一种多品种钢铁批量轧制动态生产计划系统

摘要

本发明公开了一种多品种钢铁批量轧制动态生产计划系统。该系统由生产计划信息采集子系统、物料供给信息采集子系统、轧制生产计划优化子系统和输出优化信息反馈子系统组成。通过输出优化信息反馈子系统将系统的输出结果反馈到上游生产计划优化子系统，并结合生产过程中物料和订单量的动态变化，进行生产计划的调整，保证在最小化生产成本的条件下运行所述的生产计划系统。本发明综合考虑了轧制过程可用产能之间的关联性、钢材的可替代性，以及坯料和成品库存、坯料和生产成本、批量生产、拖期生产等因素，增强了灵活性，更加符合现代钢铁企业多品种、小批量的生产现状和需求。

主权项

一种多品种钢铁批量轧制动态生产计划系统，其特征在于，包括：生产计划信息采集子系统，用来收集有效的市场需求信息和客户订单需求信息；物料供给信息采集子系统，用来收集钢材生产的相关物料供给信息；轧制生产计划优化子系统，用来根据采集的信息建立轧制生产计划模型，同时考虑企业钢材生产的粗能力计划和生产的原材料库存计划；输出优化信息反馈子系统，用来将系统的输出结果反馈到上游生产计划优化系统，并结合生产过程中物料和订单量的动态变化，进行生产计划的调整；所述的生产计划信息采集子系统包括：多个订单需求数据采集单元，用于采集市场对于钢材的需求信息和来源于客户的订单数据需求信息；存储器单元，用来存储相关数据，形成相关数据库信息；所述的物料供给信息采集子系统包括：多个物料供给信息采集单元，用于采集钢铁生产的坯料供给量；存储器单元，用来存储相关数据，形成相关数据库信息；所述的生产计划信息采集子系统和物料供给信息采集系统的存储器单元接收来自于各自相关数据采集单元的采集数据，形成数据库信息，传递给下面的钢铁轧制生产计划优化子系统；所述的轧制生产计划优化子系统包括：数据库单元，用来接收来自于所述的生产计划信息采集子系统和物料供给信息采集子系统的存储器单元里的相关数据信息，作为系统输入；轧制生产计划优化建模单元，根据钢铁生产坯料供给计划量和订单需求量信息，即系统输入，运用运筹学的方法，综合考虑各周期产能平衡的耦合性和钢材品种的可替代性，并综合了库存、生产准备、拖期影响因素，建立多品种钢铁批量轧制的生产计划优化模型；优化结果输出单元，用于将优化建模单元的钢铁轧制生产计划优化结果进行输出；轧制生产计划优化建模单元是基于以下假设条件：(1)每个订单包含一种产品；(2)计划周期内钢材和坯料的钢种相同，但尺寸规格和钢级不同；(3)坯料和钢材分为两类钢级，钢级高的成品有偿地替代钢级低的成品；(4)每个订单由若干块坯料加工生产完成，即批量生产；轧制生产计划优化建模单元的主体部分是多品种钢铁批量轧制生产计划优化模型，其内容包括：步骤1、定义相关数学符号；优化模型中的符号定义如下：其中，生产周期内相关的时间以小时为单位计，坯料和成品相关的重量以吨为单位计，相关的费用以元为单位计；常量/参数：i：成品规格编号；j：坯料规格编号；g：钢级编号；d：生产周期；T：各生产周期时间尺度；TNi：成品规格总数；TNj：坯料规格总数；TNg：钢级总数；TNd：生产周期总数；α_d：第d周期闲置单位可用生产时间的惩罚费用；S_d：第d周期生产计划性检修时间；ν_d：第d周期的有效作业率；σ_d：第d周期剩余的可用生产时间上限；第d周期坯料生产成品的生产效率；第d周期订单成品的需求量；每块坯料的重量；第d周期计划供给坯料的重量；第d周期坯料的安全库存量；第d周期成品的安全库存量；cs_d：第d周期的单位生产准备时间的费用；第d周期由坯料生产单位成品的费用；第d周期库存中存储单位重量成品的费用；第d周期库存中存储单位重量坯料的费用；当需要生产坯料时的固定费用；第d周期坯料的单位成本；第d周期单位重量成品拖期完成单位时间的惩罚费用；第d周期钢级为g的成品i的单位价格；成品的生产准备时间；变量：u_d：第d周期的可用生产时间；Δu_d：第d周期剩余的可用生产时间；第d周期成品的拖期完成量；第d周期作为替代品的成品重量；第d周期结束时成品的库存量；第d周期结束时坯料的库存量；第d周期由钢级为g的坯料j生产的成品i的重量；第d周期生产第前一周期拖期成品的重量；第d周期生产需要的坯料重量；第d周期生产需要的批量数；第d周期完成第前一周期拖期成品量所需的生产时间；第d周期坯料加工成品的生产时间；ts_d：第d周期的生产准备时间总和；步骤2、建立优化模型的目标函数：Min(f₁+f₂+f₃+f₄+f₅+f₆+f₇)，其中f₁，f₂…f₇分别为生产能力平衡惩罚费用、生产准备费用、库存占用费用、成品加工费用、钢级替代费用、坯料成本和订单生产拖期惩罚费用；其中，$f_1=\underset{d=1}{\overset{TNd}{\Sigma }}{\alpha }_d[u_d-\underset{i=1}{\overset{TNi}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{TNj}{\Sigma }}\underset{g=1}{\overset{TNg}{\Sigma }}({\mathrm{pe}}_{ijd}^g+p_{ijd}^g)]$$f_2=\underset{d=1}{\overset{TNd}{\Sigma }}{\mathrm{cs}}_d{\mathrm{ts}}_d$$f_3=\underset{d=1}{\overset{TNd}{\Sigma }}\underset{g=1}{\overset{TNg}{\Sigma }}\left(\underset{i=1}{\overset{TNi}{\Sigma }}{\mathrm{cf}}_{id}^g{\mathrm{If}}_{id}^g+\underset{j=1}{\overset{TNj}{\Sigma }}{\mathrm{cb}}_{jd}^g{\mathrm{Ib}}_{jd}^g\right)$$f_4=\underset{d=1}{\overset{TNd}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{TNi}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{TNj}{\Sigma }}\underset{g=1}{\overset{TNg}{\Sigma }}{\mathrm{cp}}_{ijd}^g({\mathrm{mx}}_{ijd}^g+{\mathrm{me}}_{ijd}^g)$$f_5=\underset{d=1}{\overset{TNd}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{TNi}{\Sigma }}{r}_{id}^1({\mathrm{sp}}_{id}^1-{\mathrm{sp}}_{id}^2)$$f_6=\underset{d=1}{\overset{TNd}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{TNj}{\Sigma }}\underset{g=1}{\overset{TNg}{\Sigma }}({\mathrm{co}}_{jd}^g{y}_{jd}^g+{\mathrm{cr}}_{jd}^g{\mathrm{my}}_{jd}^g)$$f_7=\underset{d=1}{\overset{TNd}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{TNi}{\Sigma }}\underset{g=1}{\overset{TNg}{\Sigma }}{\mathrm{ct}}_{id}^g{\mathrm{qt}}_{id}^g$步骤3、将所述钢材轧制生产计划优化模型划分为三个模块，分别为批量轧制生产模块、供求关系模块和库存管理模块，根据三个模块分别建立其相关变量的约束条件；1)批量轧制生产模块根据轧制生产过程实际生产时间限制条件和可用生产时间约束建立生产能力平衡约束：$\begin{array}{cc}\underset{i=1}{\overset{TNi}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{TNj}{\Sigma }}\underset{g=1}{\overset{TNg}{\Sigma }}({\mathrm{pe}}_{ijd}^g+p_{ijd}^g)\le u_d& \forall d\end{array}$$\begin{array}{cc}{u}_d=(T-S_d-{\mathrm{ts}}_d)v_d+{\mathrm{\Delta u}}_{d-1}& \forall d\end{array}$$\begin{array}{cc}{\mathrm{\Delta u}}_d=min\left[u_d-\underset{i=1}{\overset{TNi}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{TNj}{\Sigma }}\underset{g=1}{\overset{TNg}{\Sigma }}\left({\mathrm{pe}}_{ijd}^g+p_{ijd}^g\right),{\sigma }_d\right]& \forall d\end{array}$$\begin{array}{cc}{p}_{ijd}^g=\frac{{\mathrm{mx}}_{ijd}^g}{{\gamma }_{ijd}^g}& \forall d,i,j,g\end{array}$$\begin{array}{cc}{\mathrm{pe}}_{ijd}^g=\frac{{\mathrm{me}}_{ijd}^g}{{\gamma }_{ijd}^g}& \forall d,i,j,g\end{array}$$\begin{array}{cc}\underset{j=1}{\overset{TNj}{\Sigma }}{\mathrm{me}}_{ijd}^g={\mathrm{qt}}_{id-1}^g& \forall d,i,g\end{array}$根据轧制过程建立生产准备时间约束：$\begin{array}{cc}{\mathrm{ts}}_d={\mathrm{tb}}_i^g\underset{j=1}{\overset{TNj}{\Sigma }}\underset{g=1}{\overset{TNg}{\Sigma }}{y}_{jd}^g& \forall d\end{array}$$\begin{array}{cc}{S}_d+{\mathrm{ts}}_d<T& \forall d\end{array}$2)供求关系模块根据坯料和成品关系建立坯料和成品关系约束：$\begin{array}{cc}{\mathrm{my}}_{jd}^g={\mathrm{nb}}_{jd}^g{\mathrm{mb}}_{jd}^g& \forall d,j,g\end{array}$$\begin{array}{cc}\underset{i=1}{\overset{TNi}{\Sigma }}({\mathrm{mx}}_{ijd}^g+{\mathrm{me}}_{ijd}^g)={\mathrm{my}}_{jd}^g& \forall d,j,g\end{array}$$\begin{array}{cc}{y}_{jd}^g=\left\{\begin{array}{cc}1,& when{\mathrm{nb}}_{jd}^g>0\\ 0,& when{\mathrm{nb}}_{jd}^g=0\end{array}\right.& \forall d,j,g\end{array}$3)库存管理模块根据产品库存量和生产拖期量的关系建立库存量与拖期量约束：$\begin{array}{cc}{\mathrm{Ib}}_{jd}^g={\mathrm{Ib}}_{jd-1}^g+{\mathrm{mp}}_{jd}^g-{\mathrm{my}}_{jd}^g& \forall d,j,g\end{array}$$\begin{array}{cc}{\mathrm{If}}_{id}^1=\underset{j=1}{\overset{TNj}{\Sigma }}({\mathrm{mx}}_{ijd}^1+{\mathrm{me}}_{ijd}^1)+{\mathrm{If}}_{id-1}^1-({\mathrm{mo}}_{id}^1-{\mathrm{qt}}_{id}^1)-r_{id}^1-{\mathrm{qt}}_{id-1}^1& \forall d,i\end{array}$$\begin{array}{cc}{\mathrm{If}}_{id}^2=\underset{j=1}{\overset{TNj}{\Sigma }}({\mathrm{mx}}_{ijd}^2+{\mathrm{me}}_{ijd}^2)+{\mathrm{If}}_{id-1}^2+r_{id}^1-({\mathrm{mo}}_{id}^2-{\mathrm{qt}}_{id}^2)-{\mathrm{qt}}_{id-1}^2& \forall d,i\end{array}$步骤4、根据模型建立过程中的其他变量，建立变量范围约束：${\mathrm{Ib}}_{jd}^g\ge {\mathrm{Ibs}}_{jd}^g$${\mathrm{If}}_{id}^g\ge {\mathrm{Ifs}}_{id}^g$$\begin{array}{cc}{u}_d,{\mathrm{\Delta u}}_d,p_{ijd}^g,{\mathrm{mx}}_{ijd}^g,{\mathrm{my}}_{jd}^g,{\mathrm{ts}}_d,r_{id}^g,{\mathrm{qt}}_{id}^g\ge 0& \forall d,i,j,g\end{array}$$\begin{array}{cc}{y}_{jd}^g\in \{0,1\}& \forall d,j,g\end{array}$$\begin{array}{cc}{\mathrm{nb}}_{jd}^g\in N& \forall d,j,g\end{array}$步骤5、将该优化模型进行约束条件的初始化：${\mathrm{Ib}}_{j0}^g={\mathrm{Ibs}}_{j0}^g$${\mathrm{If}}_{i0}^g={\mathrm{Ifs}}_{i0}^g$$\begin{array}{cc}{\mathrm{\Delta u}}_0={\mathrm{qt}}_{i0}^g=0& \forall i,j,g\end{array}$步骤6、将所述轧制生产计划优化子系统中数据库单元的数据代入优化模型中进行求解，得出生产计划优化结果。