(定稿)理学院数学10-3班崔羽涵8号学年论文.doc

学号： 10124090308 学年论文题 目 ：酒后驾车模型Title : Drunk dring model学院 理学院 专业 数学与应用数学(师范) 班级 数学10-3 学生 崔羽涵 指导教师（职称） 梁明 （讲师） 完成时间 2013 年 4月 1日至 2013 年 4 月 20日 指导教师评语：长期以来，我国酒后驾车现象一直处于较快增长的态势，由酒后驾车引发的交通事故屡见不鲜，酒后驾车成为备受社会关注的热点问题。论文讨论了在快速饮酒和慢速饮酒两种饮酒方式下血液中酒精含量如何变化的问题，建立了胃、肠和体液里酒精浓度的微分方程，分析了饮酒量、饮酒方式和饮酒者质量三个因素对安全驾车的影响.论文按照数学建模论文的格式写作，思路清晰，分析透彻。 文章选题较有现实意义。文章分析有条理，格式比较规范，达到学年论文要求。评分： 签名： 摘要摘要1长期以来,我国酒后驾车现象一直处于较快增长的态势,由酒后驾车引发的交通事故屡见不鲜,酒后驾车成为备受社会关注的热点问题.本文主要讨论了在两种饮酒方式下血液中酒精含量如何变化的问题.通过建立了胃、肠和体液里酒精浓度的微分方程，综合分析了饮酒量、饮酒方式和饮酒者质量三个因素对安全驾车的影响.关键词 ：数学模型 酒后驾车 微分方程 广东石油化工学院学年论文：酒后驾车模型Abstract2Long-term since, our country has been in a drunken driving phenomenon of rapid growth, the traffic accidents caused by drunk driving it is often seen., has become the hot issue of social concern in drunk driving. This paper mainly discusses on how alcohol content in blood of two drinking way problem. Through the alcohol concentration of differential equations, intestines and stomach in body fluid is established, a comprehensive analysis of the impact of alcohol consumption,drinking patterns and alcohol quality three factors on safety drivingKeywords: mathematical model differential equation driving car intoxicated第一章：问题重述31 问题重述广东石油化工学院：酒后驾车模型据报载，2003年全国道路交通事故死亡人数为10.4372万，其中因饮酒驾车造成的占有相当的比例.针对这种严重的道路交通情况，国家质量监督检验检疫局2004年5月31日发布了新的车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阈值与检验国家标准，新标准规定，车辆驾驶人员血液中的酒精含量大于或等于20毫克百毫升，小于80毫克百毫升为饮酒驾车（原标准是小于100毫克百毫升），血液中的酒精含量大于或等于80毫克百毫升为醉酒驾车（原标准是大于或等于100毫克百毫升）.小于在中午12点喝了一瓶啤酒，下午6点检查时符合新的驾车标准，紧接着他在吃晚饭时又喝了一瓶啤酒，为了保险起见他呆到凌晨2点才驾车回家，又一次遭遇检查时却被定为饮酒驾车，这让他既懊恼又困惑，为什么喝同样多的酒，两次检查结果会不一样呢？并进一步分析快速或匀速饮3瓶啤酒在多长时间内驾车就会违反新标准，估计血液中的酒精含量在什么时间最高，如果某人天天喝酒，是否还能开车等问题. 给想喝一点酒的司机如何驾车提出忠告并根据所做出的结果，结合新国家标准写一篇短文.42 问题分析第三章：模型假设5根据生物学知识可得，酒精进入机体后，同药物一样，作用于机体而影响某些器官组织的功能；另一方面酒精在机体的影响下，可以发生一系列的运动和体内过程：自用药部位被吸收进入血液循环；然后分布于各器官组织、组织间隙或细胞内；有部分酒精则在血浆、组织中与蛋白质结合；或在各组织（主要是肝脏）发生化学反应而被代谢；最后，酒精可通过各种途径离开机体（排泄）；即吸收、分布、代谢和排泄过程。它们可归纳为两大方面：一是酒精在体内位置的变化，即酒精的转运，如吸收、分布、排泄；二是酒精的化学结构的改变，即酒精的转化亦即狭义的代谢。由于转运和转化以致形成酒精在体内的量或浓度（血浆内、组织内）的变化，而且这一变化可随时间推移而发生动态变化.另外，根据生物学知识还知道酒精主要由胃、肠吸收，随后进入血液并随血液输送至体内各组织器官内，最后在肝脏中进行代谢.在此，可将胃、肠简化为吸收室，将肝脏简化为分解室。然而，酒精进入人体后，经一段时间进入血液，当在血液中达最高浓度时，随后便开始消除，把酒精在体内的代谢过程看为进与出的过程，这样便会使问题得到简化.但不同的饮酒方式对血液中酒精浓度的变化有不同的影响，所以，要从不同的饮酒方式进行考虑，从而设置相应的变量，建立模型.3 模型假设广东石油化工学院：酒后驾车模型6为了建立饮酒与安全驾车问题的数学模型，做出以下假设：（1) 确定是否饮酒驾车或醉酒驾车以新的国家标准为界（国家标准 车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阈值与检验 规定：车辆驾驶人员血液中的酒 精含量大于或等于20毫克100毫升，小于80毫克100毫升为饮酒驾车，血液中的酒精含量大于或等于80毫克100毫升为醉酒驾车）.（2) 酒精进入人体后经胃、肠吸收进入体液(含血液)，然后随血液循环至肝脏分解.（3) 酒精在血液和其他体液中的含量相等，体液密度是常数.（4) 每个人的胃、肠吸收酒精速率和肝脏分解酒精的速率是常数.（5) 酒精从胃、肠渗透入血液的速率和酒精在肝脏中分解的速率都与酒精质量浓度成正比.（6) 酒精进入人体内所占体积可忽略不计.（7) 在短时间内喝酒不计喝酒时间，在较长一段时间内喝酒被视为在这段时间内以恒定的速率连续喝酒的过程.（8) 体液占人体质量的68%，血液占人体质量的7%.（9) 忽略如下因素：口腔黏膜对酒精的吸收，通过呼吸、出汗、尿液排出的酒精，其他药物对酒精的影响等.（10) 人的吸收速度与代谢速率是恒定的且体重为定值70kg.（11) 在整体过程中没有摄入任何影响代谢的药类物质和剧烈性运动.（12) 小于用完晚餐在七点左右.4 符号说明第五章：模型建立与求解7本文所用到的符号如下表：表一序号符号说明吸收室中酒精浓度血液中酒精浓度血液中酒精浓度的增加速率与的比例系数血液中酒精浓度的减少速率与的比例系数吸收室中酒精浓度的减少速率与的比例系数人体的质量体液体积进入人体的酒精质量喝的啤酒瓶数时间多次饮酒的周期多次饮酒时，每次饮酒的量慢速饮酒所需时间5 模型建立与求解根据已知知识可得，酒精主要由胃、肠吸收，随后进入血液并随血液输送至体内各组织器官内，最后在肝脏中进行代谢.现将胃、肠简化为吸收室，将肝脏简化为分解室，忽略干扰因素，可得酒精的吸收和输送流程示意图（图一）：代谢酒精胃、肠（吸收室）酒精血液B（t） 酒精进入血液图一：酒精的吸收和输送流程示意图图一中的( mg / (100 mL) )和( mg / (100 mL) )分别表示t 时刻酒精在吸收室和血液中的浓度.5.1 快速饮酒模型在该模型中，假设酒是在短时间内喝下去的.在此方式下，吸收室中酒精质量浓度的变化率和r(t)成正比关系，比例系数为，可得微分方程： 血液中酒精质量浓度的变化率为，于是可得微分方程： 综上所述，得到快速饮酒的微分方程模型： 对模型进行求解得： 通过Matlab软件对数据进行拟合，求的：9第五章：模型建立与求解根据假设，得知：为体液密度 (mg / (100 mL),且为一常数。从相关的资料中可以得知：酒精的密度为0.8毫克毫升，啤酒中酒精占33到5，可以取415为计算标准，每瓶啤酒650毫升可以得到某人喝下一瓶啤酒时，总的酒精量为65041508=21580毫克 .， 得，将上面的数据带入后的到新的方程组： 由上式可以得出，在短时间内喝酒的方式下，血液中的酒精质量浓度与喝入的酒精量m 成正比，与人体质量M 成反比，并随时间t 变化.根据已知数据和求得的函数，使用Matlab软件进行拟合，绘制出在短时间内喝下两瓶酒后，人体血液中酒精浓度随时间的变化关系图(如图二)： B(t)/mg/100ml 图二： 血液中酒精随时间的变化关系 t/h从图像中可以判断出：在饮酒后0-9.5小时内为饮酒驾车；在饮酒后9.5以后则为正常情况.5.2 慢速饮酒模型在该模型中，假设酒是在较长一段时间 内喝下去的.在此方式下分析如下:5.2.1 0 t (喝酒持续时间)，吸收室中酒精质量浓度的变化率仍与酒精进入吸收室的速率有关.根据假设，酒精进入吸收室的速率为,吸收室中酒精质量浓度的变化率由和组成.可得微分方程： 血液中酒精质量浓度的变化率仍由k1r(t)和 组成，因此的微分方程： 综上所述，得到慢速饮酒的微分方程模型：对模型进行求解得：将已经求得的数据带入上式后得到新的方程组：5.2.2 t时(喝完酒后)吸收室中酒精质量浓度的变化率和成正比关系，比例系数为k3，可得微分方程： 血液中酒精质量浓度的变化率为于是可得微分方程 ：综上所述，得到快速饮酒的微分方程模型： 1112广东石油化工学院学年论文：酒后驾车模型对模型进行求解得： 将已经求k1,k2,k3,v的数据带入上式后的到新的方程组 由上面(1)式和(2)式可以看出，在用慢速喝酒的方式下，血液中的酒精质量浓度与喝入的酒精量m 成正比，与人体质量M和喝酒所用时间 成反比，并随着时间t 变化.在此，根据已知的数据和上面求得的函数，使用Matlab软件绘制出在两个小时内匀速的喝下三瓶酒后，人体内酒精浓度随时间的变化图（如图三）： 图三：两小时匀速饮酒后血液中酒精含量随时间变化图从图像中可得：在饮酒后24.5小时内为醉酒驾车；在饮酒后4.5-12小时为饮酒驾车.5.3 多次饮酒模型在此模型中，假设多次饮酒的周期为T，每次饮酒量均相同为.在每个周期内，吸收第五章：模型建立与求解室中酒精质量浓度的变化率和r(t)成正比关系，比例系数为，可得微分方程：血液中酒精质量浓度的变化率为,于是可得微分方程： 对于每个周期，r(t)的变化率和B(t)的变化率均满足以上的微分方程.综上所述，得到多次饮酒的微分方程模型： 对模型进行求解得：其中C1和C2是解微分方程中的参数.在所求得的结果中：（1）当n=1时（2）当n1时解出通解中的参数为：图四：多次饮酒血液中酒精浓度示意图 13由图四可得：在多次饮酒过程中，每个饮酒周期结束时，体内酒精浓度下降，而在下一个饮酒周期开始时，血液中酒精浓度呈上升趋势，这是由于吸收室中酒精浓度突然上升造成的.14广东石油化工学院学年论文：酒后驾驶模型6 模型分析第六章：模型分析根据本文所建立的模型，下面将会分析并说明实际中遇到的一些问题;6.1 解释题目中小于遇到的问题用5.1快速饮酒模型进行解释：从中午12点到下午6点，T=6时，y =1451.598371mg / (100 mL)由于在下午6点未测出酒精含量超标，则y(6)67.697kg.之后，设小于再次饮酒的时间为晚上t0时刻.由于此时小于的吸收室和血液中含有残留的酒精.所以，当t时，小于喝酒满足的微分方程为：将已经求的数据带入上式后得： 根据上式可得:，与小于在凌晨2点被测出饮酒驾车完全符合.6.2 喝了三瓶酒或半斤低度白酒后多久才能驾车（1）快速饮酒状况下：由5.1的模型可知： 15已知喝了三瓶酒，则n=3，所以有： 设在t1时刻刚好违反标准，之后，人体血液中酒精浓度先上升后下降.在t2时刻，刚好符合标准: 故在0t2时间内，司机违反标准，得到的数据结果如下（见表二） 表二：快速饮酒时司机质量与恢复安全驾车时间关系表M/kg506070809010013.622512.717911.898710.768810.53399.8639由表可以看出，在短时间内喝相同量的酒的情况下，质量越大的人，恢复驾车的时间越短，血液中酒精的浓度相对越低.（2） 慢速饮酒状况下：由5.2的模型（假设在两个小时内喝完）可知：设在t1时刻刚好违反标准，之后，人体血液中酒精浓度先上升后下降。在t2时刻，刚好符合标准: 故在0t2时间内，司机违反标准，取m为50,60,70,80,90,100，得到的,结果如下（见表三）： 表三：慢速饮酒的司机身体质量与恢复驾车时间关系表M/kg506070809010013.622512.717911.898710.768810.53399.8639观察表三，发现其与表一揭示的规律完全吻合.另外，通过比较可得到新的结论：喝酒时间越长，恢复驾车的时间越短.请司机朋友们不要误以为喝酒越快，恢复驾车的时间就越短.6.3 估计血液中酒精含量在何时最高（1）快速饮酒状况下：由5.1的模型可知：由图一可知，在一定时，的变化趋势是先上升后下降.根据数学知识，求：并令，即可求出tmax，血液中酒精的含量在tmax时刻最高.取n=3,M分别为50,60,70,80,90,100得表四：表四：快速饮酒时司机身体质量与血液中酒精最高含量关系表m/kg50607080901001.306931.306931.306931.306931.306931.30693171.152142.627122.252106.9795.084585.5761从表四中可以看出，在短时间内喝入等量酒的情况下，质量越大的人，血液中酒精质量浓度越低，最大浓度也相对越低.不同质量的人的血液中酒精质量浓度达到最大值都是在tmax=1.30693.说明在快速饮酒方式下，血液中酒精质量浓度达到最大值的时间是由体内酒精质量浓度决定的.（2）慢速饮酒状况下：由5.2的模型（假设在两个小时内喝完）可知： 采用上述同样的方法，当n=3,M为50,60,70,80,90,100，得表五：表五：慢速饮酒时质量与血液中酒精最高含量关系表m/kg50607080901002.370262.370262.370262.370262.370262.37026150.702125.585107.64594.18983.723575.3512 由表四和表五比较得出：喝酒时间越长，血液中酒精的质量浓度的最小值越小，达到最大值所用时间越长.6.4 天天喝酒，能否开车17在此，假设每天都在同一时间饮酒.考虑到问题的普遍性，假设喝酒人的身体质量为广东石油化工学院学年论文：酒后驾驶模型M=70kg。在=1h内喝了n瓶啤酒，且每天只喝一次.根据5.2可得： 显然，恢复驾车的等待时间t与n有关，恢复驾车时，分别取n=0.5,1,1.5,2,2.5,3得到n取不同值时，血液中酒精浓度的变化曲线由图五给出，恢复驾车的所需时间由表五给出.表六：不同饮酒量与血液中酒精浓度变化关系表n/瓶0.511.522.53t/h04.576046.221967.43868.411659.22552图五：不同饮酒量与血液中酒精浓度变化关系图从图五中可以看出，在t =14 h 时，血液中酒精含量已经很低( 7.301 66 mg/mL) ，对第2 天同一时刻喝酒基本没有影响，这说明驾车人可以每天都喝酒.从表五中可以看出，喝半瓶啤酒不影响开车，如果喝酒5 h 后需要开车，只能喝1 瓶，10 h 后开车，则可以喝183 瓶.这对于司机具有非常现实的指导意义.6.5 给司机的忠告给想要饮酒驾车的司机提出一些建议和忠告：（1）为了自身的健康，要安全饮酒。安全性饮纯酒量每日为50ml以内，有害量是每日100ml，危险量是每日150ml以上.（2）如果司机想每天既饮酒又驾车，而又不违规，请司机一定要记住每天摄入的酒精量不要超过20000毫克.（3）一次性饮酒的酒精量越大，到达标时的时间会越长，所以司机等待时间的长短应根据饮酒量的多少而定。比如说一次饮一瓶啤酒，大约6个小时后酒精含量就可达标；一次性喝2瓶啤酒，大概要等9.5小时后才能达标；而一次性喝3瓶啤酒，则大概要等12小时后才能达标.（4）连续饮酒次数越多，每次间隔时间应越长.以司机小于为例，第一次饮啤酒一瓶，过六个小时达标，但第二次饮同样多的酒，同样再过六个小时，酒精含量增加到27毫克/百毫升，要使第二次饮酒后，不超标，则至少应在7.5小时后再驾车.当然，司机为了自身及他人的生命安全，应该尽量少饮酒，并在饮酒后较短的时间内，尽量避免驾车.在现代生活中，生活节奏日益紧张，想得到一份精神的解脱和轻松，小酌一杯，倒也无妨.切记凡事要有个度.19第七章：模型评价7 模型评价20广东石油化工学院学年论文：酒后驾驶模型本文建立的模型具有以下三个优点和四个不足的地方.7.1模型的优点（1）本模型从三种情况分别建立模型，模型稳定性高，适用性强。模型简单明了，易于理解，给实际生活带来便利.（2）运用MATLAB软件，准确求解，在运用MATLAB进行数据拟合时，得到了较理想化的曲线。在表示喝三瓶啤酒的人什么时候是饮酒驾车，什么时候是醉酒驾车时，运用MATLAB准确的做出了函数据图像，使结果一目了然.（3）本模型计算步骤清晰，从问题出发，分析了应该考虑的各种情况，建立了一般的数学模型，并进行实例验证，从而证明我们建立的数学模