基于AutoCAD的礦山生產計劃優化系統設計與實現

侯定勇，李翠平，趙怡晴，李仲學

(金屬礦高效開采與安全教育部重點實驗室,北京科技大學資源工程系, 北京 100083)

基于AutoCAD的礦山生產計劃優化系統設計與實現

侯定勇，李翠平，趙怡晴，李仲學

(金屬礦高效開采與安全教育部重點實驗室,北京科技大學資源工程系, 北京 100083)

通過對礦山企業生產流程進行分析，建立一個通用的煤炭企業生產計劃優化目標規劃模型，利用ObjectARX與lingo的二次開發技術，在AutoCAD環境下設計與實現礦山生產計劃優化系統。集成AutoCAD系統與生產計劃優化系統，從而更加方便設計人員在統一的環境下進行業務工作。

煤炭企業；生產計劃優化；目標規劃；AutoCAD；ObjectARX；lingo

0 引 言

煤炭企業生產是一個復雜的工業過程，從采場開采到選廠加工到最終生成產品煤交付給客戶是一個連續的供應鏈流程，由于客觀條件的限制，煤炭企業總是在一定約束條件下進行生產， 因此企業必須實現有限資源下對目標追求的最大化，從而實現最優生產，幫助煤炭企業實現集約化發展，提高煤炭企業的競爭能力。

AutoCAD是工業領域中應用最廣泛的設計軟件之一，在礦業中，礦山的相關設計大多是利用AutoCAD系統進行圖紙化表述，AutoCAD簡潔的工作界面和高效的繪圖能力使之很受歡迎，同時AutoCAD提供了ObjectArx二次開發環境可以方便的使第三方開發者擴充軟件功能，整合自己需要的業務模塊。

本文研究煤炭企業生產計劃優化通用模型的構建，通過建立優化模型，在AutoCAD環境下實現求解，并實現生產流程的可視化，從而為企業決策提供支持。

1 系統設計

1.1 優化模型的建立

生產計劃優化是露天礦企業管理的重要組成部分，直接關系到企業的生產效率和經濟效益。如何更有效的配置各種資源，對露天礦的生產管理至關重要。

優化模型的目的是求解出固定周期內的產量最大化或固定產量下的系統資源最小利用，通過最優化理論和方法，以對資源最佳配置，從而實現煤炭企業的最大化目標。由于在煤炭企業中實現資源的最優配置是一個多目標的決策過程，因此必須要建立煤炭企業生產計劃的多目標決策數學模型[1]。煤炭企業的生產流程如圖1所示。

圖1 煤炭企業的生產流程

可以看見在以銷定產模型中，始終以客戶訂單為最基本的目標。訂單分為長期訂單和短期訂單，企業每月生產僅僅要做的就是匯總該月每個訂單對商品煤的需求量。然后確定原煤產量，然后對每個采場分配原煤采出量，在采出原煤送往洗選車間時，再為選廠分配洗選原煤量。最終所有的商品煤按照訂單需求運輸到客戶，多余商品煤庫存。在煤炭生產過程中，各個環節存在著多個約束，根據這些約束可以建立起最優化模型[2-3]。

由于煤炭生產計劃優化是確定原煤開采量的最優化配置，通過對煤炭企業生產流程進行分析可以建立三個維度的原煤開采量決策變量：訂單維，采場維，工藝流程維。以xcio表示采場i為訂單c的工藝流程o開采的原煤開采量，工藝流程相當于選廠，因為各個選廠是并行的進行不同的工藝流程，生產不同的煤產品[4-5]。

假設有m個訂單、n個采場、p個工藝流程，則可以建立如下各級約束。

(1) 采場約束，每個采場的月采出量要小于采場生產能力。

(1)

(2)洗選能力約束。送往洗選車間的原煤量不能超過車間的洗選能力。

(2)

(3)需求量約束。每個訂單對每個煤產品都有自己的確定的需求量，因此必須滿足訂單對煤產品的需求量。

(3)

(4)運輸能力約束，企業實際運輸量不能超過其運輸能力。

(4)

(5)銷售收入約束，企業實際收入要大于預期收入點。

(5)

式中，Fcoj為c訂單o工藝流程中產生的j煤產品的單價，P為企業要實現的收入目標值。

(6)儲量比均衡約束。

(6)

(7)硫分約束。

(7)

(8)達成函數，通過對以上各級目標進行設置不同的優先級和權系數，則達成函數通式為：

式中，P1,P2,…,P7為各級的優先級，wcojd為商品煤需求量的權系數。

1.2 系統模塊設計

優化系統的設計包括:原始參數數據庫管理，模型輸入控制模塊，優化求解模塊，以及結果可視化模塊，如圖2所示。

原始參數數據庫管理，主要把采場信息、選廠信息、訂單信息持久化到數據庫中，方便模型輸入控制模塊直接從數據庫里面加載參數配置，輔助快速生成模型。其數據庫表有：采場信息表(采場ID，采場名稱，生產能力，原煤硫分，儲量百分比)；選廠信息表(選廠ID，選廠名稱，洗選能力)；訂單信息表(訂單ID，訂單描述，訂單制定時間)；采場-產品煤信息表(自增ID，采場ID，產品煤ID，回收率，回收率常數，回收率系數)；產品煤表(產品煤ID，選廠ID，產品煤名稱)；訂單-產品煤信息表(自增ID，訂單ID，產品煤ID，需求量，單價，產品煤硫分)。其中采場信息表和采場-產品煤表相關聯，通過原始采場管理模塊完成信息增刪改查，而選廠信息表和產品煤表關聯，訂單表和訂單-產品煤表關聯，分別通過原始選廠管理和原始訂單管理模塊實現信息的管理。

圖2 系統模塊

輸入控制模塊主要是完成優化模型中的參數配置和模型的生成，比如，采場的數量，每個采場的生產能力，選廠的洗選能力等等。分別通過采場管理，選廠管理，訂單管理和其他管理四個子模塊完成對優化模型參數的錄入和管理。該模塊也可以直接從數據庫中加載數據，因為在生產環境下，對于一個確定的煤炭企業來說，除了訂單信息，其它的輸入參數基本上都是不變的，因此持久化這些數據到數據庫中可以簡化優化求解的參數輸入量。

在所有配置完成之后，則可以計算指定月份的針對各訂單原煤開采量的最優解，該模塊主要是通過調用第三方軟件包lingo實現。

優化結果可視化模塊，主要在完成優化計算之后，在生產流程圖中以圖形可視化最優解，以及用表格的方式展示最優解情況下具體詳情，使得最終的結果更加直觀。

2 露天礦集成系統的實現

基于AutoCAD的objectARX和lingo的二次開發技術，使用VC++在AutoCAD環境下開發一個集成生產計劃優化求解的應用系統。該系統不會脫離AutoCAD設計環境，可以方便的對生產計劃進行優化求解與決策。

2.1軟件開發環境

ObjectARX直接以DLL的方式駐留在AutoCAD的進程地址空間，由于exe對dll的調用是運行在操作系統層面，從而使得AutoCAD對ObjectARX的調用在最底層完成，調用本身所帶來的資源和時間開銷達到了最小化。雖然AutoCAD的二次開發技術還有LISP和VBA，但無論是LISP這種解釋性語言本身解釋執行的低效性還是VBA這種基于ActiveX Com技術調用切換所帶來的資源和時間巨大開銷，都使得它們執行效率遠遠趕不上ObjectARX，另外采用ObjectARX可以完全調用win32 SDK提供的所有功能以及MFC，因此ObjectARX還有功能及其豐富的優點，當然ObjectARX采用C++開發，本身也有一定的語言難度[6-7]。采用ObjectARX技術二次開發的框圖如圖3所示。

圖3 ObjectARX技術運行體系結構

Lingo是一個專業的優化模型求解軟件包，lingo本身軟件強大，可以求解任意的優化模型，其次lingo具有可編程性，使得構建優化模型的難度大大降低，且提供了二次開發接口，使得第三方軟件可以很方便的調用lingo的功能[8]。該系統使用lingo進行求解的結構如圖4所示。

圖4 lingo求解目標規劃模型過程原理

2.2 系統實現

該系統采用VC++2005開發環境，結合ObjectARX SDK 2007和lingo11二次開發sdk包，以AutoCAD2007為宿主機運行平臺，以ACCESS 2003為系統數據庫。

生產計劃優化原始數據庫管理，實現了對優化原始信息的數據庫管理，真正執行優化模型建立時,可以直接從這些預設的模板數據中直接產生模型，從而方便優化模型的快速建立，由于優化模型中有很多的數據是不易變的(如采場的生產能力，洗選工藝的洗選能力以及回收率等)，而易變的主要是訂單數據，所以可以將采場，洗選工藝等參數信息持久化到數據庫中，建模型時直接調用即可，從而減少用戶輸入量。

從計劃配置面板中直接插入采場和選廠以及訂單，從而在cad圖紙中建立優化模型，整個流程圖制定完成，優化模型建立，其工作流程如圖5所示。

圖5 優化計劃建模

執行優化計算之后，可以用節點結合文本表格的方式完成最優解及其詳情的可視化，最頂層節點顯示最優解以及各級目標的實現情況，第二級為訂單級，第三級為采場級，第四級為洗選工藝級，其界面如圖6所示。

3 結 論

本文通過分析煤炭企業實際生產流程，設計建立了一個煤炭企業以產定銷模式下以訂單，采場，洗選工藝三個維度為基礎的多目標優化模型。通過lingo二次開發技術，設計了依靠多次迭代方式使用目標規劃法求解多目標規劃模型的方法，實現了對優化模型參數持久化到數據庫的功能，使得用戶直接從生產計劃面板直接拖出不易變的參數配置，繪出生產流程圖，并實現優化結果的可視化。

圖6 優化結果可視化界面

企業生產本身是一個復雜巨系統，系統內部存在著空間上的并存和時間上的繼起，全方位把握企業的內部生產流程，以原煤到產品煤的流向為線路建立起來的生產流程分析可以很好的反映企業生產規律，并以此建立客觀的優化模型，該系統很好的完成了模型的建立和生產的應用。同時，建立依靠模型的靈敏度分析將會更加的方便企業決策，指導礦山企業在動態的生產環境中制定策略。

[1] 朱 明，李春民．大型煤炭企業生產計劃優化[J]．中國礦業,2002，11(2)：55-56．

[2] 周耀東，趙怡晴，李仲學，等．基于仿真的礦山生產計劃優化研究與工程應用[J]．礦業研究與開發,2011，31(6)：79-82．

[3] 劉憲權．安太堡露天礦商品煤生產計劃優化技術[J]．露天采礦技術,2010(1)：4-7．

[4] 陳國華．煤炭企業生產計劃的優化方法[J]．煤炭工程,2005(12)：93-95．

[5] 張 磊，劉憲權，李翠平,等．基于AutoCAD平臺的GIS技術及其實現[J]．礦業研究與開發,2010，30(6)：56-59．

[6] 何 亮．基于ObjectARX的CAD系統開發若干關鍵技術的研究[D]．合肥:合肥工業大學,2008．

[7] 劉良華，袁英戰．在ObjectARX程序中動態添加和刪除AutoCAD菜單命令[J]．電腦編程技巧與維護,2001(6)：83-86．

[8] 羅罡輝，葉艷妹．多目標規劃的lindo求解方法[J]．計算機應用與軟件,2004，21(2)：108-110．

2013-09-06)

國家自然科學基金資助項目(51174032); 教育部新世紀優秀人才支持計劃資助項目(NCET-10-0225);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(FRF-TP-09-001A).