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本書主要基于工業(yè)和信息化部智能制造專項(xiàng)軌道交通盾構(gòu)機(jī)智能制造新模式（工信廳裝函[2017]468號(hào)）子課題基于三維研發(fā)平臺(tái)的自動(dòng)套料系統(tǒng)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目基于遷移學(xué)習(xí)的典型重工行業(yè)智能套料理論與方法研究（2019kfyXKJC043）、三峽大學(xué)開放實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目復(fù)雜水電機(jī)械結(jié)構(gòu)件焊接過(guò)程智能調(diào)度優(yōu)化研究（2017KJX10）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目基于遷移學(xué)習(xí)與知識(shí)復(fù)用的智能套料理論與方法研究（51975231）、宜昌市科技局自然科學(xué)研究項(xiàng)目板材套料與切割并行機(jī)調(diào)度協(xié)同優(yōu)化研究（A20-3-008）等研究成果，介紹了下料優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化及兩者的綜合優(yōu)化方法等，以及基于這些研究成果所開發(fā)的相關(guān)軟件系統(tǒng)及應(yīng)用情況。本書可作為機(jī)械類專業(yè)、工業(yè)工程等專業(yè)研究生參考，也可供重型機(jī)器、工程機(jī)械、專用車輛、港口機(jī)械、鋼結(jié)構(gòu)、船舶、橋梁、變壓器等制造行業(yè)工程技術(shù)人員參考。

金屬結(jié)構(gòu)件是重型機(jī)械產(chǎn)品的重要部件，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、船舶、橋梁、建筑等行業(yè)。金屬結(jié)構(gòu)件種類繁多，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造周期長(zhǎng)，原材料成本在產(chǎn)品成本構(gòu)成中占比大，而且往往采用多品種小批量的生產(chǎn)模式，這些特點(diǎn)使得金屬結(jié)構(gòu)件的制造過(guò)程較為復(fù)雜，其制造成本與生產(chǎn)效率一直是相關(guān)行業(yè)持續(xù)關(guān)注的熱點(diǎn)。以工程機(jī)械為例，其總材料消耗的70%以上都源自金屬結(jié)構(gòu)件。然而，由于技術(shù)、管理及傳統(tǒng)習(xí)慣等原因，目前制造優(yōu)化技術(shù)在我國(guó)金屬結(jié)構(gòu)件制造中的應(yīng)用還非常有限，基本處于起步階段，很多企業(yè)仍停留于傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，制約著相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。在金屬結(jié)構(gòu)件制造中，如何通過(guò)優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用來(lái)提高生產(chǎn)效率、降低制造成本，是所有金屬結(jié)構(gòu)件制造企業(yè)所面臨的共同課題。原材料下料優(yōu)化與各制造工序的生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化是金屬結(jié)構(gòu)件制造優(yōu)化技術(shù)的核心內(nèi)容。金屬結(jié)構(gòu)件所消耗的金屬原材料主要有鋼板與型材，其下料優(yōu)化對(duì)于節(jié)省原材料、降低產(chǎn)品成本具有直接而重要的意義。金屬結(jié)構(gòu)件的制造環(huán)節(jié)包含切割下料、機(jī)械加工、折彎成形、焊接組合等多種不同類型的制造工藝，生產(chǎn)過(guò)程中的工件涉及分形、變形、組形等多種形態(tài)變化，各類工藝車間的生產(chǎn)調(diào)度模式迥異，而且各車間之間的工藝關(guān)聯(lián)度高，產(chǎn)品齊套性要求嚴(yán)，這些都給金屬結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)通用的調(diào)度方法不能完全適用于金屬結(jié)構(gòu)件制造場(chǎng)景。目前，對(duì)結(jié)構(gòu)件制造過(guò)程中多類復(fù)雜調(diào)度問(wèn)題，缺乏較為成熟的理論方法與優(yōu)化工具，生產(chǎn)過(guò)程中極易出現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)混亂而導(dǎo)致產(chǎn)品延期交付等問(wèn)題，因此非常有必要對(duì)金屬結(jié)構(gòu)件制造過(guò)程進(jìn)行科學(xué)合理的生產(chǎn)調(diào)度與協(xié)同，從而改善產(chǎn)品齊套性，減少在制品庫(kù)存，提高生產(chǎn)效率，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期。本書作者所在團(tuán)隊(duì)自20世紀(jì)90年代初開始下料優(yōu)化問(wèn)題的研究及應(yīng)用開發(fā)，是國(guó)內(nèi)較早開展該領(lǐng)域研究的團(tuán)隊(duì)之一，其研發(fā)成果在實(shí)際生產(chǎn)中得到成功應(yīng)用。近年來(lái)，在工業(yè)和信息化部智能制造專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持下，我們結(jié)合不斷發(fā)展的智能優(yōu)化技術(shù)，對(duì)包括下料優(yōu)化技術(shù)在內(nèi)的金屬結(jié)構(gòu)件制造中的若干優(yōu)化問(wèn)題及其MES系統(tǒng)進(jìn)行了較為系統(tǒng)深入的研究，并與相關(guān)企業(yè)緊密合作，在重型機(jī)器、工程機(jī)械、專用車輛、港口機(jī)械、鋼結(jié)構(gòu)、船舶、橋梁、變壓器等制造行業(yè)開展應(yīng)用研究，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本書是我們近年來(lái)在金屬結(jié)構(gòu)件制造優(yōu)化領(lǐng)域相關(guān)理論研究與應(yīng)用成果的總結(jié)，主要內(nèi)容涉及下料優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化及兩者的綜合優(yōu)化方法等，以及基于這些研究成果所開發(fā)的相關(guān)軟件系統(tǒng)及應(yīng)用情況。本書的研究工作先后得到了工業(yè)和信息化部智能制造專項(xiàng)軌道交通盾構(gòu)機(jī)智能制造新模式(工信廳裝函〔2017〕468號(hào))子課題基于三維研發(fā)平臺(tái)的自動(dòng)套料系統(tǒng)、中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目基于遷移學(xué)習(xí)的典型重工行業(yè)智能套料理論與方法研究(2019kfyXKJC043)、三峽大學(xué)開放實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目復(fù)雜水電機(jī)械結(jié)構(gòu)件焊接過(guò)程智能調(diào)度優(yōu)化研究(2017KJX10)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目基于遷移學(xué)習(xí)與知識(shí)復(fù)用的智能套料理論與方法研究(51975231)、宜昌市科學(xué)技術(shù)局自然科學(xué)研究項(xiàng)目板材套料與切割并行機(jī)調(diào)度協(xié)同優(yōu)化研究(A203008)等項(xiàng)目，以及若干企業(yè)橫向合作課題的支持。此外，在研究成果的應(yīng)用驗(yàn)證及實(shí)際應(yīng)用方面還得到了諸多實(shí)施企業(yè)的大力支持，感謝他們?yōu)楸緯南嚓P(guān)研究，特別是在制造優(yōu)化平臺(tái)的實(shí)用化方面提供的有益幫助和寶貴建議。感謝作者所在課題組的博士研究生周玉宇、戚得眾等，以及碩士研究生祝勝蘭、曹德列、呂亞軍、孫鑫、熊煥鑫等，他們富有價(jià)值的研究工作為本書的撰寫提供了大量素材。感謝徐佳泰、楊飄若、關(guān)鋒、向?qū)檶�、孫艾文、李金雄等研究生為本書的文字校訂所做的工作。特別感謝本書參考文獻(xiàn)的作者們，感謝華中科技大學(xué)出版社的支持，感謝萬(wàn)亞軍編輯為本書的出版所付出的努力。作為探索性研究成果，本書難免存在疏漏與不足之處，敬請(qǐng)各位行業(yè)內(nèi)專家和廣大讀者不吝批評(píng)指正。作者2022年1月

第1章緒論(1)

1.1金屬結(jié)構(gòu)件制造流程及特點(diǎn)(1)

1.2金屬結(jié)構(gòu)件制造中的有關(guān)優(yōu)化問(wèn)題(2)

1.2.1原材料下料優(yōu)化問(wèn)題(3)

1.2.2車間生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題(6)

1.3相關(guān)優(yōu)化技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究概況(9)

1.3.1下料優(yōu)化技術(shù)(9)

1.3.2生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化技術(shù)(10)

1.4本書的主要內(nèi)容與結(jié)構(gòu)(15)

本章參考文獻(xiàn)(16)

第2章型材切割下料優(yōu)化(25)

2.1型材下料優(yōu)化問(wèn)題特點(diǎn)及常用求解方法(25)

2.2型材下料問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型(28)

2.2.1單一規(guī)格原材料下料問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型(28)

2.2.2多規(guī)格原材料下料問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型(29)

2.3型材下料問(wèn)題的啟發(fā)式算法(30)

2.3.1啟發(fā)式求解算法(30)

2.3.2切割方式的計(jì)算方法(31)

2.3.3實(shí)例計(jì)算與分析(33)

2.4型材下料問(wèn)題的遺傳算法(40)

2.4.1定長(zhǎng)編碼的遺傳算法(40)

2.4.2實(shí)例計(jì)算與分析(41)

2.5本章小結(jié)(45)

本章參考文獻(xiàn)(45)

第3章鋼板切割下料規(guī)劃(48)

3.1下料零件分組優(yōu)化(48)

3.1.1按工藝相似性對(duì)下料零件分組(48)

3.1.2按形狀特征對(duì)下料零件分組(50)

3.1.3人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法求解零件分組映射關(guān)系(54)

3.1.4實(shí)例驗(yàn)證與討論(57)

3.2套料規(guī)劃(60)

3.2.1套料規(guī)劃問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型(60)

3.2.2套料規(guī)劃問(wèn)題的求解框架(61)

3.2.3套料規(guī)劃實(shí)例(63)

3.3鋼板規(guī)格優(yōu)化(64)

3.3.1鋼板規(guī)格優(yōu)化數(shù)學(xué)模型(64)

3.3.2基于遺傳算法的鋼板規(guī)格優(yōu)化模型求解(67)

3.3.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析(71)

3.4本章小結(jié)(74)

本章參考文獻(xiàn)(74)

第4章鋼板套料切割路徑優(yōu)化(76)

4.1切割路徑優(yōu)化問(wèn)題描述與數(shù)學(xué)建模(76)

4.1.1切割起點(diǎn)的選取問(wèn)題(76)

4.1.2切割順序的排序問(wèn)題(77)

4.2切割路徑優(yōu)化的啟發(fā)式算法(79)

4.2.1套料圖中的零件位置關(guān)系(79)

4.2.2兩種啟發(fā)式排序算法(82)

4.2.3切割起點(diǎn)局部?jī)?yōu)化算法(86)

4.3切割路徑優(yōu)化的智能算法(89)

4.3.1切割起點(diǎn)選取的優(yōu)化策略(89)

4.3.2切割路徑優(yōu)化問(wèn)題的蟻群算法(91)

4.3.3試驗(yàn)結(jié)果與討論(94)

4.4特殊切割路徑優(yōu)化算法(98)

4.4.1防碰撞切割路徑優(yōu)化(98)

4.4.2共邊切割路徑優(yōu)化(103)

4.5本章小結(jié)(108)

本章參考文獻(xiàn)(108)

第5章鋼板切割下料生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化(110)

5.1鋼板切割調(diào)度問(wèn)題描述(110)

5.2考慮完工時(shí)間的建模與啟發(fā)式求解算法(113)

5.2.1考慮完工時(shí)間的鋼板切割調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題建模(113)

5.2.2基于啟發(fā)式規(guī)則的鋼板切割調(diào)度優(yōu)化方法(115)

5.3.3算例分析(118)

5.3考慮完工時(shí)間和交貨期的雙目標(biāo)建模與智能求解算法(121)

5.3.1鋼板切割雙目標(biāo)調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題建模(121)

5.3.2基于局部搜索的LNSGAⅢ算法設(shè)計(jì)與數(shù)值試驗(yàn)(124)

5.3.3數(shù)值實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析(131)

5.4考慮成本的建模與改進(jìn)的灰狼求解算法(139)

5.4.1考慮成本的鋼板切割調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題建模(139)

5.4.2求解算法設(shè)計(jì)(141)

5.4.3數(shù)值實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析(145)

5.5本章小結(jié)(148)

本章參考文獻(xiàn)(149)

第6章大型構(gòu)件焊接生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化(152)

6.1焊接調(diào)度問(wèn)題描述及其研究現(xiàn)狀(152)

6.2焊接生產(chǎn)調(diào)度模型建立及算法設(shè)計(jì)(154)

6.2.1問(wèn)題描述(154)

6.2.2考慮總拖期和機(jī)器負(fù)荷的數(shù)學(xué)模型建立(155)

6.2.3基于重啟策略的RNSGAⅢ算法設(shè)計(jì)(156)

6.2.4數(shù)值實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果對(duì)比分析(159)

6.3大型焊接件綠色調(diào)度問(wèn)題建模與算法設(shè)計(jì)(165)

6.3.1模型假設(shè)與符號(hào)定義(165)

6.3.2考慮最大完工時(shí)間和總能耗的模型建立(166)

6.3.3改進(jìn)灰狼算法的設(shè)計(jì)(168)

6.3.4實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析(171)

6.4本章小結(jié)(176)

本章參考文獻(xiàn)(176)

第7章結(jié)構(gòu)件制造多車間協(xié)同調(diào)度優(yōu)化(178)

7.1切割與機(jī)加工車間協(xié)同調(diào)度問(wèn)題建模與求解(178)

7.1.1切割與機(jī)加工車間協(xié)同調(diào)度問(wèn)題建模(179)

7.1.2基于協(xié)同奔襲策略的CDGWO算法設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析(181)

7.1.3試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)比(185)

7.2機(jī)加工與焊接車間協(xié)同調(diào)度問(wèn)題建模與求解(187)

7.2.1機(jī)加工與焊接車間調(diào)度特點(diǎn)描述(187)

7.2.2基于調(diào)度規(guī)則的MGWOⅡ算法設(shè)計(jì)(190)

7.2.3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與算例分析(193)

7.3切割機(jī)加工焊接三車間協(xié)同調(diào)度問(wèn)題建模與求解(197)

7.3.1三車間協(xié)同調(diào)度問(wèn)題建模(197)

7.3.2基于參考點(diǎn)集的EBGWO算法設(shè)計(jì)(200)

7.3.3算法對(duì)比(203)

7.4本章小結(jié)(210)

本章參考文獻(xiàn)(210)

第8章多排料方案下的結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化(212)

8.1問(wèn)題描述與分析(212)

8.2多種排料方案下的生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題建模(215)

8.3基于蟻群算法與遞階遺傳算法的求解框架(217)

8.3.1算法概述(217)

8.3.2蟻群算法選擇排料方案(219)

8.3.3遞階遺傳算法求解調(diào)度方案(221)

8.4實(shí)例驗(yàn)證(226)

8.5本章小結(jié)(230)

本章參考文獻(xiàn)(230)

第9章金屬結(jié)構(gòu)件制造優(yōu)化平臺(tái)開發(fā)與應(yīng)用(232)

9.1優(yōu)化平臺(tái)開發(fā)(232)

9.1.1平臺(tái)總體架構(gòu)(232)

9.1.2工作流程(235)

9.1.3網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及車間部署(236)

9.1.4主要功能模塊(237)

9.2SmartPlatform應(yīng)用案例一(244)

9.2.1應(yīng)用背景介紹(245)

9.2.2基于SmartPlatform的解決方案(246)

9.2.3應(yīng)用效果與優(yōu)化實(shí)例(248)

9.3SmartPlatform應(yīng)用案例二(252)

9.3.1應(yīng)用背景介紹(252)

9.3.2總體應(yīng)用架構(gòu)及主要功能模塊(253)

9.3.3應(yīng)用效果與優(yōu)化實(shí)例(256)

9.4本章小結(jié)(257)

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