CN101344781A - 一种冷轧热镀锌机组板卷自动调度方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种冷轧热镀锌机组板卷自动调度方法及系统，属于板卷加工技术领域，调度方法包括以下步骤：将所有外板板卷按宽度从宽到窄排列，形成初始外板作业方案；向初始外板作业方案内插入内板，使得外板作业方案满足连续生产外板数量不超过上限个数，以及各跳跃约束；在外板作业方案后按最近邻方式产生内板作业方案；将外板作业方案和内板作业方案连接起来构成初始作业方案；作业方案的调整和优化，采用变深度邻域搜索和禁忌搜索结合的框架，对初始作业方案改进，使得模型的目标值最小；将交换及调整后的作业方案下发执行。本发明提高了作业质量和缩短了产生作业方案的时间，提高生产效率。

Description

一种冷轧热镀锌机组板卷自动调度方法及系统

技术领域

本发明属于板卷加工技术领域，特别涉及一种冷轧热镀锌机组板卷自动调度方法及系统。

背景技术

热镀锌钢板作为高附加值产品和高效节材产品是增加最快的一类钢材品种，它在钢材品种中所占比例逐年提高，在美国、日本等钢材生产大国中，镀锌钢板在钢材中所占比例已经高达13-15％，其中70％为热镀锌钢板。我国目前热镀锌钢板仅占刚才总产量的5％左右，具有很大的发展潜力。热镀锌钢板主要应用于建筑、汽车和家电行业。热镀锌钢板的广泛应用促进了钢带热镀锌生产的快速发展，目前全世界带钢热镀锌连续机组500余条，产量超过1亿吨。

热浸镀简称热镀，是将被镀金属材料经过预处理后，浸入低熔点的液态金属或合金中，获得防护性镀层的一种工艺方法。此工艺方法的突出特点是基体金属与镀层金属间形成冶金结合的合金层。被镀金属一般为普碳钢和合金钢，也有铸铁和不锈钢。用于热镀的低熔点金属有锌、铅、铝、锡等有色金属及其合金，其中锌及其合金是最为广泛的一种热镀金属。热镀锌钢板产量最大，品种最多，用途最广。

钢带连续热镀锌是冷轧(热轧)钢带(卷)在连续生产线上进行热浸镀锌，钢带(卷)一般通过开卷、剪切、焊接、碱或电解清洗、入口活套存料、加热退火和还原、热浸镀锌、气刀控厚、锌层的锌花或合金化处理、冷却、光整和拉矫、钝化、出口活套存料、涂油、卷取和剪切等一系列工序，生产出热镀锌钢带(卷)。

当前国内钢铁企业热镀锌板卷的生产调度全部由人工完成，但是随着热镀锌品种生产途径的增加，其生产组织的复杂性也日益增加，人工调度已经不能合理优化地进行生产组织；在热镀锌板卷的生产调度中要考虑延期交货成本、退火温度切换成本、粗糙度切换成本、压花切换成本等诸多成本因素，而人工调度往往只能考虑到延期交货成本和规格切换成本(换辊成本)，不能实现以降低总生产成本为目标的优化排产；同时，热镀锌板卷的排产对象是板卷而不是合同，因此其生产调度要精确到“小时”，而人工调度的精度只能达到“天”，已不能满足优化排产的精度要求。高端镀锌板产品被用来生产汽车的表面结构，根据用途不同可以分为内板和外板。内板用来生产汽车的内表面，由于汽车内部要加装其他内饰，所以对内板的表面光洁度要求不是很高；外板用来生产汽车的外表面，汽车表面是否平整光洁与板卷的表面光洁度关系密切，所以对外板的表面质量的要求是相当高的。因此对于特定生产汽车板的热镀锌机组而言，就会产生一些特别的约束，比如每连续生产一定数量的外板，就要生产一块内板以检查机组的生产状态以做出适当调整，保证后续生产的外板的质量。目前钢铁企业热镀锌板卷的生产调度难度较大，人工调度结果很难达到降低总的生产成本，同时充分发挥机组产能的目标。迫切需要开发出能自动优化调度系统及方法。

发明内容

从现有钢铁企业热镀锌热轧机组生产热镀锌钢卷调度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和变深度搜索技术的热镀锌机组作业方案自动生成方法。该方法是在发明人依据实际问题所建立的新的问题描述基础上形成的，通过考虑实际生产中的工艺约束(不仅考虑了生产计划中板卷间在宽度、厚度、退火温度上的跳跃以及后处理方式的集批约束，而且还考虑了合同是否能准时交货因素)，建立以最小化生产成本为目标的热镀锌生产计划的数学模型。为求解上述模型发明人还设计了一种智能优化方法，将变深度邻域搜索嵌入到禁忌搜索的框架中。这种混合的智能优化方案生成方法提高了作业方案的水平和效率，可以实现经济排产。

热镀锌生产的工艺流程分为：开卷→预处理→加热退火→热浸镀锌→气刀控厚→后处理→卷取。其主要生产工艺为加热退火、热浸镀锌、气刀控厚和后处理

(1)加热退火

用于冷轧薄板连续热镀锌机组的退火炉是机组的关键设备。热镀锌原板通常为冷轧板卷，退火可以使板卷在退火炉内消除轧制应力，改善力学性能，同时将板卷表面的一层微氧化膜还原成纯铁层，为热镀锌准备好附着力极强的表面状态。

(2)热浸镀锌

在热浸镀锌阶段，带钢浸入锌锅中的锌液进行浸镀，绕过沉没辊后出锌锅，带钢表面附着着一层锌液。锌锅中的锌液的成分决定了镀锌板卷的种类，不同种类的镀锌板卷之间切换生产时，锌液中的成分要响应的进行改变。

(3)气刀控厚

为了调节镀锌层厚度，工艺上采用气体冲击的方法。气体冲击方法使用压缩空气喷吹方法，将带钢表面多余的锌液吹掉。由于其喷出的气流截面积很窄小，有如刀的外形，称之为气刀。气刀控制锌层厚度提高了镀锌机组的生产效率和对厚度控制的精度。

(4)后处理

连续热镀锌的后处理包括镀锌后冷却，锌花处理，粗糙度处理，机械光整，拉弯矫直以及钝化、涂油等处理。

本发明采用的技术方案是，包括以下步骤：

(1)将所有外板板卷按宽度从宽到窄排列，形成初始外板作业方案；

(2)向初始外板作业方案内插入内板，使得满足连续生产外板数量不超过上限个数，以及跳跃约束，跳跃约束包括板卷间厚度跳跃约束、板卷间宽度跳跃约束和退火温度跳跃约束，形成外板作业方案；

(3)在外板作业方案后按最近邻方式产生内板作业方案，最近邻方式就是每次都在未计划的板卷中挑选和已有作业方案中最后一个板卷过渡费用最小的板卷在队列中做为新的最后板卷；

(4)将外板作业方案和内板作业方案连接起来构成初始作业方案；

(5)板卷交换及调整，满足判定条件1和跳跃约束下，采用变深度邻域搜索和禁忌搜索结合的框架，嵌入四种邻域，重定位邻域，交换邻域，插入邻域和删除邻域，对初始作业方案改进，使得模型的目标值最小；

(6)将交换及调整后的作业方案下发执行。

在提出热镀锌机组板卷自动调度方法的基础上，相应地还开发一种热镀锌优化作业方案生成系统。本发明的热镀锌优化作业方案生成系统是以本发明提出的数学模型和算法为基础，把软件开发中的可视化技术引入系统，将生产计划编制技术与可视化技术有机结合。通过该系统，用户可以根据实际情况下载算法所需的数据，得到所需的数据并经过一些处理后，系统通过与算法的接口调用作业方案生成模块进行计算，作业方案生成模块得到作业方案后，交给系统可视化部分转化成二维图形显示的优化结果。系统完成上述过程后，用户可以根据实际问题的需要，对图形结果进行调整，从而达到人机交互的目的。这样，就实现了工艺、数据、模型、算法和用户经验的有效集成。

本发明所提出的热镀锌生产自动作业调度方法主要由问题描述和问题求解两个部分组成。

1.问题描述模块

热镀锌生产自动调度问题可以看作是PCTSP(Prize-Collecting Traveling SalesmanProblem，带奖励收集的旅行商问题)问题的衍生问题。每个待生产的板卷可以看作是一个待访问的城市，其奖励值等于其自身的重量。任意两个板卷之间的过渡费用相当于对应的两个城市之间的旅行费用。由于问题不要求将所有板卷排入调度中，所以不是每个城市都必须被访问，当旅行商收集到的奖励在预设好的上下限之内就可以，这里的上下限指的是在系统触发作业方案生成模块时，由用户输入的期望的作业方案的重量上下限。另外，由于合同的拖期交货的惩罚费用很大，所以每个板卷都要求尽量按期交货。对应在PCTSP问题当中，就是旅行商应当在每个城市的最晚允许访问时间之前访问该城市，否则会受到拖期惩罚。旅行商在访问每个城市，需要一个在此城市的服务时间，这个服务时间对应热镀锌自动调度问题中的板卷的加工时间。

根据以上叙述，我们建立了整数规划数学模型如下：

决策变量

模型参数

N为待调度的板卷集合，N＝{0，1，2，...n}，其中0为一个虚拟板卷，表示作业方案的开始和结束。

O为板卷中外板的集合。

I为板卷中内板的集合，I∪O＝N，I∩O＝φ。

LO为最多可以连续生产的外板的上限。

P(i)为板卷i的类型，当板卷i为外板时P(i)＝1，否则P(i)＝0。

PT为所有的后处理方式的集合。

wd_i为板卷i的宽度。

wt_i为板卷i的重量。

tk_i为板卷i的厚度。

tpr_i为板卷i的退火温度

tk_i ^Zn为板卷i的锌层宽度。

d_i为板卷i的交货期，d_j为板卷j的交货期。

p_i为板卷i的加工时间。

t_i为板卷i的交货期。

pt_i为板卷i的后处理方式，pt_i∈PT。

c_ij为板卷i和板卷j之间的过渡费用。

D_i为板卷i的拖期惩罚。

Q^Min，Q^Max为待排调度的重量上下限。

T₀为调度开始执行时间。

c_i为板卷i的加工结束时间。

o_i表示板卷i是连续生产的第多少块外板。 $\∀i\∈I,$ o_i＝0。

M为一个充分大的正数。

λ₁，λ₂为目标之间的权重，λ₁+λ₂＝1。

建立数学模型为目标函数，描述如下：

$\min {\mathrm{\λ}}_1\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ij}}{x}_{\mathrm{ij}}+{\mathrm{\λ}}_2\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{D}_i{y}_i---\left(1\right)$

约束条件

$\underset{j\∈N\backslash \left\{i\right\}}{\mathrm{\Σ}}{x}_{\mathrm{ij}}=\underset{k\∈N\backslash \left\{i\right\}}{\mathrm{\Σ}}{x}_{\mathrm{ik}}=y_i,$ $\∀i\∈N---\left(2\right)$

y₀＝1(3)

$\underset{j\∈N\backslash i}{\mathrm{\Σ}}{x}_{\mathrm{ij}}\≤1,$ $\∀i\∈N\backslash \left\{0\right\}---\left(4\right)$

$\underset{i\∈N\backslash j}{\mathrm{\Σ}}{x}_{\mathrm{ij}}\≤1,$ $\∀j\∈N\backslash \left\{0\right\}---\left(5\right)$

$\underset{i,j\∈S}{\mathrm{\Σ}}{x}_{\mathrm{ij}}\≤\left|Q\right|-1,$ $\∀Q\⊆N\backslash \left\{0\right\},2\≤\left|Q\right|---\left(6\right)$

式(1)为目标函数，其中的第一个分量

表示计划内板卷过渡费用之和，第二个分量

表示所有合同的拖期费用之和。约束(2)将决策变量x和y联系起来。约束(3)表示虚拟板卷0必须被排入调度，而约束(4)和(5)保证一个板卷不能被调度超过一次。约束(6)的作用是消除子环的存在，保证所有计划中的板卷都在板卷0开始到板卷0结束的环上。以上是调度问题模型中的一般约束，下面的约束反应了热镀锌优化调度问题的特点。

L₁ ^TK为相邻板卷从厚过渡到薄时候允许的最大变化量。

L₂ ^TK为相邻板卷从薄过渡到厚时候允许的最大变化量。

L^WD为相邻板卷在宽度上的最大允许变化量。

L^TPR为相邻板卷在退火温度上的最大允许变化量。

w^Tar为对板卷拖期的单位惩罚系数。

c_j-p_j≤c_i+(1-x_ij)M    (7)

c_j-p_j ≥c_i-(1-x_ij)M   (8)

D_i＝w^Tar max{0，c_i-d_i}(9)

$-L_2^{\mathrm{TK}}\≤x_{\mathrm{ij}}({\mathrm{tk}}_i-{\mathrm{tk}}_j)\≤L_1^{\mathrm{TK}}---\left(10\right)$

-L^WD≤x_ij(wd_i-wd_j)≤L^WD    (11)

-L^TPR≤x_ij(tpr_i-tpr_j)≤L^TPR (12)

$Q^{\mathrm{Min}}\≤\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{wt}}_i{y}_i\≤Q^{\mathrm{Max}}---\left(13\right)$

o_j≤(1-P(i))+P(i)(o_i+1)+(1-x_ij)M， $\∀j\∈O---\left(14\right)$

o_j≥(1-P(i))+P(i)(o_i+1)-(1-x_ij)M， $\∀j\∈O---\left(15\right)$

o_j≤LO， $\∀j\∈O---\left(16\right)$

wd_j≤wd_i+(1-x_ij)M， $\∀i,j\∈O---\left(17\right)$

x_ij＜x_jk`+(1-x_jk)M， $\∀i,j\∈I,\∀k\∈O---\left(18\right)$

约束(7)(8)表示表示当板卷i和板卷j紧邻生产时，板卷j的生产开始时间必须等于板卷i的生产结束时间，中间不允许有空隙。约束(9)确定了一个板卷是否拖期以及拖期带来的费用。约束(10)使板卷之间的厚度跳跃在计划规程的允许范围内，约束(11)是板卷之间的宽度跳跃不超过最大允许的跳跃范围。约束(12)保证退火温度的跳跃符合计划规程。约束(13)使作业方案的总重量在预设的上下限范围内。通过约束(14)(15)和(16)，保证连续生产的外板数不超过LO个。约束(17)限制了连续生产外板时，外板板卷宽度不能比其前行板卷更宽。约束(18)使的在作业方案内的所有外板都生产完之前，内板不能连续生产。

数学模型是否能最大限度的反应实际问题，板卷间的过渡费用c_ij的计算非常重要。板卷间的过渡费用应该为板卷间的厚度过渡费用，宽度过渡费用，退火温度过渡费用和锌层厚度过渡费用之和，即 $c_{\mathrm{ij}}=c_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{TK}}+c_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{WD}}+c_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{TPR}}+c_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{ZT}},$ 其中

(1)c_ij ^TK为板卷间厚度跳跃的过渡费用

其中w₁ ^TK为板卷从厚宽过渡到薄时的单位跳跃惩罚系数，w₂ ^TK为板卷从薄过渡到厚时的单位跳跃惩罚系数。

(2)c_ij ^WD为板卷间宽度跳跃的过渡费用

其中w^WD为板卷之间宽度的单位跳跃惩罚系数。

(3)c_ij ^TPR为板卷间退火温度跳跃的过渡费用

其中w_TPR为板卷之间退火温度的单位跳跃惩罚系数。

(4)c_ij ^ZT为板卷i和j之间后锌层厚度变化是产生的费用。

2.问题求解模块

在问题求解模块分为两个阶段。第一个阶段是产生初始作业方案，第二个阶段是利用禁忌搜索和变深度搜索的框架改进初始作业方案。

1)产生初始作业方案

首先定义求解过程中用到的符号。内板板卷集合S_N，外板板卷集合S_W。Plan_W为表示外板板卷的作业方案的一个队列。Plan_N为表示内板板卷的作业方案的队列。Plan为表示所有板卷的作业方案的队列。

初始化

步骤一：将内板作业方案Plan_N，外板作业方案Plan_W和作业方案Plan都设为空队列。将所有外板板卷按宽度从宽到窄排列

步骤二：从S_W中选择宽度最大的外板i，将i加入到Plan_w队尾，令S_W＝S_W\{i}。重复步

骤二，直到S_W＝Φ或者继续加入板卷会使计划重量大于预设的上限重量Q^Max。向外板作业方案内插入内板，使得计划满足连续生产外板数不超过LO个

步骤三：循环Plan_W，当出现连续生产的外板超过LO个，或者外板之间的跳跃不符合规程时，记录此位置为P。从S_N中以最小插入费用选择板卷i，将i插入到Plan_W队列中P板卷后，令S_N＝S_N\{i}。此步骤的作用是使外板计划部分满足连续生产外板数量不超过LO个，以及跳跃约束。

按最近邻方式产生内板作业方案，最近邻方式就是每次都在未计划的板卷中挑选和已有作业方案中最后一个板卷过渡费用最小的板卷将在队列中做为新的最后板卷

步骤四：在S_N中找到板卷i，使得板卷i与Plan_W队尾的板卷的过渡费用最小。将板卷i加入到Plan_N中，并固定此板卷为Plan_N的队头。S_N＝S_N\{i}。

步骤五：找到板卷i∈S_N和Plan_N中的板卷j，使得将板卷i插入到板卷j后增加的过渡费用比S_N中任何其他板卷插入到Plan_N中任何其他位置产生的过渡费用都小。将板卷i插入到Plan_N中板卷j后面，并S_N＝S_N\{i}。重复步骤五，直到S_N＝Φ，继续插入的板卷会产生不可行的作业方案或者继续加入板卷会使计划重量大于预设的上限重量Q^Max。

将外板作业方案和内板作业方案连接起来构成初始作业方案

步骤六：将Plan_W，Plan_N中板卷按顺序加入到Plan中即得到初始的热镀锌机组作业方案。

如图1所示。

2)改进初始作业方案

在改进阶段，我们采用变深度邻域搜索和禁忌搜索结合的框架，嵌入我们根据实际问题设计的四种邻域重定位(Relocation)邻域，交换(Swap)邻域，插入邻域(Insertion)和删除邻域(Deletion)。邻域搜索是根据上述四种操作对当前解进行移动，并找到一系列新解，在这一系列新解当中选择更符合目标函数要求的解做为下一次迭代的出发点。邻域搜索的目的是逐步改进当前解以最终达到改进作业方案的目的。所述的重定位邻域将初始作业方案中的板卷移动至新的位置，所述的交换邻域对初始作业方案中的板卷进行交换，所述的插入邻域是将计划外的板卷插入到初始作业方案中，所述的删除邻域是将板卷从初始作业方案中删除。邻域是指由从当前基解出发，根据特定的操作，找出的新解的集合。这样，根据已知给定的一个解，结合以上四种操作，就可以得到对应的四种邻域了。因为我们的作业方案生成方法采用了禁忌搜索的思想，所以产生邻域的移动分为禁忌和非禁忌两种。一个移动被视为禁忌的，当这次移动的逆向移动在最近TL次迭代中被执行过，例如在图2中，板卷2在板卷1后面，在重定位移动中被放在板卷7后面，如果在一次迭代当中当这个移动被执行，那么他的逆向移动就是将板卷2重定位至板卷1后面，因此在此后的TL次迭代过程内，将板卷2移动至板卷1后面的移动被视为是禁忌的；反之，称其为非禁忌的。一个禁忌的移动所产生的新解不能被放入邻域集合中，除非这个新解的目标函数值优于历史最优值。

四种邻域如图2，3，4，5所示。

根据本问题的特征，我们总结出一下两个判定条件，用来在邻域搜索过程中减小无为的尝试，以提高改进过程的效率。

(1)在进行插入操作时，如果被移动的板卷是一个外板，它只能被插入到宽度大于或等于它的宽度的板卷后面；如果它紧后生产的板卷是外板的话，则其的宽度必须小于或等于插入板卷的宽度；新插入板卷距离其他外板板卷的最近距离不能大于2。

(2)另外，在进行搜索时，当板卷位置发生移动后，都要检查改变位置的板卷，是否能和其相邻的板卷相兼容，即两个板卷之间的过渡是否满足宽度、厚度、锌层厚度和退火温度这些约束。如果任意一条约束不被满足，那么这个操作属于非法操作，也不能被放入邻域中。

判定条件(1)的理由是，任何外板不能比任一其先行板卷更宽，且外板只能和其他外板连续生产或至多相隔一个内板。判定条件(2)是根据问题描述中的约束部分，对相邻生产板卷在宽度、厚度、退火温度和锌层厚度上的约束制定的，即跳跃约束。根据以上的这些判定条件，我们可以得到一个高效率的邻域。有了这样的邻域，结合先进的变深度邻域搜索和禁忌搜索框架，可以得到优异的改进算法。下面介绍变深度搜索和禁忌搜索结合的算法结构。

为了将算法的结构说明得清楚，我们先介绍一些符号。最大循环次数为MaxIter，当前循环次数Iter，变深度邻域构造的最大层数MaxLvl，初始作业方案S，最优解S^*，当前循环层数为Lvl，在每个深度上解的集合S⁽¹⁾，S⁽²⁾，...S^(MaxLvl)，每个集合的大小为N₁，以及解集合中每个解产生新解的个数N₂，候选解集合S^pool。

初始化

步骤一：初始化。令Iter＝0，Lvl＝0。令S^pool＝Φ，S⁽¹⁾＝S⁽²⁾＝...＝S^(MaxLvl)＝Φ，S⁽⁰⁾＝{S}。对S^(lvl)中的每个作业方案都进行邻域搜索，并找到N₁个新的作业方案。集合S^(lvl)中共有N₂个作业方案，所以共找到N₁*N₂个新的作业方案。从这N₁*N₂个新的作业方案中找出N₂个最好的作业方案放入到集合S^(lvl+1)中做为下一个深度搜索的出发点

步骤二：循环S^(lvl)中的解，对每个解都在Relocation邻域和Swap邻域中找到最好的N₁/3个移动，在Insertion邻域和Deletion邻域中各找到最好N₁/6个移动，并找到对应这些移动的新解。在进行邻域搜索时，不满足判定条件(1)和(2)，将所有产生的N₁*N₂个(当Lvl＝0时，新解的个数为N₁个)解放入S^pool中，从中选出N₂个最好的解放入集合S^(lvl+1)。

如果当前深度还没有达到预设的最大深度，那么重复上一个步骤，进行下一深度的搜索；否则从集合S⁽¹⁾，S⁽²⁾，...S^(MaxLvl)的并集中找到最好的作业方案，并将此作业方案做为下一次迭代搜索的出发点。为了防止搜索过程在局部最优处震荡，我们将一次迭代的出发点和这次迭代搜索到的最佳作业方案之间的所有移动加入到禁忌表当中。

步骤三：令S^pool＝Φ，lvl＝lvl+1。如果lvl＜MaxLvl，转步骤二，进行下一深度的搜索；否则转步骤四，进行下一次迭代。

步骤四：从S⁽¹⁾，S⁽²⁾，...S^(MaxLvl)中找出最好解S′。将从S到S′的每次移动加入到禁忌表当中，避免在后面的邻域搜索中重复搜索。更新禁忌表。令S＝S′，S⁽⁰⁾＝{S}，

S⁽¹⁾＝S⁽²⁾＝…＝S^(MaxLvl)＝Φ，lvl＝0，Iter＝Iter+1。若S的目标函数值优于S^*的目标函数，则令S^*＝S。如果Iter＜MaxIter，转步骤二开始下一次迭代搜索。否则结束改进初始作业方案方法，S^*即为改进后得到的改进作业方案。

变深度搜索树如图6所示。

改进算法流程图如图7所示。问题求解模块总体流程图如图8所示。

3)作业方案系统模块

为了方便使用者更方便快捷的使用前述的作业方案产生办法，我们提供了一个包含图形界面和可以通过拖拽来编辑作业方案的系统。该系统以Windows为支撑平台，开发环境为Visual c++6.0，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操作。本发明从软件产品实现的各功能的角度考虑把系统分成多个模块，每个模块保持一定的功能独立，在协同工作时，通过相互之间的接口完成实际任务。当系统的外界软、硬件的环境发生变化或者用户的需求有所更改时，并不需要对所有的组件进行修改，而仅对受影响的组件进行必要的修改，然后重新组合便可适应新的环境。该系统的功能模块包括：授权用户登录模块、数据下载和管理模块、作业方案自动生成模块、作业方案显示与编辑模块、生产计划结果检查与评价模块、生产计划结果上传模块、系统配置模块，并将问题实例化模块和问题求解模块嵌于作业方案自动生成模块当中。各模块功能如下：

1)授权用户登录模块

检验用户是否为系统的合法用户，并且根据用户的类别为用户提供相应的权限。

2)数据下载和管理模块

用户触发下载数据命令，系统根据预设的ip地址自动从数据服务器上下载包括板卷信息的数据文件。所下载的字段包括：板卷号、合同号、板卷厚度、板卷宽度、板卷重量、退火温度、锌层厚度、出钢记号、交货期、按周交货标志、镀层种类、检验基准、后处理方式和粗糙度。根据需求，对从服务器上下载的数据进行增加、删除和修改的操作，并支持数据查询与统计功能。

3)作业方案自动生成模块

此模块中包含了问题描述模块---数学模型和问题求解模块。用数据和参数将数学模型实例化后，用问题求解模块来计算此实例，从而得到作业方案。首先用户在这一模块中输入动态参数，比如作业方案中板卷重量的上下限，作业方案中板卷的类型等等。然后系统将这些动态参数参数与系统静态参数一并传递给作业方案生成方法。系统静态参数包括预先设置好的技术规程，比如最大宽度跳跃等；还包括最大迭代次数等与方法相关的参数。在系统将数据也传递给作业方案生成方法之后，根据所得到的数据，按照在问题描述模块中各个符号的定义，问题描述模块中的抽象的问题，变成了一个具体的实例。此实例被传递给问题求解模块，在问题求解模块当中，根据预设步骤产生初始作业方案-＞改进初始作业方案，最终得到一个优化的热镀锌板卷生产方案。模块流程图如图9。图8为图9中启动问题求解模块步骤的详细流程图。

4)作业方案的显示与编辑模块

在这个模块中，作业方案以图形的方式被显示出来，如图10。在此模块中，用户可以通过鼠标拖拽的方式修改编辑作业方案，以使作业方案进一步的满足使用者的需求。

5)作业方案的检查和评价模块

在这个模块中，系统对每一次作业方案的变化进行违规检查，判断是否有违规出现。若存在违规现象，系统会自动提示使用者，并要求使用者更正违规。若没有违规出现，这模块会给出对当前作业方案的评价，评价的指标包括当前作业方案在宽度、厚度、锌层厚度、退火温度上的变化量，拖期板卷个数以及惩罚和作业方案的规模。模块流程图如图11。

6)生产计划结果上传模块

作业方案被产生并确认无违规后，系统把作业方案然后通过FTP协议上传到数据服务器。

7)系统配置模块

系统配置模块为一个独立的模块，用来对系统的参数配置进行设定。使用者可以对系统进行配置，包括配置静态参数和服务器参数。计算参数主要包括：板卷之间的最大跳跃值，机组的产能、各项跳跃的惩罚系数、目标函数权重；服务器配置主要是服务器的地址、端口、用户名和密码。系统总体流程如图12。

本发明由于采用了上述的技术方案，具有以下的优点和积极效果：

与钢铁企业现有的作业方案产生相比。目前全世界几乎所有热镀锌机组的作业方案都是有计划人员手工编排的。本发明通过将运筹学与智能优化方法结合，使企业能够利用计算机自动产生热镀锌机组的作业方案，并且极大的提高了作业方案的质量和缩短了产生作业方案的方法，通过在企业实际生产中的测试，优于有丰富工作经验的计划人员进行的调整。本发明由于性能稳定，可以提高热镀锌机组的生产效率和稳定性。

附图说明

图1初始解产生流程图，

图2重定位邻域示意图，

图3交换邻域示意图，

图4插入邻域邻域示意图，

图5删除邻域示意图，

图6变深度搜索树示意图，

图7变深度邻域搜索-禁忌搜索流程图，

图8问题求解模块总体流程图，

图9作业方案自动生成流程图，

图10作业方案的显示与编辑模块，

图11检查和评价模块流程图，

图12系统总体流程图，

图13变深度邻域搜-禁忌搜索案例示意图。

具体实施方式

下面我们给出一个具体的实施案例。首先我们给出案例中用到的数据和参数。此案例的所用到的数据是一个经过简化的版本，是从某大型钢铁企业的实际生产数据中随机抽取产生的。实际生产中数据的规模要比此案例大。在案例中，待生产的板卷有20个，全部为高强钢。其中外板8个，分别以1，2，…，8索引，内板12个，分别以9，10，…，20索引。热镀锌生产机组我们以某大型钢铁企业的技术规程为例，如表1。作业方案生成过程中用到的静态参数如表2。表2中的目标函数权重和过渡费用惩罚系数的确定又该大型钢铁企业的资深的计划员根据经验给出，作业方案产生方法的参数根据我们的经验和国际上相关研究常用的参数确定。         表1技术规程

规程项目	规程数值
		厚度从厚到薄跳跃	0.20mm
厚度从薄到厚跳跃	0.15mm
		宽度跳跃范围	200mm
退火温度跳跃范围	20℃

表2静态参数表

步骤1以系统管理员(最高级别权限)帐号sa登录，在登录界面中设置数据服务器名为server，设数据库名为Galvanization。

步骤2点击数据下载按钮，触发数据服务器上的数据收集程序，该数据收集程序通过生产车间的PLC等设备得到目前热镀锌机组前库的板卷信息，并生成数据文件data.dat。系统通过FTP方式访问数据服务器，下载该数据文件到本地硬盘，读取并解析该文件，同时将其中包含的板卷数据写入到本地数据库中。在数据管理过程中，我们修改索引为13的板卷的宽厚、厚度等属性，将索引为17的板卷从系统中删除，并且新增加一个属性与原13板卷相同的板卷，仍以17索引它。

步骤3静态参数配置。点击参数配置按钮，启动参数配置模块。在这个模块中，我们可以修改技术规程中的参数，如厚度从薄到厚跳跃最大为15mm等，以及作业方案产生算法中的最大迭代次数。由于系统在此之前已经配置好，我们在这里不对静态参数做任何修改。步骤4点击作业方案生成按钮，启动作业方案自动生成模块。首先用户在这一模块中输入动态参数。原始数据中，20个板卷的总重量是404吨，我们设定新作业方案的重量的上下限为，下限280吨，上限350吨，作业方案类型为高强钢。系统以板卷的数据，手动输入的上下限参数和系统预设的静态参数对作业方案生成方法进行初始化，并启动作业方案生成方法。作业方案生成方法分为两个部分，首先是产生初始作业方案。

步骤4.1产生初始作业方案。外板板卷集合S_W＝{1，2，…，8}，内板板卷集合S_N＝{9，10，…，20}。Plan_w为表示外板板卷的作业方案的一个队列。Plan_n为表示内板板卷的作业方案的队列。Plan为表示所有板卷的作业方案的队列。

步骤4.1.1令Plan_w＝Φ，Plan_n＝Φ，Plan＝Φ。

步骤4.1.2从S_W中选择宽度最大的外板8，将8加入到Plan_w队尾，令S_W＝S_W\{i}。重复步骤4.1.2，直到S_W＝Φ。此步骤的目的是将所有外板板卷按宽度从宽到窄排列。

当步骤4.1.2第一次被执行时，Plan_w＝8，S_W＝{1，2，…，7}；第二次被执行时，Plan_w＝8，1，S_W＝{2，3，…，7}；直到S_W＝Φ时，Plan_w＝8，1，4，5，6，3，2，7。

步骤4.1.3循环Plan_w，在外板1和4之间，板卷间的宽度跳跃达到了300mm，这是不符合计划规程的，此时从S_N中以最小插入费用选择板卷15，将板卷15插入到Plan_w队列中板卷1后。此时Plan_w＝8，1，15，4，5，6，3，2，7，S_N＝{9，…，14，16，…，20}。当循环到板卷3时，已经连续生产了4块外板，4，5，6，3，此时虽然板卷3和2之间的过渡满足规程，也要插入一块内板。从S_N中以最小插入费用选择板卷20插入到板卷3和2之间。此时Plan_w＝8，1，15，4，5，6，3，20，2，7，S_N＝{9，…，14，16，…，19}。

步骤4.1.4在S_N中找到板卷11，使得板卷11与Plan_w队尾的板卷7的过渡费用最小。将板卷11加入到Plan_n中，并固定此板卷为Plan_n的队头，S_N＝S_N\{i}。此时Plan_n＝11，S_N＝{9，10，12，13，14，16，17，18，19}。

步骤4.1.5以最小插入费用方式规则，依次将S_N中的板卷逐一插入到Plan_n中。当Plan_n＝11，13，14，16，9，19，17时，作业方案内的重量达到369吨，继续加入板卷作业方案的重量会超过预设的上限380吨，所以进行下一步。

步骤4.1.6将Plan_w，Plan_n中板卷按顺序加入到Plan中即得到初始的热镀锌机组作业方案Plan＝8，1，15，4，5，6，3，20，2，7，11，13，14，16，9，19，17，剩余板卷被加入到集合L中，L＝{18，12，10}。

步骤4.2改进初始作业方案。初始作业方案S为Plan＝8，1，15，4，5，6，3，20，2，7，11，13，14，16，9，19，17，未选板卷L＝{18，12，10}。产生初始作业方案后开始改进作业方案。

步骤4.2.1令Iter＝0，Lvl＝0。令S^pool＝Φ，S⁽¹⁾＝S⁽²⁾＝...＝S^(MaxLvl)＝Φ，S⁽⁰⁾＝{S}。

步骤4.2.2循环S^(lvl)中的解，对每个解都在Relocation邻域和Swap邻域中找到最好的N₁/3个移动，在Insertion邻域和Deletion邻域中各找到N₁/6各移动，并找到对应这些移动的新解。将所有产生的N₁*N₂个解放入S^pool中，从中选出N₂个最好的解放入集合S^(lvl+1)。

步骤4.2.3令S^pool＝Φ，lvl＝lvl+1。如果lvl＜MaxLvl，转步骤二，进行下一深度的搜索；否则转步骤四，进行下一次迭代。

步骤4.2.4从S⁽¹⁾，S⁽²⁾，..S^(MaxLvl)中找出最好解S′。将从S到S′的每次移动加入到禁忌表当中，避免在后面的邻域搜索中重复搜索。令S＝S′，S⁽⁰⁾＝{S}，S⁽¹⁾＝S⁽²⁾＝...＝S^(MaxLvl)＝Φ，lvl＝0，Iter＝Iter+1。若S的目标函数值优于S^*的目标函数，则令S⁸＝S。如果Iter＜MaxIter，转步骤二开始下一次迭代搜索。否则结束改进初始作业方案方法，S^*即为改进后得到的改进作业方案。比如从S⁽⁰⁾到S^(10)*经过了10次移动，分别是(1)交换6和2；(2)将14移动至17后；(3)将9删除掉；(4)将12插入到11后面；(5)交换15和13；(6)将15和20交换；(7)将17移动至20后面以及(8)(9)(10)等移动。如图13所示当完成搜索后，在S⁽¹⁾，S⁽²⁾，...，S⁽¹⁰⁾集合中，最好的解为S^(7)*，则我们将移动(1)到移动(7)分别加入到对应的禁忌表中，移动中涉及的板卷加入到板卷禁忌表中。在下次迭代过程中，如果被探测的移动在禁忌表当中，那么这个移动是禁忌的，除非它能改进历史最优值。

步骤5当作业方案产生以后，启动作业方案显示和编辑模块。作业方案通过图形的方式显示出来。此时，我们可以通过鼠标拖拽的方式修改编辑作业方案，以使作业方案进一步的满足我们的需求。这里我们将板卷7拖拽到板卷5后面。

步骤6当作业方案被改变时，检查和评价模块将被启动。模块中的检查功能发现在从板卷7到板卷2过渡时，发生了外板作业宽度反跳违规，检查功能给出违规提示，要求我们将这个违规改正。当我们重新将板卷拖拽到板卷1的后面时，检查功能发现作业方案没有违规发生，属于可行的作业方案，于是启动检查与评价模块中评价功能，弹出一个对话框并给出作业方案的各个指标。比如宽度总跳跃为117mm，厚度从厚到薄总跳跃为0.78mm，从薄到厚的总跳跃为0.31mm等。

步骤7我们对新产生的作业方案很满意，于是打算将此作业方案下发到机组，使机组按作业方案中的顺序生产板卷。我们点击计划上传按钮，系统将作业方案写入到结果文件ret.dat中，通过FTP方式将结果文件上传的数据服务器上，触发服务器的方案下发程序。服务器将我们的系统上传的ret.dat文件解析后，通过以太网将作业方案下达到热镀锌机组的PLC等设备中。热镀锌机组的吊机将会按照作业方案中的顺序依次将板卷放置在开卷机上生产。

Claims (7)

1、一种冷轧热镀锌机组板卷自动调度方法，其特征在于满足生产约束条件下，建立了以最小化生产成本为目标的数学模型，调度方法包括以下步骤：

(1)将所有外板板卷按宽度从宽到窄排列，形成初始外板作业方案；

(2)向初始外板作业方案内插入内板，使得外板作业方案满足连续生产外板数量不超过上限个数，以及各跳跃约束，包括板卷间厚度跳跃约束、板卷间宽度跳跃约束和退火温度跳跃约束，形成外板作业方案；

(3)在外板作业方案后按最近邻方式产生内板作业方案，最近邻方式就是每次都在未计划的板卷中挑选和已有作业方案中最后一个板卷过渡费用最小的板卷在队列中作为新的最后板卷；

(4)将外板作业方案和内板作业方案连接起来构成初始作业方案；

(5)作业方案的调整和优化，满足判定条件1和判定条件2下，采用变深度邻域搜索和禁忌搜索结合的框架，嵌入四种邻域，重定位邻域，交换邻域，插入邻域和删除邻域，对初始作业方案改进，使得模型的目标值最小；

(6)将交换及调整后的作业方案下发执行。

2、按照权利要求1所述一种冷轧热镀锌机组板卷自动调度方法，其特征在于所述的数学模型

$\min {\mathrm{\λ}}_1\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ij}}{x}_{\mathrm{ij}}+{\mathrm{\λ}}_2\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{D}_i{y}_i---\left(1\right)$

其中：

N为待调度的板卷集合，N＝{0，1，2，...n}，其中0为一个虚拟板卷，表示作业方案的开始和结束，D_i为板卷的拖期惩罚，λ₁，λ₂为目标之间的权重，λ₁+λ₂＝1；

C_ij为板卷i和板卷j之间的过渡费用；

所述的约束条件是：

$\underset{j\∈N\backslash \left\{i\right\}}{\mathrm{\Σ}}{x}_{\mathrm{ij}}=\underset{k\∈N\backslash \left\{i\right\}}{\mathrm{\Σ}}{x}_{\mathrm{ik}}=y_i,\∀i\∈N---\left(2\right)$

y₀＝1      (3)

$\underset{j\∈N\backslash i}{\mathrm{\Σ}}{x}_{\mathrm{ij}}\≤1,\∀i\∈N\backslash \left\{0\right\}---\left(4\right)$

$\underset{i\∈N\backslash j}{\mathrm{\Σ}}{x}_{\mathrm{ij}}\≤1,\∀j\∈N\backslash \left\{0\right\}---\left(5\right)$

$\underset{i,j\∈S}{\mathrm{\Σ}}{x}_{\mathrm{ij}}\≤\left|Q\right|-1,\∀Q\⊆N\backslash \left\{0\right\},2\≤\left|Q\right|---\left(6\right)$

式(1)为目标函数，其中的第一个分量表示计划内板卷过渡费用之和，第二个分量表示计划内所有板卷的拖期费用之和，约束(2)将决策变量x和y联系起来，约束(3)表示虚拟板卷0必须被排入调度，而约束(4)和(5)保证一个板卷不能被调度超过一次，约束(6)的作用是消除子环的存在。

3、按照权利要求1所述的一种冷轧热镀锌机组板卷自动调度方法，其特征在于所述的生产约束条件，包括(1)板卷间跳跃约束；(2)连续生产外板个数不能超过指定数量；(3)任意外板不能比其前行板卷宽；(4)外板作业方案中内板不能连续生产；板卷间跳跃约束包括板卷间厚度跳跃约束、板卷间宽度跳跃约束和退火温度跳跃约束，其中板卷间厚度跳跃约束是， $-L_2^{\mathrm{TK}}\≤x_{\mathrm{ij}}({\mathrm{tk}}_i-{\mathrm{tk}}_j)\≤L_1^{\mathrm{TK}};$ 板卷间宽度跳跃约束是，-L^WD≤x_ij(wd_i-wd_j)≤L^WD；

退火温度跳跃约束是，-L^TPR≤x_ij(tpr_i-tpr_j)≤L^TPR；式中：L₁ ^TK为相邻板卷从厚过渡到薄时候允许的最大变化量，L₂ ^TK为相邻板卷从薄过渡到厚时候允许的最大变化量，L^WD为相邻板卷在宽度上的最大允许变化量，L^TPR为相邻板卷在退火温度上的最大允许变化量，wd_i为板卷i的宽度，tpr_i为板卷i的退火温度，，tk_i为板卷i的厚度；以下三式共同构成了连续生产外板个数不能超过指定数量约束，o_j≤(1-P(i))+P(i)(o_i+1)+(1-x_ij)M，o_j≥(1-P(i))+P(i)(o_i+1)-(1-x_ij)M和o_j≤LO；式中j∈O，M为一个充分大的正整数，P(i)为外板判断标志，当板卷i为外板时，P(i)＝1，L0为指定的最大连续生产外板的数量，以下二式分别表达了约束(3)和约束(4)：wd_j≤wd_i+(1-x_ij)M，x_ij＜x_jk`+(1-x_jk)M。

4、按照权利要求1所述的一种冷轧热镀锌机组板卷自动调度方法，其特征在于步骤(3)中所述的过渡费用，包括板卷间的厚度过渡费用，板卷间的宽度过渡费用，退火温度过渡费用和锌层厚度过渡费用之和，即 $c_{\mathrm{ij}}=c_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{TK}}+c_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{WD}}+c_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{TPR}}+c_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{PT}},$ 其中

(1)c_ij ^TK为板卷间厚度跳跃的过渡费用

其中W₁ ^TK为板卷从厚宽过渡到薄时的单位跳跃惩罚系数，W₂ ^TK为板卷从薄过渡到厚时的单位跳跃惩罚系数；

(2)c_ij ^WD为板卷间宽度跳跃的过渡费用

其中w^WD为板卷之间宽度的单位跳跃惩罚系数；

(3)c_ij ^TPR为板卷间退火温度跳跃的过渡费用

其中w^TPR为板卷之间退火温度的单位跳跃惩罚系数；

(4)c_ij ^ZT为板卷i和j之间锌层厚度变化是产生的费用中。

5、按照权利要求1所述的一种冷轧热镀锌机组板卷自动调度方法，其特征在于步骤(5)中所述的判定条件1是：板卷插入操作时，如果被移动的板卷是一个外板，它只能被插入到宽度大于或等于它的宽度的板卷后面；如果它紧后生产的板卷是外板的话，则其宽度必须小于或等于插入板卷的宽度；新插入的外板板卷必须同其他外板板卷紧邻或者只间隔一个内板板卷；所述的判定条件2是：两个板卷之间的过渡是否满足宽度、厚度、锌层厚度和退火温度这些约束。

6、按照权利要求1所述的一种冷轧热镀锌机组板卷自动调度方法，其特征在于步骤(5)中所述的板坯交换及调整，嵌入四种邻域，对初始作业方案改进，使得数学模型的目标值最小；所述的重定位邻域将初始作业方案中的板卷移动至新的位置，所述的交换邻域对初始作业方案中的板卷进行交换，所述的插入邻域是将计划外的板卷插入到初始作业方案中，所述的删除邻域是将板卷从初始作业方案中删除。

7、一种如权利要求1所述的一种冷轧热镀锌机组板卷自动调度方法采用的系统，其特征在于包括：授权用户登录模块、数据下载和管理模块、作业方案自动生成模块、作业方案显示与编辑模块、生产计划结果检查与评价模块、生产计划结果上传模块、系统配置模块，并

将问题实例化模块和问题求解模块嵌于作业方案自动生成模块当中，

1)授权用户登录模块

检验用户是否为系统的合法用户，并且根据用户的类别为用户提供相应的权限；

2)数据下载和管理模块

用户触发下载数据命令，系统根据预设的ip地址自动从数据服务器上下载包括板卷信息的数据文件，所下载的字段包括：板卷号、合同号、板卷厚度、板卷宽度、板卷重量、退火温度、锌层厚度、出钢记号、交货期、按周交货标志、镀层种类、检验基准、后处理方式和粗糙度，根据需求，对从服务器上下载的数据进行增加、删除和修改的操作，并支持数据查询与统计功能；

3)作业方案自动生成模块

该模块包括数学模型和问题求解模块，将调度方法执行，用数据和参数将数学模型实例化后，用问题求解模块来计算此实例，从而得到作业方案模块中；

4)作业方案的显示与编辑模块

作业方案以图形的方式被显示出来，用户可以通过鼠标拖拽的方式修改编辑作业方案，以使作业方案进一步的满足使用者的需求；

5)作业方案的检查和评价模块

系统对每一次作业方案的变化进行违规检查，判断是否有违规出现，若存在违规现象，系统会自动提示使用者，并要求使用者更正违规，若没有违规出现，这模块会给出对当前作业方案的评价，评价的指标包括当前作业方案在宽度、厚度、锌层厚度、退火温度上的变化量，拖期板卷个数以及惩罚和作业方案的规模；

6)生产计划结果上传模块

作业方案被产生并确认无违规后，系统把作业方案然后通过FTP协议上传到数据服务器；

7)系统配置模块

系统配置模块为一个独立的模块，用来对系统的参数配置进行设定，包括配置静态参数和服务器参数，计算参数包括：板卷之间的最大跳跃值，机组的产能、各项跳跃的惩罚系数、目标函数权重；服务器配置主要是服务器的地址、端口、用户名和密码。

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