2026数学建模国赛D题全国大学生数学建模高教社杯数模思路代码文章助攻合集:时频冲突检测与消解
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问题一要求对附件1给出的150个用频装备提报的用频计划进行时频冲突检测。每个用频计划包含四个参数:频段区间、首次使用的时间区间、相邻两次使用该频段的间隔时长以及使用次数。当两个用频计划的时间区间和频段区间都存在交叠时,则判定它们之间存在时频冲突。需要将检测到的所有冲突对逐一填写到result1.xlsx中。
二、数据解析与预处理
2.1 数据结构
附件1包含150个用频计划,分为3类:A类20个(优先级最高)、B类40个(优先级次之)、C类90个(优先级最低)。各类型参数特征如下:
类别 数量 间隔时长 使用次数 频段范围 时间范围
A类 20 60 3 [2,92] [0,610]
B类 40 40 4 [0,100] [15,618]
C类 90 8 12 [0,99] [2,621]
2.2 周期性时间区间展开
每个用频计划的首次使用时间区间为[T_start, T_end),间隔时长为P,使用次数为K。需将其展开为K个具体的时间区间集合:
T_i = ⋃[k=0…K-1] [T_start + k×P, T_end + k×P)
例如A001:频段[80,90),首次时间[35,40),间隔60,使用3次,展开后为3个时间区间:[35,40)、[95,100)、[155,160),对应占用频段[80,90)。
三、冲突判定数学模型
3.1 冲突判定条件
设用频计划i的频段区间为F_i=[f_i_start, f_i_end),展开后的时间区间集合为T_i。计划i与计划j存在时频冲突,当且仅当同时满足以下两个条件:
条件1(频段交叠):F_i ∩ F_j ≠ ∅,即 f_i_start < f_j_end 且 f_j_start < f_i_end
条件2(时间交叠):T_i ∩ T_j ≠ ∅,即存在k₁,k₂使得对应的时间区间有重叠
3.2 算法流程
步骤1:解析所有150个用频计划的频段区间和时间区间参数
步骤2:对每个计划,根据间隔时长和使用次数展开周期性时间区间
步骤3:对所有C(150,2)=11250对计划,先快速判断频段是否重叠(若不重叠则跳过)
步骤4:对频段重叠的计划对,逐一检查展开后的时间区间是否存在交叠
步骤5:记录所有冲突对,输出到result1.xlsx
3.3 算法复杂度分析
朴素双重循环复杂度为O(N²×K²),其中N=150为计划数,K为最大使用次数。最坏情况下K=12(C类),实际比较次数约为150²×12²≈3.2×10⁶,在现代计算机上毫秒级完成。进一步优化可采用频域分桶策略:先按频段区间排序或分桶,仅比较频段有潜在重叠的计划对,可大幅减少实际比较次数。本题中先进行频段预筛选(位运算或区间树),再对频段重叠对做时间详细检查,效率更高。
四、求解结果与统计分析
4.1 冲突检测总览
对150个用频计划进行两两冲突检测后,共检测到237对时频冲突,涉及142个装备(占比94.7%)。这表明电磁频谱资源较为紧张,冲突现象普遍。
4.2 冲突类型分布
按装备类别统计冲突对分布:B类与C类之间的冲突最多(115对,占48.5%),其次是A类与C类(59对,占24.9%)和A类与B类(29对,占12.2%)。同类冲突中,B类与B类冲突18对,C类与C类冲突15对,A类与A类仅1对。这一分布说明C类装备由于数量多、使用频次高(12次)、间隔短(8Δt),成为冲突的主要来源。
冲突类型 对数 占比
B类-C类 115 48.5%
A类-C类 59 24.9%
A类-B类 29 12.2%
B类-B类 18 7.6%
C类-C类 15 6.3%
A类-A类 1 0.4%
4.3 冲突图度分布分析
构建冲突图(Conflict Graph):每个用频装备为节点,若两装备存在时频冲突则连边。图论分析结果:
节点数:150(对应150个用频装备)
边数:237(对应237对冲突)
最大度:9(B021装备同时与9个其他装备存在冲突,是冲突中心节点)
平均度:3.16(每个装备平均与3个其他装备冲突)
4.4 冲突中心节点识别
冲突度数最高的装备是"冲突中心节点",它们在问题二的消解中具有重要参考意义:
(1)高冲突度的A类装备(如A015度=8、A010度=7、A020度=7、A001度=6等):作为最高优先级装备,应优先保护不被撤销,消解策略应围绕调整与其冲突的低优先级装备展开。
(2)高冲突度的B类装备(如B021度=9、B011度=7、B025度=7、B030度=7等):B类装备冲突度高且数量较多(40个),是冲突的主要参与者之一。消解时可优先考虑调整其频段或时间。
(3)高冲突度的C类装备(如C033度=6、C069度=6等):C类优先级最低,当冲突无法通过调整其他装备消解时,应优先撤销或调整这些高冲突C类装备。
排名 装备编号 类别 冲突度数
1 B021 B 9
2 A015 A 8
3 A010 A 7
4 A020 A 7
5 B011 B 7
6 B025 B 7
7 B030 B 7
8 A001 A 6
9 A002 A 6
10 A009 A 6
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