04多目标规划方法ezd.pptx
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1、多目标规划方法Multi-objective Programming2n背景介绍背景介绍在地理学研究中,对于许多规划问题,常常需要考虑多个目标,如经在地理学研究中,对于许多规划问题,常常需要考虑多个目标,如经济效益目标,生态效益目标,社会效益目标,等等。为了满足这类问济效益目标,生态效益目标,社会效益目标,等等。为了满足这类问题研究之需要,本章拟结合有关实例,对多目标规划方法及其在地理题研究之需要,本章拟结合有关实例,对多目标规划方法及其在地理学研究中的应用问题作一些简单地介绍。学研究中的应用问题作一些简单地介绍。p多目标规划及其求解技术简介多目标规划及其求解技术简介p目标规划方法目标规划方法
2、 p多目标规划应用实例多目标规划应用实例 大纲大纲1 1 多目标规划及其非劣解多目标规划及其非劣解p多目标规划及其非劣解多目标规划及其非劣解p多目标规划求解技术简介多目标规划求解技术简介5(一)任何多目标规划问题,都由两个基本部分组成:(一)任何多目标规划问题,都由两个基本部分组成:(1)两个以上的目标函数;)两个以上的目标函数;(2)若干个约束条件。)若干个约束条件。(二)对于多目标规划问题,可以将其数学模(二)对于多目标规划问题,可以将其数学模 型一般地描写为如下形式:型一般地描写为如下形式:一、多目标规划及其非劣解一、多目标规划及其非劣解6一、多目标规划及其非劣解一、多目标规划及其非劣解
3、(1.21.2)(1.11.1)式中:式中:为决策变量向量。为决策变量向量。7一、多目标规划及其非劣解一、多目标规划及其非劣解 如果将(如果将(1.1)和()和(1.2)式进一步缩写,)式进一步缩写,即:即:(1.3)(1.4)式中:式中:是是k维函数向量,维函数向量,k是目标函数的个数;是目标函数的个数;是是m维函数向量;维函数向量;是是m维常数向量;维常数向量;m是约束方程的个数。是约束方程的个数。8一、多目标规划及其非劣解一、多目标规划及其非劣解 对于线性多目标规划问题,(对于线性多目标规划问题,(1.3)和()和(1.4)式可以进一步用矩阵)式可以进一步用矩阵表示:表示:(1.5)(1
4、.6)式中:式中:为为n维决策变量向量;维决策变量向量;为为kn矩阵,即目标函数系数矩阵;矩阵,即目标函数系数矩阵;为为mn矩阵,即约束方程系数矩阵;矩阵,即约束方程系数矩阵;为为m维的向量,约束向量。维的向量,约束向量。9对于上述多目标规划问题,求解就意味着需要做出如下的复合选择:对于上述多目标规划问题,求解就意味着需要做出如下的复合选择:每一个目标函数取什么值,原问题可以得到最满意的解决?每一个目标函数取什么值,原问题可以得到最满意的解决?每一个决策变量取什么值,原问题可以得到最满意的解决每一个决策变量取什么值,原问题可以得到最满意的解决?多目标规划问题的求解不能只追求一个目标的最优化(最
5、大或最小),多目标规划问题的求解不能只追求一个目标的最优化(最大或最小),而不顾其它目标。而不顾其它目标。二、多目标规划的非劣解二、多目标规划的非劣解 10非劣解:可以用图非劣解:可以用图1.1说明。说明。二、多目标规划的非劣解二、多目标规划的非劣解 图图1.1 多目标规划的劣解与非劣解多目标规划的劣解与非劣解11在图在图1.1中,就方案中,就方案和和来说,来说,的的 目标值比目标值比大,但其目标大,但其目标值值 比比小,因此无法确定这两个方案的优与劣。在各个方案之间,小,因此无法确定这两个方案的优与劣。在各个方案之间,显然:显然:比比好,好,比比好,好,比比好,好,比比好。而对于方案好。而对
6、于方案、之间则无法确定优劣,而且又没有比它们更好的其他方案,所以它之间则无法确定优劣,而且又没有比它们更好的其他方案,所以它们就被称之为多目标规划问题的非劣解或有效解,其余方案都称为劣解。们就被称之为多目标规划问题的非劣解或有效解,其余方案都称为劣解。所有非劣解构成的集合称为非劣解集。所有非劣解构成的集合称为非劣解集。二、多目标规划的非劣解二、多目标规划的非劣解 12当目标函数处于冲突状态时,就不会存在使所有目标函数同时达到最大当目标函数处于冲突状态时,就不会存在使所有目标函数同时达到最大或最小值的最优解,于是我们只能寻求非劣解(又称非支配解或帕累托或最小值的最优解,于是我们只能寻求非劣解(又
7、称非支配解或帕累托解)。解)。二、多目标规划的非劣解二、多目标规划的非劣解 2 2 多目标规划求解技术简介多目标规划求解技术简介为了求得多目标规划问题的非劣解,常常需要将多目标规划问题转化为为了求得多目标规划问题的非劣解,常常需要将多目标规划问题转化为单目标规划问题去处理。实现这种转化,有如下几种建模方法。单目标规划问题去处理。实现这种转化,有如下几种建模方法。p一、效用最优化模型一、效用最优化模型 p二、罚款模型二、罚款模型 p三、约束模型三、约束模型 p四、目标规划模型四、目标规划模型 p五、目标达到法五、目标达到法一、效用最优化模型一、效用最优化模型 建摸依据:规划问题的各个目标函数可以
8、通过一定的方式进行求和运算。建摸依据:规划问题的各个目标函数可以通过一定的方式进行求和运算。这种方法将一系列的目标函数与效用函数建立相关关系,各目标之间通这种方法将一系列的目标函数与效用函数建立相关关系,各目标之间通过效用函数协调,使多目标规划问题转化为传统的单目标规划问题:过效用函数协调,使多目标规划问题转化为传统的单目标规划问题:是与各目标函数相关的效用函数的和函数。(2.12.1)(2.22.2)在用效用函数作为规划目标时,需要确定一组权值在用效用函数作为规划目标时,需要确定一组权值 来反映原问题中各来反映原问题中各目标函数在总体目标中的权重,即:目标函数在总体目标中的权重,即:式中,诸
9、式中,诸 应满足:应满足:若采用向量与矩阵若采用向量与矩阵 (2.32.3)(2.52.5)(2.62.6)(2.72.7)(2.42.4)二、罚款模型二、罚款模型规划决策者对每一个目标函数都能提出所期望的值(或称满意值);规划决策者对每一个目标函数都能提出所期望的值(或称满意值);通过比较实际值通过比较实际值 与期望值与期望值 之间的偏差来选择问题的解,其数学表之间的偏差来选择问题的解,其数学表达式如下:达式如下:(2.82.8)(2.92.9)或写成矩阵形式:或写成矩阵形式:式中,式中,是与第是与第i i个目标函数相关的权重;个目标函数相关的权重;A A是由是由 组成的组成的mm对角矩阵。
10、对角矩阵。(2.102.10)(2.112.11)三、约束模型三、约束模型 理论依据理论依据 :若规划问题的某一目标可以给出一个可供选择的范围,则该:若规划问题的某一目标可以给出一个可供选择的范围,则该目标就可以作为约束条件而被排除出目标组,进入约束条件组中。目标就可以作为约束条件而被排除出目标组,进入约束条件组中。假如,除第一个目标外,其余目标都可以提出一个可供选择的范围,则假如,除第一个目标外,其余目标都可以提出一个可供选择的范围,则该多目标规划问题就可以转化为单目标规划问题:该多目标规划问题就可以转化为单目标规划问题:采用矩阵可记为:采用矩阵可记为:(2.172.17)(2.162.16
11、)(2.152.15)(2.142.14)(2.132.13)(2.122.12)四、目标规划模型四、目标规划模型 也需要预先确定各个目标的期望值也需要预先确定各个目标的期望值 ,同时给每一个目标赋予一个优,同时给每一个目标赋予一个优先因子和权系数,假定有先因子和权系数,假定有K K个目标,个目标,L L个优先级个优先级 ,目标规划模型,目标规划模型的数学形式为:的数学形式为:式中:式中:和和 分别表示与分别表示与 相应的、与相应的、与 相比相比 的目标超过值和不足值,即正、负偏差变量;的目标超过值和不足值,即正、负偏差变量;表示第表示第l l个优先级;个优先级;、表示在同一优先级表示在同一优
12、先级 中,不同目标的正、负偏差变量的权系中,不同目标的正、负偏差变量的权系数。数。(2.182.18)(2.192.19)(2.202.20)五、目标达到法五、目标达到法 首先将多目标规划模型化为如下标准形式:首先将多目标规划模型化为如下标准形式:(2.212.21)(2.222.22)在求解之前,先设计与目标函数相应的一组目标值理想化的期望目在求解之前,先设计与目标函数相应的一组目标值理想化的期望目标标 ,每一个目标对应的权重系数为每一个目标对应的权重系数为 ,再设,再设 为一松弛因子。那么,多目标规划问题(为一松弛因子。那么,多目标规划问题(2.212.21)(2.222.22)就转化为:
13、)就转化为:(2.232.23)(2.252.25)(2.242.24)用用目标达到法求解多目标规划的计算过程,可以通过调用目标达到法求解多目标规划的计算过程,可以通过调用Matlab软件系软件系统优化工具箱中的统优化工具箱中的fgoalattain函数实现。该函数的使用方法,详见教材函数实现。该函数的使用方法,详见教材的配套光盘。的配套光盘。3 3 目标规划方法目标规划方法通过上节的介绍和讨论,我们知道,目标规划方法是解决多目标规划通过上节的介绍和讨论,我们知道,目标规划方法是解决多目标规划问题的重要技术之一。问题的重要技术之一。这一方法是美国学者查恩斯(这一方法是美国学者查恩斯(A.Cha
14、rnesA.Charnes)和库伯()和库伯(W.W.CooperW.W.Cooper)于于19611961年在线性规划的基础上提出来的。后来,查斯基莱恩年在线性规划的基础上提出来的。后来,查斯基莱恩(U.JaashelainenU.Jaashelainen)和李()和李(Sang.LeeSang.Lee)等人,进一步给出了求解目标规)等人,进一步给出了求解目标规划问题的一般性方法划问题的一般性方法单纯形方法。单纯形方法。本节主要内容:本节主要内容:p目标规划模型目标规划模型 p求解目标规划的单纯形方法求解目标规划的单纯形方法一、目标规划模型一、目标规划模型(一)基本思想(一)基本思想 :给定
15、若干目标以及实现这些目标的优先顺序,在有限的资源条件下,使总给定若干目标以及实现这些目标的优先顺序,在有限的资源条件下,使总的偏离目标值的偏差最小。的偏离目标值的偏差最小。(二)目标规划的有关概念(二)目标规划的有关概念例例1 1:某一个企业利用某种原材料和现有设备可生产甲、乙两种产品,其中,:某一个企业利用某种原材料和现有设备可生产甲、乙两种产品,其中,甲、乙两种产品的单价分别为甲、乙两种产品的单价分别为8 8元和元和1010元;生产单位甲、乙两种产品需要元;生产单位甲、乙两种产品需要消耗的原材料分别为消耗的原材料分别为2 2个单位和个单位和1 1个单位,需要占用的设备分别为个单位,需要占用
16、的设备分别为1 1台时和台时和2 2台时;原材料拥有量为台时;原材料拥有量为1111个单位;可利用的设备总台时为个单位;可利用的设备总台时为1010台时。试问:台时。试问:如何确定其生产方案?如何确定其生产方案?如果决策者所追求的唯一目标是使总产值达到最大,则这个企业的生产方如果决策者所追求的唯一目标是使总产值达到最大,则这个企业的生产方案可以由如下线性规划模型给出:求案可以由如下线性规划模型给出:求 ,使,使 而且满足:而且满足:式中:和为决策变量,为目标函数值。将上述问题化为标准后,用单纯形式中:和为决策变量,为目标函数值。将上述问题化为标准后,用单纯形方法求解可得最佳决策方案为方法求解可
17、得最佳决策方案为 (万元)(万元)(3.1)(3.2)(3.3)(3.4)但是,在实际决策时,企业领导者必须考虑市场等一系列其它条件,如:但是,在实际决策时,企业领导者必须考虑市场等一系列其它条件,如:根据市场信息,甲种产品的需求量有下降的趋势,因此甲种产品的根据市场信息,甲种产品的需求量有下降的趋势,因此甲种产品的产量不应大于乙种产品的产量。产量不应大于乙种产品的产量。超过计划供应的原材料,需用高价采购,这就会使生产成本增加。超过计划供应的原材料,需用高价采购,这就会使生产成本增加。应尽可能地充分利用设备的有效台时,但不希望加班。应尽可能地充分利用设备的有效台时,但不希望加班。应尽可能达到并
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