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数学建模B题标准答案

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2011数学建模B题标准答案 2011高教社杯全国大学生数学建模竞赛

承 诺 书

我们仔细阅读了中国大学生数学建模竞赛的竞赛规则.

我们完全明白，在竞赛开始后参赛队员不能以任何方式（包括电话、电子邮件、网上咨询等）与队外的任何人（包括指导教师）研究、讨论与赛题有关的问题。

我们知道，抄袭别人的成果是违反竞赛规则的, 如果引用别人的成果或其他公开的资料（包括网上查到的资料），必须按照规定的参考文献的表述方式在正文引用处和参考文献中明确列出。

我们郑重承诺，严格遵守竞赛规则，以保证竞赛的公正、公平性。如有违反竞赛规则的行为，我们将受到严肃处理。

我们参赛选择的题号是（从A/B/C/D中选择一项填写）： B

我们的参赛报名号为（如果赛区设置报名号的话）：

所属学校（请填写完整的全名）： 北京大学

参赛队员 (打印并签名) ：1. 姚胜献

2. 许锦敏

3. 刘迪初

指导教师或指导教师组负责人 (打印并签名)： 刘业辉

日期： 2011 年 9 月 12日

赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）： 2011高教社杯全国大学生数学建模竞赛

编 号 专 用 页

赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：

赛区评阅记录（可供赛区评阅时使用）：

评

阅

人

评

分

备

注

全国统一编号（由赛区组委会送交全国前编号）：

全国评阅编号（由全国组委会评阅前进行编号）：

1 交巡警服务平台的设置与调度

摘要

本文通过建立整数规划模型，解决了分配各平台管辖范围、调度警务资源以及合理设置交巡警服务平台这三个方面的问题；通过建立线性加权评价模型定量评价了某市现有交巡警服务平台设置方案的合理性，并根据各个区对服务平台需求量的不同，提出了重新分配全市警力资源的解决方案。在计算交巡警服务平台到各个路口节点的路程时，使用了图论里的floyd算法。

针对问题一的第一个子问题，首先假设交巡警服务平台对某个路口节点的覆盖度是二元的，引入决策变量，建立了0-1整数规划模型。交巡警出警应体现时间的紧迫性，所以选择平均每个突发事件的出警时间最短作为目标函数，运用基于MATLAB的模拟退火算法进行求解，给出了中心城区A的20个服务平台的管辖范围，求得平均每个案件的出警时间为1.013分钟。

针对问题一的第二个子问题，为了实现对中心城区A的13个交通要道的快速全封锁，以最短的封锁时间为目标，建立了0-1整数规划模型，利用lingo软件编程求解，给出了该区交巡警服务平台警力合理的调度方案，并求得对13个交通要道实现全封锁最短需要8.02分钟。

问题一的第三个子问题是交巡警服务平台的选址问题。考虑到建设新的服务平台需要投入更多的成本和警务资源，还需平衡各个服务平台的工作量。因此，以增加最少的服务平台数和服务平台工作量方差最小为目标，采用集合覆盖理论，建立了双目标0-1整数规划模型，用基于MATLAB的模拟退火算法求解出增加的服务平台数为4个，新增的服务平台具体位置为A28,A40,A48,A88 ，并得到各个服务平台的工作强度方差为2.28。

针对问题二的第一个子问题，通过建立线性加权评价模型定量评价了该市现有交巡警服务平台设置方案的合理性，结果发现全市服务平台覆盖率较低且各个区的工作量不均衡，得出全市服务平台的布局存在明显的不合理的结论。并确定各区域人口密度、各区域公路总长度以及各区域平均每天总的发案率为各区域对交巡警需求的指标，然后根据各个区对服务平台需求量的不同，提出了较为合理的分配全市警力资源的解决方案。

对于问题二的第二个子问题，以围堵范围最小和调动警力最少的原则，通过分析案发后嫌疑犯可能到达的位置，给出了围堵方案。

关键词：交巡警服务平台 0-1整数规划 模拟退火法

2 一、问题重述

“有困难找警察”，是家喻户晓的一句流行语。警察肩负着刑事执法、治安管理、交通管理、服务群众四大职能。为了更有效地贯彻实施这些职能，需要在市区的一些交通要道和重要部位设置交巡警服务平台。每个交巡警服务平台的职能和警力配备基本相同。由于警务资源是有限的，如何根据城市的实际情况与需求合理地设置交巡警服务平台、分配各平台的管辖范围、调度警务资源是警务部门面临的一个实际课题。

试就某市设置交巡警服务平台的相关情况，建立数学模型分析研究下面的问题：

（1）附件1中的附图1给出了该市中心城区A的交通网络和现有的20个交巡警服务平台的设置情况示意图，相关的数据信息见附件2。请为各交巡警服务平台分配管辖范围，使其在所管辖的范围内出现突发事件时，尽量能在3分钟内有交巡警（警车的时速为60km/h）到达事发地。

对于重大突发事件，需要调度全区20个交巡警服务平台的警力资源，对进出该区的13条交通要道实现快速全封锁。实际中一个平台的警力最多封锁一个路口，请给出该区交巡警服务平台警力合理的调度方案。

根据现有交巡警服务平台的工作量不均衡和有些地方出警时间过长的实际情况，拟在该区内再增加2至5个平台，请确定需要增加平台的具体个数和位置。

（2）针对全市（主城六区A，B，C，D，E，F）的具体情况，按照设置交巡警服务平台的原则和任务，分析研究该市现有交巡警服务平台设置方案（参见附件）的合理性。如果有明显不合理，请给出解决方案。

如果该市地点P（第32个节点）处发生了重大刑事案件，在案发3分钟后接到报警，犯罪嫌疑人已驾车逃跑。为了快速搜捕嫌疑犯，请给出调度全市交巡警服务平台警力资源的最佳围堵方案。

二、模型假设

（1）每个交巡警服务平台的职能和警力配备基本相同；

（2）警车的行驶速度恒定，不考虑实际交通状况的影响；

（3）交巡警服务平台接到报警后能立即出警，中间没有延误；

（4）每个节点只能被一个服务平台管辖；

（5）一个平台的警力最多封锁一个路口。

3 三、符号说明

ijx 服务平台iA管辖第j个路口节点的决策变量；

ijt 在中心城区A中，从第i个服务平台到第j个交叉路口节点的最短时间；

jw 中心城区A的第j个交叉路口节点的发案率；

1T 在中心城区A内平均每个案件的出警时间；

2T 在中心城区A内封锁13个出入城区的路口节点的最短时间；

J 中心城区A的13个出入城区的路口节点标号的集合；

iq 第i个服务平台的工作强度；

k 第k区分配的服务平台资源比率。

四、问题分析

在城市规划中，交巡警服务平台的布局是一项非常重要的内容。长期以来，由于种种原因，目前的城市建设大多对警务资源的规划缺乏科学性。交巡警服务平台的选址、管辖区域的划分多依据经验进行，大多数城市均不同程度地存在服务平台布局不合理、管辖范围分配不均、警务资源调度困难等问题。另外，警务资源常常是有限的，设置交巡警服务平台也需要大量成本。所以更有效地分配和调度警务资源对于城市的长治久安有着重要的意义。本文着力解决的是合理地确定交巡警服务平台的数量及其位置，合理分配各平台的管辖范围以及当重大突发事件发生时快速有效地调度警务资源这三方面的问题。

（1）对于问题一：

在问题一中又有三个子问题需要解决。

第一是要对中心城区A的20个现有交巡警服务平台分配管辖范围。首先假设每个交叉路口节点要么被其中一个服务平台完全管辖，要么被完全不管辖，即覆盖度是二元的，所以考虑到用0-1整数规划模型。要使得案发后的损失减低到最小，就要求警方在接到报警后能在最短的时间内到达事故现场。这样就确定了平均每个突发事件警方出警时间的目标函数。

第二是当重大突发事件发生后，要对中心城区A的20个交巡警服务平台的警力资源进行调度，从而对进出该区的13条交通要道实现快速全封锁。同样考虑使用0-1整数规划模型。因为要求对交通要道实现全封锁，所以问题的关键是合理调度警务资源使得封锁全部要道所需的总时间达到最小，也就是使得出警时间最长的服务平台所需的时间尽可能的小。

第三是针对现有的中心城区A的20个交巡警服务平台进行分析后，需要新增加2~5个服务平台以解决工作量不平衡和部分路口节点出警时间过长的问题。这属于交巡警服务平台选址问题。一方面考虑采用集合覆盖模型[1]，目的是在满足所有节点3分钟内都有警方到达的条件下，使新增设的服务平台数目尽可能得小，从而降低了建设成本。另一方面也要考虑新增设服务平台后，能够解决服务平台工作量不平衡的问题，所以把尽可能均衡各个服务平台工作量作为第二个目标 。因此考虑需要建立一个两目标的0-1整数规划模型。

（2）对于问题二：

问题二中有两个问题需要解决，一是根据已有的数据，评价全市六个区内现有的交巡警服务平台的数目和布局的合理性，如果不合理就给出解决方案；二是当该市P处发生重大刑事案件时，调度全市警力资源设计出最佳的围堵方案。

4 对于第一个小问题，要先按照设置交巡警服务平台的原则和任务，对全市的交巡警服务平台的数目和布局讨论其合理性。交巡警服务平台的选址应遵循尽量使每个交巡警服务平台的工作量基本均衡和每个节点突发事件发生时在3分钟内有警力到达的原则。所以选用各个服务平台平均每天的工作强度（平均每天处理的突发事件数）的方差和服务平台的覆盖率（区域内3分钟内有警方到达事发地的节点占区域内总结点的比率）为指标来进行评价。

如果在全市范围内现有交巡警服务平台设置方案存在明显的不合理性，那么可能存在如下两种原因：第一，该市分配给各个区的交巡警服务平台比率不合理；第二，各个区内的交巡警服务平台选址方案不合理。对于第二种原因，在第一问第三个子问题中对A区交巡警服务平台设置方案已经做过详细讨论，可推广到其他几个区中。现在设法解决由第一种原因引起不合理性的问题。据此，我们提出了依据各区域人口密度、各区域公路总长度以及各区域平均每天总的发案率为三个评判指标，在全市范围内重新分配警力资源，也就是重新分配每个区服务平台数量的解决方案。

对于第二个小问题，首先分析出，在案发后的3分钟内，警方还未接到报警，即使嫌疑人开车驶过服务平台，警方不能识别出嫌疑人；而3分钟后警方已接到报警，设此时警方掌握了足够证据，故可以假设3分钟后只要警方与嫌疑人相遇就能够将其抓获。警方在接到报警后，根据嫌疑人可能逃跑的路径，可以估计出嫌疑人逃跑的大致范围，所以问题就转化为，投入最少的警力以最快的速度形成包围圈，并确保嫌疑犯在这段时间内无法跑出包围圈，即可认为围堵方案成功。

五、模型的建立

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2021高教社杯全国大学生数学建模竞赛B题参考答案

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交巡警服务平台的设置与调度优化分析

摘 要

本文以实现警察的刑事执法、治安管理、交通管理、服务群众四大职能为宗旨，利用有限的警务资源，根据城市的实际情况与需求合理地设置了交巡警服务平台、分配各平台的管辖范围及调度警务资源。并分别对题目的各问，作了合理的解答。

问题一： （1）、根据题目所给数据，确定各节点之间的相邻关系和距离，利用Floyd算法及matlab编程求出两点之间的最短距离，使其尽量满足能在3分钟内有交巡警平台警力到达案发结点的原则，节点去选择平台，把节点分配给离节点距离最近的平台管辖，据此，我们得到了平台的管辖区域划分。

（2）、我们对进出该区的13条交通要道实现快速全封锁的问题，我们认定在所有调度方案中，某种方案中耗时最长的的围堵时间最短即最佳方案，利用0-1变量确定平台的去向，并利用线性规划知识来求解指派问题，求得了最优的调度方案。

（3）、在确定增添平台的个数和具体位置的问题中，我们将尽量保证每个节点都有一个平台可以在三分钟内到达作为主要原则来求解。我们先找出到达每个平台的时间都超过三分钟的节点，并尝试在这些节点中选取若干个作为新的平台，求出合理的添加方案。

问题二： （1）、按照设置交巡警服务平台的原则和任务，分析现有的服务平台的设置是否合理，我们以各区覆盖率作为服务平台分布合不合理的评价标准，得到C、D、E、F区域平台设置不合理。并尝试一些新的设置方案使得设置更为合理，最后以覆盖率最低的E区为例，使用一种修改方案得到一个比原方案更合理的交巡警服务平台的设置方案。

（2）、追捕问题要求在最快的时间内抓到围堵罪犯，在罪犯和警察的行动速度一致的前提假设下，我们先设定一个具体较小的时间，编写程序检验在这个时间内是否可以成功抓捕罪犯，不行则以微小时间间隔增加时间，当第一次成功围堵时，这个时间即为最佳围堵方案。

2011年数学建模竞赛B题参考答案(只做了一半)

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2011高教社杯全国大学生数学建模竞赛题目

（请先阅读“全国大学生数学建模竞赛论文格式规范”）

A题 城市表层土壤重金属污染分析

随着城市经济的快速发展和城市人口的不断增加，人类活动对城市环境质量的影响日显突出。对城市土壤地质环境异常的查证，以及如何应用查证获得的海量数据资料开展城市环境质量评价，研究人类活动影响下城市地质环境的演变模式，日益成为人们关注的焦点。

按照功能划分，城区一般可分为生活区、工业区、山区、主干道路区及公园绿地区等，分别记为1类区、2类区、……、5类区，不同的区域环境受人类活动影响的程度不同。

现对某城市城区土壤地质环境进行调查。为此，将所考察的城区划分为间距1公里左右的网格子区域，按照每平方公里1个采样点对表层土（0~10 厘米深度）进行取样、编号，并用GPS记录采样点的位置。应用专门仪器测试分析，获得了每个样本所含的多种化学元素的浓度数据。另一方面，按照2公里的间距在那些远离人群及工业活动的自然区取样，将其作为该城区表层土壤中元素的背景值。

附件1列出了采样点的位置、海拔高度及其所属功能区等信息，附件2列出了8种主要重金属元素在采样点处的浓度，附件3列出了8种主要重金属元素的背景值。

现要求你们通过数学建模来完成以下任务：

(1) 给出8种主要重金属元素在该城区的空间分布，并分析该城区内不同区域重金属的污染程度。

(2) 通过数据分析，说明重金属污染的主要原因。

(3) 分析重金属污染物的传播特征，由此建立模型，确定污染源的位置。

(4) 分析你所建立模型的优缺点，为更好地研究城市地质环境的演变模式，还应收集什么信息？有了这些信息，如何建立模型解决问题？

2

题 目 A题 城市表层土壤重金属污染分析

摘 要：

本文研究的是某城区警车配置及巡逻方案的制定问题，建立了求解警车巡逻方案的模型，并在满足D1的条件下给出了巡逻效果最好的方案。

在设计整个区域配置最少巡逻车辆时，本文设计了算法1：先将道路离散化成近似均匀分布的节点，相邻两个节点之间的距离约等于一分钟巡逻路程。由警车的数目m,将全区划分成m个均匀的分区，从每个分区的中心点出发，找到最近的道路节点，作为警车的初始位置，由Floyd算法算出每辆警车3分钟或2分钟行驶路程范围内的节点。考虑区域调整的概率大小和方向不同会影响调整结果，本文利用模拟退火算法构造出迁移几率函数，用迁移方向函数决定分区的调整方向。计算能满足D1的最小车辆数，即为该区应该配置的最小警车数目，用MATLAB计算，得到局部最优解为13辆。

2011年数学建模B题答案

2011年数学建模B题答案

load B1.txt %巡警站点号、横坐标、纵坐标（前三列）

load B2.txt %起始点，末端位置号（两列）

hzb=B1(:,2);%横坐标

zzb=B1(:,3);%纵坐标

start=B2(:,1);%起始位置

fina=B2(:,2);%末端位置

n=length(hzb);%坐标个数

m=length(start);%起始点个数：含重复

a=ones(n,n);%n阶矩阵

b=10000.*a;%b为矩阵a的值乘上10000

for i=1:m %每个始点出去

x=start(i);

y=fina(i);

if y<=92

s=((hzb(x)-hzb(y))^2+(zzb(x)-zzb(y))^2)^0.5;

b(x,y)=s;

b(y,x)=s;%双向图距离

end

end

path=zeros(n,20);%终点前一个路劲节点

distance=b(:,1:20);%二十个站到其他点的最短距离

u=0;

mindis=10000;%最短距离初始为10000

flag=1;

s=zeros(n,1);

for i=1:20

s=0.*s;%每次清零

flag=1;%bool型标量

for j=1:n

if distance(j,i)<10000

path(j,i)=i;%若满足，就往下走

end

end

s(i)=1;

for j=1:n

% if flag==1

mindis=10000;

for k=1:n

if s(k)==0 & distance(k,i)

u=k;

2012全国数学建模b题参考答案

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太阳能设计的小屋方案

摘 要

太阳能电池板方阵安装角度怎样计算 由于太阳能发电系统的成本还是较高的，从我国现阶段的太阳能发电成本来看，其花费在太阳电池组件的费用大约为60～70％，因此，为了更加充分有效地利用太阳能，如何选取太阳电池方阵的方位角与倾斜角是一个十分重要的问题。

1.方位角

太阳电池方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度）。一般情况下，方阵朝向正南（即方阵垂直面与正南的夹角为0°）时，太阳电池在设计太阳能小屋时，需在建筑物外表面（屋顶及外墙）铺设光伏电池，光伏电池组件所产生的直流电需要经过逆变器转换成220V交流电才能供家庭使用，并将剩余电量输入电网。不同种类的光伏电池每峰瓦的价格差别很大，且每峰瓦的实际发电效率或发电量还受诸多因素的影响，如太阳辐射强度、光线入射角、环境、建筑物所处的地理纬度、地区的气候与气象条件、安装部位及方式（贴附或架空）等。因此，在太阳能小屋的设计中，研究光伏电池在小屋外表面的优化铺设是很重要的问题。为了躲避太阳阴影时的方位角，以及布置规划、发电效率、设计规划、建设目的等许多因素都有关系。 如果要将方位角调整到在一天中负荷的峰值时刻与发电峰值时刻一致时，请参考下述的公式。至于并网发电的场合，希望综合考虑以上各方面的情况来选定方位角。 方位角 ＝（一天中负荷的峰值时刻（24小时制）－12）×15＋（经度－116） 10月9日北京的太阳电池方阵处于不同方位角时，日射量与时间推移的关系曲线。在不同的季节，各个方位的日射量峰值产生时刻是不一样的。

2.倾斜角

倾斜角是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角，并希望此夹角是方阵一年中发电量为最大时的最佳倾斜角度。 一年中的最佳倾斜角与当地的地理纬度有关，当纬度较高时，相应的倾斜角也大。但是，和方位角一样，在设计中也要考虑到屋顶的倾斜角及积雪滑落的倾斜角（斜率大于50％-60％）等方面的限制条件。对于积雪滑落的倾斜角，即使在积雪期发电量少而年总发电量也存在增加的情况，因此，特别是在并网发电的系统中，并不一定优先考虑积雪的滑落，此外，还要进一步考虑其它因素。 对于正南（方位角为0°度），倾斜角从水平（倾斜角为0°度）开始逐渐向最佳的倾斜角过渡时，其日射量不断增加直到最大值，然后再增加倾斜角其日射量不断减少。其实很简单，如果每家每户都安装上光伏发电，那么一个家庭他得光伏发电系统就会有2个作用，一是每户的光伏得到的电供自己家庭使用，那么每个家庭就会有一个蓄电池，尔如果当天气好，太阳照射很充足，它产生多余的电量就会通过国家电网，传回给国家电网，国家会根据价格返还你补助，就是并网光伏系统，对于具体设计某一个方阵的方位角和倾斜角还应综合地进一步同实际情况结合起来考虑。