钢铁企业板坯设计问题的模型与算法研究
Study on Modeling and Optimization Algorithm for Slab Design Problem in Iron and Steel Industry
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.
- 作者：
- 王文瀚
- 学位授予单位：
- 上海交通大学
- 专业名称：
- 控制工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2013年
- 导师姓名：
- 杜斌
- 中图分类号：
- TF089；TP183
- 关键词：
- 板坯设计；混合整数规划；启发式；多目标优化；余材
- Slab design；Mixed integer programming；Surplus；Multi-objectiveoptimization；Heuristic