第六届吉林省高等学校教学名师奖.ppt

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1、打孔机生产效能提高的优化方案,汇报人 扈诗扬,一、问题重述,打孔是印刷线路板的重要组成部分之一，打孔的加工费用通常占制板费用的30%到40%，打孔机主要用于在制造印刷线路板流程中的打孔作业.因此我们要研究的问题旨在提高某类打孔机的生产效能.打孔机的生产效能主要取决于三个方面：即单个过孔的钻孔作业时间和钻头的行走时间以及刀具的转换时间.现有某种钻头，上面装有8种刀具a，b，c， , h，依次排列呈圆环状，如右图所示.,某种钻头上8种刀具的分布情况,并且8种刀具的顺序固定，不能调换.钻孔在加工作业时，一种刀具使用完毕后，可以转换使用另一种刀具.相邻两刀具的转换时间是18 s，作业时，可以采用顺时针

2、旋转的方式转换刀具，也可以采用逆时针的方式转换刀具.将任一刀具转换至其它刀具处，所需时间是相应转换时间的累加，例如，从刀具a转换到刀具c，所需的时间是36s（采用顺时针方式）.为了简化问题，假定钻头的行走速度是相同的，为180 mm/s，行走成本为0.06元/mm，刀具转换的时间成本为7元/min.刀具在行走过程中可以同时进行刀具转换，但相应费用不减.不同的刀具加工不同的孔型，有的孔型只需一种刀具来完成，如孔型A只用到刀具a.有的孔型需要多种刀具及规定的加工次序来完成，如孔型C需要刀具a和刀具c，且加工次序为a，c.下表列出了10种孔型所需加工刀具及加工次序（标*者表示该孔型对刀具加工次序没有

3、限制）.我们要建立的数学模型需要完成以下问题：,（1）附件1提供了某块印刷线路板过孔中心坐标的数据，单位是密尔（1/100mil）（也称为毫英寸，1 inch=1000 mil），计算出单钻头作业的最优作业线路（包括刀具转换方案）、行走时间和作业成本.（2）为提高打孔机效能，现在设计一种双钻头的打孔机，两钻头可以同时作业，且作业是独立的，即可以两个钻头同时进行打孔，也可以一个钻头打孔，另一个钻头行走或转换刀具.为避免钻头间的触碰和干扰，在过孔加工的任何时刻必须保持两钻头间距不小于3cm.为使问题简化，我们可以将钻头看作质点.（i）针对附件1的数据，给出双钻头作业时的最优作业线路、行走时间和作业

4、成本，并与传统单钻头打孔机进行比较，其生产效能提高多少？（ii）研究打孔机的两钻头合作间距对作业路线和生产效能产生的影响.,10种孔型所需加工刀具及加工次序,二、模型假设,1.假设对于同一孔型钻孔作业时间都是相同的；2.假设每个孔型加工完后不再加工；3.假设钻头在加工同种孔型时不进行刀具转换；4.假设钻头在孔间以直线方式行走时不走弯路；5.假设周围环境对钻头和刀具没有干扰；6.假设加工每块板工作过程中，无刀具磨损、损坏情况，中途无间断.,三、符号说明,四、问题的分析,问题一： 问题一中要研究的是最优作业线路和行走时间及作业成本这三个问题，很显然这是一个典型的组合优化问题. 由于有的孔型需要多种

5、刀具共同加工，而且有的刀具有转刀顺序，有的转刀没有顺序，这更加剧了问题的复杂性，为此，我们将需要多种刀具加工的一种孔型看成需要单种刀加工的多种孔型，即这些孔的位置相同但是代表不同的孔型，通过这种孔点拆分思想可以大大简化问题. 考虑到需要处理2124个数据，如果用常规方法很难求解.因此这是一个典型的组合优化问题，所以我们巧妙的利用K-means聚类分析方法将2124个孔的过孔中心坐标分为92类，经过线性回归分析，这92类点孔很具有代表性. 对于刀具转换顺序问题，通过约束条件建立整数0-1规划模型,以成本为目标函数进行求解，从而求得刀具最优作业路线和行走作业时间及最小成本.最终得到较为合理的分配方

6、案.,问题二:（i）首先在问题一的基础上，我们把双钻头作业路线转化为单钻头二次行走路线问题，为了得到最大生产效能，又设计两套方案分别进行求解，通过比较三套方案生产效能得出最优作业线路进而得到行走时间和作业成本.（ii）问题研究的是两钻头合作间距对作业线路和生产效能产生的影响. 考虑到两钻头间距d是一个不定变量，它随着线路改变不断发生变化，因此我们有选择性的选取一组d值，在钻头间距d值不断变化下，求出对应的最优作业路线和最大生产效能，然后绘制出生产效能随两钻头工作间距随d值变化的曲线.然后利用图像分析法得到最优值d时的最优路线和生产效能. 通过曲线可以研究打孔机的两钻头合作间距对作业路线和生产效

7、能产生的影响.,五、模型的建立与求解,图2,5.2问题一的解决5.2.1作业成本的各项费用根据产生关系如下图1：,图1.作业成本的各项费用关系,图2. 2124个孔的中心坐标示意图,返回,K-means函数的聚类效果，得出A、B、C、D、E、F、G、H、I、J10种类型孔的K均值，如下 图3所示 ：,图3.8种类型孔的K均值图,图4.8种类型孔的K均值图,K均值曲线分析：从上述曲线可以看出，K均值呈现先上升后下降的趋势，由此我们得出8种孔型的K均值分类如表一所示：,聚类分析的合理性检验：通过上述方法，最终我们将所有点孔归为92类点孔.利用Matlab软件将这92类点孔绘制成散点图，如图5所示.

8、通过该图可以发现这92类点很具有代表性，能反映所有数据的分布规律.,表一.K均值分类表,图5.92类点孔中心坐标示意图,孔点拆分法：由于有的孔型需要多种刀具加工，为了简化加工过程，将需要多种刀具加工的一种孔型转化为仅需要一种刀具的多种孔型.基于此方法，将92类点孔转化为134类点孔进行加工.,最小成本模型的建立：,目标函数式为满足生产总成本最小模型，涵盖了刀具转换费用与行走费用二个阶段的评价指标，其中约束式,两式表示所有孔最后均被打完，且不重复.约束式表示在达到生产成本最小的前提下，尽量使行走路程规定在实际加工的范围内，约束式中 为修正系数表明在用钻头加工需要多种刀具加工孔型的换刀顺序.,六、

9、模型的求解,最小成本模型的求解： 该最小成本模型求解的是组合模型中的0-1规划问题，利用Lingo软件进行求解，以最小成本为衡量标准，单钻头作业的最优作业线路和刀具转换方案如表二所示：,表二.最优作业线路和刀具转换方案,表三,表三.最优作业线路和刀具转换方案,由表三数据分析：通过对改进后刀具转换方案的分析，最小加工时间475.18s，与刀具转换方案优化前相比较，加工时间减少u=889.18-475.18=414.00s，不难发现改进后的优化方案更具有实用价值.问题二：双钻头作业时最优作业线路，行走时间和作业成本的讨论：我们定义了3个评价原则:在打完所有孔的情况下，作业时间最短；在打完所有孔的情

10、况下，成本最小；在打完所有孔的情况下，生产效能最大.评价标准：生产效能= -总加工费用总加工时间,问题二（i）模型的建立：求解单钻头打孔机第一次行走路线： 通过对问题的分析，把双钻头作业问题转化为单钻头两次行走作业路线问题，在保证打完所有孔情况下以两次行走路线中最近距离不小于3cm为约束条件,以生产效能最大为目标函数建立模型如下:,其中, 其中目标函数表示单钻头打孔机按第一次行走路线最大生产效能；约束式表示单钻头打孔机按第一次行走路线可以不必走完所有点孔；约束式表示当两孔型间的距离3cm时，单钻头没有从i孔到j孔.求解单钻头打孔机第二次行走路线： 单钻头打孔机第二次行走路线是在第一次的行走路线

11、的基础上打完剩余的点孔，以最小生产效能为目标函数求解出最优作业路线.,模型的求解： 通过对模型的分析要研究的问题是0-1的规划 问题，因此利用Lingo软件得到单钻头打孔机两次最优作业路线和具体转刀方案，如表四所示：,表四.钻头1最优作业路线和具体转刀方案,表五.钻头2最优作业路线和具体转刀方案,双钻头最优作业路线分析：基于表四，表五中的作业路线和转刀方案，同样用模拟退火法准确地计算出每一类的数据，经整合后得到表六：,表六.单双钻头的对比,双钻头方案的进一步探究：方案二：成本最小目标函数：,在上一问的基础上，利用Lingo软件得出双钻头的最优路线及刀具转换方案，如下表：,表七.钻头1最优路线及

12、刀具转换方案,表八.钻头2最优路线及刀具转换方案,方案三 ：加工时间最小目标函数,问题二（ii）由题意可知，两钻头间距对作业路线和生产效能有影响，因此假定两钻头的合作间距为d，则把生产效能看做合作间距的函数. 然而实际生活中很难直接发现他们的规律，所以我们对此方法做了进一步改进，运用图像统计出不同d值下的生产效能，画出曲线如图6所示：,图6.生产效能曲线图,图像分析：通过该图像的走向趋势，我们发现如下规律：当两钻头合作间距大于3cm且小于3.90cm时，生产效能随着两钻头合作间距的增大而增大.当两钻头合作间距大于3.90cm时，生产效能随着两钻头合作间距的增大而减小.当两钻头合作间距等于3.9

13、0cm时，生产效能最大.七、模型评价与优化（1）优点：在建立模型的过程中，做出了一些假设，去掉了一些不合理实际情况的干扰，降低了建模的复杂度.在开始建模前的数据预处理中用到了矩阵的相关运算，易于用数学软Matlab求解和验证.在部分模型的建立和求解中，考虑到算法实现时的时间复杂度和空间复杂度，将问题简化处理得到近似最优解，在实际问题的解决中，该处理方法拥有较高的适用性.通过两个互补模型的连立复合，对刀具转换顺序进行了合理的限制.,（2）缺点：本模型对钻孔加工的合理范围缺乏描述，造成解出现一些误差.由于模拟退火算法需要一些特定的初值.所以初值的选取好坏对最终结果有一定影响. 由于对模型进行了简化

14、处理，所得结果与实际精确值存在一定误差. （3）模型优化1.本文在讨论刀具转换顺序的问题中，假设同一种孔型不需要转换刀具，对于两种刀具的孔型在现实生产中是需要考虑的，模型可以考虑朝这个方向进行优化.2限于本文一些参数为假设数值或自定义，如针对题目中问题的求解结果可能会出现一定误差；文中假设限于本文计算和讨论，针对某一实际印刷线路板，需要更为复杂的模型建立和数值求解.另外，文中所用的部分数值已将现实问题简化，实际钻刀打孔的影响因素有很多，该模型在应用中需要适当修正或调整部分参数，并加以改进.,八、模型的推广 通过对题目的解读不难发现这是一个组合优化问题，组合优化问题是规划的一个重要分支，它在解决

15、城市建设、公共设施安置、工业生产选址等中都发挥着重要的作用. 文中建立的“单钻头作业的最优作业线路”算法具有通用性，可以推广至大型超市、医院、小区内居民服务点的设点问题，该模型能够对已知相关数据的区域或路网，进行合理规划，合理选用给出的优化算法，可实现城市基础设施服务民众的高效性.,参考文献：1姜启源.数学模型M.北京:高等教育出版社,2011.2科曼.算法导论M北京:机械工业出版社,2008.3董文永.最优化技术与数学建模M.北京:清华大学出版社2010.4周正武，丁同梅，王晓峰，田毅红.孔群加工路径优化方法的研究J.机械研究及应用 ，第03期，2006年.5 蒋庆丰，李梓，程晓旭.K-Means聚类算法研究及图形演示的实现J. 信息技术, 第03期,2010.6 姚国辉.若干组合优化问题的算法研究J.计算机软件与理论,2009.,衷心感谢！,