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
1.1
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
矗
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
2
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。
j
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)
6
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
1.1
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
矗
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
2
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。
j
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)
6
10
12
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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