多目標(biāo)優(yōu)化方法及實(shí)例解析.ppt

1、第九講 多目標(biāo)規(guī)劃方法,多目標(biāo)規(guī)劃解的討論非劣解 多目標(biāo)規(guī)劃及其求解技術(shù)簡(jiǎn)介 效用最優(yōu)化模型 罰款模型 約束模型 目標(biāo)規(guī)劃模型 目標(biāo)達(dá)到法 目標(biāo)規(guī)劃方法 目標(biāo)規(guī)劃模型 目標(biāo)規(guī)劃的圖解法 求解目標(biāo)規(guī)劃的單純形方法 多目標(biāo)規(guī)劃應(yīng)用實(shí)例,多目標(biāo)規(guī)劃是數(shù)學(xué)規(guī)劃的一個(gè)分支。 研究多于一個(gè)的目標(biāo)函數(shù)在給定區(qū)域上的最優(yōu)化。又稱(chēng)多目標(biāo)最優(yōu)化。通常記為 MOP(multi-objective programming)。 在很多實(shí)際問(wèn)題中，例如經(jīng)濟(jì)、管理、軍事、科學(xué)和工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，衡量一個(gè)方案的好壞往往難以用一個(gè)指標(biāo)來(lái)判斷，而需要用多個(gè)目標(biāo)來(lái)比較，而這些目標(biāo)有時(shí)不甚協(xié)調(diào)，甚至是矛盾的。因此有許多學(xué)者致力于這方面

2、的研究。 1896年法國(guó)經(jīng)濟(jì)學(xué)家 V. 帕雷托最早研究不可比較目標(biāo)的優(yōu)化問(wèn)題，之后，J.馮諾伊曼、H.W.庫(kù)恩、A.W.塔克、A.M.日夫里翁等數(shù)學(xué)家做了深入的探討，但是尚未有一個(gè)完全令人滿(mǎn)意的定義。,3,求解多目標(biāo)規(guī)劃的方法大體上有以下幾種： 一種是化多為少的方法 ， 即把多目標(biāo)化為比較容易求解的單目標(biāo)或雙目標(biāo)，如主要目標(biāo)法、線(xiàn)性加權(quán)法、理想點(diǎn)法等； 另一種叫分層序列法，即把目標(biāo)按其重要性給出一個(gè)序列，每次都在前一目標(biāo)最優(yōu)解集內(nèi)求下一個(gè)目標(biāo)最優(yōu)解，直到求出共同的最優(yōu)解。 對(duì)多目標(biāo)的線(xiàn)性規(guī)劃除以上方法外還可以適當(dāng)修正單純形法來(lái)求解；還有一種稱(chēng)為層次分析法，是由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家沙旦于70年代提出的，

3、這是一種定性與定量相結(jié)合的多目標(biāo)決策與分析方法，對(duì)于目標(biāo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且缺乏必要的數(shù)據(jù)的情況更為實(shí)用。,多目標(biāo)規(guī)劃模型,（一）任何多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題，都由兩個(gè)基本部分組成： （1）兩個(gè)以上的目標(biāo)函數(shù)； （2）若干個(gè)約束條件。,（二）對(duì)于多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題，可以將其數(shù)學(xué)模型一般地描寫(xiě)為如下形式：,一 多目標(biāo)規(guī)劃及其非劣解,式中： 為決策變量向量。,縮寫(xiě)形式：,有n個(gè)決策變量，k個(gè)目標(biāo)函數(shù)， m個(gè)約束方程， 則： Z=F(X) 是k維函數(shù)向量， (X)是m維函數(shù)向量； G是m維常數(shù)向量；,（1）,（2）,對(duì)于線(xiàn)性多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題，可以進(jìn)一步用矩陣表示：,式中： X 為n 維決策變量向量； C 為kn 矩陣，即目標(biāo)

4、函數(shù)系數(shù)矩陣； B 為mn 矩陣，即約束方程系數(shù)矩陣； b 為m 維的向量，即約束向量。,多目標(biāo)規(guī)劃的非劣解,多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題的求解不能只追求一個(gè)目標(biāo)的最優(yōu)化（最大或最?。?，而不顧其它目標(biāo)。 對(duì)于上述多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題，求解就意味著需要做出如下的復(fù)合選擇： 每一個(gè)目標(biāo)函數(shù)取什么值，原問(wèn)題可以得到最滿(mǎn)意的解決？ 每一個(gè)決策變量取什么值，原問(wèn)題可以得到最滿(mǎn)意的解決 ？,在圖1中，max(f1, f2) .就方案和來(lái)說(shuō)，的 f2 目標(biāo)值比大，但其目標(biāo)值 f1 比小，因此無(wú)法確定這兩個(gè)方案的優(yōu)與劣。 在各個(gè)方案之間，顯然：比好，比好, 比好, 比好。,非劣解可以用圖1說(shuō)明。,圖1 多目標(biāo)規(guī)劃的劣解與非劣解,

5、9,而對(duì)于方案、之間則無(wú)法確定優(yōu)劣，而且又沒(méi)有比它們更好的其他方案，所以它們就被稱(chēng)為多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題的非劣解或有效解， 其余方案都稱(chēng)為劣解。 所有非劣解構(gòu)成的集合稱(chēng)為非劣解集。,當(dāng)目標(biāo)函數(shù)處于沖突狀態(tài)時(shí)，就不會(huì)存在使所有目標(biāo)函數(shù)同時(shí)達(dá)到最大或最小值的最優(yōu)解，于是我們只能尋求非劣解（又稱(chēng)非支配解或帕累托解）。,效用最優(yōu)化模型 罰款模型 約束模型 目標(biāo)達(dá)到法 目標(biāo)規(guī)劃模型,二 多目標(biāo)規(guī)劃求解技術(shù)簡(jiǎn)介,為了求得多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題的非劣解，常常需要將多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題去處理。實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化，有如下幾種建模方法。,是與各目標(biāo)函數(shù)相關(guān)的效用函數(shù)的和函數(shù)。,方法一 效用最優(yōu)化模型（線(xiàn)性加權(quán)法）,（1

6、）,（2）,思想：規(guī)劃問(wèn)題的各個(gè)目標(biāo)函數(shù)可以通過(guò)一定的方式進(jìn)行求和運(yùn)算。這種方法將一系列的目標(biāo)函數(shù)與效用函數(shù)建立相關(guān)關(guān)系，各目標(biāo)之間通過(guò)效用函數(shù)協(xié)調(diào)，使多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)的單目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題：,在用效用函數(shù)作為規(guī)劃目標(biāo)時(shí)，需要確定一組權(quán)值 i 來(lái)反映原問(wèn)題中各目標(biāo)函數(shù)在總體目標(biāo)中的權(quán)重，即：,式中， i 應(yīng)滿(mǎn)足：,向量形式：,方法二 罰款模型（理想點(diǎn)法）,思想: 規(guī)劃決策者對(duì)每一個(gè)目標(biāo)函數(shù)都能提出所期望的值（或稱(chēng)滿(mǎn)意值）； 通過(guò)比較實(shí)際值 fi 與期望值 fi* 之間的偏差來(lái)選擇問(wèn)題的解，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：,或?qū)懗删仃囆问剑?式中， 是與第i個(gè)目標(biāo)函數(shù)相關(guān)的權(quán)重； A是由 (i=1,2,k

7、)組成的mm對(duì)角矩陣。,理論依據(jù) ：若規(guī)劃問(wèn)題的某一目標(biāo)可以給出一個(gè)可供選擇的范圍，則該目標(biāo)就可以作為約束條件而被排除出目標(biāo)組，進(jìn)入約束條件組中。 假如，除第一個(gè)目標(biāo)外，其余目標(biāo)都可以提出一個(gè)可供選擇的范圍，則該多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題就可以轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題：,方法三 約束模型（極大極小法）,方法四 目標(biāo)達(dá)到法,首先將多目標(biāo)規(guī)劃模型化為如下標(biāo)準(zhǔn)形式：,在求解之前，先設(shè)計(jì)與目標(biāo)函數(shù)相應(yīng)的一組目標(biāo)值理想化的期望目標(biāo) fi* ( i=1,2,k ) , 每一個(gè)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)為 i* ( i=1,2,k ) ， 再設(shè) 為一松弛因子。 那么，多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為：,17,方法五 目標(biāo)規(guī)劃模型（目標(biāo)規(guī)劃法

8、）,需要預(yù)先確定各個(gè)目標(biāo)的期望值 fi* ，同時(shí)給每一個(gè)目標(biāo)賦予一個(gè)優(yōu)先因子和權(quán)系數(shù)，假定有K個(gè)目標(biāo)，L個(gè)優(yōu)先級(jí)( LK)，目標(biāo)規(guī)劃模型的數(shù)學(xué)形式為：,18,式中： di+ 和 di分別表示與 fi 相應(yīng)的、與fi* 相比的目標(biāo)超過(guò)值和不足值，即正、負(fù)偏差變量； pl表示第l個(gè)優(yōu)先級(jí)； lk+、lk-表示在同一優(yōu)先級(jí) pl 中，不同目標(biāo)的正、負(fù)偏差變量的權(quán)系數(shù)。,三 目標(biāo)規(guī)劃方法,通過(guò)前面的介紹和討論，我們知道，目標(biāo)規(guī)劃方法是解決多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題的重要技術(shù)之一。 這一方法是美國(guó)學(xué)者查恩斯（A.Charnes）和庫(kù)伯（W.W.Cooper）于1961年在線(xiàn)性規(guī)劃的基礎(chǔ)上提出來(lái)的。后來(lái)，查斯基萊恩（

9、U.Jaashelainen）和李（Sang.Lee）等人，進(jìn)一步給出了求解目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題的一般性方法單純形方法。,目標(biāo)規(guī)劃模型 目標(biāo)規(guī)劃的圖解法 求解目標(biāo)規(guī)劃的單純形方法,目標(biāo)規(guī)劃模型,給定若干目標(biāo)以及實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的優(yōu)先順序，在有限的資源條件下，使總的偏離目標(biāo)值的偏差最小。,1.基本思想 ：,2.目標(biāo)規(guī)劃的有關(guān)概念,例1：某一個(gè)企業(yè)利用某種原材料和現(xiàn)有設(shè)備可生產(chǎn)甲、乙兩種產(chǎn)品，其中，甲、乙兩種產(chǎn)品的單價(jià)分別為8萬(wàn)元和10萬(wàn)元；生產(chǎn)單位甲、乙兩種產(chǎn)品需要消耗的原材料分別為2個(gè)單位和1個(gè)單位，需要占用的設(shè)備分別為1單位臺(tái)時(shí)和2單位臺(tái)時(shí)；原材料擁有量為11個(gè)單位；可利用的設(shè)備總臺(tái)時(shí)為10單位臺(tái)時(shí)。試

10、問(wèn)：如何確定其生產(chǎn)方案使得企業(yè)獲利最大？,由于決策者所追求的唯一目標(biāo)是使總產(chǎn)值達(dá)到最大，這個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)方案可以由如下線(xiàn)性規(guī)劃模型給出：求x1，x2，使,將上述問(wèn)題化為標(biāo)準(zhǔn)后，用單純形方法求解可得最佳決策方案為: （萬(wàn)元）。,生產(chǎn)甲、乙兩種產(chǎn)品，有關(guān)數(shù)據(jù)如表所示。試求獲利最大的生產(chǎn)方案？,但是，在實(shí)際決策時(shí)，企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者必須考慮市場(chǎng)等一系列其它條件，如：,超過(guò)計(jì)劃供應(yīng)的原材料，需用高價(jià)采購(gòu)，這就會(huì)使生產(chǎn) 成本增加。 應(yīng)盡可能地充分利用設(shè)備的有效臺(tái)時(shí)，但不希望加班。 應(yīng)盡可能達(dá)到并超過(guò)計(jì)劃產(chǎn)值指標(biāo)56萬(wàn)元。,這樣，該企業(yè)生產(chǎn)方案的確定，便成為一個(gè)多目標(biāo)決策問(wèn)題，這一問(wèn)題可以運(yùn)用目標(biāo)規(guī)劃方法進(jìn)行求解。

11、, 根據(jù)市場(chǎng)信息，甲種產(chǎn)品的需求量有下降的趨勢(shì)，因 此甲種產(chǎn)品的產(chǎn)量不應(yīng)大于乙種產(chǎn)品的產(chǎn)量。,23,假定有L個(gè)目標(biāo)，K個(gè)優(yōu)先級(jí)(KL)，n個(gè)變量。在同一優(yōu)先級(jí)pk中不同目標(biāo)的正、負(fù)偏差變量的權(quán)系數(shù)分別為kl+ 、kl- ，則多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題可以表示為：,目標(biāo)規(guī)劃模型的一般形式,目標(biāo)函數(shù),目標(biāo)約束,絕對(duì)約束,非負(fù)約束,24,在以上各式中， kl+ 、kl- 、分別為賦予pl優(yōu)先因子的第 k 個(gè)目標(biāo)的正、負(fù)偏差變量的權(quán)系數(shù)， gk為第 k個(gè)目標(biāo)的預(yù)期值， xj為決策變量， dk+ 、dk- 、分別為第 k 個(gè)目標(biāo)的正、負(fù)偏差變量，,目標(biāo)函數(shù),目標(biāo)約束,絕對(duì)約束,非負(fù)約束,目標(biāo)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型中的有關(guān)概念

12、。,(1) 偏差變量 在目標(biāo)規(guī)劃模型中，除了決策變量外，還需要引入正、負(fù)偏差變量 d +、d - 。其中，正偏差變量表示決策值超過(guò)目標(biāo)值的部分，負(fù)偏差變量表示決策值未達(dá)到目標(biāo)值的部分。 因?yàn)闆Q策值不可能既超過(guò)目標(biāo)值同時(shí)又未達(dá)到目標(biāo)值，故有 d +d - =0成立。,(2) 絕對(duì)約束和目標(biāo)約束 絕對(duì)約束，必須嚴(yán)格滿(mǎn)足的等式約束和不等式約束，譬如，線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題的所有約束條件都是絕對(duì)約束，不能滿(mǎn)足這些約束條件的解稱(chēng)為非可行解，所以它們是硬約束。,目標(biāo)約束，目標(biāo)規(guī)劃所特有的，可以將約束方程右端項(xiàng)看作是追求的目標(biāo)值，在達(dá)到此目標(biāo)值時(shí)允許發(fā)生正的或負(fù)的偏差 ，可加入正負(fù)偏差變量，是軟約束。 線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題的

13、目標(biāo)函數(shù)，在給定目標(biāo)值和加入正、負(fù)偏差變量后可以轉(zhuǎn)化為目標(biāo)約束，也可以根據(jù)問(wèn)題的需要將絕對(duì)約束轉(zhuǎn)化為目標(biāo)約束。,(3) 優(yōu)先因子（優(yōu)先等級(jí)）與權(quán)系數(shù) 一個(gè)規(guī)劃問(wèn)題,常常有若干個(gè)目標(biāo)，決策者對(duì)各個(gè)目標(biāo)的考慮,往往是有主次的。凡要求第一位達(dá)到的目標(biāo)賦予優(yōu)先因子 p1 ，次位的目標(biāo)賦予優(yōu)先因子 p2 ，并規(guī)定 pl pl+1 (l=1,2,.) 表示 pl 比 pl+1 有更大的優(yōu)先權(quán)。 即:首先保證p1 級(jí)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，這時(shí)可以不考慮次級(jí)目標(biāo)；而p2級(jí)目標(biāo)是在實(shí)現(xiàn)p1 級(jí)目標(biāo)的基礎(chǔ)上考慮的；依此類(lèi)推。,若要區(qū)別具有相同優(yōu)先因子 pl 的目標(biāo)的差別，就可以分別賦予它們不同的權(quán)系數(shù)i* ( i=1,2,

14、k )。這些優(yōu)先因子和權(quán)系數(shù)都由決策者按照具體情況而定。,(3)優(yōu)先因子（優(yōu)先等級(jí)）與權(quán)系數(shù) 一個(gè)規(guī)劃問(wèn)題,常常有若干個(gè)目標(biāo)，決策者對(duì)各個(gè)目標(biāo)的考慮,往往是有主次的。凡要求第一位達(dá)到的目標(biāo)賦予優(yōu)先因子 p1 ，次位的目標(biāo)賦予優(yōu)先因子 p2 ，并規(guī)定 pl pl+1 (l=1,2,.) 表示 pl 比 pl+1 有更大的優(yōu)先權(quán)。 即:首先保證p1 級(jí)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，這時(shí)可以不考慮次級(jí)目標(biāo)；而p2級(jí)目標(biāo)是在實(shí)現(xiàn)p1 級(jí)目標(biāo)的基礎(chǔ)上考慮的；依此類(lèi)推。,(4)目標(biāo)函數(shù) 目標(biāo)規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)（準(zhǔn)則函數(shù)）是按照各目標(biāo)約束的正、負(fù)偏差變量和賦予相應(yīng)的優(yōu)先因子而構(gòu)造的。當(dāng)每一目標(biāo)確定后，盡可能縮小與目標(biāo)值的偏離。因

15、此，目標(biāo)規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)只能是：,a) 要求恰好達(dá)到目標(biāo)值，就是正、負(fù)偏差變量都要盡可能小,即,b) 要求不超過(guò)目標(biāo)值，即允許達(dá)不到目標(biāo)值，就是正偏差變量要盡可能小，即,c) 要求超過(guò)目標(biāo)值，也就是超過(guò)量不限，但負(fù)偏差變量要盡可能小，即,基本形式有三種：,29,例2：在例1中，如果決策者在原材料供應(yīng)受?chē)?yán)格控制的基礎(chǔ)上考慮：首先是甲種產(chǎn)品的產(chǎn)量不超過(guò)乙種產(chǎn)品的產(chǎn)量；其次是充分利用設(shè)備的有限臺(tái)時(shí)，不加班；再次是產(chǎn)值不小于56萬(wàn)元。并分別賦予這三個(gè)目標(biāo)優(yōu)先因子p1,p2,p3。試建立該問(wèn)題的目標(biāo)規(guī)劃模型。,分析: 題目有三個(gè)目標(biāo)層次，包含三個(gè)目標(biāo)值。 第一目標(biāo)：p1d1+ ; 即產(chǎn)品甲的產(chǎn)量不大于乙的

16、產(chǎn)量。 第二目標(biāo)： p2(d2+ + d2-);即充分利用設(shè)備的有限臺(tái)時(shí)，不加班； 第三目標(biāo)： p3d3- ; 即產(chǎn)值不小于56萬(wàn)元；,例2：在例1中，如果決策者在原材料供應(yīng)受?chē)?yán)格控制的基礎(chǔ)上考慮：首先是甲種產(chǎn)品的產(chǎn)量不超過(guò)乙種產(chǎn)品的產(chǎn)量；其次是充分利用設(shè)備的有限臺(tái)時(shí)，不加班；再次是產(chǎn)值不小于56萬(wàn)元。并分別賦予這三個(gè)目標(biāo)優(yōu)先因子p1,p2,p3。試建立該問(wèn)題的目標(biāo)規(guī)劃模型。,解：根據(jù)題意，這一決策問(wèn)題的目標(biāo)規(guī)劃模型是,31,例3、某廠計(jì)劃在下一個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)生產(chǎn)甲、乙兩種產(chǎn)品，已知資料如表所示。(1)試制定生產(chǎn)計(jì)劃，使獲得的利潤(rùn)最大？,解:設(shè)生產(chǎn)甲產(chǎn)品: x1 ，乙產(chǎn)品: x2 ,(1),32

17、,若在例3中提出下列要求： 1、完成或超額完成利潤(rùn)指標(biāo) 50000元； 2、產(chǎn)品甲不超過(guò) 200件，產(chǎn)品乙不低于 250件； 3、現(xiàn)有鋼材 3600噸必須用完。 試建立目標(biāo)規(guī)劃模型。,分析：題目有三個(gè)目標(biāo)層次，包含四個(gè)目標(biāo)值。 第一目標(biāo)：p1d1- 第二目標(biāo)：有兩個(gè)要求即甲 d2+ ，乙 d3- ，但兩個(gè)具有相同的優(yōu)先因子，因此需要確定權(quán)系數(shù)。本題可用單件利潤(rùn)比作為權(quán)系數(shù)即 70 :120，化簡(jiǎn)為7:12。,第三目標(biāo)：,33,所以目標(biāo)規(guī)劃模型為：,34,圖解法同樣適用兩個(gè)變量的目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題，但其操作簡(jiǎn)單，原理一目了然。同時(shí)，也有助于理解一般目標(biāo)規(guī)劃的求解原理和過(guò)程。,圖解法解題步驟如下： 1、

18、確定各約束條件的可行域。即將所有約束條件（包括目標(biāo)約束和絕對(duì)約束，暫不考慮正負(fù)偏差變量）在坐標(biāo)平面上表示出來(lái)； 2、在目標(biāo)約束所代表的邊界線(xiàn)上，用箭頭標(biāo)出正、負(fù)偏差變量值增大的方向；,目標(biāo)規(guī)劃的圖解法,3、求滿(mǎn)足最高優(yōu)先等級(jí)目標(biāo)的解； 4、轉(zhuǎn)到下一個(gè)優(yōu)先等級(jí)的目標(biāo)，再不破壞所有較高優(yōu)先等級(jí)目標(biāo)的前提下，求出該優(yōu)先等級(jí)目標(biāo)的解； 5、重復(fù)4，直到所有優(yōu)先等級(jí)的目標(biāo)都已審查完畢為止； 6、確定最優(yōu)解和滿(mǎn)意解。,35,例4、用圖解法求解目標(biāo) 規(guī)劃問(wèn)題,0,1 2 3 4 5 6 7 8,1 2 3 4 5 6,A,x2,x1,B,C,由于d2- 取最小，所以，（2）線(xiàn)可向上移動(dòng)，故B，C線(xiàn)段上的點(diǎn)是

19、該問(wèn)題的最優(yōu)解。,36,例5、已知一個(gè)生產(chǎn) 計(jì)劃的線(xiàn)性規(guī)劃模型為,其中目標(biāo)函數(shù)為總利潤(rùn)，x1, x2 為產(chǎn)品A、B 產(chǎn)量。 現(xiàn)有下列目標(biāo)： 1、要求總利潤(rùn)必須超過(guò) 2500 元； 2、考慮產(chǎn)品受市場(chǎng)影響，為避免積壓， A、B的生產(chǎn)量不超過(guò) 60 件和 100 件； 3、由于甲資源供應(yīng)比較緊張，不要超過(guò)現(xiàn)有量140。 試建立目標(biāo)規(guī)劃模型，并用圖解法求解。,37,解：以產(chǎn)品 A、B 的單件利潤(rùn)比 2.5 :1 為權(quán)系數(shù)，模型如下：,38,0,x2,0,x1,140 120 100 80 60 40 20,20 40 60 80 100,A,B,C,D,結(jié)論：C(60 ,58.3)為所求的滿(mǎn)意解。,

20、39,檢驗(yàn)：將上述結(jié)果帶入模型，因 d1+d1- 0 ； d3+d3- 0 ；d2- =0， d2+存在； d4+ 0， d4-存在。所以，有下式： minZ=,將 x160， x2 58.3 帶入約束條件，得,30601258.32499.62500； 260+58.3=178.3 140； 16060 158.358.3 100,由上可知：若A、B的計(jì)劃產(chǎn)量為60件和58.3件時(shí)，所需甲資源數(shù)量將超過(guò)現(xiàn)有庫(kù)存。在現(xiàn)有條件下，此解為非可行解。為此，企業(yè)必須采取措施降低A、B產(chǎn)品對(duì)甲資源的消耗量，由原來(lái)的100降至78.5（140178.30.785），才能使生產(chǎn)方案（60，58.3）成為可行

21、方案。,求解目標(biāo)規(guī)則的單純形方法,目標(biāo)規(guī)劃模型仍可以用單純形方法求解 ，在求解時(shí)作以下規(guī)定： 因?yàn)槟繕?biāo)函數(shù)都是求最小值，所以，最優(yōu)判別檢驗(yàn)數(shù)為：,因?yàn)榉腔兞康臋z驗(yàn)數(shù)中含有不同等級(jí)的優(yōu)先因子，,所以檢驗(yàn)數(shù)的正、負(fù)首先決定于P1的系數(shù) 1j 的正負(fù)，若 1j =0，則檢驗(yàn)數(shù)的正、負(fù)就決定于p2的系數(shù) 2j 的正負(fù)，,所以檢驗(yàn)數(shù)的正、負(fù)首先決定于p1的系數(shù)1j 的正、負(fù)，若 1j =0，則檢驗(yàn)數(shù)的正、負(fù)就決定于p2的系數(shù)2j 的正、負(fù)，下面可依此類(lèi)推。,據(jù)此，我們可以總結(jié)出求解目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題的單純形方法的計(jì)算步驟如下： 建立初始單純形表，在表中將檢驗(yàn)數(shù)行按優(yōu)先因子個(gè)數(shù)分別排成L行，置l=1。 檢查該

22、行中是否存在負(fù)數(shù)，且對(duì)應(yīng)的前L-1行的系數(shù)是零。若有，取其中最小者對(duì)應(yīng)的變量為換入變量，轉(zhuǎn)。若無(wú)負(fù)數(shù)，則轉(zhuǎn)。,建立初始單純形表，在表中將檢驗(yàn)數(shù)行按優(yōu)先因子個(gè)數(shù)分別排成L行，置l=1。 檢查該行中是否存在負(fù)數(shù)，且對(duì)應(yīng)的前L-1行的系數(shù)是零。若有，取其中最小者對(duì)應(yīng)的變量為換入變量，轉(zhuǎn)。若無(wú)負(fù)數(shù)，則轉(zhuǎn)。,按最小比值規(guī)則（ 規(guī)則）確定換出變量，當(dāng)存在兩個(gè)和兩個(gè)以上相同的最小比值時(shí)，選取具有較高優(yōu)先級(jí)別的變量為換出變量。 按單純形法進(jìn)行基變換運(yùn)算，建立新的計(jì)算表，返回。 當(dāng)l=L時(shí)，計(jì)算結(jié)束，表中的解即為滿(mǎn)意解。否則置l=l+1，返回 。,例4：試用單純形法求解例2所描述的目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題.,解：首先將這一

23、問(wèn)題化為如下標(biāo)準(zhǔn)形式：,取 為初始基變量，列出初始單純形表。, 取 l =1 ，檢查檢驗(yàn)數(shù)的 p1 行，因該行無(wú)負(fù)檢驗(yàn)數(shù)，故轉(zhuǎn)。, 因?yàn)?l =1L=3 ，置 l = l+1=2 ，返回。, 檢查發(fā)現(xiàn)檢驗(yàn)數(shù) p2行中有-1，-2，因?yàn)橛衜in-1,-2=-2 ，所以x2為換入變量，轉(zhuǎn)入。, 按 規(guī)則計(jì)算： ，所以 d2- 為換出變量，轉(zhuǎn)入。 進(jìn)行換基運(yùn)算，得表3。以此類(lèi)推，直至得到最終單純形表4為止。,表2,表3,由表3可知，x1* =2，x2* =4，為滿(mǎn)意解。檢查檢驗(yàn)數(shù)行，發(fā)現(xiàn)非基變量d3+的檢驗(yàn)數(shù)為0，這表明該問(wèn)題存在多重解。,表4,在表3中，以非基變量d3+為換入變量，d1-為換出變量

24、，經(jīng)迭代得到表4。,從表4可以看出，x1*=10/3，x2*=10/3也是該問(wèn)題的滿(mǎn)意解。,49,用目標(biāo)達(dá)到法求解多目標(biāo)規(guī)劃的計(jì)算過(guò)程，可以通過(guò)調(diào)用Matlab軟件系統(tǒng)優(yōu)化工具箱中的fgoalattain函數(shù)實(shí)現(xiàn)。該函數(shù)的使用方法，如下:,多目標(biāo)規(guī)劃的Matlab求解,X = FGOALATTAIN(FUN,X0,GOAL,WEIGHT),X=FGOALATTAIN(FUN,X0,GOAL,WEIGHT,A,B,Aeq, Beq,LB,UB),X,FVAL,ATTAINFACTOR,EXITFLAG,OUTPUT= FGOALATTAIN(FUN,X0,.),50,在MATLAB中，多目標(biāo)問(wèn)題

25、的標(biāo)準(zhǔn)形式為:,其中：x、b、beq、lb、ub是向量； A、Aeq為矩陣；C(x)、Ceq(x)和F(x)是返回向量的函數(shù)； F(x)、C(x)、Ceq(x)可以是非線(xiàn)性函數(shù)； weight為權(quán)值系數(shù)向量，用于控制對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)與用戶(hù)定義的目標(biāo)函數(shù)值的接近程度； goal為用戶(hù)設(shè)計(jì)的與目標(biāo)函數(shù)相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值向量；, 為一個(gè)松弛因子標(biāo)量； F(x)為多目標(biāo)規(guī)劃中的目標(biāo)函數(shù)向量。,51,例：某工廠因生產(chǎn)需要，欲采購(gòu)一種原料，市場(chǎng)上這種原材料有兩個(gè)等級(jí)，甲級(jí)單價(jià)2元/kg,乙級(jí)單價(jià)1元/kg，現(xiàn)要求總費(fèi)用不超過(guò)200元，購(gòu)得原料總量不少于100kg,其中甲級(jí)原料不少于50kg，問(wèn)如何確定最好的采

26、購(gòu)方案。,分析:列出方程 x150; 2x1+x2200; x1+x2100; x1,x20,化為標(biāo)準(zhǔn)形 min f1=2x1+x2 min f2= x1 x2 min f3= x1 s.t : 2x1+x2200 x1 x2 100 x1 50 x1, x20,52,matlab程序 fun=2*x(1)+x(2),-x(1)-x(2),-x(1); a=2 1;-1 -1;-1 0; b=200 -100 -20; goal=200,-100,-50; weight=goal; x0=55, 55; lb=0,0; X,FVAL,ATTAINFACTOR,EXITFLAG,OUTPUT,L

27、AMBDA=fgoalattain(fun,x0,goal,weight,a,b,lb,),化為標(biāo)準(zhǔn)形 min f1=2x1+x2 min f2= x1 x2 min f3= x1,s.t : 2x1+x2200 x1 x2 100 x1 50 x1,x20,53,Optimization terminated: Search direction less than 2*options.TolX and maximum constraint violation is less than options.TolCon. Active inequalities (to within options

28、.TolCon = 1e-006): lower upper ineqlin ineqnonlin 2 2 3 x = 50.0000 50.0000 fval = 150.0000 -100.0000 -50.0000 attainfactor = -1.4476e-024 exitflag = 4,一、土地利用問(wèn)題 二、生產(chǎn)計(jì)劃問(wèn)題 三、投資問(wèn)題,四 多目標(biāo)規(guī)劃應(yīng)用實(shí)例,一、土地利用問(wèn)題,例: 某農(nóng)場(chǎng)I、II、III等耕地的面積分別為100 hm2、300 hm2和200 hm2，計(jì)劃種植水稻、大豆和玉米，要求三種作物的最低收獲量分別為190000 kg、130000 kg和350000k

29、g。I、II、III等耕地種植三種作物的單產(chǎn)如下表所示。若三種作物的售價(jià)分別為水稻1.20元/kg，大豆1.50元/ kg，玉米0.80元/kg。那么，（1）如何制訂種植計(jì)劃，才能使總產(chǎn)量最大和總產(chǎn)值最大？,取 xij 決策變量，它表示在第 j 等級(jí)的耕地上種植第i種作物的面積。如果追求總產(chǎn)量最大和總產(chǎn)值最大雙重目標(biāo)，那么，目標(biāo)函數(shù)包括：,追求總產(chǎn)值最大,追求總產(chǎn)量最大,根據(jù)題意，約束方程包括：,非負(fù)約束,對(duì)上述多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題，我們可以采用如下方法，求其非劣解。,耕地面積約束,最低收獲量約束,1.用線(xiàn)性加權(quán)方法,取1=2=0.5,重新構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)：,這樣，就將多目標(biāo)規(guī)劃轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)線(xiàn)性規(guī)劃。,

30、用單純形方法對(duì)該問(wèn)題求解，可以得到一個(gè)滿(mǎn)意解（非劣解）方案，結(jié)果見(jiàn)表,此方案是：III等耕地全部種植水稻，I等耕地全部種植玉米，II等耕地種植大豆19.1176公頃、種植玉米280.8824公頃。在此方案下，線(xiàn)性加權(quán)目標(biāo)函數(shù)的最大取值為6445600。,用單純形方法對(duì)該問(wèn)題求解，可以得到一個(gè)滿(mǎn)意解（非劣解）方案，結(jié)果見(jiàn)表,2.目標(biāo)規(guī)劃方法,實(shí)際上，除了線(xiàn)性加權(quán)求和法以外，我們還可以用目標(biāo)規(guī)劃方法求解上述多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題。 如果我們對(duì)總產(chǎn)量f1(X)和總產(chǎn)值f1(X)，分別提出一個(gè)期望目標(biāo)值,（kg）,（元）,并將兩個(gè)目標(biāo)視為相同的優(yōu)先級(jí)。,如果d1+、d1-分別表示對(duì)應(yīng)第一個(gè)目標(biāo)期望值的正、負(fù)偏

31、差變量，d2+、d2-分別表示對(duì)應(yīng)于第二個(gè)目標(biāo)期望值的正、負(fù)偏差變量，而且將每一個(gè)目標(biāo)的正、負(fù)偏差變量同等看待（即可將它們的權(quán)系數(shù)都賦為1），那么，該目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)為：,對(duì)應(yīng)的兩個(gè)目標(biāo)約束為：,即：,除了目標(biāo)約束以外，該模型的約束條件，還包括硬約束和非負(fù)約束的限制。其中，硬約束包括耕地面積約束式和最低收獲量約束式；非負(fù)約束，不但包括決策變量的非負(fù)約束式，還包括正、負(fù)偏差變量的非負(fù)約束：,解上述目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題，可以得到一個(gè)非劣解方案，詳見(jiàn)表:,在此非劣解方案下，兩個(gè)目標(biāo)的正、負(fù)偏差變量分別為 ， ， ， 。,二、生產(chǎn)計(jì)劃問(wèn)題,某企業(yè)擬生產(chǎn)A和B兩種產(chǎn)品，其生產(chǎn)投資費(fèi)用分別為2100元/t和

32、4800元/t。A、B兩種產(chǎn)品的利潤(rùn)分別為3600元/t和6500元/t。A、B產(chǎn)品每月的最大生產(chǎn)能力分別為5t和8t；市場(chǎng)對(duì)這兩種產(chǎn)品總量的需求每月不少于9t。試問(wèn)該企業(yè)應(yīng)該如何安排生產(chǎn)計(jì)劃，才能既能滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，又節(jié)約投資，而且使生產(chǎn)利潤(rùn)達(dá)到最大?,分析:該問(wèn)題是一個(gè)線(xiàn)性多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題。 如果計(jì)劃決策變量用 x1 和 x2表示，它們分別代表A、B產(chǎn)品每月的生產(chǎn)量（單位：t）； f1(x1,x2)表示生產(chǎn)A、B兩種產(chǎn)品的總投資費(fèi)用（單位：元）； f2(x1,x2)表示生產(chǎn)A、B兩種產(chǎn)品獲得的總利潤(rùn)（單位：元）。那么，該多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題就是：求x1 和 x2，使：,分析:該問(wèn)題是一個(gè)線(xiàn)性多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題。 如果計(jì)劃決策變量用 x1 和 x2表示，它們分別代表A、B產(chǎn)品每月的生產(chǎn)量（單位：t）； f1(x1,x2)表示生產(chǎn)A、B兩種產(chǎn)品的總投資費(fèi)用（單位：元）； f2(x1,x2)表示生產(chǎn)A、B兩種產(chǎn)品獲得的總利潤(rùn)（單位：元）。那么，該多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題就是：求x1 和 x2，使：,而且滿(mǎn)足：,對(duì)于上述多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題，如果決策者提出的期望目標(biāo)是：（1）每個(gè)月的總投資不超30000元；（2）每個(gè)月的總利潤(rùn)達(dá)到或超過(guò)45000元；（3）兩個(gè)目標(biāo)同等重要。那么，借助Matlab軟件系統(tǒng)中的優(yōu)化計(jì)算工具進(jìn)行求解