什么是LINDO
在这里有必要先让大家知道什么是运筹学。运筹学是近四十年来发展起来的一门新兴学科。它的目的是为行政管理人员在作决策时提供科学的依据。因此,它是实现管理现代化的有力工具。运筹学在生产管理、工程技术、军事作战、科学试验、财政经济以及社会科学中都得到了极为广泛的应用。讲到这里,你已经被运筹学深深吸引了吧,至于你会怎么去学不是我们讨论的问题,在这里我们只说学运筹学要用到的工具。应用运筹学去处理问题有两个重要特征:一是从全局的观点出发;二是通过建立模型如数学模型或模拟模型,对于要求解的问题得到最合理的决策。好了,说到这里,LINDO该出场了,它的作用就是负责把问题的最优决策求出来,省去大量难以想象的人工计算。如果你是运筹学的学习者,你就必须拥有LINDO。
LINDO(Linear, INteractive, and Discrete Optimizer)是一个解决二次线性整数规划问题的方便而强大的工具。这些问题主要出现在商业、工业、研究和政府等领域。已被证实LINDO能在其中发挥巨大作用的具体事务包括:产品分销、成分混合、生产与个人事务安排、存货管理……在这里不一一列举,但可以肯定的是,LINDO可以大展拳脚的领域是多不胜数的。LINDO的主要设计原则是,如果一个用户只是想解决一个简单的问题,就不应该在学习LINDO的基本特性上花费太多的准备成本。例如,某个用户想解决以下这样一个问题:(看懂这个问题需要一定的运筹学知识,下面是一个实际问题的数学模型)
Maxmize 2X + 3Y
Subject to
4X + 3Y < 10
3X + 5Y < 12
那么,用户就只需要打开LINDO,然后直接输入以上内容即可。而另一方面,LINDO也可以用来解决一些复杂的二次线性整数规划方面的实际问题。如在大型的机器上,LINDO被用来解决一些拥有超过50,000各约束条件和200,000万个变量的大规模复杂问题。
LINDO主要有三个基本使用模式。对于一些中小规模的问题,LINDO只要通过键盘输入就可以方便地实现交互性良好的操作与使用,如输入一个模型是相当简单方便的事情。另外,LINDO也可以对外建文件进行处理,只要这些文件里包含有必要的命令代码和输入数据,处理后就可以生成用于报告目的的文档。最后,你还可以自建子程序,然后直接与LINDO相结合形成一个包括你自己的代码和LINDO本身的优化库的综合程序。
输入一个模型
现在让我们用例子来说明怎样输入和求解一个模型。当我们打开LINDO后,屏幕将出现以下窗口:
在外面标题为"LINDO"的是主窗口,它包含所有的其他窗口以及所有命令菜单和工具栏。在里面的是一个新的空白的模型窗口,等下我们就会在那里直接输入一个简单的范例模型,但在此之前,我们首先需要简明地了解一下一个LINDO模型所必须具备的基本条件和要素。
一个LINDO模型至少需要具备三个要素:目标、决策变量和约束条件。
第一个基本要素是目标,顾名思义,是指一个问题解决后所要达到的目标。有两种目标可选择:MAX或MIN,也就是最大化或最小化。在一个典型的经济问题里,你可能想使你的获利最大化或成本最小化。因此,LINDO模型里的第一个字必须是MAX或是MIN。然后,在其后输入的一个式子就叫做目标函数。现在假设要使利益最大化,就需要输入:MAX 10X + 15Y,然后回车。
那么,X和Y又是什么呢?他们是第二个要素:模型里的决策变量,LINDO就是通过调整这些变量的值,使你的利益达到最大化。它们可以表示两种产品的销售量,或者两个不同公司的销售量。在这里每单位X(产品)的毛利是10,Y的是15。他们是变量,在LINDO里,从开始使用他们的时候起,他们就存在。目标和变量就讲这么多。
现在让我们来看一下约束条件。在某种意义上,约束条件是我们所建立的模型中最重要的部分,它们需要认真地考虑。
在前面的例子里,我们打算使式子10X + 15Y的值最大,但对X和Y能卖出多少却没有加以限制,这当然不可能,因为在现实世界里会存在诸如劳动产出和有效性等限制因素。所以我们会把X和Y的值限制在一个合理的范围之内而不是任其随意地取值。于是我们需要在模型的另外一行里输入"SUBJECT TO"字样(或者可以只输入ST),跟着在后面分行输入X < 10 和 Y < 12。有一点值得注意的是,LINDO会将"<"符号理解为小于或等于而不是绝对的小于。如果你喜欢的话,你可以用"<="来代替"<"。
很好,我们已经对X和Y加以限制了。再假设我们只有有限的劳动力,如16单位的劳动力,产品X需要一个单位而Y需要两个单位。现在我们继续加上一条约束条件:X + 2 Y < 16。最后,我们在另一行加上END字样以表明约束条件的结束。这时,建立后的模型应该就是下面这个样子:
这样我们就建立了一个简单的模型,下面我们可以开始求解了。从Solve菜单选择Solve命令,或者在窗口顶部的工具栏里按Solve按钮,LINDO就会开始对模型进行编译。首先,LINDO会检查模型是否具有数学意义以及是否符合语法要求。如果模型不能通过这一步检查,会看到以下报错信息:An error occurred during compilation on line: n(产生错误的行数),LINDO会自动跳转到发生错误的行。我们就可以检查该行的语法错误并改正过来。
通过这一检查阶段后,LINDO就会正式开始求解,这由一个叫LINDO solver的处理器完成。当solver初始化时,会在屏幕上显示一个状态窗口,如下图所示: 这个状态窗口可以显示solver的进度,下表是对各项数据/控制按钮的说明:
数据项/控制
说明
Status
给出当前解决方案的状态,可能的值包括:Optimal(最优的), Feasible(可行的), Infeasible(不可行的),Unbounded(未定的)
Iterations
solver的重复次数
Infeasibility
多余或错误约束条件数量
Objective
目标函数的当前值
Best IP
标示得到最优整数解决方案值,该项只出现在IP(整数规划)模型。
IP Bound
IP模型中目标的理论范围
Branches
由LINDO IP solver分生出来的整型变量个数
Elapsed Time
solver启动后所经过时间
Update Interval
状态窗口更新周期(秒)。你可以把这个值设成任何一个非负数,如果把它设成零的话很可能会增加求解时间。
Interrupt Solver
按下该按钮,solver将立刻停止并返回当前得到的最优解。
Close
按下该按钮关闭状态窗口,solver继续运行。状态窗口可以通过选取相应命令重新打开。
当solver完成优化过程后将会提示你是否要进行灵敏度和范围分析(都是运筹学里面的术语)。随着运筹学学习的深入,以后我们会用到这个有用的信息的,但现在我们先按下"No"按钮关闭状态窗口。
现在,屏幕将会出现一个名为"Reports Window"的窗口。这个窗口里显示的就是LINDO的输出结果报告,它可以显示64,000个字符的信息。如果有需要,LINDO会从顶部开始刷除部分输出以腾出空间来显示新的输出。如果你有一个很长的解决方案报告,需要完整地进行阅读使用,你可以把这些信息从Reports Window写到另外一个磁盘文件里,方法是选取File|Log Output命令,快捷键是F10,然后你就可以找到该文件进行阅读使用。
还是回到我们的例子,Reports Window里显示的是模型的最优解决方案,如下所示:
按照顺序,报告首先告诉我们LINDO进行了两次运算后求出该解;跟着是在约束条件的约束下我们可以得到的最大利润是145;这时X和Y分别取值10和3。值得注意的是,利润似乎更高的产品Y在这里居然用得比较少,这是因为我们前面所假设的劳动力供给的限制在起作用,在这里就很好地证明了运筹学的强大作用,使我们不致于因为一些表面现象而作出错误的决策。