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背影
上海交通大學 梁珈瑋2023-05-06
本推送發布于校園封閉管理剛開始時,以改編朱自清《背影》的形式記述了機動學院師生的抗疫生活,同時穿插科普了路徑優化的方法。
作者名稱:梁珈瑋
學校名稱:上海交通大學
作品簡介:本推送發布于校園封閉管理剛開始時,以改編朱自清《背影》的形式記述了機動學院師生的抗疫生活,同時穿插科普了路徑優化的方法。
指導教師:任子文


背影

我與老師不相見已一周有余了,最想念的是他們在黑板上板書的背影,而不是在攝像頭前模糊的笑臉。那天上午,校門封閉式管理,水果也賣完了,正是一籌莫展,不知如何是好之際。

老師給我們打氣:“事已至此,不必難過,好在天無絕人之路!”回宿舍翻出多余的被子,老師住在學院,又湊了幾床床墊。這些日子,老師們非常辛苦,一半因為床位缺少,一半是要盡力保障我們的學習生活。

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到飯點時,叫上舍友吃飯,被老師阻止了一次;現在開始便須一個人去食堂,打整個宿舍的飯回來。因為疫情,老師叫我戴好口罩,和別人隔著一米距離去。他再三叮囑我,甚是仔細。但他終于不放心,怕病毒不講理。其實疫情現在已兩年,病毒已挫敗過兩三次,是沒有什么要緊的了。他躊躇了一會,終于決定還是自己送飯來。我再三回勸他不必來,他只說,“不要緊,你們去不好!”

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我們進了宿舍,拿了盒飯。我吃飯,他忙著送下一棟。盒飯太多了,得多搬很多趟才能送完。他便又忙著去食堂搶存貨。我那時真是聰明過分,總覺他身體不大強壯,非自己來搬不可,但他終于送完了一餐;就自己吃著冷飯。


他抽空給我發送了一份PDF,讓我算算以什么順序送餐最快:

一個老師擁有一輛車,車里最多能裝下C份飯,而他需要給N個樓棟送餐,每棟樓對于飯量的需求為D(i)  (i=1,2,?,N),樓與樓之間的距離為d(i,j)      (i,j=1,2,…,N)。餐廳處于一個固定的位置 (0號宿舍樓),與每棟樓的距離為d(0,i) (i=1,2,…,N)。每個寢室的需求只能一次性滿足。

 

假設該老師從餐廳出發,將指定數量的飯裝到后備箱后,再開往若干個寢室進行分發。完成送餐后,返回餐廳。由于汽車的容量限制,他不可能一趟把所有飯送到。假設他某天中午總共需要送n趟,每一趟都會經過sl (l=1,2,…,n)個寢室,則他中午的路徑可以這么表示:

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其中,xi,j表示:該老師在第趟i運送途中,經歷的第j個寢室樓的編號(i=1,2,…,n,j=1,2,…,si)

注意,由于車的后備箱不能無限制的裝飯,因此我們還需要考慮容量約束:

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為了讓同學們盡快吃上熱乎的飯菜,我們需要在滿足所有樓棟需求的前提下,最小化該老師所經過的路程之和。我們引入0-1變量yki,j作為決策變量,表示該老師的第i趟送餐的第j個樓棟是否為k號寢室樓。該問題就被轉化為了如下的優化問題:

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我將他列出來的式子寫在草稿紙上。他囑我解的時候小心,中間要巧算,不要暴力求解。又囑托我在宿舍里好好戴上口罩。我心里暗笑他的迂;我只消硬解,巧算只是不必!而且宿舍這樣狹小的地方,難道還需要戴口罩嗎?唉,我現在想想,那時真是太聰明了!

日久,我感嘆,“沒有水果牙齦都出血了。”老師往四周看了看說,“我買幾個橘子去。你就在此地,不要走動。”

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我看到那邊食堂前有大堆橘子等著發放。去到那邊食堂,須穿過宿舍區,須走小路又行大路。老師開著大巴車,開過去自然要費事些。我本來要把解到一半的式子給他看的,他不看,只好讓他去。

我看見他戴著白口罩,穿著白色隔離服,透明隔離面罩,頂著烈日走到大巴車邊,慢慢探身上去,尚不大難。可是他穿著全套防護服,要駕駛重型機械,就不容易了。他用左手攀著方向盤,右手握著變速桿;他車里的身子向左微傾,顯出努力的樣子。這時我看見他的背影,我的淚很快地流下來了。

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我趕緊拭干了淚,怕他看見,也怕別人看見。我再向外看時,他已抱了朱紅的橘子往回走了。到樓下時,他先蹲下身,將橘子慢慢放下,生怕磕壞一個。我趕緊穿好防護服,問他怎么這么快。他對著我擺擺手,將一份PDF發到我的郵箱里。于是捶捶酸疼的大腿,心里很輕松似的。過一會兒說,“我走了,你回去快吃東西!”我望著他走出去。他走了幾步,回過頭看見我,說,“別硬解了,是節約法。”


 等他的背影混入來來往往的送著飯的老師中里,再找不著了,我便回去打開文件,我的眼淚又來了。

假設餐廳在 (0, 0) 位置,該老師今天中午需要送10個樓棟的午餐,各個樓棟的分布如下:

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每個樓棟的需求是 [300, 500] 之間的隨機數,如圖例所示。該老師的車最多能容900份飯,我們如何對老師進行路徑規劃,使得所有同學能以最快速度吃到飯呢?

最“原始”的方法,當然是讓老師每棟樓都單獨跑一趟,但這樣費時費力,也米有將車輛的運載量得到充分的利用。該方法的總距離為:95.03。

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一個很直覺的想法就是,把某兩個甚至某三個樓棟進行合并,讓老師在一趟運輸中能同時滿足多個樓棟的需求。我們采用貪心的策略,即每次將路程結余最大,且滿足運輸量約束的兩條路線進行合并。

第一輪迭代,9號樓棟與10號樓棟合并,帶來的結余最大,因此將其合并:

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第二次迭代,第7號樓棟與第8號樓棟合并帶來的路程結余最大,因此將其合并:

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經過5次合并,已經無法再合并了。最終的送餐路徑如下,總路程減小至90.39。

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如此,只通過簡單的合并,就可以大大縮短老師們送餐的距離,也可以讓辛苦奔忙的老師們節約一些時間來調整和休息。


近幾天來,老師一直都是東奔西走,校內的情況也是越來越好。他少年外出求學,讀萬卷書,有了很高學歷。果然他現在送飯也這樣科學!他精通數學,自然工于規劃。身在機動,自然要追求更有效率;大小瑣事通通被他安排妥當。老師的壓力漸漸大了。但最近幾天不見,他依然不提自己有多累,只是惦記著我,惦記著我的同學。在解封越來越近時,他送來了更多口罩和洗手液。我看著他忙碌的背影,在晶瑩的淚光中,仿佛又看見他寫完滿面板書后瀟灑轉身的樣子。或許老師的每一個背影,都在教我們更多的東西罷!



[責任編輯:張振香]
本推送發布于校園封閉管理剛開始時,以改編朱自清《背影》的形式記述了機動學院師生的抗疫生活,同時穿插科普了路徑優化的方法。
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