專利名稱：一種冷軋連續(xù)退火機組鋼卷優(yōu)化排序方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料加工信息技術(shù)領(lǐng)域，涉及到自動化技術(shù)，特別涉及供冶金行業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用的一種連續(xù)退火機組鋼卷優(yōu)化排序的技術(shù)方法以及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
金屬材料的連續(xù)退火生產(chǎn)調(diào)度問題是冶金企業(yè)生產(chǎn)管理的主要內(nèi)容，調(diào)度的質(zhì)量直接關(guān)系到車間的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品的質(zhì)量和工廠的經(jīng)濟效益。
以鋼廠為例連續(xù)退火帶鋼所用的原料主要是酸軋鋼卷，熱軋鋼卷經(jīng)過酸洗軋制后，由于鋼在軋制的過程中，變形量很大，晶粒組織被延伸和硬化，加工硬化導(dǎo)致強度增高，塑性下降，加工性能很差，這樣的帶鋼幾乎不能進行任何進一步的加工成型。因此必須采用再結(jié)晶退火，適當(dāng)調(diào)整晶粒的成長和恢復(fù)所需的塑性，以消除加工硬化，回復(fù)加工變形能力。同時為了得到良好的成形性，期望形成一致的適合成形的結(jié)晶織構(gòu)。這就是進行退火的目的。連續(xù)退火就是為了這個目的將鋼加熱到合適的溫度，保持一段時間，然后以一定速度冷卻的熱處理工藝。連續(xù)退火的主要加工過程(如圖1所示)為將鋼卷打開，焊接成一個連續(xù)的帶鋼，對帶鋼進行表面清洗處理后，進入退火爐，退火爐可分為如下爐段加熱段、均熱段、冷卻段。通過控制各個爐段的溫度以及焊接后的帶鋼經(jīng)過爐子的速度，使帶鋼本身的溫度依據(jù)退火曲線要求而變化，從而完成退火過程，改善鋼的性能。按照退火曲線要求，在加熱段，自動控制系統(tǒng)中的檢測系統(tǒng)檢測加熱段中鋼帶的溫度，根據(jù)檢測結(jié)果調(diào)節(jié)煤氣量與空氣量的輸入量比例動態(tài)控制爐溫，另外，通過調(diào)整板帶的拉動速度控制加熱時間，保證鋼被加熱到退火曲線要求達到的最高溫度，從而使鋼內(nèi)部原子活躍起來，達到調(diào)整內(nèi)部晶粒結(jié)構(gòu)的作用；在均熱段，通過調(diào)整爐溫和鋼帶拉動的速度，使鋼卷保持退火曲線要求的最高溫度一段時間，從而使金屬中的晶粒進行重新調(diào)整，分布均勻，改善金屬特性；在冷卻段，鋼帶被冷卻到室溫，完成鋼的退火過程。通過退火爐后，經(jīng)過清洗、涂油、切邊等處理后，被分切卷曲成鋼卷。
由于連續(xù)退火生產(chǎn)工藝上的要求，連續(xù)退火機組生產(chǎn)作業(yè)中對于鋼卷的生產(chǎn)順序有一定的限制。如何合理確定鋼卷的加工順序便成為連續(xù)退火計劃鋼卷排序的關(guān)鍵問題，它直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量與生產(chǎn)成本。連續(xù)退火機組鋼卷排序就是要在滿足規(guī)格、退火曲線等工藝約束條件下，使得排序獲得生產(chǎn)計劃內(nèi)鋼卷過渡盡可能平滑，以降低生產(chǎn)成本，保障產(chǎn)品質(zhì)量、充分發(fā)揮機組產(chǎn)能。在連續(xù)退火加工過程中，鋼卷被焊接成一條連續(xù)的板帶，兩相鄰鋼卷的厚度跳躍、寬度跳躍越大，造成板帶崩裂的可能性就越大，同時也會造成支撐輥的磨損更大；兩相鄰鋼卷的退火曲線不同，那么如果為了使后一個鋼卷按照相應(yīng)退火曲線進行退火，在加工完前一個鋼卷后，需調(diào)整各爐段的爐溫及板帶的拉動速度，這將造成后一個鋼卷在波動溫度和速度下進行加工，從而降低了鋼卷的加工質(zhì)量；如果為了保障產(chǎn)品的質(zhì)量，將爐溫控制在較高的水平，這樣雖然保證了對爐溫要求較高的鋼卷的質(zhì)量，但是這樣卻提高了對爐溫要求較低的鋼卷的加工成本。
目前，連續(xù)退火生產(chǎn)實際中，連續(xù)退火機組鋼卷排序是由人工完成的。由于連續(xù)退火生產(chǎn)工藝約束復(fù)雜，人工排序具有較大的難度，而且實際生產(chǎn)中涉及到的鋼卷數(shù)目巨大，人工排序在合理時間內(nèi)，難以合理調(diào)整鋼卷加工順序，保障相鄰鋼卷的規(guī)格、退火曲線平滑過渡，編制出保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)能，降低生產(chǎn)成本，總體水平較優(yōu)的生產(chǎn)計劃。在現(xiàn)有的研究當(dāng)中，禁忌搜索的方法一般主要用于解決熱軋、冷軋、連續(xù)鍍鋅、彩涂產(chǎn)線排序及調(diào)度問題，很少涉及到連續(xù)退火產(chǎn)線，另外，以往一般考慮的工藝約束都是基于兩個相鄰鋼卷之間的規(guī)格等因素的跳躍，很少涉及到變化趨勢，這樣在鋼卷排序的過程中不僅要考慮兩個鋼卷之間的規(guī)格和退火曲線跳躍，還要考慮在生產(chǎn)計劃中規(guī)格和退火溫度的變化趨勢是否平滑，這使得現(xiàn)有方法無法用于求解本發(fā)明所考慮的問題。因此，迫切需要開發(fā)出能夠?qū)崿F(xiàn)自動優(yōu)化排產(chǎn)的方法和系統(tǒng)。


發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明針對連續(xù)退火產(chǎn)線前面的原料庫中在庫鋼卷制定鋼卷加工順序，從而降低連續(xù)退火生產(chǎn)中因退火曲線、規(guī)格切換產(chǎn)生的生產(chǎn)成本，保證生產(chǎn)過程中設(shè)備切換穩(wěn)定平滑，達到挖掘產(chǎn)能，保障生產(chǎn)穩(wěn)定，提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。
本發(fā)明首先在保證相鄰鋼卷的規(guī)格和退火曲線跳躍，規(guī)格等因素的過渡趨勢變化滿足連續(xù)退火工藝約束的條件下，利用本發(fā)明構(gòu)造的初始排序方法對候選板卷進行排序獲得一系列初始排序方案，再從中選擇綜合評價最好的一個作為進一步優(yōu)化的對象，之后利用禁忌搜索交換鄰域和搜索交替路徑變換鄰域兩種方法交替優(yōu)化初計劃，在此優(yōu)化過程中，首先通過禁忌搜索交換鄰域來優(yōu)化初始生產(chǎn)計劃，當(dāng)優(yōu)化過程陷于困境時，采用搜索交替路徑變換鄰域的優(yōu)化策略繼續(xù)優(yōu)化，以獲得滿足工藝約束且總體評價較優(yōu)的生產(chǎn)計劃，然后再利用禁忌搜索此生產(chǎn)計劃的交換鄰域，繼續(xù)進行優(yōu)化，在此優(yōu)化過程中兩種優(yōu)化方法交替采用，直到產(chǎn)生滿意的連續(xù)退火生產(chǎn)計劃。
從現(xiàn)有鋼鐵企業(yè)連續(xù)退火機組生產(chǎn)鋼卷排序存在的問題出發(fā)并以此為典型示例，本發(fā)明提供一種基于禁忌搜索交換鄰域和搜索交替路徑變換鄰域的改進優(yōu)化策略來實現(xiàn)連續(xù)退火機組鋼卷優(yōu)化排序的方法。依據(jù)實際情況，本發(fā)明在優(yōu)化所考慮的連續(xù)退火機組鋼卷排序問題，尋求較優(yōu)可行排序方案過程中，將連續(xù)退火生產(chǎn)計劃中相鄰鋼卷的退火溫度以及規(guī)格的跳躍量化為生產(chǎn)切換成本，將連續(xù)退火生產(chǎn)計劃中退火溫度以及規(guī)格的變化趨勢波動情況量化為波動附加成本，并將最小化總生產(chǎn)切換成本和波動附加成本作為優(yōu)化目標；結(jié)合常規(guī)生產(chǎn)排序可行性約束和本發(fā)明所涉及的連續(xù)退火機組鋼卷排序問題的具體工藝約束，確保產(chǎn)生的生產(chǎn)計劃的實際可行性。這種用于連續(xù)退火機組鋼卷排序，基于禁忌搜索交換鄰域和交替路徑變換鄰域搜索的改進優(yōu)化策略的方法提高了編制計劃的水平和效率，可以實現(xiàn)經(jīng)濟排產(chǎn)。
本發(fā)明在提出基于禁忌搜索交換鄰域和交替路徑變換鄰域搜索的改進優(yōu)化策略的連續(xù)退火機組鋼卷優(yōu)化排序方法的基礎(chǔ)上，相應(yīng)地還開發(fā)一種連續(xù)退火計劃排產(chǎn)系統(tǒng)。本發(fā)明的連續(xù)退火計劃排產(chǎn)系統(tǒng)是以本發(fā)明提出的連續(xù)退火機組鋼卷優(yōu)化排序方法為基礎(chǔ)，通過現(xiàn)有軟件技術(shù)，將自動優(yōu)化排序方法與可視化技術(shù)有機結(jié)合，實現(xiàn)自動化排序技術(shù)內(nèi)核與生產(chǎn)計劃人員之間的人機接口。該系統(tǒng)提供人工輔助排產(chǎn)功能，使用戶可根據(jù)實際需求下載修改數(shù)據(jù)，對利用自動化排產(chǎn)技術(shù)內(nèi)核獲得的生產(chǎn)計劃結(jié)果進行人工干預(yù)調(diào)整，以此手段獲得滿意解，從而實現(xiàn)了企業(yè)信息管理系統(tǒng)、自動化排產(chǎn)技術(shù)內(nèi)核和用戶經(jīng)驗的有效集成。
假定在連續(xù)退火產(chǎn)線原料庫有n個鋼卷1，2，...，n-1，n等待加工，首先將本發(fā)明考慮的連續(xù)退火機組鋼卷排序問題描述為如下數(shù)學(xué)模型 Minimize 約束條件 j＝1，2，...，n (2) i＝1，2，...，n (3) k＝1，2，...，n (4) xij，ylT，ylw，j＝1，2，...，n-1，n(9) 其中，決策變量xij表示連續(xù)退火生產(chǎn)計劃中，鋼卷i和鋼卷j之間的相鄰關(guān)系，當(dāng)鋼卷i在鋼卷j緊前進行加工，xij取值為1，否則xij取值為0；決策變量ylT表示連續(xù)退火生產(chǎn)計劃中，退火溫度的變化趨勢在鋼卷i處是否發(fā)生轉(zhuǎn)變，如果發(fā)生轉(zhuǎn)變，ylT取值為1，否則ylT取值為0；決策變量yit表示連續(xù)退火生產(chǎn)計劃中，厚度的變化趨勢在鋼卷i處是否發(fā)生轉(zhuǎn)變，如果發(fā)生轉(zhuǎn)變，yit取值為1，否則yit取值為0；決策變量yiw表示連續(xù)退火生產(chǎn)計劃中，寬度的變化趨勢在鋼卷i處是否發(fā)生轉(zhuǎn)變，如果發(fā)生轉(zhuǎn)變，yiw取值為1，否則yiw取值為0。cijT為由于相鄰鋼卷i和j的退火溫度差異所造成的切換成本，cijg為由于相鄰鋼卷i和j的規(guī)格差異所造成的切換成本，piT是由于在生產(chǎn)計劃中鋼卷i處退火溫度的變化趨勢發(fā)生變化所造成的爐溫波動附加成本，pit是由于在生產(chǎn)計劃中鋼卷i處厚度的變化趨勢發(fā)生變化所造成的厚度波動附加成本，piw是由于在生產(chǎn)計劃中鋼卷i處寬度的變化趨勢發(fā)生變化所造成的寬度波動附加成本，Ti表示鋼卷i(i＝1，2，...，n-1，n)要求的退火溫度，wi表示鋼卷i(i＝1，2，...，n-1，n)的寬度，ti表示鋼卷i(i＝1，2，...，n-1，n)的厚度；λ1和λ2分別是切換成本和波動附加成本在優(yōu)化目標中所占的權(quán)重。
上述切換成本可根據(jù)如下公式進行計算，設(shè)cijt是相鄰鋼卷厚度切換成本，cijw是相鄰鋼卷寬度切換成本，生產(chǎn)現(xiàn)場控制系統(tǒng)通常控制爐溫勻速變化，設(shè)爐溫變化速度ve，設(shè)鋼的密度為ρsteel，那么在從Ti切換到Ti的過程中，則將有噸鋼在漸變過程中進行加工，這必將影響這段鋼帶的質(zhì)量，估算因此質(zhì)量問題將造成的利益損失為r元，那么相鄰鋼卷退火溫度切換成本cijT即為允許最大的退火溫度跳躍δT，相鄰鋼卷退火溫度切換成本權(quán)重λT。


其中，允許最大的寬度跳躍δw，相鄰鋼卷寬度切換成本權(quán)重λw
其中，允許最大的厚度跳躍δt，相鄰鋼卷厚度切換成本權(quán)重λt。設(shè)si為鋼卷i的橫截面積，即si＝wi×ti，所以規(guī)格跳躍造成的切換成本為
則相鄰鋼卷切換成本為切換成本主要包括退火溫度、寬度、厚度切換成本。由于每當(dāng)退火溫度、寬度、厚度變化趨勢發(fā)生波動時，生產(chǎn)設(shè)備均需要調(diào)整運行參數(shù)來應(yīng)對趨勢波動，此調(diào)整過程基本類似，因此，退火溫度、寬度、厚度變化趨勢發(fā)生波動所造成的波動附加成本根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備經(jīng)驗值給定，通過連續(xù)退火計劃排產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫下載。
在連續(xù)退火機組鋼卷優(yōu)化排序的過程中以(1)為優(yōu)化目標，其中第一項優(yōu)化目標

是最小化總的溫度、規(guī)格(包括寬度和厚度)切換成本，第二項

為最小化總溫度波動附加成本、寬度波動附加成本和厚度波動附加成本。在連續(xù)退火機組鋼卷優(yōu)化排序時，始終需保持生產(chǎn)計劃的可行性，也就是要滿足約束條件(2)-(9)，約束(2)描述了在生產(chǎn)計劃中，除了最后一個被加工的鋼卷，所有鋼卷后面都有且只有一個鋼卷；約束(3)描述了在生產(chǎn)計劃中，除了第一個被加工的鋼卷，所有鋼卷前面都有且只有一個鋼卷。約束(4)是保證在生產(chǎn)計劃中，在每一個鋼卷緊前都有一個鋼卷進行加工，在每一個鋼卷緊后都有一個鋼卷進行加工。這三個約束保證了在生產(chǎn)計劃中，鋼卷是緊密聯(lián)結(jié)的，從而保證了生產(chǎn)的連續(xù)性。約束(5)是一個子環(huán)消除約束，避免一個鋼卷被重復(fù)安排在生產(chǎn)計劃中多次，從而保證排序獲得的生產(chǎn)計劃的可行性。約束(6)用于描述連續(xù)退火生產(chǎn)計劃中鋼卷j處的退火溫度波動情況，在連續(xù)退火生產(chǎn)計劃中，如果退火溫度變化趨勢在鋼卷j處發(fā)生變化，那么在鋼卷j之前的退火溫度變化趨勢應(yīng)與鋼卷j之后的退火溫度變化趨勢相反。約束(7)用于描述連續(xù)退火生產(chǎn)計劃中鋼卷j處的寬度波動情況，如果寬度變化趨勢在鋼卷j處發(fā)生變化，那么在鋼卷j之前的寬度變化趨勢應(yīng)與鋼卷j之后的寬度變化趨勢相反。約束(8)用于描述連續(xù)退火生產(chǎn)計劃中鋼卷j處的厚度波動情況。如果厚度變化趨勢在鋼卷j處發(fā)生變化，那么在鋼卷j之前的厚度變化趨勢應(yīng)與鋼卷j之后的厚度變化趨勢相反。約束(9)定義了決策變量的取值范圍。
本發(fā)明在滿足生產(chǎn)約束條件下，建立優(yōu)化排序模型，在模型中設(shè)定了優(yōu)化目標，并建立了約束條件。用于求解此問題的優(yōu)化排序方法包括以下步驟 第一步建立一系列連續(xù)退火機組初始可行鋼卷排序方案。
將候選鋼卷按照退火溫度分別從高到低和從低到高進行排序，形成兩種初始鋼卷排序方案，此后，可以采取寬度優(yōu)先排序或者厚度優(yōu)先排序方法進行優(yōu)化，其中寬度優(yōu)先排序即在每種初始鋼卷排序方案中，對于具有相同退火溫度的鋼卷再根據(jù)鋼卷的寬度，分別采用從寬到窄和從窄到寬兩種不同的排序規(guī)則排序，從而共獲得四種初始鋼卷排序方案，最后對具有相同溫度、相同寬度的鋼卷再按厚度從厚到薄和從薄到厚排序，共獲得八個不同的初始可行排序方案；其中厚度優(yōu)先排序即在每種初始鋼卷排序方案中，對于具有相同退火溫度的鋼卷再根據(jù)鋼卷的厚度，分別采用從厚到薄和從薄到厚兩種不同的排序規(guī)則排序，從而共獲得四種初始鋼卷排序方案，最后對具有相同溫度、相同厚度的鋼卷再按寬度從寬到窄和從窄到寬排序，同樣共可獲得八個不同的初始可行排序方案，在此處，由于寬度切換不合理較厚度切換不合理更容易造成斷帶，因此，在產(chǎn)生初始可行生產(chǎn)計劃的過程中，采用上述寬度優(yōu)先排序方法。
連續(xù)退火機組鋼卷排序問題的主要任務(wù)是安排所有待選鋼卷的加工順序。在本發(fā)明中，首先采用如下的啟發(fā)式方法構(gòu)造滿足上述模型中約束條件的連續(xù)退火機組初始可行生產(chǎn)計劃Δ。在生產(chǎn)當(dāng)中，產(chǎn)品質(zhì)量始終被擺在首要問題來考慮，因此，在構(gòu)造初始可行生產(chǎn)計劃的過程中，首先考慮退火溫度的切換情況和變化趨勢；然后，再依次考慮鋼卷的寬度和厚度。為了保障在生產(chǎn)計劃中退火溫度單調(diào)平滑的過渡，在構(gòu)造初始可行生產(chǎn)計劃的過程中，首先將鋼卷按照要求退火曲線從高到低(或者從低到高)進行排序，在這個初始鋼卷排序方案中，相鄰鋼卷的退火溫度差異是最小的，故此序列一定是最大程度的滿足相鄰鋼卷溫度跳躍限制，此時，優(yōu)化目標(1)中

達到最小值，同時滿足優(yōu)化約束條件(2)-(9)。
此后，在根據(jù)退火溫度制定的初始鋼卷排序方案的基礎(chǔ)上，再根據(jù)鋼卷的寬度、厚度，對其進行進一步調(diào)整，在保證與溫度變化相關(guān)的優(yōu)化目標不變的前提下，以盡力減小目標函數(shù)(1)中與鋼卷排序方案的寬度、厚度變化相關(guān)的優(yōu)化目標值為目的，同時不會違背約束(2)-(9)。依照此思路，構(gòu)造一種初始可行鋼卷排序方案Δ1的完整方法描述如下 Step 1.將候選鋼卷按照退火溫度Ti從高到低的順序進行排序，此時，依據(jù)候選鋼卷不同的 退火溫度，可將鋼卷劃分為nT個子集，每一個子集Nk(1≤k≤nT)中的鋼卷要求相同的退火溫度，在按退火溫度排序后，如果Ti＞Tj，(j∈Nh，k≠h)，那么屬于Nk的鋼卷必然排在屬于Nh的鋼卷之前。
Step 2.對于任一子集Nk(1≤k≤nT)，將其中的鋼卷所形成的一段鋼卷子序列按照寬度從寬到窄的排序規(guī)則調(diào)整加工順序，此時，依據(jù)子集Nj中候選鋼卷不同的寬度，可將鋼卷劃分為nwk個子集，每一個子集Ngk(1≤k≤nT，)中的鋼卷要求相同的退火溫度并且寬度相同，在按寬度調(diào)整排序后，在子集Nk中候選鋼卷構(gòu)成的子序列中，如果wi＞wj，(h≠g)，那么屬于Nhk的鋼卷必然排在屬于Ngk的鋼卷之前。
Step 3.對于任一子集Nhk(1≤k≤nT，)，將其中的鋼卷所形成的一段鋼卷子序列按照厚度從厚到薄的排序規(guī)則調(diào)整加工順序。
此構(gòu)造方法流程圖如圖3。在Step1中可根據(jù)退火溫度按照從高到低和從低到高兩種排序規(guī)則進行優(yōu)化，在Step2中可根據(jù)寬度按照從寬到窄和從窄到寬兩種排序規(guī)則進行優(yōu)化，在Step3中可根據(jù)退火溫度按照從厚到薄和從薄到厚兩種排序規(guī)則進行優(yōu)化，那么組合Step1，Step2，Step3中用到的排序規(guī)則可獲得其他七個不同的初始可行調(diào)度方案Δ2，Δ3，Δ4，Δ5，Δ6，Δ7，Δ8。例如將Step 1中的“從高到低”替換為“從低到高”，其它步驟中的排序規(guī)則保持不變，則按照調(diào)整后的步驟優(yōu)化待選鋼卷加工順序就可以獲得一個新的初始可行排序方案Δ2。
第二步比較一系列連續(xù)退火機組初始可行鋼卷排序方案獲得初始可行生產(chǎn)計劃。
比較上一步驟獲得的八個初始可行排序方案，選擇優(yōu)化目標值最小的排序方案作為初始可行生產(chǎn)計劃，流程如圖4所示。具體操作如下依照優(yōu)化目標(1)，從八種不同的初始可行排序方案中挑選一個最好的排序方案作為連續(xù)退火機組初始可行排序方案，即其中，Objk表示初始可行排序方案Δk，(1≤k≤8)對應(yīng)的優(yōu)化目標值，可根據(jù)如下公式進行計算 并以此連續(xù)退火機組初始可行生產(chǎn)計劃為基礎(chǔ)，在下一步驟中進行優(yōu)化。
第三步對連續(xù)退火初始可行生產(chǎn)計劃進行優(yōu)化。
對初始可行生產(chǎn)計劃，以模型中給定的優(yōu)化目標值最小為目的，利用對交換鄰域進行禁忌搜索和交替路徑變換鄰域搜索進行調(diào)整，以獲得滿足約束條件的連續(xù)退火生產(chǎn)計劃。
本發(fā)明采用兩種優(yōu)化策略，其一為對交換鄰域進行禁忌搜索，其二為對交替路徑變換鄰域進行搜索。在優(yōu)化過程中，將兩種優(yōu)化策略進行融合，首先對初始可行生產(chǎn)計劃Δ的交換鄰域進行禁忌搜索，當(dāng)此優(yōu)化策略陷入局部最優(yōu)的時候，采用另一優(yōu)化策略打破局面，找到更好的生產(chǎn)計劃，再進行進一步優(yōu)化，直到滿足優(yōu)化停止條件。在此，結(jié)合具體的連續(xù)退火生產(chǎn)工藝，構(gòu)造了如下的算法來優(yōu)化初始可行生產(chǎn)計劃。
在此優(yōu)化過程中，將以最大程度改進優(yōu)化目標(1)為調(diào)整目標，同時始終滿足約束(2)-(9)。優(yōu)化策略1中所用到的初始可行生產(chǎn)計劃Δ的交換鄰域可定義為可通過交換初始生產(chǎn)計劃中兩個鋼卷的位置獲得的所有可行鋼卷生產(chǎn)計劃，交換移動如圖5所示。此鄰域用于優(yōu)化過程中的深度搜索，從而保證通過嘗試交換當(dāng)前計劃中任意兩個鋼卷在生產(chǎn)計劃中的加工位置來尋找當(dāng)前生產(chǎn)計劃的最好交換改進方案，在搜索的過程中，采用了禁忌搜索的方法，從而搜索到充分多的可行生產(chǎn)計劃，使生產(chǎn)計劃的優(yōu)化目標得到最大程度的改進。此搜索過程設(shè)置禁忌表，此禁忌表的禁忌對象為優(yōu)化過程中最后幾次交換移動的反操作，這些移動存儲于禁忌表中，每次通過交換移動改進當(dāng)前生產(chǎn)計劃后，都將所做交換移動的反操作列入禁忌表，并設(shè)其禁忌代數(shù)為最大禁忌代數(shù)，將原以存儲于禁忌表中的交換移動的禁忌代數(shù)減一，當(dāng)禁忌表中的禁忌移動對應(yīng)的禁忌代數(shù)為零時，該交換移動自動移出禁忌表，由于采用了這種技術(shù)，使得采用過的排序方案不會被重復(fù)比較，提高了搜索效率。
當(dāng)對當(dāng)前生產(chǎn)計劃的交換鄰域的禁忌搜索過程陷入局部最優(yōu)，采用優(yōu)化策略2即對交替路徑變換鄰域進行搜索，從而迫使算法搜索以前沒有搜索過的解空間。在本發(fā)明中，對當(dāng)前生產(chǎn)計劃的交替路徑變換鄰域的搜索既是順序的調(diào)整當(dāng)前生產(chǎn)計劃中每個鋼卷與其他鋼卷的前后相鄰關(guān)系來找到可使當(dāng)前生產(chǎn)計劃的優(yōu)化目標獲得最大改進的方法。枚舉所有順序調(diào)整當(dāng)前生產(chǎn)計劃中每個鋼卷與其他鋼卷的前后相鄰關(guān)系的改進方法，從而找到最好的改進方法的過程在本發(fā)明中通過構(gòu)造一個動態(tài)規(guī)劃迭代式來完成。
優(yōu)化策略2的具體方案描述如下首先構(gòu)造一個輔助改進圖GI＝(VI，EI)，用于描述改變當(dāng)前生產(chǎn)計劃中的所有兩個相鄰鋼卷之間的相鄰關(guān)系的移動，如圖6所示，此后對交替路徑變換鄰域的搜索將通過尋找輔助改進圖中從給定源點到給定終點的，對優(yōu)化目標有最大改進的改進路徑來實現(xiàn)。輔助改進圖中點集VI＝{I0，I1，I2，...，In}，其中I0為一個虛擬點，任何一條改進路徑都要求從I0出發(fā)，最終回到In；Ij(1≤j≤n)對應(yīng)著當(dāng)前可行生產(chǎn)計劃中的第j個加工的鋼卷；輔助改進圖中EI＝{(Ij，Ik)0≤j＜k≤n}是一個有向弧集，其中每一條弧對應(yīng)著對當(dāng)前可行生產(chǎn)計劃的改進移動，弧(I0，Ij)(1≤j≤n)對應(yīng)于將當(dāng)前可行生產(chǎn)計劃中的弧(In，I0)切斷，然后連接(I0，Ij)，從而造成對當(dāng)前可行生產(chǎn)計劃中鋼卷Ij和In的相鄰關(guān)系的改變；(Ij，Ik)(1≤j＜k≤n)對應(yīng)于將當(dāng)前可行生產(chǎn)計劃中的弧(Ij-1，Ij)切斷，然后連接(Ij-1，Ik)，從而造成對當(dāng)前可行生產(chǎn)計劃中鋼卷Ij，Ij-1和In的相鄰關(guān)系的改變。因此，輔助改進圖中每條弧(Ij，Ik)(0≤j＜k≤n)對應(yīng)的改進移動所造成的對優(yōu)化目標中的切換成本的改進量定義為D[j，k]，它是此弧所對應(yīng)的改進移動所引起的對當(dāng)前可行生產(chǎn)計劃的優(yōu)化目標中相鄰鋼卷切換費用改進值，可按照如下公式進行計算。
當(dāng)1≤j≤n時， 當(dāng)1≤j＜k≤n時 其中，

為當(dāng)前生產(chǎn)計劃中第j個加工的鋼卷與第k個加工的板卷之間的退火溫度切換成本，

為當(dāng)前生產(chǎn)計劃中第j個加工的鋼卷與第k個加工的板卷之間的規(guī)格切換成本，當(dāng)j＝0時，其他情況按式子(10)到(13)進行計算，對于輔助改進圖中的每條弧所對應(yīng)的改進移動所引起的對當(dāng)前可行生產(chǎn)計劃的優(yōu)化目標中變化趨勢波動成本的改進量需要由輔助改進圖中已確定的改進路徑來決定，因此，優(yōu)化目標中的趨勢波動成本將在動態(tài)規(guī)劃的每步迭代中進行考慮。
其次根據(jù)如下描述的動態(tài)規(guī)劃迭代式尋找能最大程度改進目標函數(shù)(1)的改進方法。用于搜索交替路徑變換鄰域的動態(tài)規(guī)劃迭代式給定如下。設(shè)(S，L)表示輔助改進圖中從I0到IL(L＝1，2，...，n)的改進路徑，其中IS是在IL緊前被訪問；f(S，L)是改進路徑(S，L)對應(yīng)的優(yōu)化目標(1)的最好改進量；P[j](1≤j≤n)表示在輔助改進圖的改進路徑末端插入節(jié)點Ij所對應(yīng)的對當(dāng)前可行生產(chǎn)計劃的改變所帶來的對優(yōu)化目標中變化趨勢波動附加成本的改進量。其動態(tài)規(guī)劃迭代式給定如下
此迭代式可被初始化為 f(0，L)＝D
， 在如上的迭代式中，f(S′，S)為從I0到IS并且IS′在IS緊前被訪問的改進路徑對當(dāng)前生產(chǎn)計劃的優(yōu)化目標的最好改進量，如上迭代式試圖找到一條從I0到IL并且IS在IL緊前被訪問的對當(dāng)前生產(chǎn)計劃優(yōu)化目標具有最好改進量的改進路徑，在尋找過程中，嘗試將IL安排在所有現(xiàn)有的已確定最好改進量的路徑(S′，S)末端，其中S′＜S＜L，然后通過比較獲得最好的改進路徑。當(dāng)完成尋找一條從I0到In并且IS在In緊前被訪問的，對當(dāng)前生產(chǎn)計劃優(yōu)化目標改進量最大的改進路徑(S，n)的任務(wù)時，迭代過程完畢。搜索交替路徑變換鄰域所得的最優(yōu)解可通過求解獲得，其中，f(S，n)可通過上述迭代式迭代到第n代來獲得，P[S]，P[n]為在板卷S，n作為改進路徑末端最后兩個板卷所造成的對優(yōu)化目標中波動附加成本的改進量。這個最優(yōu)解描述了可使當(dāng)前可行生產(chǎn)計劃的優(yōu)化目標獲得最大改進的改進路徑，最后根據(jù)這個改進路徑，對當(dāng)前可行生產(chǎn)計劃進行改進，從而獲得較好的生產(chǎn)計劃，改進過程如圖7所示。
本發(fā)明所涉及的交替路徑變換鄰域不僅考慮了生產(chǎn)計劃中相鄰鋼卷關(guān)系的變化造成的對優(yōu)化目標中切換成本的改進，還考慮了只有當(dāng)相鄰三個結(jié)點確定后才能確定的優(yōu)化目標中的變化趨勢波動附加成本的改進。在本發(fā)明中，用于搜索交替路徑變換鄰域的動態(tài)規(guī)劃迭代式的計算復(fù)雜度是O(n3)。
結(jié)合如上兩種優(yōu)化策略，連續(xù)退火機組鋼卷優(yōu)化排序方法的總體流程(如圖8所示)如下 Step 1.比較利用初始可行排序方案構(gòu)造方法構(gòu)造的8個可行排序方案Δ1，Δ2，Δ3，Δ4，Δ5，Δ6，Δ7，Δ8，選取目標值最好的一個作為優(yōu)化調(diào)整的初始可行生產(chǎn)計劃Δ； Step 2.初始化禁忌表(Tabulist)為空，迭代次數(shù)(IterNum)和連續(xù)無改進迭代次數(shù)(IterWoImpNum)為零，當(dāng)前可行生產(chǎn)計劃Δnow和當(dāng)前最好可行生產(chǎn)計劃Δbest為Δ； Step 3.搜索當(dāng)前可行生產(chǎn)計劃Δnow的交換鄰域，找到不受禁忌的最好可行生產(chǎn)計劃Δnext； Step 4.搜索當(dāng)前可行生產(chǎn)計劃Δnow的交換鄰域，如果有交換被禁，但通過該交換可獲得當(dāng)前已發(fā)現(xiàn)所有排序方案中目標值最好的可行生產(chǎn)計劃，則破禁更新當(dāng)前最好可行生產(chǎn)計劃Δbest、當(dāng)前可行生產(chǎn)計劃Δnow和禁忌表，否則Δnow＝Δnext，更新禁忌表，如果Δbest＞Δnext，Δbest＝Δnext，IterNum＝IterNum+1，如果Δbest未得到更新，IterWoImpNum＝IterWoImpNum+1，否則IterWoImpNum＝0； Step 5.如果迭代次數(shù)IterNum大于給定最大迭代次數(shù)MaxIterNum，停止計算，否則轉(zhuǎn)Step 6。
Step 6.如果連續(xù)無改進迭代次數(shù)IterWoImpNum大于等于MaxIterWoImpNum，搜索當(dāng)前可行生產(chǎn)計劃Δnow的交替路徑變換鄰域，更新當(dāng)前可行生產(chǎn)計劃Δnow，返回Step 3。
本發(fā)明的一種連續(xù)退火計劃排產(chǎn)系統(tǒng) 1、在上述介紹的連續(xù)退火機組鋼卷優(yōu)化排序方法的基礎(chǔ)上，本發(fā)明提供了一套連續(xù)退火計劃排產(chǎn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)處于銜接鋼鐵企業(yè)的內(nèi)部信息管理平臺(企業(yè)資源計劃(簡稱ERP)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng))和生產(chǎn)現(xiàn)場自動控制系統(tǒng)的位置，依據(jù)信息管理平臺提供的信息，通過連續(xù)退火優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)中的生產(chǎn)計劃優(yōu)化排序器制訂鋼卷生產(chǎn)計劃，并由管理員利用連續(xù)退火計劃排產(chǎn)系統(tǒng)中的人工調(diào)整功能，對生產(chǎn)計劃進行修改，最終交由生產(chǎn)現(xiàn)場自動控制系統(tǒng)予以實施。連續(xù)退火優(yōu)化排產(chǎn)系統(tǒng)以Windows為支撐平臺，采用Visual c++6.0開發(fā)程序，后臺數(shù)據(jù)庫采用Microsoft SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)的優(yōu)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計主要是采用模塊設(shè)計思想與圖形界面相結(jié)合，模塊化設(shè)計使系統(tǒng)便于修改與移植，而圖形界面便于用戶操作。本發(fā)明根據(jù)實現(xiàn)功能將系統(tǒng)劃分多個模塊，每個模塊都具有獨立功能，從而提高系統(tǒng)的可移植性和靈活性；在執(zhí)行優(yōu)化排序任務(wù)時，系統(tǒng)的各功能模塊通過相互之間的協(xié)同工作來完成實際任務(wù)，其運作關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖9所示。該系統(tǒng)的功能模塊包括授權(quán)用戶登錄模塊、數(shù)據(jù)下載模塊、數(shù)據(jù)維護模塊、鋼卷收池模塊、自動鋼卷優(yōu)化排序模塊、生產(chǎn)計劃手工調(diào)整模塊、生產(chǎn)計劃檢查評價模塊、生產(chǎn)計劃下發(fā)模塊、優(yōu)化系統(tǒng)維護模塊，其中自動鋼卷優(yōu)化排序模塊采用了上部分所述的優(yōu)化工藝方法。當(dāng)運行該系統(tǒng)時，按照系統(tǒng)提示輸入用戶名和密碼，授權(quán)用戶登錄模塊將判斷用戶身份，對于身份符合的用戶將予以使用優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的其它模塊，工作流程如圖10；在數(shù)據(jù)下載模塊，用戶可根據(jù)庫存情況及需求情況下載鋼卷信息，工作流程如圖11；對于下載后的鋼卷信息，數(shù)據(jù)維護模塊使用戶可以根據(jù)需求對其進行增加、刪除、修改等調(diào)整，工作流程如圖12；根據(jù)生產(chǎn)需求，在鋼卷收池模塊，采用組合條件收池和手工刪除的方式對鋼卷收池，確定當(dāng)前計劃所考慮的鋼卷信息，工作流程如圖13；自動鋼卷優(yōu)化排序模塊將對收池后鋼卷進行排序，利用優(yōu)化排序方法制定生產(chǎn)計劃；對于鋼卷優(yōu)化排序方法制定的生產(chǎn)計劃，利用生產(chǎn)計劃手工調(diào)整模塊的功能可按需求增加刪除鋼卷信息，以及調(diào)整其中鋼卷的加工順序，從而更加完善生產(chǎn)計劃，工作流程如圖15；生產(chǎn)計劃檢查評價模塊將對系統(tǒng)制訂的生產(chǎn)計劃給予檢查，當(dāng)檢查結(jié)果合格時對其進行評價，工作流程如圖16；將計算并調(diào)整后的生產(chǎn)計劃下發(fā)到生產(chǎn)執(zhí)行機構(gòu)并打印，工作流程如圖17；優(yōu)化系統(tǒng)維護模塊是對冷軋連續(xù)退火機組鋼卷優(yōu)化排序方法和系統(tǒng)中所涉及的參數(shù)進行調(diào)整修改以滿足當(dāng)前需要，工作流程如圖18。
其中所述的自動鋼卷優(yōu)化排序模塊主要通過三個執(zhí)行子模塊來完成，自動鋼卷優(yōu)化排序模塊的工作流程即這三個子模塊的協(xié)調(diào)工作運行流程如圖14所示。
初始排序子模塊，將候選鋼卷按照退火溫度從高到低，或者從低到高，進行排序，形成兩種初始鋼卷排序方案，對每種初始鋼卷排序方案采取寬度優(yōu)先排序或者厚度優(yōu)先排序方法進行優(yōu)化，主要流程如前述第一步建立一系列連續(xù)退火機組初始可行鋼卷排序方案的流程，其中產(chǎn)生一種可行鋼卷排序方案的流程圖如圖3所示； 初始方案比較子模塊，在優(yōu)化的初始鋼卷排序方案中，選擇優(yōu)化目標值最小，即總切換成本和波動附加成本最小的排序方案作為初始可行生產(chǎn)計劃，主要流程如圖4所示； 優(yōu)化調(diào)整模塊，以優(yōu)化調(diào)度模型目標值最小為目標，利用對交換鄰域禁忌搜索和搜索交替路徑變換鄰域進行調(diào)整，對初始生產(chǎn)計劃進行改進調(diào)整，主要流程如圖8所示。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(1)本發(fā)明除了考慮相鄰鋼卷的退火溫度、寬度、厚度等物理參數(shù)的跳躍最小化以外，還考慮了整個生產(chǎn)計劃中的退火溫度、寬度、厚度變化波動情況，當(dāng)相鄰板卷的退火溫度、寬度、厚度跳躍足夠小，并且在整個生產(chǎn)計劃中，退火溫度、寬度、厚度變化盡量單調(diào)時，生產(chǎn)設(shè)備的調(diào)整也將變少，從而使得計劃執(zhí)行過程能夠平穩(wěn)順利的進行，使生產(chǎn)過程更加合理。
(2)本發(fā)明產(chǎn)生初始生產(chǎn)計劃后，采用了對交換鄰域進行禁忌搜索和搜索交替路徑變換鄰域兩種優(yōu)化策略來進一步優(yōu)化調(diào)整生產(chǎn)計劃，在此優(yōu)化過程中，90％以上的優(yōu)化迭代由對交換鄰域進行禁忌搜索的優(yōu)化策略來完成，但是，利用動態(tài)規(guī)劃迭代式搜索交替路徑變換鄰域的優(yōu)化策略在整個優(yōu)化調(diào)整過程中，對優(yōu)化目標值的改進量可達20％以上，并且這些改進將優(yōu)化搜索過程拖拽到了一個新的未搜索空間，從而促使對交換鄰域進行禁忌搜索的改進策略能夠繼續(xù)有效的改進優(yōu)化目標。
(3)將本發(fā)明方法利用連續(xù)退火計劃排產(chǎn)系統(tǒng)的自動鋼卷優(yōu)化排序模塊來實現(xiàn)，并將其應(yīng)用于多個實際鋼鐵企業(yè)冷軋鋼鐵優(yōu)化排序問題，與人工編制的排序結(jié)果相比，平均降低切換次數(shù)31.51％，平均降低變化趨勢波動次數(shù)37.84％，生產(chǎn)切換成本與波動附加成本的降低分別與切換次數(shù)的降低和變化趨勢波動次數(shù)的降低成正比，平均降低總的生產(chǎn)切換成本和波動附加成本34.04％，有效減少了鋼卷在波動加工條件下進行加工的情況發(fā)生，從而提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，提高企業(yè)效益。
(4)考慮到其他金屬材料的退火工藝與鋼鐵企業(yè)連續(xù)退火過程的工藝具有相似性，本發(fā)明所提優(yōu)化方法以及系統(tǒng)除可應(yīng)用鋼鐵企業(yè)連續(xù)退火過程外，還可廣泛應(yīng)用其他金屬材料的連續(xù)退火工藝。
(5)本發(fā)明將自動優(yōu)化排序方法與人工調(diào)整接口相結(jié)合，有機地利用了計算機的快捷性和工作人員的經(jīng)驗和靈活性，從而最大程度的完善調(diào)度層工作。
(6)本發(fā)明的連續(xù)退火計劃排產(chǎn)系統(tǒng)采用模塊設(shè)計思想與圖形接口相結(jié)合，模塊化設(shè)計使系統(tǒng)便于修改與移植，而圖形接口便于用戶觀察操作。



圖1為本發(fā)明所考慮連續(xù)退火的主要加工過程示意圖； 圖2為企業(yè)信息管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為一種初始可行鋼卷排序方案Δ1的構(gòu)造方法流程圖； 圖4比較一系列初始可行鋼卷排序方案獲得初始可行生產(chǎn)計劃流程圖； 圖5(a)為一個連續(xù)退火生產(chǎn)計劃示意圖； 圖5(b)為用于圖5(a)中的連續(xù)退火生產(chǎn)計劃的交換移動示意圖； 圖5(c)為對圖5(a)中的生產(chǎn)計劃做圖5(b)所示交換移動獲得的一個新生產(chǎn)計劃示意圖； 圖6(a)為另一個連續(xù)退火生產(chǎn)計劃示意圖； 圖6(b)為對圖6(a)中生產(chǎn)計劃進行交替路徑變換鄰域搜索時構(gòu)造的輔助改進圖； 圖7(a)為某個連續(xù)退火生產(chǎn)計劃示意圖； 圖7(b)為用動態(tài)規(guī)劃搜索圖7(a)中生產(chǎn)計劃的交替路徑變換鄰域獲得的改進路徑示意圖； 圖7(c)為對圖7(a)中生產(chǎn)計劃，根據(jù)圖7(b)的改進路徑所作的改進移動示意圖； 圖7(d)為對圖7(a)中生產(chǎn)計劃，做圖7(c)所作的改進移動獲得的新生產(chǎn)計劃示意圖； 圖8為調(diào)整連續(xù)退火初始可行生產(chǎn)計劃的算法總體流程圖； 圖9為本發(fā)明的系統(tǒng)中各功能模塊之間的關(guān)系結(jié)構(gòu)圖； 圖10為授權(quán)用戶登陸模塊運行流程圖； 圖11為數(shù)據(jù)下載模塊運行流程圖； 圖12為數(shù)據(jù)維護模塊運行流程圖； 圖13為鋼卷收池模塊運行流程圖； 圖14為自動鋼卷優(yōu)化排序模塊運行流程圖； 圖15為生產(chǎn)計劃手工調(diào)整模塊運行流程圖； 圖16為生產(chǎn)計劃檢查評價模塊運行流程圖； 圖17為生產(chǎn)計劃下發(fā)模塊運行流程圖； 圖18為優(yōu)化系統(tǒng)維護模塊運行流程圖。
其中，圖1中1-開卷機；2-雙剪切機；3-焊接機；4-清洗部分；5-入口側(cè)活套；6-退火爐；7-出口側(cè)活套；8-平整機；9-圓盤式切邊機；10-加油器；11-剪切機；12-張力卷取機。

具體實施例方式 下面以鋼鐵企業(yè)連續(xù)退火生產(chǎn)過程為背景，結(jié)合附圖進行詳細說明。
本發(fā)明系統(tǒng)的實施需要如下裝置至少一臺PC機；至少一個電纜接口或光纜接口或電話專線接口；至少一臺路由器。這些設(shè)備為連續(xù)退火機組鋼卷優(yōu)化排序提供硬件基礎(chǔ)。該系統(tǒng)所需要的軟件支持包括Windows操作系統(tǒng)作為支撐平臺，安裝Microsoft SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)支持數(shù)據(jù)管理，配置信息傳送端口。PC機用于實現(xiàn)和運行本發(fā)明的優(yōu)化系統(tǒng)，路由器、電纜接口等通訊設(shè)備用于實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部信息管理平臺、計劃排產(chǎn)系統(tǒng)和生產(chǎn)現(xiàn)場自動控制系統(tǒng)之間的通訊連接，達到優(yōu)化生產(chǎn)過程，提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。
本發(fā)明主要涉及調(diào)度管理室的主機，它用于執(zhí)行計劃排產(chǎn)系統(tǒng)，企業(yè)信息管理系統(tǒng)，生產(chǎn)現(xiàn)場自動控制系統(tǒng)，其協(xié)調(diào)工作關(guān)系如圖2所示。作為優(yōu)化生產(chǎn)計劃方案的主要部件，利用通信設(shè)備-電纜接口和路由器等，調(diào)度管理室的主計算機的輸入端與企業(yè)信息管理系統(tǒng)相聯(lián)，其輸出端與生產(chǎn)現(xiàn)場自動控制系統(tǒng)相聯(lián)，從而實現(xiàn)生產(chǎn)計劃的下發(fā)過程。
本發(fā)明的系統(tǒng)中各功能模塊之間的運作關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖9所示。在編制連續(xù)退火生產(chǎn)計劃過程中，首先運行優(yōu)化系統(tǒng)，按照系統(tǒng)提示輸入用戶名和密碼，授權(quán)用戶登錄模塊將判斷用戶身份，對于身份符合的用戶將予以使用優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的其它模塊。
在編制連續(xù)退火機組生產(chǎn)計劃過程前首先進入優(yōu)化系統(tǒng)維護模塊，確定當(dāng)前系統(tǒng)采用參數(shù)適合制定當(dāng)前生產(chǎn)計劃，在此模塊，可對機組參數(shù)(包括爐溫變化速度ve，允許最大的退火溫度跳躍δT，允許最大的寬度跳躍δw，允許最大的厚度跳躍δt)、計劃管理參數(shù)(跳躍損失懲罰費用，變化趨勢波動損失懲罰費用)、算法參數(shù)(包括相鄰鋼卷退火溫度切換成本權(quán)重λT，相鄰鋼卷寬度切換成本權(quán)重λw，相鄰鋼卷厚度切換成本權(quán)重λt，切換成本在優(yōu)化目標中所占的權(quán)重λ1和波動附加成本在優(yōu)化目標中所占的權(quán)重λ2)進行修改。
在編制連續(xù)退火生產(chǎn)計劃過程中，首先要從企業(yè)信息管理系統(tǒng)下載庫存鋼卷信息，以獲得優(yōu)化方法和系統(tǒng)的操作對象，同時在數(shù)據(jù)維護模塊，可根據(jù)實際具體情況，逐條增加刪除鋼卷信息，以及對鋼卷信息進行修改，此后，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場需求確定所需鋼卷性能特征，可采用組合條件收池的方法從優(yōu)化系統(tǒng)中的鋼卷信息中收集符合現(xiàn)場需求的鋼卷，并確定其為當(dāng)前生產(chǎn)計劃所考慮的鋼卷信息；然后，進入自動鋼卷優(yōu)化排序階段，在此實施例當(dāng)中，自動鋼卷優(yōu)化排序方法將用于解決涉及43個在庫鋼卷的排序問題，具體鋼卷信息如下表1。
表1 在此階段，結(jié)合當(dāng)前候選鋼卷信息和具體生產(chǎn)現(xiàn)場狀態(tài)對生產(chǎn)系統(tǒng)進行描述，將相鄰鋼卷的退火溫度和規(guī)格跳躍情況分別評價為相鄰鋼卷退火溫度差異所造成切換成本cijT和規(guī)格差異所造成的切換成本cijg；結(jié)合生產(chǎn)設(shè)備情況，核算出爐溫波動附加成本piT，厚度波動附加成本pit和寬度波動附加成本piw，并結(jié)合當(dāng)前的鋼卷信息，確定在優(yōu)化過程中切換成本和波動附加成本在優(yōu)化目標中的權(quán)重，此轉(zhuǎn)化過程將按如下方式完成。設(shè)cijT是相鄰鋼卷退火溫度切換成本，cijt是相鄰鋼卷厚度切換成本，cijw是相鄰鋼卷寬度切換成本，cijg是相鄰鋼卷規(guī)格切換成本，生產(chǎn)現(xiàn)場控制系統(tǒng)通常控制爐溫勻速變化，爐溫變化速度ve為5℃/s，設(shè)鋼的密度為ρsteel＝7.85t/m3，那么在從Ti切換到Tj的過程中，則將有

噸鋼在漸變過程中進行加工，這必將影響這段鋼帶的質(zhì)量，估算因此質(zhì)量問題將造成的利益損失為r＝60，那么相鄰鋼卷退火溫度切換成本cijT即為允許最大的退火溫度跳躍δT＝20，相鄰鋼卷退火溫度切換成本權(quán)重λT＝0.6。


其中，允許最大的寬度跳躍δw＝200，相鄰鋼卷寬度切換成本權(quán)重λw＝0.05
其中，允許最大的厚度跳躍δt＝0.6，相鄰鋼卷厚度切換成本權(quán)重λt＝80。設(shè)si為鋼卷i的橫截面積，即si＝wi×ti，所以規(guī)格跳躍造成的切換成本為
則相鄰鋼卷切換成本為λ1＝0.6，λ2＝0.4，禁忌表長度設(shè)為15，最大允許迭代次數(shù)為500，最大無改進迭代次數(shù)為5。以以上計算的參數(shù)為基礎(chǔ)，將鋼鐵生產(chǎn)中的連續(xù)退火機組鋼卷優(yōu)化排序問題的優(yōu)化目標及優(yōu)化約束描述出來。
在所描述的連續(xù)退火機組鋼卷優(yōu)化排序問題基礎(chǔ)上，結(jié)合初始排序方案產(chǎn)生方法，產(chǎn)生8個初始可行排序方案Δ1，Δ2，Δ3，Δ4，Δ5，Δ6，Δ7，Δ8，其中，Δ1通過初始可行鋼卷排序方案1的構(gòu)造方法來獲得，如圖3所示；獲得初始可行鋼卷排序方案2Δ2的方法與可行鋼卷排序方案1的構(gòu)造方法相似，但是將Step 3中的“從厚到薄”替換到“從薄到厚”；獲得初始可行鋼卷排序方案3Δ3的方法與可行鋼卷排序方案1的構(gòu)造方法相似，但是將Step 2中的“從寬到窄”替換到“從窄到寬”；獲得初始可行鋼卷排序方案4Δ4的方法與初始可行鋼卷排序方案1的構(gòu)造方法相似，但是將Step 2中的“從寬到窄”替換到“從窄到寬”，Step 3中的“從厚到薄”替換到“從薄到厚”；獲得初始可行鋼卷排序方案5Δ5的方法與初始可行鋼卷排序方案1的構(gòu)造方法相似，但是將Step 1中的“從高到低”替換到“從低到高”；獲得初始可行鋼卷排序方案6Δ6的方法與初始可行鋼卷排序方案1的構(gòu)造方法相似，但是將Step 1中的“從高到低”替換到“從低到高”，Step 3中的“從厚到薄”替換到“從薄到厚”；獲得初始可行鋼卷排序方案7Δ7的方法與初始可行鋼卷排序方案1的構(gòu)造方法相似，但是將Step 1中的“從高到低”替換到“從低到高”，Step 2中的“從寬到窄”替換到“從窄到寬”；獲得初始可行鋼卷排序方案8Δ8的方法與初始可行鋼卷排序方案1的構(gòu)造方法相似，但是將Step 1中的“從高到低”替換到“從低到高”，Step 2中的“從寬到窄”替換到“從窄到寬”，Step 3中的“從厚到薄”替換到“從薄到厚”。
比較八個初始可行鋼卷排序方案Δ1，Δ2，Δ3，Δ4，Δ5，Δ6，Δ7，Δ8的目標函數(shù)值，選出優(yōu)化目標值最小的一個排序方案作為初始可行生產(chǎn)計劃Δ，即在本實施例中，依照上面的描述獲得初始可行生產(chǎn)計劃Δ41，33，29，15，14，13，40，35，26，25，24，20，18，22，8，1，5，3，4，2，39，37，36，34，32，31，30，28，27，21，19，17，12，11，9，16，7，6，42，38，10，43，23，對應(yīng)目標值為124258.91。
然后利用前面描述的優(yōu)化策略1，即對當(dāng)前生產(chǎn)計劃的交換鄰域進行禁忌搜索優(yōu)化調(diào)整方法對Δ進行改進，在第一步迭代中，通過嘗試交換當(dāng)前序列中任意兩個鋼卷的位置，在禁忌表的限制下，尋找到具有最好優(yōu)化目標值的改進序列，即通過交換鋼卷32和39，改進當(dāng)前生產(chǎn)計劃為41，33，29，15，14，13，40，35，26，25，24，20，18，22，8，1，5，3，4，2，32，37，36，34，39，31，30，28，27，21，19，17，12，11，9，16，7，6，42，38，10，43，23，對應(yīng)目標值為93748.17，此時將交換鋼卷39和32這一移動加入禁忌表，并設(shè)其禁忌代數(shù)為15，禁忌表的存儲內(nèi)容可描述如表2。。此后，繼續(xù)利用優(yōu)化策略1進行迭代優(yōu)化，當(dāng)利用策略1迭代優(yōu)化到第7代時，無改進迭代次數(shù)達到最大無改進迭代次數(shù)，此時，采用優(yōu)化策略2，即搜索交替路徑變換鄰域進行改進，獲得新的生產(chǎn)計劃15，6，10，38，42，43，39，16，9，11，12，21，19，17，22，28，30，31，32，34，36，37，7，2，4，3，5，1，8，27，18，20，24，25，26，13，33，35，14，23，29，40，41，對應(yīng)目標值為37344.02，此后，依據(jù)如圖8描述的優(yōu)化過程繼續(xù)進行優(yōu)化，直到滿足停止準則，從而獲得連續(xù)退火優(yōu)化生產(chǎn)計劃15，6，10，38，42，43，39，16，9，11，12，21，19，17，22，28，30，31，32，34，36，37，7，2，4，3，5，1，8，27，18，20，24，25，26，13，33，35，14，23，29，40，41，對應(yīng)目標值為36915.00。
表2 對以上利用自動鋼卷優(yōu)化排序模塊獲得的連續(xù)退火生產(chǎn)計劃，將在連續(xù)退火計劃排產(chǎn)系統(tǒng)中顯示；此后，計劃員可根據(jù)手工拖拽等方式在生產(chǎn)計劃手工調(diào)整模塊的圖形模塊對生產(chǎn)計劃進行調(diào)整；當(dāng)調(diào)整完畢，可以利用生產(chǎn)計劃檢查評價模塊對生產(chǎn)計劃進行評價；根據(jù)評價結(jié)果，可對生產(chǎn)計劃繼續(xù)進行調(diào)整，也可將評價結(jié)果作為依據(jù)將生產(chǎn)計劃下發(fā)到生產(chǎn)機組。
權(quán)利要求
1、一種冷軋連續(xù)退火機組鋼卷優(yōu)化排序方法，其特征在于滿足生產(chǎn)約束條件下，建立優(yōu)化排序模型，在模型中設(shè)定了優(yōu)化目標，并建立了約束條件，排序方法按如下步驟
第一步建立一系列連續(xù)退火機組初始可行鋼卷排序方案
將候選鋼卷按照退火溫度分別從高到低和從低到高進行排序，形成兩種初始鋼卷排序方案，對每種初始鋼卷排序方案采取寬度優(yōu)先排序或者厚度優(yōu)先排序方法進行優(yōu)化；
其中寬度優(yōu)先排序指在每種初始鋼卷排序方案中，對于具有相同退火溫度的鋼卷再根據(jù)鋼卷的寬度，分別采用從寬到窄和從窄到寬兩種不同的排序規(guī)則排序，獲得四種鋼卷排序方案，最后對具有相同溫度、相同寬度的鋼卷再按厚度從厚到薄和從薄到厚排序，共獲得八個不同的初始可行排序方案；其中厚度優(yōu)先排序指在每種初始鋼卷排序方案中，對于具有相同退火溫度的鋼卷再根據(jù)鋼卷的厚度，分別采用從厚到薄和從薄到厚兩種不同的排序規(guī)則排序，獲得四種初始鋼卷排序方案，最后對具有相同溫度、相同厚度的鋼卷再按寬度從寬到窄和從窄到寬排序，獲得八個不同的初始可行排序方案；
第二步比較一系列連續(xù)退火機組初始可行鋼卷排序方案獲得初始可行生產(chǎn)計劃
從初始鋼卷排序方案中，選擇優(yōu)化目標值最小的排序方案作為初始可行生產(chǎn)計劃；
第三步對連續(xù)退火初始可行生產(chǎn)計劃進行優(yōu)化
對初始可行生產(chǎn)計劃，以優(yōu)化排序模型目標值最小為目標，利用交換鄰域禁忌搜索和交替路徑變換鄰域搜索兩種優(yōu)化策略進行調(diào)整，以獲得滿足工藝約束的連續(xù)退火加工計劃。
2、按照權(quán)利要求1所述的一種冷軋連續(xù)退火機組鋼卷優(yōu)化排序方法，其特征在于第二步中所述的優(yōu)化目標值最小，指切換成本和波動附加成本目標值最小，所述的波動附加成本包括退火溫度、寬度、厚度變化趨勢發(fā)生波動所造成的波動附加成本，所述的切換成本可根據(jù)如下公式進行計算，相鄰鋼卷切換成本為
其中cijt是相鄰鋼卷厚度切換成本，cijw是相鄰鋼卷寬度切換成本，設(shè)爐溫變化速度ve，設(shè)鋼的密度為ρsteel，Ti表示鋼卷i要求的退火溫度，那么在從Ti切換到Tj的過程中，利益損失為r元，允許最大的退火溫度跳躍δT，相鄰鋼卷退火溫度切換成本權(quán)重λT，wi表示鋼卷i要求的寬度，ti表示鋼卷i要求的厚度，則相鄰鋼卷退火溫度切換成本
其中，允許最大的寬度跳躍δw，相鄰鋼卷寬度切換成本權(quán)重λw
其中，允許最大的厚度跳躍δt，相鄰鋼卷厚度切換成本權(quán)重λt，設(shè)si為鋼卷i的橫截面積，即si＝wi×ti，規(guī)格跳躍造成的切換成本為
3、按照權(quán)利要求1所述的一種冷軋連續(xù)退火機組鋼卷優(yōu)化排序方法，其特征在于所述的優(yōu)化排序模型，假定在連續(xù)退火機組原料庫有n個板卷1，2，...，n-1，n等待加工，連續(xù)退火機組鋼卷優(yōu)化排序問題描述為如下數(shù)學(xué)模型
約束條件
其中，xij表示連續(xù)退火生產(chǎn)計劃中，鋼卷i和鋼卷j之間的相鄰關(guān)系，當(dāng)鋼卷i在鋼卷j緊前進行加工，xij取值為1，否則xij取值為0；yiT表示連續(xù)退火生產(chǎn)計劃中，退火溫度的變化趨勢在鋼卷i處是否發(fā)生轉(zhuǎn)變，如果發(fā)生轉(zhuǎn)變，yiT取值為1，否則yiT取值為0；yit表示連續(xù)退火生產(chǎn)計劃中，厚度的變化趨勢在鋼卷i處是否發(fā)生轉(zhuǎn)變，如果發(fā)生轉(zhuǎn)變，yit取值為1，否則yit取值為0；yiw表示連續(xù)退火生產(chǎn)計劃中，寬度的變化趨勢在鋼卷i處是否發(fā)生轉(zhuǎn)變，如果發(fā)生轉(zhuǎn)變，yiw取值為1，否則yiw取值為0，cijT為由于相鄰鋼卷i和j的退火溫度差異所造成的切換成本，cijg為由于相鄰鋼卷i和j的規(guī)格差異所造成的切換成本，piT是由于在生產(chǎn)計劃中鋼卷i處退火溫度的變化趨勢發(fā)生變化所造成的爐溫波動附加成本，pit是由于在生產(chǎn)計劃中鋼卷i處厚度的變化趨勢發(fā)生變化所造成的厚度波動附加成本，piw是由于在生產(chǎn)計劃中鋼卷i處寬度的變化趨勢發(fā)生變化所造成的寬度波動附加成本，Ti表示鋼卷i要求的退火溫度，wi表示鋼卷i的寬度，ti表示鋼卷i的厚度；λ1和λ2分別是切換成本和波動附加成本在優(yōu)化目標中所占的權(quán)重。
4、按照權(quán)利要求1所述的一種冷軋連續(xù)退火機組鋼卷優(yōu)化排序方法，其特征在于第三步中所述的交換鄰域禁忌搜索，指交換任意兩個鋼卷在當(dāng)前生產(chǎn)計劃中的加工位置，尋找優(yōu)化排序模型目標值最小的交換改進方案。
5、按照權(quán)利要求1所述的一種冷軋連續(xù)退火機組鋼卷優(yōu)化排序方法，其特征在于第三步中所述的交替路徑變換鄰域搜索，指用如下動態(tài)規(guī)劃迭代式進行，設(shè)(S，L)表示輔助改進圖中從I0到IL的改進路徑，其中IS是在IL緊前被訪問；f(S，L)是改進路徑(S，L)對應(yīng)的對模型中優(yōu)化目標的最好改進量；輔助改進圖中的每條弧(Ij，Ik)對應(yīng)的改進移動所引起的對優(yōu)化目標中切換成本的改進量定義為D[j，k]，可按照如下公式進行計算
當(dāng)1≤j≤n時，D
＝-c[In，I0]+c[I0，Ij]，
當(dāng)1≤j＜k≤n時，D[j，k]＝-c[Ij-1，Ij]+c[Ij-1，Ik]，
P[j]表示在輔助改進圖的改進路徑末端插入節(jié)點Ij所對應(yīng)的對當(dāng)前生產(chǎn)計劃的改變所帶來的對優(yōu)化目標中變化趨勢波動成本的改進量，其動態(tài)規(guī)劃迭代式給定如下
此迭代式可被初始化為
f(0，L)＝D
，
式中，f(S′，S)為從I0到IS并且IS′在IS緊前被訪問的改進路徑對應(yīng)的最好改進量，即優(yōu)化排序模型目標值最小，其中S′＜S＜L，如上迭代式試圖找到一條從I0到IL并且IS在IL緊前被訪問的，對當(dāng)前生產(chǎn)計劃優(yōu)化目標改進最好的改進路徑，當(dāng)完成尋找一條從I0到In并且IS在In緊前被訪問的具有最好改進量的改進路徑(S，n)的任務(wù)時，迭代過程完畢，搜索交替路徑變換鄰域所得的最優(yōu)解可通過求解
獲得。
6、一種如權(quán)利要求1所述的冷軋連續(xù)退火機組鋼卷優(yōu)化排序方法采用的系統(tǒng)，其特征在于包括授權(quán)用戶登錄模塊、數(shù)據(jù)下載模塊、數(shù)據(jù)維護模塊、鋼卷收池模塊、自動鋼卷優(yōu)化排序模塊、生產(chǎn)計劃手工調(diào)整模塊、生產(chǎn)計劃檢查評價模塊、生產(chǎn)計劃下發(fā)模塊、優(yōu)化系統(tǒng)維護模塊，其中自動鋼卷優(yōu)化排序模塊采用了上部分所述的鋼卷優(yōu)化排序方法，運行系統(tǒng)，按照系統(tǒng)提示輸入用戶名和密碼，授權(quán)用戶登錄模塊將判斷用戶身份，對于身份符合的用戶將予以使用優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的其它模塊；在數(shù)據(jù)下載模塊，用戶可根據(jù)庫存情況下載鋼卷信息，對于下載后的鋼卷信息，數(shù)據(jù)維護模塊使用戶可以根據(jù)需求進行調(diào)整；根據(jù)生產(chǎn)需求，在鋼卷收池模塊對鋼卷收池，確定當(dāng)前計劃所考慮的鋼卷信息；自動鋼卷優(yōu)化排序模塊將對收池后鋼卷進行排序，利用優(yōu)化排序方法制定生產(chǎn)計劃；對于鋼卷優(yōu)化排序方法制定的生產(chǎn)計劃，利用生產(chǎn)計劃手工調(diào)整模塊的功能對其進行調(diào)整，從而更加完善生產(chǎn)計劃；生產(chǎn)計劃檢查評價模塊將對系統(tǒng)制訂的生產(chǎn)計劃給予檢查評價；將計算并調(diào)整后的生產(chǎn)計劃下發(fā)到生產(chǎn)執(zhí)行機構(gòu)；優(yōu)化系統(tǒng)維護模塊是對系統(tǒng)中所涉及的參數(shù)進行調(diào)整修改。
7、一種如權(quán)利要求6所述的冷軋連續(xù)退火機組鋼卷優(yōu)化排序方法采用的系統(tǒng)，其特征在于所述的自動鋼卷優(yōu)化排序模塊主要通過三個執(zhí)行子模塊來完成，
初始排序子模塊，將候選鋼卷按照退火溫度從高到低，或者從低到高，進行排序，形成兩種初始鋼卷排序方案，對每種初始鋼卷排序方案采取寬度優(yōu)先排序或者厚度優(yōu)先排序方法進行優(yōu)化；
初始方案比較子模塊，在優(yōu)化的初始鋼卷排序方案中，選擇優(yōu)化目標值最小，即切換成本和波動附加成本目標值最小的排序方案作為初始可行生產(chǎn)計劃；
優(yōu)化調(diào)整模塊，以優(yōu)化調(diào)度模型目標值最小為目標，利用對交換鄰域禁忌搜索和搜索交替路徑變換鄰域進行調(diào)整，對初始生產(chǎn)計劃進行改進調(diào)整。
全文摘要
一種冷軋連續(xù)退火機組鋼卷優(yōu)化排序方法及其系統(tǒng)，屬于金屬材料加工信息技術(shù)領(lǐng)域，優(yōu)化方法包括以下步驟一、將候選鋼卷按退火溫度分別從高到低和從低到高排序，形成兩種初始排序方案，對每種初始排序方案采取寬度優(yōu)先排序或厚度優(yōu)先排序方法進行優(yōu)化，獲得多組初始可行排序方案；二、從初始鋼卷排序方案中選擇優(yōu)化目標值最小的排序方案作為初始可行生產(chǎn)計劃；三、對初始可行生產(chǎn)計劃，以優(yōu)化排序模型目標值最小為目標，用交換鄰域禁忌搜索和交替路徑變換鄰域搜索進行調(diào)整?；诖朔椒ㄌ岢鱿鄳?yīng)系統(tǒng)，本發(fā)明使得生產(chǎn)計劃執(zhí)行過程中切換減少，過渡平滑，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，挖掘了產(chǎn)能。
文檔編號G05B19/418GK101334660SQ200810012090
公開日2008年12月31日 申請日期2008年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月30日
發(fā)明者唐立新, 陽 楊, 博 龐 申請人:東北大學(xué)