熱軋生產(chǎn)計劃混合智能編制方法研究.pdf

1、現(xiàn)代大型鋼鐵企業(yè)的熱軋生產(chǎn)過程是由多臺并行步進(jìn)式加熱爐和熱軋機組成。兩流連鑄機澆鑄的不下線高溫板坯或庫存板坯，首先在選定的加熱爐內(nèi)加熱，然后被加熱至規(guī)定溫度后出爐，并通過輥道被送至熱軋機經(jīng)粗軋、精軋和卷曲形成一定長度、寬度、厚度、硬度和表面質(zhì)量的熱軋卷（使用同一套精軋工作輥軋制的板坯稱為一個軋制單元）。
　　熱軋生產(chǎn)計劃編制問題中包含著軋制計劃編制和加熱爐裝爐計劃編制兩大問題，其中軋制計劃編制問題中包含著板坯選擇、直裝單一作業(yè)軋制

2、單元編制、非直裝單一作業(yè)軋制單元編制和非直裝混合作業(yè)軋制單元編制四個子問題。熱軋生產(chǎn)計劃編制首先從給定的大量板坯（包括庫存板坯和待生產(chǎn)板坯）中確定一定數(shù)量板坯作為進(jìn)行軋制單元編制的板坯（即板坯選擇），之后依次進(jìn)行直裝單一作業(yè)軋制單元編制、非直裝單一作業(yè)軋制單元編制和非直裝混合作業(yè)軋制單元編制，從而獲得一定數(shù)量的軋制單元，形成滿足日生產(chǎn)要求的軋制計劃;并進(jìn)而以軋制計劃為基礎(chǔ)，確定出軋制單元內(nèi)板坯的加熱設(shè)備以及加熱開始和結(jié)束時間，形成加熱爐

3、的生產(chǎn)作業(yè)時間表（稱為加熱爐裝爐計劃）。
　　板坯選擇的好壞直接關(guān)系到所形成軋制計劃的交貨期滿足情況，軋制單元編制的好壞會影響到軋輥生產(chǎn)成本、對熱軋下游生產(chǎn)的原料供應(yīng)、產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，而加熱爐裝爐計劃編制的好壞對加熱爐的生產(chǎn)能耗有著重要影響。由于“表面質(zhì)量”和“同鋼種主體材板坯連軋數(shù)量”約束描述存在著多種可能性，可以被表示為多個約束方程，導(dǎo)致難以采用已有的優(yōu)化方法來解決軋制計劃編制中的三種軋制單元編制問題，而“加熱設(shè)備同時加工

4、板坯數(shù)量”約束描述也存在著多種可能性，因此同樣難以采用已有的優(yōu)化方法來解決加熱爐裝爐計劃編制問題。現(xiàn)有研究文獻(xiàn)存在如下不足:①忽略下游生產(chǎn)對熱軋卷需求導(dǎo)致所研究的板坯選擇方法難以應(yīng)用于實際生產(chǎn)，②忽略兩流連鑄機與熱軋機一體化生產(chǎn)情況以及假定待生產(chǎn)板坯在連鑄機上澆鑄時的寬度已知導(dǎo)致所研究的直裝單一作業(yè)軋制單元編制方法難以應(yīng)用于實際生產(chǎn)，③忽略熱軋卷表面質(zhì)量要求以及假定板坯在軋制單元中的區(qū)域已知導(dǎo)致所研究的非直裝單一和混合作業(yè)軋制單元編制方

5、法難以應(yīng)用于實際生產(chǎn)，④忽略加熱爐爐容的限制導(dǎo)致所研究的加熱爐裝爐計劃編制方法難以應(yīng)用于實際生產(chǎn)。因此，目前鋼鐵企業(yè)的軋制計劃編制和加熱爐裝爐計劃編制只好采用人工編制的方式。人工編制軋制計劃效率低，而且人工形成軋制計劃的軋制單元平均長度偏小，軋制單元內(nèi)各流向板坯總重量常遠(yuǎn)離目標(biāo)量甚至不在規(guī)定范圍內(nèi)，造成生產(chǎn)成本增加、生產(chǎn)效率變低、熱軋下游因原料供應(yīng)問題而影響正常生產(chǎn);人工形成的加熱爐裝爐計劃易使一些板坯在加熱爐內(nèi)不必要加熱時間增加，造成

6、加熱爐加熱能耗變大。
　　本文以由3臺步進(jìn)式加熱爐與1臺熱軋機組成的國內(nèi)某大型鋼鐵企業(yè)熱軋生產(chǎn)線為背景，針對熱軋生產(chǎn)的軋制計劃編制問題和加熱爐裝爐計劃編制問題展開了研究，提出了基于啟發(fā)式的板坯選擇方法、基于蟻群和變鄰域搜索算法混合的直裝單一作業(yè)軋制單元編制方法、基于蟻群和模擬退火算法混合的非直裝單一作業(yè)軋制單元編制方法、基于變鄰域禁忌搜索的非直裝混合作業(yè)軋制單元編制方法以及基于蟻群優(yōu)化算法的加熱爐裝爐計劃編制方法。取得的具體成果如

7、下：
　　1.板坯選擇方法:在分析板坯選擇所需要考慮因素（重量、交貨期等）的基礎(chǔ)上，描述了板坯選擇問題的約束條件和目標(biāo)。針對板坯選擇問題難以精確建模，結(jié)合專家的知識，提出了基于啟發(fā)式的板坯選擇方法。
　　2.直裝單一作業(yè)軋制單元編制方法:以最小化同一軋制單元內(nèi)待生產(chǎn)板坯在連鑄機上澆鑄時兩流澆鑄時間差、最大化軋制單元平均長度、最大化軋制單元板坯優(yōu)先級總和、最小化同一軋制單元內(nèi)待生產(chǎn)板坯的軋制順序與澆鑄順序差異以及最小化軋制單元

8、內(nèi)相鄰軋制板坯間軋制寬度、軋制厚度、硬度、出爐溫度、精軋溫度和卷曲溫度跳躍量為目標(biāo)，以同一軋制單元內(nèi)待生產(chǎn)板坯的鋼級相同且總重量不超過依據(jù)鋼級規(guī)定的重量以及同一軋制單元內(nèi)任意主體材板坯與之前安排的主體材板坯軋制長度之和不超過該板坯表面質(zhì)量規(guī)定的長度值等為約束方程，以軋制單元所要軋制的板坯和軋制單元內(nèi)板坯的軋制順序以及軋制單元內(nèi)待生產(chǎn)板坯在連鑄機上澆鑄時的寬度、澆注流和順序為決策變量，建立了直裝單一作業(yè)軋制單元編制問題的數(shù)學(xué)模型。分析了該

9、問題難以采用已有優(yōu)化方法解決的原因，提出了基于蟻群和變鄰域搜索算法混合的直裝單一作業(yè)軋制單元編制方法。該方法由基于蟻群和變鄰域搜索算法混合的主體材編制算法以及基于啟發(fā)式的燙輥材編制算法組成。主體材編制算法在迭代過程中，先粗略確定主體材，然后在此基礎(chǔ)上，確定構(gòu)成主體材的待生產(chǎn)板坯在澆鑄時所在的澆注流、順序以及寬度，并根據(jù)這些結(jié)果調(diào)整粗略確定的主體材內(nèi)板坯位置。利用實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的仿真試驗結(jié)果表明，文中混合算法所得結(jié)果明顯優(yōu)于人工方法所得結(jié)果

10、。
　　3.非直裝單一作業(yè)軋制單元編制方法:以最大化軋制單元平均長度、最大化軋制單元板坯優(yōu)先級總和以及最小化軋制單元內(nèi)相鄰軋制板坯間軋制寬度、軋制厚度、硬度、出爐溫度、精軋溫度和卷曲溫度跳躍量為目標(biāo)，以同一軋制單元主體材板坯的鋼種相同以及同一軋制單元內(nèi)任意主體材板坯與之前安排的主體材板坯軋制長度之和不超過該板坯表面質(zhì)量規(guī)定的長度值等為約束方程，以軋制單元所要軋制的板坯、軋制單元內(nèi)板坯在軋制單元中所在的區(qū)域和軋制單元內(nèi)板坯的軋制順序

11、為決策變量，建立了非直裝單一作業(yè)軋制單元編制問題的數(shù)學(xué)模型。分析了該問題難以采用已有優(yōu)化方法解決的原因，提出了基于蟻群和模擬退火算法混合的非直裝單一作業(yè)軋制單元編制方法。該方法由基于蟻群和模擬退火算法混合的主體材編制算法以及基于啟發(fā)式的燙輥材編制算法組成。利用實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的仿真試驗結(jié)果表明，文中混合算法在求解精度上優(yōu)于單一蟻群算法、單一模擬退火算法和人工方法，在求解時間上遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人工方法。
　　4.非直裝混合作業(yè)軋制單元編制方法:

12、以軋制單元內(nèi)各流向板坯總重量達(dá)標(biāo)準(zhǔn)量、最大化軋制單元平均長度、最大化軋制單元板坯優(yōu)先級總和以及最小化軋制單元內(nèi)相鄰軋制板坯間軋制寬度、軋制厚度、硬度、出爐溫度、精軋溫度和卷曲溫度跳躍量為目標(biāo)，以同一軋制單元內(nèi)相鄰主體材板坯的鋼種要滿足銜接要求且同鋼種主體材板坯連軋數(shù)量不小于鋼種規(guī)定的數(shù)量以及同一軋制單元內(nèi)任意主體材板坯與之前安排的主體材板坯軋制長度之和不超過該板坯表面質(zhì)量規(guī)定的長度值等為約束方程，以軋制單元所要軋制的板坯、軋制單元內(nèi)板坯

13、在軋制單元中所在的區(qū)域和軋制單元內(nèi)板坯的軋制順序為決策變量，建立了非直裝混合作業(yè)軋制單元編制問題的數(shù)學(xué)模型。分析了該問題難以采用已有優(yōu)化方法解決的原因，給出了基于變鄰域禁忌搜索的編制算法。算法中給出了以提高搜索效率為目的的基于5種鄰域結(jié)構(gòu)（包括板坯插入、板坯替換、板坯交換、板坯刪除和板坯區(qū)間交換）的搜索策略。利用實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的仿真試驗結(jié)果表明，文中算法所得結(jié)果明顯優(yōu)于人工方法所得結(jié)果。
　　5.加熱爐裝爐計劃編制方法:以最小化熱軋

14、機等待加熱板坯的時間、最小化板坯加熱時間以及最小化加熱爐內(nèi)冷熱板坯混裝次數(shù)為目標(biāo)，以板坯按軋制順序出爐、板坯在加熱爐上加工時間不小于規(guī)定最短時間以及同一加熱爐同時加熱的板坯數(shù)量不超過規(guī)定數(shù)量等為約束方程，以軋制單元內(nèi)板坯的加熱設(shè)備以及加熱開始和結(jié)束時間為決策變量，建立了加熱爐裝爐計劃編制模型。分析了該問題難以采用已有優(yōu)化方法解決的原因，給出了基于蟻群優(yōu)化的求解算法。算法對板坯的加熱設(shè)備直接進(jìn)行優(yōu)化，而板坯的加熱開始和結(jié)束時間則在板坯的加

15、熱設(shè)備確定基礎(chǔ)上根據(jù)約束條件通過啟發(fā)式方法計算得到。利用實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的仿真試驗結(jié)果表明，文中算法所得結(jié)果明顯優(yōu)于人工方法所得結(jié)果。
　　6.利用來自實際生產(chǎn)的一組板坯數(shù)據(jù)對文中提出5種方法進(jìn)行系統(tǒng)實驗。文中方法所得軋制計劃與人工方法所得軋制計劃相比，軋制單元平均長度由55.376公里提高到68.401公里，軋制單元平均重量由1184.9噸提高到1460.6噸，軋制單元內(nèi)流向板坯重量與目標(biāo)值平均偏差量由135.1噸降為115.2噸，