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自来水管道铺设问题
在村村通自来水工程实施过程中,从保证供水质量以及设备维护方便角度出
发,某地区需要建设一个中心供水站,12 个一级供水站和 168 个二级供水站,
各级供水站的位置坐标如表 1 所示,其中类型 A 表示中心供水站,类型 V 代表一
级供水站,类型 P 为二级供水站。图 1 是各级供水站的地理位置图。
现在要将中心供水站 A 处的自来水通过管道输送到一级供水站和二级供水
站。按照设计要求,从中心站 A 铺设到一级供水站的管道为 I 型管道,从一级供
水站出发铺设到二级供水站的管道为 II 型管道。
自来水管道铺设技术要求如下:
1. 中心供水站只能和一级供水站连接(铺设 I 型管道),不能和二级供水站直接
相连,但一级供水站之间可以连接(铺设 I 型管道)。
2. 一级供水站可以与二级供水站相连(铺设 II 型管道),且二级供水站之间也
可以连接(铺设 II 型管道)。
3. 各级供水站之间的连接管道必须从上一级供水站或同一级供水站的位置坐标
出发,不能从任意管道中间的一点进行连接。
4. 相邻两个供水站之间(如果有管道相连)所需管道长度可简化为欧氏距离。
请您结合上述管道铺设要求,建立数学模型,完成以下问题
1.从中心供水站 A 出发,自来水管道应该如何铺设才能使管道的总里程最少?以
图形给出铺设方案,并给出 I 型管道和 II 型管道总里程数。
2.由于 II 型管道市场供应不足,急需减少从一级供水站出发铺设的 II 型管道总
里程,初步方案是将其中两个二级供水站升级为一级供水站。问选取哪两个二级
供水站,自来水管道应该如何铺设才能使铺设的 II 型管道总里程最少?相对问
题 1 的方案,II 型管道的总里程减少了多少公里?
3.在问题 1 基础上,假如现实中由于功率的影响,从一级供水站出发铺设的管道
最多只能供水 40 公里(按从该一级供水站管道输送的总里程计算),但从中心供
水站 A 出发铺设的管道供水不受此距离限制。为实现对所有供水站供水,需要将
若干个二级供水站升级为一级供水站,但升级后从该供水站出发铺设的管道也最
多只能供水 40 公里。问最少升级几个二级供水站,可实现对所有的供水站供水?
在这种配置下铺设管道的总里程数最少是多少公里?
图 1 供水站位置图( 其中红色*为 V1~V12,蓝色 . 为 P1~P168 )
附:为更准确理解问题,特给出一个与数据无关的示意图给予说明。
图 2 示意图(与数据无关)
解释:图中水首先从中心站 A 流向一级站 V3,V2,V1。这些站点之间采用 I
型管道连接。
然后水从一级站 V3 出发流向二级站 P1,P2。水从 V1 出发流向 P6。
水从 V2 出发流向 P3,P4,P5,P7,P8,P9,P10,P11。
第三问不超过 40 公里的意义是指:
V3P1P2 不超过 40 公里。V1P6 不超过 40 公里。
V2P3P4P5P7+P5P8+V2P9P10+P9P11 不超过 40 公里。
表 1 位置坐标数据(单位:公里)
序号
类型
X 坐标
Y 坐标
序号
类型
X 坐标
Y 坐标
0
A
26
31
91
P79
9
35
1
V1
5
33
92
P80
7
37
2
V2
8
9
93
P81
4
37
3
V3
10
24
94
P82
5
42
4
V4
13
34
95
P83
2
44
5
V5
17
23
96
P84
7
32
6
V6
20
10
97
P85
7
30
7
V7
25
47
98
P86
1
24
8
V8
31
18
99
P87
2
16
9
V9
35
42
100
P88
3
18
10
V10
36
25
101
P89
2
20
11
V11
41
31
102
P90
4
24
12
V12
45
38
103
P91
5
28
13
P1
41
35
104
P92
6
24
14
P2
40
34
105
P93
9
29
15
P3
38
35
106
P94
2
33
16
P4
38
37
107
P95
7
34
17
P5
33
37
108
P96
3
30
18
P6
31
36
109
P97
3
41
19
P7
33
35
110
P98
10
36
20
P8
28
32
111
P99
17
34
21
P9
24
30
112
P100
20
22
22
P10
21
31
113
P101
24
21
23
P11
22
27
114
P102
22
17
24
P12
28
29
115
P103
21
16
25
P13
43
37
116
P104
27
19
26
P14
44
39
117
P105
26
16
27
P15
25
27
118
P106
9
16
28
P16
21
29
119
P107
12
17
29
P17
22
30
120
P108
14
15
30
P18
24
32
121
P109
19
26
31
P19
37
33
122
P110
14
28
32
P20
38
33
123
P111
13
25
33
P21
37
36
124
P112
9
19
34
P22
14
13
125
P113
2
1
35
P23
16
9
126
P114
6
6
36
P24
14
7
127
P115
7
8
37
P25
18
14
128
P116
6
14
38
P26
12
6
129
P117
5
17
39
P27
15
14
130
P118
5
16
40
P28
20
13
131
P119
16
19
41
P29
13
46
132
P120
26
13
42
P30
16
39
133
P121
29
11
43
P31
21
39
134
P122
31
14
44
P32
26
44
135
P123
28
17
45
P33
28
40
136
P124
20
19
46
P34
27
42
137
P125
17
22
47
P35
29
38
138
P126
15
23
48
P36
29
44
139
P127
21
23
49
P37
36
44
140
P128
24
23
50
P38
41
40
141
P129
26
23
51
P39
39
52
142
P130
25
25
52
P40
27
49
143
P131
15
31
53
P41
23
46
144
P132
15
29
54
P42
20
46
145
P133
10
28
55
P43
16
46
146
P134
38
26
56
P44
22
44
147
P135
37
25
57
P45
40
44
148
P136
33
21
58
P46
42
40
149
P137
40
24
59
P47
37
42
150
P138
44
44
60
P48
35
49
151
P139
41
31
61
P49
35
51
152
P140
33
24
62
P50
35
52
153
P141
32
27
63
P51
34
55
154
P142
40
14
64
P52
26
53
155
P143
42
26
65
P53
27
51
156
P144
45
33
66
P54
31
51
157
P145
29
23
67
P55
31
45
158
P146
31
30
68
P56
31
41
159
P147
30
25
69
P57
28
45
160
P148
31
23
70
P58
27
35
161
P149
35
15
71
P59
24
38
162
P150
40
16
72
P60
26
39
163
P151
40
20
73
P61
13
37
164
P152
37
20
74
P62
17
36
165
P153
35
24
75
P63
21
41
166
P154
43
23
76
P64
18
41
167
P155
45
26
77
P65
21
43
168
P156
37
28
78
P66
13
39
169
P157
35
28
79
P67
14
43
170
P158
33
29
80
P68
12
43
171
P159
37
30
81
P69
10
44
172
P160
39
30
82
P70
16
44
173
P161
41
29
83
P71
18
44
174
P162
43
31
84
P72
24
44
175
P163
47
34
85
P73
25
49
176
P164
46
43
86
P74
24
49
177
P165
42
43
87
P75
24
51
178
P166
48
45
88
P76
21
48
179
P167
42
44
89
P77
17
51
180
P168
43
50
90
P78
10
34
附:P139 与 V11 坐标点相同,可当距离为 0 计算即可,不影响建模与计算。
问题 1 优化模型
最优树线性规划模型。
(从一个点出发的最优树详见 4.3 图论中最优树问题的 Lingo 求解)
设共有
n
个节点,任意两点构成的距离矩阵为
nn
d
.
ij
d
表示节点
i
到
j
的距离。
现求一级站点 1~12 到二级站点(168 个)生成的最优树,要求各线路上的权值和最小。其
线性规划模型为:
决策变量:设
1
0
ij
ij
x
ij
节点 与节点 连通
节点 与节点 不连通
目标函数为寻找一条从起始点 1,2,…,12 到各节点生成的最优树,要求各线路上的权值
和最小,故目标函数为:
11
min .
nn
ij ij
ij
Z d x
1. 对起始点 1~12 至少有一条路出去,故有:
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不知名唐某人
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