基于线性规划的护士排班优化问题

基于线性规划的护士排班优化问题姓名1：学号：专业：姓名1：学号：专业：日期：2023年7月15日基于线性规划的护士排班优化问题摘要本文研究的是关于医院护士排班最优问题，本文的主要思想是根据约束条件建立相关的线性规划模型，利用Lingo求解，分别计算出每天，每星期的最少护士数，并给出具体的排班方案。问题一：计算每天该科所需的最少护士数。针对这一问，从各班次护士需求量考虑，依据每个护士每天至多工作8个小时，即上两个班次且两个班次不连上这一假定条件，假设每个时间段开始登记上班的人数为xi，建立规划模型，进而运用Lingo软件进行求解，从而求出每天该科所需最少护士数为145人。问题二，以一个星期为周期，计算该科最少需签约多少护士。针对第二问，依据题目给出的约束条件：时间段02:00-06:00〔大夜班〕每个星期最多只排一次，且第二天必须休息。经过本文规划约束可以得出每个星期该科至少需签约210名护士。问题三，以一个星期为周期，试给出具体的排班方案。依据问题二得出的结果，综合考虑题目中各约束条件，将一个星期〔七天〕六个班次设为42个班次，引进0,1变量，即，建立线性规划模型，给出具体的排班方案，见附录1，由于有的排班人数大于该次排班的最少要求人数所以该方案不唯一。问题四，计算最少需要多少护师职称以上的护士。运用问题三的方法，增加约束条件，即每班次上班的护士中护师以上〔包括护师〕职称的所占比例不低于40%。同样引进0,1变量，即，以需要最少的护师职称以上的护士为目标函数，同样建立线性规划模型。得出需要最少的护师〔包括护师〕职称以上的护士为：84人。关键词：护士排班线性规划0-1变量Lingo目录1、问题重述42、问题分析53、模型假设54、符号说明65、模型建立与求解65.1问题一求解65.2问题二求解75.3问题三求解75.4问题四求解96、模型评价与改良10参考文献10附录11附录一：11附录二：121、问题重述1.1根本条件某医院某科室的一个工作日分为6个4小时时间长的时间段，每个时间段所需要的护士人员数各不相同。每日每个时间段的人员需求量如下所示：班次该班时间段〔24小时〕该班所需最少护士数16:00-10:0060210:00-14:0070314:00-18:0060418:00-22:0050522:00-02:0020602:00-06:0030每班的护士在值班开始时向病房报道，排班需满足：(1)每天至多工作8个小时，即上两个班次，两个班次不连上；(2)第一天排班在时间段22:00-02:00〔小夜班〕的护士，第二天在时间段06:00-10:00不排班；(3)时间段02:00-06:00〔大夜班〕每个星期最多只排一次，且第二天必须休息；(4)每个星期每位护士工作40小时；1.2需解决的问题问题1：每天该科所需的最少护士数？问题2：以一个星期为周期，该科最少需签约多少护士？问题3：以一个星期为周期，试给出具体的排班方案，该方案是否唯一？问题4：根据医院要求，每班次上班的护士中护师以上〔包括护师〕职称的所占比例不低于40%，问在护士数最少的条件下〔第二问决定的最少护士数〕，最少需要多少护师职称以上〔包括护师职称〕的护士才能满足院方对职称的要求。注：护士职称评定共分五级别，分别是：护士、护师、主管护师、副主任护师、主任护师。2、问题分析2.1问题背景护士是医院日常运营的根底，科学合理地安排护士工作时间不仅能够缓解其压力，提高护理质量，而且能够降低医院的人力资源运营本钱，提高医院的护理质量和工作积极性，保证护士心身健康，因此护士排班已成为医院管理工作的重要内容之一。2.2具体问题分析排班问题是一类带有一定约束条件的优化类问题。在满足各时间段人员需求量的条件下，要对现有人员做出最优安排，从而到达医院的运营需求。问题一的分析：本问题需要解决的是该医院该科每天所需最少护士数，根据各时间段人员需求量表及题目给出的约束条件1，本文假设个时间段开始上班的人数为决策变量，所需护士数最少为目标函数，建立优化模型，进行求解。问题二的分析：本文题需解决的问题是以一个星期为周期，该科所需的最少护士数，由条件，时间段02:00-06:00〔大夜班〕每个星期最多只排一次，且第二天必须休息可以知道排在大夜班的人都不相同，故可计算出最少护士数。问题三的分析：本问题需给出一个星期内具体的排班方案，也就是说需要知道该班次谁上班，有多少人上班，为此，本问题引进0,1变量，建立优化模型，进行求解。在满足每天至多工作8个小时，每班次不连上，每个星期工作40个小时；第一天排班在时间段22:00-02:00〔小夜班〕的护士，第二天在时间段，06:00-10:00不排班；时间段02:00-06:00〔大夜班〕每个星期最多只排一次，且第二天必须休息等的条件下，给出一个排班方案。问题四的分析：本文题需给出一个星期最少需要多少护师职称以上的护士。相对于问题三，本文增加了一个条件，即每班次上班的护士中护师以上〔包括护师〕职称的所占比例不低于40%。根据问题三的排班程序可知至少需要84位护师，再经过分析具体排班情况时，对其进行调整，得到最终结果。3、模型假设正常上班情况下，没人每天至多工作8个小时，即上两个班次，两个班次不连上。第一天排班在时间段22:00-02:00〔小夜班〕的护士，第二天在时间段06:00-10:00不排班。时间段02:00-06:00〔大夜班〕每个星期最多只排一次，且第二天必须休息；护士工作时间按劳动法规定，即每个星期每位护士工作40小时；每个护士不能缺勤。一周工作日为七天。4、符号说明ai：第i个时间段所需人员数；xi：安排在第i个时间段开始上班的人数；z：满足需求最少需要的护士人员总数；xij：第i班j号护士；5、模型建立与求解5.1问题一求解：每天该科所需的最少护士数。〔1〕模型建立本文假设xi为安排在第i个时间段开始登记上班的人数并设为决策变量。目标函数为该天各时间段开始上班的人数之和，即：由题目中的约束条件：每天至多工作8个小时，即上两个班次，两个班次不连上。可以得出：第三个时间段〔14:00-18:00〕+第一个时间段〔6:00-10:00〕>=第三个时间段所需的人员数a3，即第四个时间段〔18:00-22:00〕+第二个时间段〔10:00-14:00〕>=第四个时间段所需人员数a4，即以此类推，当i=1,2,...,6循环时，有，i=1,2,...,6综上所述：目标函数：min约束条件：〔2〕模型求解编写程序，运用Lingo求解得出每天该科所需最少护士为145人。程序见附录1。5.2问题二求解：以一个星期为周期，计算该科最少需签约的护士数。由条件：时间段02:00-06:00〔大夜班〕每个星期最多只排一次，且第二天必须休息，从中可以知道上大夜班的护士都不相同，一个星期中每天需要30个护士上大夜班，那么一个星期所需最少护士数为：30*7=210。本问题的检验将在问题三中表达。5.3问题三求解：以一个星期为周期，给出具体的排班方案。〔1〕模型建立本问题需给出每个护士每天每班次的上班情况，为此本问题引进0,1变量，设xij表示第i个班次j号护士，其具体意义如下：由于每天六个班次，那么一个星期总共有42班次，即i取1,2,3...42。约束条件如下：每天至多工作8个小时，即上两个班次，即j=1,2,...210两个班次不连上，即j=1,2,...210第一天排班在时间段22:00-02:00〔小夜班〕的护士，第二天在时间段06:00-10:00不排班，即j=1,2,...210时间段02:00-06:00〔大夜班〕每个星期最多只排一次，且第二天必须休息，即j=1,2,...210每个星期每位护士工作40小时，即，j=1,2,...210〔2〕问题求解编写程序，利用Lingo求解，程序见附录1，具体每人每天每班次的排班方案见附录2。每天每班次的上班人数如表一。从程序可以验证问题二中的145人为一个星期所需最少护士数。表一人员分配表星期班次星期一星期二星期三星期四星期五星期六星期天6:00-10:0011360606060606010:00-14:007071707170707014:00-18:006260606061616018:00-22:005052505351505022:00-02:002220202022212002:00-06:00303030303030305.3.1方案唯一性分析：由表一知，星期一的第一个时间段，第三个时间段，第五时间段等都大于题目要求的最少护士数，应此交换这些多的人就可以排出多种方案，所以不唯一。5.4问题四求解：求最少需要的护师职称以上〔包括护师职称〕的护士。问题四在以问题二的前提下，即确定了一个星期最少需要护士为145人，为此本问题做一下求解。目标函数：引进0,1变量新增一约束条件：，其它约束条件与问题三相同，在此不做重复。编写程序求解，可得最少需要84位护师职称〔包括护师职称〕以上的护士才能满足院方对职称的要求。6、模型评价与改良6.1模型的优点该模型将护士排班所要求的条件都用数学语言表达清楚了，非常符合题目意思，很好的解决了这一类问题。实际医院的排班都可借鉴该模型对限制条件进行修改即可得到该院方的排班要求，所以本模型具有很好的通用性，实用性强。而且是在满足医院要求下线人数下的优化，可以为医院减少开支。该模型巧妙的将非线性问题转化为线性问题，防止了程序运行时间长等缺点。在问题三中引进了0,1变量，直观易懂，将问题简化了，更容易着手解决问题。6.2模型的缺点与改良该模型得出的结果不是很明了，需要大量的处理工作才能制作真实的排班表。该模型只考虑了一些劳动法约束等客观因素，并没有考虑护士请假约束和护士对工作时段偏好以及护士间配合默契程度的软约束。鉴于此，该模型可进一步改良，即通过增加护士的工作时段偏好、相互配合默契程度等因素进一步扩展护士排班模型,使其在满足各种实际约束的同时更具人性化，实现“护士心意卡〞排班方式。参考文献[1]姜启源,谢金星,叶俊.数学模型[M].北京:高等教育出版社,2003.[2]秦裕瑗,秦明复.运筹学简明教程[M].北京:高等教育出版社,施普林格出版社,2000.[3]韩大卫.管理运筹学[M].大连:大连理工大学出版社,2006.[4]，护士排班问题的优化方案附录附录一：问题一程序：model:sets:s/1..6/:a,x;endsetsdata:a=607060502030;enddatamin=@sum(s(i):x(i));@for(s(i):x(i)+x(@wrap(i-2,6))>=a(i));@for(s(i):@gin(x(i)));End问题三程序：model:sets:r/1..210/;b/1..42/:a;link(b,r):x;endsetsdata:a=60,70,60,50,20,30,60,70,60,50,20,30,60,70,60,50,20,30,60,70,60,50,20,30,60,70,60,50,20,30,60,70,60,50,20,30,60,70,60,50,20,30;enddata@for(r(j):@sum(b(i)|i#GE#1#and#i#le#6:x(i,j))<2);@for(r(j):@sum(b(i)|i#GE#7#and#i#le#12:x(i,j))<2);@for(r(j):@sum(b(i)|i#GE#13#and#i#le#18:x(i,j))<2);@for(r(j):@sum(b(i)|i#GE#19#and#i#le#24:x(i,j))<2);@for(r(j):@sum(b(i)|i#GE#25#and#i#le#30:x(i,j))<2);@for(r(j):@sum(b(i)|i#GE#31#and#i#le#36:x(i,j))<2);@for(r(j):@sum(b(i)|i#GE#37#and#i#le#42:x(i,j))<2);@for(r(j):@for(b(i)|i#GE#1#and#i#le#5:x(i,j)+x(i+1,j)<1));@for(r(j):@for(b(i)|i#GE#7#and#i#le#11:x(i,j)+x(i+1,j)<1));@for(r(j):@for(b(i)|i#GE#13#and#i#le#17:x(i,j)+x(i+1,j)<1));@for(r(j):@for(b(i)|i#GE#19#and#i#le#23:x(i,j)+x(i+1,j)<1));@for(r(j):@for(b(i)|i#GE#25#and#i#le#29:x(i,j)+x(i+1,j)<1));@for(r(j):@for(b(i)|i#GE#31#and#i#le#35:x(i,j)+x(i+1,j)<1));@for(r(j):@for(b(i)|i#GE#37#and#i#le#41:x(i,j)+x(i+1,j)<1));@for(r(j):@for(b(i)|i#ge#1#and#i#le#6:x(6*i-1,j)+x(6*i+1,j)<1));@for(r(j):@sum(r(j):x(6,j)+x(12,j)+x(18,j)+x(24,j)+x(30,j)+x(36,j)+x(42,j))<1);@for(r(j):@for(b(i)|i#ge#1#and#i#le#6:2*x(6*i,j)+(x(6*i+1,j)+x(6*i+2,j)+x(6*i+3,j)+x(6*i+4,j)+x(6*i+5,j)+x(6*i+6,j))<2));@for(r(j):@sum(b(i)|i#GE#1#and#i#le#42:x(i,j))=10);@for(b(i):@sum(r(j):x(i,j))>a(i));@for(link(i,j):@bin(x(i,j)));End问题四程序：model:sets:r/1..210/:x;b/1..42/:a;link(b,r):m;endsetsdata:a=60,70,60,50,20,30,60,70,60,50,20,30,60,70,60,50,20,30,60,70,60,50,20,30,60,70,60,50,20,30,60,70,60,50,20,30,60,70,60,50,20,30;enddatamin=@sum(r:x);@for(r(j):@sum(b(i)|i#GE#1#and#i#le#6:m(i,j))<2);@for(r(j):@sum(b(i)|i#GE#7#and#i#le#12:m(i,j))<2);@for(r(j):@sum(b(i)|i#GE#13#and#i#le#18:m(i,j))<2);@for(r(j):@sum(b(i)|i#GE#19#and#i#le#24:m(i,j))<2);@for(r(j):@sum(b(i)|i#GE#25#and#i#le#30:m(i,j))<2);@for(r(j):@sum(b(i)|i#GE#31#and#i#le#36:m(i,j))<2);@for(r(j):@sum(b(i)|i#GE#37#and#i#le#42:m(i,j))<2);@for(r(j):@for(b(i)|i#GE#1#and#i#le#5:m(i,j)+m(i+1,j)<1));@for(r(j):@for(b(i)|i#GE#7#and#i#le#11:m(i,j)+m(i+1,j)<1));@for(r(j):@for(b(i)|i#GE#13#and#i#le#17:m(i,j)+m(i+1,j)<1));@for(r(j):@for(b(i)|i#GE#19#and#i#le#23:m(i,j)+m(i+1,j)<1));@for(r(j):@for(b(i)|i#GE#25#and#i#le#29:m(i,j)+m(i+1,j)<1));@for(r(j):@for(b(i)|i#GE#31#and#i#le#35:m(i,j)+m(i+1,j)<1));@for(r(j):@for(b(i)|i#GE#37#and#i#le#41:m(i,j)+m(i+1,j)<1));@for(r(j):@for(b(i)|i#ge#1#and#i#le#6:m(6*i-1,j)+m(6*i+1,j)<1));@for(r(j):@sum(r(j):m(6,j)+m(12,j)+m(18,j)+m(24,j)+m(30,j)+m(36,j)+m(42,j))<1);@for(r(j):@for(b(i)|i#ge#1#and#i#le#6:2*m(6*i,j)+(m(6*i+1,j)+m(6*i+2,j)+m(6*i+3,j)+m(6*i+4,j)+m(6*i+5,j)+m(6*i+6,j))<2));@for(r(j):@sum(b(i)|i#GE#1#and#i#le#42:m(i,j))=10);@for(b(i):@sum(r(j):m(i,j))>a(i)*0.4);@for(link(i,j):@bin(m(i,j)));@for(r(i):@bin(x(i)));End附录二：问题三护士具体排班方案：周一第1班护士编号周一第2班护士编号周一第3班护士编号周一第4班护士编号周一第5班护士编号周一第6班护士编号周二第1班护士编号周二第2班护士编号周二第3班护士编号周二第4班护士编号周二第5班护士编号周二第6班护士编号1511131102021342211229216213496522144104172375137322419611518278614153325207156193192321295126238357243211292242562729173682539123031465930342140122844133339496231352646333748143540526732362749343855154147616939372853434558224348957041383055525060264453967342403156698163344954998043483362748364365155112894450416710885654058561139245575170115867142625711593466258761521057647636413194476359881551097752657513997496461931611227853668218510651656694177127935468881901115268751021861369557711011175369791141881509759771031285472811191549861781081295574821211571006980110137567684126162101729011114358838714116910273961161475988891421751077499118164609991148178110791021191996110192151183114821171202016710295163189120841211242027110396166121871231257310597170123891291267511010017412591130137771141041791289213113878119106190130941321407912110719113210313314180122111196134104134145821241121971411061351478412611319914411314216385127116200151115151166861291182011531161531678713412320215812415817089144128203160138160181901461302041631391611829115213220516414016818892154133206165143171192931551352071661461721949415713720816714817419895166143209168149176200961681452101711521802039717014917315518420498172156174156186208100174159176159187104176160184170190106177164187177191107179165191179193108182167193182206109183171194185207111184173206192209112187181207195210113188185196115192193197117195198118198199120201200123202201125204202128205203130209204131210205132208133135136137138139140141142143145147148149150151153156158159160161162163164165167169171173175178180181185186189190191194196197周三第1班护士编号周三第2班护士编号周三第3班护士编号周三第4班护士编号周三第5班护士编号周三第6班护士编号周四第1班护士编号周四第2班护士编号周四第3班护士编号周四第4班护士编号103611012573111514828439105122116929267121681323171248308201711142418205331112418131625192357411325191517262224994214282320183027381214337292721193129441324740323322203534461425549353424223839471525854363725274041541537556384628344642611548259394935364845641599863445438374950651611046545594039526068162107674862444353667217013171506748445575771771347351725345577681184139775274605458789618914878578464606182101173806090656463861021818161916672688710518584661116986719010819090681127187749510919491701137388799811419697761168090839911519810079117811008510011820010183118871079111011920910285119881169611212021011286123931201031131221138812795122104116130115891359712310512314411792137100125108125148118931381051261091351551279414010912711413616013699141122130115138167137103142124138118139169138105144130140121140171143106147136144124145175144108149146145131149176147110150151149132157178149114152154152133158179150120158156157134159180157122159157158141161182163124162161165142168186165125163164168146173190172126165172176150174205176128166180177151183207178129170189182153184210180130174192187154185183132177199188155187186133183201192156191191145186207195160192192146187197162195203151193200166196204153195203167197205154197205169198206155204207170208207156205208171209208160206172167175168178169180175181179189182193188194189204199206201202周四第5班护士编号周四第6班护士编号周五第1班护士编号周五第2班护士编号周五第3班护士编号周五第4班护士编号周五第5班护士编号周五第6班护士编号周六第1班护士编号周六第2班护士编号9612191934210122032321635513161425425753407141715265268564481818212772710584910221922308281360521224232935931179261192532343610361810571212933394011453010778233350464216473211191263463724517483711710028376876471849381351133042707751245442136120314578795732554414712332489987613356511571243853159956237575916212541541661036541586216913043551771086643606518414247581841146950696719314950592031157352737019915151641167559747120015957661528464848020616063681538567858116167701558668868316372731718970898816575741749378919416677761829880929918080821911018197100186818319510482981192038489197106831011222058592109881041318795117901061348898119961091409399121102111141941021251051131439610312710712014610610412911012114810810513411812815011010913512312915811211513812413217011412113912613717313112614313313917713312814413614418013812914514014518113913214914114718814013415014215418914313615114815619415013716915815719815314117316015920217214417516116520917814517616216721018214717916317218314818316417518515218516817618815418717817919415518918118319515719018618419615819219318720216420819419220717421