侯定勇，李翠平，趙怡晴，李仲學(xué)

(金屬礦高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京科技大學(xué)資源工程系, 北京 100083)

基于AutoCAD的礦山生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

侯定勇，李翠平，趙怡晴，李仲學(xué)

(金屬礦高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京科技大學(xué)資源工程系, 北京 100083)

通過(guò)對(duì)礦山企業(yè)生產(chǎn)流程進(jìn)行分析，建立一個(gè)通用的煤炭企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化目標(biāo)規(guī)劃模型，利用ObjectARX與lingo的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，在AutoCAD環(huán)境下設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)礦山生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化系統(tǒng)。集成AutoCAD系統(tǒng)與生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化系統(tǒng)，從而更加方便設(shè)計(jì)人員在統(tǒng)一的環(huán)境下進(jìn)行業(yè)務(wù)工作。

煤炭企業(yè)；生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化；目標(biāo)規(guī)劃；AutoCAD；ObjectARX；lingo

0 引 言

煤炭企業(yè)生產(chǎn)是一個(gè)復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程，從采場(chǎng)開(kāi)采到選廠加工到最終生成產(chǎn)品煤交付給客戶(hù)是一個(gè)連續(xù)的供應(yīng)鏈流程，由于客觀條件的限制，煤炭企業(yè)總是在一定約束條件下進(jìn)行生產(chǎn)， 因此企業(yè)必須實(shí)現(xiàn)有限資源下對(duì)目標(biāo)追求的最大化，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)生產(chǎn)，幫助煤炭企業(yè)實(shí)現(xiàn)集約化發(fā)展，提高煤炭企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。

AutoCAD是工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的設(shè)計(jì)軟件之一，在礦業(yè)中，礦山的相關(guān)設(shè)計(jì)大多是利用AutoCAD系統(tǒng)進(jìn)行圖紙化表述，AutoCAD簡(jiǎn)潔的工作界面和高效的繪圖能力使之很受歡迎，同時(shí)AutoCAD提供了ObjectArx二次開(kāi)發(fā)環(huán)境可以方便的使第三方開(kāi)發(fā)者擴(kuò)充軟件功能，整合自己需要的業(yè)務(wù)模塊。

本文研究煤炭企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化通用模型的構(gòu)建，通過(guò)建立優(yōu)化模型，在AutoCAD環(huán)境下實(shí)現(xiàn)求解，并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程的可視化，從而為企業(yè)決策提供支持。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 優(yōu)化模型的建立

生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化是露天礦企業(yè)管理的重要組成部分，直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。如何更有效的配置各種資源，對(duì)露天礦的生產(chǎn)管理至關(guān)重要。

優(yōu)化模型的目的是求解出固定周期內(nèi)的產(chǎn)量最大化或固定產(chǎn)量下的系統(tǒng)資源最小利用，通過(guò)最優(yōu)化理論和方法，以對(duì)資源最佳配置，從而實(shí)現(xiàn)煤炭企業(yè)的最大化目標(biāo)。由于在煤炭企業(yè)中實(shí)現(xiàn)資源的最優(yōu)配置是一個(gè)多目標(biāo)的決策過(guò)程，因此必須要建立煤炭企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃的多目標(biāo)決策數(shù)學(xué)模型[1]。煤炭企業(yè)的生產(chǎn)流程如圖1所示。

圖1 煤炭企業(yè)的生產(chǎn)流程

可以看見(jiàn)在以銷(xiāo)定產(chǎn)模型中，始終以客戶(hù)訂單為最基本的目標(biāo)。訂單分為長(zhǎng)期訂單和短期訂單，企業(yè)每月生產(chǎn)僅僅要做的就是匯總該月每個(gè)訂單對(duì)商品煤的需求量。然后確定原煤產(chǎn)量，然后對(duì)每個(gè)采場(chǎng)分配原煤采出量，在采出原煤送往洗選車(chē)間時(shí)，再為選廠分配洗選原煤量。最終所有的商品煤按照訂單需求運(yùn)輸?shù)娇蛻?hù)，多余商品煤庫(kù)存。在煤炭生產(chǎn)過(guò)程中，各個(gè)環(huán)節(jié)存在著多個(gè)約束，根據(jù)這些約束可以建立起最優(yōu)化模型[2-3]。

由于煤炭生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化是確定原煤開(kāi)采量的最優(yōu)化配置，通過(guò)對(duì)煤炭企業(yè)生產(chǎn)流程進(jìn)行分析可以建立三個(gè)維度的原煤開(kāi)采量決策變量：訂單維，采場(chǎng)維，工藝流程維。以xcio表示采場(chǎng)i為訂單c的工藝流程o開(kāi)采的原煤開(kāi)采量，工藝流程相當(dāng)于選廠，因?yàn)楦鱾€(gè)選廠是并行的進(jìn)行不同的工藝流程，生產(chǎn)不同的煤產(chǎn)品[4-5]。

假設(shè)有m個(gè)訂單、n個(gè)采場(chǎng)、p個(gè)工藝流程，則可以建立如下各級(jí)約束。

(1) 采場(chǎng)約束，每個(gè)采場(chǎng)的月采出量要小于采場(chǎng)生產(chǎn)能力。

(1)

(2)洗選能力約束。送往洗選車(chē)間的原煤量不能超過(guò)車(chē)間的洗選能力。

(2)

(3)需求量約束。每個(gè)訂單對(duì)每個(gè)煤產(chǎn)品都有自己的確定的需求量，因此必須滿(mǎn)足訂單對(duì)煤產(chǎn)品的需求量。

(3)

(4)運(yùn)輸能力約束，企業(yè)實(shí)際運(yùn)輸量不能超過(guò)其運(yùn)輸能力。

(4)

(5)銷(xiāo)售收入約束，企業(yè)實(shí)際收入要大于預(yù)期收入點(diǎn)。

(5)

式中，F(xiàn)coj為c訂單o工藝流程中產(chǎn)生的j煤產(chǎn)品的單價(jià)，P為企業(yè)要實(shí)現(xiàn)的收入目標(biāo)值。

(6)儲(chǔ)量比均衡約束。

(6)

(7)硫分約束。

(7)

(8)達(dá)成函數(shù)，通過(guò)對(duì)以上各級(jí)目標(biāo)進(jìn)行設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)和權(quán)系數(shù)，則達(dá)成函數(shù)通式為：

式中，P1,P2,…,P7為各級(jí)的優(yōu)先級(jí)，wcojd為商品煤需求量的權(quán)系數(shù)。

1.2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括:原始參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)管理，模型輸入控制模塊，優(yōu)化求解模塊，以及結(jié)果可視化模塊，如圖2所示。

原始參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)管理，主要把采場(chǎng)信息、選廠信息、訂單信息持久化到數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便模型輸入控制模塊直接從數(shù)據(jù)庫(kù)里面加載參數(shù)配置，輔助快速生成模型。其數(shù)據(jù)庫(kù)表有：采場(chǎng)信息表(采場(chǎng)ID，采場(chǎng)名稱(chēng)，生產(chǎn)能力，原煤硫分，儲(chǔ)量百分比)；選廠信息表(選廠ID，選廠名稱(chēng)，洗選能力)；訂單信息表(訂單ID，訂單描述，訂單制定時(shí)間)；采場(chǎng)-產(chǎn)品煤信息表(自增ID，采場(chǎng)ID，產(chǎn)品煤ID，回收率，回收率常數(shù)，回收率系數(shù))；產(chǎn)品煤表(產(chǎn)品煤ID，選廠ID，產(chǎn)品煤名稱(chēng))；訂單-產(chǎn)品煤信息表(自增ID，訂單ID，產(chǎn)品煤ID，需求量，單價(jià)，產(chǎn)品煤硫分)。其中采場(chǎng)信息表和采場(chǎng)-產(chǎn)品煤表相關(guān)聯(lián)，通過(guò)原始采場(chǎng)管理模塊完成信息增刪改查，而選廠信息表和產(chǎn)品煤表關(guān)聯(lián)，訂單表和訂單-產(chǎn)品煤表關(guān)聯(lián)，分別通過(guò)原始選廠管理和原始訂單管理模塊實(shí)現(xiàn)信息的管理。

圖2 系統(tǒng)模塊

輸入控制模塊主要是完成優(yōu)化模型中的參數(shù)配置和模型的生成，比如，采場(chǎng)的數(shù)量，每個(gè)采場(chǎng)的生產(chǎn)能力，選廠的洗選能力等等。分別通過(guò)采場(chǎng)管理，選廠管理，訂單管理和其他管理四個(gè)子模塊完成對(duì)優(yōu)化模型參數(shù)的錄入和管理。該模塊也可以直接從數(shù)據(jù)庫(kù)中加載數(shù)據(jù)，因?yàn)樵谏a(chǎn)環(huán)境下，對(duì)于一個(gè)確定的煤炭企業(yè)來(lái)說(shuō)，除了訂單信息，其它的輸入?yún)?shù)基本上都是不變的，因此持久化這些數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫(kù)中可以簡(jiǎn)化優(yōu)化求解的參數(shù)輸入量。

在所有配置完成之后，則可以計(jì)算指定月份的針對(duì)各訂單原煤開(kāi)采量的最優(yōu)解，該模塊主要是通過(guò)調(diào)用第三方軟件包lingo實(shí)現(xiàn)。

優(yōu)化結(jié)果可視化模塊，主要在完成優(yōu)化計(jì)算之后，在生產(chǎn)流程圖中以圖形可視化最優(yōu)解，以及用表格的方式展示最優(yōu)解情況下具體詳情，使得最終的結(jié)果更加直觀。

2 露天礦集成系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

基于AutoCAD的objectARX和lingo的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，使用VC++在AutoCAD環(huán)境下開(kāi)發(fā)一個(gè)集成生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化求解的應(yīng)用系統(tǒng)。該系統(tǒng)不會(huì)脫離AutoCAD設(shè)計(jì)環(huán)境，可以方便的對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化求解與決策。

2.1軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

ObjectARX直接以DLL的方式駐留在AutoCAD的進(jìn)程地址空間，由于exe對(duì)dll的調(diào)用是運(yùn)行在操作系統(tǒng)層面，從而使得AutoCAD對(duì)ObjectARX的調(diào)用在最底層完成，調(diào)用本身所帶來(lái)的資源和時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)達(dá)到了最小化。雖然AutoCAD的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)還有LISP和VBA，但無(wú)論是LISP這種解釋性語(yǔ)言本身解釋執(zhí)行的低效性還是VBA這種基于ActiveX Com技術(shù)調(diào)用切換所帶來(lái)的資源和時(shí)間巨大開(kāi)銷(xiāo)，都使得它們執(zhí)行效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上ObjectARX，另外采用ObjectARX可以完全調(diào)用win32 SDK提供的所有功能以及MFC，因此ObjectARX還有功能及其豐富的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)然ObjectARX采用C++開(kāi)發(fā)，本身也有一定的語(yǔ)言難度[6-7]。采用ObjectARX技術(shù)二次開(kāi)發(fā)的框圖如圖3所示。

圖3 ObjectARX技術(shù)運(yùn)行體系結(jié)構(gòu)

Lingo是一個(gè)專(zhuān)業(yè)的優(yōu)化模型求解軟件包，lingo本身軟件強(qiáng)大，可以求解任意的優(yōu)化模型，其次lingo具有可編程性，使得構(gòu)建優(yōu)化模型的難度大大降低，且提供了二次開(kāi)發(fā)接口，使得第三方軟件可以很方便的調(diào)用lingo的功能[8]。該系統(tǒng)使用lingo進(jìn)行求解的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 lingo求解目標(biāo)規(guī)劃模型過(guò)程原理

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)采用VC++2005開(kāi)發(fā)環(huán)境，結(jié)合ObjectARX SDK 2007和lingo11二次開(kāi)發(fā)sdk包，以AutoCAD2007為宿主機(jī)運(yùn)行平臺(tái)，以ACCESS 2003為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化原始數(shù)據(jù)庫(kù)管理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)優(yōu)化原始信息的數(shù)據(jù)庫(kù)管理，真正執(zhí)行優(yōu)化模型建立時(shí),可以直接從這些預(yù)設(shè)的模板數(shù)據(jù)中直接產(chǎn)生模型，從而方便優(yōu)化模型的快速建立，由于優(yōu)化模型中有很多的數(shù)據(jù)是不易變的(如采場(chǎng)的生產(chǎn)能力，洗選工藝的洗選能力以及回收率等)，而易變的主要是訂單數(shù)據(jù)，所以可以將采場(chǎng)，洗選工藝等參數(shù)信息持久化到數(shù)據(jù)庫(kù)中，建模型時(shí)直接調(diào)用即可，從而減少用戶(hù)輸入量。

從計(jì)劃配置面板中直接插入采場(chǎng)和選廠以及訂單，從而在cad圖紙中建立優(yōu)化模型，整個(gè)流程圖制定完成，優(yōu)化模型建立，其工作流程如圖5所示。

圖5 優(yōu)化計(jì)劃建模

執(zhí)行優(yōu)化計(jì)算之后，可以用節(jié)點(diǎn)結(jié)合文本表格的方式完成最優(yōu)解及其詳情的可視化，最頂層節(jié)點(diǎn)顯示最優(yōu)解以及各級(jí)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)情況，第二級(jí)為訂單級(jí)，第三級(jí)為采場(chǎng)級(jí)，第四級(jí)為洗選工藝級(jí)，其界面如圖6所示。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)分析煤炭企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)流程，設(shè)計(jì)建立了一個(gè)煤炭企業(yè)以產(chǎn)定銷(xiāo)模式下以訂單，采場(chǎng)，洗選工藝三個(gè)維度為基礎(chǔ)的多目標(biāo)優(yōu)化模型。通過(guò)lingo二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，設(shè)計(jì)了依靠多次迭代方式使用目標(biāo)規(guī)劃法求解多目標(biāo)規(guī)劃模型的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)優(yōu)化模型參數(shù)持久化到數(shù)據(jù)庫(kù)的功能，使得用戶(hù)直接從生產(chǎn)計(jì)劃面板直接拖出不易變的參數(shù)配置，繪出生產(chǎn)流程圖，并實(shí)現(xiàn)優(yōu)化結(jié)果的可視化。

圖6 優(yōu)化結(jié)果可視化界面

企業(yè)生產(chǎn)本身是一個(gè)復(fù)雜巨系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部存在著空間上的并存和時(shí)間上的繼起，全方位把握企業(yè)的內(nèi)部生產(chǎn)流程，以原煤到產(chǎn)品煤的流向?yàn)榫€路建立起來(lái)的生產(chǎn)流程分析可以很好的反映企業(yè)生產(chǎn)規(guī)律，并以此建立客觀的優(yōu)化模型，該系統(tǒng)很好的完成了模型的建立和生產(chǎn)的應(yīng)用。同時(shí)，建立依靠模型的靈敏度分析將會(huì)更加的方便企業(yè)決策，指導(dǎo)礦山企業(yè)在動(dòng)態(tài)的生產(chǎn)環(huán)境中制定策略。

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2013-09-06)

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51174032); 教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(NCET-10-0225);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(FRF-TP-09-001A).