数学建模论文饮酒驾车模型

..>饮酒驾车模型摘要交通事故是目前危害人类生命的第一杀手,而酒后驾车已经成为引发交通事故的重要原因之一,并日益凸现为社会问题,因此必须加强有效防控,以保障交通平安和秩序.长期以来,我国酒后驾车现象一直处于较快增长的态势,由酒后驾车引发的交通事故屡见不鲜,酒后驾车成为备受社会关注的热点问题.本文主要讨论了在两种饮酒方式下血液中酒精含量如何变化的问题.通过建立了胃、肠和体液里酒精浓度的微分方程，综合分析了饮酒量、饮酒方式和饮酒者质量三个因素对平安驾车的影响.针对饮酒方式的不同，本文将饮酒过程分成快速饮酒、*时间段内匀速饮酒和屡次饮酒三种形式来讨论.并分别建立了快速饮酒、匀速饮酒和屡次饮酒系统动力学模型，并运用非线性最小二乘法进展数据拟合得到相关参数,从而得到了血液中酒精含量与时间的函数关系〔见图二〕。并结合模型Ⅰ，运用MATLAB工具得到了快速饮用三瓶啤酒时的违规时间分布〔见图三〕.进而推广到快速饮用不同量的啤酒的违规时间分布图〔见图四〕.最后对相关问题进展了解答,结果说明,模型是合理和有效的.另外，本文在模型分析中具体的解释了大李所遇到的问题〔详见模型分析〕.并给想喝一点酒的司机在驾车方面提出了相应的建议和指导.关键词最小二乘法房室模型动力学模型matlab软件拟合曲线目录摘要错误！未定义书签。一、问题重述 3二、问题分析 3三、模型假设 4四、符号说明 4五、模型的建立与求解 55.1快速饮酒的模型错误！未定义书签。5.2慢速饮酒的模型错误！未定义书签。5.3屡次饮酒模型 10六、模型的评价与改进 116.1解释题目中大李遇到的问题 12喝了三瓶酒或半斤低度白酒后多久才能驾车 136.3估计血液中酒精含量在何时最高136.4天天喝酒，能否开车146.5给司机的忠告15七、模型评价16八、模型推广17九、参考文献17十、附录17问题重述据报载，2003年全国道路交通事故死亡人数为万，其中因饮酒驾车造成的占有相当的比例.针对这种严重的道路交通情况，国家质量监视检验检疫局2004年5月31日发布了新的"车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阈值与检验"国家标准，新标准规定，车辆驾驶人员血液中的酒精含量大于或等于20毫克／百毫升，小于80毫克／百毫升为饮酒驾车〔原标准是小于100毫克／百毫升〕，血液中的酒精含量大于或等于80毫克／百毫升为醉酒驾车〔原标准是大于或等于100毫克／百毫升〕.大李在中午12点喝了一瓶啤酒，下午6点检查时符合新的驾车标准，紧接着他在吃晚饭时又喝了一瓶啤酒，为了保险起见他呆到凌晨2点才驾车回家，又一次遭遇检查时却被定为饮酒驾车，这让他既懊恼又困惑，为什么喝同样多的酒，两次检查结果会不一样呢？并进一步分析快速或匀速饮3瓶啤酒在多长时间内驾车就会违反新标准，估计血液中的酒精含量在什么时间最高，如果*人天天喝酒，是否还能开车等问题.并根据所做出的结果，结合新国家标准写一篇短文，给想喝一点酒的司机如何驾车提出忠告.问题分析根据生物学知识可得，酒精进入机体后，同药物一样，作用于机体而影响*些器官组织的功能；另一方面酒精在机体的影响下，可以发生一系列的运动和体内过程：自用药部位被吸收进入血液循环；然后分布于各器官组织、组织间隙或细胞内；有局部酒精则在血浆、组织中与蛋白质结合；或在各组织〔主要是肝脏〕发生化学反响而被代谢；最后，酒精可通过各种途径离开机体〔排泄〕；即吸收、分布、代谢和排泄过程。它们可归纳为两大方面：一是酒精在体内位置的变化，即酒精的转运，如吸收、分布、排泄；二是酒精的化学构造的改变，即酒精的转化亦即狭义的代谢。由于转运和转化以致形成酒精在体内的量或浓度〔血浆内、组织内〕的变化，而且这一变化可随时间推移而发生动态变化.另外，根据生物学知识还知道酒精主要由胃、肠吸收，随后进入血液并随血液输送至体内各组织器官内，最后在肝脏中进展代谢.在此，可将胃、肠简化为吸收室，将肝脏简化为分解室。然而，酒精进入人体后，经一段时间进入血液，当在血液中达最高浓度时，随后便开场消除，把酒精在体内的代谢过程看为进与出的过程，这样便会使问题得到简化.但不同的饮酒方式对血液中酒精浓度的变化有不同的影响，所以，要从不同的饮酒方式进展考虑，从而设置相应的变量，建立模型.三、模型假设为了建立饮酒与平安驾车问题的数学模型，做出以下假设：确定是否饮酒驾车或醉酒驾车以新的国家标准为界〔国家标准"车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阈值与检验"规定：车辆驾驶人员血液中的酒精含量大于或等于20毫克／100毫升，小于80毫克／100毫升为饮酒驾车，血液中的酒精含量大于或等于80毫克／100毫升为醉酒驾车〕.酒精进入人体后经胃、肠吸收进入体液(含血液)，然后随血液循环至肝脏分解.酒精在血液和其他体液中的含量相等，体液密度是常数.每个人的胃、肠吸收酒精速率和肝脏分解酒精的速率是常数.酒精从胃、肠渗透入血液的速率和酒精在肝脏中分解的速率都与酒精质量浓度成正比.酒精进入人体内所占体积可忽略不计.在短时间内喝酒不计喝酒时间，在较长一段时间内喝酒被视为在这段时间内以恒定的速率连续喝酒的过程.体液占人体质量的68%，血液占人体质量的7%.忽略如下因素：口腔黏膜对酒精的吸收，通过呼吸、出汗、尿液排出的酒精，其他药物对酒精的影响等.人的吸收速度与代谢速率是恒定的且体重为定值70kg.在整体过程中没有摄入任何影响代谢的药类物质和剧烈性运动.大李用完晚餐在七点左右.符号说明本文所用到的符号如下表：表一序号符号说明=1\*GB2⑴吸收室中酒精浓度=2,3,4,5,6,7,8,9\*GB2=2\*GB2⑵血液中酒精浓度=3\*GB2⑶血液中酒精浓度的增加速率与的比例系数=4\*GB2⑷血液中酒精浓度的减少速率与的比例系数=5\*GB2⑸吸收室中酒精浓度的减少速率与QUOTE的比例系数=6\*GB2⑹人体的质量=7\*GB2⑺体液体积=8\*GB2⑻进入人体的酒精质量=9\*GB2⑼喝的啤酒瓶数=10\*GB2⑽时间=11\*GB2⑾屡次饮酒的周期=12\*GB2⑿屡次饮酒时，每次饮酒的量=13\*GB2⒀慢速饮酒所需时间五、模型建立与求解根据知识可得，酒精主要由胃、肠吸收，随后进入血液并随血液输送至体内各组织器官内，最后在肝脏中进展代谢.现将胃、肠简化为吸收室，将肝脏简化为分解室，忽略干扰因素，可得酒精的吸收和输送流程示意图〔图一〕：代谢酒精胃、肠〔吸收室〕酒精血液B代谢酒精胃、肠〔吸收室〕酒精血液B〔t〕酒精进入血液图一：酒精的吸收和输送流程示意图图一中的(mg/(100mL))和(mg/(100mL))分别表示t时刻酒精在吸收室和血液中的浓度.5.1快速饮酒模型在该模型中，假设酒是在短时间内喝下去的.在此方式下，吸收室中酒精质量浓度的变化率和QUOTE成正比关系，比例系数为，可得微分方程：血液中酒精质量浓度的变化率为，于是可得微分方程：综上所述，得到快速饮酒的微分方程模型：对模型进展求解得：通过Matlab软件对数据进展拟合，求的：根据假设，得知：QUOTE为体液密度(mg/(100mL)),且为一常数。从相关的资料中可以得知：酒精的密度为毫克／毫升，啤酒中酒精占3．3％到5％，可以取4．15％为计算标准，每瓶啤酒650毫升．可以得到*人喝下一瓶啤酒时，总的酒精量为650×4．15％×0．8=2158．0毫克.，得，将上面的数据带入后的到新的方程组：由上式可以得出，在短时间内喝酒的方式下，血液中的酒精质量浓度与喝入的酒精量m成正比，与人体质量M成反比，并随时间t变化.根据数据和求得的函数，使用Matlab软件进展拟合，绘制出在短时间内喝下两瓶酒后，人体血液中酒精浓度随时间的变化关系图(如图二)：QUOTE/mg/100ml图二：血液中酒精随时间的变化关系t/h从图像中可以判断出：在饮酒后小时内为饮酒驾车；在饮酒后以后则为正常情况.5.2慢速饮酒模型在该模型中，假设酒是在较长一段时间内喝下去的.在此方式下分析如下:5.2.10≤t≤(喝酒持续时间)，吸收室中酒精质量浓度的变化率仍与酒精进入吸收室的速率有关.根据假设，酒精进入吸收室的速率为QUOTE,吸收室中酒精质量浓度的变化率由和QUOTE组成.可得微分方程：血液中酒精质量浓度的变化率仍由QUOTE和−QUOTE组成，因此的微分方程：综上所述，得到慢速饮酒的微分方程模型：对模型进展求解得：将已经求得的数据带入上式后的到新的方程组：t≥时(喝完酒后)吸收室中酒精质量浓度的变化率和成正比关系，比例系数为QUOTE，可得微分方程：血液中酒精质量浓度的变化率为于是可得微分方程：综上所述，得到快速饮酒的微分方程模型：对模型进展求解得：将已经求QUOTE的数据带入上式后的到新的方程组由上面(1)式和(2)式可以看出，在用慢速喝酒的方式下，血液中的酒精质量浓度与喝入的酒精量m成正比，与人体质量M和喝酒所用时间成反比，并随着时间t变化.在此，根据的数据和上面求得的函数，使用Matlab软件绘制出在两个小时内匀速的喝下三瓶酒后，人体内酒精浓度随时间的变化图〔如图三〕：图三：两小时匀速饮酒后血液中酒精含量随时间变化图从图像中可得：在饮酒后小时内为醉酒驾车；在饮酒后小时为饮酒驾车.5.3屡次饮酒模型在此模型中，假设屡次饮酒的周期为QUOTE，每次饮酒量均一样为.在每个周期内，吸收室中酒精质量浓度的变化率和QUOTE成正比关系，比例系数为，可得微分方程：血液中酒精质量浓度的变化率为,于是可得微分方程：对于每个周期，QUOTE的变化率和QUOTE的变化率均满足以上的微分方程.综上所述，得到屡次饮酒的微分方程模型：对模型进展求解得：其中QUOTE和QUOTE是解微分方程中的参数.在所求得的结果中：〔1〕当n=1时〔2〕当n>1时解出通解中的参数为：图四：屡次饮酒血液中酒精浓度示意图由图四可得：在屡次饮酒过程中，每个饮酒周期完毕时，体内酒精浓度下降，而在下一个饮酒周期开场时，血液中酒精浓度呈上升趋势，这是由于吸收室中酒精浓度突然上升造成的.模型分析根据本文所建立的模型，下面将会分析并说明实际中遇到的一些问题;6.1解释题目中大李遇到的问题用快速饮酒模型进展解释：从中午12点到下午6点，T=6时，QUOTE=1451.598371mg/(100mL)由于在下午6点未测出酒精含量超标，则QUOTE<20mg/(100mL)，由此可以估计大李的质量m>67.697kg.之后，设大李再次饮酒的时间为晚上QUOTE时刻.由于此时大李的吸收室和血液中含有残留的酒精.所以，当tQUOTE时，大李喝酒满足的微分方程为：将已经求的数据带入上式后得：根据上式可得QUOTE，与大李在凌晨2点被测出饮酒驾车完全符合.6.2喝了三瓶酒或半斤低度白酒后多久才能驾车〔1〕快速饮酒状况下：由的模型可知：喝了三瓶酒，则n=3，所以有：设在QUOTE时刻刚好违反标准，之后，人体血液中酒精浓度先上升后下降.在QUOTE时刻，刚好符合标准:由于刚饮完酒从QUOTE到QUOTE时刻，司机不会去驾车，并且QUOTE很小，故在QUOTE时间内，司机违反标准，得到的数据结果如下〔见表二〕表二：快速饮酒时司机质量与恢复平安驾车时间关系表M/kg5060708090100由表可以看出，在短时间内喝一样量的酒的情况下，质量越大的人，恢复驾车的时间越短，血液中酒精的浓度相对越低.慢速饮酒状况下：由的模型〔假设在两个小时内喝完〕可知：设在QUOTE时刻刚好违反标准，之后，人体血液中酒精浓度先上升后下降。在QUOTE时刻，刚好符合标准:由于刚饮完酒从QUOTE到QUOTE时刻，司机不会去驾车，并且QUOTE很小，故在QUOTE时间内，司机违反标准，取m为50,60,70,80,90,100，得到的,结果如下〔见表三〕：表三：慢速饮酒的司机身体质量与恢复驾车时间关系表M/kg5060708090100观察表三，发现其与表一提醒的规律完全吻合.另外，通过比较可得到新的结论：喝酒时间越长，恢复驾车的时间越短.请司机朋友们不要误以为喝酒越快，恢复驾车的时间就越短.6.3估计血液中酒精含量在何时最高〔1〕快速饮酒状况下：由的模型可知：由图一可知，在一定时，的变化趋势是先上升后下降.根据数学知识，求：并令QUOTE，即可求出QUOTE，血液中酒精的含量在QUOTE时刻最高.取n=3,M分别为50,60,70,80,90,100得表四：表四：快速饮酒时司机身体质量与血液中酒精最高含量关系表m/kg5060708090100从表四中可以看出，在短时间内喝入等量酒的情况下，质量越大的人，血液中酒精质量浓度越低，最大浓度也相对越低.不同质量的人的血液中酒精质量浓度到达最大值都是在QUOTE.说明在快速饮酒方式下，血液中酒精质量浓度到达最大值的时间是由体内酒精质量浓度决定的.〔2〕慢速饮酒状况下：由的模型〔假设在两个小时内喝完〕可知：采用上述同样的方法，当n=3,M为50,60,70,80,90,100，得表五：表五：慢速饮酒时质量与血液中酒精最高含量关系表m/kg5060708090100由表四和表五比较得出：喝酒时间越长，血液中酒精的质量浓度的最小值越小，到达最大值所用时间越长.6.4天天喝酒，能否开车在此，假设每天都在同一时间饮酒.考虑到问题的普遍性，假设喝酒人的身体质量为M=70kg。在=1h内喝了n瓶啤酒，且每天只喝一次.根据可得：显然，恢复驾车的等待时间t与n有关，恢复驾车时，分别取n=0.5,1,1.5,2,2.5,3得到n取不同值时，血液中酒精浓度的变化曲线由图五给出，恢复驾车的所需时间由表五给出.表六：不同饮酒量与血液中酒精浓度变化关系表n/瓶123t/h0图五：不同饮酒量与血液中酒精浓度变化关系图从图五中可以看出，在t=14h时，血液中酒精含量已经很低(≤7.30166mg/mL)，对第2天同一时刻喝酒根本没有影响，这说明驾车人可以每天都喝酒.从表五中可以看出，喝半瓶啤酒不影响开车，如果喝酒5h后需要开车，只能喝1瓶，10h后开车，则可以喝3瓶.这对于司机具有非常现实的指导意义.6.5给司机的忠告致广阔的司机朋友们的一封信司机朋友们适量饮酒可以促进血液循环，对身体有一定的好处，但是过量饮酒则会不仅对身体造成危害，还给社会带来不平安隐患.所以对于喜欢饮酒的司机朋友们，饮酒量和时间关系控制是驾车必不可少的条件，让体内的酒精浓度在符合国家标准情况下平安驾驶.随着社会的进步，经济的开展，人们的生活条件也越来越富裕.不仅追求生活质量的提高，而且越来越关注身体的安康和保养.酒是餐桌上必不可少的一件物品.它与人们的日常生活息息相关.人在饮酒之后，酒对人脑的作用与人体血液中酒精浓度有着密切的关系，它将影响人体思想、行为，少喝固然能促进消化，有益身心安康.但是，多喝的后果是不堪设想的：伤及他人，对人体大脑造成伤害，更可怕的是在交通事故中它所扮演的恶性角色。据统计，酒后驾车发生事故的比率为没有饮酒情况下的16倍，几率高达27％.由此可以看出，合理饮酒至关重要.在此，给想要饮酒驾车的司机提出一些建议和忠告：〔1〕为了自身的安康，要平安饮酒。平安性饮纯酒量每日为50ml以内，有害量是每日100ml，危险量是每日150ml以上.〔2〕如果司机想每天即饮酒又驾车，而又不违规，请司机一定要记住每天涉入的酒精量不要超过20000毫克.〔3〕一次性饮酒的酒精量越大，到达标时的时间会越长，所以司机等待时间的长短应根据饮酒量的多少而定。比方说一次饮一瓶啤酒，大约6个小时后酒精含量就可达标；一次性喝2瓶啤酒，大概要等小时后才能达标；而一次性喝3瓶啤酒，则大概要等12小时后才能达标.〔4〕连续饮酒次数越多，每次间隔时间应越长.以司机大李为例，第一次饮啤酒一瓶，过六个小时达标，但第二次饮同样多的酒，同样再过六个，酒精含量增加到27毫克/百毫升，要使第二次饮酒后，不超标，则至少应在小时后再驾车.当然，司机为了自身及他人的生命平安，应该尽量少饮酒，并在饮酒后较短的时间内，尽量防止驾车.在现代生活中，生活节奏日益紧张，想得到一份精神的解脱和轻松，小酌一杯，倒也无妨.切记但凡要有个度.模型评价本文建立的模型具有以下三个优点和四个缺乏的地方.模型的优点〔1〕.本模型从三种情况分别建立模型，模型稳定性高，适用性强。模型简单明了，易于理解，给实际生活带来便利.〔2〕.运用MATLAB软件，准确求解，在运用MATLAB进展数据拟合时，得到了较理想化的曲线。在表示喝三瓶啤酒的人什么时候是饮酒驾车，什么时候是醉酒驾车时，运用MATLAB准确的做出了函数据图像，使结果一目了然.〔3〕.本模型计算步骤清晰，从问题出发，分析了应该考虑的各种情况，建立了一般的数学模型，并进展实例验证，从而证明我们建立的数学模型可以较好的解决实际问题，可靠性较高.模型的缺点〔1〕.由于模型参数仅是依靠题中给出的一组数据拟