到最小,即是:

11

min m n

ojk k j x ==∑∑

(16)

将此目标进行转化,可将派遣车辆数目最少等价为车辆所装载货物数量无限接近车辆的在载重。亦是车辆准载量与实际载货量差值综合最小:

1

1

min max(,0)m n n

j ijk k

j i q x Q ==-∑∑∑

(17)

目标三:要让车辆安排合理,需要提高客户对配送过程的满意程度。若设定M 1(M 2)分别表示车辆在期望时间之前(之后)到达,单位时间处以的惩罚值。那么,客户满意程度最大可表示为:

121

1

max(,0)max(,0)n n

j j j j j j M a w M w b ==-+-∑∑

(18)

采用多目标转化为单目标思想对三个目标综合为一个目标:

1

00

1

1

121

1

min ()max(,0)

max(,0)max(,0)

m n n m n n

ij ijk j ijk k i j k

j i n

n

j j j j j j z t x M q x Q M a w M w b ========+-+-+-∑∑∑∑∑∑∑∑ (19)

3. 约束条件

公司派出运货车辆的数目应该不超过公司储备车辆的总数:

11

m n

oij

k j x

m ==≤∑∑ (20)

根据关键问题分析中的结论,将不卸货的节点看作路径的一部分,那么需要满足每个应急点有且仅有一辆车进行访问。即是:

1111

11m n

ijk

j k j m

n

ijk

i k i x

v c

x

v c

=====?∈=?∈∑∑∑∑,,

(21)

现认为客户数量并不太多,考虑每辆车只出发一次,则有:

11

11n

ojk

j n

oik

i x

k A

x

k A

===?∈=?∈∑∑,,

(22)

当然,从物流中心出发的车辆必须保证最后能够回到物流中心,于是,需要满足:

11

11

0m n

m n

ojk

iok k j k i x

x k A ====-=?∈∑∑∑∑,

(23)

接着,还需要保证第i 个客户点的需求量不超过车辆的载重量:

11m

n i ijk k j q x Q ==??

≤ ???

∑∑ (24)

跟问题一类似,还是需要有时间的约束以及第k 辆车载重量不能超过准重量,即是

满足问题一中(11)、(12)式。

最后,还需要满足整数约束,也就是:

(0,1),,)ijk i j x v v V k A ∈?∈?∈,(

(25)

综上所述,建立问题二的数据一般化最佳方案优化模型:

100

11

121

1

1111111

1min ()max(,0)

max(,0)max(,0)

1111..m

n

n

m n

n

ij ijk j ijk k i j k

j i n n

j j j j j j m n

oij k j m n

ijk j

k j m n

ijk i k i n

ojk j n

oik i ojk j z t x M q x Q M a w M w b x m x v c

x v c x k A

x k A s t x ================+-+-+-≤=?∈=?∈=?∈=?∈∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑,,,,1111

1110=1,2,,),0,1,2,,,0,1,2,,[,],0,1,2,,(0,1),,)

m n m n

iok k k i m n i ijk k j n i ki i i ij

j j j j j j j ijk i j x k A q x Q q y Q k m e t w i j n w s e i j n w a b i j n x v v V k A =======?

??????????????-=?∈????≤? ????≤+==+==∈=∈?∈?∈?∑∑∑∑∑∑∑,,(,(),(),(),(?

?????? (26)

6.2.3

模型求解

针对此类多旅行商问题的求解过程是相当复杂的,被认为是NP问题。而选择算法也是相对困难的。遗传算法是:模拟生物在自然环境下的遗传和进化过程而形成的一种自适应全局优化的概率搜索算法,是解决此类问题的必要选择。

1.遗传算法设计

(1)遗传算法思想

遗传算法[4~6]的基本思想是将求解问题的一些可行解进行编码,这些已编码的解即被当作群体中的个体(染色体);个体对环境适应能力的评价函数就是问题的目标函数;模拟遗传学中的变异、复制来设计遗传算子,用优胜劣汰的自然选择法则来指导学习和确定搜索方向。对由个体组成的群体进行演化来产生具有更高平均适应值和更好个体的群体,经过若干代后,选出适应能力最好的个体,它就是问题的最优解或近似最优解。

(2)算法步骤

Step1:在一定编码方案下,随机产生一个初始种群;

Step2:用相应的解码方法,将编码后的个体转化成问题空间的决策变量,并求得个体的适应值。

Step3:按照个体适应性的大小,从种群中选出适应值较大的一些个体构成交配池。

Step4:由交叉和变异这两个遗传算子对交配池中的个体进行操作,并形成新一代种群。

Step5:反复执行步骤2~4,直至满足收敛判据为止。

(3)算法实现

6.3客户数量较多情况下建立分区运输优化模型(问题三)

由于问题实际化可能发生客户数量较多的情况,根据模型一、二方法求解可能导致物流中心周转降低的情况。就这情况而言,可以考虑将客户点进行分区处理,由一辆货车运送一个区域。

分区原理:采用四叉树栅格索引的方法,选取地理上相对集中的客户点,构造候选区位;使候选区位内各客户点的需求量综合接近车辆的运送能力,对候选区位进行优化并确定结果分区。分区方法(见图5)。

由分区标准分区

图5.客户数量较多情况下的分区模拟图

分区运输优化模型:此优化模型将距离物流中心最近的客户点作为重点考虑对象,于是规定0—1决策变量为:

1=0i i r ??

?,第区中距离物流中心最近的客户点

,否则

(27)

与此同时,将第j 个结点是否被分配到第i 个区域也设定为决策变量:

10ij j i h ?=?

?,第个节点在第个区域中

,否则

(28)

分区后要追求的目标是:所有区域货车行驶的里程总和达到最小,也就是:

min i i ij ij i

i

j

rd h l +∑∑∑

(29)

其中,i d 表示:本区域中距离物流中心最近的客户点到物流中心的距离;ij l

表示:节点j 到本分区距离物流中心最近的客户点的距离。

当然,根据分区原理,文中设定将一辆车指派到一个区域进行货物运输。那么,每一分区的需求总量均不超过运输容量:

ij i j

h q Q ≤∑

(30)

另外,任意客户点j 都只能被选中一次,且只属于一个区域:

1ij

i

h

=∑ (31)

而且,分区i 和结点j 之间还应满足关系:

ij i h r ≤

(32)

根据分区原理,建立关于分区的优化模型,如:

min 1..(0,10,1)

i i ij ij

i

i

j

ij i j ij i

ij i i ij rd h l h q Q h s t h r g h +?≤??

=???≤??==?∑∑∑∑∑; (33)

分区后,确定巡回路径:在不同的分区中,采用TSP 问题的解决算法在各分区确定

巡回路线;对求得解进行适度性优化。

根据TSP 问题准则,以及模型一、二的确立可以建立分区后巡回路径的优化模型,形如:

()1200

1

1

00min max(,0)max(,0)

0,110,1,,()..10,1,,[,],1,2,,n n n n

ij ij j j j j i j j j ij n

ij

j ij n

ij

i i ij j j j j

j

j j t x M a w M w b x x i n

x H s t x j n

e t w w s e w a b i j n

======+-+-=???==??

∈???==??

+=+=??∈=?∑∑∑∑∑∑,,,, (34)

6.3.1 分区优化模型求解

分区算法选择理由:旅行商问题是一个NP 难题,其时间复杂度为(!)O n 。而遗传算法的时间复杂度为^2()O n (n 为城市的个数)。当客户数量(n )相当大时,时间复杂

度增加较多。文章采用四叉树的方法进行分区处理,将物资配送作为空间点线关系进行处理,具有简洁快速的技术优势,大大降低了计算过程的时间复杂度。

分区过程的算法思想及步骤:四叉树将地理空间进行不断四等分,成22k k ?的网格。

Step1:高斯平面坐标系建立0,0(,)k k k v x y ???

物流中心——原点()客户点——相对坐标

Step2:四叉树的生成1212max(,,,)

max(,,,)

x n y n L x x x L y y y ?=??=??,检索客户点中,k k x y 最大的绝对值。

作为建立四叉树的最大网格边长。

Step3:确定候选分区:(分区基准:四叉树网格包含的客户点需求总量等于或接近车辆载重)选择距离供给点最远端的四叉树网格,延逆时针方向进行网格中需求点的扩充。扩充条件:如果本网格的总需求量等于车辆载重,则不进行扩充;小于,则延逆时针方向以最近原则选择相邻一定等级的网格内的需求点扩充,使得配送区位的总需求量等于或接近车辆载重。所选择的需求点从原从属网格中剔除,将无需求点的网格剔除,形成非四叉树形式的配送区位。

Step4:重复Step3使每个需求点仅一次被选入一个配送区位。

Step5:将以上操作确定的配送区位代入分区配送的数学模型中,进行目标函数求解。如果求解值小于原目标函数求解值,则该配送区位设定为新的候选区位。循环上述操作,经过限定次数计算,进行配送区位优化。

七 模型检验

7.1 模型结果合理性检验

检验模型计算结果的合理性,即,检验模型结果是否符合常识。

[1]. 一般情况下,TSP 问题总运行时间高于mTSP 问题总运行时间;但耗费的成本则不同,TSP 问题的运行成本较低于mTSP 问题。对于模型一,本文通过建立利用改进

的递阶遗传算法,求得。通过比较:计算得到的结果比较符合实际,即,本文建立的模型一和使用的方法是合理的。

[2].问题二则是多目标多旅行商问题,通过将多目标转化为单目标,运用模型一中的数据,同样利用改进的递阶遗传算法,求得。通过分析发现,结果影响不大,比较符合实际。说明模型二的建立是合理的。

[3].模型三旨在降低运算的时间复杂度,本文利用四叉树的方法,将多个客户点进行分区,转化为典型的TSP问题,再用改进的递阶遗传算法进行求解,大大的降低了时间复杂度。说明了模型三的合理性。

八模型评价

8.1优点

[1]条理清晰,模型明显,对于产生较大数据的结构,进行以表格的方式描述。并将阐述不清之处以图形绘制的方法将模型建立过程以及建立方法简单明了的向论文读者加以汇报。

[2]文章总体采用步步递进、层层深入的思想,将问题有效的结合,并以问题一为基础依次对问题二、问题三求解减少了问题的时间复杂度。

[3]在数据预处理阶段,对问题所给两点之间距离进行分析,并利用Floyd算法简单的求解出任意两点间的最短路径及最短时间。

[4]针对问题一的求解,将问题转化为多旅行商问题,并利用遗传算法和计算机仿真技术对其求解,有效的减少了问题的时间复杂度。

[5]在考虑客户数量较多的情况,为减轻计算量,简单理解法,采用分区计算的方法合理的减少了问题的计算复杂度。

8.2缺点

[1]针对此问题,进行了较多的简化和假设,可能导致最终求解结果并不精确。

[2]对于大规模的旅行商问题,启发式算法和遗传算法不能求得精确解,从而导致求得的解为近似解。

九参考文献

[1]智库百科,物资配送概念及特点,2013年9月7日.

[2]维基百科,floyd算法及步骤,2013年9月7日.

[3]余庆生等,多旅行商问题研究综述,价值工程,166,03,2012年.

[4]任杰等,基于遗传算法的城市应急物资配送车辆调度问题研究[J],军事交通学院学报,13卷9

期:2011年.

[5]周辉仁等,基于递阶遗传算法的一类多旅行商问题优化[J],系统工程与电子技术,31卷11期:

2009年.

[6]李宗勇等,基于遗传算法的配送优化算法设计与实现[J],解放军理工大学学报,7卷1期:2006

年.

[7]霍亮等,一种城市物流分区配送方案的研究[J],实用物流技术,126,03,2003年.

附录附件1:

数学建模-铺路问题的最优化模型

铺路问题的最优化模型 摘要 本文采用了两种方法,一种是非线性规划从而得出最优解,另一种是将连续问题离散化利用计算机穷举取最优的方法。 根据A地与B地之间的不同地质有不同造价的特点,建立了非线性规划模型和穷举取最优解的模型,解决了管线铺设路线花费最小的难题。 问题一:在本问题中,我们首先利用非线性规划模型求解,我们用迭代法求出极小值(用Matlab实现),计算结果为总费用最小为748.6244万元,管线在各土层中在东西方向上的投影长度分别为15.6786km,3.1827 km,2.1839 km,5.8887km,13.0661km。然后,我们又用穷举法另外建立了一个模型,采用C语言实现,所得最优解为最小花费为748.625602万元,管线在各土层中在东西方向上的投影长度分别为15.70km,3.20km,2.20km,5.90km,13.00km。 问题二:本问题加进了一个非线性的约束条件来使转弯处的角度至少为160度,模型二也是如此。非线性规划模型所得计算结果为最小花费为750.6084万元,管线在各土层中在东西方向上的投影长度分别为14.4566km,4.3591km,2.5984km,6.5387km,12.0472km。遍历模型所得最优解为最小花费为750.821154万元,管线在各土层中在东西方向上的投影长度分别为14.10km,4.30km, 2.70km,6.70km,12.20km。 问题三:因为管线一定要经过一确定点P,我们将整个区域依据P点位置分成两部分,即以A点正东30km处为界,将沙土层分成两部分。非线性规划模型最小花费为752.6432万元,管线在各土层中在东西方向上的投影长度分别为21.2613km,3.3459km,2.2639km,3.1288km,2.4102km,7.5898km。遍历模型最小花费为752.649007万元,管线在各土层中在东西方向上的投影长度分别为21.30km,3.30km,2.30km,3.10km,2.40km,7.60km。 关键词:非线性规划逐点遍历穷举法

数学建模路线优化问题

选路的优化模型 摘要: 本题是一个有深刻背景的NPC问题,文章分析了分组回路的拓扑结构,并构造了多个模型,从多个侧面对具体问题进行求解。最短树结构模型给出了局部寻优的准则算法模型体现了由简到繁,确保较优的思想而三个层次分明的表述模型证明了这一类问题共有的性质。在此基础上我们的结果也是比较令人满意的。如对第一题给出了总长为599.9,单项长为216的分组,第二题给出了至少分四组的证明。最后,我们还谈到了模型的优缺点及推广思想。 一、问题描述 “水大无情,人命关天”为考察灾情,县领导决定派人及早将各乡(镇),村巡视一遍。巡视路线为从县政府所在地出发,走遍各乡(镇),村又回到县政府所在地的路线。 1.若分三组巡视,试设计总路程最短且各组尽可能均衡的巡视路线。 2.假定巡视人员在各乡(镇)停留时间为T=2小时,在各村停留时间为t =1 小时, 汽车行驶速度为V=35公里/时,要在24小时内巡视完,至少分成几组;给出这 种分组下你认为最佳的巡视路线。 3.上述关于T,t和V的假定下,如果巡视人员足够多,完成巡视的最短时间是多 少?给出在这种最短时间完成巡视的要求下,你认为最佳的巡视路线。 4.巡视组数已定(如三组)要求尽快完成巡视,讨论T,t和V改变时最佳路线的 影响(图见附录)。 二、问题假设 1、乡(镇)村只考察一次,多次经过时只计算一次停留时间。 2、非本县村不限制通过。 3、汽车的行驶速度始终一致。 三、符号说明 第i 人走的回路Ti=vv i(i) v2(i)v n(i) Ti=00表示第i人在0点没移动 四、模型建立

在这一节里,我们将提出若干个模型及其特点分析,不涉及对题目的求解。 最简树结构模型 在这个模型中我们依靠利用最短树的特殊结构所给出的准则,进行局部寻优,在一个不大的图里,我们较易得到较优解。 (a)分片 准则1利用最短树的长度可大致的估算出路程长,在具体操作中,各片中 的最短路程长度不宜相差太大。 准则 2 尽可能将最短树连成一个回路,这可保证局部上路程是较短的。 (b)片内调整 a2 a3 a4 a5 a6假设a3 a4有路相连 细准1对于右图的最短树结构,最好的走法是a 若a3 a4 进去重复走的话,它与上述的走法路程差w(a3, a2)+w(a2 ,a5)+w(a4, a5)—w(a3, a4)。由两点间最小原则上式是大于0的优劣可见 细准2若有如图所示结构,一般思想是:将中间树枝上的点串到两旁树枝,以便连成回路。 五、模型求解 问题一该问题完全可以用均衡模型表述 用算法模型 1 经过局部优化手工多次比较我们能够给出的最佳结果为第一组路径为 0—P—28—27—26—N—24—23—22-17—16—1—15—1—18—K—21—20—25— M--0 长191.1 经5 镇6 村 第二组路径为 0—2—5—6—L—19—J—11--G—13—14—H—12—F—10—F—9—E—8—E—7—6—5—2—0 长216.5 经6 镇11 村第三组路径为O—2—3—D—4—D—3—C—B—1—A—34—35—33—31—32—30—Q—29 —R 长192.3 经6 镇11 村总长S=599.9 公里 由算法2 给出的为 1组0—P—29—R—31—33—A—34—35—32—30—Q—28—27—26—N—24—33—22—23—N—2 6—P—0 5 乡13 村长215.2 公里 2组0—M—25—21—K—17—16—I—15—I—18—K—21—25—20—L—19—J—11—G—13—14 —O 5 乡11 村长256.2 公里 3组 O—2—5—6—7—E—9--F—12--H--—12—F—10—F—9—E-8—4—0—7—6—M—5-2—3—L —13—1—0 8 乡11 村长256.3 公里 总长727.7 公里

数学建模中常见的十大模型

数学建模常用的十大算法==转 (2011-07-24 16:13:14) 转载▼ 1. 蒙特卡罗算法。该算法又称随机性模拟算法,是通过计算机仿真来解决问题的算法,同时可以通过模拟来检验自己模型的正确性,几乎是比赛时必用的方法。 2. 数据拟合、参数估计、插值等数据处理算法。比赛中通常会遇到大量的数据需要处理,而处理数据的关键就在于这些算法,通常使用MA TLAB 作为工具。 3. 线性规划、整数规划、多元规划、二次规划等规划类算法。建模竞赛大多数问题属于最优化问题,很多时候这些问题可以用数学规划算法来描述,通常使用Lindo、Lingo 软件求解。 4. 图论算法。这类算法可以分为很多种,包括最短路、网络流、二分图等算法,涉及到图论的问题可以用这些方法解决,需要认真准备。 5. 动态规划、回溯搜索、分治算法、分支定界等计算机算法。这些算法是算法设计中比较常用的方法,竞赛中很多场合会用到。 6. 最优化理论的三大非经典算法:模拟退火算法、神经网络算法、遗传算法。这些问题是用来解决一些较困难的最优化问题的,对于有些问题非常有帮助,但是算法的实现比较困难,需慎重使用。 7. 网格算法和穷举法。两者都是暴力搜索最优点的算法,在很多竞赛题中有应用,当重点讨论模型本身而轻视算法的时候,可以使用这种暴力方案,最好使用一些高级语言作为编程工具。 8. 一些连续数据离散化方法。很多问题都是实际来的,数据可以是连续的,而计算机只能处理离散的数据,因此将其离散化后进行差分代替微分、求和代替积分等思想是非常重要的。 9. 数值分析算法。如果在比赛中采用高级语言进行编程的话,那些数值分析中常用的算法比如方程组求解、矩阵运算、函数积分等算法就需要额外编写库函数进行调用。 10. 图象处理算法。赛题中有一类问题与图形有关,即使问题与图形无关,论文中也会需要图片来说明问题,这些图形如何展示以及如何处理就是需要解决的问题,通常使用MA TLAB 进行处理。 以下将结合历年的竞赛题,对这十类算法进行详细地说明。 以下将结合历年的竞赛题,对这十类算法进行详细地说明。 2 十类算法的详细说明 2.1 蒙特卡罗算法 大多数建模赛题中都离不开计算机仿真,随机性模拟是非常常见的算法之一。 举个例子就是97 年的A 题,每个零件都有自己的标定值,也都有自己的容差等级,而求解最优的组合方案将要面对着的是一个极其复杂的公式和108 种容差选取方案,根本不可能去求解析解,那如何去找到最优的方案呢?随机性模拟搜索最优方案就是其中的一种方法,在每个零件可行的区间中按照正态分布随机的选取一个标定值和选取一个容差值作为一种方案,然后通过蒙特卡罗算法仿真出大量的方案,从中选取一个最佳的。另一个例子就是去年的彩票第二问,要求设计一种更好的方案,首先方案的优劣取决于很多复杂的因素,同样不可能刻画出一个模型进行求解,只能靠随机仿真模拟。 2.2 数据拟合、参数估计、插值等算法 数据拟合在很多赛题中有应用,与图形处理有关的问题很多与拟合有关系,一个例子就是98 年美国赛A 题,生物组织切片的三维插值处理,94 年A 题逢山开路,山体海拔高度的插值计算,还有吵的沸沸扬扬可能会考的“非典”问题也要用到数据拟合算法,观察数据的

数学建模优化问题经典练习

1、高压容器公司制造小、中、大三种尺寸的金属容器,所用资源为金属板、劳 万元,可使用的金属板有500t,劳动力有300人/月,机器有100台/月,此外,不管每种容器制造的数量是多少,都要支付一笔固定的费用:小号为100万元,中号为150万元,大号为200万元,现在要制定一个生产计划,使获得的利润为最大, max=4*x1+5*x2+6*x3-100*y1-150*y2-200*y3; 2*x1+4*x2+8*x3<=500; 2*x1+3*x2+4*x3<=300; 1*x1+2*x2+3*x3<=100; @bin(y1); @bin(y2); @bin(y3); y1+y2+y3>=1; Global optimal solution found. Objective value: 300.0000 Extended solver steps: 0 Total solver iterations: 0 Variable Value Reduced Cost X1 100.0000 0.000000 X2 0.000000 3.000000 X3 0.000000 6.000000 Y1 1.000000 100.0000 Y2 0.000000 150.0000 Y3 0.000000 200.0000 Row Slack or Surplus Dual Price 1 300.0000 1.000000 2 300.0000 0.000000 3 100.0000 0.000000 4 0.000000 4.000000 5 0.000000 0.000000

数学建模面试最优化问题

C题面试时间问题 有4名同学到一家公司参加三个阶段的面试:公司要求每个同学都必须首先找公司秘书初试,然后到部门主管处复试,最后到经理处参加面试,并且不允许插队(即在任何一个阶段4名同学的顺序是一样的)。由于4名同学的专业背景不同,所以每人在三个阶段的面试时间也不同,如下表所示(单位:分钟): 这4名同学约定他们全部面试完以后一起离开公司.假定现在时间是早晨8:00问他们最早何时能离开公司? 面试时间最优化问题 摘要: 面试者各自的学历、专业背景等因素的差异,每个面试者在每个阶段的面试时间有所不同,这样就造成了按某种顺序进入各面试阶段时不能紧邻顺序完成,即当面试正式开始后,在某个面试阶段,某个面试者会因为前面的面试者所需时间长而等待,也可能会因为自己所需时间短而提前完成。因此本问题实质上是求面试时间总和的最小值问题,其中一个面试时间总和就是指在一个确定面试顺序下所有面试者按序完成面试所花费的时间之和,这样的面试时间总和的所有可能情况则取决于n 位面试者的面试顺序的所有排列数 根据列出来的时间矩阵,然后列出单个学生面试时间先后次序的约束和学生间的面试先后次序保持不变的约束,并将非线性的优化问题转换成线性优化目标,最后利用优化软件lingo变成求解。 关键词:排列排序0-1非线性规划模型线性优化 (1)

(一)问题的提出 根据题意,本文应解决的问题有: 1、这4名同学约定他们全部面试完以后一起离开公司。假定现在的时间是早晨8:00,求他们最早离开公司的时间; 2、试着给出此类问题的一般描述,并试着分析问题的一般解法。 (二)问题的分析 问题的约束条件主要有两个:一是每个面试者必须完成前一阶段的面试才能进入下一阶段的面试(同一个面试者的阶段次序或时间先后次序约束),二是每个阶段同一时间只能有一位面试者(不同面试者在同一个面试阶段只能逐一进行)。 对于任意两名求职者P、Q,不妨设按P在前,Q在后的顺序进行面试,可能存在以下两情况: (一)、当P进行完一个阶段j的面试后,Q还未完成前一阶段j-1的面试,所以j阶段的考官必须等待Q完成j-1阶段的面试后,才可对Q进行j阶段的面试,这样就出现了考官等待求职者的情况。这一段等待时间必将延长最终的总时间。 (二)、当Q完成j-1的面试后,P还未完成j阶段的面试,所以,Q必须等待P完成j阶段的面试后,才能进入j阶段的面试,这样就出现了求职者等待求职者的情况。同样的,这个也会延长面试的总时间。 以上两种情况,必然都会延长整个面试过程。所以要想使四个求职者能一起最早离开公司,即他们所用的面试时间最短,只要使考官等候求职者的时间和求职者等候求职者的时间之和最短,这样就使求职者和考官的时间利用率达到了最高。他们就能以最短的时间完成面试一起离开公司。这也是我们想要的结果。 (三)模型的假设 1.我们假设参加面试的求职者都是平等且独立的,即他们面试的顺序与考官无关; 2.面试者由一个阶段到下一个阶段参加面试,其间必有时间间隔,但我们在这里假定该时间间隔为0; 3.参加面试的求职者事先没有约定他们面试的先后顺序; 4.假定中途任何一位参加面试者均能通过面试,进入下一阶段的面试。即:没有中途退出面试者; 5.面试者及各考官都能在8:00准时到达面试地点。 (四)名词及符号约束 1. aij (i=1,2,3,4;j=1,2,3)为求职者i在j阶段参加面试所需的时间 甲乙丙丁分别对应序号i=1,2,3,4 2.xij (i=1,2,3,4;j=1,2,3) 表示第i名同学参加j阶段面试的开始时间(不妨把早上8:00记为面试的0时刻) (2)

数学建模 四大模型总结

四类基本模型 1 优化模型 1.1 数学规划模型 线性规划、整数线性规划、非线性规划、多目标规划、动态规划。 1.2 微分方程组模型 阻滞增长模型、SARS 传播模型。 1.3 图论与网络优化问题 最短路径问题、网络最大流问题、最小费用最大流问题、最小生成树问题(MST)、旅行商问题(TSP)、图的着色问题。 1.4 概率模型 决策模型、随机存储模型、随机人口模型、报童问题、Markov 链模型。 1.5 组合优化经典问题 ● 多维背包问题(MKP) 背包问题:n 个物品,对物品i ,体积为i w ,背包容量为W 。如何将尽可能多的物品装入背包。 多维背包问题:n 个物品,对物品i ,价值为i p ,体积为i w ,背包容量为W 。如何选取物品装入背包,是背包中物品的总价值最大。 多维背包问题在实际中的应用有:资源分配、货物装载和存储分配等问题。该问题属于NP 难问题。 ● 二维指派问题(QAP) 工作指派问题:n 个工作可以由n 个工人分别完成。工人i 完成工作j 的时间为ij d 。如何安排使总工作时间最小。 二维指派问题(常以机器布局问题为例):n 台机器要布置在n 个地方,机器i 与k 之间的物流量为ik f ,位置j 与l 之间的距离为jl d ,如何布置使费用最小。 二维指派问题在实际中的应用有:校园建筑物的布局、医院科室的安排、成组技术中加工中心的组成问题等。 ● 旅行商问题(TSP) 旅行商问题:有n 个城市,城市i 与j 之间的距离为ij d ,找一条经过n 个城市的巡回(每个城市经过且只经过一次,最后回到出发点),使得总路程最小。 ● 车辆路径问题(VRP) 车辆路径问题(也称车辆计划):已知n 个客户的位置坐标和货物需求,在

数学建模课程设计——优化问题

在手机普遍流行的今天,建设基站的问题分析对于运营商来说很有必要。本文针对现有的条件和题目的要求进行讨论。在建设此模型中,核心运用到了0-1整数规划模型,且运用lingo 软件求解。 对于问题一: 我们引入0-1变量,建立目标函数:覆盖人口最大数=所有被覆盖的社区人口之和,即max=15 1j j j p y =∑,根据题目要求建立约束条件,并用数学软件LINGO 对其模型求解,得到最优解。 对于问题二: 同样运用0-1整数规划模型,建立目标函数时,此处假设每个用户的正常资费相同,所以68%可以用减少人口来求最优值,故问题二的目标函数为:max=∑=15 1j j j k p 上述模型得到最优解结果如下: 关键字:基站; 0-1整数规划;lingo 软件

1 问题的重述.........................3 2 问题的分析.........................4 3 模型的假设与符号的说明...................5 3.1模型的假设...................... 5 3.2符号的说明...................... 5 4 模型的建立及求解...................... 5 4.1模型的建立...................... 5 4.2 模型的求解...................... 6 5 模型结果的分析.......................7 6 优化方向..........................7 7 参考文献..........................8 8、附录........................... 9

数学建模实验答案_简单的优化模型

实验03 简单的优化模型(2学时) (第3章简单的优化模型) 1. 生猪的出售时机p63~65 目标函数(生猪出售纯利润,元): Q(t) = ( 8 – g t )( 80 + rt ) – 4t–640 其中,t≥0为第几天出售,g为每天价格降低值(常数,元/公斤),r为每天生猪体重增加值(常数,公斤)。 求t使Q(t)最大。 1.1(求解)模型求解p63 (1) 图解法 绘制目标函数 Q(t) = ( 8 – g t )( 80 + rt ) – 4t–640 的图形(0 ≤t≤ 20)。其中,g=0.1, r=2。 从图形上可看出曲线Q(t)的最大值。 (2) 代数法 对目标函数 Q(t) = ( 8 – g t )( 80 + rt ) – 4t–640 用MATLAB求t使Q(t)最大。其中,r, g是待定参数。(先对Q(t)进行符号函数求导,对导函数进行符号代数方程求解) 然后将代入g=0.1, r=2,计算最大值时的t和Q(t)。 要求: ①编写程序绘制题(1)图形。

②编程求解题(2). ③对照教材p63相关内容。 相关的MATLAB函数见提示。 ★要求①的程序和运行结果:程序: 图形: ★要求②的程序和运行结果:程序:

运行结果: 1.2(编程)模型解的的敏感性分析p63~64 对1.1中(2)所求得的符号表达式t(r,g),分别对g和r进行敏感性分析。 (1) 取g=0.1,对t(r)在r=1.5:0.1:3上求r与t的关系数据,绘制r与t的关系图形(见教材p65)。 (2) 取r=2,对t(g)在g=0.06:0.01:0.15上求g与t的关系数据,绘制g与t 的关系图形(见教材p65)。 要求:分别编写(1)和(2)的程序,调试运行。 ★给出(1)的程序及运行结果: 程序:

数学建模中常见的十大模型

数学建模中常见的十大 模型 Document serial number【KKGB-LBS98YT-BS8CB-BSUT-BST108】

数学建模常用的十大算法==转 (2011-07-24 16:13:14) 1. 蒙特卡罗算法。该算法又称随机性模拟算法,是通过计算机仿真来解决问题的算法,同时可以通过模拟来检验自己模型的正确性,几乎是比赛时必用的方法。 2. 数据拟合、参数估计、插值等数据处理算法。比赛中通常会遇到大量的数据需要处理,而处理数据的关键就在于这些算法,通常使用MATLAB 作为工具。 3. 线性规划、整数规划、多元规划、二次规划等规划类算法。建模竞赛大多数问题属于最优化问题,很多时候这些问题可以用数学规划算法来描述,通常使用Lindo、Lingo 软件求解。 4. 图论算法。这类算法可以分为很多种,包括最短路、网络流、二分图等算法,涉及到图论的问题可以用这些方法解决,需要认真准备。 5. 动态规划、回溯搜索、分治算法、分支定界等计算机算法。这些算法是算法设计中比较常用的方法,竞赛中很多场合会用到。 6. 最优化理论的三大非经典算法:模拟退火算法、神经网络算法、遗传算法。这些问题是用来解决一些较困难的最优化问题的,对于有些问题非常有帮助,但是算法的实现比较困难,需慎重使用。 7. 网格算法和穷举法。两者都是暴力搜索最优点的算法,在很多竞赛题中有应用,当重点讨论模型本身而轻视算法的时候,可以使用这种暴力方案,最好使用一些高级语言作为编程工具。

8. 一些连续数据离散化方法。很多问题都是实际来的,数据可以是连续的,而计算机只能处理离散的数据,因此将其离散化后进行差分代替微分、求和代替积分等思想是非常重要的。 9. 数值分析算法。如果在比赛中采用高级语言进行编程的话,那些数值分析中常用的算法比如方程组求解、矩阵运算、函数积分等算法就需要额外编写库函数进行调用。 10. 图象处理算法。赛题中有一类问题与图形有关,即使问题与图形无关,论文中也会需要图片来说明问题,这些图形如何展示以及如何处理就是需要解决的问题,通常使用MATLAB 进行处理。 以下将结合历年的竞赛题,对这十类算法进行详细地说明。 以下将结合历年的竞赛题,对这十类算法进行详细地说明。 2 十类算法的详细说明 蒙特卡罗算法 大多数建模赛题中都离不开计算机仿真,随机性模拟是非常常见的算法之一。 举个例子就是97 年的A 题,每个零件都有自己的标定值,也都有自己的容差等级,而求解最优的组合方案将要面对着的是一个极其复杂的公式和108 种容差选取方案,根本不可能去求解析解,那如何去找到最优的方案呢随机性模拟搜索最优方案就是其中的一种方法,在每个零件可行的区间中按照正态分布随机的选取一个标定值和选取一个容差值作为一种方案,然后通过蒙特卡罗算法仿真出大量的方案,从中选取一个最佳的。另一个例子就是去年的彩票第二问,要求设计一种更好的方案,首先方案的优劣取决于很多复杂的因素,同样不可能刻画出一个模型进行求解,只能靠随机仿真模拟。

数学建模-利润最大优化

盈利最大化的产品生产方案 摘 要:本问题是一个优化问题,它解决了大多数企业所面临的在生产设备有限的情况下要实现利润最大化的问题。根据盈利产品生产利润i b *生产数量i x ,我们建立目 标函数3 1i i i Z x b ==∑,又因为i 产品的生产数量i x 又受有限生产设备的限制,所以得到约束 条件:3 1(1,2,3)i ij j i x Y W j =≤=∑。用软件,建立模型求解,我们得到:当生产产品Ⅰ、Ⅱ、 Ⅲ的件数分别为22.5、23.2、7.3时,利润可实现最大化为135.2667千元。 在此基础上,我们做灵敏性分析得到借用设备B 每月60台时是不合算的这一结论;对于问题(3)、(4)可以建立相类似模型,得到对于新产品Ⅳ,Ⅴ的投产在经济上是合算的;当对产品工艺重新进行设计,改进结构,相应的生产产品Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的件数分别为22.8、25.3、0时,利润可实现最大化为153.1618千元;我们对此问题做了引申,当该厂生产的产品Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为汽车、手机等必须以整件计数的产品时,即1x 、2x 、3x 只能取整数,我们在问题一建立的函数模型基础上,加上限制条件,用求解得到了新的生产方案。 问题二回答:对问题一做灵敏性分析:租用设备B 一台时花费是300元,由上面灵敏性分析表可得一个台时的B 设备的影子价格约为267元,也就是说租用B 设备一个台时其能制造的利润为267元。很显然成本高于利润,商家无利可图而且还会造成亏损。 问题五回答:当该厂生产的产品Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为汽车、手机等必须以整件计数的产品时,即1x 、2x 、3x 只能取整数,我们在问题一建立的函数模型基础上,加上限制条件, 关键词:利润最大化;优化问题;生产方案;灵敏性分析 一、问题的提出 知某工厂计划生产Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种产品,各产品需要在A 、B 、C 设备上加工,有

几个优化问题的数学建模

几个优化问题的数学建模 一、一个开放式基金投资问题

6、模型的评价 模型的主要优点是采用较为成熟的数学理论建立模型,利用数学软件计算,可信度比较高,便于推广。主要缺点是建立的模型是确定的而不是更符合实际情况的随机型模型。 二、结合人员分配的生产规划问题 1、问题 某公司要对四种产品(P1,P2,P3,P4)在五条生产线(L1到L5)上的生产进行规划。产品P1和P4的单位纯利润为7元,产品P2的单位纯利润为8元,产品P3的单位纯利润为9元。在规划期内这五条生产线各自可以进行生产的时间长度各不相同。L1到L5的最大可用生产时间分别为4500小时,5000小时,4500小时,1500小时和2500小时。表1列出了在每条生产线上生产每种产品一个单位所需要的时间。 (1)、假设生产是流水线作业,产品P1到P4各应生产多少才能使总利润最大? (2)、如果在生产过程中允许在生产线之间进行人员转移(从而使工时也相应转移),如表2所示,则最大利润是多少?应转移多少个工时,如何转移?

(3)、如果生产不是流水线作业,模型应如何修改? 表1 单位生产时间 表2 可以进行的人员转移 2、假设 (1)每条生产线可生产各种产品; (2)每个生产人员的工作效率相同,且熟练各条生产线的操作,可在各条生产线之间转移。 3、建模 3.1、问题(1) 设每种产品必须经过5条生产线才能生产出来,产品P i 的产量为x i ,单位纯利润为r i ,在生产线L j 上的单位生产时间为d ij 。生产线L j 的可用总工时数为c j ,则可得模型1: max 41 i =∑r i x i s.t. 41 i =∑ d ij x i ≤c j ,j=1,2,3,4,5 x i ≥0,i=1,2,3,4

数学建模常用算法模型

数学模型得分类 按模型得数学方法分: 几何模型、图论模型、微分方程模型、概率模型、最优控制模型、规划论模型、马氏链模型等 按模型得特征分: 静态模型与动态模型,确定性模型与随机模型,离散模型与连续性模型,线性模型与非线性模型等 按模型得应用领域分: 人口模型、交通模型、经济模型、生态模型、资源模型、环境模型等. 按建模得目得分: 预测模型、优化模型、决策模型、控制模型等 一般研究数学建模论文得时候,就是按照建模得目得去分类得,并且就是算法往往也与建模得目得对应 按对模型结构得了解程度分: 有白箱模型、灰箱模型、黑箱模型等 比赛尽量避免使用,黑箱模型、灰箱模型,以及一些主观性模型。 按比赛命题方向分: 国赛一般就是离散模型与连续模型各一个,2016美赛六个题目(离散、连续、运筹学/复杂网络、大数据、环境科学、政策) 数学建模十大算法 1、蒙特卡罗算法 (该算法又称随机性模拟算法,就是通过计算机仿真来解决问题得算法,同时可以通过模拟可以来检验自己模型得正确性,比较好用得算法) 2、数据拟合、参数估计、插值等数据处理算法 (比赛中通常会遇到大量得数据需要处理,而处理数据得关键就在于这些算法,通常使用Matlab作为工具) 3、线性规划、整数规划、多元规划、二次规划等规划类问题 (建模竞赛大多数问题属于最优化问题,很多时候这些问题可以用数学规划算法来描述,通常使用Lindo、Lingo软件实现) 4、图论算法 (这类算法可以分为很多种,包括最短路、网络流、二分图等算法,涉及到图论得问题可以用这些方法解决,需要认真准备)

5、动态规划、回溯搜索、分治算法、分支定界等计算机算法 (这些算法就是算法设计中比较常用得方法,很多场合可以用到竞赛中) 6、最优化理论得三大非经典算法:模拟退火法、神经网络、遗传算法 (这些问题就是用来解决一些较困难得最优化问题得算法,对于有些问题非常有帮助,但就是算法得实现比较困难,需慎重使用) 7、网格算法与穷举法 (当重点讨论模型本身而轻视算法得时候,可以使用这种暴力方案,最好使用一些高级语言作为编程工具) 8、一些连续离散化方法 (很多问题都就是从实际来得,数据可以就是连续得,而计算机只认得就是离散得数据,因此将其离散化后进行差分代替微分、求与代替积分等思想就是非常重要得) 9、数值分析算法 (如果在比赛中采用高级语言进行编程得话,那一些数值分析中常用得算法比如方程组求解、矩阵运算、函数积分等算法就需要额外编写库函数进行调用) 10、图象处理算法 (赛题中有一类问题与图形有关,即使与图形无关,论文中也应该要不乏图片得这些图形如何展示,以及如何处理就就是需要解决得问题,通常使用Matlab进行处理) 算法简介 1、灰色预测模型(必掌握) 解决预测类型题目。由于属于灰箱模型,一般比赛期间不优先使用。 满足两个条件可用: ①数据样本点个数少,6-15个 ②数据呈现指数或曲线得形式 2、微分方程预测(高大上、备用) 微分方程预测就是方程类模型中最常见得一种算法。近几年比赛都有体现,但其中得要求,不言而喻.学习过程中 无法直接找到原始数据之间得关系,但可以找到原始数据变化速度之间得关系,通过公式推导转化为原始数据得关系。 3、回归分析预测(必掌握) 求一个因变量与若干自变量之间得关系,若自变量变化后,求因变量如何变化; 样本点得个数有要求: ①自变量之间协方差比较小,最好趋近于0,自变量间得相关性小; ②样本点得个数n〉3k+1,k为自变量得个数;

数学建模_投资最优问题

数学建模一周论文课程设计题目:最优投资方案 1:吴深深学号:201420181013 2:许家幸学号:201420180422 3:王鑫学号:201420181220 专业软件工程 班级1421801Z

指导教师朱琳 2016 年 6 月9 日

摘要 本文主要研究银行投资受益最优问题,根据投资证券的种类、信用等级、到期年限、到期税前收益等的具体情况,根据线性规划的方法分析出数学模型,并且运用Lingo软件进行编码求解。 根据问题一、根据此模型能够得到具体的解决方案,问题二、三都是根据问题一的模型做具体约束条件的变化,从而求出最优解。 此模型适用于一般简单的银行投资问题。这个优化问题的目标是有价证券回收的利息为最高,要做的决策是投资计划。即应购买的各种证券的数量的分配。综合考虑:特定证券购买、资金限制、平均信用等级、平均年限这些条件,按照题目所求,将决策变量、决策目标和约束条件构成的优化模型求解问题便得以解决。 但是本模型不适合解决情况过于复杂的银行投资问题。 关键字:最优投资线性规划Lingo求解 一、问题重述 某银行经理计划用一笔资金进行有价证券的投资,可供购进的证券及其信用等级、到期年限、收益如下表所示。按照规定,市政证券的收益可以免税,其他证券的收益需按50%的税率纳税。此外还有以下限制: 政府及代办机构的证券总共至少要购进400万元,所购证券的平均信用等

级不超过1.4(数字越小,信用程度越高),所购证券的平均到期年限不超过5年。 二、模型假设 假设: 1.假设银行有能力实现5种证券仸意投资; 2.假设在投资过程中,不会出现意外情况,以至不能正常投资; 3.假设各种投资的方案是确定的; 4.假设证券种类是固定不变的,并且银行只能在这几种证券中投资; 5.假设各种证券的信用等级、到期年限、到期税前收益是固定不变的; 6.假设各种证券是一直存在的。 三、符号约定 符号含义 X i取1-5,表示从A..E中证券的投资额(百万)i

数学建模案例分析--最优化方法建模6动态规划模型举例(新)

§6 动态规划模型举例 以上讨论的优化问题属于静态的,即不必考虑时间的变化,建立的模型——线性规划、非线性规划、整数规划等,都属于静态规划。多阶段决策属于动态优化问题,即在每个阶段(通常以时间或空间为标志)根据过程的演变情况确定一个决策,使全过程的某个指标达到最优。例如: (1)化工生产过程中包含一系列的过程设备,如反应器、蒸馏塔、吸收器等,前一设备的输出为后一设备的输入。因此,应该如何控制生产过程中各个设备的输入和输出,使总产量最大。 (2)发射一枚导弹去击中运动的目标,由于目标的行动是不断改变的,因此应当如何根据目标运动的情况,不断地决定导弹飞行的方向和速度,使之最快地命中目标。 (3)汽车刚买来时故障少、耗油低,出车时间长,处理价值和经济效益高。随着使用时间的增加则变得故障多,油耗高,维修费用增加,经济效益差。使用时间俞长,处理价值也俞低。另外,每次更新都要付出更新费用。因此,应当如何决定它每年的使用时间,使总的效益最佳。 动态规划模型是解决这类问题的有力工具,下面介绍相关的基本概念及其数学描述。 (1)阶段 整个问题的解决可分为若干个相互联系的阶段依次进行。通常按时间或空间划分阶段,描述阶段的变量称为阶段变量,记为k 。 (2)状态 状态表示每个阶段开始时所处的自然状况或客观条件,它描述了研究过程的状况。各阶段的状态通常用状态变量描述。常用k x 表示第k 阶段的状态变量。n 个阶段的决策过程有1+n 个状态。用动态规划方法解决多阶段决策问题时,要求整个过程具有无后效性。即:如果某阶段的状态给定,则此阶段以后过程的发展不受以前状态的影响,未来状态只依赖于当前状态。 (3)决策 某一阶段的状态确定后,可以作出各种选择从而演变到下一阶段某一状态,这种选择手段称为决策。描述决策的变量称为决策变量。决策变量限制的取值范围称为允许决策集合。用)(k k x u 表示第k 阶段处于状态k x 时的决策变量,它是k x 的函数,用)(k k x D 表示k x 的允许决策集合。 (4)策略 一个由每个阶段的决策按顺序排列组成的集合称为策略。由第k 阶段的状态k x 开始到终止状态的后部子过程的策略记为)}(,),(),({)(11n n k k k k k k x u x u x u x p ++=。在实际问题中,可供选择的策略有一定范围,称为允许策略集合。其中达到最优效果的策略称为最优策略。 (5)状态转移方程 如果第k 个阶段状态变量为k x ,作出的决策为k u ,那么第1+k 阶段的状态变量1+k x 也被完全确定。用状态转移方程表示这种演变规律,写作(1k k T x =+k x ,)k u (6)最优值函数 指标函数是系统执行某一策略所产生结果的数量表示,是用来衡量策略优劣的数量指标,它定义在全过程和所有后部子过程上。指标函数的最优值称为最优值函数。 下面的方程在动态规划逆序求解中起着本质的作用。

数学建模关于优化问题的论文

承诺书 我们仔细阅读了暑期数学建模竞赛规则. 我们完全明白,在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式(包括电话、电子邮件、网 上咨询等)与队外的任何人(包括指导教师)研究、讨论与赛题有关的问题。 我们知道,抄袭别人的成果是违反竞赛规则的, 如果引用别人的成果或其他公开的 资料(包括网上查到的资料),必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参 考文献中明确列出。 我们郑重承诺,严格遵守竞赛规则,以保证竞赛的公正、公平性。如有违反竞赛规 则的行为,我们将受到严肃处理。 我们参赛选择的题号是(从A/B中选择一项填写): A 参赛队员 (打印并签名) :1. 2. 3. 指导教师或指导教师组负责人 (打印并签名):教练组 日期: 11 年 8 月 12 日评阅编号(由组委会评阅前进行编号):

编号专用页评阅编号(由组委会评阅前进行编号): 统一编号: 评阅编号:

多因素条件下作物施肥效果分析 摘要 本文是关于作物施肥数量与结构的优化问题,根据不同目标对施肥量与肥料搭配比例进行调整,达到各目标的最优。 首先,基于一元线性回归模型,以一种肥料作为自变量,另外两种肥料固定在第七水平,建立了六个一元回归方程,分别研究某一种肥料变化时,该肥料施肥量与产量的关系。根据散点图趋势,初步选取适当的一元函数,为了使散点图更直观准确,将原数据进行无量纲化处理,得到0到1间的值。利用eviews软件进一步对一元函数进行拟合,选取显著性最高的拟合结果,求解时,对非线性的回归方程,通过取对数将其线性化,得到结果后再将其转换成原函数形式,最终得到六个反映施肥量与产量关系的一元回归模型。为了提高六个回归方程整体的显著性,本文以三种肥料的施肥量同时作为自变量,建立三元二次回归模型,检验均通过,并具有高度的显著性,拟合效果较好。 其次,基于问题一中的一元线性回归模型与三元二次回归模型分别求解回归方程的最大值,即产量最大值。比较两个模型的结果,看出,由三元二次回归模型得到的产量更大,其中土豆与生菜产量的最大值分别为44.95t/ha,23.04t/ha。土豆对应的N、P、K肥料的施肥量分别为293.13kg/ha,250.0kg/ha,540.0kg/ha。生菜对应的N、P、K 肥料的施肥量分别为212.06kg/ha,426.91kg/ha,665.69kg/ha。 再次,考虑到施肥的经济性,以产值和施肥费用作为自变量,以总收益作为因变量,建立收益最大化模型。分别基于反映产量与施肥量关系的一元回归模型与三元二次回归模型,进行求解。由一元回归模型得到结果,当生菜K肥施肥量无穷大时,收益也趋近于无穷大,显然不合理,本文以一元二次函数对六个回归方程重新进行拟合,检验看出,显著性不高,但基于新的回归方程得到的结果更加合理,更符合实际情况,具有较高的实用性。基于三元二次回归模型进行求解时,通过(0,0,0,0)点的引入,增加了三种肥料交互影响产生的交叉项,避免了肥料搭配不合理造成的大量浪费。比较两种模型的结果看出,基于三元二次回归方程得到的收益更大,土豆与生菜的最大值分别为102500元/公顷,52023元/公顷。 再次,引入环保因素时,通过两种方法实现,一是基于收益最大化模型,将污染指数作为限制条件,以收益最大为目标,建立线性规划收益最大化模型。二是引入目标偏差变量,以偏差变量之和最小为目标,以污染指数,肥料搭配比例作为约束条件,建立多目标规划模型,以环境指数小于25为前提,追求收益尽量大。比较两种模型的结果看出,多目标规划的的结果更符合本问的要求,土豆与生菜的最大收益值分别为,环境指数为25,属于轻度污染, K肥施肥量超过满意值,但K肥适当增加能够增大收益,对土地没有造成污染,收益实际值与满意值相差不大,结果比较合理,符合本问的要求。 最后对模型应用效果作量化估计,难点在于如何对优化模型进行改进,得到评价模型。本文利用多目标规划结果中满意值与偏差值的差值占满意值的比例作为单目标的满意度,利用层次分析法得到单目标权重值,根据单目标的权重值与满意度求和可以得到多目标满意度,根据多目标总体的满意度对模型应用效果作量化估计。从而建立基于层次分析法与多目标规划的评价模型。最后对模型的推广作初步讨论,验证了模型较高的应用价值。

数学建模 田径选拔比赛安排优化模型

楚雄师范学院 2013年数学建模培训第一次预赛论文题目田径赛安排优化模型 姓名马杰 系(院)数学系 专业信息与计算科学 年月日

田径赛安排优化模型 摘要:本文通过对某校田径选拔赛比赛日程安排表进行分析规划,并针对参赛项目即跳高、跳远、标枪、铅球、100米和200米短跑,在规定每个选手至多参加三个项目的比赛,有七名选手报名的情况下,设计比赛日程安排表,使得在尽可能短的时间内完成比赛,找出最小目标函数和各项约束条件的数学表达式,建立数学规划模型。模型的求解过程中,采用数据结构图解法及数学软件LINGO等编写相应的程序,对建立的模型进行求解,得出最优结果。 关键字:LINGO数学软件离散数学0-1变量线性规划数据结构

一、问题重述 假设某校的田径选拔赛共设六个项目的比赛,即跳高、跳远、标枪、铅球、100米和200米短跑,规定每个选手至多参加三个项目的比赛,现有七名选手报名,选手所选项目如表所示。现在要求设计一个比赛日程安排表,使得在尽可能 二、问题分析 根据条件分析:七名选手参加的比赛项目都没超过三个,说明他们所报的项目都可以比赛。 对于这七个同学参加六项田径选拔比赛,要使比赛时间在短时间内尽可能完成比赛,主要考虑每个项目尽能在同时间内可以同时进行几个足够多项目的比赛,并且保证每个选手都有时间参加每个项目。我们最容易想到的一个办法就是穷举法,这种赛日安排方法共有6!=720种,显然不能用这种方法解决这类题。 根据条件,我们可以重新把上表重新排列出每个项目分有哪些项参加(如下表),通过下表我们就可以准确的找出相关的限制条件:每个时间段只能参加一项目,不能同时参加几个项目(例赵宁在同一时刻参加了跳高,就不能参加跳远和铅球)。我们可以用1 0-变量表示每个项目是否在同一段时间是否进行,从

数学建模进行投资最优化

资产最优组合 摘要 本文在充分分析数据的基础上,运用了模糊评价评估产品近期表现的优劣性,利用线性规划模型对多种金融产品进行组合,得到最优解,最后对模型进行评价。 问题一:基于模糊评价模型。本文使用累计收益率、本月平均涨幅、β系数(风险指标)3个指标,建立评估模型,来评估金融产品近期的优劣性表现。首先用层次分析法给出各项评估指标的权重并进行对指标一致性检验,再用熵权法对权重值进行修正;然后建立评估模型,利用模糊评价法得出景顺长城需增长、中邮战略新兴产业、华夏现金增利货币、工银货币、华能国际(稳健型)、万向钱潮(波动型)、*ST中华A(ST型)、国债⑺、万业债的模糊评估指标分别为 [] 0.00971 0.00484 0.00072 0.00090 0.34040 0.45785 0.17205 0.00332 0.01022 通过以上数据比较可知,股票的表现明显优于债券和基金。 问题二:首先构建线性规划模型,通过收益最大目标函数和约束条件,求解出最优产品组合。其次求解收益对应的β系数,绘出收益和风险的折线图。根据图示,找到风险变化一单位得到最大收益处的值,得到最优解:选择华能国际(稳健型)、万向钱潮(波动型)、国债⑺、万业债、中邮战略新兴产业、华夏现金增利货币的投资量为:3716.556、3752.874、3819.063、52.10025、109.8907、541.8917、41.32636 问题三:本文在对选取的指标运用层次分析法赋予权重后,用熵权法对权值进行修正,使权值更为准确。同时,利用综合评价得出产品的近期优劣性表现。但是,本文β系数求解考虑较为单一,β系数的计算公式可以根据产品公司进行修改。 本文运用EXCEL统计了大量数据,利用SPSS软件进行数据分析,使用MATLAB 进行模型求解,使得模型更具合理性,可行性和科学性。 关键词:层次分析,一致性检验,熵值取权,模糊评价,线性规划

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