第5章 网络最优化问题

最大流问题也与网络中的流有关，但目标不是使 得流的总成本最小，而是寻找一个流的方案，使 得通过网络的总流量最大。除了目标（流最大化 和成本最小化）不一样外，最大流问题的特征和 最小费用流问题的特征非常相似。
5.3 最大流问题
例5.2 某公司要从起始点vs（发点）运
送货物到目的地vt（收点），其网络图 如图5-4（下一张幻灯片）所示。图中 每条弧（节点i->节点j）旁边的权cij表 示这段运输线路的最大通过能力（容 量）。要求制定一个运输方案，使得从 vs到vt的运货量达到最大，这个问题就 是寻求网络系统的最大流问题。
近些年来，运筹学（管理科学）中一个振奋人心 的发展是它的网络最优化问题的方法论和应用方 面都取得了不同寻常的飞速发展。
5.1 网络最优化问题基本概念
许多研究的对象往往可以用一个图表示，研究的目 的归结为图的极值问题。 运筹学中研究的图具有下列特征： (1) 用点表示研究对象，用连线（不带箭头的边或 带箭头的弧）表示对象之间某种关系； (2) 强调点与点之间的关联关系，不讲究图的比例 大小与形状； (3) 每条边上都赋有一个权，其图称为赋权图。实 际中权可以代表两点之间的距离、费用、利润、时 间、容量等不同的含义； (4) 建立一个网络模型，求最大值或最小值。
5.2 最小费用流问题
最小费用流问题有五种重要的特殊类型：
（1）运输问题：有出发地(供应点-供应量)和目的地 (需求点-需求量)，没有转运点和弧的容量限制，目 标是总运输成本最小（或总利润最大）。
（2）指派类型：出发地(供应点-供应量为1)是人， 目的地(需求点-需求量为1)是任务，没有转运点和 弧的容量限制，目标是总指派成本最小（或总利润 最大）。
（3）转运问题：有出发地(供应点-供应量)和目的地 (需求点-需求量)，有转运点，但没有弧的容量限制 (或有容量限制)，目标是总流量费用最小（或总利 润最大）。
5.2 最小费用流问题
最小费用流问题有五种重要的特殊类型(续)： （4）最大流问题：有供应点、需求点、转运点、弧的容量限制，但没有供应量和
5.2 最小费用流问题
最小费用流问题的数学模型为： （1）决策变量：设fij为通过弧（节点i->节点j）的流 量。 （2）目标是通过网络供应的总成本最小。 （3）约束条件
① 所有供应点：净流量（总流出－总流入）为正； ② 所有转运点：净流量为零； ③ 所有需求点：净流量为负； ④ 所有弧的流量fij受到弧的容量限制； ⑤ 所有弧的流量fij非负。
A D
C B
图论的起源和发展
• 1847年，基尔霍夫 ，电网络，树”； • 1852年，《四色猜想》； • 1857年，凯莱 ， 同分异构，“树”； • 1859年，哈密顿， 哈密顿回路 ；
• 1956年，杜邦公司，CPM，关键路线法；
• 1958年，美国海军部， PERT，计划评审技术；
• 1962年，管梅谷， 《中国邮路问题》； • 1964年，华罗庚，《统筹方法平话》。
(
fv2v4
fv2v5 )
fvsv2
0
本问题的目标是从vs流 出的总流量最大。
（3）约束条件(转运点的 净流量为0、弧的容量限 制、非负）
s.t
fv3v5 fvsv3 0
5.1 网络最优化问题基本概念
网络在各种实际背景问题中以各种各样的形式存 在。交通、电子和通讯网络遍及我们日常生活的 各个方面，网络规划也广泛用于解决不同领域中 的各种问题，如生产、分配、项目计划、厂址选 择、资源管理和财务策划等等。
网络规划为描述系统各组成部分之间的关系提供 了非常有效的直观和概念上的帮助，广泛应用于 科学、社会和经济活动的各个领域中。
实用运筹学 －运用Excel建模和求解
第5章 网络最优化问题
本章内容要点
网络最优化问题的基本概念 网络最优化问题的四种主要类 型：最小费用流、最大流、最 短路、最小支撑树 各种网络最优化问题的建模与 应用
本章节内容
•5.1 网络最优化问题基本概念 •5.2 最小费用流问题 •5.3 最大流问题 •5.4 最短路问题 •5.5 最小支撑树问题 •5.6 货郎担问题和中国邮路问题
3、最小费用流问题的解的特征 （1）具有可行解的特征：在以上的假设下，当 且仅当供应点所提供的流量总和等于需求点所 需要的流量总和时（即平衡条件），最小费用 流问题有可行解； （2）具有整数解的特征：只要其所有的供应、 需求和弧的容量都是整数值，那么任何最小费 用流问题的可行解就一定有所有流量都是整数 的最优解（与运输问题和指派问题的解一样）。 因此，没有必要加上所有决策变量都是整数的 约束条件。
5.2 最小费用流问题
例5.1最小费用流问题的数学模型为： （1）决策变量：设fij为通过弧(节点i->节点j)的流 量。 （2）目标函数
本问题的目标是总运输成本最小
Min z = 700 fF1W1 300 fF1DC 200 fDCW1 400 fF2DC 900 fF2W 2 400 fDCW 2
5.2 最小费用流问题
大规模的最小费用流问题的求解一般采用“网络单纯法（The Network Simplex Method）”。现在，许多公司都使用网络单纯法来解决他们的最 小费用流问题。有些问题是非常庞大的，有着数万个节点和弧。有时，弧的 数量甚至可能会多得多，达到几百万条。
但Excel学生版（非专业版）的“规划求解”中没有网络单纯法，但其他的 线性规划的商业软件包通常都有这种方法。
5.2 最小费用流问题
最小费用流问题的模型在网络最优化中扮演着重要的角色，因为它的适用性 很广，并且求解方法容易。通常最小费用流问题用于最优化货物从供应点到 需求点的网络。目标是在通过网络配送货物时，以最小的成本满足需求，一 种典型的应用就是使得配送网络的运营最优。
最小费用流问题的特殊类型包括运输问题和指派问题，以及在下面将要提到 的两种重要类型：最大流问题和最短路问题。
量取决于该弧的容量； （5）网络中有足够的弧提供足够容量，使得所有在供应点中
产生的流都能够到达需求点；（有解） （6）在流的单位成本已知前提下，通过每一条弧的流的成本
和流量成正比；（目标是线性的） （7）最小费用流问题的目标在满足给定需求条件下，使得通
过网络供应的总成本最小（或总利润最大）。
5.2 最小费用流问题
（6）邮递员从邮局vi出发要经过每一条边将邮件送到用户手中，最后回到邮局vi，如何 安排路线使总路程最短。这属于中国邮递员问题。
5.1 网络最优化问题基本概念
网络最优化问题类型主要包括：
（1）最小费用流问题； （2）最大流问题； （3）最短路问题； （4）最小支撑树问题； （5）货郎担问题和中国邮路问题，等等
本章主要内容框架图
点
基本概念
连线（边或弧） 权（赋权图） 网络图
网络最优化问题
主要类型
最小费用流问题 最 最大 短流 路问 问题 题
最小支撑树问题
货郎担问题和中国邮路问题
节点（供应点、转运点、需求点）
建模和求解
净流量 数学模型
电子表格模型
图论的起源和发展
• 1736年，欧拉的哥尼斯堡七桥问题
fF1W1 fF1DC = 80
fF 2DC +
fF 2W 2
=
70
f DC W 1
fDCW 2
( fF1DC fF 2DC )
0
④ 弧的容量限制： s.t. ⑤ 非负：
fF1W1 fDCW1 = 60
f
DC
Wபைடு நூலகம்
2
fF 2W 2
90
fF1DC , f F 1W 1 ,
fF 2DC , fDCW1, fDCW 2 fF1DC , fDCW1, fF 2DC ,
5.1 网络最优化问题基本概念
v1 5
v2
8
v3
7
v5
5
4
8
1
2
v4
v6
3
6
对于该网络图，可以提出许多极值问题
5.1 网络最优化问题基本概念
（1）将某个点vi的物资或信息送到另一 个点vj，使得运送总成本最小。这属于 最小费用流问题。 （2）将某个点vi的物资或信息送到另一 个点vj，使得总流量最大。这属于最大 流问题。 （3）从某个点vi出发到达另一个点vj， 怎样安排路线使得总距离最短或总费用 最小。这属于最短路问题。
50 fF 2W 2 ,
fDCW 2
0
5.2 最小费用流问题
例5.1的电子表格模型：列出了网络中的弧和各弧所对应的容量、 单位成本。决策变量为通过弧的流量。目标是计算流量的总成本。 每个节点的净流量为约束条件。供应点的净流量为正，需求点的 净流量为负，而转运点的净流量为0。 这里用了一个窍门：用两个SUMIF函数的差来计算每个节点的净 流量，这样快捷且不容易犯错。
需求量的限制，目标是通过网络到目的地的总流量最大。 （5）最短路问题：有供应点(供应量为1) 、需求点(需求量为1) 、转运点、没有
弧的容量限制，目标是通过网络到目的地的总距离最短。
5.3 最大流问题
在许多实际的网络系统中都存在着流量和最大流 问题。例如铁路运输系统中的车辆流，城市给排 水系统的水流问题等。而网络系统最大流问题是 图与网络流理论中十分重要的最优化问题，它对 于解决生产中的实际问题起着十分重要的作用。
例3 稳定婚配
• 假设有n个男人和n个女人, 每人都希望从n个异性中选 择一位自己的配偶. 假设每人都对n个异性根据自己的偏 好进行了排序, 以此作为选择配偶的基础. 当给定一种婚 配方案(即给每人指定一个配偶)后, 如果存在一个男人和 一个女人不是互为配偶, 但该男人喜欢该女人胜过其配偶, 且该女人喜欢该男人也胜过其配偶, 则该婚配方案称为不 稳定的. 安排稳定的婚配方案的问题称为稳定婚配问题。