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东北大学硕士学位论文摘要 钢铁企业无委托板坯匹配问题研究 摘要 目前市场对钢铁产品需求目益向小批量，多品种化发展，这与钢铁企业的大批量生 产存在着矛盾，从而导致了无委托板坯的大量产生。本文所要研究的就是无委托板坯的 匹配问题，即将无委托板坯匹配给合适的合同。合理的匹配方案能够有助于降低在制品 库存，从而能够提高资金周转率和较少场地占用费用，保证物流畅通、提高企业及时交 货能力。 根据宝钢无委托板坯匹配的实际生产要求，本文建立了非线性0 1 整数规划模型。 该模型是多目标和非线性的。为了方便求解，通过加权求和把多个目标函数化为一个目 标函数；利用变量替换法，将该带有非线性目标函数模型转换为从而转化为一个混合整 数规划线性模型，然后利用优化求解器求解该问题小规模情况。 对于解决无委托板坯匹配问题，本文设计了一个启发式算法。其思想是采用分组的 策略降低问题的求解规模而不影响解的质量，然后对合同和板坯进行优先级排序。按照 合同优先级从高到低的顺序，依次基于贪婪的思想在候选板坯中找合适的板坯与其匹 配。 为了进一步提高板坯的匹配量，在启发式算法的基础上，本文又设计了s c a t t e rs e a r c h 算法。算法思路是：首先从随机产生的初始种群中选择一些高质量和分散性好的解作为 参考集，再由参考集生成二元予集，利用插入策略对子集中的两个解进行组合得到一个 新解，然后对这个新解进行改进，最后根据改进后的解更新参考集，以进行新的迭代。 通过计算机仿真试验获得如下结论：对于小规模问题，启发式算法得到的解与优化 求解器得到的最优解很接近，相对误差为1 7 8 ；对于大规模问题，分散援索算法的运 行时间虽然比启发式算法长，但结果优于启发式算法，如在匹配板坯重量上平均比启发 式算法改进了2 9 3 。可见分散搜索算法对于解决无委托板坯匹配问题的有效性。 关键词：钢铁企业，启发式算法，无委托板坯，匹配模型，s c a t t e rs e a r c h 算法 一 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ho i lo p e n - o r d e rs l a bm a t c h i n gp r o b l e mi ni r o n & s t e e l e n t e r p r i s e a b s t r a c t a tp r e s e n t r e q u i r i n gf o rm u l t i p l ev a r i e t i e sw i t l ls m a l lv o l u m eo fp r o d u c t si sat r e n di n t h ei r o n & s t e e lp r o d u c t i o n i ti si n c o m p a t i b l e 埘t i lt h ev o l u m e p r o d u c t i o ni ni r o n s t e e l e n t e r p r i s e ，s ol a r g en u m b e r so fo p e n - o r d e rs l a b sa r ep r o d u c e d t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h es l a b m a t c h i n gp r o b l e mt h a ti s t om a t c ho p e n o r d e rs l a b st o a p p r o p r i a t eo r d e r s g e n e r a t i n g r e a s o n a b l em a t c h i n gs c h e m eh e l p st oi m p r o v ec a p i t a lv e l o c i t y , c u td o w nt h ef a r eo fr o o m o c c u p y i n g ，a s s i l r ee x p e d i t el o g i s t i c sa n di m p r o v et h ec a p a b i l i t yo fj i tb yr e d u c i n g t h e i n v e n t o r yf o rs e m i f i n i s h e dp r o d u c t s i nt h i sp a p e ran o n l i n e a r0 - 1i n t e g e rp r o g r a m m i n gm o d e li se s t a b l i s h e dc o n s i d e r i n gt h e a c t u a lr e q u i r e m e n t si nb a o s t e e l t h i sm o d e lh a sm u l t i p l eo b j e c t i v e sa n dan o n l i n e a rp a r t 。t o s o l v ee x p e d i e n t l y , t h i sp a p e rt r a n s f o r m st h eo b j e c t i v e st oo n eo b j e c t i v eb ya d d i n g w e i g h t c o e f f i c i e n t sa n ds u m m a r i z i n gt h e m b yr e p l a c i n gv a r i a b l e s ，t h en o n l i n e a rm o d e li s t r a n s f o r m e di n t oal i n e a rm i x - i n t e g e rp r o g r a m m i n gm o d e l ，s ot h a to p t i m i z a t i o ns o l v e rc a nb e u s e dt os o l v et h es m a l li n s t a n c e so f t h ep r o b l e m t os o l v et h eo p e n - o r d e rs l a bm a t c h i n gp r o b l e m ，ah e u r i s t i c si sp r o p o s e d i t si d e ai sa s f o l l o w s ：g r o u p i n gs t r a t e g yi sa d o p t e dt or e d u c et h es i z eo ft h ep r o b l e mw i t h o u ti n f l u e n c i n g t h eq u a l i t i e so ft h es o l u t i o n s ；a n dt h e ns o r tt h eo r d e r sa n ds l a b sb yd e c m a s i n gp r i o r i t i e s r e s p e c t i v e l y ；f i n m l ys e a r c ha p p r o p r i a t es l a b sm a t c h i n gt ot h eo r d e r , s e l e c t e do n eb yo n e f r o m t h es e q u e n c eo f o r d e r sw i t hd c c r e a s i n g p r i o r i t i e s ，b a s e do ng r e e d yi d e a t oi m p r o v et h eq u a l i t yo fm a t c h i n g ，s c a t t e rs e a r c hi sd e s i g n e db a s e do nt h eh e u r i s t i c s ， t h ei d e ao ft h i sa r i t h m e t i ci sa sf o l l o w s ：f i r s to fa 1 1 c h o o s es o m eg o o ds o l u t i o n sa n ds o m e d i v e r s i f i e ds o l u t i o n sa sar e f e r e n c es e tf r o mi n i t i a lp o p u l a t i o np r o d u c e da tr a n d o m ；a n dt h e n g e n e r a t e2 - e l e m e n ts u b s e t sf r o mt h er e f e r e n c es e t ；a n dt h e nc o m b i n et h et w os o l u t i o n si nt h e s u b s e tt of o r man e ws o l u t i o nb yi n s e r t i n gs t r a t e g y ；f i n a l l yi m p r o v et h en e ws o l u t i o na n d u p d a t et h er e f e r e n c es e tu s i n gt h ei m p r o v e ds o l u t i o nt or e s t a r tn e w s e a r c h b yc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，s o m ec o n c l u s i o n sc a l lb eo b t a i n e d ：f o rs m a l li n s t a n c e st h e s o l u t i o n so b t a i n e db yt h eh e u r i s t i c sa r ec l o s et ot h eb e s ts o l u t i o n so b t a i n e db yo p t i m i z a t i o n s o l v e ra n dt h eg a pi s1 7 8 a v e r a g e l y ；f o rl a r g e s c a l ei n s t a n c e s t h er u n t i m eo fs c a t t e rs e a r c hi s l o n g e rt h a nt h a to f h e u r i s t i c s ，b u tt h es o l u t i o n so b t a i n e db ys c a t t e rs e a r c ha r eb e t t e rt h a nt h o s e 东北大擘硕士学位论文a b s t r a c t o ft h eh e u r i s t i c s t h em a t c h i n gw e i g h to fs c a t t e rs e a r c hi si m p r o v e d2 9 3 a v e r a g e l yt h a n t h a to ft h eh e u r i s t i c s s oi ti so b v i o u s l ye f f i c i e n tt h a ts c a t t e rs e a r c hi su s e dt os o l v et h e o p e n - o r d e rs l a bm a t c h i n gp r o b l e m k e yw o r d s ：i r o n s t e e le n t e r p r i s e ，h e u r i s t i c s ，o p e n - o r d e rs l a b , m a t c h i n gm o d e l ，s c a t t e r s e a r c h 一一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 本章在简要介绍问题的研究背景及意义之后，对钢铁企业库存问题及相关问题的研 究现状进行了介绍，以及迸一步的研究方向。最后，对本文研究的技术路线和主要工作 进行了简要介绍。 1 1 问题的研究背景及意义 钢铁工业属原材料工业，是国民经济中的基础工业，是社会发展的重要支柱。自工 业革命到现在，钢铁一直是人类使用的主要结构材料，人类的每一点进步都与钢铁工业 的发展紧密相联。钢铁制造过程在消耗大量原材料和能源的同时，也带动了机械、电力、 化工、建材、交通、通讯、商业、文教、卫生、房地产和农副产品等部门和行业的发展。 无论是在过去和现在，还是在将来相当长的历史时期内，钢铁工业的发展水平仍然是衡 量一个国家工业化和现代化水平高低的重要标志之一。专家们估计，随着生产技术的不 断发展，钢铁产品应用的目趋广泛和深入，世界钢材消耗量仍将占全部金属的9 5 以上。 从某种意义上来说，钢铁的生产能力和消费水平往往是国家综合国力和人民富裕程度的 重要指标。所以，世界各国的钢铁工业在金融、信贷和税收优惠诸方面都受到政府相当 大的支持。 受全球性激烈的市场竞争和钢材生产能力相对过剩的影响，钢铁工业正面临一系列 严峻的挑战，主要体现在：产品价格不断降低，利润空间越来越小，。从而迫使企业必须 增强内在素质，以降低生产成本；市场对钢材的品种、规格需求更趋向多样化，这就要 求企业必须具备灵活的生产计划和调度手段，实现敏捷制造；客户对产品的质量要求越 来越高，合同的交货期也越来越短；产品品种规格的生命周期进一步缩短，工艺革新的 速度也越来越快；预测生产型与订货生产型相结合的生产方式所造成的产品积压的风 险。 钢铁企业中的板坯匹配工作是生产组织前对合同的预处理过程，对于解决因剩余库 存所造成的资金和场地占用问题、保证物流畅通、提高企业及时交货能力具有重要意义。 本文的目的就是结合宝山钢铁股份有限公司的实际生产背景，研究钢铁企业的库存匹配 问题，建立数学模型，设计优化算法，达到提高无委托板坯的利用率，保证合同的完整 性和交货期的目的。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 本文研究问题特点 1 2 i 相关问题的研究现状 国际上对板坯匹配的研究主要分为以下2 类： 第一类是板坯最多可分为两块单独匹配。学者v a s k o 1 】等所研究的板坯匹配的特点 是可以将板坯分成两块分别进行匹配。根据问题的离散性特点，建立了整数规划模型。 通过添加一个虚拟的订单和一个虚拟的板坯把该问题转化为一个运输问题，通过 b e r t s e k a s l 2 1 的网络节点方法求解。但求出的解需要通过凑整的启发式，转换成实际可行 的解。对实际的例子，该方法在3 8 6 机器上能够在1 分钟内得到较大规模的较好可行解。 第二类是板坯可分为多块单独匹配。在实际生产工艺允许的条件下，板坯可分为多 块分别匹配给多个合同。又存在以下两种情况： ( 1 ) 板坯可直接切割成多块板坯与合同匹配。美国学者k a l a g n a n a m 3 1 等针对此问题 进行了研究，将匹配的优化问题归结为双目标的库存匹配问题，建立了该问题的整数规 划数学模型。追求剩余库存匹配的订单重量最大和与订单匹配上的板坯的为利用重量最 小。针对实际问题，将整数规划和构造的启发式算法的性能进行了比较。得出结论：整 数规划方法对于大规模问题没法在6 个小时内得到最优解。启发式算法对于任何问题的 运行时问都不超过数分钟。实际上，这个启发式算法已经在大的钢铁企业中应用。 ( 2 ) 将板坯( 母坯) 轧制成一定的规格后，切割成若干子坯与合同匹配。m a t s u d a 4 1 等考虑了存在母坯的情况下板坯的匹配问题，针对母坯的轧制规格设计和轧制后分为多 个子坯与合同匹配的问题是并列且互相影响的特点，构造了相应的算法，并丌发了系统。 将尽量充当优先度高的合同和提高材料的利用率这两个目标转化为函数作为算法的评 价准则。算法采用了分组思想，利用板坯和订单的匹配约束、性质将大规模问题分组转 化为小问题。该系统能够在3 个小时内解决2 0 0 0 份订单、2 5 0 0 块板坯的匹配问题，得 到问题的近优解，提高了可充当的订单数5 ，明显减少了无委托板坯的匹配时间。 与上述板坯匹配问题相关的研究还有日本学者松田浩一 5 】的大规模组合最优化板 材下料问题，他们综合考虑了生产流畅性，作业易操作性及交货期优先级三个评价指标， 运用模拟退火算法开发了带有计算时间调整型的系统。该系统在板材制造厂得到了实际 应用，以往用人工进行3 5 个订单的板材下料要用1 小时，现在用该系统1 分钟就能完 成下料。 总结以上研究，目前国际上关于板坯g c i e 的研究各自具有不同的特点。主要可分为 一一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 2 类：板坯可分割成2 块进行单独匹配：板坯可分割成任意块与合同匹配。而后者又可 分为板坯直接分割和板坯轧制成一定规格后分割。针对不同的情况，学者们主要采用了 两种手段解决匹配问题：( 1 ) 建立优化模型，构造相应的优化算法求出好解，并开发出 了系统。( 2 ) 在开发的系统中将追求的目标函数转化为评价函数，直接构造算法搜索问 题的解。两类解决方法据文献所述在实际中都取得了一定的应用，为企业降低了成本。 1 2 2 本文所研究库存匹配问题的特点 ( 1 )本文的问题来源于上海宝钢的实际项目，问题的研究，建模，求解都是以宝 钢的生产为背景，所以考虑的工艺约束非常全面。 ( 2 )本文研究的匹配问题是不允许将一个板坯切割后匹配给多个合同，板坯与合 同的匹配关系是多对一的，即一块板坯只能给一个合同，一个合同可以有多个板坯与其 匹配。 ( 3 )本文在建模的时候不仅考虑了匹配费用还考虑到了合同优先级，板坯优先 级，合同完整性等因素。 1 3 本文的技术研究路线和主要工作 1 3 1 本文的技术研究路线 本文的研究技术路线见图1 1 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 图1 1 研究的技术路线 f i g 1 1t h et e c h n o l o g yp r o c e s so f r e s e a r c h 1 3 2 本文的主要工作 本文主要是围绕着上海宝钢股份有限公司的板坯优化匹配项目的实施，结合实际业 务中迫切需要解决的难题，研究了板坯匹配问题的建模和相应的求解算法。具体工作包 括如下几个方面： ( 1 ) 在上海宝钢业进行实地调研，了解了钢铁企业整个生产流程以及各个部门的 协调关系。与宝钢师傅进行充分的讨论和学习，对所承担的部分进行了细致的调研工作， 还通过观察师傅手工编制无委托板坯生产计划，学习实际匹配的工艺规则及生产约束。 为本文的研究工作打下了基础，使理论研究具有实际意义。 ( 2 ) 查阅了大量的国内外会议、杂志、报告和书籍等文献，了解钢铁企业生产计 划问题的研究现状和未来发展的趋势。为本文所研究问题的建模及算法设计提供了理论 基础。 一4 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 根据调研的资料，参与编写板坯匹配优化系统的功能模块，业务流程等方面 的系统设计。 ( 4 )对于小规模问题，本文建立了一个带有绝对值问题的o 一1 整数规划模型，并 通过模型的转化，将其转化为等价的不带绝对值的混和整数规划问题，然后利用优化求 解器求得最优解，并将软件求得的结果与本文设计的启发式算法算法的结果进行比较。 ( 5 )对于大规模问题，本文提出了分组的思想，通过对调研的资料进行研究，结 合国内外文献。提出了根据钢级对合同和板坯进行分组计算的思想，这样可以大大提高 算法的效率。并依据这种思想设计了符合生产实际要求的启发式算法及分散搜索算法。 最后通过对上海宝钢的实际生产数据，将两种算法的性能进行比较。 东北大学硕士学位论文 第二章钢铁企业库存问题研究 第二章钢铁企业库存问题研究 2 1 引言 制造业是一个国家国民经济的重要组成部分，制造业的发展水平，是衡量一个国家 综合国力的重要标准。发达国家为了在全球经济上保证其经济霸主地位，有效利用各种 生产资源，提高企业的竞争能力和生存能力，针对制造业的发展战略，进行了大量的研 究。随着市场经济的发展，钢铁企业面临着越来越激烈的竞争环境，充分挖掘内部潜力 提高企业运作效率是增强企业竞争力的有效手段之一。随着制造业例如汽车、家电等行 业的发展壮大，对钢铁产品需求日益的小批量多品种化，反映在合同订单上，就是规格 和品种日益繁多。这与钢铁企业的大批量生产存在一定的矛盾，从而导致无委托板坯库 存问题日益突出。所以，研究钢铁行业的流程特点，提高钢铁产品的生产效率，以不变 的资源获取更多的利润从而降低企业成本，对于国民经济具有非常重要的意义。 库存管理是企业物料管理的核心，钢铁企业中的合同匹配工作是组织生产前对合同 的预处理过程，是实现从宏观计划到微观计划的过渡与连接。科学地管理库存，合理的 安排计划，是使企业在激烈的竞争中占据优势的重要条件。现代化钢铁企业普遍采用了 高水平连续化的生产工艺形式和面向客户合同组织生产的管理方式，但由于市场环境、 工艺技术和生产管理水平等因素的影响，使得钢铁企业很难达到离散制造业管理中所提 出的零库存目标，在钢铁生产过程中不可避免地形成一定数量的半成品余材，合理高效 地利用这些半成品库存，具有重要的经济意义，是一个值得探讨的问题。 2 2 钢铁企业物流简介 2 2 1 物流概念 物流活动具有悠久的历史，从人类社会开始有产品的交换行为起就存在了物流活 动，而物流科学的历史却很短，是- - f 新兴学科。物流一词源于日本，在中国称为“商 品储运”，在美国称为“实体分配”，指由采购、物料管理、生产、包装、装卸、保管、 销售、配送等诸多活动所构成的集合【6 1 。它是影响企业经营活动效率和效益的主要因素 之一，被称为“第三利润源泉”。在市场经济迅速发展、企业竞争曰益激烈的今天，物流 己成为扩大市场、降低成本、取得企业竞争优势的关键因素。 物流在英语中最初为p h y s i e a ld i s t r i b u t i o n ( 传统意义上的物流) ，物流科学萌芽于第 二次世界大战末期，当时美国军事部门运用运筹学和电子计算机技术有效地改善了部队 7 一 东北大学硕士学位论文 第二章钢铁企业库存问题研究 的后勤供应工作，这些技术成果后来被应用于生产和流通领域逐步形成了现代物流科 学。在2 0 世纪5 0 年代由于大生产的发展，产品数量急剧上升，生产成本相对下降，刺 激了消费，使得市场繁荣、商品丰富，在流通领域出现了超级市场、商业街登大规模的 物资集散场所。在这种背景下出现的问题使流通成本相对于生产成本而言有上升的趋 势，也就是说流通费用在商品总销售价格中的比重逐步增加，影响了商品的竞争能力。 而且人们不得不对各种物流活动的规律进行认真的研究，以便找到降低流通费用的途 径。由于是着眼于流通费用整体面不是局部，这就必须确定参考对象的范围，并且对其 结构做出分析。流通费用是在运输、保管、装卸搬运等物流活动中产生的，这些活动具 有的共同本质，与“加工”是改变“物”的形状与性质的功能有本质区别，物流活动的 功能是为了实现物资的空间或者时间上的效果，它们之间存在着相互联系、相互制约的 关系，是属于同一物流大系统。在理论上用时间维和空间维的物态变化来解释这个系统 的本质，结束了物流活动处于孤立、分散、从属地位的历史，使原来在社会经济活动中 处于潜隐状态的物流显现出来，并且以此为中心展开研究活动，逐步行成了现代物流科 学【7 1 。 企业物流是生产工艺的一个组成部分，有着很强的“成本中心”作用。在生产中，物 流对资源的占用和消耗是生产成本的一个重要组成部分。丽物流成本的高低是由各物流 环节的成本高低所决定的，要想降低物流成本，就必须降低各物流环节的成本。与发达 国家的物流业相比，我国的物流成本相对较高。据有关资料显示，我国的物流总成本约 占g d p 的1 8 ，而美国才占不到9 ；从库存情况看，我国企业产品的周转期为3 5 4 5 天，而国外一些企业的产品库存时间不超过1 0 天【5 酊。降低周转期、减少库存支出已成 为降低物流费用的主要来源。减少库存支出就是要加快资金周转、压缩库存。因此，加 速资金周转、降低库存水平已成为降低物流成本的主要途径。 目前物流的研究方向正向更高更新阶段发展，如“一体化物流”，“省能源物流”概 念的提出，对物流研究水平的提高和新领域的开拓都有重要的意义。此外随着经济活动 日趋国际化，国际物流的研究也是物流科学的新方向之一。 为了便于研究，一般按照各种标准将物流系统作了分类。如按照作用可以分为供应 物流、销售物流、生产物流、回收物流、废弃物流；按照空间范围可以分为地区物流、 国内物流、国际物流；按照性质分为社会物流、行业物流、企业物流。 东北大学硕士学位论文 第二章钢铁企业库存问题研究 2 2 2 钢铁企业生产流程 钢铁企业属于混合型制造企业，典型的钢铁企业生产包括炼铁、炼钢、连铸、模铸、 轧钢等几个加工过程，其生产流程简图如2 1 所示。在一般的钢铁企业生产过程中，炼钢 高炉将原材料和燃料冶炼成高温铁水，然后直接送往炼钢炉进行炼钢处理，处理好的高 温钢水通过模铸浇铸成钢锭或连铸加工成钢坯，钢锭和钢坯根据产品工艺要求进行粗 轧、精轧、热轧或冷轧等轧制处理后成为特定形状、特定规格的产品，有些产品还需要 进行酸洗、热处理、精整、拉拔、磨光等深加工处理，最终才能得到客户要求的钢材产 品。可见钢铁企业的生产过程总体上是一个“化整为零”的分解过程，即把几百吨的铁 水，按照用户对钢材品种、性能要求、形状规格要求等处理成钢锭、钢坯、钢材，最终 变成用户所要求的各种钢铁产品。对钢铁生产过程进行分析可以看出，从炼钢到铸锭是 一种中间不间断的连续生产过程，工艺流程基本不变，产品稳定，具有连续型生产流程 特点；而轧钢及其后续工序的生产过程是离散的，工序之间可以被中断。具有离散型生 产过程特点。 由此可见，钢铁企业物流是多段生产、多段运输、多段存储的生产和管理模式物流 种类多、工序多、形式不一。各原料、在制品和产成品包括：铁矿石、原煤生铁、废钢、 钢水、钢坯等。一般钢铁生产过程会因设备情况、质量要求、产品品种的不同雨使用的 原料、加工方法、加工工序不同。对炼铁，原料可能是铁矿石，经过铁水预处理进入转 炉，也可废钢直接进入电炉；炼钢可能经过二次精练或三次精练：轧制工序更是多种多 样。钢铁企业使用的都是大设备、成本高，操作复杂，作业的连续性强，工序连接紧密， 对时间和温度的匹配要求高。它们之间不仅存在时间平衡和温度平衡问题，而且存在资 源能力和物流平衡问题。钢铁企业间竞争主要取决于产品的供货周期、质量、价格和售 后服务。所以企业很重视降低产品成本的管理方法。 图2 1 钢铁生产流程简图 f i g 2 1f l o wc h a r to f i r o n & s t e e lp r o d u c t i o n 一9 一 东北大学硕士学位论文 第二章钢铁企业库存问题研究 2 2 3 钢铁企业物流特点 本文的主要研究的对象( 板坯库) 在物流领域按照上述标准分就分别是：生产物流、 地区物流和企业物流。以下称它为钢铁企业生产物流。 钢铁生产是从铁矿石( 或废钢) 原料投入到钢材成品产出的过程，根据各个工序间 的紧密衔接程度，大致可以分为四个主要工序：炼铁工序、炼钢工序、热轧工序和精整 ：】二序。铁矿石经过炼铁高炉处理生成高温铁水，与废钢一起投入转炉中冶炼，转化成钢 水。钢水经过模铸或连铸机固化冷却成钢锭、钢坯，间接或直接送到热轧车间，轧制成 各种规格的板卷。热轧产品可以作为成品直接出厂，也可以进行精整形成满足客户要求 的钢材产品。8 0 年代以来，围绕着节能问题又出现了连铸坯的热送、热装和直接轧制三 种工艺，将炼钢、连铸到轧钢的各工序高温直接连接，连续集成一体，进行同期化生产， 它与传统的连铸坯装炉加热轧制工艺( 简称冷装工艺) 比较，具有节能，提高产品质量 和成材率，简化生产工艺流程和缩短产品生产周期等特点。 钢铁生产过程同时具有连续型和间歇型特征，例如：高炉炼铁或转( 电) 炉炼钢、 连续铸造、热轧或精整等每道工序本身都可以看作是一个连续生产过程，但在各个工序 间的衔接是间歇的，中间可以设置缓冲。在钢铁生产过程中，冶炼阶段以化学反应为主， 轧制阶段又以物理变化为主。各工序前后衔接，包含着信息流、物质流、能量流的转换 与传递，具有复杂性、突变性和不确定性等特点。 钢铁企业由矿石生产出钢铁产品要经过非常复杂的过程，因此在生产过程中的物 流是复杂的，其主要特点有【8 】： ( 1 ) 因原料状态的变化造成物流上的复杂性 钢铁企业生产规模大，消耗原料多，从矿石到最终成品流程长，在整个生产过程中， 原料的物态、性质、状态都不断地变化，而且物流量大，使生产过程的物流管理变得复 杂。 ( 2 ) 从炼钢开始物流管理的统一性 从生产技术的特点看，炼钢工序是在比较稳定的条件下，周期性地生产出一定量的 铁水，在物流上它对炼钢、轧钢工序影响较少，但在炼钢、轧钢工序却不同，它们要根 据订货、下级厂的计划情况，制定轧钢计划，再由这个计划详细制定炼钢计划，因此在 生产物流管理和控制上，几道工序必须统一考虑。 ( 3 ) 物流过程的节奏性 在钢铁企业生产过程中，上下环节关联性强，后部环节受前部环节的约束。各主要 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章钢铁企业库存问题研究 厂之间的生产物流的密切联系，各种原料、半成品和成品的库存量以及运输设备的停留 时间等都对生产物流产生影响。 ( 4 ) 物流过程的非连续分解性 钢铁企业生产过程是非连续的分解方式，这就决定了工序之间的供需调整的必要。 只有这些调整有效，才能防止生产中断，又避免过多的库存，使物料适时、适地、适量 地流动。 钢铁企业间竞争主要取决于产品的供货周期、质量、价格和售后服务。先进的生产 管理技术和方法是实现上述目标的重要手段。生产计划和调度是钢铁生产管理的核心内 容与关键技术。它的目的是在有限的资源约束下，确定相关工件在相关设备上的加工顺 序和加工时间。它的优劣对车间在制品的库存水平，提高产品交货期满足率，提高生产 效率等至关重要。在炼钢一连铸一连轧一体化中，要求工序之间的物流衔接和时阃匹配 都很严格。钢铁企业物流系统有3 个特点： ( 1 )实时调度性； ( 2 ) 对随机干扰实现在线辨识，自动重调度； ( 3 ) 自适应性。 供应链的集成、优化管理强调的是企业各个经营环节的相互协调和优化。它的研究 内容多数是n p 完全问题。钢铁物流的这3 个特点决定了其研究范畴属于动态调度。目前 动态调度研究方法的综述性文献仅对动态调度的某类研究方法进行综述。动态调度的方 法一般可分成两大类：传统方法和智能方法。传统方法包括最优化方法和启发式方法； 智能方法包括：专家系统、智能搜索算法和m u l t i a g e n t 方法。 未来钢铁企业竞争的焦点是：多品种小批量、质优价廉、准时交货。为此许多国外 钢铁企业在设备升级和实现自动化基础上，努力建设生产管理的在线化、集成化，以实 现生产过程中的物流、信息流、资金流尽可能协调，使前后工序紧密衔接，保持物流顺 畅。这样才能实现炼钢一连铸一连轧一体化的优势，保证转炉连续出钢，连铸有较高的 连浇率，生产能稳定、均匀、有节奏运行。要实现这个目标，供应链中的各环节管理水 平是保障。 传统的物流管理只着重商品储存和运输方面的管理，把商品的流动视为独立的活 动，而现代物流管理是指企业以满足消费者需求为目标，将原料采购、生产制造、储存、 运输、销售等环节均纳入统一考虑的管理范围之内，也就是实行一体化物流管理。随着 物流一体化的深入发展，物流的内涵和外延不断扩大，进一步转化为供应链管理。钢铁 东北大学硕士学位论文第二章钢铁企业库存问题研究 企业物流的特点决定了钢铁企业的生产物流管理，根据钢铁生产物流过程的性质，其物 流管理的特点有 9 1 ： ( 1 ) 根据订货和计划进行生产的方式 钢铁企业内部炼钢、初轧、连铸、和轧钢的物流作业内容取决于订货和计划的内容， 按照反工序的方式指定物流作业计划。生产物流管理的目的就是如何使得物流系统空间 组织和时间组织协调，既保证交货期又保证设备利用率高。 ( 2 )联合生产物流管理 采取反工序方法制定生产物流计划，就必须把炼钢、连铸和轧钢联合起来进行生产 物流管理。钢铁企业的专业化和协作化程度比较高，各个阶段都是整个生产过程中的一 个环节，不但在纵向具有很强的连续性，而且相互之间的横向联系关系密切，具有很强 的协调性。 结合钢铁物流及其管理特点，现在的钢铁企业大部分都是按用户订货合同组织生 产，理论上讲应该不会有很高的库存量，但是我国目前钢铁企业内部的各种库存量却比 较高，不仅占用了大量的流动资金，增加了生产周期，提高了生产成本，有时还干扰或 者阻碍生产的正常进行。 2 3 钢铁企业的生产模式 按照订货、设计及制造的先后次序，企业分为基于库存生产( m a k e t o s t o c k ) 和 基于子订单生产( m a k e t o o r d e r ) 两种类型【1 0 1 。m t s 型企业的产品在订单到达之前已 制造成功，通过库存满足顾客的需求。这种企业一般生产标准件或进行原料的简单加工。 m t o 型企业在订单到达之后开始制造过程，由顾客提供设计资料，企业根据设计要求进 行生产【l l 】。一般来说，大批量生产的产品可采用m t s 生产方式( 也可称为备货生产) ， 例如电视机、冰箱、罐头等一般性大批量消费品。与此相对应，生产产品仅一个或极少 数量，可采用m t o 生产方式，例如专用机械、建筑物等。实际上现实生产中，即使是大 量消费的产品也有采用订单生产的；反之，即使数量很少，也有采用预期生产的。 尽管工厂不愿意采用预期生产方式，因为这可能会发生库存积压、提高成品的存储 费用的问题。但若不采用预期生产，则在需求旺季时，工厂可能会因为生产能力不足而 造成延期交货或丧失订货合同。 2 3 im t o 生产计划模式 单件小批生产是典型的基于订单的生产，其特点是按照用户订单的要求，生产规 一1 2 一 东北大学硕士学位论文 g _ - 章钢铁企业库存问题研究 格、质量、价格、交货期不同的专用产品【1 2 , 1 3 。 一般来讲，是否接受订货的决策是由公司的销售部门来做的，在与客户洽谈时，销 售部门要了解客户所要求的产品型号、规格、技术要求、数量、交货期和订货价格，每 个客户都有诸如最高限价和交货期底线等问题。这些问题涉及到公司切身的经济利益和 企业生产条件能否满足订货生产的问题。决策过程比较复杂，考虑的因素比较多，有时 出于对公司经济利益的考虑，销售部门要做出是否接受客户订单的决策，而又可能出于 对生产能力的考虑，销售公司还要与客户商谈交货期的问题。 2 3 2m t s 生产计划模式 基于库存生产的生产计划的核心内容是确定产品品种和产量，因为有了品种和产 量就可以计算产值。面向库存生产无交货期设置问题，因为顾客可直接从成品库提货。 大批和中批生产一般是面向库存生产1 4 1 。首先，销售部门应确定将要生产的品种。对于 大量大批生产，品种数少，而且既然是大量大批生产，所生产的产品品种一定是市场需 求量很大的产品。对于多品种批量生产，则有品种选择问题。确定生产什么品种是十分 重要的决策。销售部门在确定品种时一般可采用收入利润顺序法。顾名思义，收入利润 顺序法就是销售部门将生产的多种产品按照销售收入和利润由低至高进行排序，然后按 照这个顺序由低至高地设定各产品的生产优先权数。而在设定产品生产权数时，还要考 虑这样一点，对于新产品，可能会因为初入市场而销售额低，或由设计和工艺未定型而 造成该产品生产效率低，成本高，利润少的情况。相反，对于可能己处于衰退期的老产 品，虽然它的历史利润和收入都高，但其即将面临市场无需求的境地。因此，应适当增 加新产品的生产权数，降低老产品的生产权数。销售部门在确定了品种后，就必须确定 每个品种的产量。此时，不仅要考虑将生产的产品所能带来的利润，还要考虑组织生产 时的各种资源约束，如生产能力等。 2 4 钢铁企业库存的分析 2 4 1 对库存的基本认识 ( 1 )库存的概念 首先给出库存匹配的定义。 从狭义的观点看，库存仅仅指的是在仓库中处于暂时停滞状态的物资。从广义的观 点看，它表示用于将来目的的资源暂时处于闲置状态。这里要明确两点：其一，资源所 停滞的位置，可以是在仓库里、生产线上或车间里，也可以是在非仓库中的任何位置， 一1 3 东北大学硕士学位论文 第二章钢铁企业库存问题研究 如汽车站、火车站及机场码头等类型的流通结点上，甚至是在运输途中；其二，资源的 闲置状态可能由任何原因引起，而不一定是某种特殊的停滞。这些原因大体有： a 能动的各种形态的储备： b 被动的各种形态的超储； c 完全的积压。 ( 2 ) 库存的分类 根据不同的考虑问题的角度，库存可分为不同的种类。如按资源需求的重复程度可 分为单周期库存和多周期库存；按功能区分可分为波动库存、预期库存、批量库存、运 输库存和屏障库存；按库存物品的形成原因或者用处划分，可分为安全库存、储备库存、 在途库存和正常周转库存。 本文研究的库存可分为：成品库存和半成品库存。经过炼钢连铸工序后的板坯若成 为库存是半成品库存，经过精整后成为库存的是成品类。本文研究的就是合同和半成品 库存的匹配问题，将匹配完的半成品根据合同的具体要求，经过不同的精整路线加工成 成品。库存匹配问题既包括成品的库存匹配问题，也包括半成品的库存匹配问题，本文 研究的是半成品库存匹配问题，本文所研究的钢铁企业中的半成品主要是指热轧板坯库 里板坯。这些处于板坯库中的板坯又分为有委托板坯和无委托板坯。有委托板坯已经指 定给某些合同订单，这样的板坯是不需要考虑的。无委托板坯是没有指定任何合同与其 匹配的那些处于闲置状态的板坯，这些板坯可以匹配给不同的订单，再通过后续加工满 足订单的具体要求，有很大的加工柔性，可见存在很大的优化空间。 ( 3 )库存的作用 库存中的存货是一种重要的流动资产，是企业物流的重要组成部分。对存货实施科 学的管理，可以降低企业平均资金的占用水平，提高存货的流转速度和总资产周转率， 从而提高企业的经流效益；同时，对存货实施科学的管理，以及在此基础上的决策，也 是降低企业生产成本的一个十分重要的环节。企业传统的库存功能主要是对供、产、销 过程起着一种缓冲的作用库存信息的需要大部分只在财务系统上体现。随着库存控制 策略对企业经营业绩的影响，存货作为流动资金直接反映在体现企业财务状况的资产负 债表上，过少的存货会使流动比率减少，而过多的存货会积压资金，减少企业的资产收 益率，而存货反映在企业损益表上的作用。在于确定收入以前必须将被生产过程所消耗 的资源成本进行分摊。当存货增加时，由于其间成本不变，致使销售利润减少，故企业 的库存策略不仅直接影响成本，而且间接影响收入。 东北大学硕士学位论文 第二章钢铁企业库存问题研究 库存对市场的发展、企业的正常运作与发展起了非常重要的作用。具体来说库存主 要有以下作用： a 维持销售产品的稳定 销售预测性企业对最终销售产品必须保持一定数量的库存，其目的是应付市场 的销售变化。这种方式下，企业并不预先知道市场真正需要什么，只是按对市场需 求的预测进行生产，因而产生一定数量的库存是必需的。但随着供应链管理的形成， 这种库存也在减少或消失。 b 维持生产的稳定 企业按销售订单与销售预测安排生产计划，并制订采购计划，下达采购订单。 由于采购的物品需要一定的提前期，这个提前期是根据统计数据或者是在供应商生 产稳定的前提下制订的，但存在一定的风险，有可能会拖后而延迟交货，最终影响 企业的正常生产，造成生产的不稳定，为了降低这种风险，企业就会增加材料的库 存量。 c 平衡企业物流 企业在采购材料、生产用料、在制品及销售物品的物流环节中，库存起着重要 的平衡作用。采购的材料会根据库存能力( 资金占用等) ，协调来料收货入库。同 时对生产部门的领料应考虑库存能力、生产线物流情况。 ( 4 ) 库存的弊端 尽管库存是出于种种经济考虑而存在，但是库存也是一种无奈的结果它是由于人们 无法预测未来的需求变化，才不得已采用的应付外界变化的手段，也是因为人们无法使 所有的工作都做得尽善尽美，才产生一些人们并不想要的冗余与囤积不和谐的工作沉 淀。持有一些库存是必要也是有用的，库存过多却是有害的。这些影响主要包括： a 占用大量资金。 b 产生库存成本。 c 掩盖企业生产经营中存在的问题。例如，掩盖经常性的产品或零部件的制造质 量问题。当废品率和返修率很高时，一种很自然的做法就是加大生产批量和在 制品、产成品库存；掩盖工人的缺勤、技能训练差、劳动纪律松弛和现场管理 混乱问题；掩盖供应商的供应质量、交货不及时问题；掩盖企业计划安排不当、 生产控制不健全问题等等。总之，生产经营中的诸多问题，都有可能用高库存 掩盖。正因为如此，在j i t 生产方式中，把库存当作“万恶之源”，尽量通过减 一1 5 一 东北大学硕士学位论文 第二章钢铁企业库存问题研究 少库存来暴露生产经营中潜藏着的问题，从根本上解决问题，从而不断提高生 产经营系统的“体质”。 2 4 2 库存管理的意义 根据上面讨论的库存管理的内容，进行库存管理的意义在于：它能确保物流畅通， 节省生产成本，促使企业经营活动顺利。具体说来有以下几点： ( 1 )有利于资金周转，因为通过库存管理降低了库存量，这样可以把库存节省的 成本用于其它的经营项目，加快资金周转。 ( 2 ) 促使生产管理更为合理，库存管理为库存管理者提供了全面的、实时的库存 信息，这样有利于生产管理者决策的合理。 ( 3 )有利于顺利的作业，减少作业成本，通过库存管理，半成品或者成品合理的 分布在库区中，便于作业人员进行运输，同时也节省了运输的成本。 2 4 3 现代库存管理方法 对于己经形成的余材必须及时处理，否则会长期占用资金和场地，造成物流堵塞。 随着市场竞争力的日趋激烈，钢铁企业的生产管理水平不断提高，在库存控制领域形成 一些新的方法。围绕着这些库存管理的特点和方法，很多学者己经在库存控制方面做了 大量的研究。总结起来主要几种：库存分类管