制造系统是为达到预定制造目的而构建的物理组织系统,包括生产与物流环节,生产是工件按照一定顺序在设备上进行加工的过程;物流是设备对物件按照一定顺序进行空间转移的过程。钢铁制造系统生产流程长、产品种类多、物流呈复杂网状结构,其生产与物流调度过程存在随机不确定性。在制定生产与物流调度决策时,需要考虑随机性带来的动态变化。本文以加热炉制造系统为背景研究了生产环节的板坯预热问题和物流环节的板坯入库问题,对系统中设备资源配置进行优化。由于该系统生产与物流环节均具有随机特征,本文建立马尔可夫排队系统对其进行研究。因此,基于马尔可夫排队建模优化钢铁制造系统设备资源配置的研究对钢铁企业节能降耗、降低成本具有重要意义。本文以加热炉制造系统的板坯预热生产过程与板坯入库物流过程为背景,分别提炼出具有随机特征的生产和物流调度问题,建立排队模型。在加热炉生产调度系统中,针对待预热板坯拥堵情况,考虑加热炉服务时间随机特性,建立带有阈值转换策略的排队模型对加热炉资源配置进行优化,采用矩阵几何方法求解;针对加热炉资源动态配置问题,建立半马尔可夫排队模型,采用次模方法进行理论证明,利用强化学习算法进行求解。在加热炉物流调度系统中,针对入库板坯拥堵情况,考虑板坯到达随机特性,建立带有阈值转换的排队模型对吊机资源配置进行优化,利用矩阵几何方法求解;针对板坯入库过程中带有时间约束及资源约束的资源配置问题,建立了基于板坯入库系统的非线性最优化模型,利用凸优化方法进行优化求解。本文主要工作概括如下:(1)针对加热炉生产调度系统中的板坯预热过程提炼加热炉资源配置问题。该问题在考虑待预热板坯拥堵且板坯预热时间具有随机性的情况下,决策加热炉开关数量,以使板坯预热过程生产费用最小化。有别于传统方法利用指数分布刻画服务时间,本文基于历史生产数据拟合,采用相型(PH)分布精确刻画加热炉预热板坯时间,建立带有阈值转换策略的加热炉生产M/PH/C排队模型。针对预热时间满足相型分布而无法获得解析解的难题,设计矩阵几何方法进行精确求解。实验结果表明,提出的模型和方法能有效地决策加热炉开启数量。(2)从加热炉生产调度过程中提炼出带有动态资源配置的排队问题。该问题是在市场订单随机到达的情况下,以降低板坯预热成本为目标,建立半马尔可夫排队模型,实时决策开启加热炉数量。利用次模理论证明了最优开启加热炉数量与待预热板坯量之间的单调性,且该性质不受市场订单到达过程和加热炉服务时间分布的影响,为半马尔可夫排队模型最优解性质提供了理论支撑。结合强化学习算法计算出时间无穷维条件下的最优服务台配置策略。(3)从板坯入库物流调度过程中提炼出带有调制的马尔可夫泊松过程(MMPP)排队问题,考虑入库板坯拥堵情况,引入了阈值转换策略。该问题的主要特征是不同钢种的板坯到达系统的速率不同,传统泊松分布已无法真实描述板坯到达过程。基于此特征,采用MMPP精确刻画板坯到达过程,建立了带有阈值转换策略的MMPP/M/C排队模型。利用MATLAB软件实现矩阵几何方法,给出最优吊机配置策略。通过数值实验计算,验证了带有阈值转换策略的排队模型对板坯入库过程建模分析的优势。(4)从考虑等待时间及空间容量约束的板坯入库过程中提炼出物流调度系统的资源配置问题。该问题是在考虑板坯物流时间及存储空间约束的条件下,用排队系统刻画板坯入库过程,建立了非线性最优化模型,决策相对于不同钢种板坯入库量的吊机启用数量,目标是最大化板坯入库排队系统的服务强度。由于排队系统的非线性最优化模型求解困难,设计了模型转换方法,将非线性最优化模型转化为凸优化模型,使得模型在多项式时间内可解。