运筹学第三版之第四章目标规划

目标规划(Goalprogramming)目标规划的数学模型目标规划的图解法目标规划的单纯形法目标规划概述目标规划是在线性规划的基础上，为适应经济管理中多目标决策的需要而逐步发展起来的一个分支。2、线性规划求最优解；目标规划是找到一个满意解。1、线性规划只讨论一个线性目标函数在一组线性约束条件下的极值问题；而目标规划是多个目标决策，可求得更切合实际的解。一、目标规划概述（一）、目标规划与线性规划的比较4、线性规划的最优解是绝对意义下的最优，但需花去大量的人力、物力、财力才能得到；实际过程中，只要求得满意解，就能满足需要（或更能满足需要）。3、线性规划中的约束条件是同等重要的，是硬约束；而目标规划中有轻重缓急和主次之分，即有优先权。目前，已经在经济计划、生产管理、经营管理、市场分析、财务管理等方面得到了广泛的应用。（二）、目标规划的基本概念例题线性规划模型为：maxZ=8x1+10x22x1+x2≤11①x1+2x2≤10②x1,x2≥0X*=(4,3)TZ*=62目标函数的地位突出，约束条件是必须严格满足的等式或不等式，是绝对化的“硬约束”，此种问题若要求太多时，很容易相互矛盾，得不到可行解。如根据市场情况再加以下要求：(1)产品Ⅰ产量不大于产品Ⅱ。(2)超过计划供应原材料时，需高价采购，这使成本增加。(3)应尽可能充分利用设备工时，但不希望加班。(4)利润不少于56元。用式子表示：x1-x2≤02x1+x2≤11x1+2x2=108x1+10x2≥56左边：决策值（表示实际执行效果）右边：目标值（表示理想目标）实际效果与理想目标之间可能有偏差值（不足或者超过），若引入偏差变量，就可变成等式。目标规划通过引入目标值和偏差变量，可以将目标函数转化为目标约束。目标值：是指预先给定的某个目标的一个期望值。实现值或决策值：是指当决策变量xj选定以后，目标函数的对应值。偏差变量（事先无法确定的未知数）：是指实现值和目标值之间的差异,记为d。正偏差变量:表示实现值超过目标值的部分,记为d+。负偏差变量:表示实现值未达到目标值的部分,记为d-。1、目标值和偏差变量当完成或超额完成规定的指标则表示：d＋≥0,d－＝0当未完成规定的指标则表示：d＋＝0,d－≥0当恰好完成指标时则表示：d＋＝0,d－＝0∴d＋×d－＝0成立。引入了目标值和正、负偏差变量后，就对某一问题有了新的限制，即目标约束。目标约束既可对原目标函数起作用，也可对原约束起作用。目标约束是目标规划中特有的，是软约束。绝对约束（系统约束）是指必须严格满足的等式或不等式约束。如线性规划中的所有约束条件都是绝对约束，否则无可行解。所以，绝对约束是硬约束。在一次决策中，实现值不可能既超过目标值又未达到目标值，故有d＋×d－＝0,并规定d＋≥0,d－≥02、目标约束和绝对约束达成函数是一个使总偏差量为最小的目标函数，记为minZ=f（d＋,d－）。一般说来，有以下三种情况，但只能出现其中之一：⑴.要求恰好达到规定的目标值，即正、负偏差变量要尽可能小，则minZ=f（d＋＋d－）。⑵.要求不超过目标值，即允许达不到目标值，也就是正偏差变量尽可能小，则minZ=f（d＋）。⑶.要求超过目标值，即超过量不限，但不低于目标值，也就是负偏差变量尽可能小，则minZ=f（d－）。对于由绝对约束转化而来的目标函数，也照上述处理即可。3、达成函数（即目标规划中的目标函数）优先因子Pk是将决策目标按其重要程度排序并表示出来。P1P2…PiPi+1…PL,i=1,2,…,L后面乘任意大的数还是小。必须“满足”第一级才能“满足”第二级，依次类推。权系数ωlk：区别具有相同优先因子的两个目标的重要性差别，决策者可视具体情况而定。（优先因子和权系数的大小具有主观性和模糊性，它不是运筹学本身的问题，主要是决策人自身的经验，可用专家评定法给以量化。）对于这种解来说，前面的目标可以保证实现或部分实现，而后面的目标就不一定能保证实现或部分实现，有些可能就不能实现。4、优先因子（优先等级）与优先权系数5、满意解（具有层次意义的解）例题2：解：确定优先因子后得数学模型：minZ=P1d1++P2(d2-+d2+)+P3d3-2x1+x2≤11（在绝对约束基础上进行目标规划）x1-x2+d1--d1+=0(要求：d1+尽可能小，最好是0才能满足≤)x1+2x2+d2--d2+=10（要求：d2-和d2+都尽可能小，最好等于0）8x1+10x2+d3--d3+=56（要求：d3-尽可能小，最好是0才能满足≥）x1,x2,di-,di+≥011222331211122212331212min()021081056211,0,,0(1,2,3)jjZPdPddPdxxddxxddxxddxxxxddj规划模型：（一）、模型的一般形式二、目标规划的数学模型1111min()(1,2,,)(,)(1,2,,)0(j1,2,,n),,0(1,2,,)LKllkklkklknkjjkkkjnijjijjkkZPddcxddgkKaxbimxddkK（二）、建模的步骤1、根据要研究的问题所提出的各目标与条件，确定目标值，列出目标约束与绝对约束；4、对同一优先等级中的各偏差变量，若需要可按其重要程度的不同，赋予相应的权系数。3、给各目标赋予相应的优先因子Pi（i=1,2,…,L）。2、可根据决策者的需要，将某些或全部绝对约束转化为目标约束。这时只需要给绝对约束加上负偏差变量和减去正偏差变量即可。lklk和5、根据决策者的要求，按下列情况之一构造一个由优先因子和权系数相对应的偏差变量组成的，要求实现极小化的目标函数，即达成函数。llddldld⑴.恰好达到目标值，取。⑵.允许超过目标值，取。⑶.不允许超过目标值，取。（三）、小结线性规划LP目标规划GP目标函数min,max系数可正负min,偏差变量系数≥0变量xi,xsxaxixsxad约束条件系统约束（绝对约束）目标约束系统约束解最优最满意图解法同样适用两个变量的目标规划问题，但其操作简单，原理一目了然。同时，也有助于理解一般目标规划的求解原理和过程。图解法解题步骤如下：1、确定各约束条件的可行域，即将所有约束条件（包括目标约束和绝对约束，暂不考虑正负偏差变量）在坐标平面上表示出来；2、在目标约束所代表的边界线上，用箭头标出正、负偏差变量值增大的方向；三、目标规划的图解法3、求满足最高优先等级目标的解；4、转到下一个优先等级的目标，在不破坏所有较高优先等级目标的前提下，求出该优先等级目标的解；5、重复4，直到所有优先等级的目标都已审查完毕为止；6、确定最优解和满意解。例1、用图解法求解目标规划问题minZ=P1d1++P2(d2-+d2+)+P3d3-2x1+x2≤11x1-x2+d1--d1+=0x1+2x2+d2--d2+=108x1+10x2+d3--d3+=56x1,x2,di-,di+≥0例2、已知一个生产计划的线性规划模型为01006014021230max21212121xxxxxxxZ)()()(丙资源乙资源甲资源其中目标函数为总利润，x1,x2为产品A、B产量。现有下列目标：1、要求总利润必须超过2500元；2、考虑产品受市场影响，为避免积压，A、B的生产量不超过60件和100件；3、由于甲资源供应比较紧张，不要超过现有量140。试建立目标规划模型，并用图解法求解。解：以产品A、B的单件利润比2.5：1为权系数，模型如下：11234321211122213324412min(2.5)30122500214060100,0,,0(1,2,3,4)llZPdPddPdxxddxxddxddxddxxddl0x20⑴x11401201008060402020406080100⑵⑶⑷2d2d1d1d3d3d4d4dABCD结论：C(60,58.3)为所求的满意解。作图：)4.3.2.1(0,,010060140225001230)5.2(min21442331222111212343211lddxddxddxddxxddxxdPddPdPZll检验：将上述结果带入模型，因＝＝0；＝＝0；＝0，存在；＝0，存在。所以，有下式：minZ=P32d2d1d1d3d3d4d4d2d将x1＝60，x2＝58.3带入约束条件，得30×60＋12×58.3＝2499.6≈2500；2×60+58.3=178.3140；1×60＝601×58.3＝58.3100由上可知：若A、B的计划产量为60件和58.3件时，所需甲资源数量将超过现有库存。在现有条件下，此解为非可行解。为此，企业必须采取措施降低A、B产品对甲资源的消耗量，由原来的100％降至78.5％（140÷178.3＝0.785），才能使生产方案（60，58.3）成为可行方案。)3.2.1(0.,0112561081020)(min21213321222111213322211jddxxxddxxddxxddxxdPddPdPZjj练习：用图解法求解下列目标规划问题⑴⑵⑶⑷CD2d2d1d1d3d3d结论：有无穷多最优解。C（2，4）D（10/3，10/3）)3.2.1(0.,0112561081020)(min21213321222111213322211jddxxxddxxddxxddxxdPddPdPZjjCjc1c2cn+2mCBXBbx1x2xn+2mcj1xj1bo1e11e12e1n+2mcj2xj2bo2e21e22e2n+2mcjmxjmbomem1em2emn+2mσkjP1α1σ11σ12σ1n+2mP2α2σ21σ22σ2n+2mPKαKσm1σm2σmn+2m四、目标规划的单纯形法（一）、一般形式：一、特点1．目标函数：min2．最优性判断：σj≥0时为最优3．非基变量检验数的特殊性：含有不同等级的优先因子P1,P2,…,Pk;又因P1P2P3…Pk，所以检验数的正负首先取决于P1的系数的正负，若P1的系数为0，再由P2的系数的正负决定检验数的正负，然后依次类推。1、建立初始单纯形表。一般假定初始解在原点，即以约束条件中的所有负偏差变量或松弛变量为初始基变量，按目标优先等级从左至右分别计算出各列的检验数，填入表的下半部。2、检验是否为满意解。判别准则如下：⑴.首先检查αk(k=1.2…K)是否全部为零？如果全部为零，则表示目标均已全部达到，获得满意解，停止计算转到第6步；否则转入⑵。（二）、单纯形法的计算步骤⑵.如果某一个αk0。说明第k个优先等级的目标尚未达到,必须检查Pk这一行的检验数σkj(j=1.2…n+2m).若Pk这一行某些负检验数的同列上面（较高优先等级）没有正检验数，说明未得到满意解，应继续改进，转到第3步；若Pk这一行全部负检验数的同列上面（较高优先等级）都有正检验数，说明目标虽没达到，但已不能改进，故得满意解，转到第6步。3、确定进基变量。在Pk行，从那些上面没有正检验数的负检验数中，选绝对值最大者，对应的变量xs就是进基变量。若Pk行中有几个相同的绝对值最大者，则依次比较它们各列下部的检验数，取其绝对值最大的负检验数的所在列的xs为进基变量。假如仍无法确定，则选最左边的变量（变量下标小者）为进基变量