本發明屬于板帶熱軋技術領域，尤其涉及一種板帶熱軋工業過程優化控制方法。
背景技術：
煉鋼、連鑄、熱軋是鋼鐵產品生產流程中三大主要工序。隨著信息化時代的到來，鋼鐵企業為提高企業的市場競爭力和服務水平，都采用了信息化系統來對生產經營過程進行管理，提高熱軋批量計劃編制水平是企業提高生產效率和服務水平的關鍵手段。軋制計劃是由生產部生產科根據總廠月度生產計劃、冷軋用料、熱軋合同、板坯(或假想板坯)、生產設備運轉情況，考慮到冷熱連物料平衡等因素，依據軋制計劃編制規程，在ms計算機上編制，然后傳送到熱軋fls計算機來進行生產的。軋制計劃與熱軋產品的質量、產量有密切的關系。熱軋帶鋼是成卷的鋼板，可直接作為成品出售，也可進行深加工，形成優質冷軋帶鋼。熱軋帶鋼所用的原料主要是初軋板坯和連鑄板坯，對板坯進行表面處理后，用步進式連續加熱爐進行加熱，用粗軋機進行軋制，由粗軋機軋制出的帶鋼坯，運到精軋機進行精制，軋后冷卻、卷取和精整。對于精軋工序，精軋機組一般由6～7個機架組成連軋，每一個機架上的工作輥和支撐輥，由于高溫高速軋制、軋輥磨損很大，需要更換，以保證帶鋼板形。更換前后兩個工作輥之間的軋制對象稱為軋制單位，對應一個軋制單元計劃。兩個支撐棍之間的軋制對象是由多個軋制單位組成，稱為軋制單位組，對應一個軋制批量計劃。在熱軋帶鋼中的軋制計劃簡稱為熱軋計劃。在整個系統實現中熱軋批量計劃優化一直是個比較困難的問題。
技術實現要素：
本發明實施例提供一種板帶熱軋工業過程優化控制方法，采用變鄰域搜索的方法對軋制批量計劃進行優化。
本發明的一種板帶熱軋工業過程優化控制方法，包括以下步驟：
步驟1：將訂單內屬性相同或相似的板坯分在一起形成待加工鋼卷組；
步驟2：根據計劃類型和同寬公里數兩個硬約束限制將不能分在同一軋制單元計劃內的鋼卷組分離出來建立新的軋制單元計劃，形成初始軋制計劃框架；
步驟3：根據工藝上的全部硬約束要求，將剩余的鋼卷組分配到各個軋制單元計劃中，分配原則是先向編號小的軋制單元計劃中分配鋼卷組，超出同寬公里數的鋼卷組進行分割處理后放入小編號軋制單元計劃中；
步驟4：刪除軋制規模小的軋制單元計劃，并將該軋制單元計劃拆散，將其中包含的鋼卷組放入后備鋼卷組集合內，以備后續步驟使用，剩余的多組初始軋制單元計劃構成初始軋制批量計劃；
步驟5：以初始的軋制批量計劃為解空間的起點，采用變鄰域搜索的方法求出局部最優的軋制批量計劃，更換鄰域的定義方式，拓展搜索范圍，求出下一個局部最優的軋制批量計劃，當所有鄰域搜索完成之后，所得到的軋制批量計劃即為所求近優解。
在本發明的板帶熱軋工業過程優化控制方法中，所述步驟1中的屬性包括：計劃類型、高溫標記、鋼種、軋制厚度、軋制寬度、硬度、出爐溫度、終軋溫度、卷曲溫度、區間最大塊數、區間最小塊數、區間最大米數、區間最小米數。
在本發明的板帶熱軋工業過程優化控制方法中，所述步驟2具體為：
步驟2.1：將計劃類型不相容的鋼卷組分離出來建立新的軋制單元計劃；
步驟2.2：如果放入新建的軋制單元計劃中的鋼卷組超過了同寬公里數的限制，則將鋼卷組進行分割后將滿足同寬公里數的部分放入新建的軋制單元計劃中，剩余部分放入預選池等待下一次分配。
在本發明的板帶熱軋工業過程優化控制方法中，所述步驟3中工藝上的硬約束要求包括：計劃類型、軋制位區間、高溫段段數、低溫卷塊數、寬度跳躍極限、厚度跳躍極限、硬度跳躍極限、出爐溫度跳躍極限、卷曲溫度跳躍極限、終軋溫度跳躍極限、同寬公里數、軋制單元計劃總數量。
在本發明的板帶熱軋工業過程優化控制方法中，所述步驟5中以kpi指標值為基準對新的局部最優的軋制批量計劃做出評價，如果新的局部最優的軋制批量計劃對應的kpi值高于上一被保留的軋制批量計劃對應的kpi值，則保留新的軋制批量計劃并刪除原有軋制批量計劃，反之保留原有軋制批量計劃并繼續進行搜索。
在本發明的板帶熱軋工業過程優化控制方法中，所述步驟5中的kpi指標包括：合同計劃兌現率、流向匹配率、平均軋制公里數、dhcr比率和熱裝比率。
在本發明的板帶熱軋工業過程優化控制方法中，所述步驟5具體包括：
步驟5.1：從已編制的軋制單元計劃向另一單元軋制單元計劃插入鋼卷組，如果該鋼卷組插入后kpi值增加，則進行插入，否則選取下一組鋼卷組進行插入；
步驟5.2：從后備鋼卷組集合向某個已編制的軋制單元計劃插入鋼卷組，如果該鋼卷組插入后kpi值增加，則進行插入，否則選取下一組鋼卷組進行插入；
步驟5.3：已編制的軋制單元計劃之間的鋼卷組互換，如果交換后kpi值增加，則進行交換，繼續選取互換鋼卷組進行交換；
步驟5.4：已編制的軋制單元計劃與后備鋼卷組集合中的鋼卷組互換，如果交換后kpi值增加，則進行交換，繼續選取互換鋼卷組進行交換；
步驟5.5：已編制的軋制單元計劃內的鋼卷組進行互換，如果交換后kpi值增加，則進行交換，繼續選取鋼卷進行交換；
步驟5.6：以鋼卷為單位定義鄰域，重復步驟5.1至5.5的搜索過程，搜索獲得近優的軋制批量計劃。
本發明涉及一種板帶熱軋工業過程優化控制方法，首先采用啟發式算法求解初始軋制批量計劃，再以初始的軋制批量計劃為解空間的起點，采用變鄰域搜索的方法求出局部最優的軋制批量計劃，更換鄰域的定義方式，拓展搜索范圍，求出下一個局部最優的軋制批量計劃，當所有鄰域搜索完成之后，所得到的軋制批量計劃即為所求近優解。可提高軋輥利用率，進而提高鋼卷的表面質量，從而減少生產成本。
附圖說明
圖1是本發明的一種板帶熱軋工業過程優化控制方法的流程圖；
圖2是本發明的優化控制方法中形成初始軋制計劃的流程圖；
圖3是本發明的優化控制方法完成各軋制單元計劃分配的流程圖；
圖4是本發明的優化控制方法中的鄰域結構圖；
圖5是本發明中從已編制的軋制單元計劃向另一軋制單元計劃插入鋼卷組的流程圖；
圖6是本發明中從后備鋼卷組集合向已編制的軋制單元計劃插入鋼卷組的流程圖；
圖7是本發明中已編制的軋制單元計劃之間進行鋼卷組互換的流程圖；
圖8是本發明中已編制的軋制單元計劃與后備鋼卷組集合進行鋼卷組互換的流程圖；
圖9是本發明中已編制的軋制單元計劃內進行鋼卷互換的流程圖。
具體實施方式
1.軋制計劃
軋制計劃是由生產部生產科根據總廠月度生產計劃、冷軋用料、熱軋合同、板坯(或假想板坯)、生產設備運轉情況，考慮到冷熱連物料平衡等因素，依據軋制計劃編制規程，在ms計算機上編制，然后傳送到熱軋fls計算機來進行生產的。軋制計劃與熱軋產品的質量、產量有密切的關系。
熱軋帶鋼是成卷的鋼板，可直接作為成品出售，也可進行深加工，形成優質冷軋帶鋼。熱軋帶鋼所用的原料主要是初軋板坯和連鑄坯，對板坯進行表面處理后，用步進式連續加熱爐進行加熱，用粗軋機進行軋制，由粗軋機軋制出的帶鋼坯，運到精軋機進行精制，軋后冷卻、卷取和精整。對于精軋工序，精軋機組一般由6～7個機架組成連軋，每一個機架上的工作輥和支撐輥，由于高溫高速軋制、軋輥磨損很大，需要更換，以保證帶鋼板形。更換前后兩個工作輥之間的軋制對象稱為軋制單位，對應一個軋制計劃。兩個支撐棍之間的軋制對象是由多個軋制單位組成，稱為軋制單位組。對應多個軋制計劃。在熱軋帶鋼中的軋制計劃簡稱為熱軋計劃(以下同)。
熱軋計劃是根據預選池中合同要求軋制的帶鋼寬度、厚度、硬度和交貨日期來確定多個軋制單元計劃的熱軋帶鋼合同組成及合同軋制順序，熱軋計劃的制定主要考慮三點因素：
①產品的質量；
②軋輥更換成本；
③軋輥的磨損。
軋輥更換一次的成本很高，所以為了降低更換成本，軋制單元的編排在小于給定的最大軋制長度約束下要盡可能大。
軋輥磨損是由軋件對軋輥產生的作用力形成的：
①正在被軋制的鋼材越硬，對軋輥影響越大，相鄰帶鋼硬度變化大，對軋輥影響越大；
②如果兩種相鄰軋制帶鋼的厚度相差太大，對軋輥的影響也就越大；
③帶鋼在軋制時，如果連續軋制具有相同寬度的帶鋼，就可能會在工作輥和帶鋼邊緣褂觸處形成凹痕。
2.熱軋軋制計劃編制規程
通常一個完整的軋制計劃(軋制單位)由燙輥材和主體材兩部分組成。在軋制計劃的初始軋制階段帶鋼的寬度遞增變化以便加熱軋輥，這稱為燙輥。燙輥材部分軋制完成之后，開始主體材部分的軋制，為了保證產品的質量，需要在編排軋制計劃的主體材時，保證每一塊要求軋制的帶鋼寬度不大于其前一個帶鋼的寬度。在熱送熱裝計劃編制時，允許一定數量的冷/熱板坯編制在一起，形成一個完整的軋制單位。
(1)主體材部分編制規程
①為確保熱軋產品質量和操作穩定，應將具有相同或相似厚度、硬度、表面要求的帶鋼編排在一起，帶鋼寬度跳躍由寬到窄變化。
②在寬度反彈時，前面的窄帶鋼計算長度必須小于某一值(燙輥材部分的窄帶鋼除外)，帶鋼寬度跳躍差小于約束要求；
③在相同寬度或同一寬度范圍內的編入的帶鋼計算長度必須小于帶鋼計算長度規定的計算長度；
④帶鋼厚度小于t1時，最多可以編排m塊帶鋼，但在過渡到t2后可以繼續編排m2塊小于t1的帶鋼。每種寬度組至少編排m塊帶鋼；
⑤對于厚度大于t3的帶鋼，同一規格最多可連軋m3塊帶鋼，對于厚度大于t4的帶鋼，同一規格最多可連軋n塊帶鋼；
⑥寬度、厚度、硬度不允許同時跳躍(如計劃編制困難，可以同時跳躍)。
(2)帶鋼厚度跳躍規程
①在每一種厚度范圍內允許的厚度跳躍量一定；
②在軋制特殊規程的帶鋼(有嚴格的平直度和/或公差規程)時，盡可能在其前先軋制帶鋼規格和鋼種相同的帶鋼；
③硬度組大于h1，并且用特殊規程軋制的帶鋼，以及硬度組大于h2的帶鋼要編排在一個軋制單位內。
(3)板坯厚度規程
原則上要求加熱爐內的板坯厚度盡可能的相同。在某規定爐米范圍內板坯的厚度差小于規定值。
(4)短坯編制規程
①短板坯連續編制的塊數為偶數，但在設備不適應雙排進料等特殊情況下，可以為奇數；
②雙排進料時的板坯的寬度差應小于規定值，單排進料時不受此限制。
(5)硬度組跳躍規程
相鄰兩種硬度組的跳躍差不超過規定值。
(6)終軋溫度、卷曲溫度規程
①終軋溫度跳躍值為t1℃，卷曲溫度最大跳躍值為t2℃；
②高溫卷連續編入計劃的帶鋼塊數小于規定值，如果同一個計劃中需要編入較多的高溫卷，則每隔規定卷數之間必須至少編入n塊非高溫卷。每個軋制單位中的高溫卷數不超過規定值。
(7)支撐輥更換后的計劃編制規程
當支撐輥更換后的軋制量小于某規定噸數時，允許編排厚度、寬度、硬度組在某范圍內，厚度跳躍差在規定范圍內的帶鋼。在支撐輥更換后軋制量大于某規定噸數后，不允許編排厚度值在某范圍內的帶鋼。
(8)其他規程
①加熱爐開動爐數對軋制規格和極限規格有一定限制；
②最小軋制單位的噸位數：熱裝時與冷裝時分別有相應的噸數要求；
③規程跳躍的優先級為：厚度、硬度、寬度、終軋溫度、卷曲溫度；
④對回爐、吊銷的板坯重新編排計劃，以及軋廢、改規后生產，緊急補料的帶鋼編排計劃時，經協商可適當放寬有關限制規程。
3.熱軋計劃問題描述
(1)優化目標
①合同計劃兌現率；
②流向匹配率；
③軋制公里率；
④dhcr比率；
⑤熱裝比率；
⑥計劃排程質量(軟約束)。
(2)約束條件
①軋制計劃類型的約束：鋼種、表面等級、最小公里數、最大公里數；
②軋制計劃類型(鋼種、硬度組、表面等級)；
③軋制計劃單元最大值、最小值。
根據上述問題描述本發明提供了一種板帶熱軋工業過程優化控制方法，包括以下步驟：
步驟1：將訂單內屬性相同或相似的板坯分在一起形成待加工鋼卷組；
在熱軋帶鋼的實際生產過程中，有許多訂單內板坯的屬性完全相同，這些屬性包括：計劃類型、高溫標記、鋼種、軋制厚度、軋制寬度、硬度、出爐溫度、終軋溫度、卷曲溫度、區間最大塊數、區間最小塊數、區間最大米數、區間最小米數等十三條。把這些屬性相同或相似的板坯放在一起集合成為一個大鋼卷組，會大大降低數數據處理量，節約大量資源和時間。
步驟2：形成初始軋制批量計劃，根據計劃類型和同寬公里數兩個硬約束限制將不能分在同一軋制單元計劃內的鋼卷組分離出來建立新的軋制單元計劃，形成初始軋制計劃框架；流程圖如圖2所示。
在生成軋制計劃的初始階段，先只考慮計劃類型不相容和同寬公里數兩個硬約束限制，因為這兩條硬約束要求直接可以將兩組將不能在同一個軋制單元計劃內的鋼卷組分離出來。具體操作方法為：在鋼卷組集合中，只去找計劃類型不相容的鋼卷組，一旦發現與現有不相容的現象，直接生成新的軋制單元計劃；如果發現準備放入的鋼卷組超過了同寬公里數的限制，那么先將待放入的鋼卷組按照同寬公里數規定進行切分后，將滿足同寬公里數極限部分的鋼卷組放入新生成的軋制單元計劃內。
步驟2具體為：
步驟2.1：將計劃類型不相容的鋼卷組分離出來建立新的軋制單元計劃；
步驟2.2：如果放入新建的軋制單元計劃中的鋼卷組超過了同寬公里數的限制，則將鋼卷組進行分割后將滿足同寬公里數的部分放入新建的軋制單元計劃中，剩余部分放入預選池等待下一次分配。
步驟3：完成各軋制單元計劃分配，根據工藝上的全部硬約束要求，將剩余的鋼卷組分配到各個軋制單元計劃中，分配原則是先向編號小的軋制單元計劃中分配鋼卷組，超出同寬公里數的鋼卷組進行分割處理后放入小編號軋制單元計劃中；流程圖如圖3所示。
初始軋制計劃框架構建完成后，需要將鋼卷組集合內剩余的鋼卷組分配至各個軋制單元計劃內以完成軋制批量計劃。具體操作原則為：首先為了使軋制計劃總數盡可能小，就要盡可能滿足編號小的軋制單元計劃，其次在分配的過程中要完全滿足工藝上的全部硬約束要求，如計劃類型、軋制位區間、高溫段段數、低溫卷塊數、寬度跳躍極限、厚度跳躍極限、硬度跳躍極限、出爐溫度跳躍極限、卷曲溫度跳躍極限、終軋溫度跳躍極限、同寬公里數、烏龜殼總長度等十二條工藝硬約束；最后，對于超過同寬公里數的鋼卷組，要先進行切割處理后再放入軋制單元計劃內。
步驟4：刪除軋制規模小的軋制單元計劃，并將該軋制單元計劃拆散，將其中的鋼卷組放入后備鋼卷組集合內，以備后續步驟使用，剩余的多組初始軋制單元計劃構成初始軋制批量計劃；
步驟5：以初始的軋制批量計劃為解空間的起點，采用變鄰域搜索的方法求出局部最優的軋制批量計劃，更換鄰域的定義方式，拓展搜索范圍，求出下一個局部最優的軋制批量計劃，當所有鄰域搜索完成之后，所得到的軋制批量計劃即為所求近優解。
鄰域結構集的構造。鄰域搜索的基本思想是在搜索過程中系統地改變鄰域結構集來拓展搜索范圍，獲得局部最優解，再基于此局部最優解重新系統地改變鄰域結構集拓展搜索范圍找到另一個局部最優解的過程。針對本發明的熱軋批量軋制計劃問題，建立了如圖4所示的鄰域結構。在搜索過程中，如何判斷這個新的可行解是要舍棄還是進行保留，我們想到以kpi指標值為基準對新可行解做出評價，如果新的可行解對應的kpi值高于上一被保留的可行解對應的kpi值，則保留新的可行解并刪除原有可行解，反之保留原有可行解并繼續進行搜索。具體地，以kpi指標值為基準對新的局部最優的軋制批量計劃做出評價，如果新的局部最優的軋制批量計劃對應的kpi值高于上一被保留的軋制批量計劃對應的kpi值，則保留新的軋制批量計劃并刪除原有軋制批量計劃，反之保留原有軋制批量計劃并繼續進行搜索。
kpi指標包括：合同計劃兌現率、流向匹配率、平均軋制公里數、dhcr比率和熱裝比率。其中每個kpi指標的計算公式如下表：
其中pi為kpi指標中各項的數值，wi為每項指標所對應的權重，在這里一共有5項指標，故n＝5。
步驟5具體包括：
步驟5.1：從已編制的軋制單元計劃向另一單元軋制單元計劃插入鋼卷組，如果該鋼卷組插入后kpi值增加，則進行插入，否則選取下一組鋼卷組進行插入；流程圖如圖5所示。
向一個軋制單元計劃中插入鋼卷組會使得該軋制單元計劃中的鋼卷組數量增加，軋制長度變大，提高了軋輥的利用率，并且如果某個較短的軋制單元計劃內的鋼卷組全部被插入到其他軋制單元計劃內，會使得軋制單元計劃的總數變小，從而減小企業的生產成本，提高生產效率。具體實施時，在兩個軋制單元計劃內分別生成了基準指針和游標指針，基準指針指向的是一個插入位置。隨著游標指針的移動，將游標指針指向的鋼卷組插入基準指針指向的位置，如果插入后kpi值增加，則進行插入，否則游標指針繼續向下移動。
步驟5.2：從后備鋼卷組集合向某個已編制的軋制單元計劃插入鋼卷組，如果該鋼卷組插入后kpi值增加，則進行插入，否則選取下一組鋼卷組進行插入；流程圖如圖6所示。
如果被插入的鋼卷組不是來自于某個已編制的軋制單元計劃，而是來自后備鋼卷組集合，這樣使得被排入軋制計劃的板坯數量增多，合同兌現率增加，從而使得kpi指標增加。具體實施時，兩個軋制單元計劃內分別生成了基準指針和游標指針，與步驟5.1中的鄰域不同的是這次游標指針只指向后備鋼卷組集合中的鋼卷組，隨著游標指針的移動，將游標指針指向的鋼卷組插入基準指針指向的位置，如果插入后kpi值增加，則進行插入，否則游標指針繼續向下移動。
步驟5.3：已編制的軋制單元計劃之間的鋼卷組互換，如果交換后kpi值增加，則進行交換，否則選取下一個互換鋼卷組進行交換；流程圖如圖7所示。
由于在生成初始軋制批量計劃的過程中，只要待分配鋼卷組group[hold]與待放入位置相鄰的鋼卷組group[next]發生沖突，我們就把這個待分配鋼卷組group[hold]拿到下一個軋制單元計劃進行比較并分配，如果所有軋制單元計劃都沒有符合要求的，那么我們將這個鋼卷組group[hold]放入新生成的軋制單元計劃內。但是，這樣就會忽略是否存在一個鋼卷組group[mid]放在鋼卷組group[hold]與鋼卷組group[next]中間，使得三者可以在同一個軋制單元計劃內共存的情況。在已編制的軋制單元計劃之間互換鋼卷組就可以尋找出這種情況的發生并加以改正。而被選中互換的鋼卷組正是上面所說的鋼卷組group[hold]。具體實施時，在兩個軋制單元計劃內生成了一個基準指針和一個游標指針，隨著游標指針的移動，交換兩個指針指向的鋼卷組，如果交換后kpi值增加，則進行交換，否則游標指針繼續向下移動。
步驟5.4：已編制的軋制單元計劃與后備鋼卷組集合中的鋼卷組互換，如果交換后kpi值增加，則進行交換，否則繼續選取下一個互換鋼卷組進行交換；流程圖如圖8所示。
與已編制的軋制單元計劃之間的鋼卷組互換一樣，也存在三者可以共存的情況，只是被選中的其中一個鋼卷組不在某個軋制單元計劃內，而是在后備鋼卷組集合中。與步驟5.3中的鄰域交換思想一樣，生成了一個基準指針和一個游標指針，隨著游標指針的移動，交換兩個指針指向的鋼卷組，如果交換后kpi值增加，則進行交換，否則游標指針繼續向下移動。
步驟5.5：已編制的軋制單元計劃內的鋼卷組進行互換，如果交換后kpi值增加，則進行交換，否則繼續選取下一個互換鋼卷組進行交換；流程圖如圖9所示。
在生成初始軋制批量計劃的過程中，我們只關注了寬度跳躍這一軟約束條件，而未關心硬度跳躍、厚度跳躍等其他軟約束。對軋制單元計劃內的鋼卷組進行互換可以找到即使寬度跳躍這個軟約束部分罰分增大，但是硬度、厚度等其他軟約束部分罰分減小，使得總體罰分變少，kpi指標值變大的情況。具體實施時，在一個軋制單元計劃中生成了一個基準指針和一個游標指針，隨著游標指針的移動，交換兩個指針指向的鋼卷組，如果交換后kpi值增加，則進行交換，否則游標指針繼續向下移動。
步驟5.6：以鋼卷為單位定義鄰域，重復步驟5.1至5.5的搜索過程，搜索獲得近優的軋制批量計劃。
前面著重介紹了以鋼卷組為單位定義的五種鄰域，但一次移動一組鋼卷，解的變化還是比較大的，只能起到“粗調”的作用。想要進一步對軋制計劃進行優化就要進一步細化變動單位，起到“微調”的作用。參照步驟5.1至步驟5.5所介紹的定義方案，我們對以鋼卷為單位的鄰域進行如下定義：
(1)交換
已編制的軋制單元計劃之間的鋼卷互換；已編制的軋制單元計劃與后備鋼卷組集合的鋼卷互換。
(2)插入
從已編制的軋制單元計劃向另一單元軋制計劃插入鋼卷；從后備鋼卷組集合向某個已編制的軋制單元計劃插入鋼卷。
依然還是沿用變換鋼卷組的方法，以kpi指標值增加作為動作標準，對解進行優化。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明的思想，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。