[发明专利]一种炼钢—连铸炉次批量计划自动编制方法及系统

权利要求书

1.一种炼钢-连铸炉次批量计划自动编制方法，其特征在于依赖于钢铁企业的计算机分级控制系统硬件平台，包括以下步骤： 

(1)数据采集，包括以下三类数据： 

1)计划生产产品数据 

该类数据包括的具体信息如下：材料号，合同号，出钢记号，板坯重量，板坯厚度，板坯宽度，板坯长度，轧制宽度，轧制厚度，硬度组代码，板坯去向，热钢卷去向，材料组别，流向代码，精炼路径代码，烫辊材标记，交货日期，集批代码，厂内交货日期，按周交货标志，合同拖期标记，出口标记，合同性质代码； 

2)生产工艺约束数据 

包括以下小类：板坯宽展侧压、出钢记号以优充次、无委托板坯规格、调宽规则，其中板坯宽展侧压的具体信息包括：硬度组上限、硬度组下限、厚度上限、厚度下限、宽度上限、宽度下限、宽展量上限、宽展量下限、侧压量上限、侧压量下限；出钢记号以优充次的具体信息包括：优出钢记号、次出钢记号、以优充次顺序码；无委托板坯规格信息包括：出钢记号、板坯宽度上限、板坯宽度下限；调宽规则的具体信息包括：从宽到窄幅度，从宽到窄次数，从窄到宽幅度，从窄到宽次数； 

3)生产管理需求数据 

包括：流向码、目标量、目标量上限、目标量下限； 

(2)模型构造 

在满足生产工艺约束和管理要求的条件下，以提高生产效率，降低生产成本，保证准时交货，减少库存积压为目标，采用运筹学手段，构造炉次批量计划问题的数学模型，数学模型描述如下： 

s.t. 

x_ij≤x_ii    i，j∈N                               (3) 

其中，决策变量： 

x_ii：决定生产一个与板坯i的钢级宽度相对应的炉次时，取值为1，否则为0； 

x_ij：将板坯j合并到板坯i所在炉次进行批量生产时，取值为1，否则为0； 

Y_i：板坯i对应的炉次中剩余钢水量；λ₁，λ₂，λ₃分别对应于三个不同目标项的权重； 

模型参数： 

q_i：板坯i对应的炉次中单位重量无委托板坯引起的库存费用； 

h_j：板坯j的优先级系数； 

c_ij：将板坯j合并到板坯i对应的炉次生产时，由于钢级属性差异导致的炼钢附加费用； 

g_j：合同板坯j的重量； 

T：一转炉钢水的冶炼容量，N合同板坯数； 

与连铸机自身运行相关的工艺约束，描述如下： 

其中，d_j^r为合同板坯j的轧制宽度，d_j^p为合同板坯j的允许的最大测压量，σ为连铸机运行过程中允许的调宽幅度，D^max(D^min)为连铸机的最大(小)工艺设定宽度，合同板坯j在连铸工序中允许的浇铸宽度组则为{d_j^min，d_j^min+σ，…，d_j^min}，d_j^max(d_j^min)为板坯j的最大(最小)允许浇铸宽度，合并到同一个炉次内的所有合同板坯的最小允许浇铸宽度的最大值w_i^min和最大允许浇铸宽度的最小值w_i^max，式中B为一个足够大的正数； 

在与生产管理需求相关的约束，描述如下： 

其中，F为热轧下游工序各机组的集合，称为流向，L_chr和U_chr分别为炼钢车间在一个工作日内总产能的下限和上限，L_RH和U_RH分别为炼钢车间内工序-RH精炼在一个工作日内总产能的上限和下限，L_pre和U_pre分别为热轧机组对烫辊材需求量的下限和上限，L_f和U_f分别为热轧下游工序各机组物料需求量的下限和上限，q_i^RH为标识合同板坯i对应的炉次是否经RH精炼工序的二元常量，q_j^pre为标识合同板坯j是否为烫辊材的二元常量，q_j^f标识合同板坯j是否经下游机组f的二元常量； 

(3)优化求解

通过分析所构造数学模型的特征，提出一类基于近似动态规划和局域搜索相混合的智能优化算法，用于求解炉次批量计划问题，以快速自动编制出切实可行且优化生产过程的炉次批量计划；优化求解步骤如下：

1)按照板坯的钢级将所有的板坯N分成多个板坯子集N₁，N₂，...，N_S；

2)对于每个子集N_s内的板坯，1≤s≤S，采用一个基于近似动态规划的优化算法将它们组合到不同的炉次内，已经被组合的板坯，将它们从子集N_s中删除，并将相应的炉次保存到一个解池中；未被组合的剩余板坯仍保留在子集N_s内；

3)针对解池中炉次内的板坯和各子集内的剩余板坯，采用基于插入和交换移动的局域搜索策略对解进行改进，局域搜索的目标为罚函数，即式(14)，此处的插入和交换邻域仅针对具有相同钢级的板坯，即c_ij＝0进行；

4)如果所有的子集都为空集，转步骤10)，否则，转步骤5)；

5)检查炼钢车间的总产能和RH精炼的产能的上下限约束是否满足，即检查式(10-11)是否成立，如果成立，转步骤7)；否则，转步骤6)；

6)在满足以优充次的条件下，即c_ij≠∞，将多个非空板坯子集合并形成新的板坯子集，对合并后的板坯子集，采用类似步骤2)的操作获得多个新的候选炉次，针对候选炉次和解池内的炉次，采用基于插入和交换移动的局域搜索策略对约束罚函数式(15)进行改进，

7)在不违背产能约束的前提下，即保证不等式(10-11)成立，采用类似步骤6)的操作，对罚函数式(15)进行改进；

8)检查不等式(10-11)是否成立，如果成立，转步骤10)，否则，转步骤9)；

9)针对解池中炉次内的每板坯和所有未选择的板坯，采用基于插入和交换移动的局域搜索策略对解进行改进，局域搜索的目标为目标函数(1)和罚函数式(14)之和，此处的插入和交换邻域针对所有满足c_ij≠∞的板坯进行；

10)停止；

其中步骤2)中所述的基于近似动态规划的优化算法包括以下子步骤：

2.1)对于具有相同钢级的板坯子集N_s内的板坯，按照 和p_j非降序排列； 

2.2)根据步骤2.1)中的序列构建有向图 其中顶点子集为 弧集为 i＜j， 弧的权重为 

2.3)在有向图 上寻找从顶点0到达顶点ns的最短路径，可采用基于递归公式为 的动态规划获得；

2.4)基于有向图 所得到的最短路径转化为多个炉次，令(0，j1，j2，...，jh，ns)为最短路径，包含h+1条弧，对于任意一条弧(ji，ji+1)，如果 则将从第ji+1块到第ji+1块板坯组合到一个炉次，当它们的总重量不足炉次重量时，用无委托板坯填充；否则，放弃选择第ji+1到第ji+1的所有板坯；

如步骤3)中所述的基于交换移动的局域搜索策略包括以下详细子步骤：

4.1)创建一个新解池，记为当前最好解池，将解池中的内容复制到当前最好解池；

4.2)按序选取解池中的炉次，按序选取炉次中的板坯，记为i；

4.3)选取所有与板坯i钢级相同但不包含在解池内的板坯子集N_s(i)；

4.4)如果N_s(i)为空，转步骤4.7)；否则，转步骤4.5)；

4.5)按序选择N_s(i)中的板坯，记为j；

4.6)创建一个临时解池，将解池中的内容复制到临时解池，将临时解池中的板坯i移出并将板坯j移入，检查临时解池的可行性包括式(4-9)，如果成立，且由临时解池计算出的目标值式(1)中的 小于由当前最好解池计算出的目标值，则将临时解池的内容复制给当前最好解池，将j从N_s(i)中移除；

4.7)如果N_s(i)不为空，转步骤4.5)选取N_s(i)中下一个板坯；否则，转步骤4.2)选取下一个板坯直至解池中的板坯都被选取；

如步骤3)中所述的基于插入移动的局域搜索策略和基于交换移动的局域搜索策略类似，区别在于步骤4.6)，插入移动不需移出板坯i；

如步骤6)中所述的基于插入和交换移动的局域搜索策略和步骤3)中的局域搜索策略类似，区别在于目标值的计算和插入和交换的对象，步骤6)针对的是炉次而不是板坯；

如步骤9)中所述的基于插入和交换移动的局域搜索策略和步骤3)中的局域搜索策略类似，区别在于目标值的计算和插入和交换的对象范围，步骤3)要求c_ij＝0而步骤9)要求c_ij≠∞；

(4)结果评价

通过对自动编制出的炉次批量计划的结果数据进行显示，给计划编制人员提供一种对计划结果进行分析和评价的方式，为实现人机交互提供方向指导； 

(5)人机交互

当计划编制人员通过结果评价的数据显示模块进行经验分析后，如果认为自动编制方法获得的计划在各项指标方面能够满足当前的生产工艺要求，并且均衡优化了各项生产目标，则可以将其下发执行；否则，则进行相应的人机交互调整；

(6)下发执行

将炉次批量计划的数据信息从本地计算机系统传递给钢区生产管理计算机，就可以获得一个用于指导生产实施的炉次批量计划，进而可将其下发给生产实时控制计算机执行生产。