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第4章--线性规划在工商管理中的应用.ppt

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资源描述
单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,管 理 运 筹 学,1,第四章 线性规划在工商管理中的应用,1,人力资源分配的问题,2,生产计划的问题,3,套裁下料问题,4,配料问题,5,投资问题,2,1,人力资源分配的问题,例,1,某昼夜服务的公交线路每天各时间段内所需司机,和乘务人员数如下:,设司机和乘务人员分别在各时间段一开始时上班,并,连续工作八小时,问该公交线路怎样安排司机和乘务人员,,既能满足工作需要,又配备最少司机和乘务人员,?,3,1,人力资源分配的问题,解:设,x,i,表示第,i,班次时开始上班的司机和乘务人员数,这样我们建立如下的数学模型。,目标函数:,Min,x,1,+,x,2,+,x,3,+,x,4,+,x,5,+,x,6,约束条件:,s.t.,x,1,+,x,6,60,x,1,+,x,2,70,x,2,+,x,3,60,x,3,+,x,4,50,x,4,+,x,5,20,x,5,+,x,6,30,x,1,x,2,x,3,x,4,x,5,x,6,0,4,1,人力资源分配的问题,例,2,一家中型的百货商场,它对售货员的需求经过统计分析如下表所示。为了保证售货人员充分休息,售货人员每周工作,5,天,休息两天,并要求休息的两天是连续的。问应该如何安排售货人员的作息,既满足工作需要,又使配备的售货人员的人数最少?,5,1,人力资源分配的问题,解:设,x,i,(i=1,2,7),表示星期一至日开始休息的人数,这样我们建立如下的数学模型。,目标函数:,Min,x,1,+,x,2,+,x,3,+,x,4,+,x,5,+,x,6,+,x,7,约束条件:,s.t.,x,1,+,x,2,+,x,3,+,x,4,+,x,5,28,x,2,+,x,3,+,x,4,+,x,5,+,x,6,15,x,3,+,x,4,+,x,5,+,x,6,+,x,7,24,x,4,+,x,5,+,x,6,+,x,7,+,x,1,25,x,5,+,x,6,+,x,7,+,x,1,+,x,2,19,x,6,+,x,7,+,x,1,+,x,2,+,x,3,31,x,7,+,x,1,+,x,2,+,x,3,+,x,4,28,x,1,x,2,x,3,x,4,x,5,x,6,x,7,0,6,一、使用线性规划方法处理实际问题 必须具备的条件,(,建模条件,),:,优化条件,-,问题的目标有极大化或极小化的要求,而且能用决策变量的线性函数来表示。,选择条件,-,有多种可供选择的可行方案,以便从中选取最优方案。,7,3,),限制条件,-,达到目标的条件是有一定限制的(比如,资源的供应量有限度等),而且这些限制可以用决策变量的线性等式或线性不等式表示出来。,此外,,描述问题的决策变量相互之间应有一定的联系,有可能建立数学关系,即这些,变量之间是内部相关,的。,8,二、建模步骤,:,第一步:设置要求解的决策变量,。,决策变量选取得当,不仅能顺利地建立模型而且能方便地求解,,否则很可能事倍功半。,第二步:找出所有的限制,,即约束条件,,并用决策变量的线性方程或线性不等式来表示,。当限制条件多,背景比较复杂时,可以,采用图示或表格形式列出所有的已知数据和信息,以避免“遗漏”或“重复”,所造成的错误。,9,第三步:明确目标要求,并用决策变量的线性函数来表示,确定对函数是取极大还是取极小的要求。,决策变量的非负要求可以根据问题的实际意义加以确定。,讨论:这三步的顺序可以颠倒吗?,为什麽?,10,1,、产品计划问题,问题的一般提法:,用若干种原材料(资源)生产某几种产品,原材料(或资源)供应有一定限制,要求制定一个产品生产计划,使其在一定数量的资源限制条件下能得到最大的收益。,11,如果,用,,,单位产品所需资源数(如原材料、人力、时间等)、所得利润及可供应的资源总量已知,如表所示,问应如何组织生产才能使利润最大?,12,产品计划问题有关信息表,13,设出产品的计划数,可列出这类问题的数学模型如下,:,14,一般的产品计划问题举例,:,某工厂生产,A,、,B,两种产品,均需经过两道工序,每生产一吨产品,A,需要经第一道工序加工,2,小时,第二道工序加工,3,小时;每生产一吨产品,B,需要经第一道工序加工,3,小时,第二道工序加工,4,小时。可供利用的第一道工序为,12,小时,第二道工序为,24,小时。,生产产品,B,的同时产出副产品,C,,每生产一吨产品,B,,可同时得到,2,吨产品,C,而毋需外加任何费用;副产品,C,一部分可以盈利,剩下的只能报废。,出售产品,A,每吨能盈利,400,元、产品,B,每吨能盈利,1000,元,每销售一吨副产品,C,能盈利,300,元,而剩余要报废的则每吨损失,200,元。经市场预测,在计划期内产品,C,最大销量为,5,吨。试列出线性规划模型,决定,A,、,B,两种产品的产量,使工厂总的利润最大。,15,信息整理:,16,利润与产量的关系图:,17,数学模型:,设:,x,1,产品,A,的产量,,x,2,产品,B,的产量,,x,3,产品,C,的销售量,,x,4,产品,C,的报废量。依题意,可得,18,2,、产品配套问题,例,1-8,某产品由两个零件,I,和三个零件,II,组成,每个零件均可由三个车间各自生产,但各车间的生产效率和总工时限制各不相同,表中给出了有关信息。试确定各车间生产每种零件的工作时间,使生产产品的件数最多。,19,例,1-8,有关信息表,其中:,x,ij,表示第,i,个车间生产第,j,个零件的时间数,注意,Z,是非线性表达式!,20,处理:,21,于是得到该问题的,LP,模型为:,22,2,生产计划的问题,例,3,某公司面临一个是外包协作还是自行生产的问题。该公司生产甲、乙、丙三种产品,都需要经过铸造、机加工和装配三个车间。甲、乙两种产品的铸件可以外包协作,亦可以自行生产,但产品丙必须本厂铸造才能保证质量。数据如表。问:公司为了获得最大利润,甲、乙、丙三种产品各生产多少件?甲、乙两种产品的铸造中,由本公司铸造和由外包协作各应多少件?,23,2,生产计划的问题,解:设,x,1,x,2,x,3,分别为三道工序都由本公司加工的甲、乙、丙三种,产品的件数,,x,4,x,5,分别为由外协铸造再由本公司加工和装配的甲、乙两,种产品的件数。,求,x,i,的利润:利润,=,售价,-,各成本之和,产品甲全部自制的利润,=23-(3+2+3)=15,产品甲铸造外协,其余自制的利润,=23-(5+2+3)=13,产品乙全部自制的利润,=18-(5+1+2)=10,产品乙铸造外协,其余自制的利润,=18-(6+1+2)=9,产品丙的利润,=16-(4+3+2)=7,可得到,x,i,(,i=1,2,3,4,5,)的利润分别为,15,、,10,、,7,、,13,、,9,元。,24,2,生产计划的问题,通过以上分析,可建立如下的数学模型,:,目标函数,:,Max 15,x,1,+10,x,2,+7,x,3,+13,x,4,+9,x,5,约束条件,:,5,x,1,+10,x,2,+7,x,3,8000,6,x,1,+4,x,2,+8,x,3,+6,x,4,+4,x,5,12000,3,x,1,+2,x,2,+2,x,3,+3,x,4,+2,x,5,10000,x,1,x,2,x,3,x,4,x,5,0,25,2,生产计划的问题,例,4,永久机械厂生产,、,、,三种产品,均要经过,A,、,B,两,道工序加工。设有两种规格的设备,A,1,、,A,2,能完成,A,工序;有三种规格的设备,B,1,、,B,2,、,B,3,能完成,B,工序。,可在,A,、,B,的任何规格的设备上加工;,可在任意规格的,A,设备上加工,但对,B,工序,只能在,B,1,设备上加工;,只能在,A,2,与,B,2,设备上加工。数据如表。问:为使该厂获得最大利润,应如何制定产品加工方案?,26,2,生产计划的问题,解:设,x,ijk,表示第,i,种产品,在第,j,种工序上的第,k,种设备上加工的数量。建立如下的数学模型,:,s.t.5,x,111,+10,x,211,6000,(设备,A,1,),7,x,112,+9,x,212,+12,x,312,10000,(设备,A,2,),6,x,121,+8,x,221,4000,(设备,B,1,),4,x,122,+11,x,322,7000,(设备,B,2,),7,x,123,4000,(设备,B,3,),x,111,+,x,112,-,x,121,-,x,122,-,x,123,=0,(,产品在,A,、,B,工序加工的数量相等),x,211,+,x,212,-,x,221,=0,(,产品在,A,、,B,工序加工的数量相等),x,312,-,x,322,=0,(,产品在,A,、,B,工序加工的数量相等),x,ijk,0 ,i=1,2,3;j=1,2;k=1,2,3,27,2,生产计划的问题,目标函数为计算利润最大化,利润的计算公式为:,利润,=,(销售单价,-,原料单价)*产品件数,之和,-,(每台时的设备费用*设备实际使用的总台时数)之和。,这样得到目标函数:,Max(1.25-0.25)(x,111,+x,112,)+(2-0.35)x,221,+(2.80-0.5)x,312,300/6000(5x,111,+10 x,211,)-321/10000(7x,112,+9x,212,+12x,312,)-,250/4000(6x,121,+8x,221,)-783/7000(4x,122,+11x,322,)-200/4000(7x,123,).,经整理可得:,Max0.75,x,111,+0.7753,x,112,+1.15,x,211,+1.3611,x,212,+1.9148,x,312,-0.375,x,121,-0.5,x,221,-0.4475,x,122,-1.2304,x,322,-0.35,x,123,28,合理下料问题,在加工业中,经常遇到这类问题。,问题的一般提法是,:,已知某种尺寸的棒料或板材,需要将其切割成一定数量既定规格的几种零件毛坯,问应如何选取合理的下料方法,使得既满足对截出毛坯的数量要求,又使所用的原材料最少(或废料最少)?,29,解决这类问题一般有两个步骤:,步骤一,、,按照一定的思路设法列出所有的,排料方案,(也称下料方案或排料图),当方案很多,甚至无法一一列出时,通常应先,确定一些筛选原则,,把明显不合理的方案删除,仅仅考虑剩余的为数不太多的方案;,步骤二,、,设,x,i,表示按第种方案下料的棒料根数(或板材块数),i=1,2,n,,按照问题的要求建立,LP,模型,。,30,例,某厂接受了一批加工定货,客户要求加工,100,套钢架,每套由长,2.9,米、,2.1,米和,1.5,米的圆钢各一根组成。现在仅有一批长,7.4,米的棒料毛坯,问应如何下料,使所用的棒料根数最少?,31,最简单的处理方法:,从一根棒料上截取,2.9,米、,2.1,米和,1.5,米的棒料各一根,正好配成一套钢架,,100,套钢架总共需要,100,根棒料毛坯。每根棒料毛坯剩下,0.9,米的料头,100,根毛坯总共剩,90,米料头。,这是最好的办法吗?,合理套裁,肯定会有更好的效果。,先设法列出所有的下料方案,,思路如图。,32,排列下料方案思路图,33,设,x,i,为按第,i,种方案下料的棒料根数,,,建立,LP,模型如下:,34,3,套裁下料问题,例,5,某工厂要做,100,套钢架,每套用长为,2.9 m,2.1 m,1.5 m,的圆钢各一根。已知原料每根长,7.4 m,,问:应如何下料,可使所用原料最省?,解:共可设计下列,5,种下料方案,见下表,设,x,1,x,2,x,3,x,4,x,5,分别为上面,5,种方案下料的原材料根数。这样我们建立如下的数学模型。,目标函数:,Min,x,1,+,x,2,+,x,3,+,x,4,+,x,5,约束条件:,s.t.,x,1,+2,x,2,+,x,4,100,2,x,3,+2,x,4,+,x,5,100,3,x,1,+,x,2,+2,x,3,+3,x,5,100,x,1,x,2,x,3,x,4,x,5,0,35,用“管理运筹学”软件计算得出最优下料方案:按方案,1,下料,30,根;按方案,2,下料,10,根;按方案,4,下料,50,根。,即,x,1,=30;,x,2,=10,;,x,3,=0,;,x,4,=50,;,x,5,=0,;,只需,90,根原材料就可制造出,100,套钢架。,注意:在建立此类型数学模型时,约束条件用大于等于号比用等于号要好。因为有时在套用一些下料方案时可能会多出一根某种规格的圆钢,但它可能是最优方案。如果用等于号,这一方案就不是可行解了。,3,套裁下料问题,36,合理配料问题,问题的一般提法:由多种原料配置成含有,m,种成分的产品,已知产品中所含各成分的需要量及每种原料的价格,同时知道各种原料中所含,m,种成分的数量,要求给出,使产品成本最低的配料方案,。如:,伙食问题,(也称营养问题)、,饲料配比问题,、化工产品中的,混合问题,等都属于这类问题。,37,例营养问题,要求制定一个既经济又合乎健康标准的食谱,。一个简单的例子:,现准备采购甲、乙两种食品,表中给出了已知价格及相关的营养成分。最右栏给出了按营养学标准每人每天的最低需要量。问应如何采购食品才能在保证营养要求的前提下花费最省?,38,表,1-2,营养问题已知数据表,39,设,x,1,、,x,2,分别为甲、乙两种食品的采购量,则购买两种食品的总费用为,Z=1.2x,1,+1.9x,2,,,依题意可列出下面的线性规划:,40,营养问题适用范围:,&,运动员集训队食谱设计;,&,幼儿园、医院等特殊群体的营养配餐;,&,机关、学校、企业等企事业单位团体伙食设计;,&,家庭食谱设计,;,小实践选题建议,2,:,为所在班级同学设计不同要求的食谱,41,对不同对象的,营养要求,从营养学资料和通过医生咨询得到;,各种,食品的价格,通过不同季节的市场调查获取;,一些,特殊要求,,比如,饮食习惯、偏好,等,可通过适当处理,转化为约束条件加入模型;,资料获取渠道及特殊要求的处理建议:,42,例(,饲料配比问题),某配合饲料厂生产以鸡饲料为主的配合饲料,现准备研制一种新的,肉用仔鸡专用饲料,,所用原料的营养成分和饲养标准见表,希望这种新饲料,能满足肉用仔鸡的喂养需要,又使,总成本尽可能低,,应如何设计配比方案?,43,44,已知各种原料的购进价,1,公斤分别为,:0.314(,玉米,),、,054(,豆饼,),、,0.22,(麦麸)、,1.20,(鱼粉)、,0.40,(骨粉)、,0.50,(鸡促进素)元。,45,设,每,100,公斤,饲料中配给的玉米、豆饼、麦麸、鱼粉、骨粉、鸡促进素分别为,x,1,、,x,2,、,x,3,、,x,4,、,x,5,、,x,6,公斤,,则,饲料配比即为,x,1,:,x,2,:,x,3,:,x,4,:,x,5,:,x,6,;,于是,,可建立下面的线性规划:,46,47,4,配料问题,例,6,某工厂要用三种原料,1,、,2,、,3,混合调配出三种不同规格的,产品甲、乙、丙,数据如右表。,问:该厂应如何安排生产,使利,润收入为最大?,解:设,x,ij,表示第,i,种(甲、乙、丙)产品中原料,j,的含量。这样我们建立数学模型时,要考虑:,对于甲:,x,11,,,x,12,,,x,13,;,对于乙:,x,21,,,x,22,,,x,23,;,对于丙:,x,31,,,x,32,,,x,33,;,对于原料,1,:,x,11,,,x,21,,,x,31,;,对于原料,2,:,x,12,,,x,22,,,x,32,;,对于原料,3,:,x,13,,,x,23,,,x,33,;,目标函数:利润最大,利润,=,收入,-,原料支出,约束条件:规格要求,4,个;,供应量限制,3,个。,48,4,配料问题,利润,=,总收入,-,总成本,=,甲乙丙三种产品的销售单价*产品数量,-,甲乙丙使用的原料单价*原料数量,故有,目标函数,Max 50,(,x,11,+,x,12,+,x,13,),+35,(,x,21,+,x,22,+,x,23,),+25,(,x,31,+,x,32,+,x,33,),-65,(,x,11,+,x,21,+,x,31,),-25,(,x,12,+,x,22,+,x,32,),-35,(,x,13,+,x,23,+,x,33,),=-15,x,11,+25,x,12,+15,x,13,-30,x,21,+10,x,22,-40,x,31,-10,x,33,约束条件:,从第,1,个表中有:,x,11,0.5(,x,11,+,x,12,+,x,13,),x,12,0.25(,x,11,+,x,12,+,x,13,),x,21,0.25(,x,21,+,x,22,+,x,23,),x,22,0.5(,x,21,+,x,22,+,x,23,),49,4,配料问题,从第,2,个表中,生产甲乙丙的原材料不能超过原,材料的供应限额,故有,(,x,11,+,x,21,+,x,31,)100,(,x,12,+,x,22,+,x,32,)100,(,x,13,+,x,23,+,x,33,)60,通过整理,得到以下模型:,50,4,配料问题,例,6,(续),目标函数:,Max z=-15,x,11,+25,x,12,+15,x,13,-30,x,21,+10,x,22,-40,x,31,-10,x,33,约束条件:,s.t.0.5,x,11,-0.5,x,12,-0.5,x,13,0,(原材料,1,不少于,50%,),-0.25,x,11,+0.75,x,12,-0.25,x,13,0,(原材料,2,不超过,25%,),0.75,x,21,-0.25,x,22,-0.25,x,23,0,(原材料,1,不少于,25%,),-0.5,x,21,+0.5,x,22,-0.5,x,23,0,(原材料,2,不超过,50%,),x,11,+,x,21,+,x,31,100 (,供应量限制),x,12,+,x,22,+,x,32,100 (,供应量限制),x,13,+,x,23,+,x,33,60 (,供应量限制),x,ij,0 ,i=1,2,3;j=1,2,3,51,4,配料问题,标准汽油,辛烷数,蒸汽压力,(g/cm,2,),库存量,(L),1,107.5,7.11,10,-2,380000,2,93.0,11.38,10,-2,265200,3,87.0,5.69,10,-2,408100,4,108.0,28.45,10,-2,130100,例,7.,汽油混合问题。一种汽油的特性可用两种指标描述,用,“,辛烷数,”,来定量描述其点火特性,用,“,蒸汽压力,”,来定量描述其挥发性。某炼油厂有,1,、,2,、,3,、,4,种标准汽油,其特性和库存量列于表,4-6,中,将这四种标准汽油混合,可得到标号为,1,,,2,的两种飞机汽油,这两种汽油的性能指标及产量需求列于表,4-7,中。问应如何根据库存情况适量混合各种标准汽油,既满足飞机汽油的性能指标,又使,2,号汽油满足需求,并使得,1,号汽油产量最高?,飞机汽油,辛烷数,蒸汽压力,(g/cm,2,),产量需求,1,不小于,91,不大于,9.96,10,-2,越多越好,2,不小于,100,不大于,9.96,10,-2,不少于,250000,表,4-6,表,4-7,52,4,配料问题,解:设,x,ij,为飞机汽油,i,中所用标准汽油,j,的数量,(L),。,目标函数为飞机汽油,1,的总产量:,库存量约束为:,产量约束为飞机汽油,2,的产量:,由物理中的分压定律,可得有关蒸汽压力的约束条件:,同样可得有关辛烷数的约束条件为:,53,4,配料问题,综上所述,得该问题的数学模型为:,54,4,配料问题,由管理运筹学软件求解得:,55,5,投资问题,例,8,某部门现有资金,200,万元,今后五年内考虑给以下的项目投资。已知:项,目,A,:从第一年到第五年每年年初都可投资,当年末能收回本利,110%,;项目,B,:从第,一年到第四年每年年初都可投资,次年末能收回本利,125%,,但规定每年最大投资额,不能超过,30,万元;项目,C,:需在第三年年初投资,第五年末能收回本利,140%,,但规,定最大投资额不能超过,80,万元;项目,D,:需在第二年年初投资,第五年末能收回本,利,155%,,但规定最大投资额不能超过,100,万元。,据测定每万元每次投资的风险指数如右表:,问:,a,)应如何确定这些项目的每年投资额,使得第五年年末拥有资金的本利金额为最大?,b,)应如何确定这些项目的每年投资额,使得第五年年末拥有资金的本利在,330,万元的基础上使得其投资总的风险系数为最小?,解:,1,),确定决策变量:连续投资问题,设,x,ij,(i=1,5,,,j=1,4),表示第,i,年初投资于,A(j=1),、,B(j=2),、,C(j=3),、,D(j=4),项目的金额。这样我们建立如下的决策变量:,A x,11,x,21,x,31,x,41,x,51,B x,12,x,22,x,32,x,42,C,x,33,D,x,24,56,2,)约束条件:,第一年:,A,当年末可收回投资,故第一年年初应把全部资金投出去,于是,x,11,+,x,12,=200,;,第二年:,B,次年末才可收回投资,故第二年年初有资金,1.1,x,11,,于是,x,21,+,x,22,+,x,24,=1.1,x,11,;,第三年:年初有资金,1.1,x,21,+1.25,x,12,,于是,x,31,+,x,32,+,x,33,=1.1,x,21,+1.25,x,12,;,第四年:年初有资金,1.1,x,31,+1.25,x,22,,于是,x,41,+,x,42,=1.1,x,31,+1.25,x,22,;,第五年:年初有资金,1.1,x,41,+1.25,x,32,,于是,x,51,=1.1,x,41,+1.25,x,32,;,B,、,C,、,D,的投资限制:,x,i2,30(i=1,、,2,、,3,、,4),,,x,33,80,,,x,24,100,3,)目标函数及模型:,a),Max z=1.1,x,51,+1.25,x,42,+1.4,x,33,+1.55,x,24,s.t.,x,11,+,x,12,=200,x,21,+,x,22,+,x,24,=1.1,x,11,;,x,31,+,x,32,+,x,33,=1.1,x,21,+1.25,x,12,;,x,41,+,x,42,=1.1,x,31,+1.25,x,22,;,x,51,=1.1,x,41,+1.25,x,32,;,x,i2,30(i=1,、,2,、,3,、,4),,,x,33,80,,,x,24,100,x,ij,0 (i=1,、,2,、,3,、,4,、,5,;,j=1,、,2,、,3,、,4,),5,投资问题,57,b),所设变量与问题,a,相同,目标函数为风险最小,有,Min f=,x,11,+,x,21,+,x,31,+,x,41,+,x,51,+3(,x,12,+,x,22,+,x,32,+,x,42,)+4,x,33,+5.5,x,24,在问题,a,的约束条件中加上,“,第五年末拥有资金本利在,330,万元,”,的条件,,于是模型如下:,Min f=(,x,11,+,x,21,+,x,31,+,x,41,+,x,51,)+3(,x,12,+,x,22,+,x,32,+,x,42,)+4,x,33,+5.5,x,24,s.t.,x,11,+,x,12,=200,x,21,+,x,22,+,x,24,=1.1,x,11,;,x,31,+,x,32,+,x,33,=1.1,x,21,+1.25,x,12,;,x,41,+,x,42,=1.1,x,31,+1.25,x,22,;,x,51,=1.1,x,41,+1.25,x,32,;,x,i2,30(i=1,、,2,、,3,、,4),,,x,33,80,,,x,24,100,1.1,x,51,+1.25,x,42,+1.4,x,33,+1.55,x,24,330,x,ij,0 (i=1,、,2,、,3,、,4,、,5,;,j=1,、,2,、,3,、,4,),5,投资问题,例,某油田通过输油管道向港口输送原油,中间有,4,个泵站,每段管道上的输送能力如图所示,已知泵站没有储存能力,求这个系统的最大输送能力。,最大流量问题,泵站,4,泵站,3,油田,S,泵站,2,泵站,1,码头,t,5 12,4,8 11,6,7,10,设从各点往其它点的输送量如下表所示,出发点,到达点,输送量,S,S,泵站,1,泵站,1,泵站,2,泵站,2,泵站,3,泵站,3,泵站,4,泵站,1,泵站,2,泵站,3,码头,t,泵站,3,泵站,4,泵站,4,码头,t,码头,t,x,1,x,2,x,3,x,4,x,5,x,6,x,7,x,8,x,9,依题意:,目标函数,为,输送原油的总量,;,约束条件有两类,:,一类是管道上的流量约束;,另一类是每个中间泵站上的平衡约束,,即,中间泵站上的原油流入量和流出量相等,根据上述分析建立线性规划模型如下:,62,1,号泵站平衡约束,2,号泵站平衡约束,3,号泵站平衡约束,4,号泵站平衡约束,相应弧上的约束,
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