钢铁企业热轧生产计划是针对热轧板坯库内候选板坯,根据生产工艺要求,确定轧制板坯及轧制顺序。板坯库备料计划是根据热轧生产计划内板坯轧制优先级,确定轧制板坯提取顺序及轧制板坯在上料区的空间位置分配。轧制顺序影响备料过程中板坯的提取顺序及上料区的空间位置分配。科学地制订热轧生产计划和备料计划有助于降低热轧机组剩余产能、生产过渡费用、板坯库倒垛次数,提高物流效率。由于生产计划和备料计划都具有顺序-位置的时空耦合特征,使得问题的建模和求解具有挑战性。因此,热轧生产与备料计划问题的建模与优化方法具有重要的科学研究和实际应用意义。本文以钢铁企业热轧生产过程和热轧板坯库物流操作为背景,提炼出了基于优化倒垛的备料计划问题和热轧备料与生产计划集成优化问题进行研究,提出了时空网络建模方法和改进差分进化算法用于求解。基于优化倒垛的备料计划问题,用于确定在给定无倒垛次数的板坯提取顺序下所需要上料区垛位的最少个数。当满足该数量时,集成问题就可以转化成单一阶段的热轧生产计划问题。围绕这两个问题,本文主要研究内容如下:(1)从热轧板坯库备料物流过程中,提炼出基于优化倒垛的备料计划问题。该问题是针对热轧计划内轧制板坯,在满足板坯堆垛、提取约束的情况下,确定不同垛位间计划板坯的提取顺序及在上料区的存放空间位置,使得在同一垛位计划板坯按照自上至下顺序提取的条件下,所需上料区空垛位数最少。针对该问题板坯移动具有的时空耦合特性,以板坯移动阶段代表时间,以存放位置代表空间,建立基于阶段的时空网络模型,网络中的节点表示每个阶段结束时板坯库存储位置状态。针对时空模型对于大规模问题难以求解的困难,提出了局域搜索算法进行求解。实验结果表明,时空模型能有效求解中小规模问题,局域搜索算法求大规模问题可以在较短时间内获得近优解。(2)热轧备料与生产计划集成优化问题,是在满足热轧工艺、板坯堆垛、提取等约束下,以最小化热轧机组剩余产能、生产过渡费用、倒垛次数以及上料区空垛位启用数为目标,从板坯库候选板坯中选择轧制板坯并确定其轧制顺序、提取顺序及其在上料区的空间位置分配。针对该问题复杂的生产工艺要求、堆放空间要求以及轧制和提取顺序的时空耦合特征,以轧制顺序、板坯移动阶段代表二维时间,以存放位置代表空间,提出一种多维的时空网络模型,网络中的节点代表每个移动阶段结束时板坯库存放空间上对应的轧制板坯顺序。通过CPLEX优化软件的实验结果表明,提出时空网络模型能有效地求解小规模集成优化问题。与传统独立优化模式相比,集成优化调度能有效降低倒垛次数及总目标值。(3)针对时空模型求解大规模集成优化问题难以求解的困难,设计改进的差分进化算法对该问题进行求解。为了提高初始种群的质量,提出了两阶段的启发式算法获得部分初始解:第一阶段确定轧制板坯及其轧制顺序;第二阶段以第一阶段获得的结果作为已知确定板坯提取顺序及其在上料区的空间分配,根据问题规模,对于小规模提出基于时空模型的求解方法,对于大规模提出一种启发式方法求解。结合问题结构特征,设计了控制参数自适应的改进策略以及基于外部存档的变异策略。实验结果表明,提出的改进差分进化算法能够有效地求解该集成问题。(4)基于提出的时空模型和改进差分进化算法,设计并开发了热轧备料与生产计划集成优化决策支持系统,主要功能包括信息管理、候选板坯收池、计划编制、违规检查、手动修改等功能。实现了在满足热轧生产工艺的情况下,同时考虑物流成本,完成热轧计划的编制,同时达到提高板坯库物流效率,降低物流成本的效果。