运筹学运输问题分析教学资料

Chapter3运输(yùnshū)规划

(TransportationProblem)运输(yùnshū)规划问题的数学模型表上作业法运输(yùnshū)问题的应用本章主要内容：第一页，共80页。运输(yùnshū)规划问题的数学模型例3.1某公司从两个(liǎnɡɡè)产地A1、A2将物品运往三个销地B1,B2,B3，各产地的产量、各销地的销量和各产地运往各销地每件物品的运费如下表所示，问：应如何调运可使总运输费用最小？B1B2B3产量A1646200A2655300销量150150200第二页，共80页。运输规划(guīhuà)问题的数学模型解：产销平衡问题：总产量=总销量＝500设xij为从产地(chǎndì)Ai运往销地Bj的运输量，得到下列运输量表：B1B2B3产量A1x11x12x13200A2x21x22x23300销量150150200MinC=6x11+4x12+6x13+6x21+5x22+5x23s.t.x11+x12+x13=200

x21+x22+x23=300

x11+x21=150

x12+x22=150

x13+x23=200xij≥0(i=1、2；j=1、2、3）第三页，共80页。运输规划(guīhuà)问题的数学模型运输(yùnshū)问题的一般形式：产销平衡A1、A2、…、Am表示某物资的m个产地；B1、B2、…、Bn表示某物质的n个销地；ai表示产地Ai的产量；bj表示销地Bj的销量；cij表示把物资从产地Ai运往销地Bj的单位(dānwèi)运价。设xij为从产地Ai运往销地Bj的运输量，得到下列一般运输量问题的模型：第四页，共80页。运输(yùnshū)规划问题的数学模型已知资料(zīliào)如下：

销产地地产量产销平衡销量运价(yùnjià)第五页，共80页。运输规划(guīhuà)问题的数学模型当产销平衡时，其模型(móxíng)如下：第六页，共80页。运输(yùnshū)规划问题的数学模型当产大于销时，其模型(móxíng)如下：第七页，共80页。运输规划(guīhuà)问题的数学模型当产小于销时，其模型(móxíng)如下：第八页，共80页。运输规划(guīhuà)问题的数学模型特征：1、平衡运输问题必有可行解，也必有最优解；2、运输问题的基本(jīběn)可行解中应包括m+n－1个基变量。第九页，共80页。运输规划(guīhuà)问题的数学模型运输(yùnshū)问题约束条件的系数矩阵mn第十页，共80页。运输规划(guīhuà)问题的数学模型第十一页，共80页。基本可行解是否最优解结束换基是否运输问题的求解(qiújiě)思路运输规划(guīhuà)问题的数学模型第十二页，共80页。

计算(jìsuàn)步骤：(1)找出初始调运(diàoyùn)方案。即在(m×n)产销平衡表上给出m+n-1个数字格。(最小元素法、西北角法或伏格尔法）(2)求检验数。（闭回路法或位势法）判别是否达到最优解。如已是最优解，则停止(tíngzhǐ)计算，否则转到下一步。(3)对方案进行改善，找出新的调运方案。（表上闭回路法调整）确定m+n-1个基变量(4)重复（2）、（3），直到求得最优调运方案。空格二、表上作业法第十三页，共80页。表上作业(zuòyè)法表上作业法是一种求解运输(yùnshū)问题的特殊方法，其实质是单纯形法。步骤描述方法第一步求初始基行可行解（初始调运方案）最小元素法、西北角法、伏格尔法第二步求检验数并判断是否得到最优解当非基变量的检验数σij全都非负(求min)时得到最优解，若存在检验数σij<0，说明还没有达到最优，转第三步。闭回路法和位势法第三步调整运量，即换基，选一个变量出基，对原运量进行调整得到新的基可行解，转入第二步第十四页，共80页。表上作业(zuòyè)法例3.2某运输(yùnshū)资料如下表所示：单位销地运价产地产量311310719284741059销量3656问：应如何(rúhé)调运可使总运输费用最小？1、求初始方案：最小元素法、西北角法、伏格尔法第十五页，共80页。表上作业(zuòyè)法基本思想是就近供应(gōngyìng)，即从运价最小的地方开始供应(gōngyìng)（调运），然后次小，直到最后供完为止。B1B2B3B4产量A17A2

4A39销量3656311310192741058总的运输费＝(3×1)+(6×4)+(4×3)+(1×2)+(3×10)+(3×5)=86元方法(fāngfǎ)1：最小元素法341633第十六页，共80页。表上作业(zuòyè)法练习(liànxí)销地产地B1B2B3B4产量A1675314A2842727A35910619销量221312131213131912第十七页，共80页。表上作业(zuòyè)法（2）西北角法（或左上角法）此法是纯粹的人为的规定，没有理论依据和实际背景，但它易操作，特别适合在计算机上编程计算，因而(yīnér)受欢迎。方法如下：365674934490656404902562029005620090036360000000340002200036第十八页，共80页。表上作业(zuòyè)法在满足(mǎnzú)约束条件下尽可能的给最左上角的变量最大值.销地产地B1B2B3B4产量A141241116A22103910A38511622销量8141214488864814所以，初始(chūshǐ)基可行解为：(8,8,4,8,14)目标函数值Z＝372例3.3某运输资料如下表所示：第十九页，共80页。表上作业(zuòyè)法练习(liànxí)销地产地B1B2B3B4产量A1675314A2842727A35910619销量22131213813131466第二十页，共80页。表上作业(zuòyè)法最小元素法的缺点是：为了节省一处的费用，有时造成(zàochénɡ)在其他处要多花几倍的运费。伏格尔法考虑到，一产地的产品假如不能按最小运费就近供应，就考虑次小运费，这就有一个差额。差额越大，说明不能按最小运费调运时，运费增加越多。因而对差额最大处，就应当采用最小运费调运。例如下面两种运输方案。最小元素(yuánsù)法：15152012105815510总运费是z=10×8+5×2+15×1=10515152012105851510另一种方法：总运费z=10×5+15×2+5×1=85第二十一页，共80页。表上作业(zuòyè)法方法(fāngfǎ)2：Vogel法1）从运价(yùnjià)表中分别计算出各行和各列的最小运费和次最小运费的差额，并填入该表的最右列和最下行。B1B2B3B4产量行差额A177A2

41A391销量3656列差额251331131019274105810-3=72-1=15-4=13-1=29-4=53-2=18-5=3第二十二页，共80页。表上作业(zuòyè)法2）再从差值最大的行或列中找出最小运价确定供需关系(guānxì)和供需数量。当产地或销地中有一方数量供应完毕或得到满足时，划去运价表中对应的行或列。重复1)和2)，直到找出初始解为至。B1B2B3B4产量行差额A177A2

41A3

91销量3656列差额25133113101927410585第二十三页，共80页。表上作业(zuòyè)法单位销地运价产地产量行差额311310719284741059销量3656列差额7135275×××3×第二十四页，共80页。表上作业(zuòyè)法单位销地运价产地产量行差额311310719284741059销量3656列差额113515×××3×631××2该方案(fāngàn)的总运费:(1×3)＋(4×6)＋(3×5)＋(2×10)＋(1×8)＋(3×5)＝85元第二十五页，共80页。销地产地B1B2B3B4产量行差额A1412411160A221039101A385116221销量814121448列差额251314所以(suǒyǐ)，初始基可行解为：……目标函数值Z＝244表上作业(zuòyè)法例3.4某运输(yùnshū)资料如下表所示：第二十六页，共80页。销地产地B1B2B3B4产量行差额A1412411160A221039101A385116221销量814121448列差额21314所以，初始(chūshǐ)基可行解为：……目标函数值Z＝2448表上作业(zuòyè)法例3.4某运输(yùnshū)资料如下表所示：第二十七页，共80页。销地产地B1B2B3B4产量行差额A1412411160A221039101A385116221销量814121448列差额21314所以，初始(chūshǐ)基可行解为：……目标函数值Z＝24488表上作业(zuòyè)法例3.4某运输资料(zīliào)如下表所示：第二十八页，共80页。销地产地B1B2B3B4产量行差额A1412411160A221039101A38511622销量814121448列差额1314所以，初始基可行解为：……目标(mùbiāo)函数值Z＝24488表上作业(zuòyè)法例3.4某运输(yùnshū)资料如下表所示：12第二十九页，共80页。销地产地B1B2B3B4产量行差额A1412411160A221039101A38511622销量814121448列差额314所以，初始基可行(kěxíng)解为：……目标函数值Z＝24488表上作业(zuòyè)法例3.4某运输(yùnshū)资料如下表所示：1224第三十页，共80页。表上作业(zuòyè)法练习(liànxí)销地产地B1B2B3B4产量A1675314A2842727A35910619销量221312131213121319第三十一页，共80页。表上作业(zuòyè)法2、最优解的判别(pànbié)（检验数的求法）求检验数的方法(fāngfǎ)有两种：闭回路法对偶变量法（位势法）（1）闭合回路法：σij≥0（因为目标函数要求最小化）表格中有调运量的地方为基变量，空格处为非基变量。基变量的检验数σij＝0，非基变量的检验数σij≥0。σij<0表示运费减少，σij>0表示运费增加。第三十二页，共80页。闭回路：从空格出发顺时针(或逆时针)画水平(或垂直)直线，遇到填有运量的方格可转90°，然后继续前进，直到到达(dàodá)出发的空格所形成的闭合回路。调运(diàoyùn)方案的任意空格存在唯一闭回路。表上作业(zuòyè)法注：1.每一空格有且仅有一条闭回路；2.如果某数字格有闭回路，则此解不是可行解。若令则—运费的增量分析：第三十三页，共80页。表上作业(zuòyè)法以最小元素法的初始解为例。假设产地A1供应1个单位的物品给销地B1。则解的变化和目标(mùbiāo)函数的变化如何。销地产地B1B2B3B4产量A141241116106A2210391082A38511622148销量814121448第三十四页，共80页。表上作业(zuòyè)法要保证(bǎozhèng)产销平衡，则称为闭回路销地产地B1B2B3B4产量A141241116106A2210391082A38511622148销量8141214481第三十五页，共80页。表上作业(zuòyè)法销地产地B1B2B3B4产量A141241116106A2210391082A38511622148销量81412144812第三十六页，共80页。表上作业(zuòyè)法销地产地B1B2B3B4产量A141241116106A2210391082A38511622148销量814121448121第三十七页，共80页。表上作业(zuòyè)法销地产地B1B2B3B4产量A141241116106A2210391082A38511622148销量81412144810211第三十八页，共80页。表上作业(zuòyè)法销地产地B1B2B3B4产量A141241116106A2210391082A38511622148销量8141214481211210第三十九页，共80页。表上作业(zuòyè)法销地产地B1B2B3B4产量A141241116106A2210391082A38511622148销量814121448121-11210检验数中有负数，说明(shuōmíng)原方案不是最优解。第四十页，共80页。表上作业(zuòyè)法练习(liànxí)销地产地B1B2B3B4产量A167531414A28427278136A35910619613销量221312135579-3-11第四十一页，共80页。

uivjm个n个（2）对偶变量(biànliàng)法（位势法）表上作业(zuòyè)法设其对偶(duìǒu)变量为：第四十二页，共80页。

ui‚vj无约束（i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)标准型运输问题(wèntí)的对偶问题(wèntí)模型为：表上作业(zuòyè)法则运输问题(wèntí)变量xij的检验数为：第四十三页，共80页。表上作业(zuòyè)法用位势法对初始方案进行最优性检验(jiǎnyàn)的方法：1）在给定初始解的表上增加一行(yīxíng)和一列，在列中填入ui，在行中填入vj。2）令u1＝0，再按cij-(ui+vj)=0（基变量的cij求出其余的ui与vj。3）由ij=Cij-（ui+vj），求出非基变量的检验数。第四十四页，共80页。表上作业(zuòyè)法B1B2B3B4uiA1A2A3vj311310192741058u1u2u3v3v4v1v2注意(zhùyì)：基变量的检验数ij=Cij-（ui+vj）=0436313第四十五页，共80页。表上作业(zuòyè)法B1B2B3B4uiA1A2A3vj3113101927410580-1-531029令u1=0u1+v3=3u1+v4=10u2+v3=2u2+v1=1u3+v2=4u3+v4=5436313第四十六页，共80页。表上作业(zuòyè)法21039vj-5A3-1A20A1uiB4B3B2B1436313（1）（2）（1）（-1）（10）（12）当存在(cúnzài)非基变量的检验数ij≥0，说明现行方案为最优方案，否则目标成本还可以进一步减小。注意(zhùyì)：非基变量的检验数ij=cij-（ui+vj）11=c11-（u1+v1）=3-(0+2)=131=c31-（u3+v1）=7-(2-5)=1024=c24-（u2+v4）=8-(10-1)=-122=c22-（u2+v2）=9-(9-1)=112=c12-（u1+v2）=11-(0+9)=233=c33-（u3+v3）=10-(3-5)=12311310192741058第四十七页，共80页。表上作业(zuòyè)法3、解的改进——闭合(bìhé)回路调整法（原理同单纯形法一样）当在表中空格处出现负检验数时，表明未得最优解。若有两个或两个以上的负检验数时，一般选用其中最小的负检验数，以它对应的空格为调入格，即以它对应的非基变量为换入变量。做一闭合(bìhé)回路。(1)确定换入基的变量：当存在非基变量的检验数kl<0且kl=min{ij}时，以Xkl为换入变量，找出它在运输表中的闭合回路。接上例：pqijj,i)(minσ

σ=<0Xpq=X24为换入变量解的改进的具体步骤：第四十八页，共80页。表上作业(zuòyè)法21039vj-5A3-1A20A1uiB4B3B2B1436313311310192741058（1）（2）（1）（-1）（10）（12）(2)顶点编号：以空格(Ak,Bl)(或进基变量xik）为第一个奇数顶点，沿闭回路(huílù)的顺（或逆）时针方向前进，对闭回路(huílù)上的顶点依次编号。1324第四十九页，共80页。表上作业(zuòyè)法21039vj-5A3-1A20A1uiB4B3B2B1436313311310192741058（1）（2）（1）（-1）（10）（12）(2)顶点编号：以空格(kōnɡɡé)(Ak,Bl)(或进基变量xik）为第一个奇数顶点，沿闭回路的顺（或逆）时针方向前进，对闭回路上的顶点依次编号。1324换出变量(biànliàng)X23第五十页，共80页。表上作业(zuòyè)法(3)确定换出基的变量：在该闭回路上，从所有偶数号格点的调运量中选出最小值的顶点（格子），以该格子中的变量为换出变量。(4)确定新的运输方案：以换出变量的运输量为调整量θ，将该闭回路上所有奇数号格的调运量加上调整量θ，所有偶数号格的调运量减去θ，其余的不变，这样就得到一个(yīɡè)新的调运方案。该运输方案的总运费比原运输方案减少，改变量等于换出变量的检验数。(5)然后(ránhòu)，再对得到的新解进行最优性检验，加不是最优解，就重复以上步骤继续进行调整，一直到得出最优解为止。第五十一页，共80页。表上作业(zuòyè)法21039vj-5A3-1A20A1uiB4B3B2B13631(＋1)(＋1)(－1)(－1)31131019274105843第五十二页，共80页。表上作业(zuòyè)法31039vj-5A3-2A20A1uiB4B3B2B1536312311310192741058重新(chóngxīn)求所有非基变量的检验数：第五十三页，共80页。表上作业(zuòyè)法31039vj-5A3-2A20A1uiB4B3B2B1536312（2）（2）（1）（12）（9）（0）当所有非基变量的检验数均非负时，则当前(dāngqián)调运方案即为最优方案，如表此时最小总运费：Z=(1×3)＋(4×6)＋(3×5)＋(2×10)＋(1×8)＋(3×5)＝85元311310192741058第五十四页，共80页。表上作业(zuòyè)法表上作业法的计算(jìsuàn)步骤：分析实际问题列出产销平衡表及单位运价表确定初始调运方案（最小元素法或Vogel法）求检验数（位势法）所有检验数≥0找出绝对值最大的负检验数，用闭合回路调整，得到新的调运方案得到最优方案，算出总运价第五十五页，共80页。表上作业(zuòyè)法表上作业法计算(jìsuàn)中的问题：（1）若运输问题的某一基可行解有多个非基变量的检验数为负，在继续迭代时，取它们中任一变量为换入变量均可使目标函数值得到改善，但通常取σij<0中最小者对应(duìyìng)的变量为换入变量。（2）无穷多最优解 产销平衡的运输问题必定存最优解。如果非基变量的σij＝0，则该问题有无穷多最优解。如上例：σ11的检验数是0，经过调整，可得到另一个最优解。第五十六页，共80页。表上作业(zuòyè)法⑵退化解： ※表格中一般要有(m+n-1)个数字格。但有时在分配(fēnpèi)运量时则需要同时划去一行和一列，这时需要补一个0，以保证有(m+n-1)个数字格作为基变量。一般可在划去的行和列的任意空格处加一个0即可。 ※利用进基变量的闭回路对解进行调整时，标有负号的最小运量（超过2个最小值）作为调整量θ，选择任意一个最小运量对应的基变量作为出基变量，并打上“×”以示作为非基变量。第五十七页，共80页。表上作业(zuòyè)法销地产地B1B2B3B4产量A116A210A322销量81412141241148310295116(0)(2)(9)(2)(1)(12)81242814如下例中σ11检验数是0，经过调整，可得到(dédào)另一个最优解。第五十八页，共80页。表上作业(zuòyè)法销地产地B1B2B3B4产量A17A24A39销量36562011443137782106×3×416×06×××在x12、x22、x33、x34中任选(rènxuǎn)一个变量作为基变量，例如选x34例：用最小元素(yuánsù)法求初始可行解第五十九页，共80页。一、产销不平衡的运输问题 当总产量与总销量(xiāoliànɡ)不相等时,称为不平衡运输问题.这类运输问题在实际中常常碰到,它的求解方法是将不平衡问题化为平衡问题再按平衡问题求解。当产大于销时，即：数学模型为：运输问题(wèntí)的进一步讨论第六十页，共80页。由于总产量大于总销量，必有部分产地的产量不能全部运送完，必须就地库存，即每个产地设一个仓库(cāngkù)，假设该仓库(cāngkù)为一个虚拟销地Bn+1，bn+1作为一个虚设销地Bn+1的销量(即库存量)。各产地Ai到Bn+1的运价为零，即Ci,n+1=0,（i=1，…，m）。则平衡问题的数学模型为：具体求解(qiújiě)时,只在运价表右端增加一列Bn+1，运价为零,销量为bn+1即可运输(yùnshū)问题的进一步讨论第六十一页，共80页。当销大于产时，即：数学模型为：由于总销量大于总产量,故一定有些需求地不完全满足,这时虚设一个产地Am+1，产量为：运输(yùnshū)问题的进一步讨论第六十二页，共80页。销大于产化为平衡(pínghéng)问题的数学模型为：具体计算时，在运价表的下方(xiàfānɡ)增加一行Am+1，运价为零。产量为am+1即可。运输问题(wèntí)的进一步讨论第六十三页，共80页。例3.4求下列表中极小(jíxiǎo)化运输问题的最优解。B1B2B3B4aiA1592360A2--47840A3364230A448101150bj20603545180160因为(yīnwèi)有：运输(yùnshū)问题的进一步讨论第六十四页，共80页。所以是一个产大于销的运输问题。表中A2不可达B1，用一个很大的正数M表示运价C21。虚设(xūshè)一个销量为b5=180-160=20，Ci5=0，i=1,2,3,4，表的右边增添一列，得到新的运价表。B1B2B3B4B5aiA15923060A2M478040A33642030A4481011050bj2060354520180运输(yùnshū)问题的进一步讨论第六十五页，共80页。下表为计算结果。可看出：产地(chǎndì)A4还有20个单位没有运出。B1B2B3B4B5AiA1352560A24040A3102030A420102050Bj2060354520180用前面的方法求运输(yùnshū)方案：运输(yùnshū)问题的进一步讨论第六十六页，共80页。运输(yùnshū)问题的进一步讨论例3.5某市有三个造纸厂A1，A2，A3，其纸的产量分别为8，5和9个单位，有4个集中用户B1，B2，B3，B4，其需用量分别为4，3，5和6个单位。由各造纸厂到各用户的单位运价如表3—14所示，请确定总运费最少的调运(diàoyùn)方案。销地产地B1B2B3B4产量A1312348A2112595A367159销量4356第六十七页，共80页。运输问题(wèntí)的进一步讨论解：由于总产量22大于总销量18，故本问题是个产销不平衡运输问题。增加一假想销地B5，用表上作业(zuòyè)法求解。销地产地B1B2B3B4B5(贮存)产量A13123408A21125905A3671509销量43564第六十八页，共80页。运输(yùnshū)问题的进一步讨论销地产地B1B2B3B4B5(贮存)产量A13123408418634A211259050302-8A3671509-2954-4销量43564第六十九页，共80页。应用问题(wèntí)举例例3.5由n个地区需要某种物资，需要量分别(fēnbié)不少于bj（j=1,…,n）。这些物资均由某公司分设在m个地区的工厂供应，各工厂的产量分别(fēnbié)不大于ai（i=1,…,m）,已知从第i个地区至第j个需求地区单位物资的运价为cij，又，试写出其对偶问题，并解释对偶变量的经济意义。由于在变量(biànliàng)相等的情况下，表上作业法的计算远比单纯形法简单得多。所以在解决实际问题时，人们常常尽可能把某些线性规划的问题化为运输问题的数学模型。第七十页，共80页。应用问题(wèntí)举例

解：由题给出的条件(tiáojiàn)，数学模型可写为:对偶(duìǒu)问题可写为：第七十一页，共80页。应用(yìngyòng)问题举例对偶变量ui的经济意义为在i产地单位物资的价格，vj的经济意义为在第j销地单位物资的价格。对偶问题的经济意义为：如该公司欲自己将该种物资运至各地销售，其差价不能超过两地(liǎnɡdì)之间的运价（否则买主将在i地购买自己运至j地），在此条件下，希望获利为最大。第七十二页，共80页。应用问题(wèntí)举例已知资料(zīliào)如下表所示，问如何供电能使总的输电费用为最小？发电厂发电量城市需电量A1700B1500A2200B2250A3100B3100B4150电力(diànlì)供需表B1B2B3B4A110523A24312A35634单位输电费用练习：第七十三页，共80页。B1B2B3B4A140025050A2100100A3400初始(chūshǐ)方案单位(dānwèi)输电费用电力(diànlì)供需表应用问题举例发电厂发电量城市需电量A1700B15