減少原材料消耗是企業(yè)實現(xiàn)綠色制造的重要手段之一。對原材料的充分利用、減少材料耗費(fèi)以達(dá)到節(jié)約原材料的目的,這是企業(yè)提高自身經(jīng)濟(jì)效益的問題,也是企業(yè)改善環(huán)境的社會責(zé)任問題。下料優(yōu)化是減少材料消耗最直接有效的方法之一。下料優(yōu)化技術(shù)作為控制原材料利用率的重點(diǎn)源頭節(jié)點(diǎn),可對降低資源耗費(fèi)和降低碳排放量,起到積極有意義的影響作用。下料問題應(yīng)用廣泛,如金屬制品與機(jī)械制造業(yè)的金屬板材與線材(型材、管材、線材等)的分割;家具制造業(yè)的木板分割;建筑與裝飾業(yè)的平板玻璃分割;服裝業(yè)的布料剪裁等。從制造企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營層面看,下料問題是利用材料資源、設(shè)備資源,根據(jù)顧客需求、生產(chǎn)條件等約束因素,以低成本、高效率制造產(chǎn)品的問題。從學(xué)術(shù)理論研究層面來看,下料問題是NP(Nondeterministic Polynomial)難度的組合優(yōu)化問題,到目前為止都無法找到其有效的精確求解算法。在現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)中,制造技術(shù)、信息技術(shù)和管理技術(shù)是相互交叉、相互滲透的一個完整體系。制造企業(yè)的生產(chǎn)下料過程涉及到管理因素和技術(shù)因素,下料的決策與技術(shù)、生產(chǎn)、庫存等各個部門密切相關(guān)。生產(chǎn)下料的決策問題,是在現(xiàn)代集成制造的環(huán)境下,根據(jù)各種集成系統(tǒng)的有效數(shù)據(jù)信息,綜合考慮各種復(fù)雜約束條件下的下料優(yōu)化。提高材料利用率、簡化切割工藝和縮短計算時間是求解下料問題時主要考慮的因素。如何利用過去生產(chǎn)過程中產(chǎn)生積累的余料以最大限度地提高材料利用率,如何在保持簡單切割工藝的基礎(chǔ)上提高材料利用率,在多周期生產(chǎn)環(huán)境下如何通過余料庫存緩沖以提高材料利用率,如何保證在合理計算時間內(nèi)得到滿意的下料方案,這些都是本文重點(diǎn)考慮與研究的問題。本文從余料利用的角度出發(fā),研究源于不同制造行業(yè)的三個下料問題。主要工作和創(chuàng)新之處包括以下幾方面:(1)分析現(xiàn)代集成制造環(huán)境下的下料問題,說明與企業(yè)資源計劃、制造執(zhí)行系統(tǒng)等企業(yè)管理系統(tǒng)的相關(guān)性;分析下料問題與工業(yè)企業(yè)管理的供、產(chǎn)、銷等生產(chǎn)經(jīng)營活動的關(guān)聯(lián)性;總結(jié)余料庫存的特點(diǎn),分析余料庫存利用的經(jīng)濟(jì)效益;分析多周期生產(chǎn)與余料庫存的關(guān)聯(lián)性,以期挖掘出余料庫存利用對制造企業(yè)的節(jié)支增效的潛能。(2)針對紙和塑料薄膜制造行業(yè)提出對余料利用的要求,根據(jù)紙和塑料薄膜可黏貼拼接下料的特點(diǎn),以余料是否可再分來建立余料可分(DSCSP)和余料不可分(ISCSP)兩種下料整數(shù)規(guī)劃模型。調(diào)用CPLEX求解整數(shù)規(guī)劃的松馳模型,得到問題解的下界。為兼顧求解時間和效率,用自適應(yīng)順序啟發(fā)式方法和列生成法聯(lián)合的SVCTIP算法求排樣方案,用背包算法求紙卷和塑料薄膜余料分切的布局圖。實驗測試結(jié)果表明:SVCTIP算法的優(yōu)化效果比與應(yīng)用廣泛的順序啟發(fā)式SHP算法的優(yōu)化效果更好;SVCTIP算法的下料方案利用率比國際知名公司Greycon提供的下料方案利用率更高。由此可說明,SVCTIP算法可實現(xiàn)對紙卷余料和塑料薄膜卷余料的有效利用,減少成品紙卷耗費(fèi),降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本,增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益,促進(jìn)企業(yè)實現(xiàn)綠色制造。(3)針對制造電機(jī)等同類企業(yè)對圓片需求種類數(shù)不多,且需求有小批量、長期重復(fù)特點(diǎn)的圓片下料問題,在保持簡單切割工藝的基礎(chǔ)上提出主動生成規(guī)范余料及利用策略,利用余料作為庫存緩沖,通過總庫存上限約束保持合理的余料庫存量,以避免增加庫存資金積壓和余料管理困難;通過分類庫存上限約束增加余料種類的多樣性,以獲得更高的材料利用率。用自適應(yīng)順序啟發(fā)式AWNL算法求解圓片下料問題,用動態(tài)規(guī)劃遞推方法實現(xiàn)單段直切布局圖的求解。實驗測試結(jié)果表明:主動生成規(guī)范余料策略可提高企業(yè)長期的材料利用率;在此策略下的滾剪下料利用率可與平剪下料利用率持平,甚至有更優(yōu)的趨勢;簡單切割工藝帶來切割成本的大幅下降;存放余料只需少量存儲空間,余料庫存可作為安全庫存的有益補(bǔ)充,有助于避免缺貨現(xiàn)象。由此說明,在不增加庫存壓力的情況下,AWNL算法在保持高利用率的同時可大大降低圓片下料的生產(chǎn)成本。(4)與以往有關(guān)余料利用的研究不同,本文研究余料數(shù)量和余料種類均受限的一維下料問題。提出利用動態(tài)優(yōu)化方法生成多種余料的策略,以增加余料種類的多樣性。利用余料和標(biāo)準(zhǔn)原材形成多規(guī)格的一維下料問題以提高材料利用率。用基于列生成的啟發(fā)式方法,再結(jié)合MIP優(yōu)化器求解的TPBNT算法分兩時段求解。實驗測試結(jié)果表明:無論單周期還是多周期情況下,TPBNT算法在減少切割損失和減少余料庫存量方面均比文獻(xiàn)算法的效果更優(yōu);與指定余料種類策略相比,本文的優(yōu)化余料種類策略在減少操作準(zhǔn)備成本和減少存儲空間等方面的性能更優(yōu)。綜上所述,本文研究不僅可豐富與完善下料問題的基礎(chǔ)算法理論,而且可對(公司或者企業(yè)的)下料優(yōu)化軟件的開發(fā)以及對相關(guān)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營具有實踐指導(dǎo)意義。
【學(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TH186
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 課題研究背景和意義
        1.1.1 研究背景
        1.1.2 課題來源
        1.1.3 研究意義
    1.2 下料問題的基本概念
    1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析
        1.3.1 從下料問題的求解方法分析
        1.3.2 從下料問題的研究角度分析
    1.4 本文研究內(nèi)容及創(chuàng)新之處
    1.5 研究方法及技術(shù)路線
    1.6 本文章節(jié)安排
第二章 下料問題及其優(yōu)化方法
    2.1 下料問題分類及下料工藝
        2.1.1 下料問題的分類
        2.1.2 剪切下料工藝
        2.1.3 紙卷拼接工藝
        2.1.4 圓片下料工藝
    2.2 制造執(zhí)行系統(tǒng)與下料問題
    2.3 工業(yè)企業(yè)管理與下料問題
    2.4 余料庫存利用的下料問題
    2.5 本文下料問題的優(yōu)化方法
        2.5.1 整數(shù)規(guī)劃與列生成方法
        2.5.2 自適應(yīng)的順序啟發(fā)式方法
        2.5.3 背包問題與動態(tài)規(guī)劃方法
    2.6 本章小結(jié)
第三章 考慮余料拼接利用的紙卷和塑料薄膜卷下料算法
    3.1 引言
    3.2 余料卷拼接下料問題描述
    3.3 兩種下料問題特點(diǎn)及相關(guān)概念
        3.3.1 余料可分的下料問題（DSCSP）
        3.3.2 余料不可分的下料問題（ISCSP）
        3.3.3 兩種下料問題的異同點(diǎn)
    3.4 余料卷拼接下料SVCTIP算法的設(shè)計與實現(xiàn)
        3.4.1 DSCSP優(yōu)化模型及其下界求解算法
        3.4.2 DSCSP模型的自適應(yīng)求解算法（SVCIP）
        3.4.3 ISCSP的下料優(yōu)化模型及其求解方法
        3.4.4 DSCSP和ISCSP的順序啟發(fā)式求解過程（SHP）
    3.5 測試實驗與結(jié)果分析
        3.5.1 隨機(jī)測試算例的生成
        3.5.2 不同參數(shù)值對算法的性能影響分析
        3.5.3 SVCTIP和SHP的計算性能比較分析
        3.5.4 一個工業(yè)算例的計算結(jié)果分析
    3.6 本章小結(jié)
第四章 考慮規(guī)范余料生成及利用的圓片下料算法
    4.1 引言
    4.2 圓片下料問題建模
        4.2.1 圓片下料的相關(guān)概念
        4.2.2 問題描述及其數(shù)學(xué)模型
    4.3 規(guī)范余料生成及利用的AWNL算法設(shè)計與實現(xiàn)
        4.3.1 主算法實現(xiàn)的步驟
        4.3.2 條帶生成過程
        4.3.3 布局圖生成方法
        4.3.4 圓片價值的自適應(yīng)調(diào)整過程
    4.4 測試實驗與結(jié)果分析
        4.4.1 與不允許生成規(guī)范余料條帶的策略對比
        4.4.2 與文獻(xiàn)算法減少切割成本的比較
        4.4.3 多規(guī)格板材對AWNL算法的效率影響分析
    4.5 本章小結(jié)
第五章 考慮非規(guī)范余料生成及利用的線材下料算法
    5.1 引言
    5.2 線材下料問題建模
        5.2.1 問題相關(guān)基本概念
        5.2.2 問題描述及其數(shù)學(xué)模型
    5.3 非規(guī)范余料生成及利用的TPBNT算法設(shè)計與實現(xiàn)
        5.3.1 兩時段下料TPBNT算法的總體框架
        5.3.2 基于列生成的啟發(fā)式算法求解過程
        5.3.3 布局圖接納判斷函數(shù)的實現(xiàn)過程
    5.4 測試實驗與結(jié)果分析
        5.4.1 算法參數(shù)的設(shè)置
        5.4.2 與單周期下料的文獻(xiàn)算法性能比較
        5.4.3 與多周期下料的文獻(xiàn)算法性能比較
        5.4.4 與指定余料種類策略的性能比較
    5.5 本章小結(jié)
結(jié)論及展望
    研究工作總結(jié)
    研究工作展望
參考文獻(xiàn)
附錄
攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果
致謝
附件

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2892869