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本書主要基于工業(yè)和信息化部智能制造專項軌道交通盾構機智能制造新模式（工信廳裝函[2017]468號）子課題基于三維研發(fā)平臺的自動套料系統(tǒng)、中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目基于遷移學習的典型重工行業(yè)智能套料理論與方法研究（2019kfyXKJC043）、三峽大學開放實驗室基金項目復雜水電機械結構件焊接過程智能調(diào)度優(yōu)化研究（2017KJX10）、國家自然科學基金項目基于遷移學習與知識復用的智能套料理論與方法研究（51975231）、宜昌市科技局自然科學研究項目板材套料與切割并行機調(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)的相關軟件系統(tǒng)及應用情況。本書可作為機械類專業(yè)、工業(yè)工程等專業(yè)研究生參考，也可供重型機器、工程機械、專用車輛、港口機械、鋼結構、船舶、橋梁、變壓器等制造行業(yè)工程技術人員參考。

金屬結構件是重型機械產(chǎn)品的重要部件，廣泛應用于機械、船舶、橋梁、建筑等行業(yè)。金屬結構件種類繁多，產(chǎn)品結構復雜，制造周期長，原材料成本在產(chǎn)品成本構成中占比大，而且往往采用多品種小批量的生產(chǎn)模式，這些特點使得金屬結構件的制造過程較為復雜，其制造成本與生產(chǎn)效率一直是相關行業(yè)持續(xù)關注的熱點。以工程機械為例，其總材料消耗的70%以上都源自金屬結構件。然而，由于技術、管理及傳統(tǒng)習慣等原因，目前制造優(yōu)化技術在我國金屬結構件制造中的應用還非常有限，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，制約著相關行業(yè)的發(fā)展。在金屬結構件制造中，如何通過優(yōu)化技術的應用來提高生產(chǎn)效率、降低制造成本，是所有金屬結構件制造企業(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)化是金屬結構件制造優(yōu)化技術的核心內(nèi)容。金屬結構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。金屬結構件的制造環(huán)節(jié)包含切割下料、機械加工、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聯(lián)度高，產(chǎn)品齊套性要求嚴，這些都給金屬結構件的生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化帶來了很大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)通用的調(diào)度方法不能完全適用于金屬結構件制造場景。目前，對結構件制造過程中多類復雜調(diào)度問題，缺乏較為成熟的理論方法與優(yōu)化工具，生產(chǎn)過程中極易出現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場混亂而導致產(chǎn)品延期交付等問題，因此非常有必要對金屬結構件制造過程進行科學合理的生產(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。本書作者所在團隊自20世紀90年代初開始下料優(yōu)化問題的研究及應用開發(fā)，是國內(nèi)較早開展該領域研究的團隊之一，其研發(fā)成果在實際生產(chǎn)中得到成功應用。近年來，在工業(yè)和信息化部智能制造專項、國家自然科學基金等項目的支持下，我們結合不斷發(fā)展的智能優(yōu)化技術，對包括下料優(yōu)化技術在內(nèi)的金屬結構件制造中的若干優(yōu)化問題及其MES系統(tǒng)進行了較為系統(tǒng)深入的研究，并與相關企業(yè)緊密合作，在重型機器、工程機械、專用車輛、港口機械、鋼結構、船舶、橋梁、變壓器等制造行業(yè)開展應用研究，取得了較大的經(jīng)濟效益和社會效益。本書是我們近年來在金屬結構件制造優(yōu)化領域相關理論研究與應用成果的總結，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)的相關軟件系統(tǒng)及應用情況。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軌道交通盾構機智能制造新模式(工信廳裝函〔2017〕468號)子課題基于三維研發(fā)平臺的自動套料系統(tǒng)、中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目基于遷移學習的典型重工行業(yè)智能套料理論與方法研究(2019kfyXKJC043)、三峽大學開放實驗室基金項目復雜水電機械結構件焊接過程智能調(diào)度優(yōu)化研究(2017KJX10)、國家自然科學基金項目基于遷移學習與知識復用的智能套料理論與方法研究(51975231)、宜昌市科學技術局自然科學研究項目板材套料與切割并行機調(diào)度協(xié)同優(yōu)化研究(A203008)等項目，以及若干企業(yè)橫向合作課題的支持。此外，在研究成果的應用驗證及實際應用方面還得到了諸多實施企業(yè)的大力支持，感謝他們?yōu)楸緯南嚓P研究，特別是在制造優(yōu)化平臺的實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、關鋒、向寵寵、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的作者們，感謝華中科技大學出版社的支持，感謝萬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，敬請各位行業(yè)內(nèi)專家和廣大讀者不吝批評指正。作者2022年1月

第1章緒論(1)

1.1金屬結構件制造流程及特點(1)

1.2金屬結構件制造中的有關優(yōu)化問題(2)

1.2.1原材料下料優(yōu)化問題(3)

1.2.2車間生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化問題(6)

1.3相關優(yōu)化技術國內(nèi)外研究概況(9)

1.3.1下料優(yōu)化技術(9)

1.3.2生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化技術(10)

1.4本書的主要內(nèi)容與結構(15)

本章參考文獻(16)

第2章型材切割下料優(yōu)化(25)

2.1型材下料優(yōu)化問題特點及常用求解方法(25)

2.2型材下料問題的數(shù)學模型(28)

2.2.1單一規(guī)格原材料下料問題的數(shù)學模型(28)

2.2.2多規(guī)格原材料下料問題的數(shù)學模型(29)

2.3型材下料問題的啟發(fā)式算法(30)

2.3.1啟發(fā)式求解算法(30)

2.3.2切割方式的計算方法(31)

2.3.3實例計算與分析(33)

2.4型材下料問題的遺傳算法(40)

2.4.1定長編碼的遺傳算法(40)

2.4.2實例計算與分析(41)

2.5本章小結(45)

本章參考文獻(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按工藝相似性對下料零件分組(48)

3.1.2按形狀特征對下料零件分組(50)

3.1.3人工神經(jīng)網(wǎng)絡算法求解零件分組映射關系(54)

3.1.4實例驗證與討論(57)

3.2套料規(guī)劃(60)

3.2.1套料規(guī)劃問題的數(shù)學模型(60)

3.2.2套料規(guī)劃問題的求解框架(61)

3.2.3套料規(guī)劃實例(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實驗驗證及分析(71)

3.4本章小結(74)

本章參考文獻(74)

第4章鋼板套料切割路徑優(yōu)化(76)

4.1切割路徑優(yōu)化問題描述與數(shù)學建模(76)

4.1.1切割起點的選取問題(76)

4.1.2切割順序的排序問題(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系(79)

4.2.2兩種啟發(fā)式排序算法(82)

4.2.3切割起點局部優(yōu)化算法(86)

4.3切割路徑優(yōu)化的智能算法(89)

4.3.1切割起點選取的優(yōu)化策略(89)

4.3.2切割路徑優(yōu)化問題的蟻群算法(91)

4.3.3試驗結果與討論(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(108)

本章參考文獻(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)度問題描述(110)

5.2考慮完工時間的建模與啟發(fā)式求解算法(113)

5.2.1考慮完工時間的鋼板切割調(diào)度優(yōu)化問題建模(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考慮完工時間和交貨期的雙目標建模與智能求解算法(121)

5.3.1鋼板切割雙目標調(diào)度優(yōu)化問題建模(121)

5.3.2基于局部搜索的LNSGAⅢ算法設計與數(shù)值試驗(124)

5.3.3數(shù)值實驗及結果分析(131)

5.4考慮成本的建模與改進的灰狼求解算法(139)

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

5.4.2求解算法設計(141)

5.4.3數(shù)值實驗及結果分析(145)

5.5本章小結(148)

本章參考文獻(149)

第6章大型構件焊接生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化(152)

6.1焊接調(diào)度問題描述及其研究現(xiàn)狀(152)

6.2焊接生產(chǎn)調(diào)度模型建立及算法設計(154)

6.2.1問題描述(154)

6.2.2考慮總拖期和機器負荷的數(shù)學模型建立(155)

6.2.3基于重啟策略的RNSGAⅢ算法設計(156)

6.2.4數(shù)值實驗設計及結果對比分析(159)

6.3大型焊接件綠色調(diào)度問題建模與算法設計(165)

6.3.1模型假設與符號定義(165)

6.3.2考慮最大完工時間和總能耗的模型建立(166)

6.3.3改進灰狼算法的設計(168)

6.3.4實驗及結果分析(171)

6.4本章小結(176)

本章參考文獻(176)

第7章結構件制造多車間協(xié)同調(diào)度優(yōu)化(178)

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

7.1.1切割與機加工車間協(xié)同調(diào)度問題建模(179)

7.1.2基于協(xié)同奔襲策略的CDGWO算法設計與試驗分析(181)

7.1.3試驗結果及對比(185)

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

7.2.1機加工與焊接車間調(diào)度特點描述(187)

7.2.2基于調(diào)度規(guī)則的MGWOⅡ算法設計(190)

7.2.3實驗設計與算例分析(193)

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

7.3.1三車間協(xié)同調(diào)度問題建模(197)

7.3.2基于參考點集的EBGWO算法設計(200)

7.3.3算法對比(203)

7.4本章小結(210)

本章參考文獻(210)

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

8.1問題描述與分析(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實例驗證(226)

8.5本章小結(230)

本章參考文獻(230)

第9章金屬結構件制造優(yōu)化平臺開發(fā)與應用(232)

9.1優(yōu)化平臺開發(fā)(232)

9.1.1平臺總體架構(232)

9.1.2工作流程(235)

9.1.3網(wǎng)絡結構及車間部署(236)

9.1.4主要功能模塊(237)

9.2SmartPlatform應用案例一(244)

9.2.1應用背景介紹(245)

9.2.2基于SmartPlatform的解決方案(246)

9.2.3應用效果與優(yōu)化實例(248)

9.3SmartPlatform應用案例二(252)

9.3.1應用背景介紹(252)

9.3.2總體應用架構及主要功能模塊(253)

9.3.3應用效果與優(yōu)化實例(256)

9.4本章小結(257)

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