一种基于混合自动机的物流网络优化方法技术

本发明专利技术涉及一种基于混合自动机的物流网络优化方法，该方法包括以下步骤：1)构建钢铁企业物流网络中各个装置的混合自动机模型；2)将各个装置的混合自动机模型扩展至整个钢铁生产物流优化调度过程，构建钢铁企业物流网络调度系统的混合自动机模型；3)利用图搜索两层优化算法对钢铁企业物流网络调度系统的混合自动机模型进行优化；4)利用优化后的模型对钢铁企业物流网络进行调度优化，获取优化后的调度方案。与现有技术相比，本发明专利技术科学合理地解决了物流网络优化中的协同与优化问题，有利于实现生产利润和生产特性性能的综合利益最大化。

【技术实现步骤摘要】
一种基于混合自动机的物流网络优化方法
本专利技术涉及钢铁企业原料物流企业网络优化
，尤其是涉及一种基于混合自动机的物流网络优化方法。
技术介绍
钢铁企业的原料主要包括铁矿粉、块矿、精煤。原料主要依靠铁路运输、水运等方式运送到厂区，在企业内部各主要工序和储存设施间主要依靠皮带运输。某钢铁企业原料在企业各生产单位间的物流流程如图1所示。铁矿粉、块矿、精煤等大宗原料受到市场供货波动、运输环节时间波动等因素影响，导致钢铁企业这些原材料到达的明显不均衡，而且这一特点将在今后较长的一段时间内存在。另一方面，钢铁企业生产具有稳定性、节奏性的特点，为保证生产的平稳有序，需要对原料系统进行分析和研究，合理配置装卸和存储设施的能力，优化作业环节。随着信息时代和经济全球化的日益加快，钢铁企业物流优化与信息技术相结合已成为必然的发展趋势，但是在ERP/MES实施的如火如荼的今天，因企业类型不同，物流网络优化研究始终是个难题。同时，钢铁企业原料物流企业问题存在大量双线性项约束。双线性项约束和大量离散变量的存在使得物流问题成为一类非凸的混合整数非线性规划(Mixed-IntegerNonlinearProgramming，MINLP)问题，由于其非凸的特性，该MINLP模型是一类难于求解的复杂问题。同时，由于钢铁企业物流网络优化问题的复杂性，给建模带来了一定的复杂性，无法解决物流网络优化中的协同与优化问题，限制了生产利润和生产特性性能的综合利益最大化。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于混合自动机的物流网络优化方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于混合自动机的物流网络优化方法，该方法包括下列步骤：S1：构建钢铁企业物流网络中各个装置的混合自动机模型。具体步骤包括：101)设定钢铁企业物流网络中各个装置的操作调度规则，获取各个装置的状态变量及决策变量；102)运用混合自动机的笛卡尔积运算和连接运算，结合各个装置的状态变量及决策变量，获取混合自动机模型。优选地，所述的决策变量包括用以表示装置工作后的存储量的连续变量以及用以表示装置工作状态的离散变量。S2：将各个装置的混合自动机模型扩展至整个钢铁生产物流优化调度过程，构建钢铁企业物流网络调度系统的混合自动机模型。S3：利用图搜索两层优化算法对钢铁企业物流网络调度系统的混合自动机模型进行优化。给定初始条件和成本函数，基于图搜索两层优化算法，将钢铁企业物流网络调度系统的混合自动机模型分为上下两层模型，上层模型根据混合自动机构建的有向图，确定具体的离散输入方案，下层模型根据上层模型得到的结果，利用非线性规划求解器求解原问题的规约非线性整数规划问题，并进行迭代求解直到找到最优解，确定对应的连续输入方案。优选地，对于上层模型中的每一个可行的离散输入向量均求解一次规约非线性整数规划问题，选取目标值最小的解为原问题的最优解。优选地，所述的图搜索两层优化算法采用基于邻近准则的图搜索两层优化算法。所述的基于邻近准则的图搜索两层优化算法的优先性判定规则为：假设基于混合自动机的有向图的邻近状态为σ和σ′，其对应的当前成本代价分别为ca(σ)和ca(σ′)，预测代价分别为cp(σ)和cp(σ′)，则优先性采用下列规则判断：当π(σ′)＞π(σ)时，(ca(σ′)＜ca(σ))∨(ca(σ′)＝ca(σ)∧cp(σ′)＜cp(σ))；当π(σ′)＝π(σ)时，ca(σ′)＝ca(σ)∧cp(σ′)＝cp(σ)当π(σ′)＜π(σ)时，else。基于邻近准则的图搜索两层优化算法根据混合自动机的有向无环图，在迭代过程中进行节点选择，若某一节点的成本代价与预测代价之和大于节点代价上限值的当前值，则该节点不能作为最优路径的构成及节点，删除图中该节点所对应的分支。优选地，采用广度优先准则、深度优先准则或最佳优先准则在迭代过程中进行节点选择。优选地，所述的非线性规划求解器采用GAMS/CONOPT求解器。S4：利用优化后的模型对钢铁企业物流网络进行调度优化，获取优化后的调度方案，优化工作细节。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：一、本专利技术通过定义和描述生产和物流配送中的装置模型，构建调度中装置的动态调度过程，在此基础上运用自动机的笛卡尔积运算和连接运算，得到整个调度过程的混合自动机模型，通过对生产和物流配送特性的模型化描述，对生产特性性能进行了定量化的表达和评价，对物流网络进行了优化，实现了生产利润和生产特性性能的综合利益最大化；二、本专利技术采用混合自动机对钢铁企业的物流网络优化问题进行建模，并提出了采用混合自动机分上下层的求解方法，上层根据混合自动机构建有向图来确定具体的离散调度方案，下层根据上层模型得到的结果固定模型中离散方案的大小，再用凸的非线性规划问题求解器求解原问题的规约非线性整数规划问题，进而使迭代求解直到找到最优解，科学合理地解决物流网络优化中的协同与优化问题；三、相比于现有技术中分别建立连续部分和离散部分的模型，本专利技术利用混合自动机进行了扩展，使其具有仿真连续系统的能力，即可得到混合自动机模型，可以用于混合系统的建模；四、本专利技术采用了基于图搜索两层优化算法，对于上层中的每一个可行的离散输入向量都求解一次规约非线性整数规划问题，取目标值最小的解为原问题的最优解；同时，利用邻近准则的搜索算法对两层优化算法进行优化，尽可能快地去除分支，通过在给定条件下的预估评价值来排除劣的离散配置状态，避免了在某些情况下不必要的调度搜索过程，使近似处理本质上等价于缩小了搜索的范围，减少了算法的时间，提高了算法的搜索效率。附图说明图1为钢铁企业原料物流流程图；图2为本专利技术实施例中储煤罐混合自动机模型图；图3为本专利技术方法中基于图搜索两层优化算法的流程示意图；图4为混合自动机的邻近状态图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本专利技术涉及一种基于混合自动机的物流网络优化方法，该方法包括下列步骤：步骤一、构建物流网络中装置的混合自动机模型。钢铁企业的物流网络，其中的调度事件包括调度起始时间、起始点和终点。这些变量都是离散变量。调度事件中的调度油量是连续变量。因此物流优化调度过程属于一个混合过程，需要建立一个混合模型。即针对某个时间段下物流优化网络中的装置，如储煤罐和原料罐等进行混合自动机模型构建，然后将这个装置模型扩展至整个物流调度过程。本实施例以储煤罐装置为例，构建物流网络中装置的混合自动机模型。对于钢铁企业物流网络中的储煤罐，涉及调度活动中的煤炭卸载操作和存储操作两个阶段。以时间t到t+1储煤罐的动态调度过程为例，其具体内容包括：(1)存储操作的调度规则：禁止储煤罐油罐同时存煤和输煤，禁止储煤罐的边进边出操作；(2)储煤罐的变量：a)状态变量储煤罐的库存量分别表示时间段t末储煤罐S1、S2的剩余煤炭。b)决策变量：连续变量变量表示时间段t内从储煤罐输送至后续装置的煤炭量。其中表示时间段t内储煤罐S1输油至后续装置的煤炭量；离散变量变量表示时间段t内储煤罐是否输油至后续装置中。其中表示t时间段内储煤罐S1是否输油至后续装置。(3)储煤罐的混合自动机：对于储煤罐S1和S2，状态变量分别为离散输入变量分为连续输入变量分为离散输出变量为系统的状态q。储煤罐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于混合自动机的物流网络优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)构建钢铁企业物流网络中各个装置的混合自动机模型；2)将各个装置的混合自动机模型扩展至整个钢铁生产物流优化调度过程，构建钢铁企业物流网络调度系统的混合自动机模型；3)利用图搜索两层优化算法对钢铁企业物流网络调度系统的混合自动机模型进行优化；4)利用优化后的模型对钢铁企业物流网络进行调度优化，获取优化后的调度方案。

【技术特征摘要】
1.一种基于混合自动机的物流网络优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)构建钢铁企业物流网络中各个装置的混合自动机模型；2)将各个装置的混合自动机模型扩展至整个钢铁生产物流优化调度过程，构建钢铁企业物流网络调度系统的混合自动机模型；3)利用图搜索两层优化算法对钢铁企业物流网络调度系统的混合自动机模型进行优化；4)利用优化后的模型对钢铁企业物流网络进行调度优化，获取优化后的调度方案。2.根据权利要求1所述的一种基于混合自动机的物流网络优化方法，其特征在于，步骤1)具体包括以下步骤：101)设定钢铁企业物流网络中各个装置的操作调度规则，获取各个装置的状态变量及决策变量；102)运用混合自动机的笛卡尔积运算和连接运算，结合各个装置的状态变量及决策变量，获取混合自动机模型。3.根据权利要求2所述的一种基于混合自动机的物流网络优化方法，其特征在于，所述的决策变量包括用以表示装置工作后的存储量的连续变量以及用以表示装置工作状态的离散变量。4.根据权利要求3所述的一种基于混合自动机的物流网络优化方法，其特征在于，步骤3)的具体内容为：给定初始条件和成本函数，基于图搜索两层优化算法，将钢铁企业物流网络调度系统的混合自动机模型分为上下两层模型，上层模型根据混合自动机构建的有向图，确定具体的离散输入方案，下层模型根据上层模型得到的结果，利用非线性规划求解器求解原问题的规约非线性整数规划问题，并进行迭代求解直到找到最优解，确定对应的连续输入方案。5.根据权利要求4所述的一种基于混合自动机的物流网络优化方法，其特征在于，对于...

【专利技术属性】
技术研发人员：方志军，段倩倩，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：上海,31