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设施选址问题

设施选址问题(Facility Location Problem, FLP)是运筹优化中的一类重要模型:企业要在何处建设仓库、门店、分拨中心等设施、各设施服务哪些客户,往往属于长期战略决策。文献(如 Snyder and Shen, 2019)强调的核心权衡是:在固定开设成本(建维费用)与服务可达性/运输成本之间取得平衡。开设设施越多,通常客户离设施更近、服务水平更高,但固定支出越大;只开少量枢纽设施则省固定费,但客户平均距离变长、运输侧负担加重。下列示意(方格为设施、圆点为客户、连线为分配关系)在地图尺度上呈现了这一对比:图 2.17 左为多设施、右为少设施;图源为 Snyder and Shen (2019)。

图 2.17 美国地图多设施与少设施选址示意
左:开通大量设施;右:开通少量设施。方格为设施,圆点为客户;图源 Snyder and Shen (2019)。

从决策结构看,大多数选址类问题同时包含两类相互耦合的决策:在哪些候选点开设施各客户由哪个(或哪些)已开设施服务,因此也常合称选址-分配问题(location-allocation problem)。下面先给出无容量限制情形下的一个基准整数规划形式。

无容量限制的设施选址问题(UFLP)

无容量限制的设施选址问题(Uncapacitated Facility Location Problem, UFLP;亦常记为简单工厂选址/简单设施选址的整数规划形式)是 FLP 的基础版本:在候选点集合中决定开哪些设施,使全体客户需求被满足,并最小化运输(或服务)成本与固定开设成本之和只计固定费、在目标中让运输系数全为 0 时,(1) 退化为以 为主、在 (2)–(4) 仍须满足覆盖/分配结构的情形,与纯覆盖、集合覆盖等模型在文献中常对照讨论,但决策含义已不同于 的 UFLP。

候选设施集合为 客户集合为 。在设施 开设的固定费,由设施 服务客户 单位意义费用。此处常将 解释为:客户 的需求中由 满足的比例,且各客户总需求在归一化后由 表出。决策变量为:

  • :是否在 开设( 为开设);
  • :客户 的需求中由 满足的比例(连续变量;在最优时常在单设施指派结构下为 ,依模型推广而定)。

UFLP 可写为:

(2)表示每个客户被完全分配;(3)为开闭-分配联动:只有已开设的 才能承接正的 。若需求为一般正数 ,目标中常出现 或将 (2) 写为流守恒形式,本页采用比例 的上述写法。

:(1)–(4)是 UFLP 常见线性整数形式;部分写法将 (4) 中 的域记为实矩阵、 为二元向量,与上式等价。

衔接:UFLP 也可采用 Benders 分解(二元向量作主变量、线性分配作子问题),对偶极点给出最优性割、不可行时给出可行性割;推导与小例子见 Benders 分解 第七节。

UFLP 是 NP-难的组合优化问题,实践中除分支定界、割平面与各类分解外,亦广泛使用启发式、元启发式与基于邻域的改进算法;带容量、随机需求、多阶段动态选址等扩展在应用文献中极多,可视为在 (1)–(4) 上增加线性与整数约束或随机参数。

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