数学建模之选址问题

2023-05-16

文章目录

  • 选址问题
    • 四个要素
        • 设施
        • 规划区域
        • 位置(距离)
        • 目标:
    • 三大问题:
        • 1.P中值问题 P-Median Problem
        • 2.P中心问题 P-Center Problem
        • 3.覆盖问题 Covering Problem
          • (1)集覆盖问题
          • (2)最大覆盖问题

选址问题

是指在规划区域里选择一个或多个设施的位置,使得目标最优。

四个要素

设施、规划区域、位置(距离)、目标

设施

按照 设施的 空间维度 划分,可以将选址问题分为:
1.立体选址问题:设施的高度不能被忽略,如集装箱装箱问题。
2.平面选址问题:设施的长、宽不能被忽略,如货运站的仓位布局问题。
3.线选址问题:设施的宽度不能被忽略,如在仓库两边的传送带布局问题。
4.点选址问题:设施可以被简化为一个点,绝大多数时候我们遇到的都是这类问题。

按照设施的 规划数量 划分,可以将选址问题分为:
1.单设施选址
2.多设施选址

规划区域

按照规划区域的结构划分,可以将选址问题分为:
1.连续选址问题:设施可以在给定范围的任意位置选址,设施的候选位置为无穷多。
2.离散选址问题:设施的候选位置是有限且较少的,实际中最常遇到这类问题。
3.网格选址问题:规划区域被划分为许多的小单元,每个设施占据其中有限个单元。

位置(距离)

按照设施与需求点位置的关系,可以将所要获取的距离分为:
1.间接距离:
有向赋权图:Dijkstra算法和Floyed算法
两种算法的代码链接
2.直接距离:
(1)两点间距离公式
(2)Lp距离计算方式如下:d = (Σ(x1i-x2i)p)1/p

p=1时:L1范式,又称曼哈顿距离,在二维平面上 d=|x1-x2|+|y1-y2|。假设在曼哈顿街区乘坐出租车从 P 点到 Q 点,白色表示高楼大厦,灰色表示街道,则下图中红线、蓝线、黄线的行驶距离都是一样的,都是曼哈顿距离。
在这里插入图片描述
p=2:L2范式,又称欧氏距离,定义于欧几里得空间中,是最常见的距离度量方式,在二维平面上 d=((x1-x2)2+(y1-y2)2)1/2,即两点间的直线距离,上图中的绿线。

p=∞:切比雪夫距离(Chebyshev distance),在二维平面上 d=max(|x1-x2|, |y1-y2|)。玩过国际象棋的都知道,国王走一步能够移动到相邻的8个方格中的任意一个位置,那么国王从格子(x1,y1)走到格子(x2,y2)最少的步数就是切比雪夫距离。可以试试看,下图已经标注国王到达任意位置所需要的步数。
在这里插入图片描述

目标:

1.单目标选址问题
2.多目标选址问题:实际的问题往往都是多目标规划问题,比如既想距离尽可能短,又想要费用尽可能少

三大问题:

1.P中值问题 P-Median Problem

研究:在备选设施集合里,如何选择p个设施,使所有需求点得到服务,并且需求点到其最近设施的加权距离总和最小。

这是一个MinSum问题,可由以下整数规划模型表示:

在这里插入图片描述
应用场景:在物流领域应用得非常广泛,加权距离代表了运输成本,目标是总成本最少。

2.P中心问题 P-Center Problem

研究:在备选设施集合里,如何选择p个设施,使所有需求点得到服务,并且每个需求点到其最近设施的最大距离最小。

这是一个MinMax问题,可由以下整数规划模型表示(符号说明与上面类似):
在这里插入图片描述
应用场景:应急设施的选址,比如警局、消防局、医院,要求尽可能快地到达任意位置。

3.覆盖问题 Covering Problem

覆盖问题分为最大覆盖问题和集覆盖问题两类。

(1)集覆盖问题

研究:在备选设施集合里,已知每个设施的服务范围,如何选择设施,使所有需求点得到服务,并且设施数p最小或成本最小。
在这里插入图片描述

(2)最大覆盖问题

研究:在备选设施集合里,已知每个设施的服务范围,如何选择p个设施,使得服务的需求点数最多或需求量最大。
应用场景:追求覆盖面的场景,比如移动基站的选址、物流中心的选址。

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