钢铁企业板坯设计问题的模型与算法研究

摘要

近年来,随着钢铁行业的竞争日益激烈,提高核心竞争力,降低生产成本成为每个钢铁企业追求的目标。钢铁产品需求日趋小批量、多品种,这与钢铁企业大规模生产模式相冲突,解决这一矛盾的主要方法是对生产管理方式进行优化。作为生产管理中的重要一环,板坯设计问题是指计划人员根据企业接收的合同订单,将特性相同或相似的合同组合在同一块板坯上进行生产,并以最小化余材和最大化加热炉效率为目标。因此,研究板坯设计问题对企业节能降耗、降低生产成本具有重大意义。
　　板坯设计问题可根据板坯来源分为两类:第一类,企业使用自产板坯进行加工生产,板坯长度可调;第二类,企业使用外购板坯生产,外购坯规格有限,只有几种长度可选。本文研究的对象为外购板坯设计问题,该生产模式普遍存在于钢铁行业,是一个多目标组合优化问题,目前尚无有效的算法能在短时间内求解。本文根据现场实际需求,围绕外购板坯设计问题开展了深入研究。
　　针对问题特性,以最小化余材,最大化加热炉效率为目标建立了多目标非线性混合整数规划模型。为便于求解,对目标和约束做了线性化处理,得到了多目标线性混合整数规划模型,该模型以合同订货总长度、单位长度均为区间值,必须完成合同总量等为约束。
　　针对实际问题规模较大,实时性要求高的特点,本文提出了集成混合整数规划与启发式的混合算法进行求解。该混合算法分为三个阶段:第一阶段只考虑最小化余材的目标,利用整数规划得到单个合同和两个合同在板坯上的最佳组合方式;第二阶段以最大化加热炉效率为目标,对第一阶段获得的组合方式按照一定的规则进行调整;第三阶段根据所得调整后的最佳组合方式建立混合整数规划模型,并求得最终的板坯设计方案。该算法利用启发式的灵活性和快速性,把原问题分解成三个更易求解的子问题,并对两个目标分别进行寻优,而后建立混合整数规划模型,利用其精确性保证了最终解的优越性。现场数据的测试表明,该方法能在可接受时间内得到近优解,兼顾了现场应用的实时性与解的优越性。
　　基于混合算法,本文开发了板坯设计优化系统,该系统已在企业内部测试。结果表明系统能够有效地降低余材的产生并提高加热炉的效率,提高设计方案的合理性与科学性,降低了计划员的劳动强度,从而大大降低了生产成本。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 钢铁行业现状

1.2 钢铁工艺流程

1.3 板坯设计问题及研究现状

1.4 常用算法概述

1.5 技术路线和主要工作

第二章 板坯设计优化模型

2.1 引言

2.2 板坯设计问题描述

2.3 优化模型

2.4 本章小结

第三章 板坯设计优化算法

3.1 引言

3.2 集成MILP与启发式的混合算法求解板坯设计问题

3.3 算法测试与对比

3.4 本章小结

第四章 板坯设计优化系统设计与实现

4.1 系统概要设计

4.2 数据库设计

4.3 系统实现效果

4.4 本章小结

第五章 结论

5.1 本文总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

攻读硕士学位期间参与的科研项目