【2017年国赛高教杯奖D题】-化工厂巡检路径规划与建模（论文）

【作品名称】：【2017年国赛高教杯奖D题】-化工厂巡检路径规划与建模（论文） 【适用人群】：适用于希望学习不同技术领域的小白或进阶学习者。可作为毕设项目、课程设计、大作业、工程实训或初期项目立项。 【项目介绍】：本文主要研究化工厂巡检路径规划与排班问题。为提高巡检效率，优化资源 分配，需制定科学合理的巡检路径。通过对化工厂巡检工作内容和特点分析，并 制定相应的目标体系及约束条件，建立了最短路径的多目标规划模型，使用 lingo和 Excel 求解，得到巡检人员最少的优化方案。 针对问题一：以每班需巡检人员尽可能少，工作量尽可能平衡为目标，以固 时上班、无休息时间、每条线路周期不超过 35min、每天三班制、每班 8 小时左 右为约束，建立多目标规划模型，用图论法求解。先考虑分区，以线路周期内包 含尽可能多巡检点与最短路径为目标，将所给巡检点连通图分组，得到共 5 条巡 检路线，最少需 5 名巡检人员，如路线： 22-21-4-2-1-3-6-14-21 （具体巡检路线见正文图 6，巡检时间表见附录表 1、2、3）。为使每条路线在一 段时间内的总行走时间均衡，引入均衡度，越小 ### 化工厂巡检路径规划与建模 #### 摘要 本研究聚焦于化工厂的巡检路径规划与人员排班问题，旨在通过优化巡检路径与排班策略来提升工作效率，确保生产安全。研究中采用了多目标规划方法，并结合实际应用场景中的约束条件，构建了数学模型。通过LINGO和Excel软件进行模型求解，最终得出巡检人员数量与巡检路线的优化方案。 #### 关键知识点 ##### 1. 多目标规划模型构建 - **目标体系**：主要包括最小化巡检人员数量和平衡每位巡检人员的工作量。 - **约束条件**： - 每天三班制，每班8小时； - 每班次内巡检周期不超过35分钟； - 不考虑休息时间； - 巡检人员必须按时上下班。 ##### 2. 图论法求解 - **初步分区**：首先根据各巡检点间的连接情况，划分出多个子区域，确保每个子区域内包含尽可能多的巡检点，并且满足35分钟内的巡检周期要求。 - **路线优化**：对于每个子区域，使用图论法找出最短路径。例如，一条可能的巡检路线是“22-21-4-2-1-3-6-14-21”。 ##### 3. 均衡度指标 - **定义**：衡量每条巡检路线在一定时间内的总行走时间是否均衡，均衡度越低表示资源分配越合理。 - **计算方法**：通过计算各条巡检路线的行走时间差异来确定均衡度。 ##### 4. 优化方案 - **方案一**：采用五线三班轮倒制，共需5名巡检人员，均衡度为0.35。 - **方案二**：在原有基础上增加了休息与进餐时间的约束条件，共需6条巡检路线，最少需要11名巡检人员（第一班次），其余班次各需6人。均衡度较大，故采用三班轮倒制。 ##### 5. 错时上班条件下的优化 - **问题一**：在错时上班的情况下，通过直接应用原有的优化模型，可以减少人力资源浪费，共需4名巡检人员。 - **问题二**：通过调整班次上下班时间，可以在保持6条巡检路线的基础上，进一步减少人力资源浪费。 #### 模型假设 - **巡检过程假设**：假设巡检过程中不会出现错检或漏检的情况。 - **设备启动假设**：设备由工人首次上班时启动，并且启动时间可以忽略不计。 - **行走时间假设**：假设在巡检过程中，不存在特殊因素导致行走时间延迟。 #### 符号说明 - \(i\)：巡检点序号。 - \(j\)：巡检路线序号。 - \(L_j\)：第\(j\)条巡检路线的总行走时间。 - \(t_i\)：第\(i\)个巡检点的巡检耗时。 - \(K\)：巡检人员总数。 - \(T\)：路线总耗时。 - \(R\)：时间冗余。 - \(h_t\)：各路线回程行走耗时。 #### 结论 通过对化工厂巡检路径规划与建模的研究，不仅提高了巡检效率，还有效优化了人力资源分配。通过引入不同的约束条件，包括休息时间、进餐时间和错时上班等因素，得到了更为合理的巡检路线与人员配置方案。这些成果对于化工厂以及其他类似场景具有重要的实践意义。