面向多原料多零件的大规模优化下料技术研究

摘要

可持续发展是当今世界发展的主题，资源的优化利用是具体要求。制造业量大面广，在创造社会财富的同时，也造成了巨大的资源浪费。优化下料是制造业中的一项基础技术，也是控制资源浪费的重要环节。大规模下料是其中的一类特殊问题，由于其较多的原料和零件种类数，使得目前的诸多优化算法陷入性能危机，造成巨大的资源浪费。鉴于解决大规模下料问题的重要意义，本文针对具有多种原料的下料问题(多原料下料问题)、具有多种零件的下料问题(多零件下料问题)和既具有多种原料又具有多种零件的下料问题(多原料多零件下料问题)分别展开研究。 对于多原料下料问题，一般的算法难以实现对所有原料组合方式进行探索，但又缺乏有效的原料选择理论或技术，故而往往难以得到原料利用的更优解。为此，提出迭代结构的筛选法、交叉组合法和最速下降法。这三种方法从不同的侧面提出假设，并制定规则，提高了探索的精确性，有利于获得更优的原料组合，进而达到提高材料利用率的目的。阐述了它们的前提假设、基本思想、实现流程和算法实现等，并分析了它们的求解效果。 针对诸多优化算法在处理多零件下料问题时易于陷入局部最优解和时间效率低下的问题，提出一类基于下料特征的分组优化方法。该类方法通过考察下料的相关特征将原大规模问题拆分为若干小规模问题，各小规模问题优化后的结果合并即为原问题的下料方案。在分析该类方法的可行性的基础上，建立了分组优化的数学模型，阐述了该类方法的结构体系，指出优化高效性、分组宏观性、分组闭环性和结构开放性是该类方法的重要特征，具体研究了分组个数确定、分组策略、并列优化技术和补偿策略等构成技术。在具体上，利用零件相似性特征，提出基于零件相似性特征的分组优化方法，阐述了该方法的实现流程，并研究了其关键技术。 对于既具有较多原料又具有较多零件的大规模下料问题，分析了大规模下料的系统求解结构，给出了路径控制点的定义及评价形式，提出了优化路径的N段控制模式，并将对优化路径的控制问题总结为0-1目标规模问题，建立了该0-1目标规划的数学模型，简要介绍了目标规划的求解方法。通过优化路径控制，可以实现多方面技术的协调运作，达到综合最优的求解效果。 为了检验大规模下料技术的有效性，针对多原料和多零件的下料问题分别采用交叉组合法和基于零件相似性特征的分组优化方法进行了若干实验，实验结果表明：最速下降法能够较快地找到目标原料组合，可以稳健地提高材料利用率；相对于不分组优化，基于零件相似性特征的分组优化方法可以实现对原零件集合的较优拆分，在提高时间效率的同时，能够维持和提高材料利用率。进而证明了原料选择技术和基于下料特征的分组优化方法的有效性。最后，将本文提出的部分大规模下料技术对“建筑金属结构计算机辅助设计与生产管理集成系统”(国家863/CIMS目标产品)中的优化下料子系统进行升级，提高了该软件的优化性能和处理问题的能力。目前，升级后的优化下料系统已成功应用于数百家企业，取得了较好的应用效果。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1论文的选题背景和意义

1.1.1课题的选题背景

1.1.2课题的研究意义

1.2优化下料的研究现状与共性特征

1.2.1优化下料的研究现状

1.2.2优化下料的共性特征

1.3本文的主要工作

1.3.1本文研究工作的原则

1.3.2本文研究的目的

1.3.3研究内容和论文结构

1.4本章小结

2多原料下料问题中的原料选择技术研究

2.1多原料下料问题概述

2.2选择方法的思想路线和前提假设

2.3筛选法

2.3.1筛选法的基本思想

2.3.2筛选法的工作流程

2.3.3筛选法的算法实现

2.4交叉组合法

2.4.1交叉组合法的基本思想

2.4.2交叉组合法的工作流程

2.4.3交叉组合法的算法实现

2.5最速下降法

2.5.1最速下降法的基本思想

2.5.2最速下降法的算法实现

2.6原料选择方法的效果分析

2.7本章小结

3多零件下料问题中的分组优化技术研究

3.1多零件下料问题概述

3.2基于下料特征的分组优化方法

3.2.1基于下料特征的分组优化方法的提出

3.2.2基于下料特征的分组优化的可行性分析

3.2.3分组优化的数学模型

3.2.4基于下料特征的分组优化的求解结构

3.2.5基于下料特征的分组优化的特征分析

3.2.6基于下料特征的分组优化的技术构成

3.3基于零件相似性特征的分组优化方法

3.3.1相似性特征及聚类分析简介

3.3.2基于零件相似性特征的分组优化的基本思路和实现流程

3.3.3基于零件相似性特征的分组优化的关键技术

3.4基于下料特征的分组优化方法的效果分析

3.5本章小结

4多原料多零件下料问题的优化路径控制

4.1大规模下料的求解结构

4.1.1多原料多零件下料问题的困境

4.1.2多原料多零件下料问题的求解结构

4.2优化路径控制概述

4.2.1优化路径控制的提出

4.2.2路径控制点及其评价

4.3优化路径控制方法

4.3.1优化路径的N段控制模式

4.3.2优化路径的0-1目标规划模型及求解方法

4.4优化了路径控制的效果分析

4.5本章小结

5实验、结果分析及应用

5.1实验环境

5.2多原料下料实验

5.2.1实验算例

5.2.2结果分析

5.3多零件下料实验

5.3.1实验数据及算例

5.3.2结果分析

5.4技术应用

5.5本章小结

6结论与展望

6.1本文工作的总结

6.2基于下料特征的优化下料方法展望

致谢

参考文献

附录