Транспортная задача

Важным частным случаем задачи линейного программирования является транспортная задача.

Пример решения задачи.

Построить экономико-математическую модель следующей задачи. Имеются 3 поставщика и 4 потребителя. Мощность поставщиков и спросы потребителей, а также затраты на перевозку единицы груза для каждой пары «поставщик – потребитель» сведены в таблицу поставок. В каждой клетке стоит коэффициент затрат – затраты на перевозку единицы груза от соответствующего поставщика к соответствующему потребителю.

Задача. Найти объем перевозок для каждой пары «поставщик – потребитель» так, чтобы:

1) мощность всех поставщиков были реализованы;

2) спросы всех потребителей удовлетворены;

3) суммарные затраты на перевозку были минимальными.

Таблица 1.11

Транспортная задача

Составим экономико-математическую модель задачи.

Искомый объем перевозки от i-го поставщика к j-му потребителю обозначим х_ij и назовем его поставкой. Тогда целевая функция, значение которой необходимо минимизировать, запишется в виде:

f(х) = 1x₁₁+2x₁₂+5x₁₃+…+7x₃₃+4x₃₄ → min

Система ограничений будет иметь следующий вид:

Особенности экономико-математической модели транспортной задачи:

1) Система ограничений есть система уравнений, то есть транспортная задача задана в канонической форме.

2) Коэффициенты при переменных системы ограничений равны 1 или 0.

3) Каждая переменная входит в систему ограничений 2 раза.

Решение задачи.

Существует два метода нахождения первоначального распределения поставок (опорного плана).

1) Метод северо-западного угла.

Задаем северо-западной клетке (а именно х₁₁) максимально возможную поставку (20), после этого спрос 1-го потребителя будет полностью удовлетворен, в результате чего первый столбец поставок полностью выпадает из следующего рассмотрения. В оставшейся таблице опять выбираем северо-западную клетку.

Таблица 1.12

Первый план перевозок,

построенный методом северо-западного угла

Недостаток этого метода: план строится без учета стоимости (затраты на перевозку).

2) Метод минимальной стоимости (или метод наименьших затрат).

Находим клетку с наименьшим коэффициентом затрат (у нас их две, равные 1) и даем ей максимальную поставку (так как любая из них может поставить 20, выбираем любую). Таким образом, спрос 1-го потребителя удовлетворен и его (1-й столбец) вычеркиваем. В оставшейся таблице опять ищем клетку с минимальной стоимостью.

Таблица 1.13

Первый план перевозок,

построенный методом минимальной стоимости

Ø Важно помнить.Обязательно вычеркивается только один: или поставщик, или потребитель. Если на очередном шаге решения задачи совпали потребность покупателя и мощность поставщика, то одного (любого) вычеркиваем, а у второго пишем в остатке 0. На следующем шаге решения перевозим 0, тогда эта клетка участвует в плане перевозок. Если этого не сделать, то в плане будет недостаточно клеток, чтобы заполнить таблицу потенциалов.

Вычислим для обоих опорных планов суммарные затраты на перевозку.

S₁ = 20*1 + 40*2 + 70*6 + 40*5 + 10*2 + 100*4 = 1140

S₂ = 60*2 + 20*1 + 100*2 + 50*3 + 40*7 + 10*4 = 810

Во втором случае по числу шагов мы находимся ближе к оптимуму.

Решение методом потенциалов.

Выпишем отдельно полученный план перевозок X[1]

Таблица 1.14

Первый план перевозок

Вычисляем его стоимость: S(X[1])=60*2 + 100*1 + 20*2 + 50*3 + + 40*7 + 10*4 = 810.

Таблица 1.15

Потенциалы и косвенные стоимости

а) Вписываем в таблицу стоимости перевозок, соответствующих опорному плану.

б) Задаем произвольно один из потенциалов и вычисляем остальные, учитывая, что сумма потенциалов равна стоимости перевозки (в данной задаче задали ).

в) Вычисляем косвенные стоимости (суммируем соответствующие потенциалы и заполняем свободные клетки таблицы), помечаем косвенные стоимости штрихом.

г) Находим разницу между стоимостью, заданной в задаче, и косвенной стоимостью (цифры справа в клетке).

д) Выберем максимальную отрицательную разность и введем ее в опорный план, то есть увеличивая ее значение на какую-то величину, тогда значение другой переменной должно уменьшиться на эту же величину и так далее, замыкаем цикл. (Этот процесс называется цикл пересчета).

е) Если отрицательных значений нет, значит найденный опорный план является оптимальным.

ж) Определяем максимальную величину, на которую может быть увеличена клетка, вводимая в опорный план, так чтобы количество перевозки не стало отрицательным (в нашем случае она может быть равной 40).

Получаем новый опорный план: X[2].

Таблица 1.16

Второй, улучшенный план перевозок

Его стоимость S(X[2])= 810 – 40*1 = 770 меньше предыдущего значения, значит полученный план ближе к оптимальному. Вычислим потенциалы для найденного опорного плана, положив , косвенные стоимости и разницу между заданными и косвенными стоимостями.

Таблица 1.17

Потенциалы и косвенные стоимости для второго плана перевозок

Единственная клетка с отрицательной разностью, это клетка (1, 1). Следовательно, эту клетку можно ввести в опорный план. Максимальная величина, на которую может увеличиться клетка, чтобы опорный план не стал отрицательным 10 (эту величину выбираем из клеток, помеченных знаком «–»). Перевозка (3, 5) выйдет из опорного плана. Остальные перевозки изменятся соответственно знакам: прибавляем 10 к перевозкам, помеченным знаком «+», и вычитаем из перевозок, помеченных знаком «–».

Ø Важно помнить.На каждом шаге решения задачи одна перевозка входит в опорный план и одна выходит из него. Количество клеток, участвующих в плане перевозок, в ходе решения задачи не меняется. Если получается две клетки с одинаковыми минимальными значениями, помеченными знаком «–», то одна выходит из опорного плана, а во второй (в любой) остается 0, то есть клетка участвует в плане перевозок.

Получили план X[3].

Таблица 1.18

Третий план перевозок

Его стоимость S(X[3]) = 770 – 10*1 = 760, то есть стала еще меньше.

Чтобы выяснить, является ли полученный план оптимальным, вычислим потенциалы и косвенные стоимости для полученного плана.

Таблица 1.19

Потенциалы и косвенные стоимости для третьего плана перевозок

Все разности между заданными и косвенными стоимостями положительны, следовательно оптимальный план перевозок X найден и стоимость его равна 760 денежным единицам.

Ø Важно помнить.Описанный метод потенциалов позволяет решать только сбалансированные задачи, то есть задачи, в которых суммарная мощность поставщиков равна суммарному спросу потребителей.

На практике такая ситуация встречается редко, поэтому любую транспортную задачу можно привести к сбалансированной.

Если в транспортной задаче суммарная мощность поставщиков меньше суммарного спроса потребителей, то такая задача называется задачей на недостаток. Для ее решения необходимо ввести фиктивного поставщика, стоимости перевозок которого будут равны нулю, а мощность равна разности суммарного спроса потребителей и суммарной мощности действительных поставщиков, то есть размеру недостатка.

Если в транспортной задаче суммарный спрос потребителей меньше суммарной мощности поставщиков, то такая задача называется задачей на избыток. Для ее решения необходимо ввести фиктивного потребителя, стоимости перевозок которого будут равны нулю, а мощность равна разности суммарной мощности поставщиков и суммарного спроса действительных потребителей, то есть размеру избытка.

Когда задача решена, цифры в строке фиктивного поставщика показывают, какое количество продукции, кто из потребителей не получит, так как задача была на недостаток.

Когда задача решена, цифры в строке фиктивного потребителя показывают, какое количество продукции, у кого из поставщиков останется, так как задача была на избыток.

Задания для самостоятельной работы.

1. Решить транспортную задачу.

Таблица 1.20

Данные о стоимости перевозок,

мощностях поставщиков и спросе потребителей

2. Составить экономико-математическую модель задачи, найти оптимальное распределение поставок и минимальные затраты на перевозку.

Таблица 1.21

Данные о стоимости перевозок,

мощностях поставщиков и спросе потребителей