钢铁企业板卷合同匹配问题建模与差分进化算法研究

摘要

在钢铁企业的生产过程中，既要满足客户对产品的多品种、小批量、个性化的需求，又要保证机组设备的利用率。但是落后的生产运作管理机制导致了大量余材产品的产生。此外由于生产计划编排的不合理等因素，造成了不满意的合同与材料的匹配关系。板卷合同匹配问题是指在钢铁生产过程中将库存余材（无委托板卷）分配给有欠量的用户合同以减少在制品库存，并通过调整现有的合同与板卷之间的匹配关系提高合同的完成率，从而提高客户的满意度。本文以国内某大型钢铁企业的实际生产为背景，将板卷合同匹配问题描述为无委托板卷合同匹配及全委托板卷合同匹配两个阶段的优化问题，分别建立了数学模型，针对每个问题定制化地设计了差分进化算法进行求解。主要内容如下:
　　(1)无委托板卷合同匹配问题的建模与求解。本文以提高板卷与合同的匹配质量、提高板卷利用率、降低库存费用为目标，板卷的规格和合同要求为约束条件，对于无委托板卷匹配问题建立了整数规划模型。由于问题为NP-难问题，现有的优化软件的求解能力有限，因此，提出了一种改进的差分进化算法。采用多种启发式和随机方式相结合的混合方法以获得较高质量的初始解。针对问题的特点，设计了一种整数编码方式，采用带有求余运算的改进变异方式，同时通过贪婪修复策略对不可行解进行修复。多组不同规模的数值实验验证了模型和算法的有效性。
　　(2)全委托板卷合同匹配问题的建模与求解。由于实际生产中经常会出现板卷合同之间不合适的匹配关系，这时需要对板卷合同的匹配关系进行调整，本文以提高板卷与合同的匹配质量、提高客户满意度为目标，考虑机组的最大产能约束，对于全委托板卷合同匹配问题建立了整数规划模型。运用CPLEX求解小规模问题，验证了模型的有效性。针对大规模问题设计了一种改进的差分进化算法求得问题的近优解。算法以启发式所得的初始和随机产生的初始解作为初始种群，提出一种具有扰动的随机变异操作，并对交叉和变异的参数进行了自适应的改进。通过与CPLEX对比的数值实验表明了所提出的改进的差分进化算法能够在较短的时间给出满意的近优解。
　　(3)将所提出的模型和算法嵌入软件系统中，设计并开发了板卷合同自适应匹配决策支持系统。该系统具有用户登录、数据下载、数据查询、参数设置、匹配方案生成、匹配方案上传等功能。该系统可以快速生成优质的匹配方案，提高工作效率，降低企业的生产成本，提高客户的满意度。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 问题研究背景

1．2 问题的研究意义

1．3 国内外研究现状

1．4 板卷合同匹配问题特点

1．4．1 无委托板卷合同匹配问题

1．4．2 全委托板卷合同匹配问题

1．4．3 板卷合同匹配问题考虑因素

1．5 本文主要工作和研究路线

1．5．1 本文主要工作

1．5．2 本文研究路线

1．6 本章小结

第2章 无委托板卷合同匹配问题的建模与求解

2．1 无委托板卷合同匹配问题描述

2．2 无委托钢卷合同匹配模型定义

2．2．1 符号定义

2．2．2 数学模型

2．3 差分进化算法求解

2．3．1 数据预处理

2．3．2 初始种群的产生

2．3．3 编码与解码操作

2．3．4 带求余运算的变异操作

2．3．5 交叉操作

2．3．6 解的修复

2．3．7 锦标赛策略的选择操作

2．4 数值实验

2．5 本章小结

第3章 全委托板卷合同匹配问题的建模与求解

3．1 全委托板卷合同匹配问题描述

3．2 全委托钢卷合同匹配模型定义

3．2．1 符号定义

3．2．2 数学模型

3．3 全委托问题差分算法

3．3．1 数据预处理

3．3．2 初始种群的产生

3．3．3 编码与解码操作

3．3．4 带扰动的变异操作

3．3．5 交叉操作

3．3．6 自适应参数改进

3．3．7 解的修复

3．3．8 匹配邻域搜索

3．3．9 随机选择操作

3．4 数值实验

3．5 本章小结

第4章 板卷合同自适应匹配决策支持系统设计与开发

4．1 系统分析

4．1．1 系统需求分析

4．1．2 业务流程分析

4．1．3 数据流程分析

4．2 系统功能设计

4．3 系统功能实现

4．3．1 用户登录模块

4．3．2 数据下载模块

4．3．3 静态参数表维护

4．3．4 算法运行界面

4．3．5 合同封锁和超量查询界面

4．3．6 结果评价界面

4．4 本章小节

第5章 结束语

参考文献

致谢