（地图学与地理信息系统专业论文）设施区位决策支持系统设计与开发.pdf

d i s s e r t a t i o nf o rm a s t e rd e g r e ei n2 010 7 jylllll1illfij7ir114111ii12lfjil9ilii117liiroliilll y 17 4 0 7 n u n i v e r s i t yc o d e ：l0 2 0 y 。 r e g i s t r a t i o nn u m b e r ：510 7 0 8 010 4 2 e a s tc h i n an o r m a l u n i v e r s i t y d e s i g na n di m p l e m e n to ff a c i l i t yl o c a t i o n d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m r e s e a r c hi n s t i t u t e ：s c h o o lo fr e s o u r c e s & e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e m a j o r ： r e s e a r c hf i e l d ： q 星q 曼q 坐p 逊丛i q 旦 t u t o r ： a u t h o r ：x i a ox i a o w e n a p r i l ，2 0 1 0 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文设施区位决策支持系统设计与开发，是在 华东师范大学攻读惩尹博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写 过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并 表示谢意。 作者签名：日期：咖- ，年l f 月己日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 设施区位决策支持系统设计与开发系本人在华东师范大学攻读学位期间在 导师指导下完成的硕韵博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东师范大学所 有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管部门和相关 机构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和电子版；允许学位论文进 入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕 士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、 缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文 ， 于 年 乙乃2 导师签 月日解密，解密后适用上述授权。 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位论 文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，未经上述部门 审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用上述授 权) 。 肖丛! 交硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 阊国年教授南京师范大学主席 保继刚教授中山大学委员 梅安新教授华东师范大学委员 陈小勇教授华东师范大学委员 乐群副教授华东师范大学委员 前言 前言 地理学中空间运筹是一个新兴的方向。空间运筹的选址问题在日常生活中 随处可见，政府部门需要布局大型的公共设施来为人们的生产生活提供服务，如 图书馆、公园、学校、警察局、消防站、医院、垃圾中转站和加油站等等；企业 的经营者需要布局自己的零售业网点来构建产品的销售网络，扩大市场份额。 设施区位理论为科学选址提供了理论和方法，其综合考虑选址问题中的各种 目标和约束条件，从而建立规划模型，并通过最优化算法对模型进行求解得到最 优选址方案。我的导师王铮教授带领的研究组从2 0 0 0 年左右就开始研究空间运 筹的理论及应用问题，其间周嵬、陈建国、张颖和廖悲雨等人分别就各种设施类 型的问题构造了模型和求解算法，并应用这些模型和算法解决了一些像上海市松 江区新桥镇卫生院、老年大学和警务站选址的问题。 毫无疑问，应用设施区位理论解决选址问题无疑能大大提高选址工作的科学 性，但随着研究的深入，我们普遍认识到现实中，需要做选址的大都是规划人员 和政府决策者，而由于传统规划人员很少利用定量模型来解决选址问题，而政府 决策者更不是专业人员，让他们选择设施区位模型和设计算法去解决碰到的问题 显然不实际，这使得设施区位理论在实际选址工作中受到限制，于是从2 0 0 5 年 左右我们研究组就开始将将设施区位理论和决策支持系统相结合，从而给决策者 提供科学选址的决策支持角度，让决策者能够更容易利用设施区位理论指导现实 中设施的选址工作。本文就是旨在设计和实现一个综合的设施区位决策支持系 统，目的是能够将研究组的研究的模型和算法应用到实际选址工作当中。 设施区位决策支持系统是基于数据驱动的，其中涉及到的数据包括属性数据 和空间数据，利用g i s 作为设施区位决策支持系统的支持成为必然。g i s 提供了 空间数据和属性数据集成管理、处理、分析和显示的理论和技术，在决策支持系 统中，g i s 在数据的采集和存储、前期数据制作、空间分析、和图形显示等方面 发挥重要作用。 文章中设施区位决策支持系统按照三库结构进行构建，将设施区位算法从模 设旄区位决策支持系统设计与开发 型库中抽离出来单独形成一个算法库，算法库由模型库调用。设施区位决策支持 系统应该尽量包含更多的模型和算法，以让决策者在面临实际选址问题时能够选 择更加合适的模型和算法解决问题。在算法方面，多种算法供决策者计算模型时 调用，然后取各个算法得到的结果最优的一个，可以使选址决策更加精确。 设施区位理论和决策支持系统都处于不断发展之中，其应用也逐渐走向社会 生产生活中，希望这方面的研究能够推动两个理论的实际应用，为决策者解决实 际选址问题时提供有效的支持。 i i 摘要 摘要 区位对于设施建设来说是极为重要的，一个科学的选址能减少运营成本、节 约社会资源，更好地使其为需求服务。设施的位置选择科学与否几乎决定该设施 建设的成败。设施区位理论的发展为科学选址工作提供了理论基础和技术支持， 但其复杂的模型和困难的求解算法让选址决策者难以应用。本文在前人的基础 上，将设施区位理论和决策支持系统结合，研究开发了设施区位决策支持系统， 让决策者更为简便的利用设施区位理论解决选址问题。 文章致力于利用设施区位理论给决策者提供科学选址支持，将设施区位理论 和决策支持系统结合，重点分析了设施区位各种模型和算法及其如何解决选址问 题，研究更准确的模拟设施区位模型中需求点到设施点寻求服务的成本，并根据 决策支持框架的三库结构，设计和实现了设施区位决策支持系统。 文章第二章到第四章分别是对三库结构设施区位决策支持系统模型库、数据 库和算法库的详细研究。第二章探讨了设施区位模型库中设施区位问题的分类体 系，并详细分析了自由选址问题和布局问题中各种模型的结构及模型的适用范 围，从而形成了设施区位决策支持系统的模型库。第三章，详细分析了设施区位 众多模型中的数据需求，对各个数据的表字段结构和表之间关系进行详细设计， 利用a r c g i s 的n e t w o r kd a t a s e t 模型对现实道路进行模拟，得到更为真实的需求 点到设施点寻求服务的成本，并在此基础上建立设施区位数据库子系统。第四章 主要涉及设施区位决策支持系统中的算法，详细研究了w e i s z f e l d 迭代算法、分 支定界法、贪婪算法、节点交换搜索算法和m i n i e k a 算法在设施区位模型计算中 的应用，并通过c 群语言实现了算法对模型的计算，实现了设施区位决策支持系 统的算法库。 第五章是在系统建立后，以上海市静安区为例，在不同道路网络情景下对p 重心模型进行计算，计算结果验证了系统的有效性，然后对各个算法的优劣和适 用性进行了例证分析。研究得到结论是节点交换搜索算法在速度和结果方面都表 现最好，是决策者进行决策时首选算法。 i i i 设施区位决策支持系统设计与开发 最后一章第六章对整篇文章进行总结，并针对研究过程中遇到的一些问题以 及未来的研究方向进行讨论。 关键词：设施区位，最优化算法，决策支持系统，g i s i v a b s t r a e t a bs t r a c t l o c a t i o ni se x t r e m e l yi m p o r t a n tf o rf a c i l i t i e sc o n s t r u c t i o n , as c i e n t i f i cl o c a t i o n c a nh e l pt or e d u c eo p e r a t i n gc o s t s ，s a v es o c i a lr e s o u r c e sa n dt ob e t t e rs e r v ef o rt h e f a c i l i t yr e q u i r e m e n t c o n s e q u e n t l y , t h el o c a t i o nl a r g e l yd e c i d e sw h e t h e rt h ef a c i l i t i e s c o n s t r u c t i o ns u c c e e d so rn o t f o r t u n a t e l y , t h ed e v e l o p m e n to ff a c i l i t yl o c a t i o nt h e o r i e sp r o v i d e st h e o r yb a s i s a n dt e c h n o l o g ys u p p o r tf o rt h es c i e n t i f i cl o c a t i o n h o w e v e r , t h ec o m p l e x i t yo ft h e m o d e la n di t ss o l v ea l g o r i t h mm a k ei th a r dt o a p p l y o nt h eb a s i so fp r e v i o u s r e s e a r c h e s ，t h i sp a p e rc o m b i n e st h ef a c i l i t yl o c a t i o nt h e o r i e sa n dd e c i s i o ns u p p o r t s y s t e m ，a n dd e v e l o p saf a c i l i t i e sl o c a t i o nd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e mi no r d e rt om a k ei t e a s i e rf o rp o l i c y m a k e r st ou s ei nd e a l i n gw i t hl o c a t i o np r o b l e m s t op r o v i d et h ed e c i s i o ns u p p o r tf o rp o l i c y m a k e r si nu s i n gt h ef a c i l i t yl o c a t i o n t h e o r y , t h ea r t i c l ec o m b i n e st h ef a c i l i t yl o c a t i o nt h e o r i e sw i t hd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ， a n ds t u d i e sv a r i o u sk i n d so fm o d e l sa n da l g o r i t h m st o w a r df a c i l i t yl o c a t i o na n dh o w t os o l v et h el o c a t i o np r o b l e m 谢t ht h o s em o d e l sa n da l g o r i t h m b e s i d e s ，t h ea r t i c l e s t u d i e st h em e t h o d so nh o wt oa c c u r a t e l yc a p t u r et h es e e k i n g f o r - s e r v i c ec o s tb e t w e e n ad e m a n d i n gp o i n ta n daf a c i l i t yp o i n t l a s t l y , t h i sa r t i c l ed e s i g n sa n di m p l e m e n t s f a c i l i t yl o c a t i o nd s sb a s e do n at h r e e - b a s es t r u c t u r e ，w h i c ha r et h em o d e lb a s e ，d a t a b a s ea n da l g o r i t h mb a s e i nc o o d a n c e 州t ht h et h r e e - b a s es t r u c t u r e ，t h es t r u c t u r eo ft h i sp a p e ri so r g a n i z e da s f o l l o w s c h a p t e r2 ，c h a p t e r3a n dc h a p t e r4r e s e a r c ht h em o d e lb a s e ，d a t ab a s ea n d a l g o r i t h mb a s eo ff a c i l i t yl o c a t i o nd s sr e s p e c t i v e l y i nc h a p t e r 2 ，w ed i s c u s s e st h e c l a s s i f i c a t i o ns y s t e mo ff a c i l i t yl o c m i o np r o b l e mi nm o d e lb a s ea n da n a l y s e st h e s t r u c t u r ea n da p p l i c a b i l i t yo ft h o s em o d e l si n f r e el o c a t i o nq u e s t i o na n dl a y o u t q u e s t i o nd e t a i l e d l ya n dc o n s t r u c t st h em o d e lb a s eo ff a c i l i t yl o c a t i o nd s s i nc h a p t e r 3 ，t h i sa r t i c l es t u d i e st h ed a t ar e q u i r e m e n to ft h ef a c i l i t yl o c a t i o nm o d e l s ，t h e n d e t a i l e d l yd e s i g n st h ed a t at a b l e sf i e l ds t r u c t u r ea n dt h er e l a t i o nb e t w e e ne a c ho ft h e d a t at a b l e m o r e o v e r , t h ea r t i c l ec o m p u t e sam o r ea c c u r a t ec o s tw h i c had e m a n dp o i n t v 设施区位决策支持系统设计与开发 g ot oaf a c i l i t yp o i n ts e e k i n gf o rs e r v i c e a f t e rt h a t ，t h ed a t ab a s eo ff a c i l i t yl o c a t i o n d s sh a db e e nc o n s t r u c t e d i nc h a p t e r4 ，t h i sa r t i c l es t u d i e st h ew e i s z f e l di t e r a t i v e a l g o r i t h m ，b r a n c h - a n d b o u n da l g o r i t h m , g r e e d ya l g o r i t h m ，v e r t e xs u b s t i t u t i o ns e a r c h a l g o r i t h ma n dm i n i e k aa l g o r i t h ma n dh o wt ou s et h o s ea l g o r i t h m st oi m p l e m e n tt h e f a c i l i t yl o c a t i o nm o d e lw i t hc 群，o nt h i sb a s e ，t h ea l g o r i t h mb a s eo ff a c i l i t yl o c a t i o n d s sh a db e e nc o n s t r u c t e d i nt h ef i f t hc h a p t e r , i no r d e rt ov e r i f yt h ev a l i d i t yo ff a c i l i t yl o c a t i o nd s s ，t h e a r t i c l ec o m p u t e sp m pu n d e rd i f f e r e n tp a t hn e t w o r ke n v i r o n m e n t a f t e rt h a t ，t h ea r t i c l e c a r r i e so nt h ei l l u s t r a t i o na n a l y s i st oe a c ha l g o r i t h m sq u a l i t ya n dt h ea p p l i c a b i l i t y t h er e s u l tr e f l e c t st h ev e r t e xs u b s t i t u t i o ns e a r c ha l g o r i t h mp e r f o r m sb e s ti nb o t h s p e e da n dr e s u l ta s p e c t ，i ti st h ef i r s tc h o i c ew h e np o l i c y - m a k e rs e l e c t sa l g o r i t h m i nc h a p t e r6 ，t h el a s tc h a p t e r , t h e r ei sas u m m a r yo ft h ew h o l ea r t i c l e ，a n da d i s c u s s i o na b o u ts o m eo ft h ep r o b l e m si nt h er e s e a r c hp r o c e s s ，a n df u t u r er e s e a r c h d i r e c t i o n s k e yw o r d s ：f a c i l i t yl o c a t i o n ；o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ；d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ； g i s v i 目录 目录 1 葑言i 摘要i i i a b s t r a c t v 目录v i i 第一章引论1 1 1 设施区位问题l 1 1 1 设施区位问题概述1 1 1 2 设施区住问题研究进展2 1 2 决策支持系统5 i 2 1 决策支持系统的发展5 1 2 2 决策支持系统的结构体系7 1 3 设施区位决策支持系统一9 1 4 设施区位d s s 构建。l l 1 5 本文结构1 5 第二章模型库子系统模型体系1 7 2 1 基础设施区位问题1 7 2 1 1 自由选址问题1 9 2 1 2 布局问题2 l 2 2 特殊设施区位问题。2 5 2 2 1 竞争型设施区位问题2 6 2 2 2 邻避型设施区位问题2 7 2 2 3 层次型设施区位问题2 8 2 3 小结3 0 第三章数据库子系统分析与设计3 l 3 1d s s 数据库子系统的设计特点3 l 3 2 设施区位d s s 数据需求分析3 2 v i i 设施区位决策支持系统设计与开发 3 3 设施区位d s s 数据库详细设计3 2 第四章算法库设计3 7 4 1 自由选址模型算法设计及实现3 7 4 1 1w e i s z f e l d 迭代算法3 7 4 2 布局模型的计算算法3 9 4 2 1 一般算法：分支定界法4 0 4 2 2 启发式搜索算法：贪婪算法4 5 4 2 3 启发式搜索算法：节点交换搜索法4 7 4 2 5 启发式搜索算法：m i n i e k a 算法。5 3 4 3 小结5 6 第五章实例分析及算法探讨5 7 5 1 区域及数据介绍5 7 5 2 不同道路情景下实例分析5 7 5 2 1 情景设定5 7 5 2 1p 一重心模型计算结果5 8 5 3 算法优劣及适用性分析一6 0 5 3 1 分支定界法和节点交换搜索算法对比分析6 0 5 3 2 贪婪算法和节点交换搜索算法对比分析6 3 5 4 小结6 7 第六章总结与讨论。6 9 6 1 总结6 9 6 2 讨论7 0 参考文献7l j 舌记7 7 v i i i 第一章引论 1 1 设施区位问题 1 1 1 设施区位问题概述 第一章引论 设施区位( f a c i l i t yl o c a t i o n ) 问题在日常生活中随处可见，政府部门需要 布局大型的公共设施来为人们的生产生活提供服务，如图书馆、公园、学校、警 察局、消防站、医院、垃圾中转站和加油站等等；企业的经营者需要布局自己的 零售业网点来构建产品的销售网络，扩大市场份额。一个设施的建设，往往是费 时、费资源且一旦建设好很难重新建设，所以区位对于一个设施建设是极为重要 的，一个科学的选址能方便其为需求服务、减少运营成本和节约社会资源，可以 这么说，一个设施的位置能决定了这个设施建设的成败。 从以上的例子可以看出，设施区位问题是一类微观的区位问题，简单的说， 设施区位就是给设施选址定位的问题，区位在英文单词l o c a t i o n 中不光有位置的 意思，还有选址、定位的意思。d r e z n e r ( 1 9 9 5 ) 对设施区位问题定义为在对特 定的目标函数( 如最小化交通费用、获得最大的市场域等) 进行优化的情况下确 定一个或多个设施位置的问题。r e v e l l e 和e i s e l t ( 2 0 0 5 ) 则从内容上将设施区位 问题概括为对给定空间上设施选址问题的建模、规划和计算解决。 设施区位问题理论基础是a l f r e dw e b e r 的工业区位论，韦伯工业区位论中的 理论假设前提是研究地域处处连通，资源和市场都呈点状分布或者离散分布，资 源和产品都是可以移动的，资源具有可替代性，生产者承担资源和产品的运费和 损失，力图获得最大利益，所以他们所考虑的是如何选择企业位置，使资源和产 品的运费最少。r e v e l l e 和e i s e l t ( 2 0 0 5 ) 总结了组成设施区位问题的四个基本要 素：( 1 ) 需求，以离散点状分布；( 2 ) 需要布局的设施，通常是需要得到布局的 位置；( 3 ) 需求和设施所处的区域；( 4 ) 度量需求点到设施点寻求服务的成本， 通常为距离或者时间。设施区位问题是将韦伯区位问题外延到广义，指在一个欧 几里德空间上，在己知所有目标需求点的位置的情况下，确定若干服务源点的区 设施区位决策支持 位的问题( t e i t z ，1 9 6 8 ) ，所以这类设施 所以一般韦伯型设施区位问题都是根据特定问题，把空间区域中需求抽象为离散 点，分析设施布局是自由选址还是有限定候选集和选择距离或者时间作为需求到 设施寻求服务的成本度量，确定合适的目标函数建立设施区位模型，最后通过计 算机计算得到最优位置。与韦伯型设施区位问题相对应，也有学者考虑区域中连 续需求的情况( d r e z n e r ，1 9 9 5 ：h i g h f i l l ，m c a s e y 和w e i n s t e i n ，1 9 9 3 ) ，在这种 情况中，需求被假设连续分布在线状上( 旁边) 或者连续分布在区域平面上，其 理论基础来源于帕兰德区位论，王铮等( 2 0 0 2 ) 把这类设施区位问题称为帕兰德 设施区位问题。另一方面，设施布局位置也分为连续型和离散型两种情形，连续 情形中，最优设施选址是在问题分析的区域内任意地方，而离散布局则是有一个 设施区位布局点的候选集，最优布局的设施点在候选集里得到，由于设施区位模 型变量是设施的选址位置，所以直接导致连续型和离散型的设施区位问题的算法 也不同。 1 1 2 设施区位问题研究进展 设施区位问题研究始于w e b e r ( 1 9 0 9 ) 研究如何决定一个仓库的位置，使它 与几个客户的总距离最小。自此之后，设施区位理论开始被一些学者在小范围的 领域里进行了讨论。h a k i m i ( 1 9 6 4 ，1 9 6 5 ) 研究如何在通讯网络中寻找转换中心， 设施区位理论又一次的引起了学术界的关注。从1 9 6 0 年代，设施区位理论开始 引起了众多学者的兴趣( o w e n 和d a s k i n ，1 9 9 8 ) 。设施区位理论研究经过一百年 的发展，学者们已经提出众多的模型和算法以解决各种不同类型的设施区位问 题。o w e n 和d a s k i n ( 1 9 9 8 ) 从模型的角度，认为韦伯设施区位问题主要有三种 基本类型：重心问题、中心问题和覆盖问题。 重心问题是给定一个具有k 个需求点的集合，每个需求点对某一项服务的 需求强度为矾；选择p 个设施点的位置，使得所有需求点到其距离最近的设施 的加权距离总和最小。显然，求出来的最优区位是相对于需求点的p 个广义重心， 这类问题统称为p 重心问题( p m e d i a np r o b l e m ，p m p ) 。 中心问题与重心问题相似，不同的是其目标是使得需求点与最近的设施的最 大距离最小化，这类问题也被称为是p 中心问题( p c e n t e rp r o b l e m ，p c p ) ，也 叫最小最大问题( m i n m a xp r o b l e m ) 。中心问题的一个重要应用是确定应急设施 的位置，如消防局等紧急救护设施的选址定位，旨在最短时间内到达目的地。对 2 第一章引论 于p 中心问题的研究，主要集中在网络上和连续平面上的中心问题及球面上的 p - 中心问题( j a e g e r ，1 9 9 7 ) ，球面p 中心问题在布局诸如卫星或全球性的设施上 具有实际意义。 h a k i m i ( 1 9 6 4 ，1 9 6 5 ) 提出了通讯网络中交换中心位置的确定问题和高速公 路网络中警察局布局的问题。这是最早的网络上的中心问题和重心问题，对于网 络交换中心采用的是网络重心模型，即网络所有节点到交换中心的加权距离和最 小，这样能保证需要铺设的通讯线路最短。h a k i m i 在文中证明了网络的重心一 定是位于网络的节点上，所以最后可以通过计算每个节点上的加权距离和来得到 重心的位置。而在布局高速警察局的时候采用的是网络中心模型，即网络中所有 节点到警察局的最大距离最小，这样保证如果有事故发生，警察能够在最短的时 间内赶到案发现场。网络的中心分为：节点中心和全局中心。节点中心就是只把 警察局的位置限制在节点上所求出的位置；全局中心是在整个网络中求出的最优 化位置，可以是在网络的节点上也可以是在网络的弧上。对于节点中心和全局中 心的关系，h a n d l e r ( 1 9 7 3 ) 证明网络的节点中心就是距离网络的全局中心最近 的那个节点，只要找到网络的全局中心，网络的节点中心自然也就知道了。 除了p 重心和p 中心问题之外，构成设施区位问题的另一类重要问题是覆 盖问题。这类问题的特点就是需求到离它最近的设施必须在给定的最大时间或最 大距离限制内。设施区位的覆盖问题发展于运筹学中两个经典的组合优化问题： 集合覆盖问题( s e tc o v e r i n gp r o b l e m ，s c p ) 和最大覆盖问题( m a x i m a lc o v e r i n g p r o b l e m ，m c p ) 。t o r e g a s 等( 1 9 7 1 ) 最早提出设施区位的集合覆盖模型( l o c a t i o n s c p ，l s c p ) ，该模型将需求集合到设施集合的映射取决于最大响应距离，考虑 如何以最少的成本来完全覆盖需求区域，但没有考虑到预算约束问题。在这之后 而c h u r c h 和r e v e l l e ( 1 9 7 4 ) 提出了设施区位的最大覆盖问题( t h em a x i m a l c o v e t i n gl o c a t i o np r o b l e m ，m c l p ) ，即在限定的设施数量和最大可接受服务距 离的约束条件下，去搜索设施的布局位置，来覆盖最多的需求量，s c h i l l i n g 等 ( 1 9 9 3 ) 对覆盖问题的研究进行了综述。 这三类基本问题对现实问题进行了高度的简化，其抽象了设施区位问题的几 个基本要素，所以它们也成了后来人们进行设施区位问题建模的基础，基于这三 种基本问题学者们发展了许多模型来解决不同设施类型的复杂选址问题。 竞争型的设施区位问题是基于p 重心问题的发展而来的一类设施区位问题， 其在商业竞争性的超市、连锁店选址上具有广泛的应用。竞争型设施区位问题最 设施区位决策支持系统设计与开发 早是由h o t e l l i n g ( 1 9 2 9 ) 提出来的，他构建了竞争性设施区位问题的模型，这个模 型基于一个重要的假设：顾客总是光顾离他最近的设施。这个假设认定市场空间 中的所有设施的吸引力都是一样，所以顾客才会光顾离自己最近的设施。在 h o t e l l i n g 模型的基础上，学者们做了大量的研究r e v e l l e ( 1 9 8 6 ) ，e i s e l t 等 ( 1 9 9 3 ) ，d r e z n e r ( 1 9 9 5 ) 等。 h u f f ( 1 9 6 4 ，1 9 6 6 ) 扩展了h o t e l l i n g 的模型，他把牛顿引力模型引入到设 施与客户之间的相互作用力，模型中需求是按照牛顿引力模型进行分配，需求与 某个设施点牛顿引力越大，需求点到该设施点的几率就越大。牛顿引力模型比 h o t e l l i n g 的模型更接近于现实，在一定的距离范围之内，顾客总是把服务好和商 品种类齐全的设施作为他们的第一选择。n a k a n i s h i 和c o o p e r ( 1 9 7 4 ) ，a c h a b a l 等 ( 1 9 8 2 ) ，g h o s h 和c r a i g ( 1 9 9 1 ) ，d r e z n e r ( 1 9 9 5 ，2 0 0 1 ) ，o k u n u k i 和o k a b e ( 2 0 0 2 ) 等利用牛顿引力模型对竞争性设施区位模型进行了分析研究。 w i l s o n ( 1 9 6 7 ) 发现了空间相互作用随距离呈指数衰减的规律，王铮等( 1 9 9 1 ) 也指出牛顿形式的空间相互作用模型应用在二维地理空间中时是发散的，越来越 多的竞争型设施区位模型在考虑需求和设施之间的空间作用力时应用了w i l s o n 引力模型( w i l l i a m s ，k i m 和m a r t i n ( 1 9 9 0 ) ，陈建国( 2 0 0 5 ) ) 。 邻避型设施区位问题也是一类比较热门的选址问题。在这类问题中，人们所 关注的目标是邻避型设施区位问题( n o ti nm yb a c ky a r d ，简称n i m b y ) ，这类 设施为用户提供便利或服务的同时也给临近的人们带来一些不利的因素 ( s a a m e n o ，2 0 0 6 ) 。邻避型设施之所以会带来邻避效应即遭遇到所在区域居民 的抗拒，主因是其所产生的利益由全社会所共享，但所造成的负外部性却由当地 居民承担，这种利益和风险的配置有失公平时，则带来不满。 在模型的建立过程中，既要考虑设施的正面影响，即提供的服务，又要考虑 负面影响，即带来的邻避效应。所以邻避型设施区位问题属多目标区位问题，体 现在目标函数必须兼顾不同的目标，各个目标之间可能线性加权求和汇集成为一 个总目标，也可能是其它非线性的集成。邻避型设施区位问题一般分为邻避上限 型、邻避下限型和邻避双限型。张颖( 2 0 0 6 ) 对邻避型设施区位问题进行了总结。 层次型设施区位问题是针对现实生活中，很多情况下同种类型设施是分等级 的这类综合设施体系提出的设施区位问题。如大型企业的售后服务中心，往往是 空间中布局一些大型服务中心为顾客提供综合和高级的售后服务以及更多的小 型的服务中心给顾客提供基本和简单的售后服务。当要同时给大型和小型的服务 4 第一章引论 中心做选址问题时，它们的服务级别和考虑因素不同，因此需要利用不同的模型 去求解，这便是一个的层次型设施区位问题。采用层次模型应急设施模型能够较 好地针对不同层次的应急设施，实现各个层次的目标。 层次型设施区位模型在医疗体系的选址问题中应用最为广泛，在医疗体系 中，服务设施一般分为若干等级，低等级负责治疗一些较普遍疾病，而高等级的 设施则负责一些更困难的疾病，s e r r a 和r e v e l l e ( 1 9 9 3 ) ，c h u r c h 和e a t o n ( 1 9 8 7 ) 设计了层次型的设施区位模型解决医疗体系的布局问题。除此之外，许多布局问 题同样是属于层次型的设施区位问题比如城市垃圾处理设施体系布局、产品分销 体系等等。 对于设施区位的各个模型，一般都可以应用到连续型和离散型两种设施区位 问题中，考虑最优设施选址可以是区域中任意点时即为连续型设施区位问题，而 限定最优设施布局只能在有限的设施区位候选集中选择便成了离散型设施区位 问题，然而两类问题模型相似，但其算法则完全不同，连续型的设施区位问题一 般采用连续型的最优化算法，而离散型的设施区位问题则采用组合优化算法。 1 2 决策支持系统 1 2 1 决策支持系统的发展 2 0 世纪5 0 年代中期，计算机已被应用于管理领域，一些大公司开始用它进 行数据处理和编制报表，其目的是实现办公室自动化，这一类系统所涉及的活动 称为电子数据处理( e l e c t r o n i cd a t ap r o c e s s i n g ，e d p ) ，其大大提高了办公室工 作效率。然而，任何一项数据处理都不是孤立存在的，它必须与其他工作进行信 息交换和资源共享，因此有必要对一个企业或一个机关的信息进行整体分析和系 统设计，从而使整个工作协调一致。在这种需求下，管理信息系统( m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m s ，m i s ) 应运而生，管理信息系统是一个由入、计算机等组 成的，能进行管理信息的收集、传递、储存、加工、维护和使用的系统。因此， m i s 能把孤立的、零碎的信息变成一个比较完整的、有组织的信息系统，这不仅 解决了信息存放的冗余问题，而且大大提高了了信息的效能。但是，m i s 智能帮 助管理者对信息作表面上的组织和管理，而不能把信息的内在规律更深刻地挖掘 出来为决策服务。 管理科学( m a n a g e m e n ts c i e n c e ，m s ) 为人们提供了决策服务的方法，其对 5 设施区位决策支持系统设计与开发 管理问题用定量分析方法，建立数学模型，通过求解运算，达到辅助管理决策的 一门学科。它运用数学模型方法研究经济、国防等部门在环境的约束条件下，合 理调配人力、物力、财力等资源，通过模型的有效运行，预测发展趋势，制定行 动规划或优选可行方案。m s 的运用，主要体现在单模型辅助决策上，模型所需 要的数据在计算机中以文件的形式存储。然而管理科学在解决现实世界问题( 特 别是比较复杂的的社会、经济和环境等问题) 时往往变得不可用，其主要原因是 模型过于单一、抽象，且对于多模型的决策问题，只能靠人来实现模型间的联合 和协调。为了把众多的模型有效的组织和存储起来，决策支持系统的出现就成为 一种必然。 作为概念，决策支持系统( d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ，d s s ) 一词最早在1 9 7 0 s 由美国的s c o t tm o r t o n 在管理决策系统一文中率先提出，他认为d s s 是一 种“具有人机交互功能的计算系统，它能够帮助决策者利用数据和模型来解决非 结构化的问题”( i n t e r a c t i v ec o m p u t e r - b a s e ds y s t e m s ，w h i c hh e l pd e c i s i o nm a k e r s u t i l i z ed a t aa n dm o d e l st os o l v eu n s t r u c t u r e d p r o b l e m s ) ( t u r b a n 和a r o n s o n ，2 0 0 0 ) 。 但对于决策支持系统的定义，学术界并没有取得一致意见。k e e n 等( 1 9 7 8 ) 对 d s s 的定义为：d s s 是“决策、“支持 、“系统 三者汇集成一体，通过不断 发展的计算机技术建立系统，来逐步扩展支持能力，达到更好的辅助决策。 s p r a q u e 和r a l p h ( 1 9 8 0 ) 提出