Транспортная задача. Общая постановка, цели, задачи. Основные типы, виды моделей.

 

Под названием “транспортная задача” объединяется широкий круг задач с единой математической моделью. Данные задачи относятся к задачам линейного программирования и могут быть решены симплексным методом. Однако матрица системы ограничений транспортной задачи настолько своеобразна, что для ее решения разработаны специальные методы. Эти методы, как и симплексный метод, позволяют найти начальное опорное решение, а затем, улучшая его, получить оптимальное решение.

В общей постановке транспортная задача состоит в отыскании опти­мального плана перевозок некоторого однородного груза с баз потребителям .

Различают два типа транспортных задач: но критерию стоимости (план перевозок оптимален, если достигнут минимум затрат на его реализацию) и по критерию времени (план оптимален, если на его реализацию затрачивается минимум времени).

(1.1)

Обозначим количество груза, имеющегося на каждой из баз(запасы), соответственно ,а общее количество имею­щегося в наличии груза– :

;

(1.2)

заказы каждого из потребителей (потребности) обозначим соот­ветственно , а общее количество потребностей – :

,

(1.3)

Тогда при условии

(1.4)

мы имеем закрытую модель, а при условии

– открытую модель транспортной задачи.

Очевидно, в случае закрытой модели весь имеющийся в наличии груз развозится полностью, и все потребности заказчиков полностью удовлетворены; в случае же открытой модели либо все заказчики удовлетворены и при этом на некоторых базах остаются излишки груза , либо весь груз оказывается израсходованным, хотя потребности полностью не удовлетворены .

Так же существуют одноэтапные модели задач, где перевозка осуществляется напрямую от, например, базы или завода изготовителя к потребителю, и двухэтапные, где между ними имеется “перевалочный пункт”, например – склад.

План перевозок с указанием запасов и потребностей удобно записывать в виде следующей таблицы, называемой таблицей перевозок:

Пункты Отправления	Пункты назначения	Запасы
		…
			…
			…
…	…	…	…	…	…
			…
Потребности			…		или

Условие или означает, с какой задачей мы имеем дело, с закрытой моделью или открытой моделью транспортной задачи. Перемен­ное означает количество груза, перевозимого с базы потреби­телю : совокупность этих величин образует матрицу (матрицу перевозок).

Очевидно, переменные должны удовлетворять условиям:

 

(2.1.1)

(2.1)

Система (2.1) содержит уравнений с неизвестными. Её особенность состоит в том, что коэффициенты при неизвестных всюду равны единице. Кроме того, все уравнения системы (2.1) могут быть разделены на две группы: первая группа из т первых уравне­ний (“горизонтальные” уравнения) и вторая группа из п остальных уравнений (“вертикальные” уравнения). В каждом из горизонталь­ных уравнений содержатся неизвестные с одним и тем же первым индексом (они образуют одну строку матрицы перевозок), в каждом из вертикальных уравнений содержатся неизвестные с одним и тем же вторым индексом (они образуют один столбец матрицы пере­возок). Таким образом, каждая неизвестная встречается в системе (2.1) дважды: в одном и только одном горизонтальном и в одном и только одном вертикальном уравнениях.

Такая структура системы (2.1) позволяет легко установить ее ранг. Действительно, покажем, что совокупность неизвестных, образующих первую строку и первый столбец матрицы перевозок, можно принять в качестве базиса. При таком выборе базиса, по крайней мере, один из двух их индексов равен единице, а, следо­вательно, свободные неизвестные определяются условием , .Перепишем систему (2.1) в виде

(2.1’)

 

где символы и означают суммирование по соответствующему индексу. Так, например,

При этом легко заметить, что под символами такого суммирования объединяются только свободные неизвестные (здесь , ).

В рассматриваемой нами системе только два уравнения, а имен­но первое горизонтальное и первое вертикальное, содержат более одного неизвестного из числа выбранных нами для построения базиса. Исключив из первого горизонтального уравнения базисные неизвестные с помощью вертикальных уравнений, мы получаем уравнение

 

 

или короче

(2.2)

где символ означает сумму всех свободных неизвестных. Аналогично, исключив из первого вертикального уравнения базисные неизвестные с помощью горизонтальных уравнений, мы получаем уравнение

(2.2’)

Так как для закрытой модели транспортной задачи , то полученные нами уравнения (2.2) и (2.2’) одинаковы и, исключив из одного из них неизвестное , мы получим уравнение-тождество 0=0, которое из системы вычеркивается.

Итак, преобразование системы (2.1) свелось к замене двух урав­нений (первого горизонтального и первого вертикального) уравне­нием (2.2). Остальные уравнения остаются неизменными. Система приняла вид

(2.3)

 

В системе (2.3) выделен указанный выше базис: базисные неиз­вестные из первых т уравнений образуют первый столбец матрицы перевозок, а базисные неизвестные остальных уравнений образуют первую строку матрицы перевозок без первого неизвестного [она входит в первое уравнение системы (2.3)]. В системе (2.3) имеется уравнений, выделенный базис содержит неизвест­ных, а, следовательно, и ранг системы (2.1) .

 

Для решения транспортной задачи необходимо кроме запасов и потребностей знать также и тарифы , т. е. стоимость перевозки единицы груза с базы потребителю .

Совокупность тарифов также образует матрицу, которую можно объединить с матрицей перевозок и данными о запасах и потребностях в одну таблицу:

 

Пункты Отправления	Пункты назначения	Запасы
		…
					…
					…
…	…	…	…	…	…
					…
Потребности			…		или

 

Сумма всех затрат, т. е. стоимость реализации данного плана перевозок, является линейной функцией переменных :

(2.4)

Требуется в области допустимых решений системы уравнений (2.1) и (2.1.1) найти решение, минимизирующее линейную функцию (2.4).

Таким образом, мы видим, что транспортная задача является задачей линейного программирования. Для ее решения применяют также симплекс-метод, но в силу специфики задачи здесь можно обойтись без симплекс-таблиц. Решение можно получить путем неко­торых преобразований таблицы перевозок. Эти преобразования соответствуют переходу от одного плана перевозок к другому. Но, как и в общем случае, оптимальное решение ищется среди базисных решений. Следовательно, мы будем иметь дело только с базисными (или опорными) планами. Так как в данном случае ранг системы ограничений-уравнений равен то среди всех неизвест­ных выделяется базисных неизвестных, а остальные ·

неизвестных являются свободными. В базис­ном решении свободные неизвестные равны нулю. Обычно эти нули в таблицу не вписывают, оставляя соответствующие клетки пустыми. Таким образом, в таблице перевозок, представляющей опорный план, мы имеем заполненных и · пустых клеток.

Для контроля надо проверять, равна ли сумма чисел в заполнен­ных клетках каждой строки таблицы перевозок запасу груза на соответствующей базе, а в каждом столбце — потребности заказчика [этим подтверждается, что данный план является решением системы (2.1)].

Замечание 1. Не исключаются здесь и вырожденные случаи, т. е. возможность обращения в нуль одной или нескольких базисных неизвестных. Но эти нули в отличие от нулей свободных неизвест­ных вписываются в соответствующую клетку, и эта клетка считается заполненной.

Замечание 2. Под величинами , очевидно, не обязательно под­разумевать только тарифы. Можно также считать их величинами, пропорциональными тарифам, например, расстояниями от баз до потребителей. Если, например, выражены в тоннах, а в километрах, то величина , определяемая формулой (2.4), является количеством тонно-километров, составляющих объем данного плана перевозок. Очевидно, что затраты на перевозки пропорциональны количеству тонно-километров и, следовательно, будут минимальными при минимуме S. В этом случае вместо матрицы тарифов мы имеем матрицу расстояний.

3. Методы составления начального опорного плана.

Как и в общем случае, решение транспортной задачи начинается с отыскания первого опорного плана (исходного базиса). Мы рас­смотрим два наиболее распространенных метода построения такого базиса. Суть обоих этих методов состоит в том, что базисный план составляется последова­тельно, в несколько шагов (точнее, шагов). На каждом из этих шагов заполняется одна клетка, притом так, что, либо пол­ностью удовлетворяется один из заказчиков (тот, в столбце кото­рого находится заполняемая клетка), либо полностью вывозится весь запас груза с одной из баз (с той, в строке которой находится заполняемая клетка).

 

§ В первом случае мы можем исключить столбец, содержащий заполненную на этом шаге клетку, и считать, что задача свелась к заполнению таблицы с числом столбцов, на единицу меньшим, чем было перед этим шагом, но с тем же количеством строк и с соот­ветственно измененным запасом груза на одной из баз (на той базе, которой был удовлетворен заказчик на данном шаге).

§ Во втором случае исключается строка, содержащая заполняемую клетку, и счи­тается, что таблица сузилась на одну строку при неизменном количестве столбцов и при соответствующем изменении потреб­ности заказчика, в столбце которого находится заполняемая клетка.

 

Начиная с первоначально данной таблицы и повторив раз описанный шаг, мы придем к “таблице”, состоящей из одной строки и одного столбца (иначе говоря, из одной пустой клетки). Другими словами, мы пришли к задаче с одной базой и с одним потребителем, причем потребности этого единственного заказчика равны запасу груза на этой единственной базе. Заполнив последнюю клетку, мы освобождаем последнюю базу и удовлетворяем потреб­ность последнего заказчика. В результате, совершив шагов, мы и получим искомый опорный план.

Замечание. Может случиться, что уже на некотором (но не на последнем!) шаге потребность очередного заказчика окажется рав­ной запасу груза на очередной базе. Тогда после заполнения оче­редной клетки объем таблицы как бы одновременно уменьшается на одни столбец и на одну строку. Но и при этом мы должны считать, что уменьшение объема таблицы происходит либо на один столбец, а на базе сохраняется “остаток” равный нулю, либо на одну строку, а у заказчика еще осталась неудовлетворенная “потребность” в количестве нуля единиц груза, которая и удовле­творяется на одном из следующих шагов. Этот нуль (“запас” или “потребностью” – безразлично) надо записать в очередную заполняе­мую клетку на одном из последующих шагов. Так как при этом оказывается равной нулю одна из базисных неизвестных, то мы имеем дело с вырожденным случаем.

Различие методов отыскания первого опорного плана состоит в различии способов набора заполняемой клетки.

 

1.Диагональный метод, или метод северо-западного угла. При этом методе на каждом шаге построения первого опорного плана заполняется левая верхняя клетка (северо-западный угол) остав­шейся части таблицы. При таком методе заполнение таблицы начи­нается с клетки неизвестного и заканчивается в клетке неизвест­ного , т. е. идет как бы по диагонали таблицы перевозок.

Пример.

Пункты Отправления	Пункты назначения	Запасы
Потребности

 

Заполнение таблицы начинается с ее северо-западного угла, т. е. клетки с неизвестным . Первая база может полностью удовле­творить потребность первого заказчика . Полагая , вписываем это значение в клетку и исключаем из рассмотрения первый столбец. На базе остается измененный запас . В оставшейся новой таблице с тремя строками и четырьмя столбцами ; северо-западным углом будет клетка для неизвестного . Первая база с запасом может полностью удовлетворить потребность второго заказчика . Полагаем , вписываем это значе­ние в клетку и исключаем из рассмотрения второй столбец. На базе остается новый остаток (запас) . В оставшейся новой таблице с тремя строками и тремя столбцами северо-западным углом будет клетка для неизвестного . Теперь третий заказчик может принять весь запас с базы . Полагаем , вписываем это значение в клетку и исключаем из рассмотрения первую строку. У заказ­чика из осталась еще не удовлетворенной потребность .

Теперь переходим к заполнению клетки для неизвестного и т.д.

Через шесть шагов у нас останется одна база с запасом груза (остатком от предыдущего шага) и один пункт с потреб­ностью . Соответственно этому имеется одна свободная клетка, которую и заполняем, положив . План составлен. Базис образован неизвестными . Правиль­ность составленного плана легко проверить, подсчитав суммы чисел, стоящих в заполненных клетках по строкам и столбцам.

Общий объем перевозок в тонно-километрах для этого плана составит

 

.

 

2.Метод наименьшей стоимости. При этом методе на каждом шаге построения опорного плана первою заполняется та клетка оставшейся части таблицы, которая имеет наименьший тариф. Если такая клетка не единственная, то заполняется любая из них.

Пример.

Пункты Отправления	Пункты назначения	Запасы
Потребности

 

В данном случае заполнение таблицы начинается с клетки для неизвест­ного , для которого мы имеем значение , наименьше из всех значений . Эта клетка находится на пересечении третьей строки и второго столбца, соответствующим третьей базе и вто­рому заказчику . Третья база может полностью удовлетворить потребность второго заказчика . Пола­гая , вписываем это значение в клетку и исключаем из рассмотрения второй столбец. На базе остается изменённый запас . В оставшейся новой таблице с тремя строками и четырьмя столбцами клеткой с наименьшим значе­нием клетка, где . Заполняем описанным выше способом эту клетку и аналогично заполняем следующие клетки. В резуль­тате оказываются заполненными (в приведенной последовательности) следующие клетки:

 

.

 

На пятом шаге клеток с наименьшими значениями оказалось две . Мы заполнили клетку для , положив . Можно было выбрать для заполнения другую клетку, положив , что приведет в результате к другому опорному плану. Общий объем перевозок в тонно-километрах для этого плана составит

 

.

 

Замечание. В диагональном методе не учитываются величины тарифов, в методе же наименьшей стоимости эти величины учитываются, и часто последний метод приводит к плану с меньшими общими затратами (что и имеет место в нашем примере), хотя это и не обязательно.

Кроме рассмотренных выше способов иногда используется, так называемый, метод Фогеля. Суть его состоит в следующем: В распределительной таблице по строкам и столбцам определяется разность между двумя наименьшими тарифами. Отмечается наибольшая разность. Далее в строке (столбце) с наибольшей разностью заполняется клетка с наименьшим тарифом. Строки (столбцы) с нулевым остатком груза в дальнейшем в расчет не принимаются. На каждом этапе загружается только одна клетка. Распределение груза производится, как и ранее.