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一类生产物流与调度问题理论分析

作　者: 李锋
导　师: 唐立新
学　校: 东北大学
专　业: 系统工程
关键词: 钢铁企业生产调度启发式算法最坏情况分析混合整数线性规划模型装载计划
分类号: O221.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

钢铁工业是我国经济建设的基础性工业之一。随着我国经济建设的快速增长,对钢材的需求数量和质量提出了更高的要求。钢铁工业的生产过程具有生产阶段多、生产机器环境复杂、生产费用及生产能耗高等特点,且生产各阶段之间的物流呈交叉网状结构、运输工具呈多样性等特点,这就要求工件在机器上的生产调度、生产各阶段之间的物流调度、生产物流与调度,都需要进行合理、科学的安排。这将有利于提高钢铁工业生产阶段机器的利用率、各阶段之间的物流管理水平,减少工件因运输导致的中间等待时间,从而降低整个生产线上的生产费用及能耗,达到降低生产和物流的综合成本、提高产品质量、提高钢铁工业竞争力的目的。本文以钢铁企业连续退火实际生产过程及船舶装载计划实际物流运输为背景,分别从这两个生产过程中提炼出具有机器能力限制、转换费用特征的生产调度问题及船舱三维分配物流问题,进行理论研究。基于复杂性分析、设计启发式算法、算法最坏情况分析、线性规划模型等多种技术手段,主要研究三个方面的问题：具有机器能力限制、转换费用特征的生产调度问题,内河轮船舶装载计划问题,海轮船舶装载计划问题。本文具体内容概括如下：1)具有机器能力限制、转换费用的生产调度问题以钢铁企业连续退火生产过程为背景,依据连续退火工艺加工要求及约束,提炼出一类新型生产批调度问题,特征在于：机器加工工件达到一定重量时,需要进行调整,从而产生调整费用及调整时间,两次调整之间连续加工的钢卷的生产切换产生费用。目标函数为最小化makespan与总转换费用之和。针对该问题,建立了混合整数线性规划模型,利用归结法证明了该问题是强NP难的,设计了启发式算法,利用最坏情况分析评估了该启发式算法的性能,同时针对该问题的一些特殊情况给出了启发式算法,并利用最坏情况分析、平均情况分析方法评估了所提启发式算法的性能。2)船舶装载计划以钢铁企业钢卷的船舶装载物流过程为背景,提炼出钢卷的船舶装载物流问题,考虑了钢卷装载过程中上下层钢卷重量约束、上下层钢卷宽度约束、上下层钢卷直径约束、行距约束、船舷平衡约束、船头船尾平衡约束、各个到港站平衡约束等约束,以最小化到港站平衡惩罚、最小化分散度、最小化倒垛次数为目标,确定其钢卷在三维船舱中具体位置坐标。针对该问题,分别建立了内河轮、海轮混合整数线性规划模型,从而依据成品钢卷的船舶装载规则,可以安全、合理的装载计划,最后通过数值仿真实验验证了所提数学模型的有效性。最后,基于实际生产与物流协调运输过程问题背景,提炼出多机多船运输协调问题模型,生产物流协调次序约束问题模型,生产能力限制运输协调问题模型等,为以后进一步的研究进行了分析。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-34
  1.1 问题的研究目的及研究意义  12-17
    1.1.1 问题来源及研究目的  12
    1.1.2 问题背景、研究意义及问题表示方式  12-17
      1.1.2.1 问题背景  12-14
      1.1.2.2 研究意义  14-15
      1.1.2.3 问题参数  15-17
  1.2 主要研究方法概述  17-24
    1.2.1 算法复杂性和NP理论  17-19
    1.2.2 近似算法性能评估  19-21
    1.2.3 动态规划和整数规划  21-23
    1.2.4 最优解性质分析  23-24
  1.3 相关问题概述  24-30
    1.3.1 批调度问题综述  24-28
    1.3.2 机器不可利用文献综述  28-29
    1.3.3 船舶装载相关问题综述  29-30
  1.4 本文主要内容  30-34
第二章连续退火产线问题背景及模型  34-44
  2.1 连续退火工艺背景  34-37
  2.2 问题描述  37-38
  2.3 线性规划模型  38-42
    2.3.1 参数  38-39
    2.3.2 决策变量  39
    2.3.3 建立模型  39-41
    2.3.4 实验结果及分析  41-42
  2.5 本章小结  42-44
第三章连续退火产线串行多计划调度问题  44-56
  3.1 引言  44-45
  3.2 问题描述  45
  3.3 问题复杂性  45-46
  3.4. 启发式算法  46-48
  3.5. 特殊情况  48-54
    3.5.1. 调整时间与调整费用呈线性关系情况  48-49
    3.5.2. 钢卷属于同一个family情况  49-54
      3.5.2.1. 钢卷重量相同情况  53-54
  3.6 本章小结  54-56
第四章钢铁企业成品水运装载问题背景及模型  56-82
  4.1 引言  56-57
  4.2 问题约束  57-59
  4.3 钢铁企业成品船舶装载规则  59-63
    4.3.1 内河轮装载规则  60-61
    4.3.2 海轮装载规则  61-63
  4.4 问题描述  63-65
  4.5 内河轮线性规划模型  65-73
    4.5.1 参数  65-66
    4.5.2 决策变量  66-68
    4.5.3 建立模型  68-72
    4.5.4 实验结果及分析  72-73
  4.6 海轮线性规划模型  73-81
    4.6.1 参数  73-74
    4.6.2 决策变量  74-76
    4.6.3 建立模型  76-80
    4.6.4 实验结果及分析  80-81
  4.7 本章小结  81-82
第五章生产调度与物流协调分析  82-98
  5.1 引言  82
  5.2 实际问题描述  82-83
  5.3 进一步研究问题分析  83-96
    5.3.1 多机多船运输协调问题  83-86
      5.3.1.1 多机单船运输协调问题  84-85
      5.3.1.2 单机多船运输协调问题  85
      5.3.1.3 单机单船运输协调问题  85-86
    5.3.2 生产物流协调次序约束问题  86-88
      5.3.2.1 多机单船运输协调次序约束问题  86-87
      5.3.2.2 单机多船运输协调次序约束问题  87-88
      5.3.2.3 单机单船运输协调次序约束问题  88
    5.3.3 生产能力限制运输协调问题  88-90
      5.3.3.1 多机单船生产能力限制运输协调问题  89
      5.3.3.2 单机单船生产能力限制运输协调问题  89-90
    5.3.4 多机多船工件组运输协调问题  90-92
      5.3.4.1 并行批问题  90-91
      5.3.4.2 连续批问题  91-92
    5.3.5 单机多船工件组运输协调问题  92-93
      5.3.5.1 并行批问题  92-93
      5.3.5.2 连续批  93
    5.3.6 不同运输工具衔接问题  93-95
      5.3.6.1 并行批  93-94
      5.3.6.2 连续批  94-95
    5.3.7 直装场装运输协调问题  95-96
    5.3.8 倒垛装载运输协调问题  96
  5.4 本章小结  96-98
第六章总结  98-100
参考文献  100-108
致谢  108

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