07.02.2024

В качестве критерия оптимальности транспортной. Решение задач по оптимизации транспортных перевозок

Общая постановка транспортной задачи состоит в определении оптимального плана перевозок некоторого однородного груза из m пунктов отправления (поставщики) A 1 , A 2 , . . ., A m в n пунктов потребления (потребители) B 1 , B 2 , . . . B n так, чтобы:

Вывезти все грузы от поставщиков;

Удовлетворить спрос каждого потребителя;

Обеспечить минимальные суммарные транспортные расходы на перевозку всех грузов.

Рассмотрим транспортную задачу, в качестве критерия оптимальности которой используется минимальная стоимость перевозки всего груза .

Обозначим:

a i - наличие груза в i -ом пункте отправления ;

b j - величина потребности в этом грузе в j -ом пункте назначения ;

с ij - стоимость перевозки единицы груза из i -ого пункта отправления в j -ый пункт потребления (тариф перевозки);

x ij - количество груза, перевозимого из i -ого пункта отправления в j -ый пункт назначения, назначения, x ij ≥ 0.

Математическая постановка транспортной задачи состоит в нахождении такого неотрицательного решения системы линейных уравнений, при котором целевая функция принимает минимальное значение.

Запишем математическую модель транспортной задачи.

Требуется определить матрицу ) , которая удовлетворяет следующим условиям:

,
(5.1)

,
(5.2)

,
,
(5.3)

и доставляет минимальное значение целевой функции

L () =
(5.4)

Поскольку переменные удовлетворяют системе линейных уравнений (5.1), (5.2) и условию неотрицательности, то обеспечивается доставка необходимого груза каждому потребителю, вывоз имеющегося груза от всех поставщиков, а также исключаются обратные перевозки.

Определение 1. Всякое неотрицательное решение систем линейных уравнений (5.1) и (5.2), определенное матрицей ) называется допустимым планом транспортной задачи .

Определение 2. План ) при котором функция (5.4) принимает максимальное значение, называется оптимальным планом транспортной задачи.

Теорема 1. Ранг матрицы, составленный из коэффициентов при неизвестных системы линейных уравнений (5.1) и (5.2) транспортной задачи, на единицу меньше числа уравнений, т.е. равен (m + n – 1).

Следовательно, число линейно независимых уравнений равно (m + n – 1), они образуют базис, а соответствующие им переменные будут являться базисными.

Определение 3 . Допустимый план транспортной задачи, имеющий не более (m + n – 1) отличных от нуля величин , называется базисным или опорным.

Определение 4. Если в опорном плане число отличных от нуля значений переменных в точности равно (m + n – 1), то план является невырожденным, а если меньше – вырожденным.

Теорема 2. Для разрешимости транспортной задачи необходимо и достаточно, что суммарные запасы груза в пунктах отправления были равны суммарным потребностям в пунктах назначения, т.е.

Определение 5. Модель транспортной задачи, удовлетворяющая условию (5.5), называется закрытой. Если указанное условие не выполняется, то модель является открытой.

Для получения оптимального плана открытую модель транспортной задачи необходимо свести к закрытой модели.

В случае превышения запаса над потребностью, т.е. > , вводится фиктивный (n+ 1) –ый пункт назначения с потребностью b n +1 = − , а соответствующие тарифы считаются равными нулю: С i , n + 1 = 0

Если < , то вводится фиктивный (m + 1) –ый пункт отправления с потребностью a m +1 = − и тарифами С m + 1, j = 0

Рассмотрим один из методов построения первого опорного плана транспортной задачи – метод минимальной стоимости или наилучшего элемента матрицы удельных затрат.

Определение 6. Наилучшим элементом матрицы удельных затрат (тарифов) будем называть наименьший тариф, если задача поставлена на минимум целевой функции, наибольший тариф – если задача поставлена на максимум.

Алгоритм построения первого опорного плана.

1. Среди матрицы удельных затрат находим наилучший тариф.

2. Клетку распределительной таблицы с выбранным тарифом заполняем максимально возможным объемом груза с учетом ограничений по строке и столбцу. При этом либо весь груз вывозится от поставщика, либо полностью удовлетворяется потребность потребителя. Строка или столбец таблицы вычеркивается из рассмотрения и в дальнейшем распределении не участвует.

3. Из оставшихся тарифов вновь выбираем наилучший и процесс продолжается до тех пор, пока не будет распределен весь груз.

Если модель транспортной задачи открытая и введен фиктивный поставщик или потребитель, то распределение сначала осуществляется для действительных поставщиков и потребителей, и в последнюю очередь нераспределенный груз направляется от фиктивного поставщика или к фиктивному потребителю.

Дальнейшее улучшение первого опорного плана транспортной задачи и получение оптимального плана производим методом потенциалов.

Теорема 3 . План ) транспортной задачи является оптимальным, если существует система (m + n) чисел u i и v j (называемых потенциалами), удовлетворяющая условиям:

(5.6)

(5.7)

Потенциалы u i и v j являются переменными двойственной задачи, составленной к исходной транспортной задаче, и обозначают оценку единицы груза в пунктах отправления и назначения соответственно.

Обозначим: ) оценка свободной (незанятой) клетки таблицы.

Определение 7. Опорный план транспортной задачи является оптимальным, если все оценки свободных клеток распределительной таблицы (задача поставлена на минимум).

Алгоритм метода потенциалов

1. Построение первого опорного плана транспортной задачи методом минимальной стоимости.

2. Проверка вырожденности плана .

Потенциалы могут быть рассчитаны только для невырожденного плана. Если число занятых клеток в опорном плане (число базисных переменных) меньше, чем (m+n−1), то вносим нуль в одну из свободных клеток таблицы так, чтобы общее число занятых клеток стало равным (m+n−1). Нуль вводят в клетку с наилучшим тарифом, которая принадлежит строке или столбцу. Одновременно вычеркиваемых при составлении первого опорного плана. При этом фиктивно занятая нулем клетка таблицы не должна образовывать замкнутого прямоугольного контура с другими занятыми клетками таблицы.

3. Расчет значения функции цели (5.4) путем суммирования произведений тарифов (удельных затрат) на объемы перевозимого груза по всем занятым клеткам таблицы.

4. Проверка оптимальности плана.

Определяем потенциалы . Для каждой занятой клетки записываем уравнение , в результате получаем систему (m + n−1) уравнений с (m + n) переменными.

Так как число переменных больше числа уравнений, то полученная система не определена и имеет бесчисленное множество решений. Поэтому одной из неизвестных величин придают произвольное значение. Для простоты вычислений полагаем , тогда остальные потенциалы определяются однозначно, а их значения заносятся в дополнительные строку и столбец распределительной таблицы.

Для каждой свободной клетки определяем оценки .

Если все (задача решается на минимум целевой функции), то оптимальный план найден. Если хотя бы одна оценка свободной клетки не удовлетворяет условию оптимальности, то необходимо план улучшить, осуществив перераспределение груза.

5. Построение нового опорного плана.

Из всех положительных оценок свободных клеток выбираем наибольшую (задача поставлена на минимум); из всех отрицательных – наибольшую по абсолютной величине (задача поставлена на максимум). Клетку, которой соответствует наибольшая оценка, следует заполнить, т.е. направить в нее груз. Заполняя выбранную клетку, необходимо изменить объем поставок, записанных в ряде других занятых клеток и связанных с заполняемой так называемым циклом.

Циклом или прямоугольным контуром в распределительной таблице транспортной задачи называется ломанная линия, вершины которой расположены в занятых клетках таблицы, а звенья – вдоль строк и столбцов, причем в каждой вершине цикла встречаются ровна два звена, одно из которых находится в строке, другое – в столбце. Если ломанная линия, образующая цикл, пересекается, то точки пересечения не являются вершинами. Для каждой свободной клетки можно построить единственный цикл.

Вершинам цикла, начиная от вершины, находящейся в выбранной клетке на загрузку, присваиваем поочередно знаки «+» и «−» . будем назвать эти клетки плюсовыми и минусовыми.

Из объемов груза, стоящих в минусовых клетках, выбираем наименьшее и обозначим его θ. Перераспределяем величину θ по контуру, прибавляя θ к соответствующим объемам груза, стоящим в плюсовых клетках, и вычитаем θ из объемов груза, находящихся в минусовых клетках таблицы. В результате клетка, которая была свободной и выбрана на загрузку, становится занятой, а одна из занятых клеток контура – свободной.

Полученный опорный план проверяем на оптимальность, т.е. возвращаемся к четвертому этапу алгоритма.

Замечания

1. Если в минусовых клетках построенного цикла находятся два или несколько одинаковых минимальных значений , то при перераспределении объемов груза освобождается не одна, а две или несколько клеток. В этом случае план становится вырожденным. Для продолжения решения необходимо одну или несколько одновременно освобождающихся клеток таблицы занять нулем, причем предпочтение отдается клеткам с наилучшим тарифом. Нулей вводят столько, чтобы во вновь полученном опорном плане число занятых клеток (базисных переменных) было ровно (m + n−1).

2. Если в оптимальном плане транспортной задачи оценка для некоторой свободной клетки равна нулю ) , то задача имеет множество оптимальных планов. Для клетки с нулевой оценкой можно построить цикл и перераспределить груз. В результате полученный план будет также оптимальным и иметь такое же значение целевой функции.

3. Значение целевой функции на каждой итерации можно рассчитать следующим образом:

(задача поставлена на минимум),

(задача поставлена на максимум),

где - величина перемещаемого по контуру объема груза;

Оценка свободной клетки, в которую направляется груз при переходе к новому опорному плану;

− значение функции цели на k-ой итерации;

− значение функции цели на предыдущей итерации.

Пример

На трех складах оптовой базы имеется однородный груз в количествах 40, 80 и 80 единиц. Этот груз необходимо перевезти в четыре магазина, каждый из которых должен получить соответственно 70, 20, 60 и 60 единиц. Стоимости доставки единицы груза (тарифы) из каждого склада ) во все магазины ) заданы матрицей .

Составить план перевозок однородного груза с минимальными транспортными затратами (числа условные).

Решение.

1. Проверим необходимое и достаточное условие разрешимости задачи:

40+80+80 = 200,

70+20+60+60 = 210.

Как видно, суммарная потребность груза превышает его запасы на складах оптовой базы. Следовательно, модель транспортной задачи является открытой и в исходном виде решения не имеет. Для получения закрытой модели введем дополнительный (фиктивный) склад А 4 с запасом груза, равным а 4 = 210 – 200 = 10 ед. тарифы перевозки единицы груза из склада А 4 во все магазины полагаем равными нулю.

Все исходные данные заносим в таблицу 7.

Запасы

В 1

В 2

В 3

В 4

A 1

A 2

A 3

A 4

Потребности

2. Построение первого опорного плана методом минимальной стоимости.

Среди тарифов минимальным или наилучшим является С 14 =1. В клетку А 1 В 4 направляем максимально возможный груз, равный min{60,40} = 40. Тогда x 14 = 40. Из склада А 1 весь груз вывезен, но потребность четвертого магазина неудовлетворенна на 20 ед. строка А 1 выходит из рассмотрения.

Среди оставшихся тарифов минимальный элемент - С 23 = 2. В клетку А 2 В 3 направляем груз min{60,80} = 60. При этом столбец В 3 выходит из рассмотрения, а из склада А 2 не вывезено 20 ед.

Из оставшихся элементов минимальный С 22 = 3. В клетку А 2 В 2 направляем груз в количестве min{20,20} = 20. При этом столбец одновременно вычеркиваются строка А 2 и столбец В 2 .

Выбираем минимальный элемент С 31 = 4. В клетку А 3 В 1 направляем груз, равный min{70,80} = 70. При этом столбец В 1 выходит из рассмотрения, а из склада А 3 не вывезено 10 ед. Оставшийся груз с третьего склада направляем в летку А 3 В 4 , x 34 = 10. Потребность четвертого магазина не удовлетворена на 10 ед. направим от фиктивного поставщика – склад А 4 10 ед. груза в клетку А 4 В 4 , x 44 = 10.

В результате получен первый опорный план, который является допустимым, так как все грузы со складов вывезены и потребности всех магазинов удовлетворены.

3. Проверка вырожденности плана

Число занятых клеток или базисных переменных в первом опорном плане равно шести. план транспортной задачи является вырожденным, так как число базисных переменных в невырожденном плане равно m + n – 1 = 4 + 4 – 1 = 7. Для продолжения решения задачи опорный план необходимо дополнить введением фиктивной перевозки, т.е. занять нулем одну из свободных клеток.

При построении первого опорного плана одновременно были вычеркнуты строка А 2 и столбец В 2 , поэтому произошло вырождение плана. На право фиктивной перевозки претендуют свободные клетки строки А 2 и столбца В 2 , которые имеют минимальный тариф и не образуют с занятыми клетками замкнутого прямоугольного контура. Такими клетками являются А 2 В 4 и А 3 В 2 . Нуль направляем в клетку А 2 В 4 .

4. Расчет значения целевой функции

Значение целевой функции первого опорного плана определяем путем суммирования произведений тарифов на объемы перевозимого груза по всем занятым клеткам таблицы.

L(Х 1) = 4∙70 + 3∙20 + 2∙60 + 1∙40 + 3∙0 + 6∙10 + 0∙10 = 560 (тыс.руб.).

5. Проверка условия оптимальности

Рассчитаем потенциалы по занятым клеткам таблицы из условия: ( Так как число неизвестных потенциалов больше числа уравнений (m + n > m + n – 1), то один из потенциалов принимаем равным нулю. Пусть . Тогда для занятых клеток можем записать систему уравнений:

Полагая , получим , , , ,

Рассчитанные потенциалы заносим в таблицу 7. Подсчитаем оценки свободных клеток.

Первый опорный план не является оптимальным, так как имеются положительные оценки свободных клеток и . Выбираем максимальную положительную оценку свободной клетки - .

6. Построение нового опорного плана

Для клетки А 3 В 2 построим прямоугольный замкнутый контур 0таблица 7) и проведем перераспределение груза контуру. Вершинам контура, начиная от вершины, находящейся в свободной клетке А 3 В 2 ,присваиваем поочередно знаки «+» и «−» .

Из объемов груза, стоящих в минусовых клетках, выбираем наименьшее, т.е. θ = min(20,10) = 10. Прибавляем значение θ = 10 к объемам груза, стоящих в плюсовых клетках, вычитаем из объемов груза, стоящих в минусовых клетках замкнутого контура. В результате получим новый опорный план, приведенный в таблице 8.

Запасы

В 1

В 2

В 3

В 4

A 1

A 2

A 3

3 10

A 4

Потребности

Второй опорный план транспортной задачи невырожденный, так как число занятых клеток равно 7.

L(X 2) = L(X 1) – θ∙ = 560 – 10∙3 = 530 (тыс.руб.).

Этот план проверяем на оптимальность. Снова находим потенциалы поставщиков и потребителей. Для этого составляем по занятым клеткам следующую систему уравнений.

Транспортная задача

Постановка транспортной задачи

Транспортная задача (Т-задача) является одной из наиболее распространенных специальных задач ЛП. Первая строгая постановка Т-задачи принадлежит Ф. Хичкоку, поэтому в зарубежной литературе ее часто называют проблемой Хичкока.

Первый точный метод решения Т-задачи разработан Л. В. Канторовичем и М. К. Гавуриным.

Общая постановка транспортной задачи состоит в определении оптимального плана перевозок некоторого однородного груза из m пунктов отправления (заводы, склады, базы и т.д.) в n пунктов назначения (магазины). При этом, из каждого пункта отправления (производства) возможно транспортировка продукта в любой пункт назначения (потребления). В качестве критерия оптимальности обычно берется либо минимальная стоимость перевозок всего груза, либо минимальное время его доставки.

Выбор критерия оптимальности

При решении транспортной задачи выбор критерия оптимальности имеет важное значение. Как известно, оценка экономической эффективности примерного плана может определятся по тому или иному критерию, положенного в основу расчета плана. Этот критерий является экономическим показателем, характеризующим качество плана. До настоящего времени нет общепринятого единого критерия всесторонне учитывающего экономические факторы. При решении транспортной задачи, в качестве критерия оптимальности в различных случаях используют следующие показатели:

1) Объем работы транспорта (критерий - расстояние в т/км). Минимум пробега удобен для оценки планов перевозок, поскольку расстояние перевозки определяется легко и точно для любого направления. Поэтому критерию нельзя решать транспортные задачи с участием многих видов транспорта. С успехом применяется при решении транспортных задач для автомобильного транспорта. При разработке оптимальных схем перевозки однородных грузов автомобилями.

2) Тарифная плата за перевозку груза (критерий - тарифы провозных плат). Позволяет получить схему перевозок, наилучшую с точки зрения хозрасчетных показателей предприятия. Все надбавки, а также существующие льготные тарифы затрудняют его использование.

3) Эксплутационные расходы на транспортировку грузов (критерий - себестоимость эксплутационных расходов). Более верно отражает экономичность перевозок различными видами транспорта. Позволяет делать обоснованные выводы о целесообразности переключения с одного вида транспорта на другой.

4) Сроки доставки грузов (критерий - затраты времени).

5) Приведенные затраты (с учетом эксплуатационных расходов, зависящих от размеров движения и капиталовложения в подвижной состав).

6) Приведенные затраты (с учетом полных эксплуатационных расходов капиталовложений на строительство объектов в подвижной состав).

где - эксплутационные издержки,

Расчетный коэффициент эффективности капиталовложения,

Капитальные вложения, приходящие на 1 т груза на протяжении участка,

Т - время следования,

Ц - цена одной тоны груза.

Позволяет более полно производить оценку рационализации разных вариантов планов перевозок, с достаточно полной выраженностью количественно-одновременное влияние нескольких экономических факторов.

Рассмотрим транспортную задачу, в качестве критерия оптимальности которой взята минимальная стоимость перевозок всего груза. Обозначим через тарифы перевозки единицы груза из i-го пункта отправления в j-й пункт назначения, через – запасы груза в i-м пункте отправления, через – потребности в грузе в j–м пункте назначения, а через – количество единиц груза, перевозимого из i-го пункта отправления в j-й пункт назначения. Тогда математическая постановка задачи состоит в определении минимального значения функции

при условиях

(2)

(3)

(4)

Поскольку переменные удовлетворяют системам линейных уравнений (2) и (3) и условию неотрицательности (4), то обеспечиваются вывоз имеющегося груза из всех пунктов отправления, доставка необходимого количества груза в каждый из пунктов назначения, а также исключаются обратные перевозки.

Таким образом, Т-задача представляет собой задачу ЛП с m*n числом переменных, и m + n числом ограничений - равенств.

Очевидно, общее наличие груза у поставщиков равно , а общая потребность в грузе в пунктах назначения равна единиц. Если общая потребность в грузе в пунктах назначения равна запасу груза в пунктах отправления, т. е.

то модель такой транспортной задачи называется закрытой или сбалансированной .

Существует ряд практических задач, в которых условие баланса не выполняется. Такие модели называются открытыми . Возможные два случая:

В первом случае полное удовлетворение спроса невозможно .

Такую задачу можно привести к обычной транспортной задаче следующим образом. В случае превышения потребности над запасом, т. е. вводится фиктивный (m +1)–й пункт отправления с запасом груза и тарифы полагаются равными нулю:

Тогда требуется минимизировать

при условиях

Рассмотрим теперь второй случай .

Аналогично, при вводится фиктивный (n +1)–й пункт назначения с потребностью и соответствующие тарифы считаются равными нулю:

Тогда соответствующая Т-задача запишется так:

Минимизировать

при условиях:

Этим задача сводится к обычной транспортной задаче, из оптимального плана которой получается оптимальный план исходной задачи.

В дальнейшем будем рассматривать закрытую модель транспортной задачи. Если же модель конкретной задачи является открытой, то, исходя из сказанного выше, перепишем таблицу условий задачи так, чтобы выполнялось равенство (5).

В некоторых случаях нужно задать, что по каким-либо маршрутам нельзя перевозить продукцию. Тогда стоимости перевозок по этим маршрутам задаются так, чтобы они превышали самые высокие стоимости возможных перевозок (для того, чтобы было невыгодно везти по недоступным маршрутам) – при решении задачи на минимум. На максимум – наоборот.

Иногда нужно учесть, что между какими-то пунктами отправки и какими-то пунктами потребления заключены договора на фиксированные объемы поставки, то надо исключить объем гарантированной поставки из дальнейшего рассмотрения. Для этого объем гарантированной поставки вычитается из следующих величин:

· из запаса соответствующего пункта отправки;

· из потребности соответствующего пункта назначения.

Пример.

Четыре предприятия данного экономического района для производства продукции используют три вида сырья. Потребности в сырье каждого из предприятий соответственно равны 120, 50, 190 и 110 ед. Сырье сосредоточено в трех местах его получения, а запасы соответственно равны 160, 140, 170 ед. На каждое из предприятий сырье может завозиться из любого пункта его получения. Тарифы перевозок являются известными величинами и задаются матрицей

Составить такой план перевозок, при котором общая стоимость перевозок является минимальной.

Решение. Обозначим через количество единиц сырья, перевозимого из i–го пункта его получения на j–е предприятие. Тогда условия доставки и вывоза необходимого и имеющегося сырья обеспечиваются за счет выполнения следующих равенств:

(6)

При данном плане перевозок общая стоимость перевозок составит

Таким образом, математическая постановка данной транспортной задачи состоит в нахождении такого неотрицательного решения системы линейных уравнений (6), при котором целевая функция (7) принимает минимальное значение.

Следует различать критерий оптимизации и показатели оптимальности планов грузовых перевозок. Критерий оптимизации должен отражать сущность народнохозяйственного подхода к его выбору с учетом стратегии экономической политики государства в области транспорта. Выбор показателей оптимизации, отражающих различные стороны глобального народнохозяйственного критерия оптимизации, является сложной задачей.

Все транспортные задачи оптимального прикрепления пунктов назначения к пунктам отравления, практически реализуемые в оптимальных схемах грузопотоков, решаются по показателю расстояния перевозки исходя из минимума грузооборота. Целевая функция Fс транспортной задачи имеет при этом вид:

Fс = min хij lij, (1)

где m, n - число пунктов соответственно отправления и назначения;

хij - размер перевозок грузопотока по каждой корреспонденции между пунктами олтправления и назначения, т;

lij - расстояние перевозки по каждой корреспонденции грузопотока, км.

В результате исследований, выполненных И. В. Беловым, было доказано, что оптимизация планов перевозок грузов по минимуму тонно-километров не отражает основных характеристик народнохозяйственного критерия оптимальности и, следовательно, не позволяет получить действительно оптимальный план.

Кратчайшее расстояние как показатель оптимальности заведомо непригоден при оптимизации планов грузовых перевозок на различных взаимодействующих видах транспорта, т.e. при составлении комплексных оптимальных схем грузопотоков на сети разных видов путей сообщения.

При оптимизации планов грузовых перевозок кратчайшее направление по затратам также не всегда является наивыгоднейшим. Суть в том, что на величину затрат по направлениям перевозок оказывает влияние не только расстояние (дальность), но и ряд других эксплуатационно-технических и социально-экономических факторов. Комплексными показателями, в которых наилучшим образом могут быть отражены все важнейшие характеристики народнохозяйственного критерия оптимизации при разработке планов грузовых перевозок, являются стоимостные показатели. Их использование при решении транспортных задач оптимизации полностью соответствует современным требованиям повышения качества планирования и регулирования перевозок.

В соответствии с основной концепцией оптимизации, обоснованной МИИТом, в условиях наличия резервов пропускной и провозной способности в качестве показателя оптимальности при текущем планировании перевозок экономически целесообразнее использовать минимум зависящих от объема перевозок эксплуатационных расходов, т.е. минимум себестоимости перевозок в части зависящих расходов. Целевая функция транспортной задачи в этом случае будет иметь вид:

Fс = min хij С зав ij, (2)

где С зав ij- себестоимость перевозок грузов по каждой корреспонденции грузопотока в части зависящих расходов, к/т.

В соответствии с переходной концепцией оптимизации в условиях отсутствия резервов пропускной и провозной способности стоимостные показатели текущего планирования перевозок оказываются тоже неприемлемыми. Задача оптимизации в данном случае должна решаться не на минимум текущих затрат, а на максимум результатов в уровне удовлетворения потребностей производства в перевозках. Этим целям наилучшим образом отвечает показатель оптимизации -минимум времени доставки грузов, т.е.

Fс = min хij tij, (3)

где tjj - время доставки грузов по каждой корреспонденции грузопотока, ч.

Данный показатель оптимальности, будучи простым, наилучшим образом отвечает условиям оптимизации перевозок скоропортящихся грузов, так как он одновременно обеспечивает минимум народнохозяйственных издержек (включая потери грузов) при перевозке.

В условиях перехода транспорта на рыночные отношения должна, очевидно, получить широкое распространение оптимизация планов перевозок исходя из минимума тарифных плат, когда целевая функция имеет вид

Fс = min хij С тар ij, (4)

где С тар ij - доходная тарифная ставка при перевозке грузов для каждой корреспонденциигрузопотока, к/т.

Ранее считалось, что план по минимуму тонно-километров и план по минимуму тарифных плат совпадают, так как грузовые тарифы построены исходя из принципа кратчайших расстояний перевозок. Но это утверждение не совсем верное, так как тарифная плата взимается каждый раз не за конкретное кратчайшее расстояние перевозки, а за среднее расстояние данного тарифного пояса. Тарифные же пояса, особенно на дальних расстояниях, меняются в большом диапазоне.

Очевидно, что при возможной и целесообразной в рыночных условиях хозяйствования территориальной дифференциации тарифов, а также при более глубокой дифференциации их в зависимости от уровня качества перевозок оптимальные планы перевозок по минимуму тонно-километров и минимуму тарифных плат будут еще более не совпадать.

Следует иметь в виду еще одно немаловажное обстоятельство. Оптимизация транспортных связей по минимуму тарифных плат означает минимизацию доходов транспорта, что может отрицательно сказаться на его прибыли и рентабельности, т.е. на хозрасчетных интересах транспорта. Некоторые специалисты утверждают, что оптимизация планов перевозок по этому показателю вообще неприемлема, так как она заведомо ставит транспорт в неравное экономическое положение по сравнению с другими отраслями народного хозяйства. Напрашивается серьезное возражение на этот довод. Доходы транспорта - это одновременно и тарифные транспортные расходы народного хозяйства, к экономии которых мы должны постоянно стремиться, устраняя разного рода нерациональные перевозки и связанные с ними непроизводительные расходы. Таким образом, в условиях развития рыночных отношений оптимизация планов перевозок по минимуму тарифных плат должна иметь более широкую сферу применения. Но при этом она должна перейти из области транспорта как такового в область материально-технического снабжения как оптимизация планов поставок.

Приведенные затраты как показатель оптимальности могут быть использованы при решении транспортных задач на сети путей сообщения разных взаимодействующих видов транспорта в условиях как текущего, так и перспективного планирования и регулирования работы, а также на одном виде транспорта для перспективных условий планирования и регулирования работы с развитием пропускной способности. Целевая функция оптимального плана здесь может быть выражена двояко: без учета стоимости грузовой массы в пути, если нет существенных различий во времени доставки грузов на взаимодействующих видах транспорта:

Fс = min хij (сij + Ен кij), (5)

с учетом стоимости грузовой массы в пути, когда взаимодействующие виды транспорта существенно отличаются по времени доставки грузов:

Fс = min хij (сij + Ен (кij + mij), (6)

где кij - удельные капиталовложения в подвижной состав и постоянные устройства по каждой корреспонденции грузопотока, к/т;

mij - удельная стоимость грузовой массы в пути по каждой корреспонденции грузопотока, к/т.

При выборе стоимостных показателей для целей оптимизации перевозок грузов необходимо обеспечить наибольшую полноту учета в этих показателях всех составляющих их элементов затрат и потерь, меняющихся в зависимости от изменения условий перевозочного процесса по конкретным транспортно-экономическим связям между пунктами отправления и назначения грузов. Еще в конце 60-х и в 70-х годах указывалось, что в необходимых случаях, в особенности при перевозке с участием разных видов транспорта, нужно дополнительно учитывать потери, связанные с несохранностью груза. При этом имелись в виду те случаи, когда различия в размерах потерь по видам транспорта или вариантам плана прикрепления потребителей к поставщикам на данном виде транспорта существенно влияют на выбор действительно оптимального плана перевозок.

Аналогичные суждения высказывались специалистами применительно к задаче оптимизации топливно-энергетического баланса страны и определению роли в нем каменного угля. Утверждалось, что правильное решение задачи оптимизации возможно в том случае, если формирование экономической информации по топливу проводится на основе сопоставимых и сравнимых показателей по всем стадиям общественного производства по идентичной методологии и на основе одинаковых методических предпосылок. При этом особенно важно точно учесть затраты, обусловленные потерями топлива в процессе перевозки.

Потери топлива включаются в себестоимость транспортирования только по нефте- и газопроводам, а также линиям электропередачи. Потери угля в процессе перевозки в полной мере не учитываются и, как правило, не отражаются в экономических расчетах. Это приводит к тому, что представления о степени экономичности того или иного вида транспорта оказываются искаженными. Чтобы снять искажения, вызванные несопоставимостью стоимостных показателей при оптимизации топливно-энергетического баланса страны, в этих показателях нужно учесть потери соответствующих грузов.

В некоторых работах ученых-экономистов отмечалась необходимость учета при оптимизации транспортно-экономических связей не только качества перевозок, но и качества самой перевозимой народнохозяйственной продукции, ее потребительских свойств. В данном случае речь идет об отражении в стоимостном показателе оптимальности не только потерь перевозимых грузов, но и различий в ассортиментном и качественном их составе. Имеется в виду, что оптимизация перевозок взаимозаменяемой продукции разного ассортимента и качества при соизмеримом учете ее потребительских свойств (ходимости автомобильных шин, калорийности топлива, доли питательных веществ в удобрениях, железа в руде и т.п.) даст оптимальный план, существенно отличающийся от оптимального плана, составленного без учета указанных различий.

Экономико-математическая модель задачи оптимизации с учетом потребительских свойств взаимозаменяемой продукции была реализована в конкретных решениях, в частности в работе НИИМС (авторы Е. П. Нестеров, В. А. Скворцова и др.). В работах МИИТа установлено, что при разработке оперативных текущих и перспективных оптимальных планов перевозок на железнодорожном транспорте в стоимостных показателях оптимальности должны непременно учитываться потери многих грузов и особенно скоропортящихся, сыпучих и навалочных. При решении комплексных транспортных задач оптимизации перевозок для любого периода и планирования с участием двух и более взаимодействующих видов транспорта потери необходимо включать в стоимостные показатели оптимальности для всех групп грузов в соответствии с классификацией. Различия, если таковые имеются, в потребительских свойствах и качестве взаимозаменяемых грузов должны отражаться через соответстующие цены их в стоимости грузовой массы в пути. Функционалы оптимального плана в общем виде могут быть выражены: без учета стоимости грузовой массы в пути

Fс = min хij (сij + Енкij + у пэ ij), (7)

с учетом стоимости грузовой массы в пути

Fс = min хij (сij + Ен (кij + mij + у пэ ij), (8)

где у пэ ij - удельная величина текущих потерь грузов в стоимостном измерении по каждой корреспонденции грузопотока, к/т.

Оптимизация перевозок грузов с учетом их потерь практически может быть осуществлена лишь после перехода к разработке простых или комплек-сных оптимальных схем грузопотоков по стоимостным показателям оптималь-ности - текущим и приведенным затратам. Очень важной задачей при этом является заблаговременная подготовка достоверной нормативной экономичес-кой информации для расчета потерь при перевозке грузов.

При перевозке скоропортящихся грузов потери их, как правило, намного, а нередко в несколько раз, превышают собственно затраты на перевозку. Поэтому представляется возможным оптимизировать текущие и оперативные планы перевозок скоропортящихся грузов исходя из минимума текущих потерь при обязательном выполнении заданных сроков доставки грузов. Можно утверждать, что оптимальный план по минимуму потерь совпадает с оптималь-ным планом по минимуму времени доставки скоропортящихся грузов. Целевая функция данного оптимального плана такова:

Fс = min хij у пэ ij. (9)

Однако следует иметь в виду, что практическое использование стоимост-ных показателей оптимальности для решения транспортных задач и составле-ния оптимальных схем грузопотоков сопряжено с большими трудностями. Дело в том, что предварительный расчет поучастковых показателей затрат весьма сложен. Эти показатели неустойчивы во времени в связи с постоянными изме-нениями условий и факторов, влияющих на величину затрат. Исходные данные для расчета отдельных составляющих стоимостных показателей оптимальности не всегда обеспечивают необходимую достоверность результатов.

Избыток провозных возможностей увеличивает затраты на перевозки и себестоимость продукции. Критерием оптимальности предлагается принять минимальные потери, с одной стороны - от недоиспользования подвижного состава, с другой - потери грузополучателей от несвоевременной доставки.

Всякий грузопоток характеризуется четырехиндексным числом: пунктом производства, пунктом потребления груза, классом груза и временем доставки груза потребителю. Чтобы доставить всю произведенную продукцию от места производства до места потребления, провозные возможности транспорта должны быть не меньше величины грузопотока.

Известно, что провозные возможности подвижного состава - вероятностная величина, на которую оказывают влияние множество факторов: дорожные и климатические условия, вид и возрастной состав подвижного состава, квалификация водителя, соответствие производственно-технической базы мощности парка и др. Поэтому в отдельные моменты величины грузопотока могут превышать провозные возможности подвижного состава и часть грузов своевременно не будет доставлена к месту потребления.

Следовательно, основным условием своевременной перевозки грузов к месту их потребления является превышение провозной возможности подвижного состава по сравнению с грузопотоком.

Математическая постановка транспортной задачи состоит в определении оптимального плана перевозок некоторого однородного груза из т пунктов отправления А 1 , А 2 , …, А т в п пунктов назначения В 1 , В 2 , …, В п . При этом в качестве критерия оптимальности обычно берется либо минимальная стоимость перевозок всего груза, либо минимальное время его доставки. Рассмотрим транспортную задачу, в качестве критерия оптимальности которой взята минимальная стоимость перевозок всего груза.

Обозначим:

c ij – тарифы перевозки единицы груза из i -го пункта отправления в j -й пункт назначения,

a i – запасы груза в i -м пункте отправления,

b j – потребности в грузе в j– м пункте назначения,

x ij – количество единиц груза, перевозимого из i -го пункта отправления в j -й пункт назначения.

Тогда математическая постановка задачи состоит в определении минимального значения функции: (6.1)

при условиях
(6.2)

(6.3)

Всякое неотрицательное решение систем линейных уравнений (6.2) и (6.3), определяемое матрицей Х=(х ij ) , называется планом транспортной задачи.

План Х*=(х* ij ) , при котором функция (6.1) принимает свое минимальное значение, называется оптимальным планом транспортной задачи.

Обычно исходные данные транспортной задачи записывают в виде таблицы.

Для определения опорного плана существует несколько методов: метод северо-западного угла, метод наименьшей стоимости, метод аппроксимации Фогеля и др.

Метод северо-западного угла

В самую северо-западную клетку таблицы заносится максимально допустимая перевозка, при этом либо вывозится весь груз со станции А 1 и все остальные клетки первой строки вычеркиваются, либо потребности первого потребителя В 1 полностью удовлетворяются, тогда все клетки первого столбца вычеркиваются. После этого самой северо-западной клеткой становится клетка А 1 В 2 или В 2 А 1 . Алгоритм продолжается до заполнения таблицы. Недостатки – не учитывается стоимость перевозки, и получается план далекий от оптимального.

Метод наименьшей стоимости

Метод в какой-то степени учитывает затраты на перевозки и строится следующим образом: рассматривается матрица и находится клетка с наименьшей стоимостью, которая заполняется максимально допустимой перевозкой. В большинстве случаев этот метод дает план близкий к оптимальному.

Метод аппроксимации Фогеля

На каждой итерации по всем столбцам и по всем строкам находят разность между двумя записанными в них минимальными тарифами. Эти разности записываются в специально отведенных для этого строке и столбце таблице условий задачи. Среди указанных разностей выбирают минимальную. В строке или столбце, которой данная разность соответствует, определяют минимальный тариф.

Широкораспространенным методом решения транспортных задач является метод потенциалов.

Данный метод позволяет оценить начальное опорное решение и методом последовательного улучшения найти оптимальное решение.

Теорема 1. Если опорный план Х=(х ij ) является оптимальным, существует система из (т+п) чисел, называемых потенциалами, U i , V j , такая, что:

U i + V j =С ij ,для х ij >0 (базисные переменные);

U i + V j =С ij ,для х ij =0 (свободные переменные).

Таким образом, для проверки оптимальности начального оптимального плана необходимо выполнение следующих условий:

для каждой занятой клетки сумма потенциалов равна стоимости перевозки единицы груза, стоящей в этой клетке:

U i + V j =С ij

для каждой свободной клетки сумма потенциалов меньше или равна стоимости перевозки единицы груза, стоящей в этой клетке:

U i + V j £ С ij

Теорема 2. Любая закрытая транспортная задача имеет решение, которое достигается за конечное число шагов метода потенциалов.

Построение цикла и определение величины перераспределения груза.

Циклом в таблице перевозок называется ломаная с вершинами в клетках и ребрами, расположенными вдоль строк или столбцов матрицы, удовлетворяющая двум требованиям:

ломаная должна быть связной, т.е. из любой ее вершины можно попасть в другую вершину, двигаясь по ребрам;

в каждой вершине цикла сходятся ровно два ребра – одно по строке, другое по столбцу.

Циклом пересчета свободной клетки называется такой цикл, одна из вершин которого находится в свободной клетке, а остальные – в базисных.

Приведем примеры некоторых циклов.

Теорема 3. В таблице перевозок для каждой свободной клетки существует один цикл пересчета.

Алгоритм метода потенциалов

Поставим в соответствие каждой станции А i потенциал и i , а каждой станции В j потенциал v j . Для этого для каждой заполненной клетки х ij ≠0 составим уравнение и i + v j =с ij . Придадим и 1 =1 (можно любое другое значение) и найдем все остальные потенциалы.

Проверим оптимальность найденного опорного плана. Для этого вычислим сумму потенциалов для свободных клеток. Если эта сумма меньше стоимости перевозки с ij , стоящей в этой клетке, то найдено оптимальное решение. Если больше, то в этой клетке есть нарушение, равное разности между этой суммой и стоимостью перевозки. Найдем все такие нарушения (будем их записывать в тех же клетках внизу справа). Выберем из этих нарушений наибольшее о построим цикл пересчета свободной клетки который начнется из отмеченной клетки с наибольшим нарушением.

3. Цикл пересчета начинается в свободной клетке, где ставим знак плюс, а остальные клетки заняты. Знаки в этих клетках чередуются. Выберем наименьшую из перевозок, стоящих в клетках со знаком минус. Тогда данную перевозку прибавляем к перевозкам со знаком плюс и вычитаем из перевозок со знаком минус. Получим новое оптимальное решение. Проверим его на оптимальность.

4. Для новых потенциалов проверяем условие оптимальности. Если условия оптимальности выполняются, то получено оптимальное решение, если нет, то продолжаем поиск оптимального решения по методу потенциалов.

Пример 7.1. Четыре предприятия данного экономического района для производства продукции использует три вида сырья. Потребности в сырье каждого из предприятий соответственно равны 120, 50, 190 и 110 ед. Сырье сосредоточено в трех местах его получения, а запасы соответственно равны 160, 140, 170 ед. На каждое из предприятий сырье может завозиться из любого пункта его получения. Тарифы перевозок являются известными величинами и задаются матрицей
.

Составить такой план перевозок, при котором общая себестоимость перевозок является минимальной.

Решение:

задача закрытого типа.

Составим первый план транспортной задачи методом северо-западного угла. Заполнение клеток таблицы начнем с левой верхней клетки.

S 1 =120·7+40·8+10·5+130·9+60·3+110·6=3120

Составим первый план методом минимальной стоимости. Будем заполнять клетки с минимальными тарифами.

S 2 =160·1+120·4+20·8+50·2+30·3+90·6=1530

Стоимость при таком плане перевозок почти в два раза меньше. Начнем решение задачи с этого плана. Проверим его на оптимальность. Введем потенциалы α i – соответственно отправления, β j – соответственно назначения. По занятым клеткам составляем систему уравнений α i + β j =c ij:

Для свободных клеток таблицы проверяем критерий оптимальности

Будем составлять разности

План не оптимальный т. к. имеется положительная оценка
Построим из неё цикл пересчета. Это ломаная линия звеньев которые расположены строго по вертикали или горизонтали, а вершины находятся в занятых клетках. В плохой клетке поставим знак (+). В остальных вершинах знаки чередуются. Из отрицательных вершин выбираем наименьшее число и сдвигаем его по циклу. Перешли к новому опорному плану.

S 3 =70·1+90·2+120·4+20·8+50·2+120·3=1350

Стоимость перевозок меньше, т.е. план улучшили. Проверяем теперь новый план на оптимальность. По занятым клеткам:

По свободным клеткам:

План не оптимальный т. к. имеется положительная оценка
Строим цикл пересчета и переходим к новому плану.

S 4 =50·1+110·2+120·4+20·5+30·2+140·3=1330

Проверяем новый план на оптимальность.

По занятым клеткам:

По свободным клеткам:

Критерий оптимальности выполнен, т. е. последний план оптимальный.

Ответ:

Общая постановка транспортной задачи состоит в определении оптимального плана перевозок некоторого однородного груза из т пунктов отправления в п пунктов назначения . При этом в качестве критерия оптимальности обычно берется либо минимальная стоимость перевозок всего груза, либо минимальное время его доставки. Рассмотрим транспортную задачу, в качестве критерия оптимальности которой взята минимальная стоимость перевозок всего груза. Обозначим через тарифы перевозки единицы груза из i -го пункта отправления в j -й пункт назначения, через – запасы груза в i -м пункте отправления, через – потребности в грузе в j – м пункте назначения, а через – количество единиц груза, перевозимого из i -го пункта отправления в j -й пункт назначения. Тогда математическая постановка задачи состоит в определении минимального значения функции

при условиях

(64)

(65)

(66)

Поскольку переменные удовлетворяют системам уравнений (64) и (65) и условию неотрицательности (66), обеспечиваются доставка необходимого количества груза в каждый из пунктов назначения, вывоз имеющегося груза из всех пунктов отправления, а также исключаются обратные перевозки.

Определение 15.

Всякое неотрицательное решение систем линейных уравнений (64) и (65), определяемое матрицей , называется планом транспортной задачи.

Определение 16.

План , при котором функция (63) принимает свое минимальное значение, называется оптимальным планом транспортной задачи.

Обычно исходные данные транспортной задачи записывают в виде таблицы 21.

Таблица 21

то модель такой транспортной задачи называется закрытой. Если же указанное условие не выполняется, то модель транспортной задачи называется открытой.

Теорема 13.

Для разрешимости транспортной задачи необходимо и достаточно, чтобы запасы груза в пунктах отправления были равны потребностям в грузе в пунктах назначения, т. е. чтобы выполнялось равенство (67).

В случае превышения запаса над потребностью, т. е. вводится фиктивный (n +1)–й пункт назначения с потребностью и соответствующие тарифы считаются равными нулю: Полученная задача является транспортной задачей, для которой выполняется равенство (67).

Аналогично, при вводится фиктивный (m +1)–й пункт отправления с запасом груза и тарифы полагаются равными нулю: Этим задача сводится к обычной транспортной задаче, из оптимального плана которой получается оптимальный план исходной задачи. В дальнейшем будем рассматривать закрытую модель транспортной задачи. Если же модель конкретной задачи является открытой, то, исходя из сказанного выше, перепишем таблицу условий задачи так, чтобы выполнялось равенство (67).

Число переменных в транспортной задаче с т пунктами отправления и п пунктами назначения равно пт , а число уравнений в системах (64) и (65) равно п+т . Так как мы предполагаем, что выполняется условие (67), то число линейно независимых уравнений равно п+т – 1. Следовательно, опорный план транспортной задачи может иметь не более п + т – 1 отличных от нуля неизвестных.

Если в опорном плане число отличных от нуля компонент равно в точности п +т – 1, то план является невырожденным, а если меньше – то вырожденным.

Как и для всякой , оптимальный план транспортной задачи является и опорным планом.

Для определения оптимального плана транспортной задачи можно использовать изложенные выше методы.

Пример 19.

Составить такой план перевозок, при котором общая стоимость перевозок является минимальной.

Решение. Обозначим через количество единиц сырья, перевозимого из i –го пункта его получения на j –е предприятие. Тогда условия доставки и вывоза необходимого и имеющегося сырья обеспечиваются за счет выполнения следующих равенств:

(68)

При данном плане перевозок общая стоимость перевозок составит

Таким образом, математическая постановка данной транспортной задачи состоит в нахождении такого неотрицательного решения системы линейных уравнений (68), при котором целевая функция (69) принимает минимальное значение.

Программа для решения транспортной задачи методом потенциалов

Рейтинг: