2010数模油管问题

摘要本文属于输油管布置最优化问题，建立了数形结合的方法，建立铺设管道费用最省的最优化模型。

问题一建立直角坐标系，利用线性规划知识建立了通用的一般模型：建立直角坐标系设A ()11,y x 、B ()22,y x 两点为炼油厂位置，设一点O ()y x ,，两炼油厂在此点（42)433(212222--+---+--k xky k x ky y x bb bb a b ，42212121---+kx k y y b a b ）时，铺设共用管道费用最省，用Maple 软件编程求解此点。

问题二进一步加深模型难度，引入城镇与郊区不同情形以及城镇中拆迁附加费用，模型运用lingo 软件进行求解，得出了管线铺设费用最省的最优值280.332万元；问题三将铺设A 、B 、共用管道费用一一列出，拆迁附加费用同上，并且数值赋予此模型，依问题二模型求得铺设管道费用最省时的费用250.012万元 。

关键词： 数形结合 、直角坐标系 、Maple 软件 、 最优化模型一、问题重述某油田计划在铁路线一侧建造两家炼油厂，同时在铁路线上增建一个车站，用来运送成品油。

论文在问题一中阐述了针对两炼油厂到铁路线距离和两炼油厂间距离的各种不同情形，设计不同方案，列出了若有共用管道时，共用管道与非共用管道费用差异带来的不同情况；论文在问题二中阐述了一更为复杂的情形进行具体的设计方案，两炼油厂的具体位置在已知图上已经给出，其中A厂位于郊区（图中的I区域），B厂位于城区（图中的II区域），所有管线的铺设费用均为每千米7.2万元，而且题基础上扩展，要求给出管线布置方案及建立最省的相应费用模型；论文在问题三中阐述了更实际的问题，为进一步节省费用，可以根据炼油厂的生产能力，选用相适应的油管。

这时的管线铺设费用将分别降为输送A厂成品油的每千米5.6万元，输送B厂成品油的每千米6.0万元，共用管线费用为每千米7.2万元。

问题讨论的更加符合实际，要求建立的模型更贴近现实。

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）： C 我们的参赛报名号为（如果赛区设置报名号的话）： C2904 所属学校（请填写完整的全名）：泉州理工职业学院参赛队员 (打印并签名) ：1. 乐美芳2. 高陈冲3. 沈标安指导教师或指导教师组负责人 (打印并签名)：刘秀梅日期： 2010 年 9 月 12 日赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：编号专用页赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：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）：输油管的布置摘要论文对输油管建设的布置进行了研究,力求以最短距离敷设管线,使管线建设费用最小.运用线性规划中常用的图解法与单纯形法来解决管线布置方案及相应费用的目标规划.用MATLAB计算出具体数值,从而确定出最优的方案.针对问题一所要求的设计方案，根据两点之间线段最短以及中垂线定理，借助图解法求出设计的方案.针对问题二所要设计的管线布置方案及相应的费用，借助图解法来求解出满足问题二条件的最优方案是车站必须建在CD两点之间使得相应的费用最省,具体位置在C点右边 4.902千米处.用解决问题二的方法来求解出问题三所要解答的问题是车站必须建在CD两点之间,具体位置在C点右边7.0213千米处.通过对此问题的解决,用同样的方法来解决排水管的布置.天然气的运输有着现实可行的意义.可以把此问题推广开来.【关键词】中垂线定理图解法优化设计 MATLAB一 问题重述某油田计划在铁路线一侧建造两家炼油厂,同时在铁路线上增建一个车站,用来运送成品油.由于这种模式具有一定的普遍性,油田设计院希望建立管线建设费用最省的一般数学模型与方法.1. 针对两炼油厂到铁路线距离和两炼油厂间距离的各种不同情形,提出你的设计方案.在方案设计时,若有共用管线,应考虑共用管线费用与非共用管线费用相同或不同的情形.2. 设计院目前需对一更为复杂的情形进行具体的设计.两炼油厂的具体位置由附图所示,其中A 厂位于郊区（图中的I 区域）, B 厂位于城区（图中的II 区域）,两个区域的分界线用图中的虚线表示.图中各字母表示的距离（单位:千米）分别为5a =, b =8, 15c =, 20l =.若所有管线的铺设费用均为每千米7.2万元. 铺设在城区的管线还需增加拆迁和工程补偿等附加费用,为对此项附加费用进行估计,聘请三家工程咨询公司（其中公司一具有甲级资质,公司二和公司三具有乙级资质）进行了估算.估算结果如下表所示: 3. 在该实际问题中,为进一步节省费用,可以根据炼油厂的生产能力,选用相适应的油管.这时的管线铺设费用将分别降为输送A 厂成品油的每千米5.6万元,输送B 厂成品油的每千米6.0万元,共用管线费用为每千米7.2万元,拆迁等附加费用同上.请给出管线最佳布置方案及相应的费用.二 符号假设i : A 厂到车站的距离,单位:千米;j : A 厂到共用管线起点的距离,单位:千米;O : 是 A 、B 两厂的中点;工程咨询公司 公司一 公司二 公司三附加费用（万元/千米） 21 24 201h : O 点到共用管线起点的距离,单位:千米;2h : 共用管线起点到车站的距离,单位:千米;x : 车站与分界线的距离,单位:千米;1z : 每千米A 、B 两厂单独铺设输油管到车站的费用,单位:万元;2z : 每千米A 、B 两厂用共用管道铺设到车站的费用,单位:万元;m : A 、B 两厂之间距离的一半,单位:千米;y : A 、B 两厂共用管线的距离,单位:千米;W : A 、B 两产共用管线的总费用,单位:万元;u f: 输送A 厂成品油每千米的费用,单位:万元; v f: 输送B 厂成品油每千米的费用,单位:万元; uv f: 输送A 、B 两厂共用管线的费用,单位:万元; iC : 第i 个工程咨询公司评估出来每千米的费用,单位:万元, 1,2,3i ; 三 模型假设1.两炼油厂建在安全的距离范围之内,如果其中一个厂爆炸的话并不会影响到另一个厂.2. A 、B 两炼油厂铺设管道之前所花的代价忽略不计.3.在建立模型时把炼油厂和车站都看作一个点4.铺设管道的过程中,铺设管道的方向不受任何因素的影响5.铺设管道的水平高度都一样三 问题的分析问题一:针对两炼油厂到铁路线距离和两炼油厂间距离的各种不同情形再加上若有共用管线,应考虑共用管线费用与非共用管线费用相同或不同的情形.根据两点之间线段最短的原理来分析出其中的一种情况是A 、B 两厂垂直于铁路,垂足为车站,这是一种最理想最优的方案,然而现实生活中很难存在这样的情况.所以应该认为所有点都为动点,根据中垂线定理来解决出这个问题的一般情况.问题二:如果车站建立在D 点的右边,在城市建车站所需的附加费用比车站建在C 点与D 点的费用多.如果车站建在C 点的左边,增加两厂离车站的距离,会增大铺设管道的费用且比建在C点与D点的费用多,最合理的方式就是把车站建在CD之间.因为涉及到拆迁和工程补偿等附加费用,为对此项附加费用进行估计,聘请三家工程咨询公司进行了估算.为了在铺设管道后的几十年管道不出问题，应采取有优势的公司来对在铺设管线还需拆迁和工程补偿等的附加费用的估算,在这三家公司由于公司一的资质为甲级,所以选择公司一估算的21万元.再通过各种几何关系及角度的大小,来得出各个量之间的关系.利用MATLAB 来求出具体的数值,得出最优方案及相应的费用.问题三:同问题二的分析,在该实际问题中,为进一步节省费用,根据炼油厂不同的生产能力,就会有A 、B 两厂不同的运输费用. 最合理的方式就是把车站建在CD 之间.因为涉及到拆迁和工程补偿等附加费用,为对此项附加费用进行估计,聘请三家工程咨询公司进行了估算.为了在铺设管道后的几十年管道不出问题，应采取有优势的公司来对铺设管线还需拆迁和工程补偿等的附加费用的估算,在这三家公司由于公司一的资质为甲级,所以选择公司一估算的21万元.再通过各种几何关系及角度的大小,来得出各个量之间的关系.利用MATLAB 来求出具体的数值,得出最优方案及相应的费用.五 模型的建立（一） 问题一:根据垂直平分线的定理,任取两点分别作为A 厂和B 厂.作A 、B 两点中点的垂直平分线交铁路于G 点, G 点即为铁路线上的车站.如要用到共用管线,那么共用管线的起点必在这条垂直平分线上.但也同样存在A 、B 都垂直于铁路相交与G 点.1 方案一(如图一所示):图一1) 当共用管线费用相同，即12z z 时,两厂单独铺设输油管到车站的费用为:()()112i i j z i j z +-=-⎡⎤⎣⎦ ①其中：1z ，表示每千米A 、B 两厂单独铺设输油管到车站的费用2z ，表示每千米A 、B 两厂用共用管道铺设到车站的费用两厂用共用管道铺设到车站的费用为:()121jz i j z iz +-= ②由①-②得,()10i j z ->因此采用铺设共用管道的方案所需的费用更省,所以选用铺设共用管道的方案.2) 当共用管道费用不相同，即12z z ≠时,两厂单独铺设输油管到车站的费用为:()()122i i j z i j z +-=-⎡⎤⎣⎦ ③两厂用共用管道铺设到车站的费用为:()12jz i j z +- ④当③-④≥0时,解得212z z ≤因此当212z z ≤时,采用有铺设共用管道的方案.反之采用单用铺设管道的方案.2 方案二(如图二所示):图二1）当共用管线费用相同,即12z z =时，两厂单独铺设输油管到车站的费用为:12iz ⑤两厂用共用管道铺设到车站的费用为:()1222122jz h z j h z +=+ ⑥ 其中：1z ，表示每千米A 、B 两厂单独铺设输油管到车站的费用2z ，表示每千米A 、B 两厂用共用管道铺设到车站的费用若⑤-⑥0≥,则两厂单独铺设输油管到车站的费用比较多,所以采用有铺设共用管道的方案所需的费用更省.若⑤-⑥0<,则两厂用共用管道铺设到车站的费用比较多,所以采用单独铺设输油管的方案所需的费用更省2) 当共用管道费用不相同，即12z z ≠时,两厂单独铺设输油管到车站的费用为:12iz ⑦两厂用共用管道铺设到车站的费用为:1222jz h z + ⑧若⑦-⑧0≥,则两厂单独铺设输油管到车站的费用比较多,所以采用有铺设共用管道的方案所需的费用更省.若⑦-⑧0<,则两厂用共用管道铺设到车站的费用比较多,所以采用单独铺设输油管的方案所需的费用更省.（二）问题二:由第二个问题中所给的图形再根据根据两点之间线段最短的原理可得下图（根据两点之间线段最短的原理图中A 厂和B 厂的共用管线垂直于铁路线,垂足为车站的所在点）,如图三所示：图三为了使附加费用最省,所以在城区的范围内作B 厂垂直于分界线的线段,垂足为F .共用管道的长度不能高于B 厂到车站的距离. 建立如下模型: EF F F u v v i uv f f f C f y AE ++B +B + ⑨ 其中：W 表示A 、B 两产共用管线的总费用u f表示输送A 厂成品油每千米的费用; v f表示输送B 厂成品油每千米的费用;uvf 表示输送A 、B 两厂共用管线的费用; iC 第i 个工程咨询公司评估出来每千米的费用，1,2,3i =；（三）问题三如图四所示:图四建立如下模型:W F F F u v v i uv f f f C f y =AE +E +B +B + ⑩其中：W 表示A 、B 两产共用管线的总费用u f表示输送A 厂成品油每千米的费用; v f 表示输送B 厂成品油每千米的费用;uvf 表示输送A 、B 两厂共用管线的费用; iC 第i 个工程咨询公司评估出来每千米的费用，1,2,3i =；六 模型的求解利用上面的分析,根据各个管道不同的费用来解决出具体的数值.由问题二的已知条件可以确定出x 的取值范围在0到15之间,y 的的取值范围在0到8之间.为对此项附加费用进行估计,聘请三家工程咨询公司进行了估算.由于公司一的资质为甲级,所以选择公司一估算的21万元.1、对问题二进行求解用MATLAB 进行曲线拟合（见附录程序一）得如图五所示图五把已知的数据代入上述模型，从而得到以下模型:W 5*7.25*217.2y =+++约束条件015.08x s t y ≤≤⎧⎨≤≤⎩利用MATLAB 软件进行编程（见附录程序四），求得，当x =10.098(千米). y =2.16989(千米)时,即把车站建在C 点右边4.902千米处铺设管道的总费用最省,此时的总费用为281.3307(万元).2 对问题三进行求解用MATLAB 进行曲线拟合（见附录程序三）得如图六所示图六把已知的数据代入上述模型，从而得到以下模型:W 5*65*217.2y =+++约束条件为015..08x s t y ≤≤⎧⎨≤≤⎩利用MATLAB 软件进行编程（见附录程序四），求得当x =7.9787(千米). y =0.3303(千米), 即把车站建在C 点右边7.0213千米处铺设管道总费用最省,此时总费用为250.8742(万元).七. 模型的评价和推广模型很好的描述出了两炼油厂管线到车站的路径是变化的，在铺设的过程中可分为有共用管线与无共用管线，不同的铺设方案能够较为准确的预算出总费用,并且可以算出具体的费用.对铺设管线的不同方式有较好的指导作用.能尽可能的把铺设管线的费用降到最低.模型的不足之处在于很多现实生活中存在的客观因素并没有很全面的考虑在内。

附件1：小椭圆储油罐的实验数据
附件2：实际储油罐的检测数据
2010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”）
B题 2010年上海世博会影响力的定量评估
2010年上海世博会是首次在中国举办的世界博览会。从1851年伦敦的“万国工业博览会”开始，世博会正日益成为各国人民交流历史文化、展示科技成果、体现合作精神、展望未来发展等的重要舞台。请你们选择感兴趣的某个侧面，建立数学模型，利用互联网数据，定量评估2010年上海世博会的影响力。
许多储油罐在使用一段时间后，由于地基变形等原因，使罐体的位置会发生纵向倾斜和横向偏转等变化（以下称为变位），从而导致罐容表发生改变。按照有关规定，需要定期对罐容表进行重新标定。图1是一种典型的储油罐尺寸及形状示意图，其主体为圆柱体，两端为球冠体。图2是其罐体纵向倾斜变位的示意图，图3是罐体横向偏转变位的截面示意图。
（2）对于图1所示的实际储油罐，试建立罐体变位后标定罐容表的数学模型，即罐内储油量与油位高度及变位参数（纵向倾斜角度和横向偏转角度）之间的一般关系。请利用罐体变位后在进/出油过程中的实际检测数据（附件2），根据你们所建立的数学模型确定变位参数，并给出罐体变位后油位高度间隔为10cm的罐容表标定值。进一步利用附件2中的实际检测数据来分析检验你们模型的正确性与方法的可靠性。
请你们用数学建模方法研究解决储油罐的变位识别与罐容表标定的问题。
（1）为了掌握罐体变位后对罐容表的影响，利用如图4的小椭圆型储油罐（两端平头的椭圆柱体），分别对罐体无变位和倾斜角为=4.10的纵向变位两种情况做了实验，实验数据如附件1所示。请建立数学模型研究罐体变位后对罐容表的影响，并给出罐体变位后油位高度间隔为1cm的罐容表标定值。

同上的解法求得方案一最佳。
问题一的解答：
2、当共用管线和非共用管线费用不相同时要考
虑方案二中的各部分管线的总费用并与方案一
中的费用对比，得出最优方案。经过查阅资料
得知某非共用管道5万元/千米；共用管道8万 元/千米；方案一的费用为
C1 5 l 2 (a b 方案二的费用为：) 2
；
2010高教社杯全国大学生数学建模 竞赛 C题 输油管线设计的数学模型
阐述的主要问题
某油田计划在铁路线一侧建造两家炼油厂，同 时在铁路线上增建一个车站，用来运送成品油。 由于这种模式具有一定的普遍性，油田设计院 希望建立管线建设费用最省的模型。
针对这个问题，通过三个小问题 进行解答：
1.针对两炼油厂到铁路线距离和两炼油厂间距离的各种不同情形， 提出设计方案。若有共用管线，考虑其共用管线费用与非共用管 线费用相同或不同的情形。 B 2. 两炼油厂的具体位置其中A厂位于郊区（Ⅰ）， 厂位于城区 Ⅱ （Ⅱ），两个区域有明显的分界线。若所有管线的铺设费用均相 同， 铺设在城区的管线还需增加拆迁和工程补偿等附加费用， 根据三家工程咨询公司对此项附加费用的估计，为设计院给出管 线布置方案及相应的费用。 3. 为进一步节省费用，炼油厂根据生产能力，选用相适应的油管。 这时的管线铺设费用就各不相同，拆迁等附加费用同上。给出管 线最佳布置方案及相应的费用。
，
2 3 l ，解得 C1 C2 3
问题一的解答：
2）同理：当 a b
当 a b 时，解得C1 C 2。当 a
3 10 3 3a 3b l 时， 2 C l 3 3 3
3l
8
b时，解得
C1 C 2。即方案一最佳。
问题二的解答：