CN101334660A - 一种冷轧连续退火机组钢卷优化排序方法及其系统 - Google Patents

Abstract

一种冷轧连续退火机组钢卷优化排序方法及其系统，属于金属材料加工信息技术领域，优化方法包括以下步骤：一、将候选钢卷按退火温度分别从高到低和从低到高排序，形成两种初始排序方案，对每种初始排序方案采取宽度优先排序或厚度优先排序方法进行优化，获得多组初始可行排序方案；二、从初始钢卷排序方案中选择优化目标值最小的排序方案作为初始可行生产计划；三、对初始可行生产计划，以优化排序模型目标值最小为目标，用交换邻域禁忌搜索和交替路径变换邻域搜索进行调整。基于此方法提出相应系统，本发明使得生产计划执行过程中切换减少，过渡平滑，提高了产品质量，挖掘了产能。

Description

一种冷轧连续退火机组钢卷优化排序方法及其系统

技术领域

本发明属于金属材料加工信息技术领域，涉及到自动化技术，特别涉及供冶金行业生产应用的一种连续退火机组钢卷优化排序的技术方法以及系统。

背景技术

金属材料的连续退火生产调度问题是冶金企业生产管理的主要内容，调度的质量直接关系到车间的生产效率、产品的质量和工厂的经济效益。

以钢厂为例：连续退火带钢所用的原料主要是酸轧钢卷，热轧钢卷经过酸洗轧制后，由于钢在轧制的过程中，变形量很大，晶粒组织被延伸和硬化，加工硬化导致强度增高，塑性下降，加工性能很差，这样的带钢几乎不能进行任何进一步的加工成型。因此必须采用再结晶退火，适当调整晶粒的成长和恢复所需的塑性，以消除加工硬化，回复加工变形能力。同时为了得到良好的成形性，期望形成一致的适合成形的结晶织构。这就是进行退火的目的。连续退火就是为了这个目的将钢加热到合适的温度，保持一段时间，然后以一定速度冷却的热处理工艺。连续退火的主要加工过程(如图1所示)为将钢卷打开，焊接成一个连续的带钢，对带钢进行表面清洗处理后，进入退火炉，退火炉可分为如下炉段：加热段、均热段、冷却段。通过控制各个炉段的温度以及焊接后的带钢经过炉子的速度，使带钢本身的温度依据退火曲线要求而变化，从而完成退火过程，改善钢的性能。按照退火曲线要求，在加热段，自动控制系统中的检测系统检测加热段中钢带的温度，根据检测结果调节煤气量与空气量的输入量比例动态控制炉温，另外，通过调整板带的拉动速度控制加热时间，保证钢被加热到退火曲线要求达到的最高温度，从而使钢内部原子活跃起来，达到调整内部晶粒结构的作用；在均热段，通过调整炉温和钢带拉动的速度，使钢卷保持退火曲线要求的最高温度一段时间，从而使金属中的晶粒进行重新调整，分布均匀，改善金属特性；在冷却段，钢带被冷却到室温，完成钢的退火过程。通过退火炉后，经过清洗、涂油、切边等处理后，被分切卷曲成钢卷。

由于连续退火生产工艺上的要求，连续退火机组生产作业中对于钢卷的生产顺序有一定的限制。如何合理确定钢卷的加工顺序便成为连续退火计划钢卷排序的关键问题，它直接关系到产品的质量与生产成本。连续退火机组钢卷排序就是要在满足规格、退火曲线等工艺约束条件下，使得排序获得生产计划内钢卷过渡尽可能平滑，以降低生产成本，保障产品质量、充分发挥机组产能。在连续退火加工过程中，钢卷被焊接成一条连续的板带，两相邻钢卷的厚度跳跃、宽度跳跃越大，造成板带崩裂的可能性就越大，同时也会造成支撑辊的磨损更大；两相邻钢卷的退火曲线不同，那么如果为了使后一个钢卷按照相应退火曲线进行退火，在加工完前一个钢卷后，需调整各炉段的炉温及板带的拉动速度，这将造成后一个钢卷在波动温度和速度下进行加工，从而降低了钢卷的加工质量；如果为了保障产品的质量，将炉温控制在较高的水平，这样虽然保证了对炉温要求较高的钢卷的质量，但是这样却提高了对炉温要求较低的钢卷的加工成本。

目前，连续退火生产实际中，连续退火机组钢卷排序是由人工完成的。由于连续退火生产工艺约束复杂，人工排序具有较大的难度，而且实际生产中涉及到的钢卷数目巨大，人工排序在合理时间内，难以合理调整钢卷加工顺序，保障相邻钢卷的规格、退火曲线平滑过渡，编制出保证产品质量，提高产能，降低生产成本，总体水平较优的生产计划。在现有的研究当中，禁忌搜索的方法一般主要用于解决热轧、冷轧、连续镀锌、彩涂产线排序及调度问题，很少涉及到连续退火产线，另外，以往一般考虑的工艺约束都是基于两个相邻钢卷之间的规格等因素的跳跃，很少涉及到变化趋势，这样在钢卷排序的过程中不仅要考虑两个钢卷之间的规格和退火曲线跳跃，还要考虑在生产计划中规格和退火温度的变化趋势是否平滑，这使得现有方法无法用于求解本发明所考虑的问题。因此，迫切需要开发出能够实现自动优化排产的方法和系统。

发明内容

为了解决现有技术的不足之处，本发明针对连续退火产线前面的原料库中在库钢卷制定钢卷加工顺序，从而降低连续退火生产中因退火曲线、规格切换产生的生产成本，保证生产过程中设备切换稳定平滑，达到挖掘产能，保障生产稳定，提高产品质量的目的。

本发明首先在保证相邻钢卷的规格和退火曲线跳跃，规格等因素的过渡趋势变化满足连续退火工艺约束的条件下，利用本发明构造的初始排序方法对候选板卷进行排序获得一系列初始排序方案，再从中选择综合评价最好的一个作为进一步优化的对象，之后利用禁忌搜索交换邻域和搜索交替路径变换邻域两种方法交替优化初计划，在此优化过程中，首先通过禁忌搜索交换邻域来优化初始生产计划，当优化过程陷于困境时，采用搜索交替路径变换邻域的优化策略继续优化，以获得满足工艺约束且总体评价较优的生产计划，然后再利用禁忌搜索此生产计划的交换邻域，继续进行优化，在此优化过程中两种优化方法交替采用，直到产生满意的连续退火生产计划。

从现有钢铁企业连续退火机组生产钢卷排序存在的问题出发并以此为典型示例，本发明提供一种基于禁忌搜索交换邻域和搜索交替路径变换邻域的改进优化策略来实现连续退火机组钢卷优化排序的方法。依据实际情况，本发明在优化所考虑的连续退火机组钢卷排序问题，寻求较优可行排序方案过程中，将连续退火生产计划中相邻钢卷的退火温度以及规格的跳跃量化为生产切换成本，将连续退火生产计划中退火温度以及规格的变化趋势波动情况量化为波动附加成本，并将最小化总生产切换成本和波动附加成本作为优化目标；结合常规生产排序可行性约束和本发明所涉及的连续退火机组钢卷排序问题的具体工艺约束，确保产生的生产计划的实际可行性。这种用于连续退火机组钢卷排序，基于禁忌搜索交换邻域和交替路径变换邻域搜索的改进优化策略的方法提高了编制计划的水平和效率，可以实现经济排产。

本发明在提出基于禁忌搜索交换邻域和交替路径变换邻域搜索的改进优化策略的连续退火机组钢卷优化排序方法的基础上，相应地还开发一种连续退火计划排产系统。本发明的连续退火计划排产系统是以本发明提出的连续退火机组钢卷优化排序方法为基础，通过现有软件技术，将自动优化排序方法与可视化技术有机结合，实现自动化排序技术内核与生产计划人员之间的人机接口。该系统提供人工辅助排产功能，使用户可根据实际需求下载修改数据，对利用自动化排产技术内核获得的生产计划结果进行人工干预调整，以此手段获得满意解，从而实现了企业信息管理系统、自动化排产技术内核和用户经验的有效集成。

假定在连续退火产线原料库有n个钢卷1，2，...，n-1，n等待加工，首先将本发明考虑的连续退火机组钢卷排序问题描述为如下数学模型：

Minimize ${\mathrm{\λ}}_1\×\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(c_{\mathrm{ij}}^T+c_{\mathrm{ij}}^g)x_{\mathrm{ij}}+{\mathrm{\λ}}_2\×\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(p_i^T{y}_i^T+p_i^w{y}_i^w+p_i^t{y}_i^t)---\left(1\right)$

约束条件：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ij}}\≤1,$ j＝1，2，...，n         (2)

$\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ij}}\≤1,$ i＝1，2，...，n         (3)

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{ik}}-\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{kj}}=0,$ k＝1，2，...，n         (4)

$\underset{i,j\∈S}{\mathrm{\Σ}}{x}_{\mathrm{ij}}\≤\left|S\right|-1,$ $\∀S\⊆\{\mathrm{1,2}...,n-1,n\}---\left(5\right)$

$\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(T_i-T_j)x_{\mathrm{ij}}\right]\&times;\left[\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(T_j-T_k)x_{\mathrm{jk}}\right]\&times;y_i^T{-M(1-y_i^T)<0,}^{}$ $\&ForAll;j=\mathrm{1,2},...,n-1,n---\left(6\right)$

$\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(w_i-w_j)x_{\mathrm{ij}}\right]\&times;\left[\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(w_j-w_k)x_{\mathrm{jk}}\right]\&times;y_i^w-M(1-y_i^w)<0,$ $\&ForAll;j=\mathrm{1,2},...,n-1,n---\left(7\right)$

$\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(t_i-t_j)x_{\mathrm{ij}}\right]\&times;\left[\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(t_j-t_k)x_{\mathrm{jk}}\right]\&times;y_i^t{}^{}-M(1-y_i^t)<0,$ $\&ForAll;j=\mathrm{1,2},...,n-1,n---\left(8\right)$

x_ij，y_l ^T，y_l ^w， $y_i^t\&Element;\left\{\mathrm{0,1}\right\},$ $\&ForAll;i=\mathrm{1,2},...,n-1,n,$ j＝1，2，...，n-1，n    (9)

其中，决策变量x_ij表示连续退火生产计划中，钢卷i和钢卷j之间的相邻关系，当钢卷i在钢卷j紧前进行加工，x_ij取值为1，否则x_ij取值为0；决策变量y_l ^T表示连续退火生产计划中，退火温度的变化趋势在钢卷i处是否发生转变，如果发生转变，y_l ^T取值为1，否则y_l ^T取值为0；决策变量y_i ^t表示连续退火生产计划中，厚度的变化趋势在钢卷i处是否发生转变，如果发生转变，y_i ^t取值为1，否则y_i ^t取值为0；决策变量y_i ^w表示连续退火生产计划中，宽度的变化趋势在钢卷i处是否发生转变，如果发生转变，y_i ^w取值为1，否则y_i ^w取值为0。c_ij ^T为由于相邻钢卷i和j的退火温度差异所造成的切换成本，c_ij ^g为由于相邻钢卷i和j的规格差异所造成的切换成本，p_i ^T是由于在生产计划中钢卷i处退火温度的变化趋势发生变化所造成的炉温波动附加成本，p_i ^t是由于在生产计划中钢卷i处厚度的变化趋势发生变化所造成的厚度波动附加成本，p_i ^w是由于在生产计划中钢卷i处宽度的变化趋势发生变化所造成的宽度波动附加成本，T_i表示钢卷i(i＝1，2，...，n-1，n)要求的退火温度，w_i表示钢卷i(i＝1，2，...，n-1，n)的宽度，t_i表示钢卷i(i＝1，2，...，n-1，n)的厚度；λ₁和λ₂分别是切换成本和波动附加成本在优化目标中所占的权重。

上述切换成本可根据如下公式进行计算，设c_ij ^t是相邻钢卷厚度切换成本，c_ij ^w是相邻钢卷宽度切换成本，生产现场控制系统通常控制炉温匀速变化，设炉温变化速度v_e，设钢的密度为ρ_steel，那么在从T_i切换到T_i的过程中，则将有 $\frac{T_i-T_j}{v_e}\&times;w_j\&times;t_j\&times;{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{steel}}$ 吨钢在渐变过程中进行加工，这必将影响这段钢带的质量，估算因此质量问题将造成的利益损失为r元，那么相邻钢卷退火温度切换成本c_ij ^T即为 $\frac{T_i-T_j}{v_e}\&times;w_j\&times;t_j\&times;{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{steel}}\&times;r_j,$ 允许最大的退火温度跳跃δ^T，相邻钢卷退火温度切换成本权重λ^T。

其中，允许最大的宽度跳跃δ^w，相邻钢卷宽度切换成本权重λ^w

其中，允许最大的厚度跳跃δ^t，相邻钢卷厚度切换成本权重λ^t。设s_i为钢卷i的横截面积，即s_i＝w_i×t_i，所以规格跳跃造成的切换成本为

则相邻钢卷切换成本为 $c_{\mathrm{ij}}=c_{\mathrm{ij}}^T+c_{\mathrm{ij}}^g,$ 切换成本主要包括退火温度、宽度、厚度切换成本。由于每当退火温度、宽度、厚度变化趋势发生波动时，生产设备均需要调整运行参数来应对趋势波动，此调整过程基本类似，因此，退火温度、宽度、厚度变化趋势发生波动所造成的波动附加成本根据生产现场设备经验值给定，通过连续退火计划排产系统数据库下载。

在连续退火机组钢卷优化排序的过程中以(1)为优化目标，其中第一项优化目标是最小化总的温度、规格(包括宽度和厚度)切换成本，第二项为最小化总温度波动附加成本、宽度波动附加成本和厚度波动附加成本。在连续退火机组钢卷优化排序时，始终需保持生产计划的可行性，也就是要满足约束条件(2)-(9)，约束(2)描述了在生产计划中，除了最后一个被加工的钢卷，所有钢卷后面都有且只有一个钢卷；约束(3)描述了在生产计划中，除了第一个被加工的钢卷，所有钢卷前面都有且只有一个钢卷。约束(4)是保证在生产计划中，在每一个钢卷紧前都有一个钢卷进行加工，在每一个钢卷紧后都有一个钢卷进行加工。这三个约束保证了在生产计划中，钢卷是紧密联结的，从而保证了生产的连续性。约束(5)是一个子环消除约束，避免一个钢卷被重复安排在生产计划中多次，从而保证排序获得的生产计划的可行性。约束(6)用于描述连续退火生产计划中钢卷j处的退火温度波动情况，在连续退火生产计划中，如果退火温度变化趋势在钢卷j处发生变化，那么在钢卷j之前的退火温度变化趋势应与钢卷j之后的退火温度变化趋势相反。约束(7)用于描述连续退火生产计划中钢卷j处的宽度波动情况，如果宽度变化趋势在钢卷j处发生变化，那么在钢卷j之前的宽度变化趋势应与钢卷j之后的宽度变化趋势相反。约束(8)用于描述连续退火生产计划中钢卷j处的厚度波动情况。如果厚度变化趋势在钢卷j处发生变化，那么在钢卷j之前的厚度变化趋势应与钢卷j之后的厚度变化趋势相反。约束(9)定义了决策变量的取值范围。

本发明在满足生产约束条件下，建立优化排序模型，在模型中设定了优化目标，并建立了约束条件。用于求解此问题的优化排序方法包括以下步骤：

第一步：建立一系列连续退火机组初始可行钢卷排序方案。

将候选钢卷按照退火温度分别从高到低和从低到高进行排序，形成两种初始钢卷排序方案，此后，可以采取宽度优先排序或者厚度优先排序方法进行优化，其中宽度优先排序即在每种初始钢卷排序方案中，对于具有相同退火温度的钢卷再根据钢卷的宽度，分别采用从宽到窄和从窄到宽两种不同的排序规则排序，从而共获得四种初始钢卷排序方案，最后对具有相同温度、相同宽度的钢卷再按厚度从厚到薄和从薄到厚排序，共获得八个不同的初始可行排序方案；其中厚度优先排序即在每种初始钢卷排序方案中，对于具有相同退火温度的钢卷再根据钢卷的厚度，分别采用从厚到薄和从薄到厚两种不同的排序规则排序，从而共获得四种初始钢卷排序方案，最后对具有相同温度、相同厚度的钢卷再按宽度从宽到窄和从窄到宽排序，同样共可获得八个不同的初始可行排序方案，在此处，由于宽度切换不合理较厚度切换不合理更容易造成断带，因此，在产生初始可行生产计划的过程中，采用上述宽度优先排序方法。

连续退火机组钢卷排序问题的主要任务是安排所有待选钢卷的加工顺序。在本发明中，首先采用如下的启发式方法构造满足上述模型中约束条件的连续退火机组初始可行生产计划Δ。在生产当中，产品质量始终被摆在首要问题来考虑，因此，在构造初始可行生产计划的过程中，首先考虑退火温度的切换情况和变化趋势；然后，再依次考虑钢卷的宽度和厚度。为了保障在生产计划中退火温度单调平滑的过渡，在构造初始可行生产计划的过程中，首先将钢卷按照要求退火曲线从高到低(或者从低到高)进行排序，在这个初始钢卷排序方案中，相邻钢卷的退火温度差异是最小的，故此序列一定是最大程度的满足相邻钢卷温度跳跃限制，此时，优化目标(1)中

达到最小值，同时满足优化约束条件(2)-(9)。

此后，在根据退火温度制定的初始钢卷排序方案的基础上，再根据钢卷的宽度、厚度，对其进行进一步调整，在保证与温度变化相关的优化目标不变的前提下，以尽力减小目标函数(1)中与钢卷排序方案的宽度、厚度变化相关的优化目标值 $\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_{\mathrm{ij}}^g{x}_{\mathrm{ij}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(p_i^w{y}_i^w+p_i^w{y}_i^w)$ 为目的，同时不会违背约束(2)-(9)。依照此思路，构造一种初始可行钢卷排序方案Δ₁的完整方法描述如下：

Step 1.将候选钢卷按照退火温度T_i从高到低的顺序进行排序，此时，依据候选钢卷不同的

退火温度，可将钢卷划分为n^T个子集，每一个子集N^k(1≤k≤n^T)中的钢卷要求相同的退火温度，在按退火温度排序后，如果T_i＞T_j，( $\&ForAll;i\&Element;N^k,$ j∈N^h，k≠h)，那么属于N^k的钢卷必然排在属于N^h的钢卷之前。

Step 2.对于任一子集N^k(1≤k≤n^T)，将其中的钢卷所形成的一段钢卷子序列按照宽度从宽到窄的排序规则调整加工顺序，此时，依据子集N^j中候选钢卷不同的宽度，可将钢卷划分为n_w ^k个子集，每一个子集N_g ^k(1≤k≤n^T， $1\&le;g\&le;n_w^k$ )中的钢卷要求相同的退火温度并且宽度相同，在按宽度调整排序后，在子集N^k中候选钢卷构成的子序列中，如果w_i＞w_j，( $\&ForAll;i\&Element;N_h^k,$ $j\&Element;N_g^k,$ h≠g)，那么属于N_h ^k的钢卷必然排在属于N_g ^k的钢卷之前。

Step 3.对于任一子集N_h ^k(1≤k≤n^T， $1\&le;g\&le;n_w^k$ )，将其中的钢卷所形成的一段钢卷子序列按照厚度从厚到薄的排序规则调整加工顺序。

此构造方法流程图如图3。在Step1中可根据退火温度按照从高到低和从低到高两种排序规则进行优化，在Step2中可根据宽度按照从宽到窄和从窄到宽两种排序规则进行优化，在Step3中可根据退火温度按照从厚到薄和从薄到厚两种排序规则进行优化，那么组合Step1，Step2，Step3中用到的排序规则可获得其他七个不同的初始可行调度方案Δ₂，Δ₃，Δ₄，Δ₅，Δ₆，Δ₇，Δ₈。例如：将Step 1中的“从高到低”替换为“从低到高”，其它步骤中的排序规则保持不变，则按照调整后的步骤优化待选钢卷加工顺序就可以获得一个新的初始可行排序方案Δ₂。

第二步：比较一系列连续退火机组初始可行钢卷排序方案获得初始可行生产计划。

比较上一步骤获得的八个初始可行排序方案，选择优化目标值最小的排序方案作为初始可行生产计划，流程如图4所示。具体操作如下：依照优化目标(1)，从八种不同的初始可行排序方案中挑选一个最好的排序方案作为连续退火机组初始可行排序方案，即 $\mathrm{\&Delta;}={\mathrm{\&Delta;}}_{\arg \underset{1\&le;k\&le;8}{\min }\left\{{\mathrm{Obj}}_k\right\}},$ 其中，Obj_k表示初始可行排序方案Δ_k，(1≤k≤8)对应的优化目标值，可根据如下公式进行计算

${\mathrm{Obj}}_k={\mathrm{\&lambda;}}_1\&times;\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(c_{\mathrm{ij}}^T+c_{\mathrm{ij}}^g)x_{\mathrm{ij}}+{\mathrm{\&lambda;}}_2\&times;\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(p_i^T{y}_i^T+p_i^w{y}_i^w+p_i^t{y}_i^t),$

并以此连续退火机组初始可行生产计划为基础，在下一步骤中进行优化。

第三步：对连续退火初始可行生产计划进行优化。

对初始可行生产计划，以模型中给定的优化目标值最小为目的，利用对交换邻域进行禁忌搜索和交替路径变换邻域搜索进行调整，以获得满足约束条件的连续退火生产计划。

本发明采用两种优化策略，其一为对交换邻域进行禁忌搜索，其二为对交替路径变换邻域进行搜索。在优化过程中，将两种优化策略进行融合，首先对初始可行生产计划Δ的交换邻域进行禁忌搜索，当此优化策略陷入局部最优的时候，采用另一优化策略打破局面，找到更好的生产计划，再进行进一步优化，直到满足优化停止条件。在此，结合具体的连续退火生产工艺，构造了如下的算法来优化初始可行生产计划。

在此优化过程中，将以最大程度改进优化目标(1)为调整目标，同时始终满足约束(2)-(9)。优化策略1中所用到的初始可行生产计划Δ的交换邻域可定义为可通过交换初始生产计划中两个钢卷的位置获得的所有可行钢卷生产计划，交换移动如图5所示。此邻域用于优化过程中的深度搜索，从而保证通过尝试交换当前计划中任意两个钢卷在生产计划中的加工位置来寻找当前生产计划的最好交换改进方案，在搜索的过程中，采用了禁忌搜索的方法，从而搜索到充分多的可行生产计划，使生产计划的优化目标得到最大程度的改进。此搜索过程设置禁忌表，此禁忌表的禁忌对象为优化过程中最后几次交换移动的反操作，这些移动存储于禁忌表中，每次通过交换移动改进当前生产计划后，都将所做交换移动的反操作列入禁忌表，并设其禁忌代数为最大禁忌代数，将原以存储于禁忌表中的交换移动的禁忌代数减一，当禁忌表中的禁忌移动对应的禁忌代数为零时，该交换移动自动移出禁忌表，由于采用了这种技术，使得采用过的排序方案不会被重复比较，提高了搜索效率。

当对当前生产计划的交换邻域的禁忌搜索过程陷入局部最优，采用优化策略2即对交替路径变换邻域进行搜索，从而迫使算法搜索以前没有搜索过的解空间。在本发明中，对当前生产计划的交替路径变换邻域的搜索既是顺序的调整当前生产计划中每个钢卷与其他钢卷的前后相邻关系来找到可使当前生产计划的优化目标获得最大改进的方法。枚举所有顺序调整当前生产计划中每个钢卷与其他钢卷的前后相邻关系的改进方法，从而找到最好的改进方法的过程在本发明中通过构造一个动态规划迭代式来完成。

优化策略2的具体方案描述如下：首先构造一个辅助改进图G^I＝(V^I，E^I)，用于描述改变当前生产计划中的所有两个相邻钢卷之间的相邻关系的移动，如图6所示，此后对交替路径变换邻域的搜索将通过寻找辅助改进图中从给定源点到给定终点的，对优化目标有最大改进的改进路径来实现。辅助改进图中点集V^I＝{I₀，I₁，I₂，...，I_n}，其中I₀为一个虚拟点，任何一条改进路径都要求从I₀出发，最终回到I_n；I_j(1≤j≤n)对应着当前可行生产计划中的第j个加工的钢卷；辅助改进图中E^I＝{(I_j，I_k)：0≤j＜k≤n}是一个有向弧集，其中每一条弧对应着对当前可行生产计划的改进移动，弧(I₀，I_j)(1≤j≤n)对应于将当前可行生产计划中的弧(I_n，I₀)切断，然后连接(I₀，I_j)，从而造成对当前可行生产计划中钢卷I_j和I_n的相邻关系的改变；(I_j，I_k)(1≤j＜k≤n)对应于将当前可行生产计划中的弧(I_j-1，I_j)切断，然后连接(I_j-1，I_k)，从而造成对当前可行生产计划中钢卷I_j，I_j-1和I_n的相邻关系的改变。因此，辅助改进图中每条弧(I_j，I_k)(0≤j＜k≤n)对应的改进移动所造成的对优化目标中的切换成本的改进量定义为D[j，k]，它是此弧所对应的改进移动所引起的对当前可行生产计划的优化目标中相邻钢卷切换费用改进值，可按照如下公式进行计算。

当1≤j≤n时， $D[0,j]=-c_{I_n{I}_0}^T-c_{I_n{I}_0}^g{+c_{I_0{I}_j}^T+c_{I_0{I}_j}^g,}_{}---\left(14\right)$

当1≤j＜k≤n时 $D[j,k]=-c_{I_{j-1}{I}_j}^T-c_{I_{j-1}{I}_j}^g+c_{I_{j-1I_k}}^T+c_{I_{j-1}{I}_k}^g,---\left(15\right)$

其中，

为当前生产计划中第j个加工的钢卷与第k个加工的板卷之间的退火温度切换成本，为当前生产计划中第j个加工的钢卷与第k个加工的板卷之间的规格切换成本，当j＝0时， $c_{I_j{I}_k}^T=0,$ $c_{I_j{I}_k}^g=0,$ 其他情况按式子(10)到(13)进行计算，对于辅助改进图中的每条弧所对应的改进移动所引起的对当前可行生产计划的优化目标中变化趋势波动成本的改进量需要由辅助改进图中已确定的改进路径来决定，因此，优化目标中的趋势波动成本将在动态规划的每步迭代中进行考虑。

其次根据如下描述的动态规划迭代式寻找能最大程度改进目标函数(1)的改进方法。用于搜索交替路径变换邻域的动态规划迭代式给定如下。设(S，L)表示辅助改进图中从I₀到I_L(L＝1，2，...，n)的改进路径，其中I_S是在I_L紧前被访问；f(S，L)是改进路径(S，L)对应的优化目标(1)的最好改进量；P[j](1≤j≤n)表示在辅助改进图的改进路径末端插入节点I_j所对应的对当前可行生产计划的改变所带来的对优化目标中变化趋势波动附加成本的改进量。其动态规划迭代式给定如下：

此迭代式可被初始化为

f(0，L)＝D[0，L]，

在如上的迭代式中，f(S′，S)为从I₀到I_S并且I_S′在I_S紧前被访问的改进路径对当前生产计划的优化目标的最好改进量，如上迭代式试图找到一条从I₀到I_L并且I_S在I_L紧前被访问的对当前生产计划优化目标具有最好改进量的改进路径，在寻找过程中，尝试将I_L安排在所有现有的已确定最好改进量的路径(S′，S)末端，其中S′＜S＜L，然后通过比较获得最好的改进路径。当完成寻找一条从I₀到I_n并且I_S在I_n紧前被访问的，对当前生产计划优化目标改进量最大的改进路径(S，n)的任务时，迭代过程完毕。搜索交替路径变换邻域所得的最优解可通过求解 $\underset{S<n}{\min }f(S,n)+P\left[S\right]+P\left[n\right]$ 获得，其中，f(S，n)可通过上述迭代式迭代到第n代来获得，P[S]，P[n]为在板卷S，n作为改进路径末端最后两个板卷所造成的对优化目标中波动附加成本的改进量。这个最优解描述了可使当前可行生产计划的优化目标获得最大改进的改进路径，最后根据这个改进路径，对当前可行生产计划进行改进，从而获得较好的生产计划，改进过程如图7所示。

本发明所涉及的交替路径变换邻域不仅考虑了生产计划中相邻钢卷关系的变化造成的对优化目标中切换成本的改进，还考虑了只有当相邻三个结点确定后才能确定的优化目标中的变化趋势波动附加成本的改进。在本发明中，用于搜索交替路径变换邻域的动态规划迭代式的计算复杂度是O(n³)。

结合如上两种优化策略，连续退火机组钢卷优化排序方法的总体流程(如图8所示)如下：

Step 1.比较利用初始可行排序方案构造方法构造的8个可行排序方案Δ₁，Δ₂，Δ₃，Δ₄，Δ₅，Δ₆，Δ₇，Δ₈，选取目标值最好的一个作为优化调整的初始可行生产计划Δ；

Step 2.初始化禁忌表(Tabulist)为空，迭代次数(IterNum)和连续无改进迭代次数(IterWoImpNum)为零，当前可行生产计划Δ^now和当前最好可行生产计划Δ^best为Δ；

Step 3.搜索当前可行生产计划Δ^now的交换邻域，找到不受禁忌的最好可行生产计划Δ^next；

Step 4.搜索当前可行生产计划Δ^now的交换邻域，如果有交换被禁，但通过该交换可获得当前已发现所有排序方案中目标值最好的可行生产计划，则破禁更新当前最好可行生产计划Δ^best、当前可行生产计划Δ^now和禁忌表，否则Δ^now：＝Δ^next，更新禁忌表，如果Δ^best＞Δ^next，Δ^best：＝Δ^next，IterNum：＝IterNum+1，如果Δ^best未得到更新，IterWoImpNum：＝IterWoImpNum+1，否则IterWoImpNum：＝0；

Step 5.如果迭代次数IterNum大于给定最大迭代次数MaxIterNum，停止计算，否则转Step 6。

Step 6.如果连续无改进迭代次数IterWoImpNum大于等于MaxIterWoImpNum，搜索当前可行生产计划Δ^now的交替路径变换邻域，更新当前可行生产计划Δ^now，返回Step 3。

本发明的一种连续退火计划排产系统

1、在上述介绍的连续退火机组钢卷优化排序方法的基础上，本发明提供了一套连续退火计划排产系统。该系统处于衔接钢铁企业的内部信息管理平台(企业资源计划(简称ERP)系统、数据仓库系统)和生产现场自动控制系统的位置，依据信息管理平台提供的信息，通过连续退火优化调度系统中的生产计划优化排序器制订钢卷生产计划，并由管理员利用连续退火计划排产系统中的人工调整功能，对生产计划进行修改，最终交由生产现场自动控制系统予以实施。连续退火优化排产系统以Windows为支撑平台，采用Visual c++6.0开发程序，后台数据库采用Microsoft SQL Server 2000数据库系统开发的优化系统。该系统设计主要是采用模块设计思想与图形界面相结合，模块化设计使系统便于修改与移植，而图形界面便于用户操作。本发明根据实现功能将系统划分多个模块，每个模块都具有独立功能，从而提高系统的可移植性和灵活性；在执行优化排序任务时，系统的各功能模块通过相互之间的协同工作来完成实际任务，其运作关系结构如图9所示。该系统的功能模块包括：授权用户登录模块、数据下载模块、数据维护模块、钢卷收池模块、自动钢卷优化排序模块、生产计划手工调整模块、生产计划检查评价模块、生产计划下发模块、优化系统维护模块，其中自动钢卷优化排序模块采用了上部分所述的优化工艺方法。当运行该系统时，按照系统提示输入用户名和密码，授权用户登录模块将判断用户身份，对于身份符合的用户将予以使用优化调度系统的其它模块，工作流程如图10；在数据下载模块，用户可根据库存情况及需求情况下载钢卷信息，工作流程如图11；对于下载后的钢卷信息，数据维护模块使用户可以根据需求对其进行增加、删除、修改等调整，工作流程如图12；根据生产需求，在钢卷收池模块，采用组合条件收池和手工删除的方式对钢卷收池，确定当前计划所考虑的钢卷信息，工作流程如图13；自动钢卷优化排序模块将对收池后钢卷进行排序，利用优化排序方法制定生产计划；对于钢卷优化排序方法制定的生产计划，利用生产计划手工调整模块的功能可按需求增加删除钢卷信息，以及调整其中钢卷的加工顺序，从而更加完善生产计划，工作流程如图15；生产计划检查评价模块将对系统制订的生产计划给予检查，当检查结果合格时对其进行评价，工作流程如图16；将计算并调整后的生产计划下发到生产执行机构并打印，工作流程如图17；优化系统维护模块是对冷轧连续退火机组钢卷优化排序方法和系统中所涉及的参数进行调整修改以满足当前需要，工作流程如图18。

其中所述的自动钢卷优化排序模块主要通过三个执行子模块来完成，自动钢卷优化排序模块的工作流程即这三个子模块的协调工作运行流程如图14所示。

初始排序子模块，将候选钢卷按照退火温度从高到低，或者从低到高，进行排序，形成两种初始钢卷排序方案，对每种初始钢卷排序方案采取宽度优先排序或者厚度优先排序方法进行优化，主要流程如前述第一步建立一系列连续退火机组初始可行钢卷排序方案的流程，其中产生一种可行钢卷排序方案的流程图如图3所示；

初始方案比较子模块，在优化的初始钢卷排序方案中，选择优化目标值最小，即总切换成本和波动附加成本最小的排序方案作为初始可行生产计划，主要流程如图4所示；

优化调整模块，以优化调度模型目标值最小为目标，利用对交换邻域禁忌搜索和搜索交替路径变换邻域进行调整，对初始生产计划进行改进调整，主要流程如图8所示。

本发明与现有技术相比具有下列优点：(1)本发明除了考虑相邻钢卷的退火温度、宽度、厚度等物理参数的跳跃最小化以外，还考虑了整个生产计划中的退火温度、宽度、厚度变化波动情况，当相邻板卷的退火温度、宽度、厚度跳跃足够小，并且在整个生产计划中，退火温度、宽度、厚度变化尽量单调时，生产设备的调整也将变少，从而使得计划执行过程能够平稳顺利的进行，使生产过程更加合理。

(2)本发明产生初始生产计划后，采用了对交换邻域进行禁忌搜索和搜索交替路径变换邻域两种优化策略来进一步优化调整生产计划，在此优化过程中，90％以上的优化迭代由对交换邻域进行禁忌搜索的优化策略来完成，但是，利用动态规划迭代式搜索交替路径变换邻域的优化策略在整个优化调整过程中，对优化目标值的改进量可达20％以上，并且这些改进将优化搜索过程拖拽到了一个新的未搜索空间，从而促使对交换邻域进行禁忌搜索的改进策略能够继续有效的改进优化目标。

(3)将本发明方法利用连续退火计划排产系统的自动钢卷优化排序模块来实现，并将其应用于多个实际钢铁企业冷轧钢铁优化排序问题，与人工编制的排序结果相比，平均降低切换次数31.51％，平均降低变化趋势波动次数37.84％，生产切换成本与波动附加成本的降低分别与切换次数的降低和变化趋势波动次数的降低成正比，平均降低总的生产切换成本和波动附加成本34.04％，有效减少了钢卷在波动加工条件下进行加工的情况发生，从而提高了产品的质量，提高企业效益。

(4)考虑到其他金属材料的退火工艺与钢铁企业连续退火过程的工艺具有相似性，本发明所提优化方法以及系统除可应用钢铁企业连续退火过程外，还可广泛应用其他金属材料的连续退火工艺。

(5)本发明将自动优化排序方法与人工调整接口相结合，有机地利用了计算机的快捷性和工作人员的经验和灵活性，从而最大程度的完善调度层工作。

(6)本发明的连续退火计划排产系统采用模块设计思想与图形接口相结合，模块化设计使系统便于修改与移植，而图形接口便于用户观察操作。

附图说明

图1为本发明所考虑连续退火的主要加工过程示意图；

图2为企业信息管理系统体系结构示意图；

图3为一种初始可行钢卷排序方案Δ₁的构造方法流程图；

图4比较一系列初始可行钢卷排序方案获得初始可行生产计划流程图；

图5(a)为一个连续退火生产计划示意图；

图5(b)为用于图5(a)中的连续退火生产计划的交换移动示意图；

图5(c)为对图5(a)中的生产计划做图5(b)所示交换移动获得的一个新生产计划示意图；

图6(a)为另一个连续退火生产计划示意图；

图6(b)为对图6(a)中生产计划进行交替路径变换邻域搜索时构造的辅助改进图；

图7(a)为某个连续退火生产计划示意图；

图7(b)为用动态规划搜索图7(a)中生产计划的交替路径变换邻域获得的改进路径示意图；

图7(c)为对图7(a)中生产计划，根据图7(b)的改进路径所作的改进移动示意图；

图7(d)为对图7(a)中生产计划，做图7(c)所作的改进移动获得的新生产计划示意图；

图8为调整连续退火初始可行生产计划的算法总体流程图；

图9为本发明的系统中各功能模块之间的关系结构图；

图10为授权用户登陆模块运行流程图；

图11为数据下载模块运行流程图；

图12为数据维护模块运行流程图；

图13为钢卷收池模块运行流程图；

图14为自动钢卷优化排序模块运行流程图；

图15为生产计划手工调整模块运行流程图；

图16为生产计划检查评价模块运行流程图；

图17为生产计划下发模块运行流程图；

图18为优化系统维护模块运行流程图。

其中，图1中1-开卷机；2-双剪切机；3-焊接机；4-清洗部分；5-入口侧活套；6-退火炉；7-出口侧活套；8-平整机；9-圆盘式切边机；10-加油器；11-剪切机；12-张力卷取机。

具体实施方式

下面以钢铁企业连续退火生产过程为背景，结合附图进行详细说明。

本发明系统的实施需要如下装置：至少一台PC机；至少一个电缆接口或光缆接口或电话专线接口；至少一台路由器。这些设备为连续退火机组钢卷优化排序提供硬件基础。该系统所需要的软件支持包括：Windows操作系统作为支撑平台，安装Microsoft SQL Server 2000数据库系统支持数据管理，配置信息传送端口。PC机用于实现和运行本发明的优化系统，路由器、电缆接口等通讯设备用于实现企业内部信息管理平台、计划排产系统和生产现场自动控制系统之间的通讯连接，达到优化生产过程，提高产品质量的目的。

本发明主要涉及调度管理室的主机，它用于执行计划排产系统，企业信息管理系统，生产现场自动控制系统，其协调工作关系如图2所示。作为优化生产计划方案的主要部件，利用通信设备-电缆接口和路由器等，调度管理室的主计算机的输入端与企业信息管理系统相联，其输出端与生产现场自动控制系统相联，从而实现生产计划的下发过程。

本发明的系统中各功能模块之间的运作关系结构如图9所示。在编制连续退火生产计划过程中，首先运行优化系统，按照系统提示输入用户名和密码，授权用户登录模块将判断用户身份，对于身份符合的用户将予以使用优化调度系统的其它模块。

在编制连续退火机组生产计划过程前首先进入优化系统维护模块，确定当前系统采用参数适合制定当前生产计划，在此模块，可对机组参数(包括炉温变化速度v_e，允许最大的退火温度跳跃δ^T，允许最大的宽度跳跃δ^w，允许最大的厚度跳跃δ^t)、计划管理参数(跳跃损失惩罚费用，变化趋势波动损失惩罚费用)、算法参数(包括相邻钢卷退火温度切换成本权重λ^T，相邻钢卷宽度切换成本权重λ^w，相邻钢卷厚度切换成本权重λ^t，切换成本在优化目标中所占的权重λ₁和波动附加成本在优化目标中所占的权重λ₂)进行修改。

在编制连续退火生产计划过程中，首先要从企业信息管理系统下载库存钢卷信息，以获得优化方法和系统的操作对象，同时在数据维护模块，可根据实际具体情况，逐条增加删除钢卷信息，以及对钢卷信息进行修改，此后，根据生产现场需求确定所需钢卷性能特征，可采用组合条件收池的方法从优化系统中的钢卷信息中收集符合现场需求的钢卷，并确定其为当前生产计划所考虑的钢卷信息；然后，进入自动钢卷优化排序阶段，在此实施例当中，自动钢卷优化排序方法将用于解决涉及43个在库钢卷的排序问题，具体钢卷信息如下表1。

表1

序号	退火温度(℃)	宽度(mm)	厚度(mm)	序号	退火温度(℃)	宽度(mm)	厚度(mm)
								1	780	824	2.012	23	870	1286	2.005
2	790	996	1.611	24	780	1300	0.809
								3	790	1020	2.016	25	780	1309	0.808
4	790	1020	1.813	26	780	1320	1.619
								5	790	1020	1.762	27	800	1345	1.209
6	820	1070	1.713	28	800	1366	2.023
								7	820	1070	1.211	29	700	1380	1.615
8	780	1100	1.011	30	800	1400	0.706
								9	800	1100	0.706	31	800	1410	0.805
10	830	1110	2.015	32	800	1420	0.705
								11	800	1120	0.706	33	700	1420	2.024
12	800	1190	0.705	34	800	1440	0.806
								13	750	1220	2.018	35	780	1440	2.024
14	700	1223	2.023	36	800	1442	1.007
								15	700	1239	2.023	37	800	1460	1.211
16	820	1250	1.211	38	830	1484	0.804
								17	800	1258	2.019	39	800	1500	0.807
18	780	1270	1.214	40	780	1520	1.518
								19	800	1270	0.805	41	700	1545	1.519
20	780	1270	0.705	42	830	1584	1.004

21	800	1270	0.705	43	870	1626	1.003
								22	780	1270	2.023

在此阶段，结合当前候选钢卷信息和具体生产现场状态对生产系统进行描述，将相邻钢卷的退火温度和规格跳跃情况分别评价为相邻钢卷退火温度差异所造成切换成本c_ij ^T和规格差异所造成的切换成本c_ij ^g；结合生产设备情况，核算出炉温波动附加成本p_i ^T，厚度波动附加成本p_i ^t和宽度波动附加成本p_i ^w，并结合当前的钢卷信息，确定在优化过程中切换成本和波动附加成本在优化目标中的权重，此转化过程将按如下方式完成。设c_ij ^T是相邻钢卷退火温度切换成本，c_ij ^t是相邻钢卷厚度切换成本，c_ij ^w是相邻钢卷宽度切换成本，c_ij ^g是相邻钢卷规格切换成本，生产现场控制系统通常控制炉温匀速变化，炉温变化速度v_e为5℃/s，设钢的密度为ρ_steel＝7.85t/m³，那么在从T_i切换到T_j的过程中，则将有

吨钢在渐变过程中进行加工，这必将影响这段钢带的质量，估算因此质量问题将造成的利益损失为r＝60，那么相邻钢卷退火温度切换成本c_ij ^T即为 $\frac{T_i-T_j}{v_e}\&times;w_j\&times;t_j\&times;{\mathrm{\&rho;}}_{\mathrm{steel}}\&times;r_j,$ 允许最大的退火温度跳跃δ^T＝20，相邻钢卷退火温度切换成本权重λ^T＝0.6。

其中，允许最大的宽度跳跃δ^w＝200，相邻钢卷宽度切换成本权重λ^w＝0.05

其中，允许最大的厚度跳跃δ^t＝0.6，相邻钢卷厚度切换成本权重λ^t＝80。设s_i为钢卷i的横截面积，即s_i＝w_i×t_i，所以规格跳跃造成的切换成本为

则相邻钢卷切换成本为 $c_{\mathrm{ij}}=c_{\mathrm{ij}}^T+c_{\mathrm{ij}}^g.$ λ₁＝0.6，λ₂＝0.4， $p_i^T=55,$ $p_i^w=50,$ $p_i^t=50,$ $\&ForAll;1\&le;i\&le;n.$ 禁忌表长度设为15，最大允许迭代次数为500，最大无改进迭代次数为5。以以上计算的参数为基础，将钢铁生产中的连续退火机组钢卷优化排序问题的优化目标及优化约束描述出来。

在所描述的连续退火机组钢卷优化排序问题基础上，结合初始排序方案产生方法，产生8个初始可行排序方案Δ₁，Δ₂，Δ₃，Δ₄，Δ₅，Δ₆，Δ₇，Δ₈，其中，Δ₁通过初始可行钢卷排序方案1的构造方法来获得，如图3所示；获得初始可行钢卷排序方案2Δ₂的方法与可行钢卷排序方案1的构造方法相似，但是将Step 3中的“从厚到薄”替换到“从薄到厚”；获得初始可行钢卷排序方案3Δ₃的方法与可行钢卷排序方案1的构造方法相似，但是将Step 2中的“从宽到窄”替换到“从窄到宽”；获得初始可行钢卷排序方案4Δ₄的方法与初始可行钢卷排序方案1的构造方法相似，但是将Step 2中的“从宽到窄”替换到“从窄到宽”，Step 3中的“从厚到薄”替换到“从薄到厚”；获得初始可行钢卷排序方案5Δ₅的方法与初始可行钢卷排序方案1的构造方法相似，但是将Step 1中的“从高到低”替换到“从低到高”；获得初始可行钢卷排序方案6Δ₆的方法与初始可行钢卷排序方案1的构造方法相似，但是将Step 1中的“从高到低”替换到“从低到高”，Step 3中的“从厚到薄”替换到“从薄到厚”；获得初始可行钢卷排序方案7Δ₇的方法与初始可行钢卷排序方案1的构造方法相似，但是将Step 1中的“从高到低”替换到“从低到高”，Step 2中的“从宽到窄”替换到“从窄到宽”；获得初始可行钢卷排序方案8Δ₈的方法与初始可行钢卷排序方案1的构造方法相似，但是将Step 1中的“从高到低”替换到“从低到高”，Step 2中的“从宽到窄”替换到“从窄到宽”，Step 3中的“从厚到薄”替换到“从薄到厚”。

比较八个初始可行钢卷排序方案Δ₁，Δ₂，Δ₃，Δ₄，Δ₅，Δ₆，Δ₇，Δ₈的目标函数值，选出优化目标值最小的一个排序方案作为初始可行生产计划Δ，即 $\mathrm{\&Delta;}={\mathrm{\&Delta;}}_{\arg \underset{1\&le;k\&le;8}{\min }\left\{{\mathrm{Obj}}_k\right\}}.$ 在本实施例中，依照上面的描述获得初始可行生产计划Δ：41，33，29，15，14，13，40，35，26，25，24，20，18，22，8，1，5，3，4，2，39，37，36，34，32，31，30，28，27，21，19，17，12，11，9，16，7，6，42，38，10，43，23，对应目标值为124258.91。

然后利用前面描述的优化策略1，即对当前生产计划的交换邻域进行禁忌搜索优化调整方法对Δ进行改进，在第一步迭代中，通过尝试交换当前序列中任意两个钢卷的位置，在禁忌表的限制下，寻找到具有最好优化目标值的改进序列，即通过交换钢卷32和39，改进当前生产计划为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，对应目标值为93748.17，此时将交换钢卷39和32这一移动加入禁忌表，并设其禁忌代数为15，禁忌表的存储内容可描述如表2。。此后，继续利用优化策略1进行迭代优化，当利用策略1迭代优化到第7代时，无改进迭代次数达到最大无改进迭代次数，此时，采用优化策略2，即搜索交替路径变换邻域进行改进，获得新的生产计划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，对应目标值为37344.02，此后，依据如图8描述的优化过程继续进行优化，直到满足停止准则，从而获得连续退火优化生产计划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，对应目标值为36915.00。

表2

禁忌对象	39，32	φ	φ	φ	φ	φ	φ	φ	φ	φ	φ	φ	φ	φ	φ
																禁忌代数	15	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0

对以上利用自动钢卷优化排序模块获得的连续退火生产计划，将在连续退火计划排产系统中显示；此后，计划员可根据手工拖拽等方式在生产计划手工调整模块的图形模块对生产计划进行调整；当调整完毕，可以利用生产计划检查评价模块对生产计划进行评价；根据评价结果，可对生产计划继续进行调整，也可将评价结果作为依据将生产计划下发到生产机组。

Claims (7)

1、一种冷轧连续退火机组钢卷优化排序方法，其特征在于满足生产约束条件下，建立优化排序模型，在模型中设定了优化目标，并建立了约束条件，排序方法按如下步骤：

第一步：建立一系列连续退火机组初始可行钢卷排序方案

将候选钢卷按照退火温度分别从高到低和从低到高进行排序，形成两种初始钢卷排序方案，对每种初始钢卷排序方案采取宽度优先排序或者厚度优先排序方法进行优化；

其中宽度优先排序指在每种初始钢卷排序方案中，对于具有相同退火温度的钢卷再根据钢卷的宽度，分别采用从宽到窄和从窄到宽两种不同的排序规则排序，获得四种钢卷排序方案，最后对具有相同温度、相同宽度的钢卷再按厚度从厚到薄和从薄到厚排序，共获得八个不同的初始可行排序方案；其中厚度优先排序指在每种初始钢卷排序方案中，对于具有相同退火温度的钢卷再根据钢卷的厚度，分别采用从厚到薄和从薄到厚两种不同的排序规则排序，获得四种初始钢卷排序方案，最后对具有相同温度、相同厚度的钢卷再按宽度从宽到窄和从窄到宽排序，获得八个不同的初始可行排序方案；

第二步：比较一系列连续退火机组初始可行钢卷排序方案获得初始可行生产计划

从初始钢卷排序方案中，选择优化目标值最小的排序方案作为初始可行生产计划；

第三步：对连续退火初始可行生产计划进行优化

对初始可行生产计划，以优化排序模型目标值最小为目标，利用交换邻域禁忌搜索和交替路径变换邻域搜索两种优化策略进行调整，以获得满足工艺约束的连续退火加工计划。

2、按照权利要求1所述的一种冷轧连续退火机组钢卷优化排序方法，其特征在于第二步中所述的优化目标值最小，指切换成本和波动附加成本目标值最小，所述的波动附加成本包括退火温度、宽度、厚度变化趋势发生波动所造成的波动附加成本，所述的切换成本可根据如下公式进行计算，相邻钢卷切换成本为 $c_{\mathrm{ij}}=c_{\mathrm{ij}}^T+c_{\mathrm{ij}}^g;$

其中：c_ij ^t是相邻钢卷厚度切换成本，c_ij ^w是相邻钢卷宽度切换成本，设炉温变化速度v_e，设钢的密度为ρ_steel，T_i表示钢卷i要求的退火温度，那么在从T_i切换到T_j的过程中，利益损失为r元，允许最大的退火温度跳跃δ^T，相邻钢卷退火温度切换成本权重λ^T，w_i表示钢卷i要求的宽度，t_i表示钢卷i要求的厚度，则相邻钢卷退火温度切换成本：

其中，允许最大的宽度跳跃δ^w，相邻钢卷宽度切换成本权重λ^w

其中，允许最大的厚度跳跃δ^t，相邻钢卷厚度切换成本权重λ^t，设s_i为钢卷i的横截面积，即s_i＝w_i×t_i，规格跳跃造成的切换成本为

3、按照权利要求1所述的一种冷轧连续退火机组钢卷优化排序方法，其特征在于所述的优化排序模型，假定在连续退火机组原料库有n个板卷1，2，...，n-1，n等待加工，连续退火机组钢卷优化排序问题描述为如下数学模型：

$\min \mathrm{imize}{\mathrm{\&lambda;}}_1\&times;\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(c_{\mathrm{ij}}^T+c_{\mathrm{ij}}^g)x_{\mathrm{ij}}+{\mathrm{\&lambda;}}_2\&times;\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(p_i^T{y}_i^T+p_i^w{y}_i^w+p_i^t{y}_i^t)---\left(1\right)$

约束条件：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ij}}\&le;1,j=\mathrm{1,2},...,n---\left(2\right)$

$\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ij}}\&le;1,i=\mathrm{1,2},...,n---\left(3\right)$

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{ik}}-\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_{\mathrm{kj}}=0,k=\mathrm{1,2},...,n---\left(4\right)$

$\underset{i,j\&Element;S}{\mathrm{\&Sigma;}}{x}_{\mathrm{ij}}\&le;\left|S\right|-1,\&ForAll;S\&SubsetEqual;\{\mathrm{1,2},...,n-1,n\}---\left(5\right)$

$\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(T_i-T_j)x_{\mathrm{ij}}\right]\&times;\left[\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(T_j-T_k)x_{\mathrm{jk}}\right]\&times;y_i^T-M(1-y_i^T)<0,\&ForAll;j=\mathrm{1,2},...,n-1,n---\left(6\right)$

$\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(w_i-w_j)x_{\mathrm{ij}}\right]\&times;\left[\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(w_j-w_k)x_{\mathrm{jk}}\right]\&times;y_i^w-M(1-y_i^w)<0,\&ForAll;j=\mathrm{1,2},...,n-1,n---\left(7\right)$

$\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(t_i-t_j)x_{\mathrm{ij}}\right]\&times;\left[\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(t_j-t_k)x_{\mathrm{jk}}\right]\&times;y_i^t-M(1-y_i^t)<0,\&ForAll;j=\mathrm{1,2},...,n-1,n---\left(8\right)$

$x_{\mathrm{ij}},y_i^T,y_i^w,y_i^t\&Element;\left\{\mathrm{0,1}\right\},\&ForAll;i=\mathrm{1,2},...,n-1,n,j=\mathrm{1,2},...,n-1,n---\left(9\right)$

其中，x_ij表示连续退火生产计划中，钢卷i和钢卷j之间的相邻关系，当钢卷i在钢卷j紧前进行加工，x_ij取值为1，否则x_ij取值为0；y_i ^T表示连续退火生产计划中，退火温度的变化趋势在钢卷i处是否发生转变，如果发生转变，y_i ^T取值为1，否则y_i ^T取值为0；y_i ^t表示连续退火生产计划中，厚度的变化趋势在钢卷i处是否发生转变，如果发生转变，y_i ^t取值为1，否则y_i ^t取值为0；y_i ^w表示连续退火生产计划中，宽度的变化趋势在钢卷i处是否发生转变，如果发生转变，y_i ^w取值为1，否则y_i ^w取值为0，c_ij ^T为由于相邻钢卷i和j的退火温度差异所造成的切换成本，c_ij ^g为由于相邻钢卷i和j的规格差异所造成的切换成本，p_i ^T是由于在生产计划中钢卷i处退火温度的变化趋势发生变化所造成的炉温波动附加成本，p_i ^t是由于在生产计划中钢卷i处厚度的变化趋势发生变化所造成的厚度波动附加成本，p_i ^w是由于在生产计划中钢卷i处宽度的变化趋势发生变化所造成的宽度波动附加成本，T_i表示钢卷i要求的退火温度，w_i表示钢卷i的宽度，t_i表示钢卷i的厚度；λ₁和λ₂分别是切换成本和波动附加成本在优化目标中所占的权重。

4、按照权利要求1所述的一种冷轧连续退火机组钢卷优化排序方法，其特征在于第三步中所述的交换邻域禁忌搜索，指交换任意两个钢卷在当前生产计划中的加工位置，寻找优化排序模型目标值最小的交换改进方案。

5、按照权利要求1所述的一种冷轧连续退火机组钢卷优化排序方法，其特征在于第三步中所述的交替路径变换邻域搜索，指用如下动态规划迭代式进行，设(S，L)表示辅助改进图中从I₀到I_L的改进路径，其中I_S是在I_L紧前被访问；f(S，L)是改进路径(S，L)对应的对模型中优化目标的最好改进量；辅助改进图中的每条弧(I_j，I_k)对应的改进移动所引起的对优化目标中切换成本的改进量定义为D[j，k]，可按照如下公式进行计算：

当1≤j≤n时，D[0，j]＝-c[I_n，I₀]+c[I₀，I_j]，

当1≤j＜k≤n时，D[j，k]＝-c[I_j-1，I_j]+c[I_j-1，I_k]，

P[j]表示在辅助改进图的改进路径末端插入节点I_j所对应的对当前生产计划的改变所带来的对优化目标中变化趋势波动成本的改进量，其动态规划迭代式给定如下：

此迭代式可被初始化为

f(0，L)＝D[0，L]，

式中，f(S′，S)为从I₀到I_S并且I_S′在I_S紧前被访问的改进路径对应的最好改进量，即优化排序模型目标值最小，其中S′＜S＜L，如上迭代式试图找到一条从I₀到I_L并且I_S在I_L紧前被访问的，对当前生产计划优化目标改进最好的改进路径，当完成寻找一条从I₀到I_n并且I_S在I_n紧前被访问的具有最好改进量的改进路径(S，n)的任务时，迭代过程完毕，搜索交替路径变换邻域所得的最优解可通过求解

获得。

6、一种如权利要求1所述的冷轧连续退火机组钢卷优化排序方法采用的系统，其特征在于包括授权用户登录模块、数据下载模块、数据维护模块、钢卷收池模块、自动钢卷优化排序模块、生产计划手工调整模块、生产计划检查评价模块、生产计划下发模块、优化系统维护模块，其中自动钢卷优化排序模块采用了上部分所述的钢卷优化排序方法，运行系统，按照系统提示输入用户名和密码，授权用户登录模块将判断用户身份，对于身份符合的用户将予以使用优化调度系统的其它模块；在数据下载模块，用户可根据库存情况下载钢卷信息，对于下载后的钢卷信息，数据维护模块使用户可以根据需求进行调整；根据生产需求，在钢卷收池模块对钢卷收池，确定当前计划所考虑的钢卷信息；自动钢卷优化排序模块将对收池后钢卷进行排序，利用优化排序方法制定生产计划；对于钢卷优化排序方法制定的生产计划，利用生产计划手工调整模块的功能对其进行调整，从而更加完善生产计划；生产计划检查评价模块将对系统制订的生产计划给予检查评价；将计算并调整后的生产计划下发到生产执行机构；优化系统维护模块是对系统中所涉及的参数进行调整修改。

7、一种如权利要求6所述的冷轧连续退火机组钢卷优化排序方法采用的系统，其特征在于所述的自动钢卷优化排序模块主要通过三个执行子模块来完成，

初始排序子模块，将候选钢卷按照退火温度从高到低，或者从低到高，进行排序，形成两种初始钢卷排序方案，对每种初始钢卷排序方案采取宽度优先排序或者厚度优先排序方法进行优化；

初始方案比较子模块，在优化的初始钢卷排序方案中，选择优化目标值最小，即切换成本和波动附加成本目标值最小的排序方案作为初始可行生产计划；

优化调整模块，以优化调度模型目标值最小为目标，利用对交换邻域禁忌搜索和搜索交替路径变换邻域进行调整，对初始生产计划进行改进调整。

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