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运筹学

Operational Research

主讲:龙建成、丁建勋、凌翔、刘昊翔、于旸 教师团队:5

课程评分
5
(共10个评分)
  • 学校 合肥工业大学
  • 学分 3
  • 开课院系 汽车与交通工程学院
  • 课时 48
  • 专业大类 交通运输类
  • 课程视频总时长(分钟) 0
  • 开课专业 交通运输 交通工程
  • 编号 1722022B

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

  • 刘昊翔

    合肥工业大学 | 汽车与交通工程学院 | 副教授

          目前主要从事交通运输管理领域的基础理论研究与应用,在城市交通网络设计建模、交通行为分析、交通规划管理与控制、电动汽车充换电设备选址、公共交通运营优化、数学优化算法等方面具有多年持续深入的研究与实践经验。先后发表期刊会议论文二十余篇,其中两篇入选ESI高被引论文。近年在城市交通网络设计领域等开展了持续而深入的研究工作,取得了一系列的研究成果,研究论文发表或录用在交通科学与技术领域顶级期刊《Transportation Research Part B》和国际知名期刊《Transportation Research Part E》、《Networks and Spatial Economics》及《Transportmetrica A》等上。

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  • 于旸

    合肥工业大学 | 汽车与交通工程学院

    研究方向:
    动态交通分配,交通系统建模、仿真、优化,复杂交通网络,交通规划,交通行为,交通大数据
    发表论文:
    Yu,Y., Han,K., Ochieng,W.O., 2020. Day-to-Day Dynamic Traffic Assignment with Imperfect Information, Bounded Rationality and Information Sharing.
    Transportation Research Part C 114 (2020), 59-83.Yang Yu, Ke Han. Day-to-Day Dynamic Traffic Assignment with Imperfect Information and Information Sharing Behaviour. Transportation Research Board 99th Annual Meeting, Washington, D.C., Jan 2020. 
    教育经历: 
    西南交通大学     交通工程      2010.09 – 2014.06     学士    
    帝国理工学院     Transport      2014.10 – 2015.10     硕士   
    帝国理工学院      Transport                       2016.06 – 2021.06     博士 .

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  • 龙建成

    合肥工业大学 | 汽车与交通工程学院 | 教授

    龙建成,合肥工业大学教授、博士生导师。主要研究方向为城市交通网络优化与管理、城市动态交通分配理论与方法、共享交通系统建模与优化、公共交通运营与管理等。近年来,先后主持国家自然科学基金项目5项(包括青年基金、面上、优青、杰青)、教育部新世纪优秀人才支持项目、霍英东教育基金会高等学校青年教师基金项目、中国博士后科学基金项目、安徽省重大科技专项项目等;在国内外重要期刊上发表论文70余篇,包括在领域顶级期刊《Operations Research》上发表论文3篇(一作2篇)、《Transportation Science》上发表论文1篇(一作)、《Transportation Research Part B》上发表论文13篇(一作或通讯10篇)。其它论文主要发表在《Transportation Research Part C\D\E》、《IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems》、《European Journal of Operational Research》、《Networks and Spatial Economics》、《系统工程理论与实践》等期刊上。博士学位论文“城市道路交通拥堵传播规律及消散控制策略研究”获2012年全国优秀博士学位论文提名论文,2013年入选教育部新世纪优秀人才支持计划,动态交通分配方面的研究成果曾入选了国家自然科学基金委2014年年度报告,2015年获得国家自然科学基金优秀青年科学基金,2017年入选教育部“长江学者奖励计划”青年学者,2018年获教育部自然科学一等奖1项,1篇论文入选《中国科学》“2018年十年持续影响力论文奖”,2019年获得国家杰出青年科学基金,2021年获安徽省教科文卫体系统职业道德先进个人,2022年获安徽省教学成果二等奖1项。现任学术期刊《Digital Transportation and Safety》高级副主编、《控制与决策》和《交通运输系统工程与信息》等编委、管理科学与工程学会常务理事、安徽省非线性科学学会副理事长、管理科学与工程学会交通运输管理分会副主任等。

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  • 丁建勋

    合肥工业大学 | 汽车与交通工程学院 | 副教授

     合肥工业大学本科毕业(双专业:主修管理,辅修计算机)和博士后(管理科学与工程)出站,北京航空航天大学硕士和博士(交通运输规划与管理),东京大学西城教授课题组交流学者。主持国家自然科学基金项目、教育部高等学校博士点新教师基金项目、中国博士后科学基金特别资助和面上项目等4项。参与国家自然科学基金项目重点项目、面上项目等纵向课题项目。在《Nonlinear Dynamics》、《Transportation Research Part C\E》、《Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment》、《The European Physical Journal B》、《Chinese Physics B》等刊物上发表学术论文30余篇。申请专利近60项,其中一作授权专利35项,获批软件著作权9项。
           指导本科生创新创业训练项目10项,其中,国家级4项,省级2项,校级4项。指导本科毕设获校级优秀毕设6次。指导本科生获得2023年The Interdisciplinary Contest in Modeling(ICM)大赛Finalist(特等奖提名,前3%)奖项。指导本科生获得第五届安徽省交通科技大赛一等奖。指导学生获得第29届智能交通世界大会创新大赛第二届“姑苏杯”青年智能交通创新技术应用大赛高校专题赛二等奖,获得校级互联网+、交通科技等大学生大赛金奖、银奖等10余项。指导研究生获得中国研究生数学建模竞赛二等奖。主持2022年度安徽省新时代育人质量工程项目(省级研究生教育教学改革研究)1项。获安徽省教学成果奖二等奖1项(排序第6)。

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  • 凌翔

    合肥工业大学 | 汽车与交通工程学院 | 副教授

    凌翔,副教授,硕士生导师
    合肥工业大学运输与物流工程系系主任,主要研究方向为复杂网络、网络交通动力学、网络集群动力学、网络同步动力学。近年来,先后主持过多项国家级、校级科研基金,包括国家自然科学青年基金、国家自然科学主任基金、教育部博士点新教师基金、学术新人提升计划B类、重点实验室自主创新专项等等。在国内外重要期刊上发表论文20余篇,包括在领域著名期刊《Physical Review E》、《Chaos》、《Europhysics Letters》、《European Physical Journal B》、《Journal of Statistical Mechanics》、《Physics Letter A》、《Physica A》、《Chin. Phys. B》等,2018年获教育部自然科学一等奖1项。现任学术期刊《Journal of Statistical Mechanics》、《Physics Letter A》、《Physica A》、《Chin. Phys. B》审稿人,安徽省非线性科学学会理事等。
    近年来,团队聚焦复杂网络科学,在网络信息流、网络交通等方面开展研究,欢迎交通、信息和计算机专业背景的同学和老师加入团队!

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  • 刘昊翔

    合肥工业大学 | 汽车与交通工程学院 | 副教授

          目前主要从事交通运输管理领域的基础理论研究与应用,在城市交通网络设计建模、交通行为分析、交通规划管理与控制、电动汽车充换电设备选址、公共交通运营优化、数学优化算法等方面具有多年持续深入的研究与实践经验。先后发表期刊会议论文二十余篇,其中两篇入选ESI高被引论文。近年在城市交通网络设计领域等开展了持续而深入的研究工作,取得了一系列的研究成果,研究论文发表或录用在交通科学与技术领域顶级期刊《Transportation Research Part B》和国际知名期刊《Transportation Research Part E》、《Networks and Spatial Economics》及《Transportmetrica A》等上。

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  • 于旸

    合肥工业大学 | 汽车与交通工程学院

    研究方向:
    动态交通分配,交通系统建模、仿真、优化,复杂交通网络,交通规划,交通行为,交通大数据
    发表论文:
    Yu,Y., Han,K., Ochieng,W.O., 2020. Day-to-Day Dynamic Traffic Assignment with Imperfect Information, Bounded Rationality and Information Sharing.
    Transportation Research Part C 114 (2020), 59-83.Yang Yu, Ke Han. Day-to-Day Dynamic Traffic Assignment with Imperfect Information and Information Sharing Behaviour. Transportation Research Board 99th Annual Meeting, Washington, D.C., Jan 2020. 
    教育经历: 
    西南交通大学     交通工程      2010.09 – 2014.06     学士    
    帝国理工学院     Transport      2014.10 – 2015.10     硕士   
    帝国理工学院      Transport                       2016.06 – 2021.06     博士 .

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  • 龙建成

    合肥工业大学 | 汽车与交通工程学院 | 教授

    龙建成,合肥工业大学教授、博士生导师。主要研究方向为城市交通网络优化与管理、城市动态交通分配理论与方法、共享交通系统建模与优化、公共交通运营与管理等。近年来,先后主持国家自然科学基金项目5项(包括青年基金、面上、优青、杰青)、教育部新世纪优秀人才支持项目、霍英东教育基金会高等学校青年教师基金项目、中国博士后科学基金项目、安徽省重大科技专项项目等;在国内外重要期刊上发表论文70余篇,包括在领域顶级期刊《Operations Research》上发表论文3篇(一作2篇)、《Transportation Science》上发表论文1篇(一作)、《Transportation Research Part B》上发表论文13篇(一作或通讯10篇)。其它论文主要发表在《Transportation Research Part C\D\E》、《IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems》、《European Journal of Operational Research》、《Networks and Spatial Economics》、《系统工程理论与实践》等期刊上。博士学位论文“城市道路交通拥堵传播规律及消散控制策略研究”获2012年全国优秀博士学位论文提名论文,2013年入选教育部新世纪优秀人才支持计划,动态交通分配方面的研究成果曾入选了国家自然科学基金委2014年年度报告,2015年获得国家自然科学基金优秀青年科学基金,2017年入选教育部“长江学者奖励计划”青年学者,2018年获教育部自然科学一等奖1项,1篇论文入选《中国科学》“2018年十年持续影响力论文奖”,2019年获得国家杰出青年科学基金,2021年获安徽省教科文卫体系统职业道德先进个人,2022年获安徽省教学成果二等奖1项。现任学术期刊《Digital Transportation and Safety》高级副主编、《控制与决策》和《交通运输系统工程与信息》等编委、管理科学与工程学会常务理事、安徽省非线性科学学会副理事长、管理科学与工程学会交通运输管理分会副主任等。

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  • 丁建勋

    合肥工业大学 | 汽车与交通工程学院 | 副教授

     合肥工业大学本科毕业(双专业:主修管理,辅修计算机)和博士后(管理科学与工程)出站,北京航空航天大学硕士和博士(交通运输规划与管理),东京大学西城教授课题组交流学者。主持国家自然科学基金项目、教育部高等学校博士点新教师基金项目、中国博士后科学基金特别资助和面上项目等4项。参与国家自然科学基金项目重点项目、面上项目等纵向课题项目。在《Nonlinear Dynamics》、《Transportation Research Part C\E》、《Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment》、《The European Physical Journal B》、《Chinese Physics B》等刊物上发表学术论文30余篇。申请专利近60项,其中一作授权专利35项,获批软件著作权9项。
           指导本科生创新创业训练项目10项,其中,国家级4项,省级2项,校级4项。指导本科毕设获校级优秀毕设6次。指导本科生获得2023年The Interdisciplinary Contest in Modeling(ICM)大赛Finalist(特等奖提名,前3%)奖项。指导本科生获得第五届安徽省交通科技大赛一等奖。指导学生获得第29届智能交通世界大会创新大赛第二届“姑苏杯”青年智能交通创新技术应用大赛高校专题赛二等奖,获得校级互联网+、交通科技等大学生大赛金奖、银奖等10余项。指导研究生获得中国研究生数学建模竞赛二等奖。主持2022年度安徽省新时代育人质量工程项目(省级研究生教育教学改革研究)1项。获安徽省教学成果奖二等奖1项(排序第6)。

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  • 凌翔

    合肥工业大学 | 汽车与交通工程学院 | 副教授

    凌翔,副教授,硕士生导师
    合肥工业大学运输与物流工程系系主任,主要研究方向为复杂网络、网络交通动力学、网络集群动力学、网络同步动力学。近年来,先后主持过多项国家级、校级科研基金,包括国家自然科学青年基金、国家自然科学主任基金、教育部博士点新教师基金、学术新人提升计划B类、重点实验室自主创新专项等等。在国内外重要期刊上发表论文20余篇,包括在领域著名期刊《Physical Review E》、《Chaos》、《Europhysics Letters》、《European Physical Journal B》、《Journal of Statistical Mechanics》、《Physics Letter A》、《Physica A》、《Chin. Phys. B》等,2018年获教育部自然科学一等奖1项。现任学术期刊《Journal of Statistical Mechanics》、《Physics Letter A》、《Physica A》、《Chin. Phys. B》审稿人,安徽省非线性科学学会理事等。
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龙建成

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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)
112(100)运筹学的简史、性质、特点及应用
122(100)线性规划问题模型及几何意义
232(100)单纯形法原理、单纯形法的计算步骤
242(100)单纯形法的进一步讨论、应用举例
352(100)线性规划的对偶理论
362(100)线性规划的灵敏度分析
472(100)运输问题的数学模型、表上作业法
482(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
592(100)图与网络中的基本概念
5102(100)理解网络分析的基本方法
6112(100)树,图的支撑树、最小支撑树问题
6122(100)最短路径问题
7132(100)网络最大流问题、最小费用最大流问题
7142(100)分支定界法、割平面解法
8152(100)0-1型整数规划、指派问题
8162(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
9172(100)斐波那契搜索法、0.618搜索法
9182(100)非线性约束极值问题的基本概念
10192(100)非线性约束问题最优性条件、库恩-塔克条件
10202(100)二次规划;可行方向法;制约函数法
12212(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
12222(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
13232(100)排队论基本概念、排队系统分析
13242(100)单服务台负指数分布排队系统的分析



课程视频

230410.mp4
230413.mp4
230413ppt.mp4

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10081017),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


A151822
B212516

             

                    

       

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
123456
101020304050
212018302521
3239051015
4343240816
545271110018
656221620120

                  



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
1ED
2BC2
3AF1
4DB1

表4-2


      起点

                                                                                    终点
ABCDEF
A0121477
B1031388
C2301555
D14131501720
E7851703
F7852030

(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
1117119357
21315210
3171919
4113115115

(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
A01-1
B12-1
C202
D312
E03-3
F101

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ABE每天多余船只
C


2
D


2
F


1
每天缺少船只113

    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ABE
C235
D141317
F783

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ABE每天多余船只
C1
12
D
112
F

11
每天缺少船只113

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。


课程思政

一、思政项目

二、思政素材

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