物联网环境下混合生产系统中三种新的生产计划模型及求解算法研究

摘要

随着制造业的高速发展，环境问题日益严重，原材料资源消耗急剧增加，因此，对废旧产品的处理逐渐被各国所重视。制造商通过合理的再利用回收品提取它们的剩余价值，既可以满足环境保护的需要，又可以减少对原材料的需求，降低新产品的生产成本;同时，制造技术的革新使制造商对废旧产品的再利用能力不断提高，废旧产品再利用方式不断增加。因此，如何运用恰当的方法从废旧的产品中提取剩余价值成为了制造商和研究者共同关注的一个重要问题。解决这个问题的关键是掌握产品离开制造商进入使用阶段之后的详细信息，以便在回收过程和再利用过程中做出适合每个废旧产品的决策。物联网技术利用先进的信息处理技术和数据获取方式通过无线传输技术的整合实现了产品使用过程和回收再利用过程中的信息采集与处理，它可以让企业或个人利用物联网终端随时随地通过无线传输网络根据产品中嵌入的唯一的标识码来对产品进行跟踪和监控，并通过产品中嵌入的传感器记录实时的关键产品信息。物联网技术的优势在混合生产过程中可以得到充分的发挥，特别是在产品使用阶段和产品回收过程中继续保持对产品的追踪和监控。因此如何使物联网技术融入生产实际中，达到企业对产品全生命周期管理的目的，运用物联网提供的详细信息，为企业做出高效合理的生产计划方案成为关键性问题。本文以电子产品制造企业和钢铁制品生产企业为背景，从制造商主体的角度研究了物联网环境下混合生产系统中三种新的生产计划问题。
　　本文围绕混合生产系统中的短生命周期产品和长使用寿命产品的生产计划问题，从混合生产系统制造商主体出发，在物联网环境下研究混合生产模式下的回收品处理与生产等各方面集成计划问题。分别从回收品数量确定并伴随价值衰减的角度，考虑回收定价和供应商选择的角度，以及随机需求环境下考虑资源能力计划的角度，建立了相应的集成生产计划模型，并设计了对应的物联网系统框架结构，然后基于问题的特点设计了合理的优化算法。本文对物联网环境下混合生产系统中三种新的生产计划模型及求解算法的研究创新点及相关成果概括如下:
　　(1)研究了物联网环境下回收品价值衰减的混合生产系统生产计划问题，计划目标是最小化生产系统总成本。基于回收品价值具有衰减特性的混合生产系统的物联网框架结构，以及物联网提供的回收品价值衰减详细信息，建立包含每个回收品详细处理方案的混合生产与原材料订购协同优化模型，然后通过数值示例和灵敏度分析来说明模型的性能和适用性，仿真实验结果表明，建立的模型可以有效的处理数量确定且具有价值衰减特性的回收品再利用问题。
　　(2)研究了物联网环境下考虑回收定价和供应商选择决策的混合生产系统生产计划问题，计划目标是最大化整个产品生命周期总利润。基于适用于旧产品回收、混合生产制造和原材料采购的混合生产系统的物联网框架结构，以及物联网提供的详细信息，从产品生命周期的视角建立包含旧产品回收、混合生产与原料采购的协同优化模型，根据模型的特点，设计了一种新的基于两个启发式过程的粒子群算法(PSO)对该问题进行求解，然后通过数值实例和参数的灵敏度分析来说明算法的性能及模型的有效性和实用性。
　　(3)研究了物联网环境下考虑资源能力计划的混合生产系统随机生产计划问题，计划目标是最小化生产系统期望总成本。基于适用于该混合生产系统的物联网框架结构，以及物联网中记录的历史需求量和产品数据信息，建立随机需求条件下旧产品回收、混合生产与资源能力计划的协同优化模型，根据模型的结构特征，设计了一种基于拉格朗日松弛的启发式算法，然后用大量的问题实例对设计的算法做了进一步测试，测试的结果显示提出的算法可以在小于1分钟的时间内得出解决方案，并且解与下界的界差均值为1.25％，最后，针对需求不确定性对结果的影响通过对情境数量的灵敏度分析进行了详细的讨论。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究目的和意义

1．3 论文研究内容及结构安排

1．3．1 论文研究内容

1．3．2 论文结构安排

第二章 文献综述

2．1 物联网在混合生产系统中的应用

2．1．1 物联网及其应用

2．1．2 产品生命周期和产品生命周期管理

2．2 混合生产系统中的三大问题

2．2．1 采购问题

2．2．2 产品回收问题

2．2．3 回收品再利用问题

2．3 混合生产系统的生产计划问题

2．3．1 考虑回收品再利用的生产计划问题

2．3．2 考虑资源能力约束的混合生产系统生产计划问题

2．4 本章小结

第三章 物联网环境下考虑回收品价值衰减的混合生产系统生产计划问题

3．1 引言

3．2 问题描述

3．2．1 物联网框架结构

3．2．2 混合生产系统描述

3．2．3 问题定义

3．3 问题建模

3．3．1 关于问题的一些假设

3．3．2 建立模型

3．4 仿真实验及分析

3．4．1 数值计算示例

3．4．2 灵敏度分析

3．4．3 模型效果测试

3．5 本章小结

第四章 物联网环境下考虑回收定价和供应商选择的混合生产系统生产计划问题

4．1 引言

4．2 问题描述

4．2．1 物联网框架结构

4．2．2 混合生产系统描述

4．3 问题建模

4．3．1 关于问题的一些假设

4．3．2 回收过程

4．3．3 混合生产过程

4．3．4 采购过程

4．3．5 集成的三阶段生产过程

4．4 PSO启发式算法

4．4．1 集成模型的PSO算法设计

4．4．2 采购方案启发式算法

4．4．3 混合生产计划启发式算法

4．5 仿真实验及分析

4．5．1 数值实例

4．5．2 灵敏度分析

4．6 本章小结

第五章 物联网环境下考虑资源能力计划的混合生产系统随机生产计划问题

5．1 引言

5．2 带有资源能力计划且需求量随机的生产计划问题

5．2．1 问题描述

5．2．2 基于情境的需求量随机性描述

5．2．3 参数定义

5．2．4 问题建模

5．3 基于拉格朗日松弛技术的启发式算法

5．3．1 松弛问题描述

5．3．2 子问题描述

5．3．3 求解各子问题的启发式算法

5．3．4 次梯度算法

5．3．5 拉格朗日松弛启发式算法

5．4 实验设计与数值计算

5．4．1 实验数据的产生和算法参数

5．4．2 计算结果与算法性能分析

5．4．3 对情境数量的灵敏度分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

参考文献

攻读学位期间的主要研究成果及发表论文