LINGO的使用方法说明大全.docx

1、LINGO的使用方法说明大全LINGO的使用简介LINGO软件就是美国的LINGO系统公司开发的一套专门用于求解最优化问题的软件包.LINGO除了能够用于求解线性规划与二次规划外,还可以用于非线性规划求解、以及一些线性与非线性方程(组)的求解等.LINGO软件的最大特色在于它允许优化模型中的决策变量为整数,即可以求解整数规划,而且执行速度快.LINGO就是用来求解线性与非线性优化问题的简易工具.LINGO内置了一种建立最优化模型的语言,可以简便地表达大规模问题,利用LINGO高效的求解器可快速求解并分析结果.在这里仅简单介绍LINGO的使用方法.LINGO(Linear INteractive

2、 and General Optimizer )的基本含义就是交互式的线性与通过优化求解器.它就是美国芝加哥大学的 Linus Schrage 教授于1980年开发了一套用于求解最优化问题的工具包,后来经过完善成何扩充,并成立了LINDO系统公司.这套软件主要产品有:LINDO,LINGO,LINDO API与WhatsBest.它们在求解最优化问题上,与同类软件相比有着绝对的优势.软件有演示版与正式版.正式版包括:求解包(solver suite)、高级版(super)、超级版(hyper)、工业版(industrial)、扩展版(extended).不同版本的LINGO对求解问题的规模有限

3、制,如附表-1所示.附表-1 不同版本LINGO对求解规模的限制版本类型 总变量数 整数变量数非线性变量数 约束数演示版 300 30 30 150求解包 500 50 50 250高级版 2000 200 200 1000超级版 8000 800 800 4000工业版 32000 3200 32000 16000扩展版 无限 无限 无限 无限3、1 LINGO程序框架LINGO可以求解线性规划、二次规划、非线性规划、整数规划、图论及网络最优化问题与最大最小求解问题,以及排队论模型中最优化等问题.一个LINGO程序一般会包括以下几个部分:(1) 集合段:集部分就是LINGO模型的一个可选部分

4、.在LINGO模型中使用集之前,必须在集部分事先定义.集部分以关键字“sets:”开始,以“endsets”结束.一个模型可以没有集部分,或有一个简单的集部分,或有多个集部分.一个集部分可以放置于模型的任何地方,但就是一个集及其属性在模型约束中被引用之前必须先定义.(2) 数据段:在处理模型的数据时,需要为集部分定义的某些元素在LINGO求解模型之前为其指定值.数据部分以关键字“data:”开始,以关键字“enddata”结束.(3) 目标与约束段:这部分用来定义目标函数与约束条件等.该部分没有开始与结束的标记.主要就是要用到LINGO的内部函数,尤其就是与集合有关的求与与循环函数等.(4)初

5、始段:这个部分要以关键字“INIT:”开始,以关键字“ENDINIT”结束,它的作用就是对集合的属性定义一个初值.在一般的迭代算法中,如果可以给一个接近最优解的初始值,会大大减少程序运行的时间.(5) 数据预处理段:这一部分就是以关键字“CALC:”开始,以关键字“ENDCALC”结束.它的作用就是把原始数据处理成程序模型需要的数据,它的处理就是在数据段输入完以后、开始正式求解模型之前进行的,程序语句就是按顺序执行的.3、2 LINGO中集合的概念在对实际问题建模的时候,总会遇到一群或多群相联系的对象,比如工厂、消费者群体、交通工具与雇工等等.LINGO允许把这些相联系的对象聚合成集(sets

6、).一旦把对象聚合成集,就可以利用集来最大限度地发挥LINGO建模语言的优势.现在将深入介绍如何创建集,并用数据初始化集的属性.3、2、1集的构成集就是LINGO建模语言的基础,就是程序设计最强有力的基本构件.借助于集能够用一个单一的、简明的复合公式表示一系列相似的约束,从而可以快速方便地表达规模较大的模型.集就是一群相联系的对象,这些对象也称为集的元素.一个集可能就是一系列产品、卡车或雇员.每个集的元素可能有一个或多个与之有关联的特征,把这些特征称为属性.属性值可以预先给定,也可以就是未知的,有待于LINGO求解的.LINGO有两种类型的集:原始集(primitiveset)与派生集(der

7、ived set).一个原始集就是由一些最基本的对象组成的.一个派生集就是用一个或多个其它集来定义的,也就就是说,它的元素来自于其它已存在的集.3、2、2模型的集部分集部分在程序中又称为集合段,它就是LINGO模型的一个可选部分.在LINGO模型中使用集之前,必须在集部分事先定义.集部分以关键字“sets:”开始,以“endsets”结束.一个模型可以没有集部分,或有一个简单的集部分,或有多个集部分.一个集部分可以放置于模型的任何地方,但就是一个集及其属性在模型约束中被引用之前必须先定义.(1)原始集的定义为了定义一个原始集,必须详细说明集的名字,而集的元素与相应的属性就是可选的.定义一个原始

8、集,用下面的语法:setname/member_list/:attribute_list;注意:用“”表示该部分内容就是可选的(下同).Setname就是用来标记集的名字,最好具有较强的可读性.集名字必须严格符合标准命名规则:以拉丁字母或下划线为首字符,其后由拉丁字母、下划线、阿拉伯数字组成的总长度不超过32个字符的字符串,且不区分大小写.注意:该命名规则同样适用于集元素名与属性名等的命名.Member_list就是集元素的列表.如果集元素放在集定义中,那么对它们可采取显式与隐式罗列两种方式.如果集元素不放在集定义中,那么可以在随后的数据部分定义. 当显式罗列元素时,必须为每个元素输入一个不同

9、的名字,中间用空格或逗号隔开,允许混合使用.例3、1 定义一个名为friends的原始集,它具有元素John,Jill,Rose与Mike,其属性有sex与age:sets:friends/John Jill, Rose Mike/: sex, age;endsets 当隐式罗列元素时,不必罗列出每个集元素.可采用如下语法:setname/member1、memberN/: attribute_list;这里的member1就是集的第一个元素名,memberN就是集的最后一个元素名.LINGO将自动产生中间的所有元素名.LINGO也接受一些特定的首元素名与末元素名,用于创建一些特殊的集. 集元

10、素不放在集定义中,而在随后的数据部分来定义.例3、2!集部分;sets:friends:sex,age;endsets!数据部分;data:friends,sex,age=John,1,16 Jill,0,14 Rose,0,17 Mike,1,13;enddata注意:开头用感叹号(!),末尾用分号(;)表示注释,可跨多行.在集部分只定义了一个集friends,并未指定元素.在数据部分罗列了集元素John,Jill,Rose与Mike,并对属性sex与age分别给出了值.集元素无论用何种字符标记,它的索引都就是从1开始连续计数.在attribute_ list可以指定一个或多个集元素的属性,

11、属性之间必须用逗号隔开.LINGO内置的建模语言就是一种描述性语言,用它可以描述现实世界中的一些问题,然后再借助于LINGO求解器求解.因此,集属性的值一旦在模型中被确定,就不可能再更改.只有在初始部分中给出的集属性值在以后的求解中可更改.这与前面并不矛盾,初始部分就是LINGO求解器的需要,并不就是描述问题所必须的.(2) 定义派生集为了定义一个派生集,必须详细说明集的名字与父集的名字,而集元素与属性就是可选的.可用下面的语法定义一个派生集:setname(parent_set_list)/member_list/:attribute_list;setname就是集的名字.parent_se

12、t_list就是已定义的集的列表,多个时要用逗号隔开.如果没有指定成员列表,那么LINGO会自动创建父集元素的所有组合作为派生集的元素.派生集的父集既可以就是原始集,也可以就是其它的派生集.例3、3sets:product/A,B/;machine/M,N/;week/1、2/;allowed(product,machine,week):x;endsetsLINGO生成了三个父集的所有组合共八组作为allowed集的元素,列表如下:编号 元素 1 (A,M,1) 2 (A,M,2) 3 (A,N,1) 4 (A,N,2) 5 (B,M,1) 6 (B,M,2) 7 (B,N,1) 8 (B,N

13、,2)元素列表被忽略时,派生集成员由父集成员所有的组合构成,这样的派生集成为稠密集.如果限制派生集的成员,使它成为父集成员所有组合构成的集合的一个子集,这样的派生集成为稀疏集.同原始集一样,派生集元素的说明也可以放在数据部分.一个派生集的元素列表有两种方式生成:显式罗列;设置元素选择的过滤器.当采用方式时,必须显式罗列出所有要包含在派生集中的元素,并且罗列的每个元素要属于稠密集.使用前面的例子,显式罗列派生集的元素,如:allowed(product,machine,week)/A M 1,A N 2,B N 1/;如果需要生成一个大的、稀疏的集,那么显式罗列就十分麻烦.但就是许多稀疏集的元素

14、都满足一些条件,可以把这些逻辑条件瞧作过滤器,在LINGO生成派生集的元素时把使逻辑条件为假的元素从稠密集中过滤掉.例3、4sets:!学生集:性别属性sex,1表示男性,0表示女性;年龄属性age;students/John,Jill,Rose,Mike/:sex,age;!男学生与女学生的联系集:友好程度属性friend！0,1之间的数;linkmf(students,students)|sex(&1)#eq#1#and#sex(&2)#eq#0: friend;!男学生与女学生的友好程度大于0、5的集;linkmf2(linkmf) | friend(&1,&2) #ge# 0、5 :

15、x;endsetsdata:sex,age =1 16,0 14,0 17,0 13;friend =0、3,0、5,0、6;enddata用竖线(|)来标记一个元素过滤器的开始.#eq#就是逻辑运算符,用来判断就是否“相等”、 &1可瞧作派生集的第1个原始父集的索引,它取遍该原始父集的所有元素;&2可瞧作派生集的第2 个原始父集的索引,它取遍该原始父集的所有元素;&3,&4,依此类推.注意如果派生集B的父集就是另外的派生集A,那么上面所说的原始父集就是集A向前回溯到最终的原始集,其顺序保持不变,并且派生集A的过滤器对派生集B仍然有效.因此,派生集的索引个数就是最终原始父集的个数,索引的取值就

16、是从原始父集到当前派生集所作限制的总与.3、3 LINGO数据部分与初始部分在处理模型的数据时,需要为集指定一些元素并且在LINGO求解模型之前为集的某些属性指定数值.为此,LINGO为用户提供了两个可选部分:输入集元素数值的数据部分(Data Section)与为决策变量设置初始值的初始部分(Init Section).3、3、1数据部分(1) 数据部分入门数据部分以关键字“data:”开始,“enddata”结束.在这里,可以指定集元素与集的属性.其语法如下:object_list = value_list;对象列(object_list)包含要指定值的属性名、要设置集元素的集名,用逗号或

17、空格隔开.一个对象列中只能有一个集名,而属性名可以有任意多个.如果对象列中有多个属性名,那么它们的类型必须一致.数值列(value_list)包含要分配给对象列中对象的值,用逗号或空格隔开.注意属性值的个数必须等于集元素的个数.例3、5sets:SET0/A,B,C/: X,Y;endsetsdata:X=1,2,3;Y=4,5,6;enddata在集SET0中定义了两个属性X与Y.X的三个值就是1,2,3,Y的三个值就是4,5,6.也可采用如下例子中的复合数据说明(data statement)实现同样的功能.例3、6sets:SET0/A,B,C/: X,Y;endsetsdata:X,Y

18、=1 4 2,5 3 6;enddata如果对象列中有n个对象,LINGO在为对象指定值时,首先在n个对象的第1个索引处依次分配数值列中的前n个对象,然后在n个对象的第2个索引处依次分配数值列中紧接着的n个对象,依此类推. (2) 参数输入在数据部分也可以指定一些标量变量(scalar variables).当一个标量变量在数据部分确定时,称之为参数.例如,假设模型中用利率9%作为一个参数,就可以输入一个利率作为参数.例3、7data:interest_rate = 、09;enddata实际中也可以同时指定多个参数.如:data:interest_rate,inflation_rate =

19、、09, 、025;enddata(3) 实时数据处理在某些情况下,模型中的某些数据并不就是定值.譬如模型中有一个参数在2%至6%范围内,对不同的值求解模型,观察模型的结果对参数依赖的程度,那么把这种情况称为实时数据处理.处理方法就是在该语句的数值后面输入一个问号(?).例3、8data:interest_rate,inflation_rate = 、09 ?;enddata在每一次求解模型时,LINGO都会提示为参数inflation_rate输入一个值.在WINDOWS操作系统下,将会瞧到一个如下面的对话框:直接输入一个值再点击OK按钮,LINGO就会把输入的值指定赋给inflation_

20、rate,然后继续求解模型.除了参数之外,也可以实时输入集的属性值,但不允许实时输入集元素名.(4) 指定属性为一个值可以在数据定义的右边输入一个值来把所有的元素的该属性指定为一个值.如下面的例子.例3、9sets:days /MO,TU,WE,TH,FR,SA,SU/:needs;endsetsdata:needs = 40;enddataLINGO将用40指定days集的所有元素的needs属性.对于多个属性的情形如下:sets:days /MO,TU,WE,TH,FR,SA,SU/:needs,cost;endsetsdata:needs cost = 40 90;enddata(5)

21、数据部分的未知数值表示法有时候只需为一个集的部分元素的某个属性指定数值,而让其余元素的该属性就是未知的,以便让LINGO去求出它们的最优值.在数据定义中输入两个相连的逗号表示该位置对应元素的属性值未知,两个逗号间可以有空格.例3、10sets:years/1、6/: capacity;endsetsdata:capacity = ,24,40,;enddata属性capacity的第2个与第3个值分别为24与40,其余的未知.3、3、2初始部分初始部分就是LINGO提供的另一个可选内容.在初始部分中,与数据部分中的数据定义相同,可以输入初始定义(initialization statement

22、).在对实际问题的建模时,初始部分并不起到描述模型的作用,初始部分输入的值仅被LINGO求解器当作初始值来使用,并且仅仅对非线性模型有用.这与数据部分指定变量的值不同,LINGO求解器可以自由改变初始部分初始化变量的数值.一个初始部分以关键字“init:”开始,以关键字“endinit”结束.初始部分的初始定义规则与数据部分的数据定义规则相同.也就就是说,可以在定义的左边同时初始化多个集属性,即可以把集属性初始化为一个数值,也可以用问号定义为实时数据,还可以用逗号指定为未知数值.例3、11init:X,Y = 1,0;endinitY=log(X);X2+Y2=1;3、4 LINGO函数3、4

23、、1运算符及其优先级LINGO 中的运算符可以分为三类:算数运算符、逻辑运算符与关系运算符.(1) 算数运算符算数运算符分为5种: (加法), (减法), (乘法), (除法), (求幂).(2) 逻辑运算符逻辑运算符分为两类:#AND#(与),#OR#(或),#NOT#(非):这3个运算符就是参与逻辑值之间的运算,其结果还就是逻辑值.运算符#EQ#(等于),#NE#(不等于),#GT#(大于),#GE#(大于等于),#LT#(小于),#LE#(小于等于)就是用于“数与数之间”的比较,其结果就是实逻辑值.(3) 关系运算符LINGO中有3种关系运算符:(大于等于),=(等于).注意LINGO中

24、优化模型的约束一般没有严格大于、严格小于,要与逻辑运算符区分开.运算符的优先等级如附表3-2所示.附表3-2 运算符的优先级优先级运算符高级#NOT# ,(负号)* ,/+,#EQ#,#NE#,#GT#,#GE#,#LT#,#LE#,#AND#,#OR#最低3、4、2 LINGO数学函数(1) 基本数学函数LINGO中有相当丰富的数学函数,这些函数的用法简单.下面列表对各个函数的用法做简单的介绍,具体情况如附表3-3所示.(2) 集合循环函数集合循环就是指对集合上的元素(下标)进行循环操作的函数,它的一般用法如下:function(setname(set_index_list)|conditi

25、on:expression_list);其中function就是集合函数名,就是FOR,MAX,MIN,PROD,SUM五种之一.setname就是集合名;set_index_list就是集合索引列表(可以省略);condition就是实用逻辑表达式描述的过滤条件(通常含有索引,可以省略);expression_list就是一个表达式(对FOR可以就是一组表达式).下面对具体的集合函数作如下解释:FOR(集合元素的循环函数):对集合setname的每个元素独立生成表达式,表达式由expression_list描述.MAX(集合属性的最大值):返回集合setname上的表达式的最大值.MIN(集

26、合属性的最小值) :返回集合setname上的表达式的最小值.PROD(集合元素的乘积函数):返回集合setname上的表达式的积.SUM(集合元素的求与函数) :返回集合setname上的表达式的与.表附3-3 基本数学函数函数调用格式含义ABS(X)返回X的绝对值COS(X)返回X的余弦值(X单位就是弧度)SIN(X)返回X的正弦值(X单位就是弧度)FLOOR(X)返回X的整数部分LGM(X)返回X的伽马(Gamma)函数的自然对数值LOG(X)返回X的自然对数值MOD(X,Y)返回X对Y取模的结果POW(X,Y)返回XY的值SIGN(X)返回X的符号值EXP(X)返回eX的值SMAX(L

27、IST)返回一列数的最大值SMIN(LIST)返回一列数的最小值SQR(X)返回X的平方SQRT(X)返回X的正的平方根值TAN(X)返回X的正切值 (3) 集合操作函数集合操作函数就是对集合进行操作的函数,主要有4种,下面分别介绍它们的一般用法.1)INDEX(set_name,primitive_set_element)这个函数给出元素primitive_set_element在集合set_name中的索引值(即按定义集合时元素出现顺序的位置编号).如果省略编号set_name,LINGO按模型中定义的集合顺序找到第一个含有元素primitive_set_element的集合,并返回索引值

28、.通过下面例子解释函数的使用方法.例如,假设定义一个女孩的姓名集合与一个男孩的姓名集合:SETS:GIRLS/DEBBLE,SUE,ALICE/;BOYS/BOB,JOE,SUE,FRED/;ENDSETS注意到女孩集与男孩集中都有一个为SUE的元素,如果要调用此函数INDEX(SUE),则得到返回索引值就是2.因为集合GIRLS在集合BOYS之前,则索引函数只对集合GIRLS检索.如果想查找男孩集中的SUE,则应该使用INDEX(BOYS,SUE),则此时得到的索引值就是3.2)IN(set_name,primitive_index_1,primitive_index_2 )这个函数用于判断

29、一个集合中就是否含有某个索引值.它的返回值就是1(逻辑值“真”),或就是0(逻辑值“假”).例3、12全集为I,B就是I的一个子集,C就是B的补集.sets:I/x1、x4/;B(I)/x2/;C(I)|#not#in(B,&1):;endsets3)wrap(index,limit)该函数返回j=index-k*limit,其中k就是一个整数,取适当值保证j落在区间1,limit内.该函数相当于index模limit再加1.该函数在循环、多阶段计划编制中特别有用.4)size(set_name)该函数返回集set_name的元素个数.在LINGO模型中,如果没有明确给出集的大小,则使用该函数

30、能够使模型中的数据变化与集的大小改变更加方便.(4) 变量定界函数变量界定函数能够实现对变量取值范围的附加限制,共4种:1)bin(x)表示限制就就是x为0或1;2)bnd(L,x,U)表示限制变量x满足;3)free(x)表示取消对变量x的默认下界为0的限制,即x可以取任意实数;4)gin(x)表示限制变量x为整数.在默认情况下,LINGO规定变量就是非负的,即下界值为0,上界为+.free取消了默认的下界为0的限制,使变量也可以取负值.bnd用于设定一个变量的上下界,它也可以取消默认下界为0的约束.(5) 概率论中相关函数1)pbn(p,n,x)二项分布的分布函数,当n与(或)x不就是整数

31、时,用线性插值法进行计算.2)pcx(n,x)自由度为n的2分布的分布函数在x点的取值.3)peb(load,x)当到达负荷(平均服务强度)为load,服务系统有x个服务台,且系统容量无限时的Erlang繁忙概率,多用于解决排队问题.4)pel(load,x)当到达负荷(平均服务强度)为load,服务系统有x个服务台,系统容量为有限时的Erlang繁忙概率,多用于解决排队问题.5)pfd(n,d,x)自由度为n与d的F分布的分布函数在x点的取值.6)pfs(load,x,c)当负荷上限为load,顾客数为c,平行服务台数量为x时,顾客源有限的Poisson服务系统的等待或有返回顾客数的期望值.load就