《露天矿生产的车辆安排毕业设计论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《露天矿生产的车辆安排毕业设计论文.doc（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、露天矿生产的车辆安排摘要：本问题研究的是露天矿生产中车辆的安排问题。题目要求我们根据不同的目标建立数学模型，给出一个班次的合理的生产计划及相应的石料运输安排，并用模型求解一个具体的生产实例。首先容易想到，这是一个数学规划问题。我们按照常规做法，列出问题的目标函数和约束条件，试图用现成的算法得到问题的解。但由于所要求解的车辆数是整数，而整数规划是NP难的，并且铲车数目的约束是非线性，这样大规模的复杂计算很难用计算机实现,而且由于等待问题受许多随机因素的影响，这种“离散”规划模型很难处理好卡车等待时间的约束和随机问题，经过进一步的分析，考虑到一辆卡车往返运行周期远小于一个班次时间的实际情况，我们提
2、出了一个基于网络运输流的“连续”模型，较好地解决了等待时间的问题。利用这个模型，我们化整数非线性约束规划为线性规划，得到了模型二的最优解：13卡车，7铲车，8.4829（万吨公里）总运量和模型三的最优解：20卡车，7铲车，10.3488万吨总产量，4.9280万吨岩石产量，14.6552(万吨公里)总运量。但在实际生产中，铲位和卸点一般不会在一个班次内连续不间断的工作。为了使模型的解更接近于实际生产情况，我们在上述模型求解过程中引入了各铲位（卸点）的工作饱和因子P，对以上最优解进行了合理的调整，并通过图像分析，对P取不同值进行了灵敏度分析。考虑到应该使模型的应用具有尽可能的普遍性，我们还给出了
3、一个车辆安排的快速算法，可用于非技术人员的一般性应用。此算法速度很快，在奔三电脑上实现时间1秒不到。在进一步讨论的问题这一章节，我们分别对实时调度系统铲车发生故障多种车型着眼于长期的规划问题等问题进行了讨论。 一.问题的重述11背景钢铁工业是国家工业的基础之一，铁矿是钢铁工业的主要原料基地。许多现代化铁矿是露天开采的，它的生产主要是由电动铲车（以下简称电铲）装车、电动轮自卸卡车（以下简称卡车）运输来完成。提高这些大型设备的利用率是增加露天矿经济效益的首要任务。露天矿里有若干个爆破生成的石料堆，每堆称为一个铲位，每个铲位已预先根据铁含量将石料分成矿石和岩石。一般来说，平均铁含量不低于25%的为矿
4、石，否则为岩石。每个铲位的矿石、岩石数量，以及矿石的平均铁含量（称为品位）都是已知的。每个铲位至多能安置一台电铲，电铲的平均装车时间为5分钟。卸货地点（以下简称卸点）有卸矿石的矿石漏、2个铁路倒装场（以下简称倒装场）和卸岩石的岩石漏、岩场等，每个卸点都有各自的产量要求。从保护国家资源的角度及矿山的经济效益考虑，应该尽量把矿石按矿石卸点需要的铁含量（假设要求都为29.5%1%，称为品位限制）搭配起来送到卸点，搭配的量在一个班次（8小时）内满足品位限制即可。从长远看，卸点可以移动，但一个班次内不变。卡车的平均卸车时间为3分钟。所用卡车载重量为154吨，平均时速28。卡车的耗油量很大，每个班次每台车
5、消耗近1吨柴油。发动机点火时需要消耗相当多的电瓶能量，故一个班次中只在开始工作时点火一次。卡车在等待时所耗费的能量也是相当可观的，原则上在安排时不应发生卡车等待的情况。电铲和卸点都不能同时为两辆及两辆以上卡车服务。卡车每次都是满载运输。每个铲位到每个卸点的道路都是专用的宽60的双向车道，不会出现堵车现象，每段道路的里程都是已知的。12问题一个班次的生产计划应该包含以下内容：出动几台电铲，分别在哪些铲位上；出动几辆卡车，分别在哪些路线上各运输多少次（因为随机因素影响，装卸时间与运输时间都不精确，所以排时计划无效，只求出各条路线上的卡车数及安排即可）。一个合格的计划要在卡车不等待条件下满足产量和质
6、量（品位）要求，而一个好的计划还应该考虑下面两条原则之一： 1. 总运量（吨公里）最小，同时出动最少的卡车，从而运输成本最小；2.利用现有车辆运输，获得最大的产量（岩石产量优先；在产量相同的情况下，取总运量最小的解）。要求就两条原则分别建立数学模型，给出一个班次生产计划的快速算法。并针对一实例，给出具体的生产计划、相应的总运量及岩石和矿石产量。二模型的基本假设21 模型只考虑一个班次内的车辆安排。22各卸点均须满足各自的产量要求和品位限制。23各铲位的采装量必须小于其固定的最大石料产量。24 采矿过程中铲车卡车均无发生故障，且卡车在各路线运行速度均相等，不会出现堵车现象。 25在一个班次内，卸
7、点不可移动。三符号说明 在一个班次内从铲位i到卸点j 运输的总矿石量 在一个班次内从铲位i到卸点j 运输的总岩石量 铲位i到卸点j的距离 从铲位i到卸点j 运输的总石料量 卸点j对矿石量的产量要求 卸点j对岩石量的产量要求 卸点j的品位限制的最小值 卸点j的品位限制的最大值 铲位i的矿石铁含量 铲位i的矿石固定总数量 铲位i的岩石固定总数量 卡车在铲位i到卸点j之间的路线上循环运行一次需要的时间 铲位i到卸点j之间的路线上安排的卡车数量 电铲的平均装车时间 卡车的平均卸车时间 铲位i到卸点j之间卡车的车速四问题的分析该问题是一个多目标的整数规划问题。难点有好几处：1.如何解决卡车不等待的约束？
8、2.初始铲位如何确定？基于原则一的模型，到底出动几台电铲？3.由于整数规划是NP难的，如何实现大规模的整数规划求解？我们先考虑建立问题的常规规划模型，试图用现成的算法得到问题的解。然后再考虑建立其它更适合的模型，并比较各模型的优劣。五模型的建立和求解（一）基于原则一的模型5.1 模型一（初始离散模型）5.1.1模型一的建立 依据前面的分析，兼顾总运量与卡车的数量，我们建立如下的多目标规划模型：目标函数： 总运量(吨公里)最少 min f 总车数最少 约束条件: （1）对卸点的约束： 对产量的约束 品位限制 （2） 对铲位的约束：矿石产量约束 岩石产量约束 （3）对卡车不等待条件的约束：（4）其
9、它约束： 5.1.2目标函数说明 目标函数I使得在满足约束条件下，卡车的总运量f最小。设有n个铲位i（i=1,2n），m个卸点j(j=1,2m)。 目标函数II使得在满足约束条件下，卡车的总量数最少。表示铲位i到卸点j的路线上的卡车数量。5.1.3 约束条件说明 条件（1）中式表明一个班次内各卸点必须满足其产量要求。式表明一个班次内各卸点必须满足其品位限制（岩石卸点的 “品位限制”即 铁含量可与矿石卸点的品位限制统一处理，详细说明将在模型的求解中给出）。分别表示卸点j的品位限制的最小最大值。条件（2）表明对各个铲位的采装均不能超过各铲位矿石岩石的固定总数量。 分别表示铲位i的矿石岩石固定总数量
10、。条件（3）是在对每个铲位只分别考虑某一条路线上车辆的等待问题的假设下提出的。在任何一条从铲位i到卸点j的路线上,卡车的运行均不能发生等待现象。5.1.4模型一的求解由于每个铲位中既有矿石又有岩石，所以处理起来较为麻烦，因此我们提出将每个铲位按矿石和岩石分成两个不同的铲位，然后将它们按同等地位处理，这样就减少了一些复杂度。当然这样处理是要加条件限制的，其中我们运用了一个小技巧。岩石的铁含量是未知的，为了处理方便，我们可以假设岩石的铁含量是一个恒定的很大的负值，比如说10000（这里10000不代表现实意义，只是做一个求解技巧），这样岩石就不可能被送到矿石的卸点里，因为只要有一车这样的岩石，那么
11、这个矿石卸点的“品位限制”肯定不能满足品位限制，如此例中的（29.5%1%）。同时我们又定义每个岩石卸点的 “品位限制” 即铁含量都为10000，这样矿石就不可能被运到岩石卸点，因为它会使“品位限制”不为10000。由此可见，上述定义可以放心地将岩石与矿石同等处理。有了上述简化，我们先在10个铲位中选择7个铲位配铲车，这样有120种情况，由于情况很少，我们对每种情况都求最优解，最后比较得出最终结果。我们不必再考虑6个或更少铲车的情况，因为它们其实都包含在7个铲车的情况中，相当于7个铲车中有的铲车没有用到的情况。定了铲车后，这个问题就转化为一个单纯的多目标多约束的规划问题，这样就有了现成的算法和
12、软件可以解决。但由于求解的时间复杂度较大，处理大规模的车辆安排问题时不是很快，所以我们又提出了以下的连续模型。5.2 模型二（基于运输流思想的连续模型）初始离散模型虽然直观易懂，但也存在着一些缺陷。按照初始模型的思路，很难处理好各条路线上的卡车在一铲位汇合时铲位处的卡车等待问题。因为装卸时间和运输时间都不精确，随机因素影响比较大。另外，以上模型在计算机实现上也比较困难。为了克服采用初始模型的缺陷，我们在此基础上引入了运输流的思想，建立了连续模型。5.2.1模型二的建模准备一般实际生产中，与一个班次比较起来均比较小。例如,实例中max6.1022860+5+3=34.14(分)，而一个班次T为八
13、小时。所以很容易想到将整个系统平均化处理，理解为一个网络运输流。若设卡车的满载量均为q,则铲位i和卸点j之间路线上的一辆卡车的一次运行循环过程就可等价为一运输流，其流密度为 。5.2.2模型二的建立目标函数： 约束条件: （1）对卸点的约束： 对产量的约束 品位限制 （2） 对铲位的约束：矿石产量约束 岩石产量约束 对铲车的约束 且（3）对卡车不等待条件的约束：铲车处 卸点 5.2.3目标函数说明 目标函数即是在满足约束条件下，卡车的总运量最小。其实上，初始模型的 就等于，其中T为一个班次时间。 目标函数II使得在满足约束条件下，卡车的总量数最少。5.2.4 约束条件说明条件（1）与初始模型处理相同。条件（2）中增加了对铲位位置确定的约束，便于计算机实现时搜索判断实际使用铲位的数量和位置。当1时表示铲位i有电铲采装，当0时表示铲位i没有电铲采装。条件（3）是与初始模型区别最大，也是此模型最具特色的地方之一。连续流量的约束巧妙地处理了卡车等待问题，避免了离散模型中需要考虑的随机性因素影响，使问题得到了很大的简化。5.2.5模型二的求解该模型是一个非线性约束的整数规划模型，考虑到整数变量有几十个，如果用整数规划来求解，计算量会十分庞大，计算机难以在短时间内实现。所以我们考虑用线性规划方法，得到松弛的最优解，再进行局部调整。1 多目标问题转化为单目标问题
