Course introduction课程简介
运筹学是一门研究资源运用及活动筹划的新兴学科,是交通运输类专业中一个最为重要的专业基础课之一。 本课程的目的在于了解和发现资源运用及活动筹划中的基本规律,提出科学的决策方法,以便更有效发挥有限资源的效益,从而达到总体有效或平衡的目标。通过本课程学习,学生可以掌握运筹学的思维方式,能应用系统的、科学的数学分析方法对系统进行定量化分析。通过建立数学模型和模拟模型,应用计算机技术求解,可以解决比较复杂的交通问题,达到资源优化配置、获得最优决策的目的。完成本课程的学习后,学生要掌握“四规划”和“两论”(线性规划、运输问题、整数规划、非线性规划、动态规划、图论和排队论)等的基本概念、基本理论和基本方法,熟悉运筹学模型在交通实践中的应用。
Teachers team教师团队
龙建成
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Curriculum evaluation课程评分
“教学重难点突出,授课步骤设计合理,由浅入深,循序渐进。”
2024-01-26 15:38“内容非常充实,涵盖了广泛的知识点, 老师讲解的清晰易懂,更好的激发了学习兴趣。收获满满! ”
2024-01-26 15:15“课程设计非常有深度和广度,逻辑清晰,思想明确,受益良多 ”
2024-01-26 15:13“课程讲的很细致通俗易懂,还配有案例讲解,解题原理和步骤讲的很清楚很详细,学到了很多知识”
2024-01-26 15:11“课程知识量充实,趣味性丰富,设计合理,形式丰富!通过运筹学的学习能够在很大程度上系统化、模型化实际生产生活中的问题并进行快速、有效的解决,受益匪浅!”
2024-01-26 15:05“老师们讲的非常细致,知识连贯,课程内容丰富,学到了许多知识。 ”
2024-01-26 15:03“内容详略得当,讲解深入浅出,希望以后能把 运筹学的原理方法用在实践中!”
2024-01-26 14:57“不仅帮我学会了运筹学来解决问题,还深入理解了基本原理。”
2024-01-26 14:26参考教材
运筹学第4版(清华大学出版社)
课程安排
周次 | 讲次 | 学时(分钟) | 教学内容(要点) |
1 | 1 | 2(100) | 运筹学的简史、性质、特点及应用 |
1 | 2 | 2(100) | 线性规划问题模型及几何意义 |
2 | 3 | 2(100) | 单纯形法原理、单纯形法的计算步骤 |
2 | 4 | 2(100) | 单纯形法的进一步讨论、应用举例 |
3 | 5 | 2(100) | 线性规划的对偶理论 |
3 | 6 | 2(100) | 线性规划的灵敏度分析 |
4 | 7 | 2(100) | 运输问题的数学模型、表上作业法 |
4 | 8 | 2(100) | 产销平衡运输问题的求解方法,产销不平衡运输问题的求解方法,应用举例 |
5 | 9 | 2(100) | 图与网络中的基本概念 |
5 | 10 | 2(100) | 理解网络分析的基本方法 |
6 | 11 | 2(100) | 树,图的支撑树、最小支撑树问题 |
6 | 12 | 2(100) | 最短路径问题 |
7 | 13 | 2(100) | 网络最大流问题、最小费用最大流问题 |
7 | 14 | 2(100) | 分支定界法、割平面解法 |
8 | 15 | 2(100) | 0-1型整数规划、指派问题 |
8 | 16 | 2(100) | 无约束问题的基本概念;一维搜索法;无约束极值问题的解法 |
9 | 17 | 2(100) | 斐波那契搜索法、0.618搜索法 |
9 | 18 | 2(100) | 非线性约束极值问题的基本概念 |
10 | 19 | 2(100) | 非线性约束问题最优性条件、库恩-塔克条件 |
10 | 20 | 2(100) | 二次规划;可行方向法;制约函数法 |
12 | 21 | 2(100) | 多阶段决策过程及实例;动态规划的基本概念和基本方程 |
12 | 22 | 2(100) | 动态规划的最优性原理和最优性定理;动态规划应用举例 |
13 | 23 | 2(100) | 排队论基本概念、排队系统分析 |
13 | 24 | 2(100) | 单服务台负指数分布排队系统的分析 |
课程视频
运筹学的由来
在公元前3世纪的楚汉相争中,汉高祖刘邦的著名谋士张良为推翻秦朝,打败项羽,统一全国立下了盖世奇功,刘邦赞誉他“夫运筹策帷帐之中,决胜于千里之外”。这千古名句也可以说是对张良的运筹思想的赞颂和褒奖,《史记》在《留侯世家》及其他多处也曾提及。这里的“运筹”,指张良在帷幄中制定作战谋略与决策的过程。在西汉时代,“运筹”已被当作制定谋略与决策职能分工的代名词。
我国1955年开始研究运筹学时,从《史记》中摘取“运筹”一词作为“ Operations Research”的意译,包含了运用筹划、以智取胜的深刻含义。从《史记》中对“运筹”的记述表明,我国的运筹学思想源远流长,至今对运筹学的发展仍有重要影响。
古今运筹故事
1、田忌赛马
孙膑的“斗马术”是我国古代运筹思想中争取总体最优的脍炙人口的著名范例。齐将田忌与齐王赛马,孙膑献策:以下马对齐王上马,以上马对齐王中马,以中马对齐王下马结果田忌以负两胜而获胜。
启示:①要善于用局部的牺牲去换取全局的胜利,从而达到以弱胜强的目的。它的基本思想是不强求一局的得失,而争取全盘的胜利。这是一个典型的博弈问题。
2、围魏救赵
公元前368年,赵国在齐国支持下,出兵攻打魏国的属国卫国。魏惠王派大将庞涓率兵近十万围攻赵国的国都邯郸。赵国只得向齐国求救。齐威王以田忌为大将、孙膑为军师,出兵八万救赵。身为军师的孙膑在分析形势后,认为魏国军队很强大,如果与魏军正面交锋会造成齐国的较大损失,所以应该避实就虚,趁着魏国精锐部队在外,魏国国都大梁防务空虚的机会,攻打它的国都,迫使魏军回救大梁,赵国的危险就会自然消解。为争取战略主动,孙膑决定给敌军制造齐国部队弱小的假象。他故意派无能的军官带兵进攻魏国的军事重镇平陵,结果齐军大败。魏国大将庞涓以为齐军不堪一击,于是加紧对赵国的进攻,丝毫没有想到齐军会攻打魏国的国都大梁。与此同时,孙膑亲自率领精锐部队进逼魏国国都大梁。庞涓闻讯,迅猛从攻打赵国的前线往回撤军,长途跋涉去保卫国都。因为兵困马乏,又陷入孙膑的包围圈中,结果魏军被打得落花流水。
启示:①充分体现了如何筹划兵力,选择最佳时间、地点,趋利避害,集中优势兵力以弱克强的运筹学思想②为了达到某个预定目的,如果直接去做,可能会得不偿失,甚至适得其反。但如果从另一个角度去做,可能就会取得事半功倍的效果。
3、丁谓建宫
宋真宗大中祥符年间(公元1008一1017年),都城开封里的皇宫失火,需要重建。右谏议大夫、权三司使丁渭受命负责限期重新营造皇宫建造皇宫需要很多土,丁渭考虑到从营建工地到城外取土的地方距离太远,费工费力。丁渭便下令将城中街道挖开取土,节省了不少工时。挖了不久,街道便成了大沟。丁渭又命人挖开官堤,引汴河水进入大沟之中,然后调来各地的竹筏木船经这条大沟运送建造皇宫所用的各种物材,十分便利。等到皇宫营建完毕,渭命人将大沟中的水排尽,再将拆掉废旧皇宫以及营建新皇宫所丢弃的砖头瓦砾添入大沟中,大沟又变成了平地,重新成为街道。这样,丁渭一举三得,挖土、运送物材、处理废弃瓦砾等三项工程一蹴而成,节省的工费数以亿万计。
启示:这是我国古代大规模工程施工组织方面运筹思想的典型例子。
“交通+运筹”
1、最短路问题
用Dijkstra方法求从到个点的最短路
2、运输问题
甲、乙、丙三个城市每年需要煤炭分别为:320万吨、250万吨、350万吨,由A、B两处煤矿负责供应。已知煤炭年供应量分别为:A——400万吨,B——450万吨。煤矿至各城市的单位运价(万元/万吨)见表2-1。由于需大于供,经研究平衡决定,甲市供应量可减少0~30万吨,乙城市需要量应全部满足,丙城市供应量不少于270万吨。试求将供应量分配完又使总运费为最低的调运方案。
表2-1
甲 | 乙 | 丙 | |
A | 15 | 18 | 22 |
B | 21 | 25 | 16 |
3、旅行商(TSP))问题
求解六个城市旅行推销员问题。其距离矩阵如表3-1所示所示。设推销员从1城出发,经过每个城市一次且仅一次,最后回到1城。问按怎样的路线走,使总的程最短。
表3-1
j | i | |||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
1 | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 |
2 | 12 | 0 | 18 | 30 | 25 | 21 |
3 | 23 | 9 | 0 | 5 | 10 | 15 |
4 | 34 | 32 | 4 | 0 | 8 | 16 |
5 | 45 | 27 | 11 | 10 | 0 | 18 |
6 | 56 | 22 | 16 | 20 | 12 | 0 |
4、轮船调度问题
某航运公司承担六个港口城市A、B、C、D、E、F的四条固定航线的物资运输任务。已知各条航线的起点、终点城市及每天航班数见表4-1。假定各条航线使用相同型号的船只,又各城市间的航程天数见下表4-2。又知道每条船每次装卸货的时间各需1天,则该航运公司至少应该配备多少条船,才能满足所有航线的运货需求?
表4-1
航线 | 起点城市 | 终点城市 | 每天航班数 |
1 | E | D | 3 |
2 | B | C | 2 |
3 | A | F | 1 |
4 | D | B | 1 |
表4-2
起点 | 终点 | |||||
A | B | C | D | E | F | |
A | 0 | 1 | 2 | 14 | 7 | 7 |
B | 1 | 0 | 3 | 13 | 8 | 8 |
C | 2 | 3 | 0 | 15 | 5 | 5 |
D | 14 | 13 | 15 | 0 | 17 | 20 |
E | 7 | 8 | 5 | 17 | 0 | 3 |
F | 7 | 8 | 5 | 20 | 3 | 0 |
(1)载货航程需要的周转船只数量。例如航线1,在港口E装货1天,E到D航程17天,在D卸货1天,总计19天。每天3航班,故该航线周转船只需要57条。各条航线所需船只数量见下表4-3.以上累计共需周转船只数量为91条。
表4-3
航线 | 装货天数 | 航程天数 | 卸货天数 | 小计 | 航班数 | 需要周转船只数量 |
1 | 1 | 17 | 1 | 19 | 3 | 57 |
2 | 1 | 3 | 1 | 5 | 2 | 10 |
3 | 1 | 7 | 1 | 9 | 1 | 9 |
4 | 1 | 13 | 1 | 15 | 1 | 15 |
(2)各港口间调度所需船只数。有些港口每天到达船数多于需要船数,例如港口D,每天到达3条,需求1条;而有些港口到达数少于需求数,例如港口B。各港口每天余缺船只数的计算见表4-4。
表4-4
港口城市 | 每天到达 | 每天需求 | 余缺数量 |
A | 0 | 1 | -1 |
B | 1 | 2 | -1 |
C | 2 | 0 | 2 |
D | 3 | 1 | 2 |
E | 0 | 3 | -3 |
F | 1 | 0 | 1 |
为了使配备船只数量最少,应该做到周转的空船数量最少。因此建立以下运输问题,其产销平衡表如下表4-5.
表4-5
港口 | A | B | E | 每天多余船只 |
C | 2 | |||
D | 2 | |||
F | 1 | |||
每天缺少船只 | 1 | 1 | 3 |
单位运价表应为相应各个港口之间的船只航程天数,见表4-6.
表4-6
港口 | A | B | E |
C | 2 | 3 | 5 |
D | 14 | 13 | 17 |
F | 7 | 8 | 3 |
用表上作业法求出空穿的最优调度方案,见表4-7.
表4-7
港口 | A | B | E | 每天多余船只 |
C | 1 | 1 | 2 | |
D | 1 | 1 | 2 | |
F | 1 | 1 | ||
每天缺少船只 | 1 | 1 | 3 |
由表4-7可知最少需要周转的空船只的数量为2×1+13×1+5×1+17×1++3×1=40(条)
在不考虑维修、储备等情况下,该公司至少应该配备40+91=131条船。