LINGO使用說明書.doc

LINGO使用指南LINGO是用來求解線性和非線性優(yōu)化問題的簡易工具。LINGO內(nèi)置了一種建立最優(yōu)化模型的語言，可以簡便地表達大規(guī)模問題，利用LINGO高效的求解器可快速求解并分析結(jié)果。1 LINGO快速入門當你在windows下開始運行LINGO系統(tǒng)時，會得到類似下面的一個窗口：外層是主框架窗口，包含了所有菜單命令和工具條，其它所有的窗口將被包含在主窗口之下。在主窗口內(nèi)的標題為LINGO Model LINGO1的窗口是LINGO的默認模型窗口，建立的模型都都要在該窗口內(nèi)編碼實現(xiàn)。下面舉兩個例子。例1.1 如何在LINGO中求解如下的LP問題：在模型窗口中輸入如下代碼：min=2*x1+3*x2;x1+x2=350;x1=100;2*x1+x2=600;然后點擊工具條上的按鈕 即可。例1.2 使用LINGO軟件計算6個發(fā)點8個收點的最小費用運輸問題。產(chǎn)銷單位運價如下表。銷地產(chǎn)地B1B2B3B4B5B6B7B8產(chǎn)量A16267425960A24953858255A35219743351A47673927143A52395726541A65522814352銷量3537223241324338使用LINGO軟件，編制程序如下：model:!6發(fā)點8收點運輸問題;sets: warehouses/wh1.wh6/: capacity; vendors/v1.v8/: demand; links(warehouses,vendors): cost, volume;endsets!目標函數(shù); min=sum(links: cost*volume);!需求約束; for(vendors(J): sum(warehouses(I): volume(I,J)=demand(J);!產(chǎn)量約束; for(warehouses(I): sum(vendors(J): volume(I,J)=capacity(I);!這里是數(shù)據(jù);data: capacity=60 55 51 43 41 52; demand=35 37 22 32 41 32 43 38; cost=6 2 6 7 4 2 9 5 4 9 5 3 8 5 8 2 5 2 1 9 7 4 3 3 7 6 7 3 9 2 7 1 2 3 9 5 7 2 6 5 5 5 2 2 8 1 4 3;enddataend然后點擊工具條上的按鈕 即可。為了能夠使用LINGO的強大功能，接著第二節(jié)的學習吧。2 LINGO中的集對實際問題建模的時候，總會遇到一群或多群相聯(lián)系的對象，比如工廠、消費者群體、交通工具和雇工等等。LINGO允許把這些相聯(lián)系的對象聚合成集（sets）。一旦把對象聚合成集，就可以利用集來最大限度的發(fā)揮LINGO建模語言的優(yōu)勢?，F(xiàn)在我們將深入介紹如何創(chuàng)建集，并用數(shù)據(jù)初始化集的屬性。學完本節(jié)后，你對基于建模技術(shù)的集如何引入模型會有一個基本的理解。2.1 為什么使用集集是LINGO建模語言的基礎(chǔ)，是程序設(shè)計最強有力的基本構(gòu)件。借助于集，能夠用一個單一的、長的、簡明的復合公式表示一系列相似的約束，從而可以快速方便地表達規(guī)模較大的模型。2.2 什么是集集是一群相聯(lián)系的對象，這些對象也稱為集的成員。一個集可能是一系列產(chǎn)品、卡車或雇員。每個集成員可能有一個或多個與之有關(guān)聯(lián)的特征，我們把這些特征稱為屬性。屬性值可以預先給定，也可以是未知的，有待于LINGO求解。例如，產(chǎn)品集中的每個產(chǎn)品可以有一個價格屬性；卡車集中的每輛卡車可以有一個牽引力屬性；雇員集中的每位雇員可以有一個薪水屬性，也可以有一個生日屬性等等。LINGO有兩種類型的集：原始集(primitiveset)和派生集(derived set)。一個原始集是由一些最基本的對象組成的。一個派生集是用一個或多個其它集來定義的，也就是說，它的成員來自于其它已存在的集。2.3 模型的集部分集部分是LINGO模型的一個可選部分。在LINGO模型中使用集之前，必須在集部分事先定義。集部分以關(guān)鍵字“sets:”開始，以“endsets”結(jié)束。一個模型可以沒有集部分，或有一個簡單的集部分，或有多個集部分。一個集部分可以放置于模型的任何地方，但是一個集及其屬性在模型約束中被引用之前必須定義了它們。2.3.1 定義原始集為了定義一個原始集，必須詳細聲明：集的名字可選，集的成員可選，集成員的屬性定義一個原始集，用下面的語法：setname/member_list/:attribute_list;注意：用“”表示該部分內(nèi)容可選。下同，不再贅述。Setname是你選擇的來標記集的名字，最好具有較強的可讀性。集名字必須嚴格符合標準命名規(guī)則：以拉丁字母或下劃線（_）為首字符，其后由拉丁字母（AZ）、下劃線、阿拉伯數(shù)字（0，1，9）組成的總長度不超過32個字符的字符串，且不區(qū)分大小寫。注意：該命名規(guī)則同樣適用于集成員名和屬性名等的命名。Member_list是集成員列表。如果集成員放在集定義中，那么對它們可采取顯式羅列和隱式羅列兩種方式。如果集成員不放在集定義中，那么可以在隨后的數(shù)據(jù)部分定義它們。 當顯式羅列成員時，必須為每個成員輸入一個不同的名字，中間用空格或逗號擱開，允許混合使用。例2.1 可以定義一個名為students的原始集，它具有成員John、Jill、Rose和Mike，屬性有sex和age：sets: students/John Jill, Rose Mike/: sex, age;endsets 當隱式羅列成員時，不必羅列出每個集成員?？刹捎萌缦抡Z法：setname/member1.memberN/: attribute_list;這里的member1是集的第一個成員名，memberN是集的最末一個成員名。LINGO將自動產(chǎn)生中間的所有成員名。LINGO也接受一些特定的首成員名和末成員名，用于創(chuàng)建一些特殊的集。列表如下：隱式成員列表格式示例所產(chǎn)生集成員1.n1.51,2,3,4,5StringM.StringNCar2.car14Car2,Car3,Car4,Car14DayM.DayNMon.FriMon,Tue,Wed,Thu,FriMonthM.MonthNOct.JanOct,Nov,Dec,JanMonthYearM.MonthYearNOct2001.Jan2002Oct2001,Nov2001,Dec2001,Jan2002 集成員不放在集定義中，而在隨后的數(shù)據(jù)部分來定義。例2.2!集部分;sets: students:sex,age;endsets!數(shù)據(jù)部分;data: students,sex,age= John 1 16 Jill 0 14 Rose 0 17 Mike 1 13;enddata注意：開頭用感嘆號（!），末尾用分號（;）表示注釋，可跨多行。在集部分只定義了一個集students，并未指定成員。在數(shù)據(jù)部分羅列了集成員John、Jill、Rose和Mike，并對屬性sex和age分別給出了值。集成員無論用何種字符標記,它的索引都是從1開始連續(xù)計數(shù)。在attribute_ list可以指定一個或多個集成員的屬性，屬性之間必須用逗號隔開。可以把集、集成員和集屬性同C語言中的結(jié)構(gòu)體作個類比。如下圖：集 結(jié)構(gòu)體集成員 結(jié)構(gòu)體的域集屬性 結(jié)構(gòu)體實例LINGO內(nèi)置的建模語言是一種描述性語言，用它可以描述現(xiàn)實世界中的一些問題，然后再借助于LINGO求解器求解。因此，集屬性的值一旦在模型中被確定，就不可能再更改。在LINGO中，只有在初始部分中給出的集屬性值在以后的求解中可更改。這與前面并不矛盾，初始部分是LINGO求解器的需要，并不是描述問題所必須的。2.3.2 定義派生集為了定義一個派生集，必須詳細聲明：集的名字父集的名字可選，集成員可選，集成員的屬性可用下面的語法定義一個派生集：setname(parent_set_list)/member_list/:attribute_list;setname是集的名字。parent_set_list是已定義的集的列表，多個時必須用逗號隔開。如果沒有指定成員列表，那么LINGO會自動創(chuàng)建父集成員的所有組合作為派生集的成員。派生集的父集既可以是原始集，也可以是其它的派生集。例2.3sets: product/A B/; machine/M N/; week/1.2/; allowed(product,machine,week):x;endsetsLINGO生成了三個父集的所有組合共八組作為allowed集的成員。列表如下：編號 成員1 (A,M,1)2 2 (A,M,2)3 3 (A,N,1)4 4 (A,N,2)5 5 (B,M,1)6 6 (B,M,2)7 7 (B,N,1)8 8 (B,N,2)成員列表被忽略時，派生集成員由父集成員所有的組合構(gòu)成，這樣的派生集成為稠密集。如果限制派生集的成員，使它成為父集成員所有組合構(gòu)成的集合的一個子集，這樣的派生集成為稀疏集。同原始集一樣，派生集成員的聲明也可以放在數(shù)據(jù)部分。一個派生集的成員列表有兩種方式生成：顯式羅列；設(shè)置成員資格過濾器。當采用方式時，必須顯式羅列出所有要包含在派生集中的成員，并且羅列的每個成員必須屬于稠密集。使用前面的例子，顯式羅列派生集的成員：allowed(product,machine,week)/A M 1,A N 2,B N 1/;如果需要生成一個大的、稀疏的集，那么顯式羅列就很討厭。幸運地是許多稀疏集的成員都滿足一些條件以和非成員相區(qū)分。我們可以把這些邏輯條件看作過濾器，在LINGO生成派生集的成員時把使邏輯條件為假的成員從稠密集中過濾掉。例2.4sets: !學生集：性別屬性sex，1表示男性，0表示女性；年齡屬性age. ; students/John,Jill,Rose,Mike/:sex,age; !男學生和女學生的聯(lián)系集：友好程度屬性friend，0，1之間的數(shù)。 ; linkmf(students,students)|sex(&1) #eq# 1 #and# sex(&2) #eq# 0: friend; !男學生和女學生的友好程度大于0.5的集; linkmf2(linkmf) | friend(&1,&2) #ge# 0.5 : x;endsetsdata: sex,age = 1 16 0 14 0 17 0 13; friend = 0.3 0.5 0.6;enddata用豎線（|）來標記一個成員資格過濾器的開始。#eq#是邏輯運算符，用來判斷是否“相等”，可參考4. &1可看作派生集的第1個原始父集的索引，它取遍該原始父集的所有成員；&2可看作派生集的第2 個原始父集的索引，它取遍該原始父集的所有成員；&3，&4，以此類推。注意如果派生集B的父集是另外的派生集A，那么上面所說的原始父集是集A向前回溯到最終的原始集，其順序保持不變，并且派生集A的過濾器對派生集B仍然有效。因此，派生集的索引個數(shù)是最終原始父集的個數(shù)，索引的取值是從原始父集到當前派生集所作限制的總和?？偟膩碚f，LINGO可識別的集只有兩種類型：原始集和派生集。在一個模型中，原始集是基本的對象，不能再被拆分成更小的組分。原始集可以由顯式羅列和隱式羅列兩種方式來定義。當用顯式羅列方式時，需在集成員列表中逐個輸入每個成員。當用隱式羅列方式時，只需在集成員列表中輸入首成員和末成員，而中間的成員由LINGO產(chǎn)生。集稠密集原始集顯式羅列稀疏集過濾器派生集LINGO集類型另一方面，派生集是由其它的集來創(chuàng)建。這些集被稱為該派生集的父集（原始集或其它的派生集）。一個派生集既可以是稀疏的，也可以是稠密的。稠密集包含了父集成員的所有組合（有時也稱為父集的笛卡爾乘積）。稀疏集僅包含了父集的笛卡爾乘積的一個子集，可通過顯式羅列和成員資格過濾器這兩種方式來定義。顯式羅列方法就是逐個羅列稀疏集的成員。成員資格過濾器方法通過使用稀疏集成員必須滿足的邏輯條件從稠密集成員中過濾出稀疏集的成員。不同集類型的關(guān)系見下圖。3 模型的數(shù)據(jù)部分和初始部分 在處理模型的數(shù)據(jù)時，需要為集指派一些成員并且在LINGO求解模型之前為集的某些屬性指定值。為此，LINGO為用戶提供了兩個可選部分：輸入集成員和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)部分（Data Section）和為決策變量設(shè)置初始值的初始部分（Init Section）。 3.1 模型的數(shù)據(jù)部分 3.1.1 數(shù)據(jù)部分入門數(shù)據(jù)部分提供了模型相對靜止部分和數(shù)據(jù)分離的可能性。顯然，這對模型的維護和維數(shù)的縮放非常便利。數(shù)據(jù)部分以關(guān)鍵字“data:”開始，以關(guān)鍵字“enddata”結(jié)束。在這里，可以指定集成員、集的屬性。其語法如下：object_list = value_list;對象列（object_list）包含要指定值的屬性名、要設(shè)置集成員的集名，用逗號或空格隔開。一個對象列中至多有一個集名，而屬性名可以有任意多。如果對象列中有多個屬性名，那么它們的類型必須一致。如果對象列中有一個集名，那么對象列中所有的屬性的類型就是這個集。數(shù)值列（value_list）包含要分配給對象列中的對象的值，用逗號或空格隔開。注意屬性值的個數(shù)必須等于集成員的個數(shù)?？聪旅娴睦?。例3.1sets: set1/A,B,C/: X,Y;endsetsdata: X=1,2,3; Y=4,5,6;enddata在集set1中定義了兩個屬性X和Y。X的三個值是1、2和3，Y的三個值是4、5和6。也可采用如下例子中的復合數(shù)據(jù)聲明（data statement）實現(xiàn)同樣的功能。例3.2sets: set1/A,B,C/: X,Y;endsetsdata: X,Y=1 4 2 5 3 6;enddata看到這個例子，可能會認為X被指定了1、4和2三個值，因為它們是數(shù)值列中前三個，而正確的答案是1、2和3。假設(shè)對象列有n個對象，LINGO在為對象指定值時，首先在n個對象的第1個索引處依次分配數(shù)值列中的前n個對象，然后在n個對象的第2個索引處依次分配數(shù)值列中緊接著的n個對象，以此類推。模型的所有數(shù)據(jù)屬性值和集成員被單獨放在數(shù)據(jù)部分，這可能是最規(guī)范的數(shù)據(jù)輸入方式。3.1.2 參數(shù)在數(shù)據(jù)部分也可以指定一些標量變量（scalar variables）。當一個標量變量在數(shù)據(jù)部分確定時，稱之為參數(shù)?？匆焕僭O(shè)模型中用利率8.5%作為一個參數(shù)，就可以象下面一樣輸入一個利率作為參數(shù)。例3.3data: interest_rate = .085;enddata也可以同時指定多個參數(shù)。例3.4data: interest_rate,inflation_rate = .085 .03;enddata3.1.3 實時數(shù)據(jù)處理在某些情況，對于模型中的某些數(shù)據(jù)并不是定值。譬如模型中有一個通貨膨脹率的參數(shù)，我們想在2%至6%范圍內(nèi)，對不同的值求解模型，來觀察模型的結(jié)果對通貨膨脹的依賴有多么敏感。我們把這種情況稱為實時數(shù)據(jù)處理（what if analysis）。LINGO有一個特征可方便地做到這件事。在本該放數(shù)的地方輸入一個問號（?）。例3.5data: interest_rate,inflation_rate = .085 ?;enddata每一次求解模型時，LINGO都會提示為參數(shù)inflation_rate輸入一個值。在WINDOWS操作系統(tǒng)下，將會接收到一個類似下面的對話框：直接輸入一個值再點擊OK按鈕，LINGO就會把輸入的值指定給inflation_rate，然后繼續(xù)求解模型。 除了參數(shù)之外，也可以實時輸入集的屬性值，但不允許實時輸入集成員名。 3.1.4 指定屬性為一個值可以在數(shù)據(jù)聲明的右邊輸入一個值來把所有的成員的該屬性指定為一個值?？聪旅娴睦?。例3.6sets: days /MO,TU,WE,TH,FR,SA,SU/:needs;endsetsdata: needs = 20;enddataLINGO將用20指定days集的所有成員的needs屬性。對于多個屬性的情形，見下例。例3.7sets: days /MO,TU,WE,TH,FR,SA,SU/:needs,cost;endsetsdata: needs cost = 20 100;enddata 3.1.5 數(shù)據(jù)部分的未知數(shù)值有時只想為一個集的部分成員的某個屬性指定值，而讓其余成員的該屬性保持未知，以便讓LINGO去求出它們的最優(yōu)值。在數(shù)據(jù)聲明中輸入兩個相連的逗號表示該位置對應(yīng)的集成員的屬性值未知。兩個逗號間可以有空格。例3.8sets: years/1.5/: capacity;endsetsdata: capacity = ,34,20,;enddata屬性capacity的第2個和第3個值分別為34和20，其余的未知。 3.2 模型的初始部分初始部分是LINGO提供的另一個可選部分。在初始部分中，可以輸入初始聲明（initialization statement），和數(shù)據(jù)部分中的數(shù)據(jù)聲明相同。對實際問題的建模時，初始部分并不起到描述模型的作用，在初始部分輸入的值僅被LINGO求解器當作初始點來用，并且僅僅對非線性模型有用。和數(shù)據(jù)部分指定變量的值不同，LINGO求解器可以自由改變初始部分初始化的變量的值。一個初始部分以“init:”開始，以“endinit”結(jié)束。初始部分的初始聲明規(guī)則和數(shù)據(jù)部分的數(shù)據(jù)聲明規(guī)則相同。也就是說，我們可以在聲明的左邊同時初始化多個集屬性，可以把集屬性初始化為一個值，可以用問號實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)處理，還可以用逗號指定未知數(shù)值。例3.9init: X, Y = 0, .1;endinitY=log(X);X2+Y2=1;好的初始點會減少模型的求解時間。在這一節(jié)中，我們僅帶大家接觸了一些基本的數(shù)據(jù)輸入和初始化概念，不過現(xiàn)在你應(yīng)該可以輕松的為自己的模型加入原始數(shù)據(jù)和初始部分啦。4 LINGO函數(shù) 有了前幾節(jié)的基礎(chǔ)知識，再加上本節(jié)的內(nèi)容，你就能夠借助于LINGO建立并求解復雜的優(yōu)化模型了。LINGO有9種類型的函數(shù)：1 1基本運算符：包括算術(shù)運算符、邏輯運算符和關(guān)系運算符2 2數(shù)學函數(shù)：三角函數(shù)和常規(guī)的數(shù)學函數(shù)3 3金融函數(shù)：LINGO提供的兩種金融函數(shù)4 4概率函數(shù)：LINGO提供了大量概率相關(guān)的函數(shù)5 5變量界定函數(shù)：這類函數(shù)用來定義變量的取值范圍6 6集操作函數(shù)：這類函數(shù)為對集的操作提供幫助7 7集循環(huán)函數(shù)：遍歷集的元素，執(zhí)行一定的操作的函數(shù)8 8數(shù)據(jù)輸入輸出函數(shù)：這類函數(shù)允許模型和外部數(shù)據(jù)源相聯(lián)系，進行數(shù)據(jù)的輸入輸出9 9輔助函數(shù)：各種雜類函數(shù)4.1 基本運算符這些運算符是非常基本的，甚至可以不認為它們是一類函數(shù)。事實上，在LINGO中它們是非常重要的。4.1.1 算術(shù)運算符算術(shù)運算符是針對數(shù)值進行操作的。LINGO提供了5種二元運算符：乘方乘除加減LINGO唯一的一元算術(shù)運算符是取反函數(shù)“”。這些運算符的優(yōu)先級由高到底為：高（取反） 低運算符的運算次序為從左到右按優(yōu)先級高低來執(zhí)行。運算的次序可以用圓括號“（）”來改變。例4.1 算術(shù)運算符示例。253，(24)5等等。4.1.2 邏輯運算符在LINGO中，邏輯運算符主要用于集循環(huán)函數(shù)的條件表達式中，來控制在函數(shù)中哪些集成員被包含，哪些被排斥。在創(chuàng)建稀疏集時用在成員資格過濾器中。LINGO具有種邏輯運算符：#not# 否定該操作數(shù)的邏輯值，not是一個一元運算符#eq#若兩個運算數(shù)相等，則為true；否則為flase#ne# 若兩個運算符不相等，則為true；否則為flase#gt# 若左邊的運算符嚴格大于右邊的運算符，則為true；否則為flase#ge# 若左邊的運算符大于或等于右邊的運算符，則為true；否則為flase#lt# 若左邊的運算符嚴格小于右邊的運算符，則為true；否則為flase#le# 若左邊的運算符小于或等于右邊的運算符，則為true；否則為flase#and# 僅當兩個參數(shù)都為true時，結(jié)果為true；否則為flase#or# 僅當兩個參數(shù)都為false時，結(jié)果為false；否則為true這些運算符的優(yōu)先級由高到低為：高 #not# #eq# #ne# #gt# #ge# #lt# #le#低 #and# #or#例4.2 邏輯運算符示例2 #gt# 3 #and# 4 #gt# 2，其結(jié)果為假（0）。 4.1.3 關(guān)系運算符在LINGO中，關(guān)系運算符主要是被用在模型中，來指定一個表達式的左邊是否等于、小于等于、或者大于等于右邊，形成模型的一個約束條件。關(guān)系運算符與邏輯運算符#eq#、#le#、#ge#截然不同，前者是模型中該關(guān)系運算符所指定關(guān)系的為真描述，而后者僅僅判斷一個該關(guān)系是否被滿足：滿足為真，不滿足為假。 LINGO有三種關(guān)系運算符：“=”、“=”。LINGO中還能用“”表示大于等于關(guān)系。LINGO并不支持嚴格小于和嚴格大于關(guān)系運算符。然而，如果需要嚴格小于和嚴格大于關(guān)系，比如讓A嚴格小于B：AB，那么可以把它變成如下的小于等于表達式：A+=B，這里是一個小的正數(shù)，它的值依賴于模型中A小于B多少才算不等。下面給出以上三類操作符的優(yōu)先級：高#not# （取反） #eq# #ne# #gt# #ge# #lt# #le#and# #or#低 = 4.2 數(shù)學函數(shù)LINGO提供了大量的標準數(shù)學函數(shù)：abs(x) 返回x的絕對值sin(x) 返回x的正弦值，x采用弧度制cos(x) 返回x的余弦值tan(x) 返回x的正切值exp(x) 返回常數(shù)e的x次方log(x) 返回x的自然對數(shù)lgm(x) 返回x的gamma函數(shù)的自然對數(shù)ABCDDAEabxsign(x) 如果x=0時，返回不超過x的最大整數(shù)；當x= required(J);end計算的部分結(jié)果為Global optimal solution found at iteration: 0 Objective value: 22.00000 Variable Value Reduced Cost REQUIRED( MON) 20.00000 0.000000 REQUIRED( TUE) 16.00000 0.000000 REQUIRED( WED) 13.00000 0.000000 REQUIRED( THU) 16.00000 0.000000 REQUIRED( FRI) 19.00000 0.000000 REQUIRED( SAT) 14.00000 0.000000 REQUIRED( SUN) 12.00000 0.000000 START( MON) 8.000000 0.000000 START( TUE) 2.000000 0.000000 START( WED) 0.000000 0.3333333 START( THU) 6.000000 0.000000 START( FRI) 3.000000 0.000000 START( SAT) 3.000000 0.000000 START( SUN) 0.000000 0.000000從而解決方案是：每周最少需要22個職員，周一安排8人，周二安排2人，周三無需安排人，周四安排6人，周五和周六都安排3人，周日無需安排人。 4.8 輸入和輸出函數(shù)輸入和輸出函數(shù)可以把模型和外部數(shù)據(jù)比如文本文件、數(shù)據(jù)庫和電子表格等連接起來。1file函數(shù) 該函數(shù)用從外部文件中輸入數(shù)據(jù)，可以放在模型中任何地方。該函數(shù)的語法格式為file(filename)。這里filename是文件名，可以采用相對路徑和絕對路徑兩種表示方式。file函數(shù)對同一文件的兩種表示方式的處