基于層次分析法的儲(chǔ)位模糊多準(zhǔn)則優(yōu)化方法

蔡雁 吳敏等

2.中南大學(xué) 先進(jìn)控制與智能自動(dòng)化湖南省工程實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙410083）

摘要：針對(duì)鋼鐵企業(yè)原料場(chǎng)儲(chǔ)位選擇問(wèn)題，以提高料場(chǎng)利用率和穩(wěn)定原料成分為目標(biāo)建立了儲(chǔ)位優(yōu)化準(zhǔn)則，并結(jié)合三角模糊數(shù)和層次分析法提出了一種新型的原料場(chǎng)儲(chǔ)位優(yōu)化方法，為到達(dá)原料場(chǎng)的每種原料尋找最優(yōu)儲(chǔ)位.實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果表明，該優(yōu)化方法不僅能實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)位的自動(dòng)選擇，還能顯著提高料場(chǎng)利用率和原料成分穩(wěn)定性，具有廣泛的應(yīng)用性.

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)位選擇；層次分析法（AHP）；三角模糊數(shù)；優(yōu)化模型

中圖分類(lèi)號(hào)：TP13文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，中國(guó)的鋼鐵企業(yè)發(fā)展迅速.大部分企業(yè)往往通過(guò)建設(shè)新的原料場(chǎng)來(lái)滿(mǎn)足市場(chǎng)需求的增加，但是在當(dāng)前土地資源緊缺的情況下，要建設(shè)新的原料場(chǎng)耗費(fèi)的資金過(guò)于龐大.然而，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)原料場(chǎng)存在利用率不高的問(wèn)題.同時(shí)，隨著生產(chǎn)設(shè)備的大型化，鋼鐵企業(yè)對(duì)原料質(zhì)量及其穩(wěn)定性的要求也越來(lái)越高[1].因此，尋找一種合理有效的方法來(lái)提高原料場(chǎng)利用率和原料成分穩(wěn)定性已刻不容緩.

目前，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)原料場(chǎng)儲(chǔ)位優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了研究，主要集中在以下幾個(gè)方面：采用專(zhuān)家控制方法可以將現(xiàn)場(chǎng)管理人員的經(jīng)驗(yàn)作為專(zhuān)家知識(shí)參與到?jīng)Q策中，提高輸入配置計(jì)劃的合理性[2]，然而該方法制定的計(jì)劃與人工制定的計(jì)劃基本一致，沒(méi)有達(dá)到提高料場(chǎng)利用率的目標(biāo).嵌入隨機(jī)迭代局域搜索策略的禁忌搜索算法[3]能對(duì)原料場(chǎng)存儲(chǔ)分配問(wèn)題進(jìn)行求解，并增強(qiáng)全局搜索能力，但是對(duì)儲(chǔ)位選擇影響因素的考慮不全面.現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法雖然可以將礦石料場(chǎng)位置分配問(wèn)題歸結(jié)為特殊的整數(shù)規(guī)劃模型，并形成易于求解的典型運(yùn)輸問(wèn)題模型[4]，但也不能從根本上解決料場(chǎng)利用率和原料成分穩(wěn)定性的問(wèn)題.

第6期蔡雁等：基于層次分析法的儲(chǔ)位模糊多準(zhǔn)則優(yōu)化方法

國(guó)外鋼鐵企業(yè)如歐洲、澳洲等一些地方的國(guó)家由于鐵礦粉品種單一，只要建立一些簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型就可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)位優(yōu)化[5].因此，國(guó)外鋼鐵企業(yè)的原料場(chǎng)儲(chǔ)位優(yōu)化就顯得簡(jiǎn)單容易得多.

由于國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)原料具有來(lái)源廣泛、品種繁多、數(shù)量龐大、庫(kù)存統(tǒng)計(jì)不準(zhǔn)確以及外在影響因素比較嚴(yán)重等特點(diǎn)[6]，所以原料的各種存儲(chǔ)方案的評(píng)價(jià)是一個(gè)定性和定量相結(jié)合的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題.而層次分析法[7]（Analytical Hierarchy Process，AHP）是在多目標(biāo)、多準(zhǔn)則條件下，對(duì)多種對(duì)象進(jìn)行評(píng)價(jià)的一種簡(jiǎn)潔而有力的工具，適用于解決復(fù)雜而難以結(jié)構(gòu)化，即無(wú)法完全用定量方法進(jìn)行分析決策的問(wèn)題.因此，采用AHP方法可以確定每個(gè)決策人員賦予各準(zhǔn)則的權(quán)重值，解決準(zhǔn)則難以量化的問(wèn)題.

但是，由層次分析法得出各準(zhǔn)則的權(quán)重值只能反映個(gè)人對(duì)準(zhǔn)則的判斷，沒(méi)有綜合所有參與決策者的判斷.傳統(tǒng)的方法是采用算術(shù)平均值或幾何平均值進(jìn)行計(jì)算，這些方法雖然簡(jiǎn)單，但是只能反映各準(zhǔn)則權(quán)重值中的一種，不夠全面.

為了把所有決策者的判斷都考慮在內(nèi)，本文采用模糊集合理論中的三角模糊數(shù)（Triangular Fuzzy Number，TFN）方法[8]表示各準(zhǔn)則的權(quán)重值，以全面反映各種情況.

1儲(chǔ)位決策準(zhǔn)則

本文以某鋼鐵公司360 m×360 m 燒結(jié)機(jī)配套原料場(chǎng)為研究對(duì)象，它主要負(fù)責(zé)存放來(lái)自國(guó)內(nèi)外不同種類(lèi)的鐵原料，如圖1所示.該原料場(chǎng)總共有3個(gè)料條，分別稱(chēng)為A，B，C料條，每個(gè)料條長(zhǎng)600 m，寬46 m，儲(chǔ)料上限為45萬(wàn)t，有4臺(tái)堆取料機(jī)在相鄰料條間進(jìn)行堆料.

為了達(dá)到料場(chǎng)儲(chǔ)位優(yōu)化的目標(biāo)，結(jié)合料場(chǎng)管理人員的經(jīng)驗(yàn)分析，制定了以下7條準(zhǔn)則，并定義各評(píng)估準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言變量[9].

1）不同種原料的分散性A.為避免不同種類(lèi)的鐵礦石出現(xiàn)混料現(xiàn)象，不同種原料必須分開(kāi)堆放.定義語(yǔ)言變量如表1所示.

2）同種原料的分散性B.同一種原料應(yīng)該存放在2個(gè)料條上，以避免因作業(yè)設(shè)備的機(jī)械故障造成物料無(wú)法取用的現(xiàn)象.定義語(yǔ)言變量如表2所示.

（3）相近原料的集中性C.成分相近的原料應(yīng)相鄰堆放，以減少原料混合堆放引起的成分波動(dòng).定義語(yǔ)言變量如表3所示.

如果對(duì)比矩陣P符合一致性指標(biāo)要求，則對(duì)特征向量s進(jìn)行歸一化處理，即可求得決策者k（k=1，2，…，6） 賦予7條評(píng)估準(zhǔn)則的權(quán)重值，如表10所示.

2.3儲(chǔ)位期望值及最優(yōu)儲(chǔ)位的求解

為了得到儲(chǔ)位i對(duì)應(yīng)準(zhǔn)則j的模糊期望值qj（i），每個(gè)決策人員需要根據(jù)自身專(zhuān)業(yè)知識(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)以語(yǔ)言變量的方式對(duì)各個(gè)準(zhǔn)則進(jìn)行判斷，并以三角模糊數(shù)表示.語(yǔ)言變量與三角模糊數(shù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如表11所示.

在求得各準(zhǔn)則的模糊權(quán)重值sj和儲(chǔ)位模糊期望值qj（i）之后，將它們代入式（1），應(yīng)用三角模糊數(shù)的乘法和加法準(zhǔn)則計(jì)算出f，結(jié)果仍是一個(gè)三角模糊數(shù)，再采用加權(quán)平均法對(duì)該三角模糊數(shù)進(jìn)行反模糊化，就可以得到目標(biāo)函數(shù)的非模糊值，再將所有儲(chǔ)位的非模糊值從大到小進(jìn)行排序，就可以得出各存儲(chǔ)位置的優(yōu)劣性，非模糊值最大的儲(chǔ)位即為最優(yōu)儲(chǔ)位.

3實(shí)例驗(yàn)證及結(jié)果分析

以某鋼鐵公司360 m×360 m燒結(jié)機(jī)配套原料場(chǎng)2011年某日的實(shí)際數(shù)據(jù)為例，應(yīng)用開(kāi)發(fā)的原料場(chǎng)儲(chǔ)位管理系統(tǒng)，可以方便地求出當(dāng)天到達(dá)原料場(chǎng)的各種原料的最優(yōu)存儲(chǔ)位置，如表12所示.此時(shí)，原料場(chǎng)上空料區(qū)的情況為：A料條有7個(gè)空位（儲(chǔ)位號(hào)分別為1～7），B料條有8個(gè)空位（儲(chǔ)位號(hào)分別為8～15），C料條有12個(gè)空位（儲(chǔ)位號(hào)分別為16～27）.

為了更好地驗(yàn)證該模型的有效性，進(jìn)行了原料場(chǎng)儲(chǔ)位管理系統(tǒng)的試運(yùn)行，并將該自動(dòng)儲(chǔ)位選擇方案與人工經(jīng)驗(yàn)選擇方案的效果進(jìn)行對(duì)比，如對(duì)比的內(nèi)容主要是料場(chǎng)利用率和原料成分的穩(wěn)定性.

原料成分的穩(wěn)定性主要是指原料的鐵品位、氧化鈣含量、二氧化硅含量、氧化鎂含量、氧化鋁含量和硫含量等化學(xué)成分的穩(wěn)定性.鐵礦石的品位指的是鐵礦石中鐵元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，通俗來(lái)說(shuō)就是含鐵量.在鋼鐵生產(chǎn)中，各種原料需要按照一定的配比進(jìn)行混勻形成中和料，而配比是根據(jù)各種原料的化學(xué)成分制定的.因此，中和料鐵品位的實(shí)際值與目標(biāo)值的偏差越小，各種原料成分的穩(wěn)定性越高.從圖4和圖5可以看出，使用自動(dòng)儲(chǔ)位選擇后中和粉鐵品位實(shí)際值與期望值的偏差明顯比人工經(jīng)驗(yàn)選擇的偏差小.

4結(jié)論

針對(duì)多目標(biāo)、多準(zhǔn)則，且各準(zhǔn)則難以量化的原料場(chǎng)儲(chǔ)位問(wèn)題，提出了一種基于層次分析法的模糊優(yōu)化方法.通過(guò)對(duì)影響料場(chǎng)利用率和原料成分穩(wěn)定性的各種因素進(jìn)行分析，建立了儲(chǔ)位優(yōu)化準(zhǔn)則.應(yīng)用層次分析法確定各個(gè)準(zhǔn)則的權(quán)重值，解決了準(zhǔn)則難以量化的問(wèn)題.使用三角模糊數(shù)的方法表示權(quán)重值和期望值，提高了優(yōu)化結(jié)果的合理性.現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明，采用該方法建立的系統(tǒng)可以顯著提高料場(chǎng)利用率和原料成分的穩(wěn)定性，大大降低了企業(yè)管理成本，具有廣泛的應(yīng)用前景.

參考文獻(xiàn)

[1]陳益輝. 混勻料場(chǎng)堆位配置方案的比較[J]. 燒結(jié)球團(tuán)， 2009， 34（1）： 27-29.

CHEN Yihui.Compare and analysis on locality configuration schemes of blended piles[J]. Sintering and Pelletizing， 2009， 34（1）： 27-29. （In Chinese）

[2]羅首章， 丁守虎. 專(zhuān)家系統(tǒng)在料場(chǎng)智能化管理系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 寶鋼技術(shù)， 2002（6）： 1-4.

LUO Shouzhang， DING Shouhu. Application of expert system in intelligent management system of baosteel yard[J]. Baosteel Technology， 2002（6）： 1-4. （In Chinese）

[3]李韶華， 唐立新. 大型鋼鐵企業(yè)原料場(chǎng)存儲(chǔ)分配問(wèn)題的研究[J]. 控制與決策， 2006， 21（6）： 656-660.

LI Shaohua， TANG Lixin. Storage space allocation in material yards of integrated iron and steel plants[J]. Control and Decision， 2006， 21（6）： 656-660. （In Chinese）

[4]尤藝， 周立新， 孫焰. 寶鋼礦石料場(chǎng)庫(kù)位分配優(yōu)化數(shù)模研究[J]. 物流科技， 2009（11）： 79-81.

YOU Yi， ZHOU Lixin， SUN Yan. Study on optimization model of stock site distribution of ore yards at Baosteel company[J]. Logistics SciTech， 2009（11）： 79-81. （In Chinese）

[5]GOLDBLATT Y. Optimization tool helps to reduce raw material costs at Arcelormittal Dunkerque[J]. MPT Metallurgical Plant and Technology International， 2009， 32（3）： 26-29.

[6]沈中衛(wèi)， 黃新庭. 鋼鐵企業(yè)散裝料場(chǎng)問(wèn)題分析及解決方案[J]. 冶金管理， 2006（1）： 49-52.

SHEN Zhongwei， HUANG Xinting. Analysis and solution of bulk material field problems in iron and steel company[J]. Metallurgical Management， 2006（1）： 49-52. （In Chinese）

[7]彭婷， 姜佩華. 層次分析法在環(huán)境績(jī)效評(píng)估中的應(yīng)用[J]. 能源與環(huán)境， 2007（1）： 13-15.

PENG Ting， JIANG Peihua. AHP in the application of environmental performance evaluation[J]. Energy and Environment， 2007（1）： 13-15. （In Chinese）

[8]ZADEH L A. 模糊集合、語(yǔ)言變量及模糊邏輯[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 1982：199.

ZADEH L A. Fuzzy sets， linguistic variables and fuzzy logic[M]. Beijing： Science Press， 1982：199. （In Chinese）

[9]胡子義， 譚水木. 模糊環(huán)境下的語(yǔ)言決策方法研究[J]. 微計(jì)算機(jī)信息， 2006（9）：215-217.

HU Ziyi， TAN Shuimu. Study of language decision making in fuzzy environment[J]. Micro Computer Information， 2006（9）：215-217. （In Chinese）

[10]劉新憲， 朱道立. 選擇與判斷： AHP（層次分析法）決策[M]. 上海：上海科學(xué)普及出版社， 1990：228.

LIU Xinxian， ZHU Daoli. Selection and judgment： AHP （analytic hierarchy process） decision[M]. Shanghai： Shanghai Scientific Popularization Press， 1990：228. （In Chinese）