（系统工程专业论文）面向钢铁工业的逆向物流系统的重用策略及其优化方法研究.pdfVIP

，_i。广 悸 ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fd o c t o ri ns y s t e m s e n g i n e e r i n g r e c o v e r ys t r a t e g i e sa n do p t i m i z a t i o nm e t h o d sf o r r e v e r s el o g i s t i c ss y s t e mi ni r o na n ds t e e li n d u s t r y b yl i uy a n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rt a n gj i a f u n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y m a y 2 0 0 9 m哪!洲27 忡71洲y 辱辨j 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚 的谢意。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 唼 学位论文作者签名：训p 肜导师签名：啼形 签字 日期：叫t l 签字日期：纱叫7 f ， i 纱 一 r ：r r 、 叫卟 名 目 剿 期 者 ， 佑 日 文 己 谢 字 位 篷 削 签 、- 一 _ 东北大学博士学位论文 摘要 面向钢铁工业的逆向物流系统的重用策略及其优化方法研究 摘要 钢铁工业是典型的高能耗、高排放的过程工业。在钢铁工业规模不断扩大，钢产量 阶 持续高速增长的今天，钢铁工业的发展受到铁矿资源、能源和水资源等生产要素的严重 卜 制约，资源的回收利用正日益受到人们的关注和重视。如何有效地利用钢铁冶金生产流 程中产生的不同类型、不同形式的废钢铁、废渣和可重用的残次品等，对于降低生产成 本、提高资源利用率、节约能源、保护环境具有十分重要的意义。逆向物流是对原材料、 加工库存品、产成品，从消费地到起始地的相关信息的高效率、低成本的流动而进行有 效地规划、实施和控制的过程。本文结合逆向物流的概念，在总结与分析我国钢铁行业 近几十年来发展的现状，以及对几个国内大型钢铁集团的实地调查与实证研究的基础 上，开展了面向钢铁工业的逆向物流系统的重用策略及其优化方法的研究工作。该研究 是9 8 5 工程流程工业综合自动化科技创新平台研究项目、辽宁省科技厅计划项目和国家 杰出青年科学基金项目( 7 0 6 2 5 0 0 1 ) 的重要组成部分。 本文首先概述了逆向物流的基础理论，包括逆向物流的概念和驱动因素、物品被退 回的原因、回收物品的处理方式、回收物品的类型和特征、逆向物流的闭环结构和开环 结构和逆向物流的执行者；然后从逆向物流的三个主要研究方向( 网络规划、库存控制、 生产计划) 分别对逆向物流的研究现状进行了总结和分析；又进一步以电子行业作为典 型的离散制造业，对其逆向物流产生的驱动因素和特点、废旧电子产品的三种回收模式、 废旧电子产品逆向物流的研究现状进行了简要总结和介绍，目的是为研究钢铁行业的逆 向物流特点，建立面向钢铁行业的逆向物流模型起到借鉴和指导的作用。最后，介绍了 逆向物流在钢铁行业中的应用研究状况，包括钢铁企业的循环型物流系统框架和钢铁行 业逆向物流的研究现状，为后面具体的关键技术研究奠定理论基础。 总体上讲，本文的研究工作主要围绕五个关键问题展开。 第三章作为关键问题1 ，是整个课题的重要研究基础，为后面4 个关键问题的研究 ， 起到指引方向、奠定基础和提供实际依据的作用。本章分别站在两个角度建立具有钢铁 工业特点的逆向物流系统结构框架。首先从钢铁工业生产流程角度出发，在概述其三个 生产阶段中各主要工序及其特点的基础上，进一步对每个生产阶段的回收物质流进行了 分析，并建立了面向整个钢铁工业生产流程的逆向物流网络图；另外从钢铁工业产生的 主要固、液体废弃物角度出发，在概述其种类、特点和危害性的基础上，进一步对两种 形态的废弃物的回收物质流进行了分析，并分别建立了面向几种主要固体废弃物和主要 一i i i 一 东北大学博士学位论文 摘要 液体废弃物的逆向物流网络图；最后概述了作者在国内三个大型钢铁集团中进行实证考 察研究的主要工作，充分说明了本课题背景的实际应用意义。 第四章作为关键问题2 ，以钢铁工业冷轧流程中产生的废酸液作为一类典型的液体 废弃物，结合废酸液循环利用流程的特点，提出了一类多个环节中不同重用策略之间的 组合优化及资源配置问题( 即在满足特定化学成分和组织性能的条件下如何配置各种重 用策略及该策略下的各种废物原料的数量) ；构建了一个多循环策略、多加工方式、多 化工产品的特殊的逆向物流网络流程图，然后以最大化网络整体利润为目的，提出了一 个多策略的组合优化模型，并设计了一个基于模拟退火的启发式算法用于求解模型；最 后通过实例计算验证了模型和算法的可行性和有效性，以及考察主要控制参数对网络整 体利润的影响。 ： 第五章作为关键问题3 ，以钢铁工业轧辊生产流程作为一类典型的闭环工业生产流 程，在考虑轧辊残次品等废弃物的多种重用策略、加工与再加工两类工序交替运行的情 况下，构建了一个含有三个可用库存( 原料、半成品、成品) 和两个回收库存的加工 再加工的闭环三阶段生产系统。对整个系统的三种生产状态、每种状态下的循环周期、 三个可用库存的需求率以及在计划时间范围内各主要变量和参数之间的关系进行了详 细的分析，并给出了五个库存随时间变化的曲线图。在此基础上，提出了一类基于e o q 的库存补充策略问题，最后通过实例计算检验了模型的可行性，以及考察了回收率参数 对网络总费用的影响。 第六章作为关键问题4 ，以废钢铁作为一类典型的钢铁工业固体废弃物，重点研究 了社会废钢铁的回收网络优化设计问题。结合钢铁工业流程特点，以提高钢铁工业物流 运作效益为目的，建立了以钢材生产厂为中心，包括多个钢铁产品用户区域、多个废钢 铁回收中心、多个分类与预处理厂的回收网络的定位与能力分配模型。在分析模型约束 条件特点的基础上，应用拉格朗日松弛方法将原问题分解为两个子问题，提出了一个基 于拉格朗日松弛算法和d f s 搜索方法的求解方法，最后通过实例计算验证了模型和算 法的有效性和可行性。 第七章作为关键问题5 ，仍然以废钢铁作为研究对象，在同时考虑三种类型废钢铁 的不同循环利用模式的情况下，构建了一个特殊的闭环逆向物流系统。在分析系统特点 的基础上，提出了一个带能力约束的动态批量问题，用于决策社会废钢铁的购买时间以 及购买数量。模型中即融合了废钢铁循环利用流程的独有特性，又考虑了废钢铁预处理 厂中的库存管理问题，为钢铁企业全方面、综合性做出社会废钢铁购买决策提供了理论 依据：并设计了一个基于动态规划的启发式算法用于求解模型，最后通过实例计算验证 了模型和算法的有效性和可行性，以及研究了回收站内废钢铁的单位存储费用参数、自 产废钢铁和加工废钢铁两种类型废钢铁的回收率参数对社会废钢铁的回购总次数及逆 一一 1 r 五 东北大学博士学位论文 摘要 向物流系统总费用的影响。 关键词：逆向物流；钢铁行业；废弃物循环利用；重用策略；建模；优化方法 一v 一 东北垄堂堡主堂堡垒查 一 - _ - _ - _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ - _ - _ 一一 一 一v i 一 佃 j 1 一 一 t ? 东北大学博士学位论文a b s t r a c t r e c o v e r ys t r a t e g i e sa n do p t i m i z a t i o nm e t h o d sf o rr e v e r s e l o g i s t i c ss y s t e m i ni r o na n ds t e e li n d u s t r y a b s t r a c t t h ei r o na n ds t e e li n d u s t r yi sat y p i c a lh i g he o m s u m p t i o n ，h i g hd i s c h a r g ep r o c e s s i n d u s t r y r e c e n t l y , a l o n g 丽t l lt h er a p i dg r o w t ho fs t e e lo u t p u t ，d e v e l o p m e n to ft h ei r o na n d s t e e li n d u s t r yi sb a d l yr e s t r i c t e db e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no fo r er e s o u r c e ，e n e r g er e s o u r c ea n d w a t e rr e s o u r c e ，h e n c et h er e c o v e r yo fw a s t eg a i n e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nf r o mp e o p l e h o wt oe f f e c t i v e l yu t i l i z ed i f f e r e n tt y p e so fw a s t eb e c a m ev e r yi m p o r t a n tt or e d u c i n g p r o d u c t i o nc o s t ，i m p r o v i n gr e s o u r c eu t i l i z a t i o ns t u d i o ，e n e r g es a v i n ga n de n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n r e v e r s el o g i s t i c si st h ep r o c e s so fp l a n n i n g ，i m p l e m e n t i n g ，a n dc o n t r o l l i n gt h e e f f i c i e n t ，e f f e c t i v ei n b o u n df l o wa n ds t o r a g eo fs e c o n d a r yg o o d sa n dr e l a t e di n f o r m a t i o n o p p o s i t et ot h et r a d i t i o n a ls u p p l yc h a i nd i r e c t i o nf o rt h ep u r p o s eo fr e c o v e r i n gv a l u eo rp r o p e r d i s p o s a l b a s e do nt h ed e f m i t i o no fr e v e r s el o g i s t i c s ，t h i st h e s i ss u m m a r i z e sa n da n a l y z e st h e c h a r a c t e r i s t i c so fr e t u r nf l o w si nt h ei r o na n ds t e e l i n d u s t r y , a n di n v e s t i g a t e st h e a c t u a l s i t u a t i o no fs t e e lp r o d u c t i o np r o c e s si ns e v e r a l l a r g ei r o na n ds t e e lc o m p a n i e s ，a n dt h e n f o c u s e so nt h er e s e a r c ho nr e c o v e r ys t r a t e g i e sa n do p t i m i z a t i o nm e t h o d sf o rr e v e r s el o g i s t i c s s y s t e mi nt h ei r o na n ds t e e li n d u s t r y i ti sac o n s t i t u e n tp a r to f 9 8 5p r o j e c t s c i e n t i f i ca n d t e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o no fi n t e g r a t e da u t o m a t i o no fp r o c e s si n d u s t r yp l a t f o r mr e s e a r c h p r o j e c t ，l i a o n i n gp r o v i n c i a ld i v i s i o no fs i c e n c ea n dt e c h n o l o g yp l a n n i n gp r o j e c t a n d n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef u n d sf o rd i s t i n g u i s h e dy o u n gs c h o l a r p r o j e c t i nc h a p t e r2 ，b a s i ct h e o r i e sa b o u tr e v e r s el o g i s t i c sa r ef i r s t l y i n t r o d u c e d ，i n c l u d i n g d e f i n i t i o na n dm o t i v e so fr e v e r s el o g i s t i c s ，r e a s o n so fr e t u r i n g ，m a n n e r so f d i s p o s i n gr e t u r n s ， c h a r a c t e r i s t i c so fr e t u r n s ，c l o s e d - l o o pa n do p e n - l o o ps t r u c t u r e so fr e v e r s el o g i s t i c ss y s t e m ， a n di m p l e m e n t e r so fr e v e r s el o g i s t i c s ；a n dt h e nt h el i t e r a t u r e sa b o u tr e v e r s el o g i s t i c si s o v e r v i e w e df r o mt h r e em a i nr e s e a r c h o r i e n t a t i o n s ，n a m e l yn e t w o r kd e s i g n ，i n v e n t o r y m a n a g e m e n ta n dp r o d u c t i o np l a n n i n g ；f u r t h e r m o r e ，a i m i n gt og i v es o m ed i r e c t i o n sa n d r e f e r e n c e st ot h es t u d yo fa p p l i c a t i o no fr e v e r s el o g i s t i c si nt h ei r o na n ds t e e li n d u s t r y , t h e a p p l i c a t i o no fr e v e r s el o g i s t i c si ne l e c t r o n i ci n d u s t r y , w h i c hi s s e e m e da sat y p i c a ld i s c r e t e m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , i ss p e c i a la n a l y z e d ，i n c l u d i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，m o t i v e s ，t h r e e c o l l e c t i o nm o d e so fs c r a pe l e c t r o n i cp r o d u c t s ，r e l a t e dl i t e r a t u r e s ，e t c ；f i n a l l y , l i t e r a t u r e sa b o u t a p p l i c a t i o n so f r e v e r s el o g i s t i c si ni r o na n ds t e e li n d u s t r ya r er e v i e w e d ，a n dt h i sw o r kl a i e sa n i m p o r t a n tt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h es t u d yi nt h i st h e s i s 一v i i 查! ! 查兰堡主堂堡垒查一型 ，a saw h o l e ，t h i st h e s i sf o c u s e so nf o l l o w i n gf i v ek e yp r o b l e m s a st h ek e vp r o b l e m1 ，c h a p t e r3i st h ei m p o r t a n t f o u n d a t i o no ft h ew h o l er e s e a r c h ，a n d s u p p l yd i r e c t i o n sa n dp r a c t i c a lr e a l i t i e st ot h eo t h e rf o u rk e yp r o b l e m s s o m es p e c i a l r e v e r s e l o g i s t i c ss y s t e m sa r ee s t a b l i s h e dc o n s i d e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h ei r o na n ds t e e li n d u s t yf r o m t w op o i n t so fv i e w f i r t l y , f o c u s i n go nt h ep r o d u c t i o np r o c e d u r eo ft h ei r o na n d s t e e li n d u s t y , t h et h r e em a j o rp r o d u c t i o ns t a g e sa r ei l l u s t r a t e d ，i n c l u d i n gc o n s t i t u e n tp r o d u c t i o np r o c e d l l r e s a n dc h a r a c t e r i s t i c s ：t ob ei m p o r t a n ta n ds p e c i a l i z e d ，t h er e t u r nf l o w so f e a c hp r o d u c t i o ns t a g e a r ea n a l y z e d a n da c c o r d i n g l ys o m er e v e r s el o g i s t i c ss y s t e m sf o rt h e w h o l ep r o d u c t l o n p r o c e s so ft h ei r o na n ds t e e li n d u s t r ya r ee s t a b l i s h e d s e c o n d l y , f o c u s i n go n t h em a j o rc l a s s e s o fs o l i da n dl i q u i dw a s t e sg e n e r a t e db yt h ei r o na n ds t e e li n d u s t r y , b a s e do nt h ei l l u s t r a t i o no f t h e i rc l a s s i f i c a t i o l l c h a r a c t e r i s t i c sa n dh a r m f u l n e s s ，t h er e t u r nf l o w sa r ef u r t h e ra n a l y z e d ，a n d a c c o r d i n g l vs o m es p e c i a lr e v e r s el o g i s t i c ss y s t e m sa r ee s t a b l i s h e d f i n a l l y , i nt h i sc h a p t e r , s o m ei m p o r t a n ti n v e s t i g a t i o nr e s u l t si nt h r e el a r g ei r o na n ds t e e lc o m p a n i e s a r es h o w n ，w m c n s u f f i c i e n t l ya p p r o v et h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n ss i g n i f i c a n c eo f t h i ss t u d y a st h ek e yp r o b l e m2 ，c h a p t e r4f o c u s e so nr e c o v e r ys t r a t e g i e so p t i m i z a t i o np r o b l e m f o ra c i dw a s t er e c y c l i n gw h i c hi ss e e m e da sat y p i c a lc l a s so fl i q u i d i n d u s t r i a lw a s t er e c y c l i n g p 1 o c e s s t h e r ea r em u l t i p l es t r a t e g i e sf o rw a s t er e c y c l i n gt og e n e r a t em u l t i p l eb y p r o d u c t sa n d t h e nt h e s eb y p r o d u c t sa r ef u r t h e rt r a n s f o r m e di n t om u l t i p l et y p e so fc h e m i c a lp r o d u c t sv i a d i f f e r e n tp r o d u c t i o np a t t e r n s am i x e di n t e g e rp r o g r a m m i n gm o d e li s d e v e l o p e dt oh e l p d e t e m i n ew h i c hr e c y c l i n gs t r a t e g ya n dw h i c hp r o d u c t i o np a t t e r ns h o u l db es e l e c t e dm a g i v e nq u a n t i t yi no r d e rt om a x i m i z et h em a r g i n a lp r o f i t s as i m u l a t e da n n e a l i n g ( s a ) b a s e d h e u r i s t i ca l g o r i t h mi sd e v e l o p e dt os o l v et h ep r o b l e m f i n a l l y , a ne x p e r i m e n tl sd e s i g n e dt o t e s tt l l ee 丘e c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e dm e t h o d ，f u r t h e r m o r e ，t h ee f f e c t so fm o d e l p a r a m e t e r so np r o f i ta r e d i s c u s s e dt oh e l pm a n u f a c t u r e r so r g a m z et h e i rw a s t er e c y c l i n g n e t w o r k a st h ek e yp r o b l e m3 ，c h a p t e r5f o c u s e so na ne o qi n v e n t o r ym a n a g e m e n tp r o b l e m w i t l ld e t e 皿i 1 1 i s t i cd e m a n d sa n dr e t u r n sf o rat h r e e s t a g es t e e lr o l l e rp r o d u c i n gp r o c e s s w h i c h i ss e e m e d 弱at y p i c a lc l a s so fc l o s e d - l o o pp r o d u c t i o np r o c e s si nt h ei r o na n ds t e e li n d u s t r y a t h r e e s t a g em a n u f a c t u r i n g r e m a n u f a c t u r i n gs y s t e m w i t ht h r e es e r v i c e a b l ei n v e n t o r i e sa n d r e c o v e r a b l ei n v e n t o r i e si si n t r o d u c e d b yc o n s i d e r i n gm a n u f a c t u r i n ga n dr e m a n u f a c t u r i n gm t h ed i 毹r e n ts t a g e s ，t h r e em o d e so fp r o d u c t i o na r ei d e n t i f i e d t h ec y c l et i m e so fe a c hm o d e ， d e m a n dr a t e sf o rs e r v i c e a b l ei n v e n t o r i e s ，a n dt h e i rr e l a t i o n s h i p si nap l a n n i n gh o r i z o na r e f h r t h e rd i s c u s s e dt h r o u g ha n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o d u c t i o ns y s t e m t h e n ，t h e i r l v e n t o r 、，p r o f i l e si nt h es y s t e ma r es t u d i e d ，a n da ne o q m o d e li sp r o p o s e dt od e c i d eo nt h e t i m i n gf o ro r d e r i n gs e r v i c e a b l ei n v e n t o r i e sw i t ht h ev i e wt om i n i m i z i n gt h e a v e r a g ec o s t f i n a l l yan u m e r i c a le x a m p l e i su s e dt od e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h em o d e l ，a n dt o e x a m i n ei t se f f e c t s0 1 1t h eo r d e r sr e s p o n s et i m ea n dt h ea v e r a g ec o s t s 一v i i i 一 1 p 一 南 ， l 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t a st h ek e yp r o b l e m4 ，c h a p t e r6f o c u s e so nan e t w o r kd e s i g np r o b l e mf o ro b s o l e t e s c r a ps t e e lr e c y c l i n gp r o c e s sw h i c hi ss e e m e d a sat y p i c a ls o l i dw a s t er e c y c l i n gp r o c e s si nt h e i r o na n ds t e e li n d u s t r y , a n dp r o p o s e sal o c a t i o na n da l l o c a t i o nm o d e lb a s i n go na n a l y s i so f b u s i n e s sf l o wf r o mm a n u f a c t u r i n go fs t e e l m a d ep r o d u c t ，a n dc o l l e c t i n gt or e c y c l i n go fs c r a p s t e e lw i t hm u l t i p l ec u s t o m e rz o n e sa n dm u r i p l es c r a ps t e e lc o l l e c t i o nc e n t e r s al a g r a n g e r e l a x a t i o nd e c o m p o s i t i o nb a s e dh e u r i s t i c sc o m b i n e d 、i t hd e p t hf i r s ts e a r c h ( d f s ) a p p r o a c h i sd e v e l o p e d f i n a l l y , a ne x p e r i m e n ti sd e s i g n e dt ot e s tt h ee f f e c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h e p r o p o s e dm o d e la n da l g o r i t h m a st h ek e yp r o b l e m5 ，c h a p t e r7f o c u s e so nad y n a m i ce c o n o m i cl o ts i z i n gp r o b l e mf o r t h e t h r e et y p e so fs c r a ps t e e lr e c y c l i n g as p e c i f i cc l o s e d - l o o pn e t w o r kf o rs c r a ps t e e l r e c y c l i n gi se s t a b l i s h e d ，a n dt h e nt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ef o r w a r dc h a i na n dt h er e v e r s e c h a i na r ei n v e s t i g a t e d ad y n a m i ce c o n o m i cl o ts i z i n gm o d e lw i t ht i m e - v a r y i n gd e m a n d si s p r o p o s e dt od e c i d et h eo p t i m a lp u r c h a s i n gt i m ea n dt h eo p t i m a lp r o c u r e m e n tq u a n t i t yo f o b s o l e t e s c r a ps t e e lt o w a r d s m i n i m a lt o t a lc o s to ft h ew h o l en e t w o r k ad y n a m i c p r o g r a m m i n gb a s e da l g o r i t h mi sd i s c u s s e dt os o l v et h ep r o b l e m f i n a l l ys e v e r a ln u m e r i c a l e x p e r i m e n t sa r ed e s i g n e dt ov a l i d a t et h ee f f e c t i v e n e s so ft h em o d e la n dt h ea l g o r i t h m ，a sw e l l a st oe x a m i n et h ee f f e c t so fp a r a m e t e r so nt h eo p t i m a lr e s u l t s f r o mt h er e s u l t so fe x p e r i m e n t s ， o n e c a no b s e r v e dt h a tl o wu n i th o l d i n gc o s ti nc o l l e c t i o nc e n t e ra n dh i g hr e t u r nr a t e so fh o m e s c r a ps t e e la n dp r o m p ts c r a ps t e e lm o r ec o n t r i b u t et or e d u c i n gt h et o t a lc o s to ft h ew h o l e n e t w o r ka n dt h eo p t i m a lo r d e r i n gt i m e so fo b s o l e t es c r a ps t e e lf r o ms o c i e t y k e y w o r d s ：r e v e r s el o g i s t i c s ；i r o na n ds t e e li n d u s t r y ；w a s t er e c y c l i n g ；r e c o v e r ys t r a t e g y ； m o d e l i n g ；o p t i m i z a t i o nm e t h o d s i x 东北查兰堡主堂堡垒查 一x 一 东北大学博士学住论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i i a b s t r a c t v i i 第一章绪论- l 1 1 问题的背景及研究工作的意义1 1 1 1 问题的背景1 1 1 2 研究工作的意义5 1 2 研究目标与内容5 1 2 1 研究目标6 1 2 2 研究内容6 1 3 研究的技术路线与方法6 1 4 主要研究成果7 第二章逆向物流的基础理论及相关文献综述。9 2 1 逆向物流的基础理论概述9 2 1 1 逆向物流的概