автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизированная система оптимального раскроя бумажного/картонного полотна в целлюлозно-бумажном производстве

Введение.

Глава 1. Литературный обзор существующих моделей и алгоритмов оптимального раскроя бумажного/картонного полотна.

1.1. Актуальность проблемы раскроя.

1.2. Математические модели задач оптимального раскроя в ЦБП.

1.3. Обзор методов решения задачи оптимального раскроя материалов.

1.3.1. Методы генерирования множества допустимых решений.

1.3.2. Проблема целочисленности.

1.4. Постановка задачи исследования.

Глава 2. Раскрой рулонного и листового материала.

2.1. Раскрой рулонных материалов.

2.1.1. Постановка задачи оптимального раскроя рулонных материалов.

2.1.2. Этапы решения задачи оптимального раскроя.

2.1.3. Формирование исходных данных для решения задачи оптимального раскроя.

2.1.4. Формирование множества допустимых способов раскроя.

2.1.5. Оцелочисливание результатов раскроя.

2.1.6. Анализ результатов решения задачи оптимального раскроя рулонов.

2.2. Раскрой листовых материалов.

2.2.1. Постановка задачи оптимального раскроя листовых материалов.

2.2.2. Формирование исходных данных для решения задачи оптимального раскроя листовых материалов.

2.2.3. Метод и алгоритм генерирования множества способов раскроя.

2.2.4. Пример решения задачи оптимального раскроя листовой продукции.

Глава 3. Исследование работы продольно-резательного станка.

3.1. Анализ требований к исходным данным задачи оптимального раскроя бумажного/картонного полотна.

3.2. Получение рулонов на продольно-резательном станке.

3.3. Элементы конструкции продольно-резательного станка.

3.4. Система контроля и управления ПРС.

3.4.1. Алгоритм управления ПРС.

3.4.2. Система автоматического управления прижимным валом.

3.4.3. Система управления приводом ПРС.

3.5. Экспериментальное исследование работы продольно-резательного станка на производстве печатных бумаг.

3.6. Анализ влияния показателей качества бумажного полотна на вес рулонов.

3.7. Анализ влияния работы станка на плотность намотки рулонов.

3.8. Разработка рекомендаций по усовершенствованию системы управления

ПРС с целью уменьшения колебаний веса рулонов.

Глава 4. Автоматизированная система оптимального раскроя бумажного/картонного полотна.

4.1. Понятие CASE - технологий, назначение и понятие языка UML, возможности пакета Rational Rose.

4.2. Модель системы оптимального планирования раскроя на языке UML.

4.2.1. Модель системы оптимального планирования раскроя рулонной продукции.

4.2.2. Модель системы оптимального планирования раскроя листовой продукции.

4.3. Система оптимального планирования рулонной и листовой продукции.

4.3.1. Подсистема оптимального раскроя рулонов.

4.3.2. Подсистема оптимального раскроя листов.

4.4. Технико-экономическое обоснование системы оптимального раскроя.

Выводы.

В условиях целлюлозно-бумажного производства одним из способов снижения затрат на сырье и материалы является сокращение количества отходов, образующихся в процессе производства бумажной/картонной продукции. В общей системе организации и планирования целлюлозно-бумажного производства среди многих факторов оптимальный раскрой имеет важное значение.

В условиях перехода к рыночной экономике существенно расширился рынок бумажной продукции и, как следствие, появилось большое разнообразие форматов бумаги/картона. С учетом этого и исходя из высокой стоимости продукции в производстве бумаги и картона, проблема оптимального раскроя бумажного/картонного полотна становится особенно актуальной. Согласно статистике потери при раскрое бумажного/картонного полотна составляют до 4 - 6 % от общего объема продукции. С учетом многотоннажности производств бумаги и картона минимизация отходов от раскроя значительно повысит экономию ресурсов и экономическую эффективность производства [74, 77].

По проблеме оптимального раскроя опубликовано большое количество работ, начиная с конца 40-х годов [2], когда задача раскроя впервые была поставлена и решена, и до настоящего времени.

Однако, решение считающейся классической задачи оптимального раскроя в производственных условиях сопряжено с такими трудностями как, условие целочисленности решения, требование гарантированного существования оптимального решения при любых исходных данных, ограничение по количеству ножей продольно-резательного станка (ПРС), а также многих иных требований, связанных со спецификой работы отдельных предприятий.

Литературный обзор показывает, что существующие модели, алгоритмы и методы решения оптимального раскроя не обеспечивают выполнение этих требований.

С учетом этого целью диссертационной работы является создание автоматизированной системы оптимального раскроя бумажного/картонного полотна на основе методов, моделей и алгоритмов оптимального раскроя для рулонной и листовой продукции из условия обеспечения выполнения заказов на продукцию с минимальными потерями,

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие научные и практические задачи: разработка автоматизированной системы оптимального раскроя бумажного/картонного полотна; создание алгоритмического и программного обеспечения автоматизированной системы оптимального раскроя;

- построение математической модели и алгоритма решения задачи оптимального раскроя бумажного/картонного полотна на рулоны;

- разработка научно-обоснованного метода и алгоритма генерирования множества допустимых способов раскроя рулонов, а также критериев формирования множества допустимых способов для раскроя рулонов;

- построение математической модели и алгоритма решения задачи оптимального раскроя листовой продукции;

- разработка метода и алгоритма генерирования множества допустимых способов раскроя для раскроя листов;

- создание алгоритма оцелочисливания результата решения задачи оптимального раскроя;

- анализ эффективности оптимального раскроя в зависимости от режимов работы продольно-резательного станка (ПРС) и показателей качества бумаги/картона;

- анализ существующих алгоритмов и технических средств системы управления ПРС, экспериментальное исследование режимов работы ПРС, получение оценок влияния режимов работы ПРС и показателей качества бумаги на колебания веса рулонов;

- разработка предложений по усовершенствованию системы управления ПРС.

Для описания автоматизированной системы оптимального раскроя бумажного/картонного полотна использовались CASE-технологии и язык UML.

Решение задач оптимального раскроя осуществлялось методами линейного, целочисленного линейного, дискретного программирования. Обработка экспериментов выполнялась методами теории вероятности и математической статистики.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 90 наименований, и 2 приложений.

Выводы

В диссертационной работе поставлена и решена проблема оптимального раскроя рулонной и листовой продукции в производстве бумаги и картона.

Основными результатами диссертационной работы являются следующие:

1. Проведен обзор и анализ работ по решению проблемы оптимального раскроя в различных сферах производства и в частности в целлюлозно-бумажной промышленности. Проанализированы существующие методы генерирования множества допустимых способов и решения проблемы оцелочисливания. Установлено отсутствие научно-обоснованного метода генерирования множества допустимых способов. Проблема оцелочисливания полученного решения или решения целочисленной задачи раскроя в литературе практически не рассмотрена. Выявлены недостатки существующих постановок задач раскроя, а именно: несовместность ограничений, несоответствие условий постановки задач требованиям реального производства, что для целлюлозно-бумажной промышленности имеет большое значение.

2. Получена математическая модель и алгоритм решения задачи оптимального раскроя бумажного/картонного полотна на рулоны. Сравнительный анализ результатов многочисленных расчетов по математической модели и алгоритму, предложенным в диссертации и изложенным в литературе, показал, что предлагаемая в диссертационной работе модель раскроя дает более высокую точность результатов и обеспечивает их практическую реализуемость при любых исходных данных.

3. Разработаны метод и алгоритм генерирования множества способов раскроя рулонов. Предложены и проанализированы два критерия формирования множества допустимых способов. Обеспечено требование гарантированного существование решения при любых реальных данных.

4. Получена математическая модель и алгоритм решения задачи оптимального раскроя листовой продукции (бумаги/картона). Алгоритм обеспечивает многовариантный расчет плана раскроя для одних и тех же исходных данных и выбор лучшего с точки зрения пользователя варианта.

Ill

5. Разработаны метод и алгоритм генерирования способов раскроя и формирования множества допустимых способов для раскроя листов.

6. Предложен эвристический алгоритм оцелочисливания решения задачи оптимального раскроя. Показано, что алгоритм оцелочисливания, предложенный в работе, обеспечивает более точные результаты по сравнению с простым округлением в сторону ближайшего целого.

7. Выполнен анализ полученных результатов оптимального раскроя для различных исходных данных в реальных условиях целлюлозно-бумажного производства. Определена зависимость точности решения задачи раскроя от колебаний веса рулонов. Проведено экспериментальное исследование режимов работы ПРС. Получены оценки влияния режимов работы ПРС и показателей качества бумаги на колебания веса рулонов. Сформулированы предложения и рекомендации по усовершенствованию системы управления ПРС с целью стабилизации веса рулонов и, как следствие, повышения точности решения задачи оптимального раскроя.

8. Созданы модели системы оптимального планирования раскроя бумажного/картонного полотна для рулонной и листовой продукции. Модели разработаны с использованием CASE - технологий на унифицированном языке моделирования UML. Каждая модель представлена набором графических диаграмм, характеризующих различные аспекты системы.

9. Для предприятий целлюлозно-бумажной промышленности разработана интегрированная автоматизированная система оптимального раскроя бумажного/картонного полотна. Иерархическая структура системы включает на уровне общезаводского управления подсистемы планирования раскроя рулонной и листовой продукции, на уровне управления технологическим процессом и оборудованием осуществляется реализация планов раскроя на продольно-резательных станках. Внедрение автоматизированной системы на целлюлозно-бумажном производстве позволяет сократить потери от раскроя в 5 -нб раз.

10. Автоматизированная система планируется к внедрению на Санкт-Петербургском Картонно-полиграфическом комбинате.

1. Данциг Дж.Б. Линейное программирование, его применения и обобщения: Пер. с англ. Г.Н.Андрианова и др.; Общая ред. и предисл. Н.Н.Воробьева. М.: Прогресс, 1966. - 600 с.

2. Канторович Л.В. Математические методы организации и планирования производства. Л.: Ленингр. гос. ун-т., 1939. - 68 с.

3. Перепелицкий С.Н. Экономико-математические методы и модели в планировании и управлении на предприятиях лесной промышленности: Учебник для вузов. М.: Лесная промышленность, 1989. - 360 с.

4. Канторович Л.В., Залгалер В.А. Рациональный раскрой промышленных материалов. Новосибирск: Наука, 1971. - 320 с.

5. Тихомиров Б.И. Экономия материалов путем оптимального раскроя (обзорная информация). М.: ЦБТИМС, 1968. - 53 с.

6. Зуховицкий С.И., Авдеева Л.И. Линейное и выпуклое программирование. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1967. - 460 с.

7. Математическое программирование: Учебное пособие для экон. спец. вузов / Всерос. заоч. фин. экон. ин-т. / Кремер Н.Ш. и др. Под ред. Н.Ш.Кремера. - М.: АО "Финстатинформ", 1995. - 136 с.

8. Герчук ЯЛ. Проблемы оптимального планирования. (Линейное программирование) М.: Экономиздат, 1961. - 231 с.

9. Бирман И.Я. Оптимальное программирование. М.: Экономика, 1968. -232 с.

10. Математические методы и модели в планировании: Учебное пособие для экон. спец. вузов. / Л.Л.Терехов, А.Д.Шаранов, А.С.Бернштейн, С.П.Сиднев / Под общ. ред. Л.Л.Терехова. Киев: Вшцашкола, 1981. -270 с.

11. Рувинский А.А., Зак Ю.А., Рейдман P.M. Математические модели и алгоритмы в системах управления картонно-бумажным производством. М.: Лесная промышленность, 1971. - 232 с.

12. Мухачева Э.А., Рубинштейн Г.Ш. Математическое программирование. -2-е изд., перераб. и доп. Новосибирск: Наука, 1987. - 274 с.

13. Мухачева Э.А. Рациональный раскрой промышленных материалов: применение в АСУ. М.: Машиностроение, 1984. - 176 с.

14. Мухачева Э.А. Модели и методы расчета раскроя упаковки геометрических объектов. - Уфа: УГАТУ, 1998. - 216 с.

15. Баранова Л.Е., Коваленко Г.В. Оптимизация раскроя рулонных материалов с использованием ЭВМ: Методические указания к выполнению расчетной работы по курсу "Математические методы и модели в планировании и управлении". Л.: ЛТИЦБП, 1984. - 25 с.

16. Баранова Л.Е., Коваленко Г.В. Экономико-математические методы и модели в планировании и управлении целлюлозно-бумажным производством: Учебное пособие. Л.: ЛТА, 1987. - 84 с.

17. Баранова Л.Е., Люблин B.C. Моделирование процессов планирования и управления в ЦБП: Учебное пособие. СПб.: ЛТИЦБП, 1991. - 65 с.

18. Воронин А.В., Кузнецов В.А. Прикладные оптимизационные задачи в целлюлозно-бумажной промышленности. Петрозаводск: ПетрГУ, 2000. - 151 с.

19. Majiqtrim. Trim Optimization Information Package. Redmont, USA: Magiq, Inc., 1999. -35 p.

20. Базлов А.Ф., Дмитриева О.И. Решение задачи линейного раскроя на СМ ЭВМ // Математическое обеспечение рационального раскроя в системах автоматизированного проектирования: Тезисы докладов (15-17 июня 87г.). -Уфа, 1987. -Часть 1.-С.10-11.

21. Исследование операций: В 2-х т. Пер. с англ./Под ред. Дж Моудера, С.Элмаграби. М.: Мир, 1981. - Т. 1. - 712 с.

22. Вагнер Г. Основы исследования операций: В 2-х т. М.: Мир, 1973. - Т.2. -488 с.

23. Герасимов В.А., Доррер Г.А. Оптимизация календарного планирования процессов раскроя Н Математическое обеспечение рационального раскроя в системах автоматизированного проектирования: Тезисы докладов (15-17 июня 87г.). Уфа, 1987. - Часть 1. - С. 48-49.

24. Гршценко А.Н., Дворяшина Т.П. Решение задач линейного массового раскроя на микро-ЭВМ // Математическое обеспечение рационального раскроя в системах автоматизированного проектирования: Тезисы докладов (15-17 июня 87г.). Уфа, 1987. - Часть 1. - С. 55.

25. Романовский И.В. Алгоритмы решения экстремальных задач. М.: Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1977. -352 с.

26. Канторович Л.В., Горстко А.Б. Оптимальные решения в экономике. М.: Наука, 1972. - 232 с.

27. Баранова Л.Е., Харлашина Л.Г. О применении оптимальных вариантов раскроя бумаги и картона // Экономические проблемы целлюлозно-бумажной и лесохимической промышленности: Межвузовский сборник научных трудов,- Л.: ЛТИ ЦБП, 1975. Выпуск 4. - С. 40-43.

28. Медницкий В.Г. Оптимальный раскрой полосы // Экономика и математические методы М.: Наука, 1965. - Т.1, вып. 2. - С. 282-288.

29. Кузнецов В.А. Задачи раскроя в целлюлозно-бумажной промышленности. СПб.: СПбЛТА, 2000. - 132 с.

30. Буч Г. и др. Язык UML: Руководство пользователя: Пер. с англ. / Грейди Буч, Джеймс Рамбо, Айвар Джекобсон. М.: ДМК, 2000. - 427 с.

31. Харитонова И.А., Михеева В.Д. Access 2000: Разработка приложений. -СПб.: БХВ Санкт-Петербург, 2000. - 832 с.

32. Харитонова И.А., Михеева В.Д. Microsoft Access 2000. СПб.: БХВ -Санкт-Петербург, 1999. - 1088 с.

33. Трофимов С.А. Case-технологии: практическая работа в Rational Rose. -М.: ЗАО "Издательство БИНОМ", 2001. 272 с.

34. Боггс У., Боггс М. UML и Rational Rose: Перевод / Уэнди Боггс, Майкл Боггс. М.: Лори, 2000. - 580 с.

35. Калянов Г.Н. CASE структурный системный анализ (автоматизация и применение) М.: "Издательство "ЛОРИ"", 1996. - 242 с.

36. Линейное программирование: Учебно-методическое пособие / Под ред. Ю.Н.Черемных; Науч. метод, каб. по заоч. и веч. обучению МГУ им. М.В.Ломоносова. -М.: МГУ, 1992. 176 с.

37. Канторович Л.В. Экономический расчет наилучшего использования ресурсов. М.: АН СССР, 1959. - 344 с.

38. Айда-заде К.Р., Сидоренко Н.С. Об одном подходе к построению комбинированных алгоритмов оптимизации // Техническая кибернетика. 1982. -Вып. 6.- С. 87-93.

39. Курмангалеева A.M. Использование пакетов линейного программирования для решения задач линейного массового раскроя: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Л., 1981. - 16 с.

40. Окунев Б.В. Разработка алгоритма управления эффективным раскроем сырья: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Моск. энергет. ин-т (Техн. ун-т). М., 1995. - 20 с.

41. Брегман Л.М., Ибатуллина С.М., Курмангалеева A.M. Задачи массового раскроя в пакете линейного программирования ЛП-ЛГУ // Программное обеспечение АСУ: Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции. Калинин, 1983, - С. 145.

42. Барышников В.Д. Автоматизированные электроприводы современных высокопроизводительных продольно-резательных станков для бумаги и картона. Л.: ЛДНТП, 1964. - 40 с.

43. Шестаков В.М. Регулируемые электроприводы отделочных агрегатов целлюлозно-бумажной промышленности. М.: Лесная промышленность, 1982. - 160 с.

44. Киселев С.С. Эксплуатация и ремонт бумагорезательных машин. М.: Лесная промышленность, 1973. - 208 с.

45. Барышников В.Д., Куликов С.Н. Автоматизированные электроприводы машин бумагоделательного производства. Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние,1982. 144 с.

46. Куликов С.Н. Электропривод машин бумагоделательного производства: Учебное пособие. Л.: ЛТА, 1989. - 65 с.

47. Швецов Я.Н. Качество рулонов бумаги. М.: Лесная промышленность,1983.-88 с.

48. Шестаков В.М. Автоматизированные электроприводы бумаго- и картоноделательных машин. М.: Лесная промышленность, 1978. - 176 с.

49. Борисов Ю.М., Липатов Д.Н., Зорин Ю.Н. Электротехника: Учебник для ВУЗов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, - 1985. - 552 с.

50. Вентцель Е.С. Теория вероятности. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1958. - 464 с.

51. Зак Ю.А., Рейдман P.M., Рувинский А.А. Методы оптимизации и их применение в целлюлозно-бумажной промышленности. М.: Лесная промышленность, 1973. - 248 с.

52. Участкина З.В. Экономика целлюлозно-бумажной промышленности: Учебник для ВУЗов. -2-е изд., перераб. М.: Лесная промышленность, - 1973. -205 с.

53. Лебедев А.Н., Куприянов М.С., Недосекин Д.Д., Чернявский Е.А. Вероятностные методы в инженерных задачах: Справочник. СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отделение, 2000. - 333 с.

54. Шкарин С.А. Каландрирование и резка бумаги. М.: Лесная промышленность, 1976. 64 с.

55. Смирнов Ю.Н., Фейгин В.Б., Чичаев В.А. Оборудование для отделки и резки бумаги. М.: Лесная промышленность, 1985. - 200 с.

56. Фляте Д.М. Технология бумаги: Учебник для вузов. М.: Лесная промышленность, 1988. - 440 с.

57. Кац М.И., Ратнер С.Ю. Унифицированный ряд продольно-резательных станков // Бумагоделательное машиностроение. Л.: ЦНИИбуммаш, 1980. - С. 83-86.

58. Люханов Б. И. Оптимальная структура рулонов и требуемый закон осевой намотки // Бумагоделательное машиностроение. Л.: ЦНИИбуммаш, 1978. - С. 60-64.

59. Гурвич Ю.В., Каплан Д.А., Кацнельсон Г.Н., Нихамкин Э.А. Влияние основных параметров на производительность продольно-резательного станка. // Бумагоделательное машиностроение. Л.: МАШГИЗ. Ленингр. отд-ние, 1961. -С. 155-172.

60. Эйдлин И Я. Бумагоделательные и отделочные машины: Учебник. М.: Лесная промышленность, 1970. - 624 с.

61. Куликовский П.К., Шустов А.Д. Электропривод машин ЦБП. М.;Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 372 с.

62. Ремизова И.В. Автоматизация оптимального планирования раскроя бумажного полотна // Четвертая Санкт-Петербургская Ассамблея молодых ученных и специалистов: Тезисы докладов. Санкт-Петербург, 1999. - С. 59.

63. Коннэл Дж. VB 6.0. Введение в программирование баз данных. М: ДМК, 2000.-718 с.

64. Описание продольно резательного станка "Wartsila" KL1000V. Технические характеристики. - Хельсинки, Финляндия: Wartsila Co., 1985. - 64с.

65. Качество и характеристики рулонов: Обзорная информация. Хельсинки, Финляндия: Wartsila Co., 1985. - 22 с.

66. Прижимной вал. Технические характеристики. Хельсинки, Финляндия: Valmet, Inc., 1998. - 17 с.

67. Transducer amplifier Н 4 - ATA. Function manual. - Karlskoga, Sweden: Nobel Electronic, 1992. - 6 p.

68. System bore function generator kg. Description Operation - Data. - Sweden: Bofors Electronik, 1992. - 6 p.

69. Г.Буч Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами на С++. Перевод / Грейди Буч. М.: ДМК, 1998. - 630 с.

70. Scott W. Ambler How the UML Models Fit Togever // Software Development magazine. 1998. - 34 p.

71. Техническая документация станков фирмы «Wartsila». Хельсинки, Финляндия: Wartsila Co., 1985. - 32 с.

72. LECO 85 length counter. Function manual. Helsinki, Finland: Ftromberg, 1980. - 34 p.----,,,,,-,.,l,.,j.J 3 2«»№Л><фи ft. 1 1"" 111 B9VZ П5Г клш f .J/" ' ,f , .„ „ , .^ ЙДО11(>*ая1 f i<<ftit><f' * ШфШшт®^ .imVIM Ли-йиlife fiSTi : It I-*

73. J J ii?< <». J I t v ' - ' V.* "IJ'vрщрщ1.У- S ?

74. Метёные дтше а тсьрш р$мто& Ш .v а .:и ■ wI1. HezR olls I mi1. ШШШШШШШ^ШШШШ

75. J""X>.<"" '." ' ^ " ^ } Jo ^ Vibf-I^V Ij tlpfiCHOmi pw <р?ГМ J^jftet'fV/h fW/tytW I 11. ШЁШШШ ПШЁШШ1. И»