饮酒驾车的数学模型s(1)

第17卷第2期黄河水利职业技术学院学报

v01.17No.2

1塑!篁垒旦』!坚!坠!!!!!!!!!兰壁!:!!篁!銎!!些!些¥坠!些!!!坠些堡垒墼!;!垒堕

饮酒驾车的数学模型

李文丰,吕良军

(黄河水利职业技术学院,河南开封475001)

摘要:根据药代动力学原理,进行合理的假设建立了“房室模型”,对于短时间内与长时间内喝酒

的具体情况,分别建立了两个模型,并得出了饮酒后血液中酒精含量随时间变化的关系。关键词:房室模型;微分方程;数据拟合中图分类号:0141.4

文献标识码:B

文章编号:1008—486x(2005)02—0039—02

引言

体重约70kg的某人在短时问内喝下2瓶啤酒据报载,2003年全国道路交通事故死亡人数为

后,测量他的血液中酒精含量(mg/100m1),得到数据10.4372万,饮酒驾车是造成事故的主要原因之一。

如表l:

针对酒后驾车肇事的严重状况,国家质量技术监表l

酒精含量(mg/100m1)与时间的关系

时间(h)0.25

0.50.75

l2345酒精含量

30

68

75

82

77

68

51

41

100m1,小于80mg/.100ml为饮酒驾车,血液中的酒精酒精含量

383528251815121074

1.2模型假设

模型概述

(1)人体对酒精的吸收、消化、排泄功能正常;(2)例证

人体中的酒精量与喝人的酒精量成线性关系;(3)酒大李在中午12点喝了一瓶啤酒,下午6点检查

精进入中心室以后直接排出体外。

1.3

问题举要

本题要解决司机喝酒后血液中酒精的含量与时

间的关系问题,属于微分方程类型。针对酒是在很短时间内喝的情况,根据药代动力学原理可以建立二室模型,即中心室和吸收室,也就是说喝人的酒进入吸请参考相关数据(或自己收集资料)建立饮酒后收室和中心室后排出体外。再根据酒精在不同房室间的转移及排出规律,建立数学模型。如果酒是在较长时间内喝的,可简化为一室模型,即酒直接进人中心室后排出体外。1.4符号说明

Do为进入吸收室中的酒精含量(单位:mg);蠡。为吸收室中的酒精转移到中心室的速率系数;后为中心室的酒精排出体外的速率系数;矗:为长时间内喝人的体液占人的体重的65%至70%,其中血液酒,酒精进入中心室的速率;而(£)为酒精在£时刻转移到中心室的速率;£为时问(单位:h);c(£)为£时刻血液中的酒精浓度;石o(£)为中心室在f时刻的酒

收稿日期:2004一12—21

作者简介:李文丰(1962一),男,河北武邑人,副教授,从事高等数学教学与研究。

39

万 

方数据0

督检验检疫局于2004年5月31日发布了《车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阈值与检验国家标准》,车辆驾驶人员血液中的酒精含量大于或等于20mg/含量大于或等于80mg/100ml为醉酒驾车。

1.1

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?

血液中酒精含量的数学模型,并讨论如下问题:(1)对大李碰到的情况做出解释。(2)在喝了3瓶啤酒或者0.25kg低度白酒后多长时间内驾车就会超过上述标准时,应分清酒是在短时间内喝的还是在较长时间(比如2h)内喝的。(3)估计血液中的酒精含量在什么时间最高。(4)根据模型分析判断天天喝酒,是否还能开车?

只占体重的7%左右;而药物(包括酒精)在血液中的含量与在体液中的含量大体是一样的。

黄河水利职业技术学院学报

2005年第2期

c(£)=1910.1285

190.1285

e—o

e。0

精含量;戈.(£)为长时间内喝酒中心室在£时刻血液中的酒精含量;y为人体中血液的体积;¨为中心室中血液的体积。

2"6‘一130.4252

2316

e—o4775‘+

4775

r‘一…一130.4252

e—o

r‘一“)

3模型2(慢速饮酒问题)

3.1模型2建立与求解

慢速饮酒与恒速静脉滴注过程相似,假设血液中酒精是较长时间(2h内)恒速进入中心室的,其速率2模型1(快速饮酒问题)

2.1模型1建立与求解

快速饮酒与口服或肌肉注射药物的过程相似,这就相当于酒精进入中心室前,先有一个将酒精吸收人血液的过程,可以简化为一个吸收室(如图1)。

^=Aozo(f)

{耋出.

图l酒精转移二室模型于是戈。(£)满足j.龙。(‘)2一后。戈。

【戈。(0)=仇

而药物进入中心室的速率为届(t)=七。戈o(£)解此微分方程,可得c(£)=Ae“‘一曰e~。‘,其中A、B都为待定参数。2.2模型1参数估计

将血样分成两部分,对于£比较大时,可近似为c(£)=Ae“‘,利用MATLAB软件将数据拟合,得出

A=5.2477,矗=0.2316,

则c(£)=190.1285

e棚2

31

m,

。(£)=Ae一衄一c(f)=Be一加‘同理,得出B=130.4252‰=0.4775

从而得出快速喝人2瓶啤酒,血液中酒精含量与

时间£的关系式:

cf£)=190.1285

e。0

2316‘一130.4252em

4775‘

画出散点图2。图2快速饮酒血液中酒精含量与时间关系

对于经过n小时后再喝人两瓶啤酒,可以进一步改进模型,得出血液中酒精含量与时间的关系式

万 

方数据为七:,.而(£),初始条件为:

届(f)=孟2,c(0)=O如图3,可得微分方程

戈’(£)=矗(£)一玩(£),菇(f)=¨c(f),

酒精进入

排出

矗(t)=%z

图3酒精转移一量模型

解微分方程得

哪)=锻(1_e-缸)

2h以后,中心室没有酒精注入,即f0(t一2)=0解微分方程,得

叩-2)=锻(1百2~叫m,

所以慢速饮酒时血液中的酒精含量与时间的关f^(f)

加)-{蕊n一“。∞“或’I而(1一e…)e叫H,(f>2)

据调查后,得到2瓶啤酒的酒精含量为:D=640×0.03×2×1000=38400(mg),得.届(£)

耵2西而可n薪F

38400×善

220・48

即血液中的酒精含量与时间的关系式

f220.48(1一e。o2316‘)

(O<ts2)

c(2J=={220.48(1——e一。。632)e一。.2316(t一2’(t>2)

画出散点图4。

图4慢速饮酒血液中酒精含量与时间关系

(下转第43页)

系为

3.2模型2参数估计

裘敬华,等:用Excel处理规划最优问题探讨

(z2+0.1)2+sin茹3+1.06l+Ie一1墨+20戈3+!Q!二三I件2:戈+),+z—l=o的墨xz中,求d: ̄/戈2+v2+z2在初始值(0,0,0)处的值。

的最大值和最小值。

(2)把初始值的位置设为可变单元格,函数值.厂

(2)在Excel下,给z,%z赋初值(1,o,0),算出(扎弛x,)的位置设为目标单元格,设其值为零,求

在(1,o,o)处距离d的值和约束条件的值。

解后得到非线性方程组的近似解为(0.5,2.71E—(3)选择“规划求解”对话框,设d所在的单元格07.一0.524).

为目标单元格,其值设为最大;变量戈,%z所在的单2.3多元函数求条件最值

元格为可变单元格;添加约束条件1和约束条件2,2.3.1

问题的数学模型及实例解析

按“求解”按钮得距离d的最大值为4.2024。用同样求多元函数u=厂(钆弛…,z。)满足限制条件

的方法可以求出距离d的最小值。似(石,,耽,…,‰)=o(_|;c=1,2,…,m)的最值是标准的“规划求解”问题。不过在具体处理时需要对实际参考文献:

问题本身做适当的变形,才能使用规划求解功能,下[Ij封建湖,车刚明.计算方法典型题分析解集[M】.西安:

面的实例就清晰地说明了这一点。

西北工业大学出版社,2000.11.

实例3

抛物面彳=石2+广被平面z+y+彳=1

【2】任现淼.计算机数学基础[M].北京:中央广播电视大学

出版社,2001.

截成一椭圆,求原点到这个椭圆的最长与最短距离。

【3】冯珍珍.高等数学计算实验[M】.上海:华东理工大学出

实例3是最值方面的问题,处理时首先应将问题版社,2001.4.

转化为标准模型,然后再用Excel进行计算,过程如[责任编校杨道富]

下:

(1)在满足限制条件l:戈2+俨一彳=0和限制条

(上接第40页)5

结论

(1)以喝啤酒为例,饮酒量与可以驾车的间隔时

对大李遇到的情况的解释

问如表2。

大李在喝1瓶啤酒情况下,经过6h后,代人模型

表2饮啤酒量与可以驾车的间隔时间

可得其血液中的酒精含量为c=19.97mg/100ml,因啤酒(瓶)l

234567

8910

1l

12

为小于20m譬/100m1,所以符合新的国家标准。随后又时间(h)

10

12

13

14

15

16

16

1717

18

18

喝l瓶啤酒,经过8h后,代入改进后的模型可得其血备注:3瓶啤酒相当于半斤低度白酒。

液中的酒精含量为c=24.52>20mg/100ml,所以被(2)本模型利用药代动力原理进行合理的假设,通过MATLAB软件求解得出数学模型,故可以推广到某些领域,如指定给药方案和剂量大小及湖水污染(1)酒是在很短的时间内喝的:根据模型l,通过等问题的研究。

(3)如果把两室模型改为三室模型,那么得出的(2)酒是在较长的时间内喝的:代人模型2,计算结果将更加精确,更加符合实际情况。可知慢速喝酒以后在10h内开车是违反规定的。

(3)对于喝酒后什么时候的酒精含量最高,可以参考文献:

【l】姜启源.数学模型【M].北京:高等教育出版社,1993.【2】张瑞丰.精通MATLAB6.5【M】.北京:中国水利水电出

=0,可得£=1.409。

版社.2004.

(4)根据模型论证:在每天每次喝2瓶啤酒的情【3】薛毅.数学建模基础【M】.北京:北京工业大学出版社,

2004.

【责任编校杨道富]

43

万 

方数据4模型的分析与检验

4.1

定为饮酒驾车。

4.2在喝3瓶啤酒的情况下

计算可知,在llh内驾车违反上述标准。

根据所建立的模型,对c=Ae“‘一眈“‘求导,令c’况下,喝完酒后至少10h以后才能驾车。

饮酒驾车的数学模型

作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):

李文丰, 吕良军

黄河水利职业技术学院,河南,开封,475001

黄河水利职业技术学院学报

JOURNAL OF YELLOW RIVER CONSERVANCY TECHNICAL INSTITUTE2005,17(2)

参考文献(3条)

1.姜启源 数学模型 19932.薛毅 数学建模基础 20043.张瑞丰 精通MATLAB6.5 2004

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hhslzyjsxyxb200502017.aspx

第17卷第2期黄河水利职业技术学院学报

v01.17No.2

1塑!篁垒旦』!坚!坠!!!!!!!!!兰壁!:!!篁!銎!!些!些¥坠!些!!!坠些堡垒墼!;!垒堕

饮酒驾车的数学模型

李文丰,吕良军

(黄河水利职业技术学院,河南开封475001)

摘要:根据药代动力学原理,进行合理的假设建立了“房室模型”,对于短时间内与长时间内喝酒

的具体情况,分别建立了两个模型,并得出了饮酒后血液中酒精含量随时间变化的关系。关键词:房室模型;微分方程;数据拟合中图分类号:0141.4

文献标识码:B

文章编号:1008—486x(2005)02—0039—02

引言

体重约70kg的某人在短时问内喝下2瓶啤酒据报载,2003年全国道路交通事故死亡人数为

后,测量他的血液中酒精含量(mg/100m1),得到数据10.4372万,饮酒驾车是造成事故的主要原因之一。

如表l:

针对酒后驾车肇事的严重状况,国家质量技术监表l

酒精含量(mg/100m1)与时间的关系

时间(h)0.25

0.50.75

l2345酒精含量

30

68

75

82

77

68

51

41

100m1,小于80mg/.100ml为饮酒驾车,血液中的酒精酒精含量

383528251815121074

1.2模型假设

模型概述

(1)人体对酒精的吸收、消化、排泄功能正常;(2)例证

人体中的酒精量与喝人的酒精量成线性关系;(3)酒大李在中午12点喝了一瓶啤酒,下午6点检查

精进入中心室以后直接排出体外。

1.3

问题举要

本题要解决司机喝酒后血液中酒精的含量与时

间的关系问题,属于微分方程类型。针对酒是在很短时间内喝的情况,根据药代动力学原理可以建立二室模型,即中心室和吸收室,也就是说喝人的酒进入吸请参考相关数据(或自己收集资料)建立饮酒后收室和中心室后排出体外。再根据酒精在不同房室间的转移及排出规律,建立数学模型。如果酒是在较长时间内喝的,可简化为一室模型,即酒直接进人中心室后排出体外。1.4符号说明

Do为进入吸收室中的酒精含量(单位:mg);蠡。为吸收室中的酒精转移到中心室的速率系数;后为中心室的酒精排出体外的速率系数;矗:为长时间内喝人的体液占人的体重的65%至70%,其中血液酒,酒精进入中心室的速率;而(£)为酒精在£时刻转移到中心室的速率;£为时问(单位:h);c(£)为£时刻血液中的酒精浓度;石o(£)为中心室在f时刻的酒

收稿日期:2004一12—21

作者简介:李文丰(1962一),男,河北武邑人,副教授,从事高等数学教学与研究。

39

万 

方数据0

督检验检疫局于2004年5月31日发布了《车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阈值与检验国家标准》,车辆驾驶人员血液中的酒精含量大于或等于20mg/含量大于或等于80mg/100ml为醉酒驾车。

1.1

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?

血液中酒精含量的数学模型,并讨论如下问题:(1)对大李碰到的情况做出解释。(2)在喝了3瓶啤酒或者0.25kg低度白酒后多长时间内驾车就会超过上述标准时,应分清酒是在短时间内喝的还是在较长时间(比如2h)内喝的。(3)估计血液中的酒精含量在什么时间最高。(4)根据模型分析判断天天喝酒,是否还能开车?

只占体重的7%左右;而药物(包括酒精)在血液中的含量与在体液中的含量大体是一样的。

黄河水利职业技术学院学报

2005年第2期

c(£)=1910.1285

190.1285

e—o

e。0

精含量;戈.(£)为长时间内喝酒中心室在£时刻血液中的酒精含量;y为人体中血液的体积;¨为中心室中血液的体积。

2"6‘一130.4252

2316

e—o4775‘+

4775

r‘一…一130.4252

e—o

r‘一“)

3模型2(慢速饮酒问题)

3.1模型2建立与求解

慢速饮酒与恒速静脉滴注过程相似,假设血液中酒精是较长时间(2h内)恒速进入中心室的,其速率2模型1(快速饮酒问题)

2.1模型1建立与求解

快速饮酒与口服或肌肉注射药物的过程相似,这就相当于酒精进入中心室前,先有一个将酒精吸收人血液的过程,可以简化为一个吸收室(如图1)。

^=Aozo(f)

{耋出.

图l酒精转移二室模型于是戈。(£)满足j.龙。(‘)2一后。戈。

【戈。(0)=仇

而药物进入中心室的速率为届(t)=七。戈o(£)解此微分方程,可得c(£)=Ae“‘一曰e~。‘,其中A、B都为待定参数。2.2模型1参数估计

将血样分成两部分,对于£比较大时,可近似为c(£)=Ae“‘,利用MATLAB软件将数据拟合,得出

A=5.2477,矗=0.2316,

则c(£)=190.1285

e棚2

31

m,

。(£)=Ae一衄一c(f)=Be一加‘同理,得出B=130.4252‰=0.4775

从而得出快速喝人2瓶啤酒,血液中酒精含量与

时间£的关系式:

cf£)=190.1285

e。0

2316‘一130.4252em

4775‘

画出散点图2。图2快速饮酒血液中酒精含量与时间关系

对于经过n小时后再喝人两瓶啤酒,可以进一步改进模型,得出血液中酒精含量与时间的关系式

万 

方数据为七:,.而(£),初始条件为:

届(f)=孟2,c(0)=O如图3,可得微分方程

戈’(£)=矗(£)一玩(£),菇(f)=¨c(f),

酒精进入

排出

矗(t)=%z

图3酒精转移一量模型

解微分方程得

哪)=锻(1_e-缸)

2h以后,中心室没有酒精注入,即f0(t一2)=0解微分方程,得

叩-2)=锻(1百2~叫m,

所以慢速饮酒时血液中的酒精含量与时间的关f^(f)

加)-{蕊n一“。∞“或’I而(1一e…)e叫H,(f>2)

据调查后,得到2瓶啤酒的酒精含量为:D=640×0.03×2×1000=38400(mg),得.届(£)

耵2西而可n薪F

38400×善

220・48

即血液中的酒精含量与时间的关系式

f220.48(1一e。o2316‘)

(O<ts2)

c(2J=={220.48(1——e一。。632)e一。.2316(t一2’(t>2)

画出散点图4。

图4慢速饮酒血液中酒精含量与时间关系

(下转第43页)

系为

3.2模型2参数估计

裘敬华,等:用Excel处理规划最优问题探讨

(z2+0.1)2+sin茹3+1.06l+Ie一1墨+20戈3+!Q!二三I件2:戈+),+z—l=o的墨xz中,求d: ̄/戈2+v2+z2在初始值(0,0,0)处的值。

的最大值和最小值。

(2)把初始值的位置设为可变单元格,函数值.厂

(2)在Excel下,给z,%z赋初值(1,o,0),算出(扎弛x,)的位置设为目标单元格,设其值为零,求

在(1,o,o)处距离d的值和约束条件的值。

解后得到非线性方程组的近似解为(0.5,2.71E—(3)选择“规划求解”对话框,设d所在的单元格07.一0.524).

为目标单元格,其值设为最大;变量戈,%z所在的单2.3多元函数求条件最值

元格为可变单元格;添加约束条件1和约束条件2,2.3.1

问题的数学模型及实例解析

按“求解”按钮得距离d的最大值为4.2024。用同样求多元函数u=厂(钆弛…,z。)满足限制条件

的方法可以求出距离d的最小值。似(石,,耽,…,‰)=o(_|;c=1,2,…,m)的最值是标准的“规划求解”问题。不过在具体处理时需要对实际参考文献:

问题本身做适当的变形,才能使用规划求解功能,下[Ij封建湖,车刚明.计算方法典型题分析解集[M】.西安:

面的实例就清晰地说明了这一点。

西北工业大学出版社,2000.11.

实例3

抛物面彳=石2+广被平面z+y+彳=1

【2】任现淼.计算机数学基础[M].北京:中央广播电视大学

出版社,2001.

截成一椭圆,求原点到这个椭圆的最长与最短距离。

【3】冯珍珍.高等数学计算实验[M】.上海:华东理工大学出

实例3是最值方面的问题,处理时首先应将问题版社,2001.4.

转化为标准模型,然后再用Excel进行计算,过程如[责任编校杨道富]

下:

(1)在满足限制条件l:戈2+俨一彳=0和限制条

(上接第40页)5

结论

(1)以喝啤酒为例,饮酒量与可以驾车的间隔时

对大李遇到的情况的解释

问如表2。

大李在喝1瓶啤酒情况下,经过6h后,代人模型

表2饮啤酒量与可以驾车的间隔时间

可得其血液中的酒精含量为c=19.97mg/100ml,因啤酒(瓶)l

234567

8910

1l

12

为小于20m譬/100m1,所以符合新的国家标准。随后又时间(h)

10

12

13

14

15

16

16

1717

18

18

喝l瓶啤酒,经过8h后,代入改进后的模型可得其血备注:3瓶啤酒相当于半斤低度白酒。

液中的酒精含量为c=24.52>20mg/100ml,所以被(2)本模型利用药代动力原理进行合理的假设,通过MATLAB软件求解得出数学模型,故可以推广到某些领域,如指定给药方案和剂量大小及湖水污染(1)酒是在很短的时间内喝的:根据模型l,通过等问题的研究。

(3)如果把两室模型改为三室模型,那么得出的(2)酒是在较长的时间内喝的:代人模型2,计算结果将更加精确,更加符合实际情况。可知慢速喝酒以后在10h内开车是违反规定的。

(3)对于喝酒后什么时候的酒精含量最高,可以参考文献:

【l】姜启源.数学模型【M].北京:高等教育出版社,1993.【2】张瑞丰.精通MATLAB6.5【M】.北京:中国水利水电出

=0,可得£=1.409。

版社.2004.

(4)根据模型论证:在每天每次喝2瓶啤酒的情【3】薛毅.数学建模基础【M】.北京:北京工业大学出版社,

2004.

【责任编校杨道富]

43

万 

方数据4模型的分析与检验

4.1

定为饮酒驾车。

4.2在喝3瓶啤酒的情况下

计算可知,在llh内驾车违反上述标准。

根据所建立的模型,对c=Ae“‘一眈“‘求导,令c’况下,喝完酒后至少10h以后才能驾车。

饮酒驾车的数学模型

作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):

李文丰, 吕良军

黄河水利职业技术学院,河南,开封,475001

黄河水利职业技术学院学报

JOURNAL OF YELLOW RIVER CONSERVANCY TECHNICAL INSTITUTE2005,17(2)

参考文献(3条)

1.姜启源 数学模型 19932.薛毅 数学建模基础 20043.张瑞丰 精通MATLAB6.5 2004

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hhslzyjsxyxb200502017.aspx


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  • 1.全民拒酒驾,平安你我他. 2.远离酒驾,平安回家. 3.平安出行始于心,拒绝酒驾践于行. 4.滴酒不沾,人车平安. 5.车行千万里,拒酒零距离. 6.桌上的一杯酒,轮下的离别愁. 7.绷不紧酒后禁驾弦,弹不出平安和谐调. 8.驾车滴酒不沾, 一生平安相伴. 9.驾前贪杯,驾后伤悲 . 10.儿行 ...

  • 校车司机责任书
  • 为了加强对幼儿园及校园车辆的安全管理,坚决杜绝交通安全事故的发生,特签订此责任状. 一.驾驶校园车辆的驾驶员必须由有合法驾驶手续,具有三年以上驾驶经历,严格遵守<道路交通安全法>等法律.法规,责任心强. 二.驾驶员在接送幼儿前,必须对驾驶车辆进行严格的安全检查,发现问题,坚决不上路行驶, ...

  • 交警关于禁止酒后驾车工作总结
  • 在“拒绝酒后驾驶”全国交通安全主题宣传活动中,哈尔滨交警直属第一大队按照交警总队的统一部署,结合辖区工作实际,深入大街小巷发动宣传,四项举措攻尖克难,努力将“喝酒不开车,开车不喝酒”的理念植入广大市民心中,并取得了良好的效果。当日共出动警车10台,警力35人次,发放宣传资料3000余份,悬挂横幅、标 ...

  • 南都周刊一周语录
  • 前体操明星桑兰要打跨国官司为自己的青春讨一个说法,她认为那次受伤不是意外而是一嘲事故”。 12年后我的教练和当年的许多当事人已经退休,如果我现在对事故责任方采取法律措施,那么这些当年的“证人”就不会被单位再次下达封口令。 —桑兰 前体操明星桑兰要打跨国官司为自己的青春讨一个说法,她认为那次受伤不是意 ...

  • 校车安全工作总结
  • 为确保校车的行车安全,切实保障学生的生命安全和学校财产安全,特制定如下管理制度: 1、成立学校行车安全管理领导小组。由校长任组长,各部门主任为组员。 2、 建立教师随车制度。学校每天有一名值日教师随车,负责学生上下车、过马路和行车过程中学生的秩序与安全。随车教师必须认真填写随车记录。 3、 驾驶员的 ...