Меню
ГлавнаяОшибки

Линейное программирование в excel план производства. Решение транспортных задач. Цель лабораторного занятия

Пример решения задачи линейного программирования с помощью MS Excel

Хозяйство специализируется в полеводстве на производстве зерна, сахарной свеклы и подсолнечника. В с.-х. предприятии имеются 3200 га пашни, трудовые ресурсы в объеме 7 000 чел.-дней и минеральные удобрения в объеме 15000 ц.д.в. Требуется найти такое сочетание посевных площадей, которое обеспечило бы получение максимума прибыли.

Следует также учесть, что

- площадь посева технических культур (сахарной свеклы и подсолнечника) не должна превышать 25% общей площади пашни;

- хозяйством заключен договор на продажу зерна в объеме 65000 ц.

Для разработки экономико-математической модели необходима подготовка входной информации (табл. 1).

Таблица 1

Показатели

Сельскохозяйственные культуры

зерновые

сахарная свекла

подсолнечник

Урожайность, ц/га

Цена реализации 1 ц продукции, руб./ц.

Стоимость товарной продукции с 1 га, тыс. руб.

5,59

20,62

6,73

Затраты на 1 га:

МДС, тыс. руб.

12,7

труда, чел.-дней.

минеральных удобрений, ц.д.в.

Прибыль с 1 га, руб.

2,89

7,93

3,63

За неизвестные примем площади посева сельскохозяйственных культур по видам:

X 1 - зерновых культур

X 2 - сахарной свеклы

X 3 - подсолнечника

Для построения экономико-математической модели задачи необходимо учесть все условия. В данном случае, по этим условиям можно составить пять ограничений:

- сумма площадей посева сельскохозяйственных культур не должна превышать площади, имеющейся в хозяйстве (3200 га). Коэффициентами при неизвестных в этом ограничении характеризуют расход пашни на 1 га каждой сельскохозяйственной культуры. В данном случае технико-экономические коэффициенты по неизвестным будут равняться единице. В правой части записывается общая площадь пашни.

1) Х1+Х2+Х3<=3200

- сумма площадей посева технических культур не должна превышать площади, которая может быть отведена для этой цели (3200*0,25=800 га). Коэффициентами при неизвестных в этом ограничении характеризуют расход пашни, отведенной под посевы технических культур, на 1 га каждой технической сельскохозяйственной культуры. В данном случае технико-экономические коэффициенты по неизвестным Х2 и Х3 будут равняться единице, а по нетехническим сельскохозяйственным культурам (Х3) - нулю. В правой части записывается максимальная площадь пашни, которая может быть отведена под посевы технических культур.

2) Х2+Х3<=800

- третье и четвертое ограничения гарантируют, что использование трудовых ресурсов и минеральных удобрений не превысит их наличие в хозяйстве. Другими словами, сумма произведений норм затрат ресурсов на 1 га на площади посева соответствующих сельскохозяйственных культур не должна превышать объемов ресурсов, имеющихся в с.-х. предприятии. Коэффициентами при неизвестных в этих ограничениях будут являться нормы расхода ресурсов (в третьем ограничении – трудовых ресурсов, в четвертом – минеральных удобрений) на 1 га площади посева сельскохозяйственных культур. В данном случае технико-экономические коэффициенты взяты из таблицы 1. В правой части записывается наличие этих ресурсов в хозяйстве.

3) 1,5Х1+4,5Х2+1,5Х3<=7000

4) 2Х1+15Х2+2,3Х3<=15000

- пятое ограничение гарантирует производство запланированного объема зерна. В качестве коэффициентов при переменных выступает выход зерна с 1 га площади посева с.-х. культур. При неизвестной Х1 это урожайность зерновых (таблица 1). При переменных Х2 и Х3 этот коэффициент равен нулю. В правой части записывается план производства зерна.

5) 26Х1>=65000

В результате получена система пяти линейных неравенств с тремя неизвестными. Требуется найти такие неотрицательные значения этих неизвестных Х1>=0; Х2>=0; Х3>=0, которые бы удовлетворяли данной системе неравенств и обеспечивали получение максимума прибыли от отрасли растениеводства в целом:

Z max = 2,89Х1+7,93Х2+3,53Х3

В качестве коэффициентов при неизвестных в целевой функции выступает прибыль, получаемая с 1 га площади посева сельскохозяйственных культур. Эти коэффициенты рассчитаны на основании данных таблицы 1.

Поскольку данная задача решается с помощью MS Excel , то и подготовку всей входной информации для построения экономико-математической модели целесообразно осуществлять также с использованием этого табличного процессора (рис 1). Это облегчает не только расчеты технико-экономических коэффициентов и других данных, но и дает в дальнейшем возможность автоматического обновления информации в экономико-математической модели.

Рисунок 1

Вся разработанная информация сводится в развернутую экономико-математическую модель и заносится в рабочий лист MS Excel . (Рис. 2.)


Рисунок 2

Данные в модель рекомендуется заносить в виде ссылок на ячейки с соответствующей информацией в расчетных рабочих листах или рабочих листах с исходными сведениями. На рисунке 3 показано, как в ячейке F9 представлена информация по норме затрат удобрений на 1 га посева подсолнечника.

Рисунок 3

В столбцы А («№»), В («Ограничения»), С («Единицы измерения») и H («Тип ограничений») вводятся соответствующие данные непосредственно в модель (рис.1). Они не используются в расчетах и служат для информативности и облегчения понимания содержания модели. В столбец I («Объем ограничений») вводятся ссылки на ячейки, содержащие соответствующую названию столбца информацию (значения правых частей построенных ранее неравенств).

Для искомых величин переменных Х1 , Х2 , Х3 нами были оставлены пустые ячейки - соответственно D5 , E 5 , F 5 . Изначально пустые ячейки программа MS Excel воспринимает как ячейки, значение которых равно нулю. Столбец G , названный нами «Сумма произведений », предназначен для определения суммы произведений значений искомых неизвестных (ячейки D5 , E 5 , F 5 ) и технико-экономических коэффициентов по соответствующим ограничениям (строки 6-10) и целевой функции (строка 11). Таким образом, в столбце G определяется:

- - количество используемых ресурсов (ячейка G6 – общей площади пашни; G7 – пашни, которая может быть использована под посевы технических культур; G8 – трудовых ресурсов; G9 – минеральных удобрений);

- - количество произведенного зерна (ячейка G10 );

- - величина прибыли (ячейка G11 ).

На рисунке 2 показано, как в ячейке G11 реализуется запись суммы произведений значений переменных (площадей посева с.-х. культур - ячейки D5 , E 5 , F 5 ) на соответствующие прибыли с 1 га их посева(ячейки D11 , E 11 , F 11 )с помощью функции MS Excel «СУММПРОИЗВ ». Так как при написании данной формулы использованы абсолютные адресации на ячейки от D5 до F 5 ,эта формула может быть скопирована в другие ячейки от G 6 до G10 .

Таким образом, построен опорный план (рис. 2) и получено первое допустимое решение. Значения неизвестных Х1 , Х2 , Х3 равны нулю (ячейки D5 , E 5 , F 5 - пустые ячейки), ячейки столбца G «Сумма произведений» по всем ограничениям (строкам 6-10) и целевой строке (строка 11) также имеют нулевые значения.

Экономическая интерпретация первого опорного плана звучит следующим образом: в хозяйстве имеются ресурсы, рассчитаны все технико-экономические коэффициенты, но процесс производства еще не начат; ресурсы не использовались, и, соответственно, прибыли нет.

Для оптимизации имеющегося плана воспользуемся инструментом Поиск решения, который находится в меню Сервис . Если нет такой команды в меню Сервис, необходимо в пункте Надстройка поставить галочку напротив Поиск решения . После этого данная процедура станет доступной в меню Сервис .

После выбора данной команды появится диалоговое окно (рис. 4).


Рисунок 4

Поскольку в качестве критерия оптимизации нами выбрана максимизация прибыли, в поле Установить целевую ячейку введите ссылку на ячейку, содержащую формулу расчета прибыли. В нашем случае это ячейка $G$11 . Чтобы максимизировать значение конечной ячейки путем изменения значений влияющих ячеек (влияющими, в данном случае это и изменяемые ячейки, являются ячейки, которые предназначены для хранения значений искомых неизвестных), переключатель установите в положение максимальному значению ;

В поле Изменяя ячейки введите ссылки на изменяемые ячейки, разделяя их запятыми; либо, если ячейки находятся рядом, указывая первую и последнюю ячейку, разделяя их двоеточием ($ D $5:$ F $5 ).

В поле Ограничения введите все ограничения, накладываемые на поиск решения. Добавление ограничения рассмотрим на примере добавления первого ограничения по общей площади пашни.

В разделе Ограничения диалогового окна Поиск решения нажмите кнопку Добавить . Появится следующее диалоговое окно (рис. 5)

Рисунок 5

В поле Ссылка на ячейку введите адрес ячейки, на значение которой накладываются ограничения. В нашем случае, это ячейка $ G $6 , где находится формула расчета используемой пашни в текущем плане.

Выберите из раскрывающегося списка условный оператор <= , который должен располагаться между ссылкой и ограничением.

В поле Ограничение введите ссылку на ячейку, в которой находится значение наличия площади пашни в хозяйстве, либо ссылка на это значение. В нашем случае, это ячейка $ I $6

В результате диалоговое окно примет следующий вид (рис. 6).

Рисунок 6

Чтобы принять ограничение и приступить к вводу нового, нажмите кнопку Добавить . Аналогично вводятся и другие ограничения. Чтобы вернуться в диалоговое окно Поиск решения , нажмите кнопку OK .

После выполнения вышеперечисленных инструкций диалоговое окно Поиск решения будет иметь следующий вид (рис. 7).


Рисунок 7

Для изменения и удаления ограничений в списке Ограничения диалогового окна Поиск решения укажите ограничение, которое требуется изменить или удалить. Выберите команду Изменить и внесите изменения либо нажмите кнопку Удалить .

Флажок Линейная модель в диалоговом окне Параметры Поиска решения (рис. 8) позволяет задать любое количество ограничений. Флажок Неотрицательные значения позволит соблюсти условие неотрицательности переменных (при решении нашей задачи – поставить обязательно). Остальные параметры можно оставить без изменений, либо установить нужные для вас параметры, при необходимости используя справку.


Рисунок 8

Для запуска задачи на решение нажмите кнопку Выполнить и выполните одно из следующих действий:

- чтобы восстановить исходные данные, выберите вариант Восстановить исходные значения .


Рисунок 9

Для того чтобы прервать поиск решения, нажмите клавишу ESC .

Лист Microsoft Excel будет пересчитан с учетом найденных значений влияющих ячеек. В результате решения и сохранения результатов поиска на листе модель примет следующий вид (табл. 10).


Рисунок 10

В ячейках D5 -F5 получены значения искомых неизвестных (площади посева равны: зерновых -2500 га, сахарной свеклы - 661 га, подсолнечника – 39 га), в ячейках G6 -G9 определены объемы используемых ресурсов (общей площади пашни – 3200 га; площади пашни, которая может быть использована под посевы технических культур – 700 га; трудовых – 6781,9 чел.-дней; минеральных удобрений – 15000 ц.д.в.), в ячейке G10 установлено количество произведенного зерна (65000 ц.). При всех этих значениях величина прибыли достигает 12603,5 тыс. руб. (ячейка G11 ).

В случае если в результате поиска не было найдено решение, удовлетворяющее заданным условиям, в диалоговом окне Результаты поиска решения появится соответствующее сообщение (рис. 11).


Рисунок 11

Одной из наиболее часто встречающихся причин невозможности найти оптимальное решение является такая ситуация, когда в результате решения задачи выясняется, что имеются ограничения, которые не выполняются. Сохранив найденное решение на листе, требуется построчно сравнить полученные значения столбцов «Сумма произведений» и «Объем ограничений» и проверить, удовлетворяет ли отношение между ними ограничению, стоящему в столбце «Тип ограничений». Найдя, таким образом, невыполняемые ограничения необходимо найти и ликвидировать причины, обуславливающие невозможность соблюдения данного конкретного условия (это может быть, например, слишком большие или, наоборот, очень маленькие запланированные объемы ограничений и т.п.).

Если ограничений в модели очень много, то визуально достаточно трудно сравнивать и проверять на верность каждую строку. Для облегчения рекомендуется добавить в модель еще один столбец «Проверка», где с помощью функций MS Excel «ЕСЛИ » и «ОКРУГЛ » можно организовать автоматическую проверку (рис. 12).


Рисунок 12

Цель: научиться решать задачи линейного программирования в Excel с помощью надстройки «Поиск решения».

Краткие теоретические сведения

Оптимизационные задачи находят широкое применение в различных областях практической деятельности: при организации работы транспортных систем, в управлении промышленными предприятиями, при составлении проектов сложных систем. Многие распространенные классы задач системного анализа, в частности, задачи оптимального планирования, распределения различных ресурсов, управления запасами, календарного планирования, межотраслевого баланса укладываются в рамки моделей линейного программирования.

Постановка задачи линейного программирования (ЗЛП).

Имеется множество переменных X= (x 1 , х 2 ,..., х n). Целевая функция линейно зависит от управляемых параметров:

Имеются ограничения, которые представляют собой линейные формы

где (2)

Требуется определить максимум (минимум) линейной функции

при условии, что точка (х 1 , х 2 ,..., х n) принадлежит некоторому множеству D, которое определяется системой линейных неравенств

(4)

Любое множество значений (х 1 *, х 2 *,..., х n *), которое удовлетворяет системе неравенств (4) задачи линейного программирования, является допустимым решением данной задачи. Если при этом выполняется неравенство

c 1 х 1 o + c 2 х 2 o +..+ c n х n o ≥ c 1 х 1 + c 2 х 2 +..+ c n х n

для всего множества значений x 1 , х 2 ,..., х n , то значение х 1 o ..х n o является оптимальным решением задачи линейного программирования.

Пример построения математической модели и решения ЗЛП.

Задача. Требуется определить, в каком количестве надо выпускать продукцию четырех типов A, B, C иD, для изготовления которой требуются ресурсы трех видов: трудовые, сырье и финансы. Количество ресурса каждого вида, необходимое для выпуска единицы продукции данного типа, называется нормой расхода. Нормы расхода, а также прибыль, получаемая от реализации единицы каждого типа продукции, приведены в таблице1. Там же приведено наличие располагаемого ресурса.

Таблица1.

Ресурс

A

B

C

D

знак

наличие

трудовые

Составим математическую модель, для чего введем следующие обозначения:

x i - количество выпускаемой продукции i-го типа, i = 1,2,3,4

b j – количество располагаемого ресурса j-го вида, j = 1,2,3

a ji – норма расхода j-го ресурса для выпуска i-ой продукции

c i – прибыль от реализации единицы продукции i-го типа.

Как видно из таблицы 1, для выпуска единицы продукции A требуется 6 единиц сырья, значит, для выпуска всей продукции A требуется 6x 1 единиц сырья, где x 1 - количество выпускаемой продукции A . С учетом того, что для других видов продукции зависимости аналогичны, ограничение по сырью будет иметь вид:

6x 1 + 5x 2 + 4x 3 + 3x 4 ≤ 110

В этом ограничении левая часть равна величине требуемого ресурса, а правая часть показывает количество имеющегося ресурса.

Аналогично можно составить ограничения для других видов ресурсов и написать зависимость для целевой функции. Тогда математическая модель задачи будет иметь вид:

x 1 + x 2 + x 3 + x 4 ≤ 16

6x 1 + 5x 2 + 4x 3 + 3x 4 ≤ 110

4x 1 + 6x 2 + 10x 3 + 13x 4 ≤ 100

x i ≥ 0, i=1,2,3,4

1. Для ввода условий задачи создадим форму в Excel (рис.1). В ячейках B3:E3 будут отображаться вычисленные значения x i .


рис.1. Форма для ввода условий задачи

2. Введем коэффициенты целевой функции и ограничений в форму. Из математической модели введем зависимости. Введенные данные отображены на рис.2.


рис.2. Исходные данные задачи

В ячейке F6 записана формула целевой функции, в F9-F11- левые части ограничений из математической модели. На рис. 3 отображен режим представления формул. Перейти к данному режиму можно с помощью последовательности действий: нажмите кнопку Microsoft Office , щелкните Параметры Excel, откройте вкладку Дополнительно и установите флажок Показывать формулы, а не их значения.


рис.3. Режим представления формул.

3. Загрузим надстройку поиск решения Данные │Анализ │Поиск решения .

4. В поле Установить целевую ячейку введем ссылку на целевую ячейку, для чего установим курсор в поле и щелкнем левой кнопкой мыши по ячейке F6.

5. Выберем направление поиска, установив флажок равной максимальному значению.

6. Установим курсор в поле Изменяя ячейки и введем с помощью мыши имена изменяемых ячеек B3:E3. В этих ячейках в результате поиска решения будет выведено решение – значения переменных x i ., при которых целевая функция имеет максимальное значение при заданных ограничениях.

7. Введем ограничения на искомые переменные: x i ≥ 0 (нижняя граница по умолчанию равна 0, количество выпускаемой продукции не может быть отрицательным). Так же введем ограничения на ресурсы (н е может быть использовано больше ресурсов, чем их запасы). Щелкнем по кнопке Добавить , в появившемся окне Добавление ограничения в левом поле с помощью мыши введем ссылку на ячейку B3, из раскрывающегося списка выберем знак ≥, в правом поле щелкнем мышью по ячейкеB4 (рис.4). Аналогично введем остальные ограничения.


Рис.4. Окно добавления ограничений.

На рисунке 5 показано заполненное окно Поиск решения.


Рис.5 Заполненное окно Поиск решения

8. Далее нажимаем на кнопку Выполнить. Появляется диалоговое окно Результаты поиска решения (рис.6). Решение найдено. Все ограничения и условия оптимальности выполнены. Сохраняем найденное решение. В этом окне также можно получить три вида отчетов: по результатам, устойчивости и пределам, отчеты формируются в новых рабочих листах.


рис.6. Окно Результаты поиска решения

Результаты оптимального решения задачи приведены в таблице (рис.7).


рис.7. Результаты оптимального решения

Таким образом, получилось оптимальное решение (10;0;6;0), т.е. целесообразно выпускать 10 единиц продукции А и 6 единиц продукции С. Максимальная прибыль равна 1320 денежным единицам, при этом используются все трудовые и финансовые ресурсы, 84 единиц сырья, в запасе остается 26 единиц сырья.

Задания для лабораторной работы.

Составить математическую модель и решить полученную задачу линейного программирования в Excel с помощью надстройки Поиск решения.

Для перевозки грузов используются машины типов А и Б. Грузоподъемность машин обоих типов одинаковая и равна h т. За одну ходку машина А расходует а 11 кг смазочных материалов и а 12 л горючего, машина Б - а 21 кг смазочных материалов иа 22 л горючего. На базе имеется d 1 кг смазочных материалов и d 2 л горючего. Прибыль от перевозки одной машины А составляет с 1 руб., машины Б - с 2 руб. Необходимо перевезти H т груза (исходные данные приведены в нижеследующей таблице).

Сколько надо использовать машин обоих типов, чтобы доход от перевозки груза был максимальным.

№ варианта

Инструкция по выполнению лабораторной работы.

  1. Изучить теоретический материал.
  2. Выполнить приведенный пример.
  3. Выбрать свой вариант по последней цифре.
  4. Составить математическую модель задачи.
  5. Найти оптимальное решение с помощью Поиска решения.
  6. Сделать выводы по полученным решениям, сформировать отчеты по результатам решения, устойчивости и пределам.
  7. Создать отчет по лабораторной работе.
  1. Титульный лист.
  2. Словесная постановка задачи.
  3. Математическая формулировка задачи.
  4. Заполненное окно Поиск решения
  5. Результаты поиска решения (таблица).
  6. Выводы по полученным решениям.

Список источников

  1. Гельман В.Я. Решение математических задач средствами Excel: Практикум. – СПб.:Питер, 2003
  2. Курицкий Б.Я. Поиск оптимальных решений средствами Excel. – СПб.: BHV-Санкт-Петербург, 1997
  3. Пазюк К.Т. Математические методы и модели в экономике. – Хабаровск: Издательство ХГТУ, 2002
  4. Джон Уокенбах. MS OfficeExcel 2007 - Библия пользователя, Издатель: Вильямс, 2008

Для решения задач линейного программирования симплекс-методом в среде MS Excel заполняются ячейки исходными данными в режиме чисел и формулами математической модели.

MS Excel позволяет получить оптимальное решение без ограничения размерности системы неравенств целевой функции.

Решим задачу о выпускаемых изделиях симплекс-методом применяя надстройку «Поиск решения» в MS Excel.

1. Заполните таблицу Excel в режиме чисел (рис.1)

2. Заполните таблицу Excel в режиме формул (рис.2)

Рис.1 Таблица в режиме чисел

Рис.1 Таблица в режиме формул

Здесь: В9:С9 – результат (оптимальное количество изделий каждого вида);

В6:С6 – коэффициенты целевой функции;

В10 – значение целевой функции;

В3:С5 – коэффициенты ограничений;

D12:D14 – правая часть ограничений;

B12:B14 – вычисляемые (фактические) значения левой части ограничений.

Решим задачу с помощью команды Данные/Поиск решения. На экране появляется диалоговое окно Поиск решения.

В поле Установить целевую функция будет показана ссылка на активную ячейку, т.е. на В10. Причем эта ссылка абсолютная. В секции Равной устанавливаем переключатель Максимальному (минимальному) значению в зависимости от целевой функции. Ограничения устанавливаются с помощью кнопки Добавить, которая вызывает диалоговое окно их ввода Добавление ограничения.

В поле ввода Ссылка на ячейку: указывается адрес ячейки, содержащей формулу левой части ограничения. Затем выбирается из списка знак соотношения. В поле Ограничение указывается адрес ячейки, содержащей правую часть ограничения. Щёлкаем на кнопку Добавить и повторяем до следующего ограничения. После ввода всех ограничений нажимаем ОК.

Так как все переменные несут условия неотрицательности, то их положительность задается через кнопку Параметры в окне диалога Поиск решения. После щелчка по ней, на экране окно Параметры поиска решения.

Устанавливаем флажок Сделать переменные без ограничений неотрицательными и выбрать Метод решения Поиск решения линеных задач симплекс-методом. Щёлкаем на кнопке Найти решение.

Excel предъявит окно Результаты поиска решения с сообщением о том, что решение найдено, или о том, что не может найти подходящего решения.

Если вычисления оказались успешными, Excel предъявит следующее окно итогов. Их можно сохранить или отказаться. Кроме того, можно получить один из трёх видов отчётов (Результаты, Устойчивость, Пределы), позволяющие лучше осознать полученные результаты, в том числе, оценить их достоверность.



После найденного решения, в ячейках В9:С9 появится оптимальное количество изделий каждого вида.

При сохранении отчета выберите – Отчет по результатам (рис.3).

Из отчета видно, что ресурс 1 не используется полностью на 150 кг, а ресурс 2 и 3 используется полностью.

В результате получен оптимальный план, при котором изделий 1 вида необходимо выпустить в количестве 58 шт., а изделий 2 вида в количестве 42 шт. При этом прибыль от их реализации максимальная и составляет 4660 тыс.руб.

Рис.3 Отчет по результатам

1. Со станции формирования ежедневно отправляются пассажирские и скорые поезда, составленные из плацкартных, купейных и мягких вагонов. Число мест в плацкартном вагоне – 54, в купейном – 36, в мягком – 18. В таблице указаны состав поезда каждого типа и количество имеющихся в парке вагонов различного типа. Определить число скорых и пассажирских поездов, которые необходимо формировать ежедневно, чтобы число перевозимых пассажиров было максимальным.



Решение транспортных задач

Транспортными задачами называются задачи определения оптимального плана перевозок груза из данных пунктов отправления в заданные пункты потребления.

b 1 b 2 … b k … b g
a 1 }