管道运输与订购优化模型(CAI)
数学建模案例分析管道运输与订购优化模型(cai)
钢管订购和运输优化模型要铺设一条1521A A A →→→ 的输送天然气的主管道, 如图1所示(见反面).经挑选后可以消费这种主管道钢管的钢厂有127,,,S S S .图中粗线表示铁路，单细线表示公路，双细线表示要铺设的管道(假设沿管道或者原来有公路，或者建有施工公路)，圆圈表示火车站，每段铁路、公路和管道旁的阿拉伯数字表示里程(单位：km).为方便计，1km 主管道钢管称为1单位钢管.一个钢厂假设承担制造这种钢管，至少需要消费500个单位.钢厂i S 在指定期限内能消费该钢管的最大数量为i s 个单位，钢管出厂销价1单位钢管为i p 万元，如下表：i1 2 3 4 5 6 7 i s800 800 1000 2000 2000 2000 3000 i p1601551551601551501601单位钢管的铁路运价如下表：里程(km) ≤300 301～350 351～400 401～450 451～500 运价(万元) 2023262932里程(km) 501～600 601～700 701～800 801～900 901～1000运价(万元) 37445055601000km 以上每增加1至100km 运价增加5万元.公路运输费用为1单位钢管每千米万元〔缺乏整千米部分按整千米计算〕. 钢管可由铁路、公路运往铺设地点〔不只是运到点1521,,,A A A ，而是管道全线〕.问题：〔1〕请制定一个主管道钢管的订购和运输方案，使总费用最小〔给出总费用).考虑题：〔2〕请就〔1〕的模型分析：哪个钢厂钢管的销价的变化对购运方案和总费用影响最大，哪个钢厂钢管的产量的上限的变化对购运方案和总费用的影响最大，并给出相应的数字结果.〔3〕假设要铺设的管道不是一条线，而是一个树形图，铁路、公路和管道构成网络，请就这种更一般的情形给出一种解决方法，并对图2按〔1〕的要求给出模型和结果.71一、 根本假设1． 沿铺设的主管道以有公路或者有施工公路. 2． 在主管道上，每千米卸1单位的钢管.3． 公路运输费用为1单位钢管每千米万元〔缺乏整千米部分按整千米计算〕 4． 在计算总费用时，只考虑运输费和购置钢管的费用，而不考虑其他费用. 5． 在计算钢厂的产量对购运方案影响时，只考虑钢厂的产量足够满足需要的情况，即钢厂的产量不受限制.6． 假设钢管在铁路运输路程超过1000km 时，铁路每增加1至100km ，1单位钢管17的运价增加5万元.二、符号说明：i S ：第i 个钢厂； 7,,2,1 =i i s ：第i 个钢厂的最大产量； 7,,2,1 =ij A ：输送管道〔主管道〕上的第j 个点； 15,,2,1 =j i p ：第i 个钢厂1单位钢管的销价； 7,,2,1 =iij x ：钢厂i S 向点j A 运输的钢管量； 7,,2,1 =i 15,,2,1 =jj t ：在点j A 与点1+j A 之间的公路上，运输点j A 向点1+j A 方向铺设的钢管量；14,,3,2,1 =j (01=t )ij a ：1单位钢管从钢厂i S 运到结点j A 的最少总费用，即公路运费﹑铁路运费和钢管销价之和； 7,,2,1 =i 15,,2,1 =jj b ：与点j A 相连的公路和铁路的相交点； 15,,3,2 =j1.+j j A ：相邻点j A 与1+j A 之间的间隔 ； 14,,2,1 =j三、模型的建立与求解问题一：讨论如何调整主管道钢管的订购和运输方案使总费用最小由题意可知，钢管从钢厂i S 到运输结点j A 的费用ij a 包括钢管的销价﹑钢管的铁路运输费用和钢管的公路运输费用.在费用ij a 最小时，对钢管的订购和运输进展分配，可得出本问题的最正确方案.1. 求钢管从钢厂i S 运到运输点j A 的最小费用1〕将图1转换为一系列以单位钢管的运输费用为权的赋权图.由于钢管从钢厂i S 运到运输点j A 要通过铁路和公路运输，而铁路运输费用是分段函数，与全程运输总间隔 有关.又由于钢厂i S 直接与铁路相连，所以可先求出钢厂i S 到铁路与公路相交点j b 的最短途径.如图3图3 铁路网络图根据钢管的铁路运价表，算出钢厂i S 到铁路与公路相交点j b 的最小铁路运输费用，并把费用作为边权赋给从钢厂i S 到j b 的边.再将与j b 相连的公路、运输点i A 及其与之相连的要铺设管道的线路〔也是公路〕添加到图上，根据单位钢管在公路上的运价规定，得出每一段公路的运费，并把此费用作为边权赋给相应的边.以1S 为例得图4.图4 钢管从钢厂1S 运到各运输点j A 的铁路运输与公路运输费用权值图2〕计算单位钢管从1S 到j A 的最少运输费用根据图4，借助图论软件包中求最短路的方法求出单位钢管从1S 到j A 的最少运输费用依次为：170.7，160.3，140.2，98.6，38，20.5，3.1，21.2，64.2，92，96，106，121.2，128，142〔单位：万元〕.加上单位钢管的销售价i p ，得出从钢厂1S 购置单位钢管运输到点j A 的最小费用j a 1依次为：330.3，320.3，300.2，258.6，198，180.5，163.1，181.2，224.2，252，256，266，281.2，288，302〔单位：万元〕.同理，可用同样的方法求出钢厂2S ﹑3S ﹑4S ﹑5S ﹑6S ﹑7S 到点j A 的最小费用，从而得出钢厂到点的最小总费用〔单位：万元〕为：表1 i S 到点j A 最小费用A 2 A 3 A 4 A 5 A 6 A 7 A 8 A 9 A 10 A 11 A 12 A 13 A 14 A 15 S 1198 163 252 256 266 288 302 2S266 241 297 301 311 333 347 3S 276 251 237 241 251 273 287 4S316 291 222 211 221 243 257 5S 301 276 212 188 206 228 242 6S306281212 201 195161 1782. 建立模型运输总费用可分为两部分：运输总费用=钢厂到各点的运输费用+铺设费用.运输费用：假设运输点j A 向钢厂i S 订购ij x 单位钢管，那么钢管从钢厂i S 运到运输点j A 所需的费用为ij ij x a .由于钢管运到1A 必须经过2A ，所以可不考虑1A ，那么所有钢管从各钢厂运到各运输点上的总费用为：∑∑==15271j i ijij a x.铺设费用：当钢管从钢厂i S 运到点j A 后，钢管就要向运输点j A 的两边1+j j A A 段和j j A A 1-段运输〔铺设〕管道.设j A 向1+j j A A 段铺设的管道长度为j y ，那么j A 向1+j j A A 段的运输费用为()201)21(1.0+=+++⨯j j j t t y 〔万元〕；由于相邻运输点j A 与1+j A 之间的间隔 为1.+j j A ，那么1+j A 向1+j j A A 段铺设的管道长为j j j t A -+1.，所对应的铺设费用为()()2011.1.jj j j j j t A t A-+-++〔万元〕.所以，主管道上的铺设费用为：()()()∑=++⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+-++1411.1.201201j j j j j j j j j t A t A t t总费用为：()()()∑∑∑===++⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+-+++=711521411.1.201201i j j j j j j j j j j ij ij t A t A t t a x f又因为一个钢厂假设承担制造钢管任务，至少需要消费500个单位，钢厂i S 在指定期限内最大消费量为i s 个单位，故i j ijs x≤≤∑=152500 或0152=∑=j ij x 因此本问题可建立如下的非线性规划模型：14157.1.112171151522.1(1)()(1)min (2020j 2,3,,15500 0s.t. 0 1,,7,2,,150j j j j j j j j ij ijj j i ij j i ij i ij j j ij j j j t t A t A t f x a x n x s x x i j t A ++======++-+-=++⋅⎧==⎪⎪⎪⎪≤≤=⎨⎪⎪≥==⎪≤≤⎪⎩∑∑∑∑∑∑或3. 模型求解：由于MATLAB 不能直接处理约束条件：i j ijs x≤≤∑=152500或0152=∑=j ij x ，我们可先将此条件改为i j ijs x≤∑=152，得到如下模型：用MATLAB 求解，分析结果后发现购运方案中钢厂7S 的消费量缺乏500单位，下面我们采用不让钢厂7S 消费和要求钢厂7S 的产量不小于500个单位两种方法计算：1〕不让钢厂7S 消费计算结果：=1f 1278632〔万元〕〔此时每个钢厂的产量都满足条件〕. 2〕要求钢厂7S 的产量不小于500个单位计算结果：=2f 1279664 〔万元〕 〔此时每个钢厂的产量都满足条件〕. 比较这两种情况，得最优解为， 121),min(min f f f f ===1278632〔万元〕 详细的购运方案如表2：表2 问题一的订购和调运方案14157.1.112171152.1(1)()(1)min (2020j 2,3,,15 s.t. 0 1,,7,2,,150j j j j j j j j ij ijj j i ij j i ij ij ij j j j t t A t A t f x a x n x s x i j t A ++=====++-+-=++⋅⎧==⎪⎪⎪⎪≤⎨⎪⎪≥==⎪≤≤⎪⎩∑∑∑∑∑。
钢管订购和运输问题的二次规划模型求解
钢管订购和运输问题的二次规划模型求解
背景：要铺设一条1215A A A →→→ 输送天然气的主管道, 如图一所示。
经筛选后可以生产这种主管道钢管的钢厂有127,,,S S S 。
图中粗线表示铁路，单细线表示公路，双细线表示要铺设的管道（假设沿管道或者原来有公路，或者或者建有施工公路 )，圆圈表示火车站，每段铁路、公路和管道旁的阿拉伯数字表示里程（单位：Km ）。
为方便计，1 Km 主管道钢管称为1单位钢管。
一个钢厂如果承担制造这种钢管，至少需要生产500个单位。
钢厂i S 在指定期限内能生产该钢管的最大数量为i s 个单位，钢管出厂销价1单位钢管为i p 万元，
如下表：
1单位钢管的铁路运价如下表：
1000km 以上每增加1至100km 运价增加5万元。
公路运输费用为1单位钢管每公里0.1万元（不足整公里部分按整公里计算）。
钢管可由铁路、公路运往铺设地点（不只运到点1215,,,A A A ，而是管道全线）。
问题：制定一个主管道钢管的订购和运输计划，使总费用最小（给出总费用)。
分析：该问题为一个优化问题。
建立优化模型。
① 求出铁路和公路的最短路径矩阵
39393939()ij A a ⨯⨯=。
钢管订购与运输的优化模型_张立
第20卷第4期2006年7月常熟理工学院学报Journal of Changshu Institute of TechnologyVol.20No.4July.2006钢管订购与运输的优化模型张立(常熟理工学院数学系,江苏常熟215500)摘要:以2003年全国大学生数学建模竞赛题/钢管订购与运输问题0为研究对象,首先研究了所给图形的性质,得到将铁路运费与销价转换为公路运费的思想,然后通过Floyed算法,求得各钢厂到各个站点的最短路。
利用相关的理论构造一个规划问题,从而得到相应的优化模型,利用LINGO 软件求解。
特别地对于问题(2),用规划论中的灵敏度分析可得到所需之结论。
问题(3)中的树形图情形先解决其分支部分,再考虑它的主干部分,这样能使问题得到较好的解决。
关键词:非线性规划;最短路;Floyed算法中图分类号:O224文献标识码:A文章编号:1008-2794(2006)04-0037-041问题的重述要铺设一条A1y A2y,y A15的输送天然气的主管道。
经筛选后可以生产这种主管道钢管的钢厂有S1,S2,,,S7。
为方便计,1Km主管道称为1单位钢管。
一个钢厂如果承担制造这种钢管,至少需要生产500个单位。
钢厂S i在指定期限内能生产该钢管的最大数量为S i个单位,钢管出厂销价1单位钢管为P i万元,如下表:i1234567S i80080010002000200020002000P i160155155160155150160 1单位钢管的铁路运价如下表:里程(Km)F300301-350351-400401-450451-500501-600601-700701-800801-900901-1000运价(万元)20232629323744505560 1000Km以上每增加1至100Km运价增加5元。
公路运输费用为1单位钢管每公里0.1万元(不足整公里部分按整公里计算)。
钢管可由铁路、公路运往铺设地点(不只是运到点A1,A2,,,A15,而是管道全线)。
管道订购与运输模型
管道订购与运输模型信息学院 电子信息科学与技术专业摘要：本文针对主管道的订购和运输的实际问题，在详细分析的基础上，利用数学软件LINGO 的简单合理的算法，得出了快速制定并满足可行性和经济性的订购运输模型。
首先，对题中所给的一系列的数据进行了分析并提取得出从每个主管道钢管的钢厂i S 到各个运到点j A 的运输费用ij c （万元），而且从运输费用尽量小的原则出发，每个钢厂到运到点的运输路线也是唯一确定的（比如：从1S 到7A 直接通过公路即可）。
其次，模型认为将题中的“管道不只是运到点1521,,,A A A ，而是管道全线”可以这样理解：先将管道运到各点1521,,,A A A ，然后铺设的过程是各相邻两点之间实行双向铺设的方法，然后总费用可以认为是由钢管本身的价格、钢管的运费和铺设时的运费（1521,,,A A A 各铺设点之间按公路费用处理）三部分构成。
，也就不难得出总运输费用的计算关系式∑∑∑===+++=1412271151)(21.0)(k yk xk i ij i ij j p p c p xf ，由于仅我们目前的水平，只能将此问题当作是一个非线性规划问题求解，而且这样的算法符合简明性的要求，避免了要考虑图的出入度问题和博弈论提出的复杂的算法。
然后，根据钢管的供应和需求的双方的实际，不难发现该目标函数的约束条件有以下几个：①、1521,,,A A A （除了起始两点）中各点向左和向右铺设的钢管和应该等于721,,S S S 七个钢厂输送给该点钢管的总量；②、各点在铺设过程中所需要的运费（k b ）是其向左和向右铺设所需要的运费之和；③、721,,S S S 每个钢厂向15个运到点所能供应的钢管总量应小于其生产总量i s 。
根据以上条件由LINGO 软件计算可以得出第一问的最小总费用为1326385万元；针对LINGO 的计算结果分析也可以得到第二问的答案，第一个钢厂产量的上限的变化对购运计划和总费用的影响最大，当其产量上限减少1单位时，总费用会增加171.0万元。
钢管的订购及运输优化方案
钢管的订购及运输优化方案摘要:从本题中可以看出我们要解决的问题是钢管怎样订购，怎样运输，才能使得总费用最少。
所以，我们从两个方面着手考虑这个问题，首先我们考虑怎样从钢厂订购货物，接下来我们考虑在订购好货物后我们怎样把货物运输到目的地。
对于这两个问题，从题目可知，订购和运输联系密切，所以，我们必须同时考虑考虑钢管的订购与运输。
再由题中给的钢厂与天然气管道路线分布图可以看出，该问题等同于把起点的信息通过最优路（即就是花费最少的路径）径送到目的地，在送往的途中可以有信息的流失，流失的信息即就是用于铺设道路的货物，但不管流失多少信息，到达目的地时，总还有剩余的信息。
所以，我们就把钢管的运输看成了最小费用最大流问题。
所以，我们通过对线路的标号，我们利用floyd算出最大流问题算出每一个钢厂到每个点的单位最优路径，然后，再算出在运送途中钢管用于铺设管道所花费的费用，我们把这两种费用相加，就得到了总的费用。
我们通过计算，得出应从哪些钢厂订购多少货物，以怎样的路径进行运送才能使总费用最小。
经过计算我们得出最优解：其最小费用为万元。
在第二问中，我们通过对问题一的精度分析可得：钢厂6S的钢管销价的变化对购运计划和总费用的影响最大；钢管厂1S的钢管产量的上限的变化对总费用的影响最大，钢管厂3S的产量上限的变化对购运计划的影响最大。
对于第三问，我们同样运用问题一的解决办法，先求出每一个钢厂到每段道路的最短路径，然后再求出每一钢厂运送的数量，还有运送途中铺路石所花费的单位费用，最后得出最优解：其最小费用为万元。
问题重述：（略）问题分析：本题看似复杂，但经过分析我们可以看出该问题是求在一个有权图中寻求最优路径的问题，然后再求各个钢厂的运送花费问题，对于运送费用问题，由于我们不知道在哪一个钢厂订货，也不知道定多少，也不知道走哪一条路最合适，所以我们我们利用线性规划中的方法，先利用0—1规划模型，当取0时，我们就认为不在该厂订货，或者说我们不选择某一条路径，这样我们就轻易的将这个复杂的问题分解为线性规划问题。
数学建模——网络优化——钢管订购与运输问题
图四 钢管从钢厂S1运到各结点的费用权值图
根据图 四，借助求最短路的方法求得aij
求出单位钢管从S1到Aj的最少运输费用(单位：万元)依次为： 170.7，160.3，140.2，98.6，38，20.5，3.1，21.2， 64.2， 92， 96，106，121.2，128，142 加上单位钢管的销售价，得出从钢厂S1购买单位钢管运输到点Aj的最小费用(单 位：万元)依次为： 330.3，320.3，300.2，258.6，198，180.5，163.1，181.2， 224.2，252，256，266，281.2，288，302 同理，可求出从钢厂S2,…S7购买单位钢管运输到点A7的最小总费用
A7 266 0 0 0 0 0 0
A8 0 300 0 0 0 0 0
A9 0 0 664 0 0 0 0
A10 0 0 0 0 351 0 0
A11 0 0 0 0 415 0 0
A12 0 0 0 0 0 86 0
A13 0 0 0 0 0 333 0
290 30 20 30 110 420 A13 210 A12 A14 A15 500
S3 S2
1200 202 1100 20 306 0 600 10 A4 606 195 5 194 A5 10 A6 205 31 201 A7 A8 690 720
S4
690
170 520 70 480 88 462 160 70
三．模型的建立与求解
1 问题一的订购和运输方案 1) 单位钢管从钢厂Si运到点Aj的最少总费用aij 根据图 一，借助求最短路的方法(Djikstra算法) 求aij， 方法一． 方法一 赋权图： 赋边权：(K, L, V) K: K=1(铁路）， K=２ （公路） L：路程 V: f(K,L) 阶段运费 方法二 由于钢管从钢厂运到运输点要通过铁路和公路运输，而铁路运输费用是分段函 数，与全程运输总距离有关。又由于钢厂直接与铁路相连，所以可先求出钢厂 Si到铁路与公路相交点bj的最短路径(借助求最短路的方法) 。
管道运输与订购优化模型CAI
管道运输与订购优化模型CAI管道运输与订购优化模型CAI随着全球经济的发展，物流运输如雨后春笋般高速发展，运输方式也越来越多样化。
虽然目前货车和船只仍然是主要的货物运输方式，但管道运输已经成为一种独具优势的运输方式，如油气管道、水利管道等。
相比于其他运输方式，管道运输具有速度快、运输成本低、货物安全等优点。
而CAI（Computer Aided Instruction）作为计算机辅助指导学习的方法，被广泛应用于管道运输和订购优化模型中。
管道运输优势管道运输是指将货物通过管道进行运输，其运输速度快、成本低、安全性高、适合长距离等特点，使其成为许多企业首选运输方式。
将货物通过管道进行运输不需要人工操作，可以减少误差，提高安全性；同时也大大缩短了运输时效。
另外，管道运输的成本相对其它运输方式更低，尤其是在长距离运输时，其节省的运输成本更为明显。
综合来看，管道运输的优点在很大程度上提升了货物的运输效率和安全性，更符合企业资源合理分配以及绿色环保的理念。
管道订购优化模型管道订购是指企业通过订购来安排并管理管道的运输，以提高运输效率和降低成本。
然而，由于管道运输的特殊性质，如品种数目的限制、管道容量的限制等，订购成为了一个很复杂的问题。
针对管道订购中的难点，在实际的管理中需要针对性地采用优化模型对管道订购进行管理。
在采用优化模型进行管道订购时，通常需要做出的决策包括确定运输的货物种类、运输的路径、运输的时间、运输的数量等。
CAI在管道运输中的应用作为一种先进的计算机技术，CAI拥有大量的模型库和计算库，可以快速地进行管道运输中订购和优化模型的计算，属于较为成熟的应用方式。
CAI在服务供应链管理、物流一体化、极速物流等领域都具有广泛的应用。
同时，CAI在管道订购中的应用主要集中在对订购可行性的分析、订购的路径优化和相应的数学模型应用等方面。
相信随着技术的不断进步和优化，CAI在其它的领域也将会得到越来越广泛的应用。
数学建模-钢管订购和运输
221案例10 订购和运输一、问题重述和分析要铺设一条1521A A A →→→ 的输送天然气的主管道，如图1所示,经筛选后可以生产这种主管道的钢厂有721,,,S S S . 图中粗线表示铁路，单细线表示公路，双细线表示要铺设的管道（假设沿管道或者原来有公路，或者建有施工公路），圆圈表示火车站，每段铁路、公路和管道旁的阿拉伯数字表示里程（单位km ）.图1为了方便，1km 主管道称为1单位钢管. 一个钢厂如果承担制造这种钢管，至少需要生产500个单位. 钢厂i S 在指定期限内能生产该钢管的最大生产数量为i s 个单位，钢厂出厂销价为i p 万元，如下表：72221单位钢管的铁路运价如下表：表21000以上每增加1至100运价增加5万元. 公路运输费用为1单位管道每公里0.1万元（不足整公里的按整公里计算）. 管道可由铁路、公路运往铺设地点（不只是运到点1521A A A →→→ ，而是管道全线）.问题1. 制定一个主管道钢管的订购和运输计划，使总费用最小，并给出总费用. 问题2. 就（1）的模型进行分析：哪个钢厂钢管的销价的变化对购运计划和总费用影响最大，哪个钢厂钢管的产量的上限的变化对购运计划和总费用的影响最大，并给出相应的数字结果.二、基本假设1． 在计算运费时，沿管道铺设路线上的公路与其它普通公路相同（1单位钢管每公里0.1万元）；2． 订购的钢管数量刚好等于需要铺设的钢管数量；3． 管道可由铁路、公路、管道全线运往铺设地点（不只是运到点1521,,,A A A ）； 4． 模型只考虑钢管销价费用和钢管从钢管厂运送到铺设点的钢管运费，而不考虑其它费用，如不计换车、转站的时间和费用，不计装卸费用等；5． 不计运输时由于运输工具出现故障等意外事故引起工期延误造成损失； 6． 销售价和运输价不受市场价格变化的影响.三、符号说明i S ： 第i 钢管厂i s ：表示i S 的最大生产能力j A ： 表示需要铺设管道路径上的车站 i j x ：从所有i S 运往j A 的钢管数223c i j ：表示单位钢管从i S 地运往j A 地的最小费用 i p ：从i S 订购钢管的单位价格Q ： 订购的所有钢管全部运到)15,,2,1( =j A j 点的总运费 T ： 当钢管从钢厂i S 运到点j A 后，钢管向j A 的左右两边运输（铺设）管道的运输费用Z ：用于订购和运输的总费用j y ： 运到j A 地向左铺设的数目 j z ： 运到j A 地向右铺设的数目d ： 单位钢管1公里的公路运输费用1 ,+j j A ： 表示1+j j A A 和之间需要铺设的管道长度四、模型的建立与求解问题1.1、 模型的建立钢管的订购和运输方案是直接影响工程费用的主要原因，因此，选取费用最小的路线运送货物，合理的订购计划是决定该工程费用的重要因素，首先利用图论的方法，来确定从钢管生产厂家到施工结点的费用最小路线，然后建立工程费用的优化模型，从中优化出最佳购运方案.对本问题而言，实际上是一个要求制定订购和运输计划，使总费用最小的优化问题. 本模型的总费用包括钢管的销价和运输总的费用. 首先，向某厂订购钢管，然后将在每个厂订购的钢管运往需要铺设的全路段. 欲解决本问题可以按以下方案进行思考：首先，需要确定将货物从i 地运往j 地的最优路线（费用最小）；然后，求出向每个钢管厂的订购计划，并确定出运输计划；最后计算将运往j 地的钢管铺到各个管道上的运输费用，我们不妨假设运往以j 为终点的钢管只铺到与j 点相邻的两段管道上. 因此，本问题可以按以下步骤求解.第一步：确定从i 地到j 地的最优路径，从而确定出单位钢管从i 地运往j 地的最小运费.)7,2,1( =i s i 表示钢管厂)7,2,1( =i S i 的最大生产能力，)15,,2,1( =j A j 表示需要铺设钢管路径上的车站. 假设从i S 运往j A 的钢管用于铺设j A 点左右侧的钢管数为j i x ,单位，单位产品从i S 到j A 地的运费为j i F ,万元，用j i ,c 表示单位钢管从i S 地224 运往j A 地的最小费用，则：j c min ij i F =（1）第二步：建立从i S 厂运送j ,i x 单位钢管到j A 点的运费的模型： 用Q 表示订购的所有钢管全部运到)15,,2,1( =j A j 点的总运费，则：15711Q c i j i j j i x ===∑∑；（2）第三步：将运到j A 处的钢管铺到相邻两段路上的运输费用对于运到j A 的钢管，它向左运输的总量j y ，它向左运输的总费用为：(1)(2)1j j j y d y d y dd ⨯+-⨯+-⨯⨯＝()0.1(12)0.051j j j y y y ⨯+++=+（万元）； 同理它向右运输的总费用为j j z z d2)1(+＝()0.051j j z z +用T 表示当钢管从钢厂i S 运到点j A 后，钢管向j A 的左右两边运输（铺设）管道的运输费用，得()()15j j j 1T 0.051y y 1j j z z =⎡⎤=+++⎣⎦∑（3）j z j y 和之间存在的关系为7i j i 11,1x ;(1,2,,15);(1,2,,14)j j jj j j y z j z y A j =++⎧=+=⎪⎨⎪+==⎩∑ （4）（1 ,+j j A 表示1+j j A A 和之间需要铺设的管道长度）第四步：建立订购费用的模型设W 表示订购管道的总费用，则可建立如下模型：225715, 1j 1W i i j i p x ===∑∑（5）又因为一个钢厂如果承担制造钢管任务，至少需要生产500个单位，钢厂i S 在指定期限内最大生产量为i s 个单位，故i j ijs x≤≤∑=152500 或0152=∑=j ij x ， 用Z 表示订购和运输的总费用，由（2）、（3）、（4）、（5），本问题可建立如下的非线性规划模型：目标函数()()71515i 111min W Q T ()0.0511i i j i j j j j j j j Z p c x y y z z ===⎡⎤=++=+++++⎣⎦∑∑∑约束条件7i j i 11,1151522x ;(1,2,,15);(1,2,,14)5000;(1,2,,7)0 1,,7,2,,15j j j j j j ij i ij j j ij y z j z y A j x s x i x i j =++==⎧=+=⎪⎪+==⎪⎪⎨⎪≤≤==⎪⎪≥==⎪⎩∑∑∑或 （6）其中1 ,+j j A 表示1+j j A A 和之间需要铺设的管道长度.2、模型的求解（1）首先求解 i j c 由于钢管从钢厂i S 运到运输点j A 要通过铁路和公路运输，而铁路运输费用是分段函数，与全程运输总距离有关. 又由于钢厂i S 直接与铁路相连，所以可先求出钢厂i S 到铁路与公路相交点j b 的最短路径. 依据钢管的铁路运价表，算出钢厂i S 到铁路与公路相交点j b 的最小铁路运输费用，并把费用作为边权赋给从钢厂i S 到j b 的边. 再将与j b 相连的公路、运输点i A 及其与之相连的要铺设管道的线路（也是公路）添加到图上，根据单位钢管在公路上的运价规定，得出每一段公路的运费，并把此费用作为边权赋给相应的边. 这样就转换为以单位钢管的运输费用为权的赋权图，再利用E.W.Dijkstra 的最短路算法计算出一个单位钢管从钢厂运到工地的最少费用系数阵()ij c ，MA TLAB 程序(略).226(2)根据以上结果, 继续求解非线性规划模型：()()71515i 111min ()0.0511i i j i j j j j j j j Z p c x y y z z ===⎡⎤=+++++⎣⎦∑∑∑7i j i 11,1151522x ;(1,2,,15);(1,2,,14).5000;(1,2,,7)0 1,,7,2,,15j j j j j j ij i ij j j ij y z j z y A j s t x s x i x i j =++==⎧=+=⎪⎪+==⎪⎪⎨⎪≤≤==⎪⎪≥==⎪⎩∑∑∑或由于不能直接处理约束条件：i j ijs x≤≤∑=152500或0152=∑=j ij x ，我们可先将此条件改为i j ijs x≤∑=152，得到如下模型：()()71515i 111min ()0.0511i i j i j j j j j j j Z p c x y y z z ===⎡⎤=+++++⎣⎦∑∑∑2277i j i 11,1152x ;(1,2,,15);(1,2,,14).;(1,2,,7)0 1,,7,2,,15j j j j j j ij i j ij y z j z y A j s t x s i x i j =++=⎧=+=⎪⎪+==⎪⎪⎨⎪≤=⎪⎪≥==⎪⎩∑∑用LINGO 求解（程序略）. 分析结果后发现购运方案中钢厂7S 的生产量不足500单位，下面我们采用不让钢厂7S 生产和要求钢厂7S 的产量不小于500个单位两种方法计算：1）不让钢厂7S 生产,程序略.计算结果：1Z =1278632（万元）（此时每个钢厂的产量都满足条件）. 2）要求钢厂7S 的产量不小于500个单位，程序略.计算结果：2Z =1285281（万元） （此时每个钢厂的产量都满足条件）. 比较这两种情况，得最优解为，121min min(,)Z Z Z Z ===1278632（万元）. 所以根据上述的模型，得运输总费用最小为1278632（万元）. 具体的购运计划和铺设方案如表4，表5.228问题2. 针对问题一的求解模型，讨论钢厂钢管的销售价格变化对购运计划和总费用影响及钢厂钢管产量的上限变化对购运计划和总费用的影响．定义 方案中运往各点i A 的运输量的变化量的绝对值之和称为运输方案变化量． 1、讨论钢厂钢管的销售价格变化对购运计划和总费用的影响当钢厂钢管销售价格变化时，会对购运计划和总费用造成影响. 为了更好地观察每一个钢厂钢管销售价格所造成的影响，采用比较法，即每次只让一个钢厂钢管的销售价格发生相同的变化，其余钢厂钢管的销售价格不发生变化.我们将各个钢厂单位钢管的销价分别增加1万元和减少1万元，借助LINGO 软件得出相应的总费用、运输方案、订购方案变化情况如表6、表7所示由上述表格观察分析可得： 6S 钢厂销价变化对总费用影响最大，56,S S 钢厂钢管的销价的变化对购运计划影响最大.2、讨论钢厂钢管产量的上限的变化对购运计划和总费用的影响同样采用比较法，即每次只让一个钢厂钢管产量的上限的发生相同的变化，其余钢厂钢管产量的上限不发生变化. 将各个钢厂的产量的上限分别增加100个单位和减少100个单位，分别计算，得到购运计划和总费用变化情况如表8、表9所示.S钢厂钢管的产量的上限的变化对总费用影响最大，由上述表格观察分析可得：1购运计划影响较小.五、模型的评价及改进由于总费用由订购费用和运输费两部分组成，运输费又由一般线路上的运输费和铺设管道上的运输费组成. 利用求网络中最短路径的Dijkstra算法，进行改进得到新的算法，可对含多种权重计算方式的网络进行搜索，得出最小费用路径（最短路径），算出两点之间的最优路径，进而根据非线性规划，借助于Lingo软件求解即可求出相应的结果.1．优点1）本问题中运用了求网络中最短路径的Dijkstra算法的思想，进行改进和修改得到新的算法，可对含多种权重计算方式的网络进行搜索，算出两点之间的最优路径，计算结果准确，从而得出相应的购运单价的矩阵.2）本问题构造出的模型算法较简单，也可以运用相应的其他编程软件来得到比较满意的结果.3）本模型计算步骤清晰，借助于Lingo软件求解，可靠性较高.2．缺点1）由于题意中不考虑铁路公路间转运的中转费用，也不限制转运次数，因此在算法设计中存在着考虑不周全的缺限，如我们考虑是先通过铁路再通过公路到铺设点，但这不一定是最小费用路径，有可能先通过公路，然后经铁路再经公路运到铺设点，费用更少，这里没有理论证明.2292) 问题二要求根据问题一的分析,指出哪家钢厂销价的变化对购运计划和总费用影响最大，哪家钢厂钢管产量的上限的变化对购运计划和总费用的影响最大，并给出相应的数字结果. 这个问题属于规划问题的灵敏度分析，一般来说，应该对于销价的变化△p 和产量上限的变化△s求出相应的总费用的变化△w，但要得到△w关于△p和△s的函数关系，几乎是不可能的，只对每个钢厂进行单独讨论.3．模型改进这个数学模型可以应用于西部开发中"天然气东送”问题，当然，西部开发中"天然气东送”问题远比我们的假设还要复杂的多，但无论如何，他们的本质一样，我们可将本问题运用于时间的变化等范围的推广. 本文还可以把问题1归结为网络最小费用流问题，建立了线性和非线性最小费用流模型，并运用相应的解法和分支定界法求解，简洁，层次分明.参考文献：[1] 甘应爱，田丰等等. 运筹学.清华大学出版社,北京,1994.[2] 袁亚湘.孙文瑜著. 最优化理论与方法.科学出版社，北京，1997.[3] 徐俊明著. 图论及其应用.中国科学技术大学出版社，合肥，1997.[4] 赵静，但琦. 数学建模与数学实验[M].北京：高等教育出版社，2003.习题1. 如果要铺设的管道不是一条线，而是一个树形图，铁路、公路和管道构成网络（图2），请就这种更一般的情形给出一种解决办法，制定一个主管道钢管的订购和运输计划，使总费用最小（给出总费用).230231图217。
钢管的订购与运输讲述
A j 1
y j1
Aj
yj
A j 1
设
y 是结点 j
A 向右铺设与 j
A 向左铺设之间的交点（ j 1
y 1
0，
y15
0 ）。
第二方案：也可以考虑在Aj左右各设一个变量！
j 2,3, ,14
2.求单位钢钢管的运输费 用为权的赋权图，再求最短路的权。
d j ：相邻点 Aj 与 Aj1 之间的距离；
j 1,2,,14
四、模型的分析、建立、求解
1. 模型的分析与决策变量的设置 根据题目要求，要制定一个主管道钢管的订购
和运输计划，使总费用最小。 先看总费用：总费用由三部分组成： 1) 钢管的订购费。 支付钢厂订购钢管的费用。因为钢厂生产单位钢 管的出厂销价为常量，所以在运费相同的情况下， 应从销价低的钢厂订购钢管。
二、模型假设
1.沿铺设的主管道以有公路或者有施工公路。 2.在主管道上，每公里卸1单位的钢管。 3.公路运输费用为1单位钢管每公里0.1万元（不足整公
里部分按整公里计算） 4.在计算总费用时，只考虑运输费和购买钢管的费用，
而不考虑其他费用。 5.假设钢管在铁路运输路程超过1000km时，铁路每增
加1至100km，1单位钢管的运价增加5万元。
37
44
50
55
60
可考虑将铁路与公路分开考虑。
1) 将铁路图转化成费用图（与Ai对应编号）
将铁路与公路交界的点编号 bj:
图一 中去掉公路得铁路图:
1) 由于钢厂 Si 直接与铁路相连，所以可先求出钢厂 Si 到铁路与公路相交点 bj（对应于 Aj）的最短路径。
计算Si 到bi 的最小费用（与Ai对应编号）
生产企业原材料订购与运输中的优化模型
生产企业原材料订购与运输中的优化模型随着现代工业技术的发展和全球化商贸的深入，生产企业在原材料订购和运输方面面临了越来越多的压力。
因此，生产企业需要利用优化模型来管理原材料的订购和运输过程，以提高效率，减少成本，从而更好地服务于客户。
一、原材料订购优化1、采购策略的制定针对生产企业的种类和规模，应当制定适合自身情况的采购策略。
比如，对于大型企业，可以采用多种采购方式，如集中采购、分散采购、委托采购等，以确保及时、有效地获得原材料，同时减少采购成本和风险。
2、原材料储备规划为了确保生产顺利进行，生产企业需要保证原材料的供应和储备。
在储备过程中要注意以下几点：首先，确保储备的原材料符合企业的生产要求；其次，合理控制储备量，避免原材料长期存储造成浪费；最后，根据企业需要，安排合理的储备区域和储备周期。
3、供应商管理生产企业应该选择可靠的供应商，并进行长期合作，以降低交易成本并保证供应量。
同时，与供应商进行定期合作会议，减少合作过程中的不确定性。
二、原材料运输优化1、运营模式的制定企业的运营模式应当根据产品的特性和销售情况来制定。
如对于市场需求大的产品，选择即时供应的运营模式，而对于市场需求量较小的产品，采用定期交货的运营模式。
2、运输路线规划在保证产品质量的前提下，选择最佳运输路线可以大大降低运输成本。
采用专业的路线规划系统可以为企业提供科学、高效的路线方案，并根据实际情况进行调整。
3、运输方式的选择不同的运输方式适用于不同的原材料和产品类型。
企业应根据自身的特点，选择合适的运输方式。
如对于轻质、高价值的原材料或产品，可采用空运；对于大批量、重型原材料或产品，应优先采用铁路和水路运输。
总的来说，对于企业而言，在原材料订购和运输方面的优化模型不仅能够减少成本和风险，同时也是提高生产效率和满足顾客需求的关键。
因此，生产企业应不断完善和优化订购和运输方案，以适应市场变化和需求变化的挑战。
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钢管订购和运输优化模型要铺设一条1521A A A →→→ 的输送天然气的主管道, 如图一所示(见反面)。
经筛选后可以生产这种主管道钢管的钢厂有721,,S S S 。
图中粗线表示铁路，单细线表示公路，双细线表示要铺设的管道(假设沿管道或者原来有公路，或者建有施工公路)，圆圈表示火车站，每段铁路、公路和管道旁的阿拉伯数字表示里程(单位km)。
为方便计，1km 主管道钢管称为1单位钢管。
一个钢厂如果承担制造这种钢管，至少需要生产500个单位。
钢厂i S 在指定期限内能生产该钢管的最大数量为i s 个单位，钢管出厂销价1单位钢管为i p 万元，如下表：1单位钢管的铁路运价如下表：1000km 以上每增加1至100km 运价增加5万元。
公路运输费用为1单位钢管每公里0.1万元（不足整公里部分按整公里计算）。
钢管可由铁路、公路运往铺设地点（不只是运到点1521,,,A A A ，而是管道全线）。
问题：（1）请制定一个主管道钢管的订购和运输计划，使总费用最小（给出总费用)。
思考题：（2）请就（1）的模型分析：哪个钢厂钢管的销价的变化对购运计划和总费用影响最大，哪个钢厂钢管的产量的上限的变化对购运计划和总费用的影响最大，并给出相应的数字结果。
（3）如果要铺设的管道不是一条线，而是一个树形图，铁路、公路和管道构成网络，请就这种更一般的情形给出一种解决办法，并对图二按（1）的要求给出模型和结果。
7一． 基本假设：1． 沿铺设的主管道以有公路或者有施工公路。
2． 在主管道上，每公里卸1单位的钢管。
3． 公路运输费用为1单位钢管每公里0.1万元（不足整公里部分按整公里计算） 4． 在计算总费用时，只考虑运输费和购买钢管的费用，而不考虑其他费用。
5． 在计算钢厂的产量对购运计划影响时，只考虑钢厂的产量足够满足需要的情况，即钢厂的产量不受限制。
6． 假设钢管在铁路运输路程超过1000km 时，铁路每增加1至100km ，1单位钢管7的运价增加5万元。
二．符号说明：i S ：第i 个钢厂； 7,,2,1 =i i s ：第i 个钢厂的最大产量； 7,,2,1 =ij A ：输送管道（主管道）上的第j 个点； 15,,2,1 =j i p ：第i 个钢厂1单位钢管的销价； 7,,2,1 =iij x ：钢厂i S 向点j A 运输的钢管量； 7,,2,1 =i 15,,2,1 =jj t ：在点j A 与点1+j A 之间的公路上，运输点j A 向点1+j A 方向铺设的钢管量；14,,3,2,1 =j (01=t )ij a ：1单位钢管从钢厂i S 运到结点j A 的最少总费用，即公路运费﹑铁路运费和钢管销价之和； 7,,2,1 =i 15,,2,1 =jj b ：与点j A 相连的公路和铁路的相交点； 15,,3,2 =j1.+j j A ：相邻点j A 与1+j A 之间的距离； 14,,2,1 =j三．模型的建立与求解问题一：讨论如何调整主管道钢管的订购和运输方案使总费用最小由题意可知，钢管从钢厂i S 到运输结点j A 的费用ij a 包括钢管的销价﹑钢管的铁路运输费用和钢管的公路运输费用。
在费用ij a 最小时，对钢管的订购和运输进行分配，可得出本问题的最佳方案。
1、 求钢管从钢厂i S 运到运输点j A 的最小费用1）将图一转换为一系列以单位钢管的运输费用为权的赋权图。
由于钢管从钢厂i S 运到运输点j A 要通过铁路和公路运输，而铁路运输费用是分段函数，与全程运输总距离有关。
又由于钢厂i S 直接与铁路相连，所以可先求出钢厂i S 到铁路与公路相交点j b 的最短路径。
如图三图三 铁路网络图依据钢管的铁路运价表，算出钢厂i S 到铁路与公路相交点j b 的最小铁路运输费用，并把费用作为边权赋给从钢厂i S 到j b 的边。
再将与j b 相连的公路、运输点i A 及其与之相连的要铺设管道的线路（也是公路）添加到图上，根据单位钢管在公路上的运价规定，得出每一段公路的运费，并把此费用作为边权赋给相应的边。
以1S 为例得图四图四 钢管从钢厂1S 运到各运输点j A 的铁路运输与公路运输费用权值图2）计算单位钢管从1S 到j A 的最少运输费用根据图四，借助图论软件包中求最短路的方法求出单位钢管从1S 到j A 的最少运输费用依次为：170.7，160.3，140.2，98.6，38，20.5，3.1，21.2，64.2，92，96，106，121.2，128，142（单位：万元）。
加上单位钢管的销售价i p ，得出从钢厂1S 购买单位钢管运输到点j A 的最小费用j a 1依次为：330.3，320.3，300.2，258.6，198，180.5，163.1，181.2，224.2，252，256，266，281.2，288，302（单位：万元）。
同理，可用同样的方法求出钢厂2S ﹑3S ﹑4S ﹑5S ﹑6S ﹑7S 到点j A 的最小费用，从而得出钢厂到点的最小总费用（单位：万元）为：表一 i S 到点j A 最小费用a2a3a4a5a6a7a8a9a10 a11 a12a13a14 a15s1 320.3 300.2 258.6 198 180.5 163 181.2 224.2 252 256 266 281.2 288 302 s2 360.3 345.2 326.6 266 250.5 241 226.2 269.2 297 301 311 326.2 333 347 s3 375.3 355.2 336.6 276 260.5 251 241.2 203.2 237 241 251 266.2 273 287 s4 410.3 395.2 376.6 316 300.5 291 276.2 244.2 222 211 221 236.2 243 257 s5 400.3 380.2 361.6 301 285.5 276 266.2 234.2 212 188 206 226.2 228 242 s6 405.3 385.2 366.6 306 290.5 281 271.2 234.2 212 201 195 176.2 161 178 s7 425.3 405.2 386.6 326 310.5 301 291.2 259.2 237 226 216 198.2 186 1622、建立模型运输总费用可分为两部分：运输总费用=钢厂到各点的运输费用+铺设费用。
运输费用：若运输点j A 向钢厂i S 订购ij x 单位钢管，则钢管从钢厂i S 运到运输点j A 所需的费用为ij ij x a 。
由于钢管运到1A 必须经过2A ，所以可不考虑1A ，那么所有钢管从各钢厂运到各运输点上的总费用为：∑∑==15271j i ijij a x。
铺设费用：当钢管从钢厂i S 运到点j A 后，钢管就要向运输点j A 的两边1+j j A A 段和j j A A 1-段运输（铺设）管道。
设j A 向1+j j A A 段铺设的管道长度为j y ，则j A 向1+j j A A 段的运输费用为()201)21(1.0+=+++⨯j j j t t y （万元）；由于相邻运输点j A 与1+j A 之间的距离为1.+j j A ，那么1+j A 向1+j j A A 段铺设的管道长为j j j t A -+1.，所对应的铺设费用为()()2011.1.jj j j j j t A t A-+-++（万元）。
所以，主管道上的铺设费用为：()()()∑=++⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+-++1411.1.201201j j j j j j j j j t A t A t t总费用为：()()()∑∑∑===++⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+-+++=711521411.1.201201i j j j j j j j j j j ij ij t A t A t t a x f又因为一个钢厂如果承担制造钢管任务，至少需要生产500个单位，钢厂i S 在指定期限内最大生产量为i s 个单位，故i j ijs x≤≤∑=152500 或0152=∑=j ij x 因此本问题可建立如下的非线性规划模型：3、模型求解：015,,2,7,,1 00 500,152,3,j ..20)1)((20)1((min 1.15215271152711411.1.⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧≤≤==≥=≤≤==⋅+-+-++=+======++∑∑∑∑∑∑j j j ij j ij j i ij i j ij j i ijijj j j j j j j j j A t j i x x s x n x t s a xt A t A t t f 或由于MATLAB 不能直接处理约束条件：i j ijs x≤≤∑=152500或0152=∑=j ij x ，我们可先将此条件改为i j ijs x≤∑=152，得到如下模型：用MATLAB 求解，分析结果后发现购运方案中钢厂7S 的生产量不足500单位，下面我们采用不让钢厂7S 生产和要求钢厂7S 的产量不小于500个单位两种方法计算：1）不让钢厂7S 生产计算结果：=1f 1278632（万元）（此时每个钢厂的产量都满足条件）。
2）要求钢厂7S 的产量不小于500个单位计算结果：=2f 1279664 （万元） （此时每个钢厂的产量都满足条件）。
比较这两种情况，得最优解为， 121),min(min f f f f ===1278632（万元） 具体的购运计划如表二：表二 问题一的订购和调运方案015,,2,7,,1 0 ,152,3,j ..20)1)((20)1((min 1.15271152711411.1.⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧≤≤==≥≤==⋅+-+-++=+=====++∑∑∑∑∑j j j ij j i ij i j ij j i ijijj j j j j j j j j A t j i x s x n x t s a xt A t A t t f。