谢金星-优化建模与LINGO课件

1、优化建模与LINDO/LINGO软件 LINGO软件的基本使用方法,原书相关信息 谢金星, 薛毅编著, 清华大学出版社, 2005年7月第1版. ,内容提要,LINGO入门 2.在LINGO中使用集合 3. 运算符和函数 4. LINGO的主要菜单命令 5. LINGO命令窗口 6.习题,1. LINGO入门,LINGO入门 2.在LINGO中使用集合 3. 运算符和函数 4. LINGO的主要菜单命令 5. LINGO命令窗口 6.习题,安装文件20M多一点，需要接受安装协议、选择安装目录（缺省C:LINGO9）。,LINGO软件的安装,安装过程: 与LINDO for Windows类似.,安装完成前，在出现的对话框(如图)中选择缺省的建模(即编程)语言，系统推荐的是采用LINGO。安装后可通过“LINGO|Options|File Format”命令修改缺省的建模（即编程）语言。,第一次运行时提示输入授权密码，如图：,LINGO软件的主要特色,两种命令模式,Windows模式： 通过下拉式菜单命令驱动LINGO运行（多数菜单命令有快捷键，常用的菜单命令有快捷按钮），图形界面，使用

2、方便；,命令行 模式：仅在命令窗口(Command Window)下操作，通过输入行命令驱动LINGO运行 。,(这里主要介绍这种模式),从LINDO 到 LINGO,LINGO 9.0功能增强，性能稳定，解答结果可靠。与LINDO相比，LINGO 软件主要具有两大优点:,内置建模语言，允许以简练、直观的方式描述较大规模的优化问题，所需的数据可以以一定格式保存在独立的文件中。,除具有LINDO的全部功能外，还可用于求解非线性规划问题，包括非线性整数规划问题;,在LINGO中使用LINDO模型,LINGO的界面,LINGO软件的主窗口（用户界面），所有其他窗口都在这个窗口之内。,模型窗口（Model Window），用于输入LINGO优化模型（即LINGO程序）。,状态行（最左边显示“Ready”，表示 “准备就绪”）,当前时间,当前光标的位置,LINGO的文件类型,.LG4：LINGO格式的模型文件，保存了模型窗口中所能够看到的所有文本和其他对象及其格式信息； .LNG：文本格式的模型文件，不保存模型中的格式信息（如字体、颜色、嵌入对象等）； .LDT：LINGO数据文件； .LTF：

3、LINGO命令脚本文件； .LGR：LINGO报告文件； .LTX： LINDO格式的模型文件； .MPS：示MPS（数学规划系统）格式的模型文件。,除“LG4”文件外，另外几种格式的文件都是普通的文本文件，可以用任何文本编辑器打开和编辑。,在LINGO中使用LINDO模型, 选择菜单命令“File|Open(F3)”，可以看到 “打开文件”对话框。 （如图）,在LINGO中可以直接使用LINDO语法编写的优化模型（即优化程序）。作为一个最简单的例子，在名为EXAM0201.LTX的模型文件中保存了一个LINDO模型，我们现在看看如何用LINGO把它打开。,在LINGO中使用LINDO模型, 打开“EXAM0201.LTX”文件 （如下图）, 选择“LINGO|Solve （Ctrl+S）”来运行这个程序（运行状态窗口如右图）, 运行程序的LINGO报告窗口（如下图）,在LINGO中使用LINDO模型,注：LINGO不询问是否进行敏感性分析，敏感性分析需要将来通过修改系统选项启动敏感性分析后，再调用“REPORT|RANGE”菜单命令来实现。现在同样可以把模型和结果报告保存在文件中。,

4、运行状态窗口,Variables（变量数量）： 变量总数（Total）、 非线性变量数（Nonlinear）、 整数变量数（Integer）。,Constraints（约束数量）： 约束总数（Total）、 非线性约束个数(Nonlinear)。,Nonzeros（非零系数数量）： 总数（Total）、 非线性项系数个数(Nonlinear)。,Generator Memory Used (K) (内存使用量),Elapsed Runtime (hh:mm:ss)（求解花费的时间）,运行状态窗口,求解器(求解程序)状态框,当前模型的类型 :LP，QP，ILP，IQP，PILP， PIQP，NLP，INLP，PINLP （以I开头表示IP，以PI开头表示PIP）,当前解的状态 : Global Optimum, Local Optimum, Feasible, Infeasible“(不可行), Unbounded“(无界), Interrupted“(中断), Undetermined“(未确定),解的目标函数值,当前约束不满足的总量(不是不满足的约束的个数):实数（即使该值=0，当前

5、解也可能不可行，因为这个量中没有考虑用上下界命令形式给出的约束）,目前为止的迭代次数,运行状态窗口,扩展的求解器(求解程序)状态框,使用的特殊求解程序 : B-and-B (分枝定界算法) Global (全局最优求解程序) Multistart(用多个初始点求解的程序),目前为止找到的可行解的最佳目标函数值,目标函数值的界,特殊求解程序当前运行步数： 分枝数(对B-and-B程序)； 子问题数(对Global程序)； 初始点数(对Multistart程序),有效步数,注：凡是可以从一个约束直接解出变量取值时，这个变量就不认为是决策变量而是固定变量，不列入统计中；只含有固定变量的约束也不列入约束统计中。,运行状态窗口,LINGO早期版本对LINDO的兼容问题,在LINGO 9.0以前的版本中不能直接用File|Open命令打开LINDO模型，但由FILE | IMPORT LINDO FILE (F12)命令可以直接把LINDO的模型文件转化成LINGO模型。运行后屏幕上会显示一个标准的“打开文件”的对话框，打开EXAM0201.LTX，在LINGO主窗口中又打开了命令窗口(Comma

6、nd Window)显示原始文件，名为“exam0201”的模型窗口显示的是等价的LINGO模型。当前光标位于命令窗口。,从LINDO模型到LINGO模型的实质性转化工作主要在于以下几个方面(这也是LINGO模型的最基本特征)： 将目标函数的表示方式从“MAX”变成了“MAX=”; “ST”(SubjectTo)在LINGO模型中不需要，被删除； 在系数与变量之间增加运算符“*”(即乘号不能省略); 每行(目标、约束和说明语句)后面增加一个分号“;”； 约束的名字被放到 “ ”中，不放在右半括号“)”前； LINGO中模型以“MODEL：”开始，以“END” 结束。对简单的模型，这两个语句也可以省略。,LINGO早期版本对LINDO的兼容问题,一个简单的LINGO程序,例 直接用LINGO来解如下二次规划问题：,输入窗口如下：,程序语句输入的备注：,LINGO总是根据“MAX=”或“MIN=”寻找目标函数，而除注释语句和TITLE语句外的其他语句都是约束条件，因此语句的顺序并不重要 。 限定变量取整数值的语句为“GIN(X1)”和“GIN(X2)”，不可以写成“GIN(2)”，否则LI

7、NGO将把这个模型看成没有整数变量。 LINGO中函数一律需要以“”开头，其中整型变量函数（BIN、GIN）和上下界限定函数（FREE、SUB、SLB）与LINDO中的命令类似。而且0/1变量函数是BIN函数。,输出结果：,运行菜单命令“LINGO|Solve”,最优整数解 X=(35，65),最大利润=11077.5,输出结果备注：,通过菜单 “WINDOW| Status Window”看到状态窗口，可看到最佳目标值“Best Obj”与问题的上界“Obj Bound”已经是一样的，当前解的最大利润与这两个值非常接近，是计算误差引起的。如果采用全局最优求解程序(后面介绍)，可以验证它就是全局最优解。,LINGO是将它作为PINLP(纯整数非线性规划)来求解，因此找到的是局部最优解。,一个简单的LINGO程序,LINGO的基本用法的几点注意事项,LINGO中不区分大小写字母；变量和行名可以超过8个字符，但不能超过32个字符，且必须以字母开头。 用LINGO解优化模型时已假定所有变量非负(除非用限定变量取值范围的函数free或sub或slb另行说明)。 变量可以放在约束条件的右端(同时

8、数字也可放在约束条件的左端)。但为了提高LINGO求解时的效率，应尽可能采用线性表达式定义目标和约束(如果可能的话)。 语句是组成LINGO模型的基本单位,每个语句都以分号结尾，编写程序时应注意模型的可读性。例如：一行只写一个语句，按照语句之间的嵌套关系对语句安排适当的缩进，增强层次感。 以感叹号开始的是说明语句(说明语句也需要以分号结束)）。,2.在LINGO中使用集合,LINGO入门 2.在LINGO中使用集合 3. 运算符和函数 4. LINGO的主要菜单命令 5. LINGO命令窗口 6.习题,集合的基本用法和LINGO模型的基本要素,理解LINGO建模语言最重要的是理解集合（Set）及其属性（Attribute）的概念。,例 SAILCO公司需要决定下四个季度的帆船生产量。下四个季度的帆船需求量分别是40条，60条，75条，25条，这些需求必须按时满足。每个季度正常的生产能力是40条帆船，每条船的生产费用为400美元。如果加班生产，每条船的生产费用为450美元。每个季度末，每条船的库存费用为20美元。假定生产提前期为0，初始库存为10条船。如何安排生产可使总费用最小？,用DE

9、M,RP,OP,INV分别表示需求量、正常生产的产量、加班生产的产量、库存量，则DEM,RP,OP,INV对每个季度都应该有一个对应的值，也就说他们都应该是一个由4个元素组成的数组，其中DEM是已知的，而RP,OP,INV是未知数。,问题的模型(可以看出是LP模型 ),目标函数是所有费用的和,约束条件主要有两个：,1）能力限制：,2）产品数量的平衡方程：,加上变量的非负约束,注：LINDO中没有数组，只能对每个季度分别定义变量，如正常产量就要有RP1，RP2，RP3，RP4 4个变量等。写起来就比较麻烦，尤其是更多(如1000个季度)的时候。 记四个季度组成的集合QUARTERS=1，2，3，4，它们就是上面数组的下标集合，而数组DEM,RP,OP, INV对集合QUARTERS中的每个元素1，2，3，4分别对应于一个值。LINGO正是充分利用了这种数组及其下标的关系，引入了“集合”及其“属性”的概念，把QUARTERS=1，2，3，4称为集合，把DEM,RP,OP, INV称为该集合的属性(即定义在该集合上的属性)。,集合及其属性,集合元素及集合的属性确定的所有变量,LINGO中定义集合及其属性,LP模型在LINGO中的一个典型输入方式,以“MODEL：”开始,以“END”结束,给出优化目标和约束,目标函数的定义方式,SUM(集合（下标）：关于集合的属性的表达式),对语句中冒号“：”后面的表达式，按照“：”前面的集合指定的下标（元素）进行求和。,本例中目标函数也可以等价地写成 SUM(QUARTERS(i): 400*RP(i) +450*OP(i) +20*INV(i) )， “SUM”相当于求和符号“”， “QUARTERS(i)”相当于“iQUARTERS”的含义。 由于本例中目标函数对集合QUARTERS的所有元素(下标) 都要求和，所以可以将下标i省去。,约束的定义方式,循环函数 FOR(集合(下标)：关于集合的属性的约束关系式),对冒号“：”前面的集合的每个元素（下标），冒号“：”后面的约束关系式都要成立,本例中，每个季度正常的生产能力是40条帆船，这正是语句“FOR(QUARTERS(I):RP(I)40);”的含义。 由于对所有元素(下标I),约束的形式是一样的，所以也可以像上面定义目标函数时一样，将下标i省去， 这个语句可以简

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