酒后驾车问题模型.doc

饮酒驾车的优化问题摘要 近年来因饮酒驾车引起的交通伤亡事故频频发生，且有逐年递增的趋势，已经严重影响道路交通状况和威胁行人的人身安全。为维持良好的道路交通情况，更好的保障广大行人人身安全。国家质量监督检验检疫局对此出台了更为严格的酒驾国家标准，本文针对饮酒驾车问题，主要研究了酒精浓度在人体内吸收与分解随时间的变化规律，并针对不同饮酒方式和饮酒量时血液酒精浓度随时间变化规律的不同进行了比较研究。 针对问题一本文利用药物代谢动力学分析方法,模拟了人体吸收与分解酒精的过程，基于采用二室房室模型把肠胃和体液模拟成两个封闭的空间吸收式与中心室，并分别建立吸收室与中心室的酒精含量变化与时间t的微分方程，并运用MATLAB求解得到中心室酒精含量与时间t的关系式，并通过 ，最终得到体液中酒精浓度随时间t的变化关系式。可知大李第一次检查时血液中酒精浓度为14.2695 mg/dml，没有超标。第二次检查时血液中酒精浓度为20.1622 mg/dml，结果超标。 针对问题二和问题三，无论是快速饮酒或较长时间内喝酒，酒精向体液渗透和体液中酒精分解的速度会随着时间变化而增大，而当体液分解酒精的速度等于肠胃内酒精向体液渗透的速度时，体液中的酒精浓度达到最大，对于快速饮酒，会很快达到最大。本文用lingo软件对非线性约束求极大值可知，体液中酒精浓度达到最大的时刻为：1.1015小时。 针对问题四如果天天喝酒，且饮过量的酒，不论饮酒时间长短，血液酒精浓度均不能在很长一个时间内恢复到安全驾驶标准。即使长时间内均匀的喝少量的酒，人体血液中的酒精的含量也会积少成多，天天喝酒必定超过安全驾驶标准。所以如果天天喝酒，就不能开车。 针对问题五中在新的酒驾国家标准下，想喝一点酒的司机需要开车时，切记不要饮酒过量，不要马上驾车。保护自己与他人的安全。 如果有更多的相关数据，如不同体重不同年龄的人血液内酒精浓度随时间变化的数据，该模型还可以进一步的精确和细化，给每个司机提供有价值的个性化饮酒驾车建议。还可根据血液酒精浓度的函数，确定报案时司机血液中的酒精含量以及肇事到报案的时间间隔，帮助交警判断肇事责，扩大模型实际应用范围。关键词：饮酒驾车 酒精浓度 微分方程 拟合 1 问题重述安全驾驶不仅有助于维持良好的道路交通情况，也是广大行人人身安全的重要保障。而因饮酒驾车引起的道路交通伤亡事故所占比例较高，饮酒驾车引起的交通安全问题越来越受到全社会的高度关注，国家质量监督检验检疫局对此也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，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）。新标准中关于酒驾的界定有了更为严格的规定。司机大李中午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，凌晨2点驾车回家遭遇检查时却被定为饮酒驾车，喝同样多的酒，两次检查结果却不一样。他既懊恼又困惑。可参考以下数据：时间(小时)0.250.50.7511.522.533.544.55酒精含量306875828277686858515041时间(小时)678910111213141516酒精含量3835282518151210774 建建立饮酒后血液中酒精含量的数学模型，并讨论以下问题：1. 对大李碰到的情况做出解释；2. 在喝了3瓶啤酒或者半斤低度白酒后多长时间内驾车就会违反上述标准，并考虑不 同饮酒方式和饮酒量，比如酒是在很短时间内喝的或酒是在较长一段时间（比如2小时）内喝的。3. 怎样估计血液中的酒精含量在什么时间最高。4. 根据你的模型论证：如果天天喝酒，是否还能开车？ 5. 根据血液酒精浓度随时间变化的规律，给想喝一点酒的司机如何驾车提出建议。避免酒后驾车时酒精超标而引起不必要的交通事故，创造和谐的交通环境。2 问题分析 要解释大李的困惑，就必须找出影响血液中的酒精含量的因素，即血液中酒精含量随时间，饮酒量和饮酒方式的变化关系。大李两次喝相同份量的啤酒，接受检查的时间间隔相差不多，检查结果却不一样。原因在于两次接受检查前的血液中酒精初始浓度不同。第二次接受检查前血液中的酒精浓度高于第一次接啤酒受检查前血液中的酒精浓度，因为第二次凌晨2点接受检查时血液中含有第一次12点喝啤酒时留存的酒精，所以第一次检查合格，第二次检查不合格。可知血液中酒精含量与原有的酒精含量同进来的酒精含量和出去的酒精含量均有关系。而血液中酒精含量的变化与不同饮酒方式和饮酒量及时间长短等因素有关。故本文主要考虑了饮酒的时间和饮酒量的变化对体血液中酒精浓度的影响.找出血液中酒精浓度的变化规律，找出饮酒后安全的驾车时间。 3 模型假设1. 假设喝啤酒后，啤酒的酒精全部进入胃肠(含肝脏)，然后经过胃肠渗透到体液中。2. 假设酒精从胃肠向体液的转移速度，与胃肠中的酒精浓度(或含量)成正比。3. 假设体液的酒精消耗(向外排出、分解)的速度，与体液中的酒精浓度(或 含量)成正比。4. 假设大李两次喝酒时都是将酒瞬时喝下去并立即进入胃肠中，没有时间耽搁。5. 假设人体喝入的酒精最终会被人体全部吸收。 6. 假设在较长时间饮酒的情况下，这个持续的饮酒过程中酒精是匀速均匀的进入肠胃的。 4 符号说明符号符号说明单位吸收室的酒精含量毫克中心室的酒精含量毫克吸收室向中心室的酒精转移比率中心室的酒精分解比率体液中的酒精浓度毫克百毫升人体的体液体积百毫升饮入的酒精量毫克血液中的酒精浓度毫克百毫升 5 模型的建立与求解 5.1 问题一的模型 5.1.1 模型建立针对问题一，对于短时间内饮入酒的情况我们可以建立下述模型 中心室 吸收室 K01k 我们用吸收室代表胃，用中心室代表体液。首先我们对吸收室建立微分方程，考虑到酒在短时间内进入吸收室，可得， =- =解此微分方程得，=（1）， 对中心室创建微分方程，可得， =考虑到， 解此微分方程得 = （）接下来，我们通过题中所给实验数据来拟和求出两个系数，每瓶啤酒的体积为640毫升，啤酒的酒精度约为4%，酒精的密度为800毫克/毫升，所以可以计算得到每瓶啤酒中含有酒精为20480毫克。体液约占体重的65%-70%，体液的密度约为毫克/百毫升。可以计算70公斤的人体液约为467百毫升。所以对于题中实验数据，可以确定（代表饮入的饮酒量，单位为毫克）等于40960毫克，（人体的体液的体积，单位为百毫升）467百毫升。又体液中酒精浓度和血液中酒精浓度相同。 用函数=拟和题中实验数据得图形如下：4=2.6853 =0.1474 所以得到拟和函数：= ，y轴表示酒精血液浓度，x表示时间。 程序见附录一6、模型求解下面对问题一用模型做出解答（1）首先给出快速饮酒一瓶时血液中酒精浓度的函数=做出图象： 大李中午12点饮酒一瓶啤酒经过六小时，血液中酒精浓度19.1620mg/dml ,所以六小时后大李通过了检查。 大李凌晨2点再一次检查时血液中的酒精含量应为两部分组成，第一部分是中午12点喝的酒经过了14个小时后在血液中的残量，应为5.8927 mg/dml，它属于一直分解后的残量，第二部分是晚上6点又喝了一瓶酒后经过吸收和分解的过程，在过了八小时后在血液中的浓度为：14.2695 mg/dml，所以血液中的酒精总浓度为20.1622 mg/dml，大于20 mg/dml，所以没通过检查。（以上数据均为通过模型精确计算得到）。 针对问题二（一），给出快速喝进3瓶啤酒后的血液酒精浓度随时间变化的函数：=，图象为：经过计算，在饮酒13.1629小时内血液中酒精浓度大于20mg/dml，违反标准。在饮酒3.7574小时内血液中酒精浓度大于80mg/dml，属于醉酒驾车。（二），如果酒是在较长一段时间内（2小时）喝的，我们可以认为酒是匀速饮入，我们对时间进行分割，然后在每个小时间段内看成是快速饮入定量的酒。在每个小时间段内用模型模拟，如果我们把时间分为6等份，也就是每20分喝半瓶啤酒，每次饮酒看成是快速饮酒，用快速饮酒模型分别模拟得图象：（下图：3瓶啤酒六次速饮各曲线） 在每个时间点把每个函数值相加就得到在这一时刻，血液中酒精的浓度，经过计算在14.0113小时内血液中酒精浓度大于20mg/dml.属于违规。 在饮酒4.6051小时内血液中酒精浓度大于80mg/dml，属于醉酒驾车。针对问题三：分别讨论快速饮酒和较长时间内喝完酒两种情况 对于快速饮酒，无论饮酒量为多少（如下图），酒会在很短的时间内进入到胃中，这时胃中的酒精浓度会短时间内达到很高，这时酒精高速渗透向体液，随着时间的增加，体液中排出酒的速度会增加，而当体液排出酒精的速度等于胃向体液渗透的速度时，体液中的酒精浓度达到最大，对于快速饮酒，会很快达到最大。经过计算，快速饮1或2或3瓶酒时，体液中酒精浓度达到最大的时刻均为1.1015小时。 对于在较长时间内喝完酒，因为酒可看成是匀速饮入，酒精渗入体液的速度相对增加较慢，相对于快速饮酒，血液中酒精浓度达到最大值的时间要靠后，经过计算对于上述2小时喝三瓶酒达到最大的时间为：2.3416小时。针对问题四 根据对上述求解的分析，得出以下结论：（一）每天不论短时间内还是长时间内饮过量的酒，就不能在很长一个时间中恢复标准，题（2）中的两个数据：在饮酒13.1629小时内血液中酒精浓度大于20mg/dml，14.0113小时内血液中酒精浓度大于20mg/dml，这样就不能驾驶。（二）即使长时间内均匀时间段中喝少量的酒，人体血液中的酒精的含量也会积少成多，超过标准。题（2）中的第二模型很直观的反映出。因此，爱喝酒的驾驶朋友需做到要做到适量，适时的喝酒。针对问题五给想喝酒的司机一点建议 酒后驾车是导致交通事故的重要危险因素之一。在已发生的交通事故中占有相当的比例。目前我国在饮酒与交通安全方面的形式十分严峻, 但是酒作为人类社会交往活动的一种载体与介质，在人类文化和精神生活中的多样性发展过程中扮演了重要角色，丰富了人类的物质和精神生活。但它同时也带来了一些不良的后果，而车与酒的“完美结合”，似乎更使事故的发生率成倍的增加。 或许让驾车的人滴酒不沾那是不可能的，那么想喝点酒的司机朋友们千万要注意几个问题。 首先，不要天天，餐餐不离酒。因为酒精在人体体液中的吸收和分解是受时间影响的。你若6小时喝一次，你每天喝的酒中的酒精依然有一部分残留在体液中，那么到一定时间，你体液中的酒精的 浓度自然超过20毫克/百毫升，那样的话就违反的国家标准。其次不饮急酒，不饮空腹酒，饮酒要有下酒菜，最好先吃一些主食，边吃边饮。这样可以延续酒精的吸收，减少对胃粘膜的过度刺激。 再则，若在中午的时候喝了一定量的酒，大概一瓶以上，那样的话，下午出车最好应在喝完酒两小时后，因为酒精在体液中的浓度达到最高是在喝完一个半小时左右。否则极易出事。 除此之外，在各种应酬中还应掌握几个原则：饮酒要适量，以舒服为原则，不能逞英雄；身体不适，情绪不良尽量避免饮酒，以免加重症状。 “醉里从为客，诗成觉有神”，“俯仰各有志，得酒诗自成”，酒不仅是一种物质的存在，也是一种文化的象征。酒是一个变化多端精灵，它既缠绵如梦萦，柔软如棉缎，但它也让人觉得狠毒如恶魔，让人沉到最深渊最底处。 司机一滴泪，亲人两行泪！司机朋友们，为了你的安全，他人的安全，更为了让你的亲人放心，请你们健康的饮酒！安全的驾车！6 模型的评价与改进 模型很好的描述了血液中酒精浓度在体内的变化规律，在摄入不同的酒精份量时能够较为准确的预测出不同时间的血液酒精浓度。对司机安排喝酒与开车的关系有指导性作用。能够有效的防止饮酒后酒精浓度超标驾车的发生。 此外，该模型还可以进一步的精确和细化，针对不同体重，不同饮酒方式和不同年龄的人群，并结合国家交通部门对司机血液中酒精含量的最低标准，给出对司机具有实际参考价值的建议，如如何控制饮酒量，饮酒速度，饮酒时间，才能确保司机出行的安全。还可扩大该模型的应用外延，根据血液酒精浓度的函数，确定报案时司机血液中的酒精含量以及肇事到报案的时间间隔，即可计算出肇事时司机体内血液中的酒精含量。从而为交通部门确定肇事者是否为饮酒驾车提供很好的依据。参考文献1 张双德，医用高等数学，天津：天津科学技术出版社，1999-8。2 萧树铁，大学数学实验，北京：高等教育出版社，2001年。3王沫然，MATLAB6.0与科学计算，北京:电子工业出版社,2000年。4姜启源，数学模型，（第3版）.北京：高等教育出版社，。附 录附录描述1function z=jiujing(x,t)z=40960*x(1)/(467*(x(1)-x(2)*(exp(-x(2)*t)-exp(-x(1)*t)clc,cleart=0.25 0.5 0.75 1 1.5 22.53 3.5 4 4.55 6 7 89 10 11 1213141516;z=30 68 75 82 8277686858515041 3835282518151210774;x0=0.2,0.05;x=lsqcurvefit(jiujing,x0,t,z);scatter(t,z,*)hold ont=0.25:0.1:16;z1=40960*x(1)/(467*(x(1)-x(2)*(exp(-x(2)*t)-exp(-x(1)*t);plot(t,z1,r)grid on在短时间内同时喝下2瓶酒的情况下，血液内酒精的含量：t=6; z1=38.3271t=8;z1=28.5422t=14;z1=11.7879大李在中午12点喝了一瓶啤酒，下午6点检查时，血液内酒精的含量为19.1619毫克百毫升.紧接着他在吃晚饭时又喝了一瓶啤酒，在凌晨2点驾车时，经过8个小时后这瓶酒在血液中的含量是14.2711毫克百毫升；这时中午那瓶酒经过14小时后在血液中所占的酒精含量为5.8940毫克百毫升，因此大李在凌晨2点时血液中酒精含量为20.1651毫克百毫升，超过了20毫克百毫升，被视为饮酒驾车。