JP6834717B2 - Arithmetic logic units, methods and programs for nonlinear programming problems - Google Patents

Arithmetic logic units, methods and programs for nonlinear programming problems Download PDF

Info

Publication number
JP6834717B2
JP6834717B2 JP2017075455A JP2017075455A JP6834717B2 JP 6834717 B2 JP6834717 B2 JP 6834717B2 JP 2017075455 A JP2017075455 A JP 2017075455A JP 2017075455 A JP2017075455 A JP 2017075455A JP 6834717 B2 JP6834717 B2 JP 6834717B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
nonlinear
function
linear
constraint condition
programming problem
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2017075455A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2018180694A (en
Inventor
孝介 川上
孝介 川上
敬和 小林
敬和 小林
鈴木 豊
豊 鈴木
松浦 慎
慎 松浦
木村 浩明
浩明 木村
洋土 石川
洋土 石川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Steel Corp filed Critical Nippon Steel Corp
Priority to JP2017075455A priority Critical patent/JP6834717B2/en
Publication of JP2018180694A publication Critical patent/JP2018180694A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6834717B2 publication Critical patent/JP6834717B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/02Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]

Landscapes

  • General Factory Administration (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Description

本発明は、線形制約条件と非線形制約条件とを含む制約条件の下で目的関数を最小化又は最大化する非線形計画問題を求解するための非線形計画問題の演算装置、方法及びプログラムに関する。 The present invention relates to a non-linear programming problem computing device, method and program for solving a non-linear programming problem that minimizes or maximizes an objective function under constraints including linear and non-linear constraints.

数理計画問題は、制約条件の下で目的関数を最小化又は最大化する問題である。その中でも、制約条件及び目的関数のうち少なくともいずれか一方に非線形関数を含むものを非線形計画問題と呼ぶ。
例えば製鉄業におけるコークスや焼結鉱の製造プロセスでは、各工場が保有する複数の原材料を配合して、製品を製造する。この場合に、目標となる製品の特性値や生産量を満たすように配合計画を立案しなければならない。また、製造プロセスにおける操業条件を満たすように配合計画を立案しなければならない。
このように目標となる製品の特性値や生産量、操業条件を満たすようにするための制約条件は、数学的に最適解を求めることが難しい関数を含む場合が多い。例えばコークスの品質を予測する推定式には、コークス強度等の構造的特性を表わす式が含まれるが、この推定式には、実験や理論に基づいた非線形関数が使用される。このように製造プロセスにおける数理計画問題の多くは、複雑な非線形計画問題となるため、実用時間内に精度の高い最適解を得ることが難しかった。
Mathematical programming problems are problems that minimize or maximize the objective function under constraints. Among them, a problem in which at least one of the constraint condition and the objective function includes a nonlinear function is called a nonlinear programming problem.
For example, in the coke and sinter manufacturing process in the steel industry, a plurality of raw materials owned by each factory are mixed to manufacture a product. In this case, a formulation plan must be formulated so as to satisfy the characteristic values and production volume of the target product. In addition, a formulation plan must be formulated to meet the operational requirements of the manufacturing process.
In this way, the characteristic values of the target product, the production amount, and the constraints for satisfying the operating conditions often include a function that is mathematically difficult to find the optimum solution. For example, the estimation formula for predicting the quality of coke includes a formula expressing structural characteristics such as coke strength, and a non-linear function based on experiments and theories is used for this estimation formula. As described above, many of the mathematical programming problems in the manufacturing process are complicated nonlinear programming problems, and it is difficult to obtain an optimal solution with high accuracy within a practical time.

特開2009−175804号公報JP-A-2009-175804

Applied Mathematical Programming, Stephen P. Bradley, Addison-Wesley, 1977Applied Mathematical Programming, Stephen P. Bradley, Addison-Wesley, 1977 多変数関数を一変数関数の和で表現するアルゴリズムI,山村清隆、村山泰子,電子情報通信学会技術研究報告, CAS, 回路とシステム 93(102), 67-74, 1993-06-19Algorithm for expressing multivariable functions as the sum of one-variable functions I, Kiyotaka Yamamura, Yasuko Murayama, Technical Report of the Society of Electronics, Information and Communication Engineers, CAS, Circuits and Systems 93 (102), 67-74, 1993-06-19 多変数関数を一変数関数の和で表現するアルゴリズムII, 山村清隆、村山泰子, 電子情報通信学会技術研究報告,CAS, 回路とシステム 93(102), 75-82, 1993-06-19Algorithm for expressing multivariable functions as the sum of one-variable functions II, Kiyotaka Yamamura, Yasuko Murayama, Technical Report of the Society of Electronics, Information and Communication Engineers, CAS, Circuits and Systems 93 (102), 75-82, 1993-06-19 藤江哲也, "整数計画法による定式化入門," オペレーションズ・リサーチ : 経営の科学, vol. 57, no. 4, pp. 190-197, Apr. 2012.Tetsuya Fujie, "Introduction to Formulation by Integer Programming," Operations Research: Science of Management, vol. 57, no. 4, pp. 190-197, Apr. 2012.

非線形計画問題の求解手法として、いくつかの提案がなされている。
例えば特許文献1には、複数種の配合原材料を混合する配合計画を作成するためのシミュレータと、配合原材料の需給バランス制約を表す数式モデル、及び、混合後の性状制約を表す数式モデルを構築するモデル構築部と、モデル構築部により構築された数式モデルを用い、所定の目的関数に基づいて最適化計算を行い、シミュレータに対する指示を算出する計画部とを備え、混合後の性状制約を表す数式モデルが非線形の数式を含む場合、前記非線形の数式に代えて線形の数式を導入して数式モデルを定式化し、その線形の数式を含む数式モデルを用いた計画部による求解結果が前記非線形の数式を含む数式モデルを満たすか否かを確認する手法が開示されている。
また、非特許文献1には、非線形関数に補助変数を導入し、関数を分離可能な形に変換した後に、区分線形関数で近似して、混合整数計画問題として定式化する手法が示されている。
Several proposals have been made as methods for solving nonlinear programming problems.
For example, in Patent Document 1, a simulator for creating a blending plan for mixing a plurality of types of blended raw materials, a mathematical model representing a supply-demand balance constraint of the blended raw materials, and a mathematical model representing a property constraint after mixing are constructed. It is equipped with a model construction unit and a planning unit that performs optimization calculations based on a predetermined objective function and calculates instructions to the simulator using a mathematical model constructed by the model construction unit, and is a mathematical formula that represents the property constraints after mixing. When the model contains a non-linear mathematical formula, a linear mathematical formula is introduced in place of the non-linear mathematical formula to formulate the mathematical model, and the solution result by the planning unit using the mathematical model including the linear mathematical formula is the non-linear mathematical formula. A method for confirming whether or not a mathematical model including is satisfied is disclosed.
Further, Non-Patent Document 1 shows a method of introducing an auxiliary variable into a nonlinear function, converting the function into a separable form, approximating it with a piecewise linear function, and formulating it as a mixed integer programming problem. There is.

しかしながら、特許文献1の手法では、非線形計画問題を線形計画問題に簡略化して近似するため、近似誤差が発生して、解の精度が悪くなるおそれがある。
また、非特許文献1の手法では、非凸関数の定式化には、非線形関数の分割数に応じて0、1変数の定義が必要となる。この問題はNP困難であり、変数の定義範囲が広すぎたり、分割数が増えすぎたりすると、問題規模が指数関数的に増大して、実用時間内に求解できなくなるおそれがある。
However, in the method of Patent Document 1, since the nonlinear programming problem is simplified and approximated to the linear programming problem, an approximation error may occur and the accuracy of the solution may deteriorate.
Further, in the method of Non-Patent Document 1, in order to formulate a non-convex function, it is necessary to define 0 and 1 variables according to the number of divisions of the nonlinear function. This problem is NP-hard, and if the definition range of variables is too wide or the number of divisions increases too much, the scale of the problem increases exponentially, and there is a risk that it cannot be solved within practical time.

本発明は上記のような点に鑑みてなされたものであり、線形制約条件と非線形制約条件とを含む制約条件の下で目的関数を最小化又は最大化する非線形計画問題を求解する際に、問題規模が増大するのを避け、実用時間内に精度の高い最適解が得られるようにすることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and when solving a nonlinear programming problem that minimizes or maximizes an objective function under a constraint condition including a linear constraint condition and a nonlinear constraint condition. The purpose is to avoid increasing the scale of the problem and to obtain a highly accurate optimum solution within the practical time.

上記の課題を解決するための本発明の要旨は、以下のとおりである。
[1] 線形制約条件と非線形制約条件とを含む制約条件の下で目的関数を最小化又は最大化する非線形計画問題を求解するための非線形計画問題の演算装置であって、
前記非線形制約条件を表わす非線形関数は、前記非線形計画問題の決定変数の線形結合で表わされる中間変数を独立変数とする関数であり、
前記中間変数の上下限値を設定するとともに、当該上下限値の範囲で前記非線形関数を区分線形関数で近似して、制約条件を設定する設定手段と、
前記設定手段で設定した制約条件の下で前記非線形計画問題を求解する求解手段とを備え、
前記設定手段は、前記中間変数について、前記制約条件から前記非線形制約条件を取り除いたかたちで当該中間変数を目的関数とした数理計画問題を求解することにより、その上下限値を設定することを特徴とする非線形計画問題の演算装置。
[2] 前記設定手段は、
前記非線形関数に補助変数を導入して、一変数関数の和の形で表わされる分離可能関数に変換し、
前記変換した分離可能関数に用いられる前記中間変数の上下限値を設定するとともに、前記変換した分離可能関数を構成する非線形関数を区分線形関数で近似して、制約条件を設定することを特徴とする[1]に記載の非線形計画問題の演算装置。
[3] 前記設定手段は、非線形関数を区分線形関数で近似するときに、凸結合定式化及びタイプ2の特殊順序集合を用いた定式化のうち少なくともいずれか一方を行うことを特徴とする[1]又は[2]に記載の非線形計画問題の演算装置。
[4] 前記求解手段で得られた決定変数の値を、前記設定手段による区分線形近似後の関数に代入して得られた近似計算値と、
前記求解手段で得られた決定変数を、前記非線形制約条件を表わす非線形関数に代入して得られた理論計算値とを比較し、
前記近似計算値と前記理論計算値との差が所定の条件を満たすまで、区分線形関数の分割数を変更して、前記設定手段及び前記求解手段による処理を繰り返すことを特徴とする[1]乃至[3]のいずれか一つに記載の非線形計画問題の演算装置。
[5] 前記非線形計画問題は、複数の原材料を配合して製品を製造する製造プロセスにおいて、配合割合を決定変数とする配合計画問題であることを特徴とする[1]乃至[4]のいずれか一つに記載の非線形計画問題の演算装置。
[6] 線形制約条件と非線形制約条件とを含む制約条件の下で目的関数を最小化又は最大化する非線形計画問題を演算装置により求解するための非線形計画問題の演算方法であって、
前記非線形制約条件を表わす非線形関数は、前記非線形計画問題の決定変数の線形結合で表わされる中間変数を独立変数とする関数であり、
前記演算装置の設定手段が、前記中間変数の上下限値を設定するとともに、当該上下限値の範囲で前記非線形関数を区分線形関数で近似して、制約条件を設定する設定ステップと、
前記演算装置の求解手段が、前記設定した制約条件の下で前記非線形計画問題を求解する求解ステップとを有し、
前記設定ステップで、前記設定手段は、前記中間変数について、前記制約条件から前記非線形制約条件を取り除いたかたちで当該中間変数を目的関数とした数理計画問題を求解することにより、その上下限値を設定することを特徴とする非線形計画問題の演算方法。
[7] 線形制約条件と非線形制約条件とを含む制約条件の下で目的関数を最小化又は最大化する非線形計画問題を求解するためのプログラムであって、
前記非線形制約条件を表わす非線形関数は、前記非線形計画問題の決定変数の線形結合で表わされる中間変数を独立変数とする関数であり、
前記中間変数の上下限値を設定するとともに、当該上下限値の範囲で前記非線形関数を区分線形関数で近似して、制約条件を設定する設定処理と、
前記設定した制約条件の下で前記非線形計画問題を求解する求解処理とをコンピュータに実行させ、
前記設定処理では、前記中間変数について、前記制約条件から前記非線形制約条件を取り除いたかたちで当該中間変数を目的関数とした数理計画問題を求解することにより、その上下限値を設定することを特徴とするプログラム。
The gist of the present invention for solving the above problems is as follows.
[1] A non-linear programming problem computing device for solving a non-linear programming problem that minimizes or maximizes an objective function under a constraint condition including a linear constraint condition and a non-linear constraint condition.
The nonlinear function representing the nonlinear constraint condition is a function having an intermediate variable represented by a linear combination of the determinants of the nonlinear programming problem as an independent variable.
A setting means for setting the upper and lower limit values of the intermediate variable and approximating the nonlinear function with a piecewise linear function within the range of the upper and lower limit values to set a constraint condition.
It is provided with a solving means for solving the nonlinear programming problem under the constraint conditions set by the setting means.
The setting means is characterized in that the upper and lower limit values of the intermediate variable are set by solving a mathematical programming problem using the intermediate variable as an objective function by removing the nonlinear constraint condition from the constraint condition. A computing device for nonlinear programming problems.
[2] The setting means is
An auxiliary variable is introduced into the nonlinear function to convert it into a separable function expressed in the form of the sum of the one-variable functions.
It is characterized in that the upper and lower limits of the intermediate variable used for the converted separable function are set, and the constraint conditions are set by approximating the nonlinear functions constituting the converted separable function with a piecewise linear function. The computing device for the nonlinear programming problem according to [1].
[3] The setting means is characterized in that when the nonlinear function is approximated by a piecewise linear function, at least one of a convex combination formulation and a formulation using a special order set of type 2 is performed [3]. The arithmetic unit for the nonlinear programming problem according to 1] or [2].
[4] An approximation calculated value obtained by substituting the value of the coefficient of determination obtained by the solution means into the function after the piecewise linear approximation by the setting means.
The determination variable obtained by the solution means is compared with the theoretically calculated value obtained by substituting the nonlinear constraint condition for the nonlinear function.
It is characterized in that the number of divisions of the piecewise linear function is changed and the processing by the setting means and the solving means is repeated until the difference between the approximate calculated value and the theoretical calculated value satisfies a predetermined condition [1]. The arithmetic unit for the nonlinear programming problem according to any one of [3].
[5] Any of [1] to [4], wherein the nonlinear programming problem is a compounding planning problem in which a compounding ratio is a determinant in a manufacturing process in which a plurality of raw materials are compounded to manufacture a product. An arithmetic unit for the nonlinear programming problem described in one of them.
[6] A linear constraints and a method of calculating the nonlinear programming problem for solving the computing device a nonlinear programming problem to minimize or maximize the objective function under constraints including the nonlinear constraints,
The nonlinear function representing the nonlinear constraint condition is a function having an intermediate variable represented by a linear combination of the determinants of the nonlinear programming problem as an independent variable.
The setting means of the arithmetic unit sets the upper and lower limit values of the intermediate variable, approximates the nonlinear function with a piecewise linear function within the range of the upper and lower limit values, and sets a constraint condition.
The solving means of the arithmetic unit has a solving step of solving the nonlinear programming problem under the constraint condition set.
In the setting step, the setting means sets the upper and lower limits of the intermediate variable by solving a mathematical programming problem using the intermediate variable as an objective function by removing the nonlinear constraint condition from the constraint condition. A method of calculating a nonlinear programming problem, characterized in that it is set.
[7] A program for solving a nonlinear programming problem that minimizes or maximizes an objective function under a constraint including a linear constraint and a nonlinear constraint.
The nonlinear function representing the nonlinear constraint condition is a function having an intermediate variable represented by a linear combination of the determinants of the nonlinear programming problem as an independent variable.
A setting process in which the upper and lower limit values of the intermediate variable are set, the nonlinear function is approximated by a piecewise linear function within the range of the upper and lower limit values, and a constraint condition is set.
A computer is made to execute a solution process for solving the nonlinear programming problem under the constraint conditions set.
The setting process is characterized in that the upper and lower limits of the intermediate variable are set by solving a mathematical programming problem using the intermediate variable as an objective function by removing the nonlinear constraint condition from the constraint condition. Program to be.

本発明によれば、線形制約条件と非線形制約条件とを含む制約条件の下で目的関数を最小化又は最大化する非線形計画問題を求解する際に、問題規模が増大するのを避け、実用時間内に精度の高い最適解が得られるようにすることができる。 According to the present invention, when solving a nonlinear programming problem that minimizes or maximizes an objective function under a constraint condition including a linear constraint condition and a nonlinear constraint condition, it is possible to avoid an increase in the problem scale and practical time. It is possible to obtain an optimal solution with high accuracy within.

実施形態に係る配合計画立案装置の機能構成を示す図である。It is a figure which shows the functional structure of the compounding planning apparatus which concerns on embodiment. 実施形態に係る配合計画立案装置による配合計画の立案方法の処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process of the compounding plan planning method by the compounding plan planning apparatus which concerns on embodiment. 図2のフローチャートにおける制約条件の定式化処理の詳細を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the detail of the formulation process of the constraint condition in the flowchart of FIG. 変数同士の主従関係を表わす有向グラフの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the directed graph which shows the master-slave relationship between variables. 図4Aの有向グラフのノードに対してラベルを付与した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of giving a label to the node of the directed graph of FIG. 4A. 実施例における区分線形近似の分割数と相対誤差との関係を示す特性図である。It is a characteristic figure which shows the relationship between the number of divisions of a piecewise linear approximation and a relative error in an Example. 実施例における区分線形近似の分割数と計算時間との関係を示す特性図である。It is a characteristic diagram which shows the relationship between the number of divisions of the piecewise linear approximation in an Example, and the calculation time. 実施例における配合量変更可能割合とコスト改善効果の関係の比較結果を示す特性図である。It is a characteristic diagram which shows the comparison result of the relationship between the compounding amount changeable ratio and the cost improvement effect in an Example.

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

非線形関数を区分線形近似にて定式化する場合、区分線形関数の近似精度を上げるためには、区分線形関数の分割数を細かく切る必要がある。しかしながら、分割数を増やせば増やすほど計算負荷が上がるため、分割数は要求精度を満たす最低限度の値を与える必要がある。ここで、計算精度を保つために必要な区分線形近似関数の分割数は、区分線形近似関数を構築する変数の取りうる範囲によって決定される。もし変数の取りうる範囲が広ければ、多くの分割が必要となり、少なければ少ない分割数で定式化が済む。そこで、本発明者らは、非線形関数を構築する変数の最小値/最大値を、線形計画法を用いて事前に求めることによって、定式化後の最適化問題の解の探索範囲を減少させた。これによって、本プロセスの配合計画問題に対する高速・高精度の計画立案を実現する技術を確立した。 When formulating a nonlinear function by piecewise linear approximation, it is necessary to divide the number of pieces of the piecewise linear function into small pieces in order to improve the approximation accuracy of the piecewise linear function. However, as the number of divisions increases, the calculation load increases, so the number of divisions must be given the minimum value that satisfies the required accuracy. Here, the number of divisions of the piecewise linear approximation function required to maintain the calculation accuracy is determined by the range of variables that construct the piecewise linear approximation function. If the range of variables that can be taken is wide, many divisions are required, and if it is small, the formulation can be completed with a small number of divisions. Therefore, the present inventors reduced the search range of the solution of the optimization problem after the formulation by obtaining the minimum / maximum value of the variable for constructing the nonlinear function in advance using the linear programming method. .. As a result, we have established a technology to realize high-speed and high-precision planning for the compounding planning problem of this process.

本実施形態では、製鉄業におけるコークスや焼結鉱の製造プロセスのように、複数の異なる性質を持つ原材料を配合して製品を製造する製造プロセスに対して本発明を適用した例を説明する。 In the present embodiment, an example in which the present invention is applied to a manufacturing process in which a product is manufactured by blending a plurality of raw materials having different properties, such as a manufacturing process of coke and sinter in the steel industry, will be described.

図1に、実施形態に係る配合計画立案装置100の機能構成を示す。配合計画立案装置100は、本発明を適用した非線形計画問題の演算装置として機能し、複数の異なる性質を持つ原材料(銘柄)を配合して製品を製造する製造プロセスにおいて、配合割合を決定変数とし、目標となる製品の特性値や生産量、操業条件を満たし、かつ、製造に係るコストを最小化する配合計画を立案する。つまり最適な配合割合を求める。本実施形態で取り扱う配合計画問題では、制約条件の少なくとも一部が非線形関数で表わされる非線形制約となっている。 FIG. 1 shows the functional configuration of the compounding plan planning device 100 according to the embodiment. The blending planning device 100 functions as a calculation device for a nonlinear planning problem to which the present invention is applied, and uses a blending ratio as a determinant in a manufacturing process in which raw materials (brands) having different properties are blended to manufacture a product. , Develop a formulation plan that meets the target product characteristics, production volume, and operating conditions, and minimizes manufacturing costs. That is, the optimum blending ratio is obtained. In the formulation planning problem dealt with in this embodiment, at least a part of the constraint conditions is a non-linear constraint expressed by a non-linear function.

101は入力部であり、例えばデータベース108から配合計画を立案する上で必要になる各原材料の性状情報(性質や状態に関する情報)、操業条件情報、コスト情報等のデータを取り込む。 Reference numeral 101 denotes an input unit, which takes in data such as property information (information on properties and states) of each raw material, operating condition information, cost information, etc., which are necessary for formulating a blending plan from the database 108, for example.

102は分割数設定部であり、非線形関数を区分線形近似する際の分割数を設定する。分割数設定部102は、例えばオペレータの指示に従って分割数を設定するようにしてもよいし、予め定められた分割数の範囲内で自動的に分割数を設定するようにしてもよい。 Reference numeral 102 denotes a division number setting unit, which sets the number of divisions for performing a piecewise linear approximation of the nonlinear function. The number of divisions setting unit 102 may, for example, set the number of divisions according to an instruction of the operator, or may automatically set the number of divisions within a predetermined range of the number of divisions.

103は制約条件設定部であり、入力部101で取り込んだデータに基づいて、目標となる製品の特性値や生産量、操業条件を満たすための制約条件を数式モデルに定式化して設定する。
ここで、制約条件設定部103は、関数変換部103aと、上下限値設定部103bとを備え、非線形制約に用いられる変数の上下限値を設定するとともに、非線形制約を構成する非線形関数を区分線形近似して、制約条件を設定する設定手段として機能する。
より詳細には、関数変換部103aは、非線形制約を表わす非線形関数が、分離可能関数であるか否かを判断する。分離可能関数とは、n次元のユークリッド空間の任意のx=(x1,x2,・・・,xnTに対して、関数fが下記のかたちで表わされる関数である。
Reference numeral 103 denotes a constraint condition setting unit, and based on the data taken in by the input unit 101, the characteristic value of the target product, the production amount, and the constraint condition for satisfying the operation condition are formulated and set in the mathematical model.
Here, the constraint condition setting unit 103 includes a function conversion unit 103a and an upper / lower limit value setting unit 103b, sets the upper / lower limit values of the variables used for the nonlinear constraint, and classifies the nonlinear functions constituting the nonlinear constraint. It functions as a setting means for setting constraints by linear approximation.
More specifically, the function conversion unit 103a determines whether or not the nonlinear function representing the nonlinear constraint is a separable function. The separable function is a function in which the function f is expressed in the following form for any x = (x 1 , x 2 , ..., X n ) T in the n-dimensional Euclidean space.

Figure 0006834717
Figure 0006834717

非線形関数が分離可能関数で表現されていない場合には、補助変数を導入し、非線形関数を分離可能関数に変換する。この変換により、全ての非線形関数は一変数関数の和の形で表現することが可能となる。
上下限値設定部103bは、関数変換部103aで変換した分離可能関数に用いられる変数の上下限値を設定する。この上記設定された数式モデルのうちで、制約条件から非線形制約を取り除くことで緩和した数式モデルに対して、上下限値を求めるべき上記変数を目的関数とした数式モデルに定式化し、目的関数を最大化及び最小化する数理計画問題を求解することにより、その上下限値を設定する。
そして、制約条件設定部103は、関数変換部103aで変換した分離可能関数を構成する一変数関数が非線形関数である場合には、該一変数関数を区分線形近似して、制約条件を設定する。
なお、ここでいう定式化とは、制約条件設定部103が数式モデルそのものを最初から構築するという意味ではなく、予め設定されている制約条件の数式モデルの枠組みに、ステップS1で取り込んだデータを反映させることをいう。
If the nonlinear function is not represented by a separable function, an auxiliary variable is introduced to convert the nonlinear function into a separable function. This transformation makes it possible to represent all nonlinear functions in the form of the sum of one-variable functions.
The upper / lower limit value setting unit 103b sets the upper / lower limit values of the variables used for the separable function converted by the function conversion unit 103a. Among the mathematical models set above, the mathematical model relaxed by removing the non-linear constraint from the constraint condition is formulated into a mathematical model with the above variables for which the upper and lower limits should be obtained as the objective function, and the objective function is set. By solving the mathematical programming problem to be maximized and minimized, the upper and lower limits are set.
Then, when the one-variable function constituting the separable function converted by the function conversion unit 103a is a non-linear function, the constraint condition setting unit 103 sets the constraint condition by dividing and linearly approximating the one-variable function. ..
Note that the formulation here does not mean that the constraint condition setting unit 103 constructs the mathematical model itself from the beginning, but the data captured in step S1 is incorporated into the framework of the mathematical model of the constraint conditions set in advance. It means to reflect.

104は目的関数設定部であり、入力部101で取り込んだデータに基づいて、製造に係るコストを最小化する目的関数を数式モデルに定式化して設定する。
なお、ここでいう定式化とは、目的関数設定部104が数式モデルそのものを最初から構築するという意味ではなく、予め設定されている目的関数の数式モデルの枠組みに、ステップS1で取り込んだデータを反映させることをいう。
Reference numeral 104 denotes an objective function setting unit, and based on the data taken in by the input unit 101, the objective function that minimizes the manufacturing cost is formulated and set in the mathematical model.
The formulation referred to here does not mean that the objective function setting unit 104 constructs the mathematical model itself from the beginning, but the data captured in step S1 is incorporated into the framework of the mathematical model of the objective function that has been set in advance. It means to reflect.

105は求解部であり、制約条件設定部103及び目的関数設定部104で設定した配合計画問題を求解する。 Reference numeral 105 denotes a solution unit, which solves the compounding planning problem set by the constraint condition setting unit 103 and the objective function setting unit 104.

106は判定部であり、求解部105による求解結果が妥当なものか否かを判定する。その結果、求解結果が妥当なものである場合、該求解結果を確定する。求解結果が妥当なものでない場合は、分割数設定部102で分割数を変更して、制約条件設定部103、目的関数設定部104及び求解部105による配合計画問題の求解を繰り返す。
求解結果の妥当性を判定する仕組みとして、求解部105で得られた配合割合を、制約条件設定部103による区分線形近似後の関数に代入して得られた計算値と、元の非線形制約に代入して得られた理論計算値とを比較する。そして、計算値と理論計算値との差が所定の条件を満たすまで、分割数設定部102で分割数を変更して、制約条件設定部103、目的関数設定部104及び求解部105による配合計画問題の設定及び求解を繰り返す。
Reference numeral 106 denotes a determination unit, which determines whether or not the solution result by the solution unit 105 is appropriate. As a result, if the solution result is valid, the solution result is determined. If the solution result is not appropriate, the number of divisions setting unit 102 changes the number of divisions, and the constraint condition setting unit 103, the objective function setting unit 104, and the solution unit 105 repeat the solution of the compounding planning problem.
As a mechanism for determining the validity of the solution result, the calculated value obtained by substituting the compounding ratio obtained by the solution unit 105 into the function after the division linear approximation by the constraint condition setting unit 103 and the original nonlinear constraint Compare with the theoretically calculated value obtained by substitution. Then, until the difference between the calculated value and the theoretically calculated value satisfies a predetermined condition, the number of divisions is changed by the division number setting unit 102, and the compounding plan by the constraint condition setting unit 103, the objective function setting unit 104, and the solution unit 105. Repeat the problem setting and solution.

107は出力部であり、判定部106で妥当であると判定した求解結果を出力する。ここでいう出力とは、例えば求解結果を不図示の記憶領域に保存、登録したり、ディスプレイ110に表示したり、ネットワークを介して外部機器に送出したりすることをいう。 Reference numeral 107 denotes an output unit, which outputs a solution result determined by the determination unit 106 to be valid. The output here means, for example, storing and registering the solution result in a storage area (not shown), displaying it on the display 110, or sending it to an external device via a network.

108はデータベースであり、配合計画を立案する上で必要になる各原材料の性状情報、操業条件情報、コスト情報等のデータを格納する。なお、ここでデータベース108からデータを取り込む例を示したが、それ以外にも、例えばネットワークを介して外部機器からデータを取り込んだり、ユーザが直接入力したデータを取り込んだりする形態であっても構わない。 Reference numeral 108 denotes a database, which stores data such as property information, operating condition information, cost information, etc. of each raw material necessary for formulating a blending plan. Although an example of fetching data from the database 108 is shown here, other than that, for example, data may be fetched from an external device via a network, or data directly input by the user may be fetched. Absent.

109はポインティングデバイスやキーボード等の入力装置、110はディスプレイである。 Reference numeral 109 is an input device such as a pointing device or a keyboard, and 110 is a display.

次に、配合計画立案装置100による配合計画の立案方法を説明する。
図2は、実施形態に係る配合計画立案装置100による配合計画の立案方法の処理を示すフローチャートである。
ステップS1で、入力部101は、例えばデータベース108から配合計画を立案する上で必要になる各原材料の性状情報、操業条件情報、コスト情報等のデータを取り込む。例えば表1に示すように、各銘柄の配合割合に関して上下限値の情報が取り込まれる。また、具体的には示さないが、各銘柄の性質に関して上下限値の情報が取り込まれる。
Next, a method of formulating a blending plan by the blending plan planning device 100 will be described.
FIG. 2 is a flowchart showing a process of a blending plan planning method by the blending plan planning device 100 according to the embodiment.
In step S1, the input unit 101 takes in data such as property information, operating condition information, and cost information of each raw material necessary for formulating a blending plan from, for example, the database 108. For example, as shown in Table 1, information on the upper and lower limit values is taken in with respect to the blending ratio of each brand. In addition, although not specifically shown, information on the upper and lower limits regarding the properties of each issue is taken in.

Figure 0006834717
Figure 0006834717

ステップS2で、分割数設定部102は、非線形関数を区分線形近似する際の分割数Kを設定する。なお、区分線形近似すべき非線形関数が複数ある、或いは分離可能関数に用いられる変数が複数ある場合、分割数は非線形関数ごと、分離可能関数に用いられる変数ごとに設定してもよい。 In step S2, the division number setting unit 102 sets the division number K when the non-linear function is piecewise linearly approximated. When there are a plurality of nonlinear functions to be piecewise linearly approximated or a plurality of variables used for the separable function, the number of divisions may be set for each nonlinear function and each variable used for the separable function.

ステップS3で、制約条件設定部103は、ステップS1で取り込んだデータに基づいて、目標となる製品の特性値や生産量、操業条件を満たすための制約条件を数式モデルに定式化して設定する。
本実施形態において制約条件は、式(1)のように線形関数で表わされる線形制約と、式(2)のように非線形関数で表わされる非線形制約とに分けられる。
In step S3, the constraint condition setting unit 103 formulates and sets the characteristic value of the target product, the production amount, and the constraint condition for satisfying the operation condition in the mathematical model based on the data taken in in step S1.
In the present embodiment, the constraint conditions are divided into a linear constraint represented by a linear function as in Eq. (1) and a non-linear constraint represented by a non-linear function as in Eq. (2).

Figure 0006834717
Figure 0006834717

式(1)は、制約条件の中でも線形となる制約条件を表わす式である。式(1)のxは決定変数である配合割合を表わすM次元の列ベクトルであり、ベクトルの要素は各原材料の配合割合に相当する。式(1)のAはN行M列の行列であり、Aのすべての要素は実数値をとるものとする。bはN次元の列ベクトルであり、実数値をとるものとする。
式(2)のgi(x)は非線形関数であり、iは制約の種類を表わす。例えば非線形関数gi(x)は、製鉄業であればコークス強度等、非線形性が強い特性値を表わす。式(2)の非線形関数gi(x)は、多変数関数であったり、非凸関数であったり、微分不可能な関数であったりする。
Equation (1) is an equation representing a constraint condition that is linear among the constraint conditions. X in the formula (1) is an M-dimensional column vector representing the mixing ratio, which is a coefficient of determination, and the elements of the vector correspond to the mixing ratio of each raw material. It is assumed that A in the equation (1) is a matrix of N rows and M columns, and all the elements of A take real values. b is an N-dimensional column vector and takes a real value.
G i (x) in Eq. (2) is a non-linear function, and i represents the type of constraint. For example, the non-linear function g i (x) represents a characteristic value with strong non-linearity such as coke strength in the steel industry. The nonlinear function g i (x) in Eq. (2) may be a multivariable function, a non-convex function, or a non-differentiable function.

本発明を適用するに際して、制約条件を線形制約と非線形制約分けて定式化を行う。まず、線形制約を数式モデルに追加する。線形制約は、特に困難なく数式モデルへの追加が可能である。 In applying the present invention, the constraints are divided into linear constraints and non-linear constraints and formulated. First, add a linear constraint to the mathematical model. Linear constraints can be added to the mathematical model without any difficulty.

次に、非線形制約の定式化を行う。ステップS3では、図3に示すフローチャートに従って、非線形制約を分離可能関数に変換し、分離可能関数に用いられる変数の上下限値を設定するとともに、分離可能関数を構成する一変数関数が非線形関数である場合には、該一変数関数を区分線形関数で近似して、近似した区分線形関数を制約条件として設定する。
ステップS301で、制約条件設定部103は、非線形関数gi(x)を入力する。本実施形態では、非線形関数gi(x)が、式(3)の形式で表わされる場合を考える。xは決定変数である配合割合を表わすM次元の列ベクトルであり、ベクトルの要素は各原材料の配合割合に相当する。w1,w2,w3はM次元のベクトルであり、ベクトルの要素は実数値をとるものとする。
Next, the non-linear constraint is formulated. In step S3, the non-linear constraint is converted into a separable function according to the flowchart shown in FIG. 3, the upper and lower limits of the variables used for the separable function are set, and the one-variable function constituting the separable function is a non-linear function. In some cases, the one-variable function is approximated by a piecewise linear function, and the approximated piecewise linear function is set as a constraint condition.
In step S301, the constraint condition setting unit 103 inputs the nonlinear function g i (x). In the present embodiment, the nonlinear function g i (x) is, consider the case represented in the form of equation (3). x is an M-dimensional column vector representing the mixing ratio, which is a coefficient of determination, and the elements of the vector correspond to the mixing ratio of each raw material. It is assumed that w 1 , w 2 , and w 3 are M-dimensional vectors, and the elements of the vector take real values.

Figure 0006834717
Figure 0006834717

式(3)の非線形関数gi(x)は、非凸関数で、かつ多変数関数である。一般的に非線形非凸関数に対して区分線形近似を適用する場合、凸結合定式化に加えて、タイプ2(Special Order Set type2:SOS2)の特殊順序集合を用いた定式化を行う必要がある。このため、この非線形関数を区分線形近似で定式化した最適化問題はNP困難な問題となる。
また、式(3)の非線形関数gi(x)は、M次の多変数関数である。そのため、式変形を加えずに区分線形近似を適用しようとすると、M次の超平面で近似関数を構成しなければならない。例えば式(3)の非線形関数gi(x)を、各変数ごとに、K個分割した区分線形関数を構成する場合を考える。このとき、非線形関数gi(x)を区分線形近似するのに必要な変数の数はおおよそKMと、累乗のオーダーである。例えばK=50、M=10とした場合、区分線形近似に必要な変数の数は5010と非常に多い。そのため、このままの定式化では実用時間内に求解できない可能性が高い。したがって、問題規模を縮小する定式化の工夫が求められる。
The nonlinear function g i (x) in Eq. (3) is a non-convex function and a multivariable function. Generally, when applying a piecewise linear approximation to a nonlinear non-convex function, it is necessary to perform a formulation using a special ordered set of type 2 (Special Order Set type2: SOS2) in addition to the convex combination formulation. .. Therefore, the optimization problem in which this nonlinear function is formulated by piecewise linear approximation becomes an NP-hard problem.
The nonlinear function g i (x) in Eq. (3) is a multivariable function of order M. Therefore, if we try to apply the piecewise linear approximation without adding the equation transformation, we have to construct the approximation function on the M-th order hyperplane. For example, consider the case where the nonlinear function g i (x) of the equation (3) is divided into K pieces for each variable to form a piecewise linear function. At this time, the number of variables required for piecewise linear approximation of the nonlinear function g i (x) is approximately K M , which is on the order of powers. For example, when K = 50 and M = 10, the number of variables required for piecewise linear approximation is as large as 50 10. Therefore, it is highly possible that the formulation as it is cannot be solved within the practical time. Therefore, it is necessary to devise a formulation to reduce the scale of the problem.

そこで、ステップS302で、制約条件設定部103の関数変換部103aは、非線形関数gi(x)に補助変数を導入し、分離可能関数、すなわち一変数関数の和のかたちで表現できる多変数関数に変換する。分離可能関数への変換は、非特許文献2や非特許文献3に提示されるアルゴリズムを用いても構わないし、その他どのようなアルゴリズムを用いても構わない。非線形関数gi(x)を分離可能関数に変換すると、式(4)のように表わされる。非線形関数gi(x)は、決定変数xの線形結合で表わされる中間変数v1〜v4を独立変数とする関数となる。 Therefore, in step S302, the function conversion unit 103a of the constraint condition setting unit 103 introduces an auxiliary variable into the nonlinear function g i (x), and is a separable function, that is, a multivariable function that can be expressed in the form of the sum of one-variable functions. Convert to. The conversion to the separable function may use the algorithm presented in Non-Patent Document 2 or Non-Patent Document 3, or any other algorithm may be used. When the nonlinear function g i (x) is converted into a separable function, it is expressed by Eq. (4). The nonlinear function g i (x) is a function in which the intermediate variables v 1 to v 4 represented by the linear combination of the determinants x are independent variables.

Figure 0006834717
Figure 0006834717

式(4)の非線形関数に対して分割数Kが設定されているとする。式(4)には、非線形関数が3つ存在するが、それぞれの関数は一変数関数であるので、区分線形近似するのに必要な変数の数はそれぞれK個だけでよい。したがって、区分線形関数を構成する変数の数は3×Kで3K個となる。すなわち、式(4)のように、非線形関数を分離可能関数に変換したことにより、変換前はK3個必要であった区分線形関数を構成する変数の数が、変換後は3Kに抑えられたといえる。 It is assumed that the division number K is set for the nonlinear function of the equation (4). There are three non-linear functions in equation (4), but since each function is a one-variable function, the number of variables required for piecewise linear approximation is only K. Therefore, the number of variables constituting the piecewise linear function is 3 × K, which is 3K. That is, by converting the nonlinear function into a separable function as in Eq. (4), the number of variables constituting the piecewise linear function, which required 3 K before the conversion, is suppressed to 3K after the conversion. It can be said that

ステップS303で、制約条件設定部103は、ステップS302で変換した関数に対して、変数同士の関係を明確化し、順序に沿って定式化を行う前準備として、関数中の変数をノードとした有向グラフを構築する。有向グラフは、それぞれの関数に対して、関数の入力となる変数を始点、関数を通して得られる変数を終点とする枝を張ることとする。例えばある関数がz=f(x,y)という関係がある場合は、2本の枝(x,z),(y,z)を張る。図4Aは、式(4)に関して、x及びvkをノードとし、vkの従属関係を有向グラフで結んだ例である。式(4)の例では、v4は変数v2、v3から構成される変数であり、変数v5はv1、v4から構成される変数である。図4Aに示すように有向グラフを用いれば、変数同士の主従関係を設定することができる。 In step S303, the constraint condition setting unit 103 clarifies the relationship between the variables for the function converted in step S302, and prepares for formulating in order, a directed graph in which the variables in the function are nodes. To build. In the directed graph, each function is branched with the variable that is the input of the function as the start point and the variable obtained through the function as the end point. For example, if a function has a relationship of z = f (x, y), two branches (x, z) and (y, z) are stretched. FIG. 4A is an example in which x and v k are nodes and the dependency relations of v k are connected by a directed graph with respect to the equation (4). In the example of equation (4), v 4 is a variable composed of variables v 2 and v 3 , and variable v 5 is a variable composed of v 1 and v 4 . By using a directed graph as shown in FIG. 4A, a master-slave relationship between variables can be set.

ステップS304で、制約条件設定部103は、ステップS303で構築した有グラフのノード(変数)に対してラベル付けを行う。ステップS303で構築した有向グラフは、非巡回有グラフ(木構造)となるので、トポロジカルソートが可能となる。トポロジカルソートとは、各ノードを順序付けして、どのノードもその出力辺の先のノードより前に来るように並べることである。ステップS303で構築した有向グラフに対してトポロジカルソートを行い、後ろにあるノードから順番に1からラベルを付与する。図4Bは、ステップS303で構築した有向グラフに対して、トポロジカルソートを行い、ノードに対してラベルを付与した結果である。
以上、ステップS303、S304によって、非線形関数を定式化するための変数同士の関係のグラフ化及び、ラベル付けが完了した。
本実施形態では、以降のステップS305〜S314で、ステップS303で付与したラベル順に処理を繰り返すことによって、変数の関係を数式モデルに追加する。
In step S304, the constraint condition setting unit 103 performs labeling to the node of a directed graph constructed in step S303 (variable). Directed graph constructed in step S303, since a non-cyclic a directed graph (tree structure), it is possible to topological sort. Topological sorting is the ordering of each node so that every node comes before the node beyond its output side. Topological sort is performed on the directed graph constructed in step S303, and labels are assigned from 1 in order from the node behind. FIG. 4B shows the result of topological sorting of the directed graph constructed in step S303 and labeling of the nodes.
As described above, in steps S303 and S304, the graphing and labeling of the relationship between the variables for formulating the nonlinear function is completed.
In the present embodiment, in the subsequent steps S305 to S314, the relation of variables is added to the mathematical model by repeating the processing in the order of the labels given in step S303.

ステップS305で、制約条件設定部103は、木構造を持つノード集合に対して、ノードのラベルkが小さい順にすべての変数に対して、繰り返し計算を開始する。以降、ノードkに対応する変数をuk(k=1、・・・、M+6)とする。また、以降、木構造を持つノード集合において、あるノードに隣接し、かつ、下方に存在するノードを子ノードと呼ぶ。また、あるノードから見て、その子ノードやそこから先の子ノード全てのいずれかを子孫ノードと呼ぶ。 In step S305, the constraint condition setting unit 103 starts iterative calculation for all the variables in ascending order of the node label k for the node set having the tree structure. Hereinafter, the variable corresponding to the node k is uk (k = 1, ..., M + 6). In addition, hereinafter, in a node set having a tree structure, a node adjacent to a certain node and existing below it is referred to as a child node. Also, when viewed from a certain node, any of its child nodes and all child nodes beyond it is called a descendant node.

ステップS306で、制約条件設定部103は、ノードkに子ノードが存在するか否かを判定する。ノードkに子ノードが存在する場合は、ステップS307に進み、子ノードが存在しない場合は、ステップS313にて、変数ukの上下限値を設定する。式(4)の例では、変数(x1,x2,・・・,xM)は、子ノードが存在しないノードに相当するため、ステップS313に進む。一方、変数(v1,v2,・・・,vn)は子ノードが存在するノードであり、ステップS307に進む。 In step S306, the constraint condition setting unit 103 determines whether or not a child node exists in the node k. If there is a child node to node k, the process proceeds to step S307, if the child node does not exist, at step S313, it sets the upper and lower limit values of the variable u k. In the example of the equation (4), since the variables (x 1 , x 2 , ..., X M ) correspond to the nodes having no child nodes, the process proceeds to step S313. On the other hand, the variables (v 1 , v 2 , ..., V n ) are the nodes in which the child nodes exist, and the process proceeds to step S307.

まず、ステップS306でノードkに子ノードが存在せず、ステップS313に進んだ場合を考える。この場合、ステップS313では、子ノードを持たないノードkに対して上下限値を設定する。上下限値は予め与えられたノードkの上下限値を設定する。本実施形態のような配合計画では、配合割合を表わす変数(x1,x2,・・・,xM)には上下限値が予め定まっていることが多く、それを設定値として与えればよい。本実施形態では、表1に設定された上下限値が変数(x1,x2,・・・,xM)に設定される。このように子ノードを持たないノード全ての上下限を決定することで、以降の計算で現れるノードの定式化において、その子ノードは全て有界変数となる。これにより、区分線形関数等、有界変数での表現が必要となる関数を数式モデルに追加することが可能となる。もし、ノードkが有界変数ではない場合は、ノードkが取りうる最大の範囲をノードkの上下限値として設定すればよい。例えば、本実施形態における配合計画問題では、配合割合が0%以下、又は100%以上になることは無いので、ノードkの下限値は0、上限値は100のように設定すればよい。 First, consider the case where the child node does not exist in the node k in step S306 and the process proceeds to step S313. In this case, in step S313, the upper and lower limit values are set for the node k having no child node. The upper and lower limit values set the upper and lower limit values of the node k given in advance. In a blending plan like this embodiment, the upper and lower limit values are often predetermined for the variables (x 1 , x 2 , ..., X M) representing the blending ratio, and if it is given as a set value, Good. In the present embodiment, the upper and lower limit values set in Table 1 are set in variables (x 1 , x 2 , ..., X M ). By determining the upper and lower limits of all nodes that do not have child nodes in this way, all the child nodes become bounded variables in the formulation of the nodes that appear in the subsequent calculations. This makes it possible to add functions that need to be represented by bounded variables, such as piecewise linear functions, to the mathematical model. If the node k is not a bounded variable, the maximum range that the node k can take may be set as the upper and lower limit values of the node k. For example, in the blending planning problem in the present embodiment, the blending ratio does not become 0% or less or 100% or more, so the lower limit value of the node k may be set to 0 and the upper limit value may be set to 100.

次に、ステップS306でノードkに子ノードが存在し、ステップS307に進んだ場合を考える。ステップS307で、制約条件設定部103は、ノードkとそのノードのすべての子孫ノード間の関係が、すべて線形関係式か、又は一つでも非線形関係式を含むか否かを判定する。線形関係式のみの場合は、ステップS308に進み、非線形関係式を含む場合は、ステップS310に進む。式(4)の例では、図4BのノードM+1〜M+4に対応する変数(v1,v2,v3,v4)の、それぞれの子孫ノードはすべて、線形関係式で結ばれているので、ステップS308へ進む。図4BのノードM+5、M+6に対応する変数(v5)とgi(x)の子孫ノードは、非線形関係式を含むのでステップS309に進む。 Next, consider the case where the child node exists in the node k in step S306 and the process proceeds to step S307. In step S307, the constraint condition setting unit 103 determines whether the relationship between the node k and all the descendant nodes of the node includes all linear relational expressions or even one non-linear relational expression. If only the linear relational expression is included, the process proceeds to step S308, and if the non-linear relational expression is included, the process proceeds to step S310. In the example of equation (4), all the progeny nodes of the variables (v 1 , v 2 , v 3 , v 4 ) corresponding to the nodes M + 1 to M + 4 in FIG. 4B are connected by a linear relational expression. , Step S308. Since the variable (v 5 ) corresponding to the nodes M + 5 and M + 6 in FIG. 4B and the progeny node of gi (x) include the non-linear relational expression, the process proceeds to step S309.

ステップS308で、制約条件設定部103は、ノードkと子ノードの線形関係式を数式モデルに追加する。具体的には、式(5)を制約条件として数式モデルに追加する。式(5)は、ノードkとノードkの子ノードの線形関係を表わし、Skは、ノードkのすべての子ノード集合、wjkはノードと子ノードの関係を表わす係数である。式(4)の変数v1の例では、v1の子ノードは、変数(x1,x2,・・・,xM)であり、v1と子ノードの関係は、v1=w1 Txで結ばれているので、v1=w1 Txを制約条件として設定する。 In step S308, the constraint condition setting unit 103 adds the linear relational expression between the node k and the child node to the mathematical model. Specifically, the equation (5) is added to the mathematical model as a constraint condition. Equation (5) represents the linear relationship of the child nodes of the node k and node k, S k, all child nodes set of nodes k, w jk is a coefficient representing the relationship between the nodes and child nodes. In the example of the variable v 1 in the equation (4), the child node of v 1 is a variable (x 1 , x 2 , ..., X M ), and the relationship between v 1 and the child node is v 1 = w. Since it is connected by 1 T x, v 1 = w 1 T x is set as a constraint condition.

Figure 0006834717
Figure 0006834717

ステップ309で、制約条件設定部103の上下限値設定部103bは、ノードkに対応する変数の上下限値を設定する。具体的には、非線形計画問題の制約条件から非線形制約を取り除いた線形制約条件と、変数ukとkのすべての子孫ノードの関係を表わした等式制約を制約条件とし、変数ukを目的関数とした数理計画問題を構築し、その問題を最大化及び最小化を行う。このように数理計画問題を求解することにより、変数ukの定義範囲、すなわち上下限値を求めることができる。
式(6)、式(7)、式(8)に、ukの最小(下限値)、最大(上限値)を求める線形計画問題を示す。
In step 309, the upper / lower limit value setting unit 103b of the constraint condition setting unit 103 sets the upper / lower limit value of the variable corresponding to the node k. Specifically, from the constraints of the nonlinear programming problem and linear constraints removal of the non-linear constraints, and equality constraints constraints representing the relationship of all descendant nodes of the variables u k and k, the purpose of the variable u k Construct a mathematical programming problem as a function, and maximize and minimize the problem. By thus solving the mathematical programming problem, defining a range of variables u k, that is, to determine the upper and lower limit values.
Equation (6), equation (7), the equation (8), the minimum (minimum value) of u k, shows a linear programming problem to determine the maximum (upper limit).

Figure 0006834717
Figure 0006834717

この線形計画問題は、式(1)、式(2)の制約条件から非線形制約を取り除いたかたちで構成される。このように線形制約を用いて変数ukを目的関数とした数理計画問題を求解することにより、変数ukの定義範囲を求めることができる。
この場合、ステップS309で得られる変数ukの定義範囲は、元問題から非線形制約を取り除いた一種の緩和問題を解いて得られた範囲であるので、元問題における変数ukのとりうる範囲とは必ずしも一致しない。しかしながら、変数ukの取りうる範囲を、本手法により予め求めることによって、後に説明する区分線形近似関数の定式化において、区分線形近似の精度を保つために必要な0、1変数の数を減らすことができるため、計算精度の向上と計算時間の短縮が期待できる。
This linear programming problem is composed of the constraints of Eqs. (1) and (2) with the nonlinear constraints removed. By solving the mathematical programming problem for the purpose function variables u k using such linear constraints can be determined to define the scope of the variables u k.
In this case, the definition range of the variables u k obtained in step S309, the since the extent obtained by solving a kind of relaxation problem by removing the nonlinear constraint from the original problem, a range which can be taken of the variable u k in the original problem Do not always match. However, the range that can be taken of the variable u k, by obtaining in advance by the present method, the formulation of the piecewise linear approximation function to be described later, reducing the number 0, 1 variables needed to maintain the accuracy of the piecewise linear approximation Therefore, it is expected that the calculation accuracy will be improved and the calculation time will be shortened.

続いてステップS313で、制約条件設定部103の上下限値設定部103bは、ステップS309で求めた最適解を変数ukの上下限値として設定する。
以上が、ステップS307にて、ノードkとそのノードのすべての子孫ノードの関係が線形関係式で表わされる場合の定式化方法である。
Then in step S313, the lower limit setting section 103b on the constraint condition setting unit 103 sets an optimal solution obtained in step S309 as the upper and lower limits of the variable u k.
The above is the formulation method when the relationship between the node k and all the descendant nodes of the node is expressed by a linear relational expression in step S307.

次に、ステップS307にて、ノードkとすべての子孫ノードの関係が、線形関係式だけでは表わされない場合を考える。例えば式(4)では、変数(v5)とgi(x)の子孫ノードは線形関係式だけでは表わせないので、ステップS310に進む。ノードkとそのノードの全ての子孫ノードが線形関係式だけでは表わされない場合は、変数の上下限を求める問題にも非線形制約条件が必要になってくるため、ステップS308〜S309のように、線形計画法を用いて変数の上下限値を設定することはできない。そこで、以降のステップS310〜S312ではノードkの線形/非線形性にのみ着目し、変数の上下限設定及び、数式モデルへの定式化を行う。このように、親ノードと子ノードの関係を逐次的に定式化することで、非線形関数全体の数式モデルへの定式化を狙う。 Next, in step S307, consider the case where the relationship between the node k and all the descendant nodes is not expressed only by the linear relational expression. For example, in Equation (4), since the variable (v 5) and descendant nodes of g i (x) is not represented only linear relations, the process proceeds to step S310. If node k and all descendant nodes of that node are not represented only by linear relational expressions, nonlinear constraints are required for the problem of finding the upper and lower limits of variables, so as in steps S308 to S309, It is not possible to set the upper and lower limits of a variable using linear programming. Therefore, in the subsequent steps S310 to S312, attention is paid only to the linearity / non-linearity of the node k, the upper and lower limits of the variables are set, and the formula is formulated into the mathematical model. By sequentially formulating the relationship between the parent node and the child node in this way, we aim to formulate the entire nonlinear function into a mathematical model.

ステップS310で、制約条件設定部103は、ノードkとその子ノードが線形関係式で表わされるか否かを判定する。上記ノードkの子ノードが線形関係式で表わされる場合、ステップS311に進み、ノードkの子ノードが線形関係式のみでは表現できず、少なくとも一つの非線形関係式を含む場合は、区分線形近似による定式化を行うために、ステップS312に進む。式(4)の例では、変数(v5)は変数v1,v4との非線形関数、gi(x)は、変数v5の非線形関数で表わされるので、ステップS312に進む。 In step S310, the constraint condition setting unit 103 determines whether or not the node k and its child nodes are represented by a linear relational expression. If the child node of the node k is represented by a linear relational expression, the process proceeds to step S311. If the child node of the node k cannot be represented by the linear relational expression alone and includes at least one non-linear relational expression, the piecewise linear approximation is used. In order to carry out the formulation, the process proceeds to step S312. In the example of Equation (4), variable (v 5) are nonlinear function of the variables v 1, v 4, g i (x) , so is represented by a nonlinear function of the variables v 5, the process proceeds to step S312.

ステップS311で、制約条件設定部103は、ノードkとノードkの子ノードの線形関係式を制約条件として数式モデルに追加する。
続いてステップS313で、制約条件設定部103の上下限値設定部103bは、線形関数である変数ukの上下限値を設定する。変数ukの上下限値は、線形関数の右辺にある変数の上下限値から最大値、最小値を解析的に求め設定する。
In step S311, the constraint condition setting unit 103 adds the linear relational expression between the node k and the child node of the node k to the mathematical model as a constraint condition.
Then in step S313, the lower limit setting section 103b on the constraint condition setting unit 103 sets the upper limit value of the variable u k is a linear function. Upper and lower limits of the variable u k is maximum from the upper and lower limit values of the variable in the right side of the linear function is set for determining the minimum value analytically.

ステップS312で、制約条件設定部103は、ノードkとノードkの子ノードの非線形関係式を数式モデルへ定式化を行う。本実施形態では、非線形関数を区分線形関数で近似し、区分線形関数を、凸結合定式化手法で制約条件として数式モデルに追加する。凸結合定式化とは、非線形関数y=f(x)に対して区分線形近似し、区分線形関数の節を(xi,yi)i=1、・・・、Kと置いたときに、式(9)のように関係を定式化することである。 In step S312, the constraint condition setting unit 103 formulates the nonlinear relational expression between the node k and the child node of the node k into a mathematical model. In this embodiment, the nonlinear function is approximated by a piecewise linear function, and the piecewise linear function is added to the mathematical model as a constraint condition by the convex combination formulation method. The convex combination formulation is a piecewise linear approximation to the nonlinear function y = f (x), and when the section of the piecewise linear function is set as (x i , y i ) i = 1, ..., K. , Formulating the relationship as in equation (9).

Figure 0006834717
Figure 0006834717

式(9)は、原点から区分線形関数の節を指すベクトルに対して、その重みtkが1になるようなベクトルを求めることに相当する。もし、f(x)が凸関数でf(x)を最小化する問題であれば、解はある線分上にあるので、必ず2つの連続するtkだけが正の値をとる。そうでない場合は、隣り合わない2つのtkが正になる場合があり、そのような解を取り除く必要がある。このような解を取り除くためには、tkの集合に、“高だか2つの隣り合うtkだけが正の値をとる”制約を追加すればよい。高だか2つの隣り合うtkだけが正の値をとるような変数群(t1,t2,・・・,tK)はSOS2変数群と呼ばれる。SOS2変数群の定式化には、整数計画法を用いて定式化してもよいし、標準的なソルバーに用意されているSOS2集合を定義するための専用の関数を用いてもよい。整数変数を用いてSOS2変数群を定式化した例を式(10)に示す。なお、その詳細は非特許文献4に記載されている。このように凸結合定式化に加え、SOS2変数群を定義して、非凸な非線形関数を混合整数計画問題として定式化を行う。
続いてステップS313で、制約条件設定部103の上下限値設定部103bは、非線形関数である変数ukの上下限値を設定する。変数ukの上下限値は、変数ukを近似した区分線形関数の上下限値を設定する。
以上が、ノードkの全ての子孫ノードに少なくとも一つの非線形関係式が含まれる場合の定式化方法である。
Equation (9) corresponds to finding a vector whose weight t k is 1 for a vector pointing to a section of a piecewise linear function from the origin. If f (x) is a convex function and the problem minimizes f (x), then since the solution is on a line segment, only two consecutive t ks always take positive values. Otherwise, two non-adjacent t ks may be positive and such a solution needs to be removed. To remove such a solution, we can add a constraint to the set of t k that "only two adjacent t ks at the highest have positive values". High I or only two adjacent t k is variable group such as a positive value (t 1, t 2, ··· , t K) is called the SOS2 variable group. The SOS2 variable group may be formulated by using the integer programming method, or a dedicated function for defining the SOS2 set provided in the standard solver may be used. An example of formulating the SOS2 variable group using integer variables is shown in Equation (10). The details are described in Non-Patent Document 4. In this way, in addition to the convex combination formulation, the SOS2 variable group is defined, and the non-convex nonlinear function is formulated as a mixed integer programming problem.
Then in step S313, the lower limit setting section 103b on the constraint condition setting unit 103 sets the upper limit value of the variable u k is a non-linear function. Upper and lower limits of the variable u k sets the upper and lower limits of the piecewise linear function that approximates the variable u k.
The above is the formulation method when all the progeny nodes of the node k include at least one nonlinear relational expression.

Figure 0006834717
Figure 0006834717

以上のステップS306〜S313を繰り返すことにより、すべての変数ukに対して、変数同士の関係を数式モデル化し、さらにすべての変数ukに対して上下限値を設定することができる。
そして、ステップS314で、gi(x)≧0を数式モデルに追加すれば、非線形制約を含む制約条件を数式モデルに定式化することができる。
以上が、ステップS3の詳細である。従来は、配合計画の立案に使用される非線形関数は、区分線形近似を用いて定式化するために、配合割合を表わす変数の次元だけ区分線形関数を用意して定式化しなければならなかった。それに対して、本実施形態の手順に従えば、非線形制約式に使用される決定変数をノードとした計算グラフを構築し、ノード間の関係(線形・非線形)に対して定式化を実施することによって、非線形関数を区分線形近似するのに必要な変数の数を大きく減らすことが可能となった。さらに、区分線形関数を構築する変数の範囲を、線形計画法を用いて変数の最小化/最大化問題を事前に求解した。これによって、区分線形近似関数を構築する変数の定義範囲を狭めることが可能となり、区分線形近似関数の精度を保つために必要な0、1変数の数を減らした。したがって、実用時間内に求解できるモデルを構築できた。
By repeating the above steps S306~S313, for all variables u k, and a mathematical model of the relationship between variables, it is possible to set upper and lower limit values further for all variables u k.
Then, in step S314, if g i (x) ≧ 0 is added to the mathematical model, the constraint condition including the non-linear constraint can be formulated in the mathematical model.
The above is the details of step S3. Conventionally, in order to formulate a nonlinear function used for formulating a blending plan using a piecewise linear approximation, it has been necessary to prepare and formulate a piecewise linear function only for the dimension of the variable representing the blending ratio. On the other hand, according to the procedure of the present embodiment, a calculation graph is constructed with the decision variable used in the nonlinear constraint equation as a node, and the relation between the nodes (linear / nonlinear) is formulated. This has made it possible to significantly reduce the number of variables required to perform a compartmentalized linear approximation of a nonlinear function. Furthermore, the range of variables for which piecewise linear functions are constructed was solved in advance using the linear programming method to solve the variable minimization / maximization problem. This makes it possible to narrow the definition range of the variables that construct the piecewise linear approximation function, and reduces the number of 0 and 1 variables required to maintain the accuracy of the piecewise linear approximation function. Therefore, we were able to build a model that can be solved within practical time.

図2に説明を戻して、ステップS4で、目的関数設定部104は、ステップS1で取り込んだデータに基づいて、製造に係るコストを最小化する目的関数を数式モデルに定式化して設定する。目的関数は、線形関数であっても、非線形関数であっても構わない。目的関数が非線形関数で表わされる場合は、制約条件の場合と同様に非線形関数を分離可能関数に変換し、変数の上下限値を設定するとともに、非線形関数を区分線形近似して、目的関数を設定すればよい。 Returning to FIG. 2, in step S4, the objective function setting unit 104 formulates and sets an objective function that minimizes the cost related to manufacturing in a mathematical model based on the data captured in step S1. The objective function may be a linear function or a non-linear function. When the objective function is represented by a nonlinear function, the nonlinear function is converted into a separable function as in the case of the constraint condition, the upper and lower limits of the variables are set, and the nonlinear function is divided and linearly approximated to obtain the objective function. You can set it.

ステップS5で、求解部105は、ステップS3及びステップS4で設定した非線形計画問題である配合計画問題を求解する。 In step S5, the solution unit 105 solves the compounding planning problem, which is the nonlinear planning problem set in steps S3 and S4.

ステップS6で、判定部106は、ステップS5での求解結果が妥当なものか否かを判定する。区分線形近似はあくまで近似手法であるため、近似誤差が必ず発生し、近似誤差が十分小さいかを確認しなければならない。
求解結果の妥当性を判定する仕組みとして、ステップS5で得られた配合割合を、ステップS3での区分線形近似後の関数に代入して得られた計算値と、元の非線形制約に代入して得られた理論計算値とを比較する。そして、計算値と理論計算値との差が所定の条件を満たすまで、ステップS2で分割数Kを変更して、ステップS3〜S5の非線形計画問題の設定及び求解を繰り返す。
In step S6, the determination unit 106 determines whether or not the solution result in step S5 is appropriate. Since piecewise linear approximation is an approximation method, it is necessary to confirm that an approximation error always occurs and the approximation error is sufficiently small.
As a mechanism for determining the validity of the solution result, the compounding ratio obtained in step S5 is substituted into the calculated value obtained by substituting the function after the piecewise linear approximation in step S3 and the original nonlinear constraint. Compare with the obtained theoretically calculated values. Then, until the difference between the calculated value and the theoretically calculated value satisfies a predetermined condition, the number of divisions K is changed in step S2, and the setting and solving of the nonlinear programming problem in steps S3 to S5 are repeated.

ステップS7で、出力部107は、ステップS6で妥当であると判定された求解結果を出力する。 In step S7, the output unit 107 outputs the solution result determined to be valid in step S6.

以上説明した手法を用いて、石炭の配合計画を対象として、非線形計画問題である配合計画問題を求解する実施例を説明する。
石炭の配合計画は、配合割合を決定変数とし、目標となる製品の特性値や生産量、操業条件を満たし、かつ、製造に係るコストを最小化する配合計画を立案する非線形計画問題として、以下の式(11)〜式(15)のように定式化した。
i:銘柄名に関する添え字
j:制約条件に関する添え字
i:石炭の配合割合(決定変数)
i:コークス製造コスト(石炭購買費用+輸送費用+操業費用)
ij:原料炭の成分の比率(測定値)
i(x1,x2,・・・,xN):コークス品質推定式(非線形)
LBj,UBj:品質の上下限値
i L,Ui U:配合割合上下限値
An example of solving a non-linear programming problem, which is a non-linear programming problem, will be described for a coal compounding plan by using the method described above.
In the coal compounding plan, the compounding ratio is used as a determinant, and the non-linear programming problem of formulating a compounding plan that satisfies the characteristic values, production volume, and operating conditions of the target product and minimizes the manufacturing cost is as follows. It was formulated as the formulas (11) to (15) of.
i: Subscript related to brand name j: Subscript related to constraints x i : Coal mixing ratio (coefficient of determination)
p i: coke production cost (coal purchasing cost + transport costs + operating costs)
a ij : Ratio of coking coal components (measured value)
g i (x 1 , x 2 , ..., x N ): Coke quality estimation formula (non-linear)
LB j , UB j : Upper and lower limits of quality U i L , U i U : Upper and lower limits of blending ratio

Figure 0006834717
Figure 0006834717

なお、ここでは単一期間における配合計画を表わしているが、式(11)〜式(15)の定式化を多期間の配合計画に拡張してもよい。多期間の配合計画に拡張するためには、前後期間の在庫量や、多期間に渡る使用計画、原材料の受け入れ計画に関する制約条件が必要となるが、これらの制約条件は全て混合整数計画法にて定式化が可能であるので、単一期間での配合計画が立案できれば、多期間での配合計画も立案可能となる。 Although the formulation plan for a single period is shown here, the formulation of the formulas (11) to (15) may be extended to a multi-period formulation plan. In order to extend to a multi-period formulation plan, constraints on inventory volume in the previous and next periods, multi-period usage plans, and raw material acceptance plans are required, but all of these constraints are applied to the mixed integer programming method. Therefore, if a compounding plan for a single period can be formulated, a compounding plan for multiple periods can also be formulated.

式(11)の目的関数は、コークス製造に係るコストを表わす。本実施例では、目的関数を線形関数として与えたが、これが非線形関数であっても構わない。 The objective function of equation (11) represents the cost of coke production. In this embodiment, the objective function is given as a linear function, but this may be a non-linear function.

式(12)の制約条件は、品質に関する線形制約を表わし、例えば揮発分や硫黄分等に関する制約が含まれる。aijは石炭の成分の比率を表わし、その値を配合割合で加重平均した値を制約条件として与える。
式(13)の制約条件は、品質に関する非線形制約を表わし、例えばコークス冷間強度(コークスDI)と膨張圧に関する制約が含まれる。コークスDIとは、石炭をコークス炉で焼き固めた後に得られたコークスの強度を表わす指標である。コークスは、高炉での通気性を確保するために一定以上の強度が求められ、その強度の指標としてコークスDIが使用されることが多い。また、膨張圧は、石炭をコークス炉内で焼き固めるときに発生するガスによってコークス炉内に掛かる圧力を表わす指標である。膨張圧が高いと、コークス炉の炉体にダメージを与えるため、なるべく低い値が望ましい。
式(14)の制約条件は、配合割合の合計値に関する制約を表わす。
式(15)の制約条件は、石炭の配合割合に関する上下限制約を表わす。
The constraint condition of the equation (12) represents a linear constraint on quality, and includes, for example, a constraint on volatile matter, sulfur content, and the like. a ij represents the ratio of the components of coal, and the value obtained by weighted averaging the value with the blending ratio is given as a constraint condition.
The constraints of equation (13) represent non-linear constraints on quality, including, for example, coke cold strength (coke DI) and expansion pressure constraints. The coke DI is an index showing the strength of coke obtained after coking coal in a coke oven. Coke is required to have a certain strength or higher in order to ensure air permeability in a blast furnace, and coke DI is often used as an index of the strength. The expansion pressure is an index showing the pressure applied to the coke oven by the gas generated when coal is baked and hardened in the coke oven. If the expansion pressure is high, it will damage the core of the coke oven, so a value as low as possible is desirable.
The constraint condition of the formula (14) represents a constraint on the total value of the blending ratio.
The constraint condition of the formula (15) represents the upper and lower limit constraints regarding the blending ratio of coal.

以上のようにした数式モデルにおいて、式(13)は、式(2)の非線形制約に相当する。また、式(12)、(14)、(15)は、式(1)の線形制約に相当する。本実施例では、式(13)に含まれるコークスDI及び膨張圧に対して、図3に示すフローチャートに従って定式化を行った。 In the mathematical model as described above, equation (13) corresponds to the nonlinear constraint of equation (2). Further, the equations (12), (14) and (15) correspond to the linear constraints of the equation (1). In this embodiment, the coke DI and expansion pressure contained in the formula (13) were formulated according to the flowchart shown in FIG.

表2に、配合割合(表1)及び性質の制約条件の下で、実施形態に従って最適化を行い、得られた配合割合の値を示す。表2に示すように、最適化結果は表1の配合割合制約を遵守している。また、最適化結果はすべての制約条件を遵守しており、正しい最適化が行われた。 Table 2 shows the values of the blending ratios obtained by optimizing according to the embodiment under the conditions of the blending ratio (Table 1) and the properties. As shown in Table 2, the optimization results comply with the compounding ratio restrictions in Table 1. In addition, the optimization results complied with all the constraints, and the correct optimization was performed.

Figure 0006834717
Figure 0006834717

図5は、区分線形近似の分割数を変更し、各分割数に対して最適化計算を行った結果を示す。横軸は分割数を表わし、分割数を10から80まで10刻みで分割数を増やして最適化を行った。縦軸は、計算値と理論計算値との相対誤差[%]であり、計算値と理論計算値との差を理論計算値で割った値を百分率で表わしている。図5より、コークスDI及び膨張圧の相対誤差は共に、分割数が増えるに従って減少している。さらに、相対誤差はすべての条件で0.1%以下であり、分割数が30を超えれば誤差は殆ど無かった。この誤差の大きさは、コークスDI及び膨張圧の操業ばらつきに比べて十分小さく、実務上問題にならない。 FIG. 5 shows the result of performing the optimization calculation for each number of divisions by changing the number of divisions of the piecewise linear approximation. The horizontal axis represents the number of divisions, and the number of divisions was optimized by increasing the number of divisions from 10 to 80 in increments of 10. The vertical axis is the relative error [%] between the calculated value and the theoretically calculated value, and the value obtained by dividing the difference between the calculated value and the theoretically calculated value by the theoretically calculated value is expressed as a percentage. From FIG. 5, both the coke DI and the relative error of the expansion pressure decrease as the number of divisions increases. Further, the relative error was 0.1% or less under all conditions, and there was almost no error when the number of divisions exceeded 30. The magnitude of this error is sufficiently small compared to the operational variation of coke DI and expansion pressure, and does not pose a problem in practice.

次に、図6は、区分線形近似の分割数を変更し、各分割数において最適化計算に要した計算時間を示す。横軸は分割数を表わし、縦軸は計算時間[sec]を表わす。図6に示すように、分割数が増えると計算時間は増えるが、汎用コンピュータを用いた計算環境下において、計算時間は分割数10から80までのすべての最適化において60秒以内であり、実務上問題にならない計算時間で求解することができた。 Next, FIG. 6 changes the number of divisions of the piecewise linear approximation, and shows the calculation time required for the optimization calculation for each number of divisions. The horizontal axis represents the number of divisions, and the vertical axis represents the calculation time [sec]. As shown in FIG. 6, the calculation time increases as the number of divisions increases, but under a calculation environment using a general-purpose computer, the calculation time is within 60 seconds for all optimizations from the number of divisions 10 to 80, which is practical. I was able to solve it in a calculation time that did not cause any problems.

次に、図7は、配合割合の制約条件を変更したときのコスト改善効果を調査した結果を示す。区分線形近似の分割数は50で固定した。本実施例では、ある時点での配合量を基準配合と置き、基準配合から配合の変更を許す割合を少しずつ大きくしたときのコストの変化を図示した。ここで、基準配合量から配合の変更を許す割合を配合量変更可能割合と呼ぶ。横軸は配合量変更可能割合を表わし、0%〜80%まで配合量変更可能割合を変化させた。縦軸はコスト改善効果[%]であり、配合割合変更可能割合が0%のときを基準として、基準に対するコスト改善効果を百分率で表わしている。図7に示すように、本発明を適用した発明手法は、比較手法(特許文献1のアルゴリズム)に比べて3倍以上コスト改善効果が見込まれ、本発明が十分有用であることが示された。 Next, FIG. 7 shows the result of investigating the cost improvement effect when the constraint condition of the blending ratio is changed. The number of divisions of the piecewise linear approximation was fixed at 50. In this embodiment, the amount of compounding at a certain point in time is set as the standard compounding, and the change in cost when the ratio of allowing the change of the compounding from the standard compounding is gradually increased is illustrated. Here, the ratio that allows the change of the compounding amount from the standard compounding amount is called the compounding amount changeable ratio. The horizontal axis represents the blending amount changeable ratio, and the blending amount changeable ratio was changed from 0% to 80%. The vertical axis represents the cost improvement effect [%], and the cost improvement effect with respect to the standard is expressed as a percentage based on the case where the compounding ratio changeable ratio is 0%. As shown in FIG. 7, the invention method to which the present invention is applied is expected to have a cost improvement effect of 3 times or more as compared with the comparative method (algorithm of Patent Document 1), indicating that the present invention is sufficiently useful. ..

以上、本発明を実施形態と共に説明したが、上記実施形態は本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
本実施形態では、複数の異なる性質を持つ原材料を配合して製品を製造する製造プロセスとして、製鉄業におけるコークスや焼結鉱の製造を挙げたが、例えば石油の精製、セメントの製造等における配合計画の立案に本発明を適用してもよい。
さらにいえば、本発明は、配合計画問題に限定されるものではなく、非線形計画問題に広く適用可能である。例えば建設物を設計する際に、必要な強度を確保した上で柱の太さを最適化する問題がある。このとき、数多くの柱の太さを変数とすると、その強度の計算は変数の非線形関数となる。このような事例に対しても本発明を適用することにより、問題規模が増大するのを避け、実用時間内に精度の高い最適解が得られるようにすることができる。
Although the present invention has been described above together with the embodiments, the above-described embodiments merely show examples of embodiment of the present invention, and the technical scope of the present invention is interpreted in a limited manner by these. It must not be. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or its main features.
In the present embodiment, the production of coke and sinter in the steel industry is mentioned as a manufacturing process for manufacturing a product by blending a plurality of raw materials having different properties. For example, blending in oil refining, cement manufacturing, etc. The present invention may be applied to planning.
Furthermore, the present invention is not limited to the formulation planning problem, but is widely applicable to the nonlinear planning problem. For example, when designing a building, there is a problem of optimizing the thickness of columns while ensuring the required strength. At this time, if the thickness of many columns is a variable, the calculation of the strength is a non-linear function of the variable. By applying the present invention to such cases, it is possible to avoid an increase in the scale of the problem and to obtain an optimal solution with high accuracy within a practical time.

本発明を適用した非線形計画問題の演算装置は、例えばCPU、ROM、RAM等を備えたコンピュータ装置により実現される。
また、本発明は、本発明の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータがプログラムを読み出して実行することによっても実現可能である。
The arithmetic unit for the nonlinear programming problem to which the present invention is applied is realized by, for example, a computer device equipped with a CPU, ROM, RAM, and the like.
The present invention also provides software (programs) that realize the functions of the present invention to a system or device via a network or various storage media, and the computer of the system or device reads and executes the program. It is feasible.

100:配合計画立案装置
101:入力部
102:分割数設定部
103:制約条件設定部
104:目的関数設定部
105:求解部
106:判定部
107:出力部
100: Blending plan planning device 101: Input unit 102: Number of divisions setting unit 103: Constraint condition setting unit 104: Objective function setting unit 105: Solving unit 106: Judgment unit 107: Output unit

Claims (7)

線形制約条件と非線形制約条件とを含む制約条件の下で目的関数を最小化又は最大化する非線形計画問題を求解するための非線形計画問題の演算装置であって、
前記非線形制約条件を表わす非線形関数は、前記非線形計画問題の決定変数の線形結合で表わされる中間変数を独立変数とする関数であり、
前記中間変数の上下限値を設定するとともに、当該上下限値の範囲で前記非線形関数を区分線形関数で近似して、制約条件を設定する設定手段と、
前記設定手段で設定した制約条件の下で前記非線形計画問題を求解する求解手段とを備え、
前記設定手段は、前記中間変数について、前記制約条件から前記非線形制約条件を取り除いたかたちで当該中間変数を目的関数とした数理計画問題を求解することにより、その上下限値を設定することを特徴とする非線形計画問題の演算装置。
A non-linear programming problem arithmetic device for solving a nonlinear programming problem that minimizes or maximizes the objective function under constraints including linear and non-linear constraints.
The nonlinear function representing the nonlinear constraint condition is a function having an intermediate variable represented by a linear combination of the determinants of the nonlinear programming problem as an independent variable.
A setting means for setting the upper and lower limit values of the intermediate variable and approximating the nonlinear function with a piecewise linear function within the range of the upper and lower limit values to set a constraint condition.
It is provided with a solving means for solving the nonlinear programming problem under the constraint conditions set by the setting means.
The setting means is characterized in that the upper and lower limit values of the intermediate variable are set by solving a mathematical programming problem using the intermediate variable as an objective function by removing the nonlinear constraint condition from the constraint condition. A computing device for nonlinear programming problems.
前記設定手段は、
前記非線形関数に補助変数を導入して、一変数関数の和の形で表わされる分離可能関数に変換し、
前記変換した分離可能関数に用いられる前記中間変数の上下限値を設定するとともに、前記変換した分離可能関数を構成する非線形関数を区分線形関数で近似して、制約条件を設定することを特徴とする請求項1に記載の非線形計画問題の演算装置。
The setting means is
An auxiliary variable is introduced into the nonlinear function to convert it into a separable function expressed in the form of the sum of the one-variable functions.
It is characterized in that the upper and lower limits of the intermediate variable used for the converted separable function are set, and the constraint conditions are set by approximating the nonlinear functions constituting the converted separable function with a piecewise linear function. The computing device for the nonlinear programming problem according to claim 1.
前記設定手段は、非線形関数を区分線形関数で近似するときに、凸結合定式化及びタイプ2の特殊順序集合を用いた定式化のうち少なくともいずれか一方を行うことを特徴とする請求項1又は2に記載の非線形計画問題の演算装置。 The setting means is characterized in that, when the nonlinear function is approximated by a piecewise linear function, at least one of a convex combination formulation and a formulation using a special order set of type 2 is performed. 2. The computing device for the nonlinear programming problem according to 2. 前記求解手段で得られた決定変数の値を、前記設定手段による区分線形近似後の関数に代入して得られた近似計算値と、
前記求解手段で得られた決定変数を、前記非線形制約条件を表わす非線形関数に代入して得られた理論計算値とを比較し、
前記近似計算値と前記理論計算値との差が所定の条件を満たすまで、区分線形関数の分割数を変更して、前記設定手段及び前記求解手段による処理を繰り返すことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の非線形計画問題の演算装置。
The approximate calculation value obtained by substituting the value of the coefficient of determination obtained by the solution means into the function after the piecewise linear approximation by the setting means, and
The determination variable obtained by the solution means is compared with the theoretically calculated value obtained by substituting the nonlinear constraint condition for the nonlinear function.
Claim 1 is characterized in that the number of divisions of the piecewise linear function is changed and the processing by the setting means and the solving means is repeated until the difference between the approximate calculated value and the theoretical calculated value satisfies a predetermined condition. The arithmetic unit for the nonlinear programming problem according to any one of items 3 to 3.
前記非線形計画問題は、複数の原材料を配合して製品を製造する製造プロセスにおいて、配合割合を決定変数とする配合計画問題であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の非線形計画問題の演算装置。 The non-linear programming problem according to any one of claims 1 to 4, wherein the nonlinear programming problem is a compounding planning problem in which a compounding ratio is used as a determinant in a manufacturing process for producing a product by blending a plurality of raw materials. Arithmetic logic unit for nonlinear programming problems. 線形制約条件と非線形制約条件とを含む制約条件の下で目的関数を最小化又は最大化する非線形計画問題を演算装置により求解するための非線形計画問題の演算方法であって、
前記非線形制約条件を表わす非線形関数は、前記非線形計画問題の決定変数の線形結合で表わされる中間変数を独立変数とする関数であり、
前記演算装置の設定手段が、前記中間変数の上下限値を設定するとともに、当該上下限値の範囲で前記非線形関数を区分線形関数で近似して、制約条件を設定する設定ステップと、
前記演算装置の求解手段が、前記設定した制約条件の下で前記非線形計画問題を求解する求解ステップとを有し、
前記設定ステップで、前記設定手段は、前記中間変数について、前記制約条件から前記非線形制約条件を取り除いたかたちで当該中間変数を目的関数とした数理計画問題を求解することにより、その上下限値を設定することを特徴とする非線形計画問題の演算方法。
A calculation method of the nonlinear programming problem for solving the nonlinear programming problem to minimize or maximize the objective function under constraints including linear constraints and non-linear constraint by the arithmetic unit,
The nonlinear function representing the nonlinear constraint condition is a function having an intermediate variable represented by a linear combination of the determinants of the nonlinear programming problem as an independent variable.
The setting means of the arithmetic unit sets the upper and lower limit values of the intermediate variable, approximates the nonlinear function with a piecewise linear function within the range of the upper and lower limit values, and sets a constraint condition.
The solving means of the arithmetic unit has a solving step of solving the nonlinear programming problem under the constraint condition set.
In the setting step, the setting means sets the upper and lower limits of the intermediate variable by solving a mathematical programming problem using the intermediate variable as an objective function by removing the nonlinear constraint condition from the constraint condition. A method of calculating a nonlinear programming problem, characterized in that it is set.
線形制約条件と非線形制約条件とを含む制約条件の下で目的関数を最小化又は最大化する非線形計画問題を求解するためのプログラムであって、
前記非線形制約条件を表わす非線形関数は、前記非線形計画問題の決定変数の線形結合で表わされる中間変数を独立変数とする関数であり、
前記中間変数の上下限値を設定するとともに、当該上下限値の範囲で前記非線形関数を区分線形関数で近似して、制約条件を設定する設定処理と、
前記設定した制約条件の下で前記非線形計画問題を求解する求解処理とをコンピュータに実行させ、
前記設定処理では、前記中間変数について、前記制約条件から前記非線形制約条件を取り除いたかたちで当該中間変数を目的関数とした数理計画問題を求解することにより、その上下限値を設定することを特徴とするプログラム。
A program for solving nonlinear programming problems that minimize or maximize the objective function under constraints, including linear and nonlinear constraints.
The nonlinear function representing the nonlinear constraint condition is a function having an intermediate variable represented by a linear combination of the determinants of the nonlinear programming problem as an independent variable.
A setting process in which the upper and lower limit values of the intermediate variable are set, the nonlinear function is approximated by a piecewise linear function within the range of the upper and lower limit values, and a constraint condition is set.
A computer is made to execute a solution process for solving the nonlinear programming problem under the constraint conditions set.
The setting process is characterized in that the upper and lower limits of the intermediate variable are set by solving a mathematical programming problem using the intermediate variable as an objective function by removing the nonlinear constraint condition from the constraint condition. Program to be.
JP2017075455A 2017-04-05 2017-04-05 Arithmetic logic units, methods and programs for nonlinear programming problems Active JP6834717B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017075455A JP6834717B2 (en) 2017-04-05 2017-04-05 Arithmetic logic units, methods and programs for nonlinear programming problems

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017075455A JP6834717B2 (en) 2017-04-05 2017-04-05 Arithmetic logic units, methods and programs for nonlinear programming problems

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2018180694A JP2018180694A (en) 2018-11-15
JP6834717B2 true JP6834717B2 (en) 2021-02-24

Family

ID=64276739

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017075455A Active JP6834717B2 (en) 2017-04-05 2017-04-05 Arithmetic logic units, methods and programs for nonlinear programming problems

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6834717B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7481182B2 (en) 2020-07-10 2024-05-10 株式会社日立製作所 Process control system and process control method

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7135768B2 (en) * 2018-11-20 2022-09-13 日本製鉄株式会社 Arithmetic device, method and program for nonlinear programming problem
CN111429242B (en) * 2020-03-18 2023-04-28 中国工商银行股份有限公司 Combined pushing method and device for transfer notes

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7481182B2 (en) 2020-07-10 2024-05-10 株式会社日立製作所 Process control system and process control method

Also Published As

Publication number Publication date
JP2018180694A (en) 2018-11-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zeng et al. A novel multi-variable grey forecasting model and its application in forecasting the grain production in China
Zhong et al. Globally convergent exact and inexact parametric algorithms for solving large-scale mixed-integer fractional programs and applications in process systems engineering
JP6834717B2 (en) Arithmetic logic units, methods and programs for nonlinear programming problems
Meng et al. Two-level DEA approaches in research evaluation
US20190228360A1 (en) Production schedule creating apparatus, production schedule creating method, and production schedule creating program
Tsai et al. Finding multiple solutions to general integer linear programs
KR20030093083A (en) Project risk management system and project risk management apparatus
JP7323777B2 (en) Optimization device and optimization method
Veschgini et al. Trouble finding the optimal AdS/QCD
Zhou et al. Optimal expansion co-planning of reconfigurable electricity and natural gas distribution systems incorporating energy hubs
Biswal et al. Stochastic transportation problem with cauchy random variables and multi choice parameters
Halická et al. Duality and profit efficiency for the hyperbolic measure model
Qin et al. Interval type-2 fuzzy group decision making by integrating improved best worst method with COPRAS for emergency material supplier selection
JP5316433B2 (en) Optimization processing program, method and apparatus
Escudero et al. On pricing-based equilibrium for network expansion planning. A multi-period bilevel approach under uncertainty
Qiu et al. A Newton iteration‐based interval analysis method for nonlinear structural systems with uncertain‐but‐bounded parameters
Tomczak et al. Matching algorithms to assist in designing with reclaimed building elements
Savage et al. An adaptive data-driven modelling and optimization framework for complex chemical process design
Little et al. Second-order extensions to nearly orthogonal-and-balanced (NOAB) mixed-factor experimental designs
JP7457243B2 (en) Optimization support device, optimization support method, program and optimization system
Dupačová et al. Melt control: Charge optimization via stochastic programming
García-Ayala et al. A disjunctive programming model and a rolling horizon algorithm for optimal multiperiod capacity expansion in a multiproduct batch plant
CN107967558B (en) Input-output decision method considering cost of parallel batch processors
CN111159797A (en) BIM-based general modeling method for mechanical model
Hrabec et al. The stochastic network design problem with pricing

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20191204

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20200918

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20201020

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20201125

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20210105

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20210118

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6834717

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151