输油管的布置(3)

2010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）： C

我们的参赛报名号为（如果赛区设置报名号的话）： Y3302

所属学校（请填写完整的全名）： 西安科技商贸职业学院

参赛队员 (打印并签名) ：1. 杨文兵

2. 张 瑞

3. 雷前莉

指导教师或指导教师组负责人 (打印并签名)： 董明星

日期：2011年 09月 5 日

赛区评阅编号（由赛区组委会评阅前进行编号）：

2010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）：

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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）：

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输油管的布置

摘要：本文针对输油管的布置问题，建立了输油建设费用最省的优化模型，运用光的传播原理、权重分析法和LINGO软件编程得出了输油管布置的最优方案。

对问题一，在模型建立时，先假设共用管道存在，在此基础上建立直角坐标系，计算共用管线与非共用管线的距离，再根据两炼油厂与铁路之间位置的不同，建立相应模型，确定最优路径模型。在不考虑共用管线价格差异的情况下，只考虑如何设计最短的路线，根据已知条件利用勾股定理可列出最短路径函数；在考虑共用管线价格差异的情况下，则需建立两个未知变量，再带入已知常量，即可解出变量的值。

对问题二，假设共用管道存在，在问题一的基础上，考虑城区管线铺设需要增加拆迁和工程补偿等附加费用，根据光的传播原理建立目标函数得出最优管线布置模型；并根据权重分析法，利用LINGO软件得出三家咨询公司的权重系数，从而确定附加费用为21万元/千米，可得管线铺设最优费用为280.1771万元，城区与郊区的管线交接点离铁路的垂直距离为7.3564千米，共用管线的长度为1.8481千米。

对问题三，在问题二的基础上，进一步考虑输油管线价格不同时输油管线的布置问题，根据炼油厂的生产能力，选用相适应价格的油管，建立最优目标函数可得管线最优铺设费用为249.4422万元，城区与郊区的管线交接点离铁路的垂直距离为7.2659千米，公用管线的长度为0.1327千米。

关键字： 光的传播原理 权重分析法 LINGO

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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。

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。

设计院目前需对一个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加图所示，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a = 5，b = 8，c = 15，l = 20。

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，为了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，公司二和公司三都具有乙级资质）进行了估算。估算结果如下表所示：

请为设计院给出管线布置方案及相应的费用。

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。

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 20 3

二．模型假设

1、假设管道路线均是直线，不考虑其它的地形因素影响；

2、假设管道与铁路接点的费用不给予考虑；

3、假设在拆迁工程施工过程中，不考虑意外事情的影响；

4、假设共用管线的价格如果和非公用管线不一致，则共用管线价格大于任意一条非公用管线价格，小于两条非公用管线价格之和；

5、假设两个工厂在铁路的同一侧；

6、假设郊区和城区的分界线是垂直于铁路的直线；

7、假设A、B两厂和车站W均为质点；

8、假设车站可以建在铁路C、D之间的任意位置

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三． 符号说明

a: 炼油厂A离铁路线的垂直距离；

b: 炼油厂B离铁路线的垂直距离；

c: A厂到城郊分界线的距离；

l：炼油厂 A、B之间的水平距离；

0x：点C到W的距离（问题一）；

1x：动点T到F的距离；

2x：共用管道的长度；

ix：三家工程咨询公司的权重系数，i=3,4,5；

6x：点J到动点O的距离；

y：方案最优的费用；

h ：共用管线的长度（问题一）；

iq：非共用管线的长度（问题一）；

S：管线的总长度最短（问题一）；

P：单位长度共用管线的铺设费用；

iK：单位长度非共用管线的铺设费用；

Z：附加费用

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四． 问题分析

本题根据不同情形建立车站的位置，设计出最优的管线铺设方案，得出最优的铺设费用。

问题一、假设两炼油厂在铁路的同一侧，则需要考虑有没有共用管线这个问题，没有共用管线时，可以直接利用勾股定理计算出最优的管线长度；有共用管线时，则计算共用管线的长度。当共用管线与非共用管线费用相同与不相同时可以通过建立直角坐标系，确立目标函数，计算总的铺设费用，从而得到最优费用。

问题二、根据题目中的要求郊区和城区管线铺设费用相同，而在城区需要拆迁和工程补偿等附加费用，可以通过光的反射原理来考虑最短路径的方法，同时又要求费用最小，因而得出最低费用及对应的铺设线路，对于拆迁和工程补偿等附加费用的估计（权重数参考下表）可以选用权重分析法利用LINGO软件对其做出最优的权重系数。

以总费用最省建立目标函数，确立最省的管线铺设方案。

问题三、根据炼油厂的生产能力，选用相适用的油管，可进一步节省费用，根据问题二的思路，此题改变了管线的铺设费用，不改变附加费用，从而建立目标函数，得出最优的管线铺设费用。

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 20 6

五． 模型建立与求解

5.1问题一的模型建立与求解：

对管线布置的分析

两厂位于铁路的同一侧时,要分有共用管线与没有共用管线两种情况。

a.没有共用管线时找出两厂与铁路交点连线的最优路径模型，如图：

过铁路作A的对称点'A，连接'A，B与铁路交于一点W，该点W即为车站的位置。

最优的管线长度为： 221)(balS

b.有共用管线时，非共用管线与共用管线的最优路径模型。

以铁路为横轴，以A厂垂直于铁路的直线为纵轴，建立直角坐标系，如下图所示：

炼油厂A到车站W的非共用管线长度为：

2201)(haxAOq

炼油厂B到车站W的非共用管线长度为：

2202)()(hbxlBOq

两炼油厂共用管线长度为： 7

WOh

总的管线费用为：

phKqKqy2211

5.2问题二的模型建立与求解：

因为在城区和郊区铁路管线的费用相同，但在城区要增加拆迁和工程补偿等附加费用.

共用管线在郊区，可以把模型看作是一束光从B点发射在分界线处动点F，发生了折射，把郊区问题可以看作是最短路径问题，其城区的附加费用用权重分析法计算，如图所示：

设动点到直线的距离为x1；共用管线的长度为x2；x3,x4,x5分别为三家工程咨询公司的权重系数。

由上数据可以分析得到如下目标函数：

min

s.t

利用LINGO把约束条件代入目标函数计算最优的铺设路线费用：

最优的管线费用:

1771.2802y 万元

5.3问题三的模型建立与求解：

因为在问题三中只改变了非共用管线的费用，公用管线的费用与问题二相同，