CN101286186A - 炼钢-连铸生产工艺的中间包使用方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种炼钢－连铸生产工艺的中间包使用方法，包括：建立第一数据库，其中每一个条目包括炉次信息、出钢记号、最大浇铸宽度、最小浇铸宽度以及炉内调宽次数；确定所有浇铸序列，并依次对于其中的每一个浇铸序列根据连铸最大调宽量限制、中间包调宽次数限制以及中间包最大炉数限制确定该浇铸序列与中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数的映射关系，获得对应于所有浇铸序列的函数表达，该函数表达与中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数相关；对该函数表达应用平滑空间法，确定初始浇铸序列；对初始浇铸序列应用启发式算法，选取具有最小中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数的浇铸序列，并根据该浇铸序列确定预计划组中间包。

Description

炼钢-连铸生产工艺的中间包使用方法及装置

技术领域

本发明涉及冶金自动化领域，更具体地说，涉及到一种炼钢-连铸预计划中以炉次为单位的组中间包的方法及装置。

背景技术

目前钢铁企业的炼钢连铸计划是基于人工计划编制，通常的流程是，首先要把所有合同(可有七、八百个合同)打印成报表，然后花费数小时的时间来查阅每个合同的详细信息，研究各个合同之间的相互关系，以便在编制计划时能从宏观上进行把握，使其能满足各个后道工序的物流需求，又满足各个工序的工艺要求，同时充分发挥各个工序的产能；然后在具体编制计划时，借助合同组矩表和合同基本信息表，在操作终端上编制炼钢连铸计划。

这样的人工编制计划过程，就使得计划员要耗费很大精力投入到报表查阅上，由于水平和习惯的差异，编制的计划也有好有坏。

众所周知，在钢铁工业中，炼钢、连铸是两个紧密配套的环节，它们有自己独特的工艺要求：转炉炼钢时每炉必须按一样的出钢记号进行炼钢，浇铸时必须按同一连浇族码进行连浇，在连续浇铸时，得把一炉炉的钢水倒进一个中间包进行浇铸，而中间包的寿命(最大使用炉数)是有限的，如何利用中间包的最大寿命来降低成本是个很值得思考的问题。

在下面的描述中，会使用到下面这些术语：

出钢记号：是一组表示产品工艺规程和技术规程名称的代码，表示该炉钢和钢锭所要具体的产品工艺规程和技术规程规定的质量要求。

组炉：按转炉炉重的要求，如为280吨，再根据合同信息，将出钢记号相同及板坯规格相近的合同组成一炉，炉内板坯宽度最多可以调宽2次，每次调宽量最大为100。

组CAST_LOT：相同出钢记号，宽度满足连铸调宽要求的多个炉次的组合，一个CAST_LOT内的板坯宽度最多可以调宽2次，每次调宽量最大为100。

中间包：用来盛装钢水的一个漏斗容器，钢水通过漏斗口导入连铸机进行浇铸。一个中间包内的板坯宽度最多可以调宽2次，每次调宽量最大为100。

目前，炼钢连铸计划都是由制造部计划人员确定要生产的合同编制成转炉计划。计划编制的操作过程较为繁琐，所需操作的功能和画面较多，计划员每次只能编制一个CAST_LOT计划，编制计划过程中要计划人员事先考虑好连铸计划的各种规程，并需人工在画面上进行设定，如：出钢记号、板坯的宽度、炉数等等。

传统的连铸计划编制方法主要依靠人的大脑进行思考，计算机系统只是提供了一个操作的界面，把人考虑后的结果输入系统得到一个人已经能够预见到的结果，几乎所有的步骤是有人工决定的。假设每天需要40炉的炼钢生产计划，一个CAST_LOT的炉数是1～6炉都有可能，假设每个CAST_LOT是5炉，就要进行8次操作，而且所选择的合同和决定的宽度并不一定是最优的。

目前实际生产中采用的是基于CAST_LOT为单位的人工组中间包的方法，一个CAST_LOT是指具有相同出钢记号的连续炉次的集合，最少一炉，最多不超过中间包允许连浇的最大炉数，其浇铸宽度按从宽到窄排列。人工组中间包的方法就是把同一连浇族码内的所有CAST_LOT按一定规则进行衔接，形成一个个的中间包单元。比如有4个可以连浇的CAST_LOT，参考表1所示：

表1.CAST_LOT信息表

CAST_LOT	出钢记号	炉数	最大宽度	最小宽度	调宽次数
						C1	DQ0133D1	3	1400	1350	1
C2	DQ0542H1	3	1400	1300	1
						C3	DQ0292D1	2	1350	1250	1
C4	DQ1063H1	4	1350	1200	2

假设该连浇族的中间包最大炉数为6炉，则按常理上述4个CAST_LOT共有12炉，正好使用两个中间包就可以浇铸完，但浇铸时对中间包不仅有出钢记号同属于一个连浇族的要求，还有宽度要求，即同在一个中间包的炉次其宽度必须从宽到窄排列，调宽次数不超过2次，每次最大调宽量不超过100。所以上述CAST_LOT  以有3种连接结果：

①浇铸顺为C1-C2-C3-C4或C1-C2-C4-C3或C2-C1-C3-C4或C2-C1-C4-C3或C2-C3-C1-C4或C2-C3-C4-C1或C2-C4-C1-C3或C2-C4-C3-C1或C3-C1-C2-C4或C3-C1-C4-C2或C3-C2-C1-C4或C3-C2-C4-C1或C3-C4-C1-C2或C3-C4-C2-C1或C4-C1-C2-C3或C4-C1-C3-C2或C4-C2-C1-C3或C4-C2-C3-C1或C4-C3-C1-C2或C4-C3-C2-C1，则根据中间包的约束条件，每个CAST_LOT都要使用一个中间包，因为其宽度无法衔接，所以要使用4个中间包，所有中间包总共调宽了5次，由于浇铸时宽度无法反调，所以每个中间包浇铸完毕后，连铸机就得停机重新反调宽度，这样中间包与中间包就不能连浇了，一旦断浇一个CAST就产生了，故产生了4个CAST。CAST也是一个优化目标，CAST个数越少，连铸机停机时间就越少，产能就可提高。

②浇铸顺为C1-C3-C2-C4或C1-C3-C4-C2，则C1和C3以连接在一起浇铸，5炉共用一个中间包，宽度从1400、1350到1250共调宽了两次，C2和C4不能连接，各使用一个中间包，所以要使用3个中间包，所有中间包总共也调宽了5次，产生了3个CAST。

③浇铸顺为C1-C4-C2-C3或C1-C4-C3-C2，则C1和C4可以连接在一起浇铸，总共有7炉，超过了中间包的最大炉数6炉，得用两个中间包，C2和C3也不能连接，各使用一个中间包，所以要使用4个中间包，所有中间包总共调宽了5次，产生了3个CAST。

人工排的话会选择第二种结果，即使用3个中间包，调宽了5次，产生3个CAST。尽管这样比常理还是多用了一个中间包，而中间包的成本是很昂贵的。

如果CAST_LOT很多的话，人工也很难考虑全面，有些部门就建立了以CAST_LOT为单位的计算机组中间包模型。其中公开(公告)号：CN1775422《炼钢连铸生产工艺中的组中间包方法》介绍的就是以CAST_LOT为单位的模型组中间包方法，但是，该方法中同样存在解空间丢失的问题，得到的仍然不是最优的情况。

由于现有技术中，组合中间包(无论人工组合还是计算机辅助的组中间包模型)都是以CAST_LOT为单位，但是，其实在同一个CAST_LOT中都包括了好几个炉次，比如，继续以表1示出的情况为例，再看这4个CAST_LOT的详细炉次信息，参考表2所示：

表2.炉次信息表

明显的，按照炉次顺序，L1、L4、L2、L3、L9、L7可以使用一个中间包，宽度从1400、1350调到1250，而L5、L6、L8、L10、L11、L12可以使用一个中间包，宽度从1300、1250调到1200。即浇铸顺为L1-L4-L2-L3-L9-L7-L5-L6-L8-L10-L11-L12，这样就只需要2个中间包，调宽了4次，并且只有2个CAST。明显好于前面按照CAST_LOT为单位的排列方式。所以，以炉次为单位的组中间包方法可以找到更好的中间包组合方式。

但是4个CAST_LOT的排列只有4！＝24种可能，人工可以很快排列出来。如果把CAST_LOT重新分解成一个个的炉次，就会有12！＝4.8亿种排列。在实际应用中，CAST_LOT和炉次的数量还要远远大于上面举例的情况，因此使用人工排列是不可能的，使用计算机辅助排列也是数据量巨大，难以实现。在现有技术中，所有的计算机辅助的中间包使用都是以CAST_LOT单位而不是以炉次为单位，这样就无法的到实际上对中间包的最大利用率。

发明内容

本发明旨在提供一种新型的计算机辅助的炼钢-连铸生产工艺的中间包使用方法及装置，以炉次为单位来进行中间包的预计划，使得对中间包的利用率大大提高，消除了原先使用CAST_LOT为单位进行预计划时会出现的无法获得实际最优序列的缺陷。

本发明的第一方面提供一种炼钢-连铸生产工艺的中间包使用方法，包括：

建立第一数据库，所述第一数据库中的每一个条目包括炉次信息、每一炉的出钢记号、每一炉的最大浇铸宽度、每一炉的最小浇铸宽度以及炉内调宽次数；

确定所有可能的浇铸序列，并选取其中的一个浇铸序列；

根据连铸最大调宽量限制、中间包调宽次数限制以及中间包最大炉数限制确定所述浇铸序列与中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数的映射关系；

选取所述所有可能的浇铸序列中的下一个序列，继续根据连铸最大调宽量限制、中间包调宽次数限制以及中间包最大炉数限制确定该下一个浇铸序列与中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数的映射关系，直至完成对所有可能浇铸序列的处理；

根据每一个浇铸序列的映射关系获得对应于所有可能的浇铸序列的函数表达，该函数表达与中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数相关；

对所述函数表达应用平滑空间法，确定初始浇铸序列；

对于所述初始浇铸序列，按照炉次平均宽度从宽到窄的顺序再一次进行调整，对调整后的浇铸序列计算确定的中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数；

对所述浇铸序列中的一个位置进行邻域移位处理，获得一个新的浇铸序列，对该浇铸序列计算确定的中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数；

依次对浇铸序列中所有的位置进行所有可能的邻域移位处理，并计算确定每一个移位处理后的浇铸序列的中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数；

选取具有最小中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数的浇铸序列，并根据该浇铸序列确定预计划组中间包。

上述根据每一个浇铸序列的映射关系获得对应于所有可能的浇铸序列的函数表达，该函数表达与中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数相关，该函数表达包括：

中间包划分函数countret1＝count1(S_L1，S_L2，...，S_Ln)，返回中间包个数值；

调宽次数统计函数countret2＝count2(S_L1，S_L2，...，S_Ln)，返回调宽总次数；

CAST个数统计函数countret3＝count3(S_L1，S_L2，...，S_Ln)，返回CAST个数值；

所述函数表达的总体表达式为：

min countret1+countret2+countret3，其中1≤L_i≤n，i＝1，2，...，n，并且L_i≠L_j，i，j＝1，2，...，n，且i≠j。

上述函数表达应用平滑空间法，以减少局部极小点数量，所述平滑空间法在一个参数空间里改变所述函数表达的形状，简化所述函数表达并得到所述函数表达的平滑近似。在对函数表达应用平滑空间法时，提供一参数a，参数a表示对所述函数表达的简化程度以及简化问题对应的搜索空间的平滑程度；

若a＝1，表示没有平滑转换，还是原函数表达；

若a＞1，表示进行了平滑转换，转换后的搜索空间比原来问题的搜索空间要平坦光滑，局部极小值点减少，对转换后的函数表达使用局部搜索算法效率更高；

若a＞＞1，表示转换后的搜索空间比原函数表达的搜索空间要更加平滑，只有少量局部极小值点，对转换后的函数表达使用局部搜索算法能快速得到最优解。

该第一数据库中还包括CAST_LOT和CAST_LOT内调宽次数，所述一组CAST_LOT和CAST_LOT内调宽次数应用于第一数据库中的数个条目。

本发明的第二方面提供一种用于炼钢-连铸生产工艺的中间包使用装置，包括：

第一数据库，所述第一数据库中的每一个条目包括炉次信息、每一炉的出钢记号、每一炉的最大浇铸宽度、每一炉的最小浇铸宽度以及炉内调宽次数；

浇铸序列排列装置，确定所有可能的浇铸序列；

浇铸序列函数映射装置，选取一个浇铸序列，根据连铸最大调宽量限制、中间包调宽次数限制以及中间包最大炉数限制确定所述浇铸序列与中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数的映射关系；选取所有可能的浇铸序列中的下一个序列，继续根据连铸最大调宽量限制、中间包调宽次数限制以及中间包最大炉数限制确定该下一个浇铸序列与中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数的映射关系，直至完成对所有可能浇铸序列的处理；根据每一个浇铸序列的映射关系获得对应于所有可能的浇铸序列的函数表达，该函数表达与中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数相关；

平滑空间处理装置，对所述函数表达应用平滑空间法，确定初始浇铸序列；

最优序列选取装置，对于初始浇铸序列，按照炉次平均宽度从宽到窄的顺序再一次进行调整，对调整后的浇铸序列计算确定的中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数；对该浇铸序列中的一个位置进行邻域移位处理，获得一个新的浇铸序列，对该浇铸序列计算确定的中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数；依次对浇铸序列中所有的位置进行所有可能的邻域移位处理，并计算确定每一个移位处理后的浇铸序列的中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数；

预计划组中间包确定装置，选取具有最小中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数的浇铸序列，并根据该浇铸序列确定预计划组中间包。

上述浇铸序列函数映射装置根据每一个浇铸序列的映射关系获得对应于所有可能的浇铸序列的函数表达，该函数表达与中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数相关，该函数表达包括：

中间包划分函数countret1＝count1(S_L1，S_L2，...，S_Ln)，返回中间包个数值；

调宽次数统计函数countret2＝count2(S_L1，S_L2，...，S_Ln)，返回调宽总次数；

CAST个数统计函数countret3＝count3(S_L1，S_L2，...，S_Ln)，返回CAST个数值；

所述函数表达的总体表达式为：

min countret1+countret2+countret3，其中1≤L_i≤n，i＝1，2，...，n，并且L_i≠L_j，i，j＝1，2，...，n，且i≠j。

该平滑空间处理装置对函数表达应用平滑空间法，以减少局部极小点数量，所述平滑空间法在一个参数空间里改变所述函数表达的形状，简化所述函数表达并得到所述函数表达的平滑近似。该平滑空间处理装置在对函数表达应用平滑空间法时，提供一参数a，参数a表示对所述函数表达的简化程度以及简化问题对应的搜索空间的平滑程度；

若a＝1，表示没有平滑转换，还是原函数表达；

若a＞1，表示进行了平滑转换，转换后的搜索空间比原来问题的搜索空间要平坦光滑，局部极小值点减少，对转换后的函数表达使用局部搜索算法效率更高；

若a＞＞1，表示转换后的搜索空间比原函数表达的搜索空间要更加平滑，只有少量局部极小值点，对转换后的函数表达使用局部搜索算法能快速得到最优解。

该第一数据库中还包括CAST_LOT和CAST_LOT内调宽次数，所述一组CAST_LOT和CAST_LOT内调宽次数应用于第一数据库中的数个条目。

本发明提供以炉次为单位的组中间包模型，恢复包含实际最优可能性的解空间的原始大小，不像以CAST_LOT(数个炉次的固定组合)为单位的组中间包模型会漏掉绝大部分解空间。比如某天浇铸20炉钢水，以炉次为单位的组中间包模型的解空间是1，2，...，20的所有排列，即20！＝2.4×10¹⁸种组合；若以CAST_LOT为单位来组中间包，假设平均每个CAST_LOT有2炉，则总共能有10个CAST_LOT，它们的解空间是1，2，...，10的所有排列，即10！＝3.6×10⁶种组合，与前面的解空间相比，漏掉了99.99999999985％的解空间。以炉次为单位的组中间包模型的解空间巨大，一般方法不能有效求解，本发明提供了平滑空间搜索技术能很好地求解此类问题。此技术中的一系列的平滑空间，有点类似于梯度的作用，给搜索指定了一系列的方向。平滑空间法里再使用启发式算法来寻找局部最优点。

附图说明

图1示出了根据本发明的炼钢-连铸生产工艺的中间包使用方法的流程图；

图2示出了对应于所有可能的浇铸序列的函数表达的曲面图形；

图3A和图3B示出了应用空间平滑法的示意图；

图4示出了根据本发明的炼钢-连铸生产工艺的中间包使用装置的结构框图。

具体实施方式

首先本发明提供一种炼钢-连铸生产工艺的中间包使用方法100，参考图1所示，包括如下的步骤：

102.建立第一数据库，第一数据库中的每一个条目包括炉次信息、每一炉的出钢记号、每一炉的最大浇铸宽度、每一炉的最小浇铸宽度以及炉内调宽次数。在一些实施例中，第一数据库中还包括CAST_LOT和CAST_LOT内调宽次数，一组CAST_LOT和CAST_LOT内调宽次数应用于第一数据库中的数个条目。上述的表2可以被视为第一数据库的一个示例。

104.确定所有可能的浇铸序列，并选取其中的一个浇铸序列。

106.根据连铸最大调宽量限制、中间包调宽次数限制以及中间包最大炉数限制确定浇铸序列与中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数的映射关系。

108.选取所有可能的浇铸序列中的下一个序列，继续根据连铸最大调宽量限制、中间包调宽次数限制以及中间包最大炉数限制确定该下一个浇铸序列与中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数的映射关系，直至完成对所有可能浇铸序列的处理。

110.根据每一个浇铸序列的映射关系获得对应于所有可能的浇铸序列的函数表达，该函数表达与中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数相关。根据一实施例，该函数表达与中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数相关，该函数表达包括：中间包划分函数countret1＝count1(S_L1，S_L2，...，S_Ln)，返回中间包个数值；调宽次数统计函数countret2＝count2(S_L1，S_L2，...，S_Ln)，返回调宽总次数；CAST个数统计函数countret3＝count3(S_L1，S_L2，...，S_Ln)，返回CAST个数值。该函数表达的总体表达式为：min countret1+countret2+countret3，其中1≤L_i≤n，i＝1，2，...，n，并且L_i≠L_j，i，j＝1，2，...，n，且i≠j。

112.对函数表达应用平滑空间法，确定初始浇铸序列。根据一实施例，对该函数表达应用平滑空间法，以减少局部极小点数量，平滑空间法在一个参数空间里改变函数表达的形状，简化函数表达并得到函数表达的平滑近似。在对函数表达应用平滑空间法时，提供一参数a，参数a表示对函数表达的简化程度以及简化问题对应的搜索空间的平滑程度；若a＝1，表示没有平滑转换，还是原函数表达；若a＞1，表示进行了平滑转换，转换后的搜索空间比原来问题的搜索空间要平坦光滑，局部极小值点减少，对转换后的函数表达使用局部搜索算法效率更高；若a＞＞1，表示转换后的搜索空间比原函数表达的搜索空间要更加平滑，只有少量局部极小值点，对转换后的函数表达使用局部搜索算法能快速得到最优解。

114.对于初始浇铸序列，按照炉次平均宽度从宽到窄的顺序再一次进行调整，对调整后的浇铸序列计算确定的中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数。

116.对浇铸序列中的一个位置进行邻域移位处理，获得一个新的浇铸序列，对该浇铸序列计算确定的中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数。

118.依次对浇铸序列中所有的位置进行所有可能的邻域移位处理，并计算确定每一个移位处理后的浇铸序列的中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数。

120.选取具有最小中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数的浇铸序列，并根据该浇铸序列确定预计划组中间包。

在上述的方法100中，首先需要解决的是建立问题模型。假设根据炼钢约束得到若干可连浇的CAST_LOT，把它们分解成n炉可连浇的钢水，现在要把它们重新组成一个个中间包进行浇铸。组中间包问题属于组合优化问题。设n炉钢水为S₁，S₂，...，S_n，每炉钢水的出钢记号可能是不同的，但它们是可以连浇的，即属于同一连浇族码，每炉钢水的浇铸宽度也是不一样的，现在的问题是这n炉钢水确定一个怎样的浇铸序列，然后考虑连铸最大调宽量、中间包调宽次数以及中间包最大炉数等约束把它们按顺序划分为一个个的中间包去浇铸。

若L₁，L₂，...，L_n是1，2，...，n的一个排列，则S_L1，S_L2，...，S_Ln就是一个浇铸序列，一旦该浇铸序列确定，就可以用以上全部约束去把这个序列划分成一段一段的，每一段就是一个中间包。

为了获得最佳的浇铸序列，首先需要建立能够反映所有的浇铸序列对应的中间包划分方式的数学模型。该模型的建立方式如下，确定所有可能的浇铸序列，并选取其中的一个浇铸序列。根据连铸最大调宽量限制、中间包调宽次数限制以及中间包最大炉数限制确定浇铸序列与中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数的映射关系。选取所有可能的浇铸序列中的下一个序列，继续根据连铸最大调宽量限制、中间包调宽次数限制以及中间包最大炉数限制确定该下一个浇铸序列与中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数的映射关系，直至完成对所有可能浇铸序列的处理。根据每一个浇铸序列的映射关系获得对应于所有可能的浇铸序列的函数表达，该函数表达与中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数相关。

因此可以建立起如下的数学模型：

min countret1+countret2+countret3     (1)

其中，1≤L_i≤n，i＝1，2，...，n       (2)

L_i≠L_j，i，j＝1，2，...，n，且i≠j    (3)

公式(1)中分别是3个目标函数的返回值：

countret1是中间包划分函数count1(S_L1，S_L2，...，S_Ln)返回的中间包个数值；

countret2是调宽次数统计函数count2(S_L1，S_L2，...，S_Ln)返回的调宽次数值；

countret3是CAST个数统计函数count3(S_L1，S_L2，...，S_Ln)返回的CAST个数值。

由于这些值都无法用表达式直接解析，因此采用函数编程的方法计算。

公式(2)中是自变量L_i的定义域范围，且都取整数。

公式(3)中是表示自变量互不相等，即属于排他问题。

所以，所要找的最佳浇铸序列其实是要找出以下函数的极小值点：

minf(S_L1，S_L2，...，S_Ln)

                                   (4)

＝min[count1(S_L1，S_L2，...，S_Ln)+count2(S_L1，S_L2，...，S_Ln)+count3(S_L1，S_L2，...，S_Ln)]

该函数的解空间是1，2，...，n的所有排列，而目标函数是有很多连续起伏的波峰波谷的曲面，有如图2所示，用一般的搜索算法很容易陷入其局部极小点。

所以，在本发明中，应用平滑空间法来寻找上述函数表达的极小值点。

组合优化问题的解空间是离散的，其最优解一般不在边界上取得，并且分布是毫无规律的，即使把离散变量化为连续变量，也无法用梯度等信息来确定搜索方向。何况高维组合优化问题的解空间所对应的曲面就像沟壑纵横一样，波峰波谷连续不断，解空间又大，一般搜索方法很难凑效。

像以上这种带有很多极小点的问题，可以采用搜索空间平滑技术来减少局部极小点数量。其基本思想是在一个参数空间里，通过改变目标函数的形状，使原组合优化问题转化成一系列的一个比一个简单、搜索空间一个比一个平滑的优化问题，每一个简单问题都是原问题的平滑近似。

如图3A所示，实线表示某原始问题，虚线表示平滑后的问题。原始问题有很多极小点，平滑后的问题只有少许极小点。

如图3B所示是将上述的函数表达经过一系列的平滑得到的一组解空间S1，S2， ...，Sk。根据本发明，在进行空间平滑是提供一个参数a，用于表示对原问题的简化程度以及简化问题对应的搜索空间的平滑程度。若a＝1，表示没有平滑转换，还是原问题。若a＞1，表示进行了平滑转换，问题(Sa，fa)的搜索空间比原来问题的搜索空间要平坦光滑，局部极小值点较少，用局部搜索算法来求解问题(Sa，fa)效率高。若a＞＞1，表示问题(Sa，fa)的搜索空间比原问题的搜索空间要更加平滑，局部极小值点只有少许，用局部搜索算法来求解问题(Sa，fa)更容易，效率更高，很快可求得全局最优解。(这里Sa表示解空间，fa是目标函数)。

通过上述的平滑空间法，就能得到接近最佳组中间包方案的浇铸序列的初始解，也就是初始的最优浇铸序列。

根据经验得出的结论，如果把炉次按平均宽度从宽到窄排序，有可能会得到最好的浇铸序列，因此，可以把空间平滑法得到的初步解进一步按照炉次平均宽度从宽到窄的顺序再一次进行调整，把调整后的序列作为初始解，然后采用邻域移动的方法进行迭代求出下一个解，从而搜索局部最优解。具体的步骤如下：对调整后的浇铸序列计算确定的中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数。对浇铸序列中的一个位置进行邻域移位处理，获得一个新的浇铸序列，对该浇铸序列计算确定的中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数。依次对浇铸序列中所有的位置进行所有可能的邻域移位处理，并计算确定每一个移位处理后的浇铸序列的中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数。上述的过程也可称为“启发式算法”。

上述模型的求解过程可以如下：设n炉钢水的浇铸宽度分别为W1，W2，...，Wn(这里Wi均在0与1之间，用浇铸最大宽度去除就能办到)，若所有炉次的浇铸宽度都相等，则n炉任意一个排列以中间包最大炉数划分中间包，最后所得的中间包个数都最少，调宽次数也最少。这时的搜索空间是最平滑的，没有局部最小值点。

令 $\stackrel{-}{W}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i,$ 即W为所有炉次的平均宽度，对于最平滑的空间来说，W_i＝W，i＝1，2，...，n。为了使问题逐步平滑，构造如下的平滑变换：

当a从一个较大的数比如10一步步减少到1时，原组中间包问题的一系列简化问题(S10，f10)，(S9，f9)，...，(S1，f1)就生成了。若a越大，对应的问题就越简单，搜索空间越平滑，特别当a＞＞1时，就是搜索空间最平滑的时候。当a＝1时，就是原问题。如果任选一个初始解用局部搜索算法求解问题(S10，f10)，得到的解作为下一问题的初始解，继续求解，重复步骤，直到求出问题(S1，f1)为止，则最后得到的解就是原问题的近似最优解或最优解，从而摆脱了局部极小值的困扰。

本发明是在充分考虑了炼钢和连铸约束条件的基础上，建立了以炉次为单位的组中间包模型，用平滑空间搜索技术的方法来寻找该组合优化问题的最优解，使连铸产生合理的中间包分配，提升连铸产能，提高生产效率，降低生产成本。

以炉次为单位的组中间包模型，恢复了解空间的原始大小，不像以CAST_LOT为单位的组中间包模型会漏掉绝大部分解空间。比如某天浇铸20炉钢水，以炉次为单位的组中间包模型的解空间是1，2，...，20的所有排列，即20！＝2.4×10¹⁸种组合；若以CAST_LOT为单位来组中间包，假设平均每个CAST_LOT有2炉，则总共能有10个CAST_LOT，它们的解空间是1，2，...，10的所有排列，即10！＝3.6×10⁶种组合，与前面的解空间相比，漏掉了99.99999999985％的解空间。

虽然以炉次为单位的组中间包模型的解空间巨大，一般方法不能有效求解，但是使用平滑空间搜索技术能很好地求解此类问题。此技术中的一系列的平滑空间，有点类似于梯度的作用，给搜索指定了一系列的方向。平滑空间法里再使用启发式算法来寻找局部最优点。

下面举例说明本发明的实现效果。某炼钢厂根据合同订单、连铸产能要求，结合炼钢组炉约束，把合同组成了20炉钢水进行冶炼，并且这20炉钢水可以连浇，各炉次的属性如下表3。

表3

炉次号	1	2	3	……	19	20
							出钢记号	A	B	A	……	C	D
最大宽度	1400	1250	1300	……	1350	1100
							最小宽度	1400	1200	1250	……	1300	1050
Wi	0.875	0.765625	0.796875	……	0.828125	0.671875

其中Wi＝(最大宽度+最小宽度)/2/1600，转化成0～1之间的小数，假设 $\stackrel{-}{W}=\frac{1}{20}\underset{i=1}{\overset{20}{\mathrm{\Σ}}}{W}_i=0.75.$

当这20炉钢水排定一个浇铸顺序后，就可以划分中间包。下面是划分中间包的约束条件：

中间包内的总炉数不能超过中间包最大炉数限制；

中间包内的炉次按浇铸宽度从宽到窄排列；

中间包内的相邻炉次的浇铸宽度最大跳跃值不超过100；

中间包内的调宽次数不超过2次；

中间包划分完毕后，统计中间包个数、调宽次数，再判断中间包是否能连接以产生CAST个数。

如前所述，20炉钢水浇铸顺序的全排列为20！个，如此巨大的解空间，使用智能优化方法也不一定有效，为此使用了平滑空间搜索方法。

假设该连浇族码的中间包最大炉数为5炉，若Wi＝W＝0.75(i＝1，2，...，20)，即如果所有炉次的浇铸宽度一样，则此时搜索空间最平滑，任何一个排列都是最优解，随便以什么顺序浇铸，都将是以20/5＝4个中间包来浇铸，因为宽度一样，所以每个中间包的调宽次数都为零，CAST个数只有一个。

为了使问题逐步平滑，构造如下的平滑变换：

a是平滑参数，令a从10一步步减少到1时，原组中间包问题的一系列简化问题(S10，f10)，(S9，f9)，...，(S1，f1)就生成了。

以下是平滑搜索法的计算步骤：

①令a＝10产生问题(S10，f10)，任选一初始解，用启发式算法求解(S10，f10)，得一局部最优解X10；

②令a＝9产生问题(S9，f9)，以X10作初始解，用启发式算法求解(59，f9)，得一局部最优解X9；

③令a＝8产生问题(S8，f8)，以X9作初始解，用启发式算法求解(S8，f8)，得一局部最优解X8；

④令a＝7产生问题(S7，f7)，以X8作初始解，用启发式算法求解(S7，f7)，得一局部最优解X7；

⑤令a＝6产生问题(S6，f6)，以X7作初始解，用启发式算法求解(S6，f6)，得一局部最优解X6；

⑥令a＝5产生问题(S5，f5)，以X6作初始解，用启发式算法求解(S5，f5)，得一局部最优解X5；

⑦令a＝4产生问题(S4，f4)，以X5作初始解，用启发式算法求解(54，f4)，得一局部最优解X4；

⑧令a＝3产生问题(S3，f3)，以X4作初始解，用启发式算法求解(S3，f3)，得一局部最优解X3；

⑨令a＝2产生问题(S2，f2)，以X3作初始解，用启发式算法求解(52，f2)，得一局部最优解X2；

⑩令a＝1产生问题(S1，f1)，即原组中间包问题(S，f)，以X2作初始解，用启发式算法求解(S1，f1)，得一局部最优解X1，则原问题的近似最优解为X1；

由于简化的问题局部极小点较少，启发式算法很容易求得全局最优解，这个全局最优解在搜索空间里位于原组中间包问题的全局最优解的邻域之内，这样用简化问题的局部最优解作初始解，可以很好地指导启发式算法求解原问题的全局最优解。因此，一般X1就是原问题的全局最优解。

得到了全局最优解，也就得到了最优的浇铸序列和相应的最佳的组中间包的方案。

参考图4所示，本发明还提供了一种可实现上述炼钢-连铸生产工艺的中间包使用装置200，该装置200包括：

第一数据库202，第一数据库中的每一个条目包括炉次信息、每一炉的出钢记号、每一炉的最大浇铸宽度、每一炉的最小浇铸宽度以及炉内调宽次数；在一些实施例中，第一数据库中还包括CAST_LOT和CAST_LOT内调宽次数，一组CAST_LOT和CAST_LOT内调宽次数应用于第一数据库中的数个条目。上述的表2可以被视为第一数据库的一个示例。

浇铸序列排列装置204，确定所有可能的浇铸序列。

浇铸序列函数映射装置206，选取一个浇铸序列，根据连铸最大调宽量限制、中间包调宽次数限制以及中间包最大炉数限制确定浇铸序列与中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数的映射关系；选取所有可能的浇铸序列中的下一个序列，继续根据连铸最大调宽量限制、中间包调宽次数限制以及中间包最大炉数限制确定该下一个浇铸序列与中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数的映射关系，直至完成对所有可能浇铸序列的处理；根据每一个浇铸序列的映射关系获得对应于所有可能的浇铸序列的函数表达，该函数表达与中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数相关。根据一实施例，该函数表达与中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数相关，该函数表达包括：中间包划分函数countret1＝count1(S_L1，S_L2，...，S_Ln)，返回中间包个数值；调宽次数统计函数countret2＝count2(S_L1，S_L2，...，S_Ln)，返回调宽总次数；CAST个数统计函数countret3＝count3(S_L1，S_L2，...，S_Ln)，返回CAST个数值。该函数表达的总体表达式为：min countret1+countret2+countret3，其中1≤L_i≤n，i＝1，2，...，n，并且L_i≠L_j，i，j＝1，2，...，n，且i≠j。

平滑空间处理装置208，对函数表达应用平滑空间法，确定初始浇铸序列。根据一实施例，对该函数表达应用平滑空间法，以减少局部极小点数量，平滑空间法在一个参数空间里改变函数表达的形状，简化函数表达并得到函数表达的平滑近似。在对函数表达应用平滑空间法时，提供一参数a，参数a表示对函数表达的简化程度以及简化问题对应的搜索空间的平滑程度；若a＝1，表示没有平滑转换，还是原函数表达；若a＞1，表示进行了平滑转换，转换后的搜索空间比原来问题的搜索空间要平坦光滑，局部极小值点减少，对转换后的函数表达使用局部搜索算法效率更高；若a＞＞1，表示转换后的搜索空间比原函数表达的搜索空间要更加平滑，只有少量局部极小值点，对转换后的函数表达使用局部搜索算法能快速得到最优解。

最优序列选取装置210，对于初始浇铸序列，按照炉次平均宽度从宽到窄的顺序再一次进行调整，对调整后的浇铸序列计算确定的中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数；对该浇铸序列中的一个位置进行邻域移位处理，获得一个新的浇铸序列，对该浇铸序列计算确定的中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数；依次对浇铸序列中所有的位置进行所有可能的邻域移位处理，并计算确定每一个移位处理后的浇铸序列的中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数；

预计划组中间包确定装置212，选取具有最小中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数的浇铸序列，并根据该浇铸序列确定预计划组中间包。

本发明提供以炉次为单位的组中间包模型，恢复包含实际最优可能性的解空间的原始大小，不像以CAST_LOT(数个炉次的固定组合)为单位的组中间包模型会漏掉绝大部分解空间。以炉次为单位的组中间包模型的解空间巨大，一般方法不能有效求解，本发明提供了平滑空间搜索技术能很好地求解此类问题。此技术中的一系列的平滑空间，有点类似于梯度的作用，给搜索指定了一系列的方向。平滑空间法里再使用启发式算法来寻找局部最优点。

Claims (10)

1. 一种炼钢-连铸生产工艺的中间包使用方法，其特征在于，包括：

建立第一数据库，所述第一数据库中的每一个条目包括炉次信息、每一炉的出钢记号、每一炉的最大浇铸宽度、每一炉的最小浇铸宽度以及炉内调宽次数；

确定所有可能的浇铸序列，并选取其中的一个浇铸序列；

根据连铸最大调宽量限制、中间包调宽次数限制以及中间包最大炉数限制确定所述浇铸序列与中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数的映射关系；

选取所述所有可能的浇铸序列中的下一个序列，继续根据连铸最大调宽量限制、中间包调宽次数限制以及中间包最大炉数限制确定该下一个浇铸序列与中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数的映射关系，直至完成对所有可能浇铸序列的处理；

根据每一个浇铸序列的映射关系获得对应于所有可能的浇铸序列的函数表达，该函数表达与中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数相关；

对所述函数表达应用平滑空间法，确定初始浇铸序列；

对于所述初始浇铸序列，按照炉次平均宽度从宽到窄的顺序再一次进行调整，对调整后的浇铸序列计算确定的中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数；

对所述浇铸序列中的一个位置进行邻域移位处理，获得一个新的浇铸序列，对该浇铸序列计算确定的中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数；

依次对浇铸序列中所有的位置进行所有可能的邻域移位处理，并计算确定每一个移位处理后的浇铸序列的中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数；

选取具有最小中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数的浇铸序列，并根据该浇铸序列确定预计划组中间包。

2. 如权利要求1所述的炼钢-连铸生产工艺的中间包使用方法，其特征在于，所述根据每一个浇铸序列的映射关系获得对应于所有可能的浇铸序列的函数表达，该函数表达与中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数相关，该函数表达包括：

中间包划分函数countret1＝count1(S_L1，S_L2，...，S_Ln)，返回中间包个数值；

调宽次数统计函数countret2＝count2(S_L1，S_L2，...，S_Ln)，返回调宽总次数；

CAST个数统计函数countret3＝count3(S_L1，S_L2，...，S_Ln)，返回CAST个数值；

所述函数表达的总体表达式为：

min countret1+countret2+countret3，其中1≤L_i≤n，i＝1，2，...，n，并且L_i≠L_j，i，j＝1，2，...，n，且i≠j。

3. 如权利要求2所述的炼钢-连铸生产工艺的中间包使用方法，其特征在于，对所述函数表达应用平滑空间法，以减少局部极小点数量，所述平滑空间法在一个参数空间里改变所述函数表达的形状，简化所述函数表达并得到所述函数表达的平滑近似。

4. 如权利要求3所述的炼钢-连铸生产工艺的中间包使用方法，其特征在于，在对所述函数表达应用平滑空间法时，提供一参数a，参数a表示对所述函数表达的简化程度以及简化问题对应的搜索空间的平滑程度；

若a＝1，表示没有平滑转换，还是原函数表达；

若a＞1，表示进行了平滑转换，转换后的搜索空间比原来问题的搜索空间要平坦光滑，局部极小值点减少，对转换后的函数表达使用局部搜索算法效率更高；

若a＞＞1，表示转换后的搜索空间比原函数表达的搜索空间要更加平滑，只有少量局部极小值点，对转换后的函数表达使用局部搜索算法能快速得到最优解。

5. 如权利要求1-4中任一项所述的炼钢-连铸生产工艺的中间包使用方法，其特征在于，所述第一数据库中还包括CAST_LOT和CAST_LOT内调宽次数，所述一组CAST_LOT和CAST_LOT内调宽次数应用于第一数据库中的数个条目。

6. 一种用于炼钢-连铸生产工艺的中间包使用装置，其特征在于，包括：

第一数据库，所述第一数据库中的每一个条目包括炉次信息、每一炉的出钢记号、每一炉的最大浇铸宽度、每一炉的最小浇铸宽度以及炉内调宽次数；

浇铸序列排列装置，确定所有可能的浇铸序列；

浇铸序列函数映射装置，选取一个浇铸序列，根据连铸最大调宽量限制、中间包调宽次数限制以及中间包最大炉数限制确定所述浇铸序列与中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数的映射关系；选取所有可能的浇铸序列中的下一个序列，继续根据连铸最大调宽量限制、中间包调宽次数限制以及中间包最大炉数限制确定该下一个浇铸序列与中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数的映射关系，直至完成对所有可能浇铸序列的处理；根据每一个浇铸序列的映射关系获得对应于所有可能的浇铸序列的函数表达，该函数表达与中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数相关；

平滑空间处理装置，对所述函数表达应用平滑空间法，确定初始浇铸序列；

最优序列选取装置，对于初始浇铸序列，按照炉次平均宽度从宽到窄的顺序再一次进行调整，对调整后的浇铸序列计算确定的中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数；对该浇铸序列中的一个位置进行邻域移位处理，获得一个新的浇铸序列，对该浇铸序列计算确定的中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数；依次对浇铸序列中所有的位置进行所有可能的邻域移位处理，并计算确定每一个移位处理后的浇铸序列的中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数；

预计划组中间包确定装置，选取具有最小中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数的浇铸序列，并根据该浇铸序列确定预计划组中间包。

7. 如权利要求6所述的用于炼钢-连铸生产工艺的中间包使用装置，其特征在于，所述浇铸序列函数映射装置根据每一个浇铸序列的映射关系获得对应于所有可能的浇铸序列的函数表达，该函数表达与中间包使用数量、调宽总次数以及CAST个数相关，该函数表达包括：

中间包划分函数countret1＝count1(S_L1，S_L2，...，S_Ln)，返回中间包个数值；

调宽次数统计函数countret2＝count2(S_L1，S_L2，...，S_Ln)，返回调宽总次数；

CAST个数统计函数countret3＝count3(S_L1，S_L2，...，S_Ln)，返回CAST个数值；

所述函数表达的总体表达式为：

min countret1+countret2+countret3，其中1≤L_i≤n，i＝1，2，...，n，并且L_i≠L_j，i，j＝1，2，...，n，且i≠j。

8. 如权利要求7所述的用于炼钢-连铸生产工艺的中间包使用装置，其特征在于，所述平滑空间处理装置对函数表达应用平滑空间法，以减少局部极小点数量，所述平滑空间法在一个参数空间里改变所述函数表达的形状，简化所述函数表达并得到所述函数表达的平滑近似。

9. 如权利要求8所述的用于炼钢-连铸生产工艺的中间包使用装置，其特征在于，所述平滑空间处理装置在对函数表达应用平滑空间法时，提供一参数a，参数a表示对所述函数表达的简化程度以及简化问题对应的搜索空间的平滑程度；

若a＝1，表示没有平滑转换，还是原函数表达；

若a＞1，表示进行了平滑转换，转换后的搜索空间比原来问题的搜索空间要平坦光滑，局部极小值点减少，对转换后的函数表达使用局部搜索算法效率更高；

若a＞＞1，表示转换后的搜索空间比原函数表达的搜索空间要更加平滑，只有少量局部极小值点，对转换后的函数表达使用局部搜索算法能快速得到最优解。

10. 如权利要求6-9中任一项所述的用于炼钢-连铸生产工艺的中间包使用装置，其特征在于，所述第一数据库中还包括CAST_LOT和CAST_LOT内调宽次数，所述一组CAST_LOT和CAST_LOT内调宽次数应用于第一数据库中的数个条目。

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