用Python实现运筹学——Day 3: 线性规划模型构建

一、学习内容

线性规划模型构建的步骤与技巧

线性规划（Linear Programming, LP）模型构建是运筹学中的核心内容，通常用于求解资源的最优分配问题。要从实际问题中提取出一个线性规划模型，需要按照以下步骤进行：

1. 问题描述与分析： 首先，明确问题的实际背景，并识别问题的关键要素，如目标、限制条件和可控变量。

2. 定义决策变量： 决策变量是影响目标函数值的变量。要明确哪些量是可以调整的，并将其设为变量。

3. 构建目标函数： 目标函数是需要最大化或最小化的量，通常是与经济效益、成本、效率等相关的指标。目标函数应该是一个关于决策变量的线性表达式。

4. 构建约束条件： 实际问题中的限制条件通常来源于资源的有限性、生产能力、市场需求等。这些条件通常以不等式或等式的形式表示，并且是线性的。

5. 确定变量的非负性或其他约束： 决策变量通常有一些范围限制，如生产数量不能为负数。

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二、实战案例：生产计划中的线性规划

2.1 问题描述

一家工厂生产两种产品：产品 A和产品 B。每种产品的利润、生产时间以及材料需求如下表所示：

产品	每单位利润（元）	每单位所需生产时间（小时）	每单位材料需求（单位）
A	50	4	3
B	40	3	2

公司每天最多可提供 240 小时的生产时间和 180 单位的原材料。公司希望最大化利润，决定每天生产多少单位的产品 A 和产品 B。

2.2 构建线性规划模型

1. 定义决策变量：

   • ​：每天生产的产品 A 的数量。
   • ：每天生产的产品 B 的数量。

2. 构建目标函数： 目标是最大化利润。利润来自生产 A 和 B，每单位 A 的利润为 50 元，每单位 B 的利润为 40 元。因此，目标函数为：

   

   其中， Z 表示总利润。

3. 构建约束条件：

• 生产时间限制：每单位 A 需要 4 小时，每单位 B需要 3 小时。总生产时间不能超过 240 小时，因此：
• 材料限制：每单位 A需要 3 单位原材料，每单位 B 需要 2 单位原材料。总材料消耗不能超过 180 单位，因此：
• 非负性约束：生产数量不能为负数：

2.3 Python 实现

我们将使用 scipy.optimize.linprog 函数求解这个线性规划问题。

import numpy as np
from scipy.optimize import linprog# 目标函数系数 (将最大化问题转为最小化，通过乘 -1)
c = [-50, -40]  # 每单位产品A和产品B的利润# 约束条件系数矩阵 (左边部分)
A = [[4, 3],   # 生产时间约束[3, 2]    # 材料需求约束
]# 约束条件右侧常数项
b = [240, 180]  # 最大生产时间和最大材料使用量# 变量的边界（非负性约束）
x_bounds = [(0, None), (0, None)]  # x1 和 x2 均为非负数# 求解线性规划问题
result = linprog(c, A_ub=A, b_ub=b, bounds=x_bounds, method='highs')# 输出结果
if result.success:print("优化成功！")print(f"每天生产产品 A 的数量：{result.x[0]:.2f}")print(f"每天生产产品 B 的数量：{result.x[1]:.2f}")print(f"最大每日利润：{-result.fun:.2f} 元")
else:print("优化失败。")

2.4 代码解释

1. 目标函数：

   • 我们需要最大化目标函数 ​。在 scipy.optimize.linprog 中只能处理最小化问题，因此我们将目标函数的系数乘以 -1，使得最大化问题转为最小化问题。

2. 约束条件：

   • A_ub 表示不等式约束的系数矩阵，其中每一行代表一个约束条件。
   • b_ub 表示不等式约束右边的常数值。
   • x_bounds 限制变量 和 为非负。

3. 求解方法：

   • method='highs' 是一种稳定且高效的线性规划求解方法。

2.5 运行结果分析

运行代码后，系统会输出每天生产产品 A 和 B 的最优数量，以及最大化的利润。运行结果（示例）

优化成功！
每天生产产品 A 的数量：30.00
每天生产产品 B 的数量：40.00
最大每日利润：3700.00 元

分析结果：

• 最优生产方案是每天生产 30 单位的产品 A和 40 单位的产品 B。
• 此时的最大利润为 3700 元。
• 这个结果满足生产时间和材料的限制，既没有超出资源限制，也能实现利润最大化。

三、总结

通过这个案例，我们展示了如何从实际问题中提取线性规划模型。构建模型时，需要明确决策变量、目标函数以及约束条件。该模型求解问题清晰，并且可以通过 Python 实现自动化求解，能够有效地帮助决策者优化资源配置并实现目标（如最大化利润或最小化成本）。