CN110704791A - 一种基于0-1规划模型的一维管材最优下料方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于0‑1规划模型的一维管材最优下料方法,包括如下步骤:获取原料管材和目标管材的基本数据;建立一维管材下料问题的混合0‑1规划模型;根据下料要求确定求解模式与目标函数;增加特定的约束减少混合0‑1规划模型的冗余;利用优化工具对建立的混合0‑1规划模型求解。本发明通过获取管材生产的原料管材与目标管材的基本数据,建立一维管材下料的混合0‑1规划模型,根据下料要求确定求解模式与目标函数,增加有助于加速模型求解的特定约束,利用优化工具求解以上模型获得一维管材的最优下料方案,保证了下料方案质量,提高了下料效率,减少了对下料工人的依赖,降低了下料的人力成本,有效减缓了下料工人经验不足、状态不佳的问题。
Description
技术领域
本发明属于管材生产下料领域,特别是涉及一种基于0-1规划模型的一维管材最优下料方法。
背景技术
管材生产下料领域中,需要根据当前的原料管材(包括之前用剩的余料)、当前的待生产管材、新接收的管材生产订单更新下料方案。
求解最优下料方案需要考虑特殊管材加工的众多约束条件。在满足这些约束的条件下,需要将产生的余料降到最少,并减小除原料成本之外的其他成本,例如焊接成本。目前国内仍主要使用人工的方式进行下料,下料效果依赖下料工人的经验与工作状态等因素,且人工的生产规划方式与目前逐渐推广的现代化生产管理平台在效率上不匹配,无法高效协作,是对制造执行系统(MES)等系统的掣肘。
发明内容
本发明的目的在于提供的一种基于0-1规划模型的一维管材最优下料方法,通过获取管材生产的原料管材与目标管材的基本数据,建立一维管材下料的混合0-1规划模型,根据下料要求确定求解模式与目标函数,增加有助于加速模型求解的特定约束,利用优化工具求解以上模型获得一维管材的最优下料方案,解决了现有下料方法对下料工人依赖过大、下料效率低、兼容性差等问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现:
一种基于0-1规划模型的一维管材最优下料方法,包括如下步骤:
步骤S01、获取原料管材和目标管材的基本数据;
步骤S02、建立一维管材下料问题的混合0-1规划模型;
步骤S03、根据下料要求确定求解模式与目标函数;
步骤S04、增加特定的约束以减少混合0-1规划模型的冗余;
步骤S05、利用优化工具对建立的混合0-1规划模型求解。
进一步地,所述混合0-1规划模型的建立,包括以下步骤:
步骤P01、从每根原料管材向每根目标管材的每段潜在的拼接管提供的管材长度定义变量x;
步骤P02、对每根原料管材的选取定义0-1变量η;
步骤P03、根据各项约束条件建立关于变量x、η的原始模型;
步骤P04、线性化原始模型中的不可焊区间约束;
步骤P05、引入变量z,线性化原始模型中的拼接管最短长度约束。
进一步地,所述步骤P02中0-1变量η的每一个分量ηi取0或1分别代表了使用或不使用第i根原料管材。
进一步地,所述步骤P03的各项约束包括:
约束一:原料管材长度有限约束,用于对由同一根原料管材提供的拼接管长度总和进行约束;
约束二:目标管材长度约束,用于对同一根目标管材的所有潜在的拼接管总长度进行约束;
约束三:拼接管来源约束,用于对所有向同一根目标管材的同一根潜在拼接管提供的原料长度进行约束;
约束四:不可焊区间约束,用于对每一目标管的每段潜在拼接管的末端位置进行约束;
约束五:拼接管最短长度约束。
进一步地,所述约束一的公式为:
其中表示全体原料管材的指标集,m表示原料管材总根数,n表示目标管材总根数,pj为第j根目标管材的拼接管数量上限,si表示第i根原料管材的长度,变量x的分量均代表了第i根原料管材向第j根目标管材第k段潜在的拼接管提供的管材长度。
进一步地,所述约束二的公式为:
进一步地,所述约束三的公式为:
其中表示全体目标管材的指标集,n表示目标管材总根数,m表示原料管材总根数,pj为第j根目标管材的拼接管数量上限。
进一步地,所述约束四的公式为:
其中表示全体目标管材的指标集,n表示目标管材总根数,m表示原料管材总根数,pj为第j根目标管材的拼接管数量上限,表示第j根目标管材不可焊区间的指标集,cjl、rjl分别为第j根目标管材第l个不可焊区间的中点、半径,q为目标管材上焊缝的序号。
进一步地,所述约束五的公式为:
其中表示全体原料管材的指标集,表示全体目标管材的指标集,m表示原料管材总根数,n表示目标管材总根数,pj为第j根目标管材的拼接管数量上限,aj为第j根目标管材的拼接管长度下限,tj为第j根目标管材的长度,si表示第i根原料管材的长度。
进一步地,所述求解模式包括预求解模式和直接求解模式;
所述预求解模式在预求解阶段优化原料选择,以使用原料总长度为目标函数,其计算公式为:
其中,m表示原料管材总根数,si表示第i根原料管材的长度。在预求解阶段后,向模型中添加动用原料总长度约束,公式为:
其中,m表示原料管材总根数,n表示目标管材总根数,pj为第j根目标管材的拼接管数量上限;
直接求解模式的目标函数为动用原料总长度与下料方案拼接管总根数的加权和,其计算公式为:
其中,m表示原料管材总根数,n表示目标管材总根数,pj为第j根目标管材的拼接管数量上限,si表示第i根原料管材的长度,μ为拼接管总根数项的权重且为非负实数。
本发明的有益效果:
本发明通过获取管材生产的原料管材与目标管材的基本数据,建立一维管材下料的混合0-1规划模型,根据下料要求确定求解模式与目标函数,增加有助于加速模型求解的特定约束,利用优化工具求解以上模型获得一维管材的最优下料方案,在满足一维管材下料的一般约束条件的前提下,保证了下料方案质量,提高了下料效率,减少了对下料工人的依赖,降低了下料的人力成本,有效减缓了下料工人经验不足、状态不佳等因素带来的损失。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于0-1规划模型的一维管材最优下料方法的流程示意图;
图2为一维管材下料混合0-1规划模型的建立流程示意图;
图3为本发明定义变量的示意图;
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示,本发明为一种基于0-1规划模型的一维管材最优下料方法,包括如下步骤:
步骤S01、获取原料管材和目标管材的基本数据;
步骤S02、建立一维管材下料问题的混合0-1规划模型;
如图2所示,所述混合0-1规划模型的建立包括以下步骤:
步骤P01、从每根原料管材向每根目标管材的每段潜在的拼接管提供的管材长度定义变量x;
步骤P02、对每根原料管材的选取定义0-1变量η;
如图3所示,0-1变量η的每一个分量ηi取0或1分别代表了使用或不使用第i根原料管材。由于模型允许一根目标管的某一段拼接管长度为0,该段拼接管将不会出现在下料方案中,因此这一段拼接管仅在模型中有形式上的意义,而无下料方案中的实际意义,因而称之模型中的拼接管为“潜在的拼接管”;
步骤P03、根据各项约束条件建立关于变量x、η的原始模型;
其中各项约束包括:
约束一:原料管材长度有限约束,用于对由同一根原料管材提供的拼接管长度总和进行约束,公式为:
其中表示全体原料管材的指标集,m表示原料管材总根数,n表示目标管材总根数,pj为第j根目标管材的拼接管数量上限,si表示第i根原料管材的长度,变量x的分量均代表了第i根原料管材向第j根目标管材第k段潜在的拼接管提供的管材长度。
约束二:目标管材长度约束,用于对同一根目标管材的所有潜在的拼接管总长度进行约束,公式为:
约束三:拼接管来源约束,用于对所有向同一根目标管材的同一根潜在拼接管提供的原料长度进行约束,公式为:
约束四:不可焊区间约束,用于对每一目标管的每段潜在拼接管的末端位置进行约束,公式为:
其中表示全体目标管材的指标集,n表示目标管材总根数,m表示原料管材总根数,pj为第j根目标管材的拼接管数量上限,表示第j根目标管材不可焊区间的指标集,cjl、rjl分别为第j根目标管材第l个不可焊区间的中点、半径,q为目标管材上焊缝的序号。
约束五:拼接管最短长度约束,公式为:
其中表示全体原料管材的指标集,表示全体目标管材的指标集,m表示原料管材总根数,n表示目标管材总根数,pj为第j根目标管材的拼接管数量上限,aj为第j根目标管材的拼接管长度下限,tj为第j根目标管材的长度,si表示第i根原料管材的长度。
步骤P04、线性化原始模型中的不可焊区间约束;
不可焊区间约束通过引入0-1变量ξjlq和一个充分大的常数M进行线性化,公式为:
等价于
其中n表示原料管材总根数,cjl、rjl分别为第j根目标管材第l个不可焊区间的中点、半径,q为目标管材上焊缝的序号。
步骤P05、引入变量z,线性化原始模型中的拼接管最短长度约束;
拼接管最短长度约束通过引入0-1变量进行线性化,公式为:
等价于
其中aj为第j根目标管材的拼接管长度下限,tj为第j根目标管材的长度,si表示第i根原料管材的长度。
步骤S03、根据下料要求确定求解模式与目标函数;
其中,所述求解模式包括预求解模式和直接求解模式;
预求解模式在预求解阶段优化原料选择,以使用原料总长度为目标函数,其计算公式为:
其中,m表示原料管材总根数,si表示第i根原料管材的长度。在预求解阶段后,向模型中添加动用原料总长度约束,公式为:
其中,m表示原料管材总根数,n表示目标管材总根数,pj为第j根目标管材的拼接管数量上限。
直接求解模式的目标函数为动用原料总长度与下料方案拼接管总根数的加权和,其计算公式为:
其中,m表示原料管材总根数,n表示目标管材总根数,pj为第j根目标管材的拼接管数量上限,si表示第i根原料管材的长度,μ为拼接管总根数项的权重且为非负实数。
步骤S04、增加特定的约束以减少混合0-1规划模型的冗余;
步骤S05、利用优化工具对建立的混合0-1规划模型求解。
其中,在步骤S05中,所述混合0-1规划模型使用混合整数规划求解器如SCIP进行求解。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明,所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围,均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于0-1规划模型的一维管材最优下料方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤S01、获取原料管材和目标管材的基本数据;
步骤S02、建立一维管材下料问题的混合0-1规划模型;
步骤S03、根据下料要求确定求解模式与目标函数;
步骤S04、增加特定的约束以减少混合0-1规划模型的冗余;
步骤S05、利用优化工具对建立的混合0-1规划模型求解。
2.根据权利要求1所述的一种基于0-1规划模型的一维管材最优下料方法,其特征在于:所述混合0-1规划模型的建立,包括以下步骤:
步骤P01、从每根原料管材向每根目标管材的每段潜在的拼接管提供的管材长度定义变量x;
步骤P02、对每根原料管材的选取定义0-1变量η;
步骤P03、根据各项约束条件建立关于变量x、η的原始模型;
步骤P04、线性化原始模型中的不可焊区间约束;
步骤P05、引入变量z,线性化原始模型中的拼接管最短长度约束。
3.根据权利要求2所述的一种基于0-1规划模型的一维管材最优下料方法,其特征在于:所述步骤P02中0-1变量η的每一个分量ηi取0或1分别代表了使用或不使用第i根原料管材。
4.根据权利要求1所述的一种基于0-1规划模型的一维管材最优下料方法,其特征在于:所述步骤P03的各项约束包括:
约束一:原料管材长度有限约束,用于对由同一根原料管材提供的拼接管长度总和进行约束;
约束二:目标管材长度约束,用于对同一根目标管材的所有潜在的拼接管总长度进行约束;
约束三:拼接管来源约束,用于对所有向同一根目标管材的同一根潜在拼接管提供的原料长度进行约束;
约束四:不可焊区间约束,用于对每一目标管的每段潜在拼接管的末端位置进行约束;
约束五:拼接管最短长度约束。
10.根据权利要求4所述的一种基于0-1规划模型的一维管材最优下料方法,其特征在于:所述求解模式包括预求解模式和直接求解模式;
所述预求解模式在预求解阶段优化原料选择,以使用原料总长度为目标函数,其计算公式为:
其中,m表示原料管材总根数,si表示第i根原料管材的长度。在预求解阶段后,向模型中添加动用原料总长度约束,公式为:
其中,m表示原料管材总根数,n表示目标管材总根数,pj为第j根目标管材的拼接管数量上限;
直接求解模式的目标函数为动用原料总长度与下料方案拼接管总根数的加权和,其计算公式为:
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