饮酒驾车问题

1饮酒驾车问题的数学模型摘要随着现在酒后驾车导致的事故频发，本文从分析饮酒后血液中酒精含量与时间关系的角度，建立了一个关于饮酒驾车的数学模型。本文主要采用房室模型和微分方程组的算法对其进行分析。本文首先针对吸收和代谢两方面的效应，对饮酒后血液血液中的酒精含量进行预估。同时首先依靠房室模型，建立一个不考虑时间因素，单纯关于吸收和代谢的一般模型，再根据文意需要分别建立短时饮酒和长时饮酒两个模型。接下来用常数变易法对模型进行求解，用最小二乘法并借助于Matlab软件，对模型一所得的体液中酒精浓度关于时间的表达式进行拟合，得到了模型中吸收能力系数1k和代谢能力系数2k的值分别为1.915和0.1925，由此我们解决问题中模型的解。针对问题一：得到下午6点的体液中酒精的含量为16.803毫克/百毫升，小于国家标准规定的20毫克/百毫升，而凌晨2点的为21.170毫克/百毫升，大于国家标准规定的20毫克/百毫升，如此通过定量的分析合理的解释了大李遇到的情况。针对问题二，将其分为短时和长时饮酒两种情况，带入模型求解，得到其分别在11.3526和12.4003小时后可以开车。针对问题三：我们首先假设只喝3瓶啤酒，2T，我们可以用求)(tC的驻点的方法来求)(tC的最大值点即酒精含量最高的点，最终得到其浓度最大的时间点分别为1.5小时和2.5小时。针对问题四：在本问中我们假设每天只喝一次，是短时间进酒，两次间隔24小时。因此带入模型一最终得到当一瓶啤酒中酒精的量约为24000毫克，每天最多可0.375瓶。针对问题五，本文主要普及了酒后驾车的危险程度，如何自己判断是否可以规避就酒驾风险，过度饮酒的危害等角度，对司机朋友提出我们的建议。提醒广大司机朋友们适度饮酒，理性饮酒。关键词：房室模型微分方程组tC驻点法吸收和代谢21问题重述据报载，2003年全国道路交通事故死亡人数为10.4372万，其中因饮酒驾车造成的占有相当的比例。针对这种严重的道路交通情况，国家质量监督检验检疫局2004年5月31号发布了新的《车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阈值与检验》国家标准，新标准规定，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）。大李在中午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，为了保险起见他呆到凌晨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？我们将参考下面给出的数据并自己收集资料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，在以下情况下回答：1）酒是在很短时间内喝的；2）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.根据你做的模型并结合新的国家标准写一篇短文，给想喝一点酒的司机如何驾车提出忠告。2问题分析当人们喝酒时,酒精(即乙醇)就会随着血液扩散到全身的器官和组织中,然3后不断地被吸收、代谢和排出.在这里我们把乙醇在血液中的浓度(即每100mL血液中乙醇含量(mg))称血醇浓度,它随时间和所处范围的变化而变化.为了建立饮酒后血液中酒精含量的数学模型,我们需要讨论乙醇在体内吸收、分布和排出的动态过程以及此过程中的定量关系.为了达到这一目的,我们借鉴药物动力学中的房室模型.所谓房室,是指由具有相近的药物转运速率的器官、组织组合而成.同一房室内各部分的药物处于动态平衡.可以认为乙醇在体内各部位间均有较高及相近的转运速率,可在体内迅速达到分布平衡,即血醇浓度具有均衡性.但是在不同的房室则可按一定的规律进行乙醇的转移,在这里我们简单地认为机体是一个血液均匀分布的中心，喝酒后乙醇的扩散与分布可看作在进入中心室之前有一个将乙醇由肠胃吸收入血液的过程将之简化为一个吸收室这种简化在医学界和药理学界已被接受和承认，我们称之为一室模型。本题中因为乙醇在血液中的浓度与在体液中的浓度大致相等所以我们可以将血液与体液合并为一个房室即中心室。下面在吸收室和中心室之间建立一个血醇浓度的微分方程来描述其动态特征。3模型假设（1）体液总体积保持不变（2）在较短时间内喝酒的情况下，酒精量是瞬间进入到胃里的。（3）体液的总体积不变。（4）酒精在血液中的含量与在体液中的含量大至相同。（5）不管喝的是什么酒，只以涉入的酒精总量纳入计算。（6）假设整体过程中人没有摄入任何影响代谢的药类物质和作剧烈性运动。（7）人的吸收速率和代谢速率是恒定的。（8）忽略不同人对酒精代谢能力的差异。4符号说明4变量含义单位备注1k吸收能力系数1/小时2k代谢能力系数1/小时0C开始饮酒时人体体液中的酒精浓度毫克/百毫升Q人喝下酒精的总量毫克一瓶啤酒中酒精的量约为24000毫克0V人体液所占的体积百毫升约为450百毫升t时间小时T较长时间饮酒时的持续时间小时酒精由肠胃进入人体体液的速率毫克/小时)(1tf酒精由口进入肠胃的速率毫克/小时)(txt时刻体液中酒精的量毫克)(tyt时刻肠胃中酒精的量毫克)(tC在t时刻人体体液（或血液）中的酒精浓度毫克/百毫升5模型建立与求解5.1模型的建立根据以上分析，我们可以建立一个房室模型，如图1：5图1房室模型结构又考虑到吸收总量为Q，有：在吸收室中我们考虑的是肠胃吸收酒精进入体液所引起的酒精量的增量，其中用)(tf代表t时刻酒精由肠胃进入人体体液的速率（单位：毫克/小时），则时间段],[ttt内体液中酒精量的增量可表示为：()tttftdt。再以Q表示人喝下酒精的总量，以刚开始饮酒的时刻为记时的初始时刻，即t=0，由于喝下的酒精在时间无穷长时总会被全部吸收，故有：()=tttftdtQ再考虑中心室，根据有关文献可知设从t时刻到tt时刻中心室（血液）中乙醇变化量为2()()()()ttttttxttxtftdtkxtdt即血液中乙醇变化量=吸收量-代谢量。等式两边同时除以t，并令0t可得：2()()()dxtftkxtdt此外还有初值条件0(0)CC5.1.1一般模型的建立由此得到一般情况下的模型：6由题中可知，酒可以在很短时间内喝完，也可以在一段较长的时间内喝完，这样将有两个不同的吸收速率，即可以得到两个不同的)(tf表达式，于是可以得到两个具体模型。第一个模型是考虑短时饮酒效应，第二个模型考虑的是长时饮酒效应。5.1.2具体模型一(快速饮酒)针对具体模型一：该模型针对短时的饮酒效应，即在喝酒后的很短的时间内，酒精就全部进入肠胃，以)(ty表示t时刻肠胃中酒精的量，即有0)0(Qy，根据文献资料判断，可知肠胃中酒精的减少速率应该和剩余量成正比，并设其比例系数为a，因此得到微分方程：1()()dytkytdt在此我们假设酒精进入人体和肠胃中酒精的减少为一个过程，即不考虑其在转化过程中的酒精的损耗，从而得到以下方程：1()()ftkyt再结合之前通过方式模型得到的一般模型，我们在此得到短时饮酒效应的模型如下所示：7200011()()()()(0)()()()()(0)dCtftkCtdtVftdtQCCftkytdytkytdtyQ5.1.3具体模型二（慢速饮酒）针对具体模型二：该模型针对长期饮酒效应，可将其近似认为在持续饮酒的过程中酒精是匀速进入肠胃的，参照模型一可有0)0(y，在此我们引入函数)(1tf来表示酒精进入肠胃的速率（单位：毫克/小时），T表示饮酒时的持续总时间，则酒精进入肠胃的速率与整个过程中喝入的酒精量有如下关系：TtTtTQtf,0,/)(01而肠胃里的酒精量的变化与机体对酒精的吸收和喝入机体的酒精量都有关系，而机体对酒精的吸收速率可以与模型一一样用1()kyt来表示，则时间段],[ttt内有：肠胃里的酒精量的变化量=喝入机体的酒精量-机体对酒精的吸收量即得：11(),()()(),tttttttttQdtkytdttTTyttytkytdttT两边同除t后让0t取极限得：811(),()(),QkyttTdytTdtkyttT而与模型一一样有：1()()ftkyt再结合一般模型我们可以得到模型二如下：000111()()()()()(0)()()(),()(),(0)0TTdCtftbCtdtVftdtftdtQCCftkytQkyttTdytTdtkyttTy5.2模型求解5.2.1具体模型一的求解模型一求解：根据具体模型一得：11()()()()dytkytdtftkyt将其整理并带入一般模型中求解得到()Ct与t的关系：1020()()ktaCdCtekCtdtV观察其方程满足非齐次一阶线性微分方程的一般形式，带入公式进行求解，最终得到如下公式：921210012()()()ktktktkQCteeCeVkk5.2.2具体模型二的求解模型二求解：根据题设，我们取2T。由11(),2()2(),2Qkyttdytdtkytt及0)0(0x可得：111121(1),22()(1),22ktkktQetkytQeetk又1()()ftkyt，可得：1112(1),22()(1),22ktkktQetftQeet将其代入特解中并化简得：2121121122111220(2)2222120120((1)(1))22()()(10(1)()2053())220()ktktktktkkktkktkkekeQtkkkVCteeeeeQkkeVtkkV5.2.3参数估计及具体解根据题中所给数据以及所给的条件可知所给数据符合依据具体模型一求得的酒精浓度关于时间变化的表达式，这里我们通过资料搜集得到信息人体中含有体液的总体积约为430百毫升。1瓶500ml，酒精度6°的啤酒，其所含酒精的体积为500*6%=30ml，质量为30ml*0.8×10³kg/m³=24,000mg。接下来我们运用最小二乘法结合Matlab软件拟合出1k与2k的值分别为：121.9150.1925kk，10于是具体模型一的解为：图像为：图2模型一的拟合图（其中点为题中已知的数据点，曲线为拟合的曲线）具体模型二的解为：c11图3模型二的拟合图5.3问题1的解答在此问题中，大李是在下午6点时接受检查的，首先考虑到他喝啤酒的时间很短，则我们将此处理为具体模型一的情景。在求解过程中我们以喝啤酒的时刻为计算的初始时刻，而根据假设，可以知道00C，又21700Q，把数据代入具体模型一的解中，求出第一次他在喝一瓶后6小时的血液中酒精浓度为：16.803（毫克/百毫升），小于20毫克/百毫升,即通过检查。7小时后血液中酒浓度为13.861毫克/百毫升。此时再喝下一瓶啤酒，我们以此刻为初始时刻，初始浓度为15.654毫克/百毫升，即：654.150C（毫克/百毫升）将此代入模型一的解，依然借用matlab软件得出凌晨2点时血液中酒精浓度为：21.170（毫克/百毫升），大于20毫克/百毫升，即未通过检查。5.4问题2的解答1）从题可知此小题的情况符合模型一，且由题可知：02400030QC将此代入模型一的具体解，并计算出t的临界值，也就是当20)(tC时t的值。可解如下方程：-0.19251.915106.67()20ttee应用Matlab软件解得11.3526t