多目標規划


多目標規划問題特點:

  1. 多個優化目標

  2. 約束條件有回旋

給出幾個實際的例子:

  例如要購置一台手提電腦,你想要 1. 內存盡可能大 2. 運行速度盡可能快  3. 重量盡可能輕  4. 體積盡可能小  5. 清晰度要高  6. 性價比要盡可能高  … 這些東西就是目標。

  而像:1. 希望價格在5千以內  2. 希望外觀比較漂亮  3. 比較堅固  4. 性能要穩定可靠 .....就是一些模糊的約束條件。

  又例如,去浙大參加研究生復試,應該怎么走?這就是一個交通工具的選擇問題。

  每個人都有自己的走法,而 1. 一個小時左右能夠到  2. 單程費用不要超過20元  3. 最好車上有坐位  4. 步行路程不要超過1000米 .....之類的約束條件就是很多的目標。

 

目標形式:

  

約束形式:

  

注意:是盡可能滿足而不是非要滿足!

 

 

為了協調多種目標,一般存在兩種情況:

  1. 同級的多個目標處理

  ①所有目標函數統一成max形式(或統一成min形式) 

  ②總目標為一個加權求和形

 

  決策者根據實際情況為每個子目標指定權重𝒘𝟏,𝒘𝟐,… ,𝒘𝒌,其中𝒘𝒊/𝒘𝒋為第𝒊個目標關於第𝒋個目標的相對重要性

 

  那么根據目標形式,得出對應的總目標為:

  

  於是我們就可以把多目標規划問題轉化為一般的單目標模型:

  

  例題:某廠計划在下一個生產周期內生產A,B兩種產品,每種產品的單位利潤分別為10和18(單位:萬元),資源消耗和限制數量如下表,求總利潤最大的生產方案。

  

  解:設生產A,B,C分別為𝒙𝟏, 𝒙𝟐, 𝒙𝟑個單位,數學模型為:

  

  這是一個單目標問題,解得x1=50/7,x2=200/7,最優目標函數值z=4100/7萬元。

  但是如果考慮到第一種資源面臨漲價預期,希望盡可能清空庫存利於快速補充,故考慮本期利潤最大化的同時必須為下一個周期做好准備,從而增加新目標函數:

  ,進而就被轉化為了一個多目標問題。

  

  如果目標一比目標二更重要,根據需求設定目標一相比目標二的重要性是2:1,則2個目標可以統一為:

  

 

  這樣,多目標問題就被化為常規的單目標線性規問題了。

  

  解得x1=550/23,x2=580/23,最優解z≈1556.087。

  注意:目標函數的值要無量綱化

  如果𝒛𝟏的變化范圍為[minz1,maxz1],𝒛𝟐的變化范圍為[minz2,maxz2],則原目標可以做如下無量綱化處理:

  

  其他無量綱化處理方法:直線型、折線型、曲線型無量綱方法。

 

   2. 不同級的目標問題

   首先要保證目標的主要(𝑷𝟏級)目標,再考慮𝑷𝟐級目標。𝑷𝒊級目標的重要性高於𝑷𝒊+𝟏級的目標的重要性。

    

  絕對約束(也稱為系統約束):必須遵循的約束條件,如產品的產量必須為非負等等。

  目標約束:允許帶偏差的約束。

  常規數學規划模型中的約束是絕對約束。

  設 𝒇𝒊(𝒊 = 𝟏, 𝟐, ⋯ ,𝒍 )為第𝒊個目標函數,它的正偏差變量:,,表示決策值超過目標值的部分

  負偏差變量:,表示決策值未達到目標值的部分這里表示𝒇𝒊的目標值。

  因決策值不可能既超過目標值同時又未達到目標值,即恆有𝒅𝒊+ × 𝒅𝒊− = 𝟎。

  例如,希望𝟑𝒙 + 𝟒𝒚大約等於100。

  可寫成目標約束形式

  如果希望𝟑𝒙 + 𝟒𝒚不超過100,則需要控制正偏差變量,如果希望𝟑𝒙 + 𝟒𝒚至少達到100則需要控制負偏差變量,如果希望𝟑𝒙 + 𝟒𝒚正好等於100,則需要同時控制正負兩個偏差變量。

  這種用總偏差量最小化形式表示的目標函數稱為達成函數(正負偏差的控制通過目標函數來實現)

  目標規划形式:

  

 

  例題:某廠生產A,B, C三種產品,每種產品的單位利潤分別為12,18和15(單位萬元),資源消耗和市場需求量如下表:

  

  P1級目標: 達到利潤指標利潤6000萬;

  P2級目標: 盡量用完第一種資源的庫存,不夠可以適當外購議價資源;

  P3級目標: 盡量不加班,如果需要加班則加班時間不要超過100小時。

  達成函數(目標函數):

  

  設生產A,B,C分別為𝒙𝟏, 𝒙𝟐, 𝒙𝟑個單位,約束條件

  

  先求解P1級目標問題:

  則目標函數為,並根據最初的約束條件求解。

  記求得的最優解為𝒛𝟏 = 𝒄𝟏。 

  然后將𝒛𝟏 = 𝒄𝟏為約束條件(絕對約束)添加到原目標規划的約束中,求解𝑷𝟐級目標問題:

  

  對於解P3級規划問題也是同理。

  最后一個單目標規划的規划的求解結果即為目標規划的滿意解。

  注意:在目標規划中不提最優解的概念,只提滿意解的概念(因為不可能所有的目標都達到最優),即尋求能夠照顧到各個目標,並使決策者感到滿意的解,由決策者來確定選取哪一個解,但滿意解的數目太多而難以將其一一求出。

 


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