露天矿生产的车辆安排研究
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露天矿生产的车辆安排研究
【摘要】
本文主要研究了露天矿生产的车辆安排最优化的问题,利用主要目标法将多目标最优化问题转化为单目标最优化问题,根据主要目标(总运量)列出最小费用函数,将次要目标最小卡车数量转化为约束条件,引入0-1变量,建立优化模型,将非线性规划转化为线性规划,最后在最优解基础上lingo编程求出最小卡车数,并给出一个班次的运输方案。
对于问题一,得到最小总运量为85628.62吨公里,此时7台电铲分别放在1、2、3、4、8、9、10铲点,所需最小卡车为13辆。
对于问题二,利用类似问题一求法,在分别利用卡车和铲车的条件下,求得最大产量为103488吨,20辆车完全利用,相应铲点为1、2、3、4、8、9、10;最小运输量为146888.3吨公里,相应的岩石产量为49280吨,矿石产量为54208吨。一个班次的运输方案见模型结果。
关键词:双目标最优化模型0-1变量线性规划
1.问题重述
【1】问题背景
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。
km。卡车的耗油量很大,每个班次每台车消耗近1所用卡车载重量为154吨,平均时速28h
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60m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。
【2】问题提出
某露天矿有铲位10个,卸点5个,现有铲车7台,卡车20辆。各卸点一个班次的产量要求:矿石漏1.2万吨、倒装场Ⅰ1.3万吨、倒装场Ⅱ1.3万吨、岩石漏1.9万吨、岩场1.3万吨。
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)。
【3】问题要求
利用两条原则分别建立数学模型,并给出一个班次生产计划的快速算法。针对下面的实例,给出具体的生产计划、相应的总运量及岩石和矿石产量。
2.问题分析
针对下面的实例,问题中给出一个班次生产计划的快速算法,其中一个班次的生产计划应该包括出动几台电铲,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。
问题一:求出总运量(吨公里)最小,同时出动最少的卡车,从而运输成本最小。根据问题要求,先求出第j铲位在一个班次中最多能装车96次;引入0-1变量,在满足产量要求和品位要求的情况下,以总运量(吨公里)最小为目标建立优化模型,求出最小总运量;再将所用车辆为约束以现有车辆数最小为目标,建立优化模型,利用lingo编程求解。
问题二: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。给出具体的生产计划、相应的总运量及岩石和矿石产量,根据题意,将多目标最优化转化为单目标最优化问题,先以问题一模型中现有车辆运输转化为约束条件,以获得最大产量为主要目标建立优化模型;在二次目标中,以岩石优先为目标建立优化模型;再以吨公里最小作为三次目标建立优化模型,分别利用lingo求得最优解。
3.模型假设
假设一:假设工作途中卡车装卸不等待并且运输途中不会出现堵车、熄火、燃油耗尽等现象;
假设二:假设卡车每次都是满载运输;
假设三:假设每班每个车辆运输时间为8小时;
假设四:假设每班铲车、卡车不会出现故障影响产量和质量。
假设五:假设电铲和卸点不能同时为两辆及两辆以上卡车服务。
4.符号说明
5.模型建立与求解
5.1问题一
5.1.1问题思路
根据问题要求,将双目标函数转化成单目标函数,在满足产量要求和品位要求的情况下,以总运量(吨公里)最小目标,建立优化模型,利用lingo编程求解;再以一个班次派出的最小车辆数为目标,建立优化模型,利用lingo编程求解。
5.1.2模型准备
【1】引入0-1变量
为了提高利用率,一个班次的生产应该选择相应的铲场并出动相应的电铲,完成每班次的生产任务。由此,引入0-1变量,即:
【2】确立目标函数
在引入0-1变量后,按照题意确立总运量最小的目标函数,假设卡车从第j 个铲位到第i 个卸点距离为ij a ,一个班次卡车从第j 个铲位到第i 个卸点的运输次数为ij x ,建立目标函数为: 5.1.3约束分析
【1】对选用铲位铲车的约束:
【2】一个班次内,从一个铲位到第i 卸点的运输次数之和与铲位j 的装车次数关系的约束: 【3】卡车的平均卸车时间为3分钟,计算出一个班次(8小时)卡车在第i 卸点卸车160次。因此,卡车从第j 铲位到一个卸点的运输次数之和与卸点卸车次数的约束:
【4】一个班次从第j 铲位到第i 卸点的矿石总运输量不能超过第j 铲场的储备量: 【5】从第j 铲位到矿石卸点的运输量要小于铲位岩石的总量:
【6】每辆卡车每个班次从第j 铲位到第i 卸点的运输量不小于各卸点在每班次的产量要求:
【7】每个班次从第j 铲位到第i 卸点的运输量的铁含量与每个班次从第j 铲位到第i 卸点的运输量的比值要满足品位限制,即:
【8】卡车从第j 铲位到i 卸点的运输次数进行取整: 5.1.4最小运量
【1】模型建立
根据模型准备和约束分析,在满足产量要求和品位要求的情况下,以总运量(吨公里)最小为目标,建立优化模型:
【2】模型求解
根据建立的模型,利用lingo 编程求解得出最小总运量为85628.62吨公里,出动7台电铲分别在铲位1,2,3,4,8,9,10上,卡车的运输路线有12个,具体结果如图所示:
54次13次
13次(200
2
吨
)
54次(8316吨)11次(1694吨)
42次(6468吨)
43次(6622吨
)
13次
(20
02吨
)
2次(
308吨)
70
次
(
10
78
0吨
)
70次(1
0780
吨)
15次(2310
吨)
81次(12
474吨)
43
次
(
66
22
吨
)
5.1.5最少
车辆