CN104376424A - 一种钢铁企业冷轧区多产线钢卷协调调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钢铁企业冷轧区多产线钢卷协调调度方法，包括以下步骤：获取钢铁企业冷轧区各产线的待排钢卷信息；建立钢铁企业冷轧区多产线钢卷协调调度模型；利用启发式算法，得到钢铁企业冷轧区多产线钢卷初始协调调度方案；对初始冷轧区多产线协调调度方案进行实时修正；将修正的冷轧区多产线协调调度方案下发至钢铁企业冷轧区各产线自动控制***，完成冷轧区多产线钢卷协调调度。本发明方法除了考虑各钢卷的加工工艺以外，还考虑了冷轧区各工序之间的衔接关系，从而使得冷轧区各生产设备的供料关系保持合理，保证各产线中钢卷的生产能够平稳顺利的进行，使冷轧区整体生产过程更加合理。

Description

一种钢铁企业冷轧区多产线钢卷协调调度方法

技术领域

本发明属于金属材料加工信息技术领域，涉及自动化技术领域，特别涉及一种钢铁企业冷轧区多产线钢卷协调调度方法。

背景技术

金属材料的冷轧区多产线协调调度问题是冶金企业生产运作的主要内容，调度的质量直接关系到冷轧区各产线的设备稳定性和运行效率、产品的质量和生产成本。

以钢厂为例：冷轧区包括酸洗、酸轧、连续退火、热镀锌、热镀铝锌、精整、电镀锡、横切、重卷等多道产线工序，热轧钢卷必须经过连续酸洗产线清除氧化铁皮，以保证带钢表面光洁，顺利地实现冷轧及其后的表面处理，热轧钢卷经酸轧之后其成品为轧硬卷，可以直接出售，但由于连续冷变形引起的冷作硬化使轧硬卷的强度、硬度上升、韧塑指标下降，因此冲压性能将恶化，为了改变钢卷的机械性能，钢卷需进行退火使钢软化，退火后的带钢表面光滑，硬度降低、不易变形和裂纹、材料组织和成分均匀，材料性能得到极大改善，另一方面，退火卷通过镀锡、镀锌等加工，可在退火卷表面形成结合牢固、光亮、致密、均匀、连续的合金镀层从而具有良好的防腐蚀性能及耐变色度。镀锡卷可根据订货要求进行横切加工为镀锡板出售。冷轧区各产线布排关系如图1所示。冷轧区多产线协调调度问题具有多产线，产线布排串、并行共存，物流关系复杂，同时存在直线物流与交叉物流的特征；各产线内部钢卷连续进行加工，而钢卷需在前道工序完成加工后方可在后道产线上进行加工，前道工序产品有严重缺陷在后道工序不能得到改善，产品只能返修或者作为废材，因此，必须保证冷轧车间各道生产线稳定生产，保证冷轧产品在每道生产线的精准加工，从而生产出满足客户订单需求的冷轧产品。合理的多产线协调调度方案可合理控制上、下游产线的生产节拍，使各产线生产连续顺畅，减少各产线生产切换，保证各产线产能合理利用，产线稳定生产。

目前，冷轧各产线实际调度过程中，酸轧、连退、热镀锌、热镀铝锌等各道生产线的调度计划编制由平衡计划员和各产线的调度员共同负责。平衡计划员根据合同需求、产线产能、产线状态、库存钢卷等信息，决策冷轧各产线每日生产量；各产线的调度员基于已决策的冷轧各产线每日生产量编制产线钢卷调度方案。由于生产实际情况多变，且方案制定过程中涉及多个决策者，现行的人工排产方法无法有效协调各产线生产节拍，制定总体性能较好的调度方案，从而造成各产线调度方案的冲突，增加生产设备切换次数，造成生产过程稳定性及产品质量无法保证；另一方面，人工排产的结果依赖于计划员经验，调度员基于所负责产线的排产考虑因素制定钢卷加工方案，而每条产线考虑的排产因素是不同，从而造成各产线钢卷加工方案的冲突，仅考虑某条产线排产因素制定的钢卷调度方案，往往造成其它相关产线的频繁切换和断料，从而导致总体较高的生产切换成本。故需要从总体供应链角度决策冷轧区域各产线调度方案，对各个产线的调度方案进行协调，达到冷轧厂整体成产运作效果较好的目标。

发明内容

针对现有方法存在的不足，本发明提出一种钢铁企业冷轧区多产线钢卷协调调度方法。

本发明的技术方案是：

一种钢铁企业冷轧区多产线钢卷协调调度方法，包括以下步骤：

步骤1：获取钢铁企业冷轧区各产线的待排钢卷信息；

步骤2：建立钢铁企业冷轧区多产线钢卷协调调度模型；

步骤2-1：根据钢铁企业冷轧区各产线的工艺要求，计算各产线上钢卷之间因加工属性不同所造成的生产切换导致的磨损及调整惩罚，包括：产线上两钢卷之间宽度不同所造成的生产切换所导致的设备磨损惩罚、产线上两钢卷之间厚度不同所造成的生产切换所导致的设备磨损惩罚、产线上两钢卷之间粗糙度不同所造成的生产切换所导致的设备磨损惩罚、产线上两钢卷之间退火温度不同所造成的生产切换所导致的设备调整惩罚、产线上两钢卷之间镀层重量不同所造成的生产切换所导致的设备调整惩罚、产线上两钢卷之间后处理方式不同所造成的生产切换所导致的设备调整惩罚；

步骤2-2：以钢铁企业冷轧区多产线的供应链范围内各产线钢卷加工方案中，钢卷之间因加工属性不同所造成的生产切换所导致的磨损及调整惩罚最小为目标，建立钢铁企业冷轧区多产线钢卷协调调度目标函数；

该目标函数的决策变量x_ijk表示在第k个产线上，钢卷i是否在钢卷j紧前进行加工，若是，则决策变量x_ijk取值为1，否则决策变量x_ijk为0；

步骤2-3：钢铁企业冷轧区多产线钢卷协调调度目标函数的约束条件包括各产线自身的工艺及运行约束条件和各产线关联耦合约束条件；

所述各产线自身的工艺及运行约束条件包括：(1)所有实钢卷紧前必有一个且仅有一个钢卷生产；(2)所有实钢卷紧后必有一个且仅有一个钢卷生产；(3)各产线的宽度、厚度、退火温度、镀层厚度切换需低于给定上限；(4)保证各个产线钢卷加工完成时间不会造成相邻加工钢卷之间存在时间空闲；(5)所有排产钢卷在其工艺路径所经过的任一产线上仅被加工一次；

所述各产线关联耦合约束条件即确定各产线之间的衔接关系，保证钢卷必须在上游产线加工结束，才可在下游产线进行加工；

步骤3：利用启发式算法，得到钢铁企业冷轧区多产线钢卷初始协调调度方案，包括酸轧产线钢卷初始加工方案、连续退火产线钢卷初始加工方案、热镀锌产线钢卷初始加工方案和热镀铝锌产线钢卷初始加工方案；

步骤3-1：制定酸轧产线钢卷初始加工方案：将酸轧产线待排钢卷按粗糙度从大到小进行排序；同粗糙度的钢卷按宽度从宽到窄进行排序；同粗糙度且同宽度的钢卷按后处理方式编号从大到小进行排序；同粗糙度、同宽度且同后处理方式的钢卷按退火温度从高到低排序，从而得到酸轧产线钢卷初始加工序列，即酸轧产线钢卷初始加工方案；

步骤3-2：计算酸轧产线钢卷初始加工方案内各个钢卷的开始加工时间和加工完成时间；

步骤3-3：制定连续退火产线钢卷初始加工方案：将连续退火产线的在库钢卷按照从宽到窄排序；同宽度的在库钢卷按退火温度从高到低排序；同宽度且同退火温度的在库钢卷按厚度从厚到薄排序，得到连续退火前库钢卷加工序列；将酸轧产线钢卷初始加工序列中流向连续退火产线的钢卷按顺序抽出，顺序连接到连续退火前库钢卷加工序列之后，从而得到连续退火产线钢卷初始加工序列，即连续退火产线钢卷初始加工方案；

步骤3-4：制定热镀锌产线钢卷初始加工方案：将热镀锌前库钢卷按后处理方式从大到小排序；同后处理方式的热镀锌前库钢卷按宽度从宽到窄排序；同宽度且同后处理方式的热镀锌前库钢卷按厚度从厚到薄排序；同后处理方式、同宽度且同厚度的热镀锌前库钢卷按退火温度从高到低排序，得到热镀锌前库钢卷初始加工序列；将酸轧产线钢卷初始加工序列中流向热镀锌产线的钢卷按顺序抽出，顺序连接到热镀锌前库钢卷初始加工序列之后，从而得到热镀锌产线钢卷初始加工序列，即热镀锌产线钢卷初始加工方案；

步骤3-5：制定热镀铝锌产线钢卷初始加工方案：将热镀铝锌产线前库钢卷按后处理方式从大到小排序；同后处理方式的热镀铝锌产线前库钢卷按宽度从宽到窄排序；同后处理方式且同宽度按厚度的热镀铝锌产线前库钢卷从厚到薄排序；同后处理方式、同宽度且同厚度的热镀铝锌产线前库钢卷按退火温度从高到低排序，得到热镀铝锌前库钢卷初始加工序列；将酸轧产线钢卷初始加工序列中流向热镀铝锌产线的钢卷按顺序抽出，顺序连接到热镀铝锌前库钢卷初始加工序列之后，从而得到热镀铝锌产线钢卷初始加工序列，即热镀铝锌产线钢卷初始加工方案；

步骤3-6：计算连续退火产线钢卷初始加工方案的钢卷开始加工时间、热镀锌产线钢卷初始加工方案的钢卷开始加工时间和热镀铝锌产线钢卷初始加工方案的钢卷开始加工时间；

步骤3-7：记录钢铁企业冷轧区多产线钢卷初始协调调度方案并计算钢铁企业冷轧区多产线生产计划初始协调调度方案所对应的目标函数值；

步骤4：对初始冷轧区多产线协调调度方案进行实时修正；

步骤5：将修正的冷轧区多产线协调调度方案下发至钢铁企业冷轧区各产线自动控制***，完成冷轧区多产线钢卷协调调度。

所述步骤4对初始冷轧区多产线协调调度方案进行实时修正，具体按如下步骤进行：

步骤4-1：初始化冷轧区多产线钢卷协调调度方案种群，并设置最大迭代次数和最大无改进迭代次数，冷轧区多产线钢卷初始协调调度方案包含于冷轧区多产线钢卷协调调度方案种群，其余解通过随机方式生成；修正过程中各协调调度方案的适应值计算方式即钢铁企业冷轧区多产线钢卷协调调度目标函数值计算方式；

步骤4-2：判断是否达到最大迭代次数，若达到，则当前种群中适应值最优的冷轧区多产线钢卷协调调度方案为最优方案，即修正的冷轧区多产线钢卷协调调度方案；否则，执行步骤4-3；

步骤4-3：判断是否到达到最大无改进代次数，若达到，则当前种群中适应值最优的冷轧区多产线钢卷协调调度方案为最优方案，即修正的冷轧区多产线钢卷协调调度方案；否则，执行步骤4-4；

步骤4-4：迭代次数进行自增操作；若种群中适应值最优的个体未被更新，则最大无改进代次数加1；

步骤4-5：对种群进行变异操作；

步骤4-6：对种群进行交叉操作；

步骤4-7：对种群中的子代进行选择操作；

步骤4-8：为种群中的每一个个体计算适应值，即计算当前种群对应的冷轧区多产线钢卷协调调度方案的目标函数值；

步骤4-9：当前迭代次数进行自增操作并更新种群，返回步骤4-2。

所述步骤4-5对种群进行变异操作，具体如下：

$V_i^t=X_a^{t-1}\⊕F\⊗(X_b^{t-1}-X_c^{t-1})$

${\mathrm{\Δ}}_i^t=({\mathrm{\δ}}_{i,0}^t,{\mathrm{\δ}}_{i,1}^t,...,{\mathrm{\δ}}_{i,n}^t)$

$V_i^t=X_a^{t-1}\⊕{\mathrm{\Δ}}_i^t\⇔v_{\mathrm{ij}}^t=x_{\mathrm{aj}}^{t-1}\⊕{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}^t=\mathrm{mod}((x_{\mathrm{aj}}^{t-1}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}^t+n),n)$

其中，为第t代第i个变异染色体，为中的第j个个体，为第t-1代种群中的三个不同的冷轧区多产线钢卷协调调度方案，为中的第j个个体，F为缩放因子，为第t代变异过程中的第i个中间变异染色体，为第t代变异过程中的中间变异染色体中的第j个个体，mod是取余操作。

所述步骤4-6对种群进行交叉操作，具体如下：

产生试验染色体，i＝1,2,…,PS，为染色体中的任意个体；

其中，CR位于[0,1]，为保持种群多样性的交叉参数，rand()产生0和1之间均匀分布的随机数，D_j是在集合{1,2,…,n}中随机选择的数，以此保证至少的某一维与第t-1代第i个冷轧区多产线钢卷协调调度方案不同；

CR随迭代次数的增加不断变化的自适应，其更新方式如下：

$\mathrm{CR}={\mathrm{CR}}_{\min }+t*\frac{({\mathrm{CR}}_{\max }-{\mathrm{CR}}_{\min })}{T}$

其中，CR_min为最小交叉概率，CR_max为最大交叉概率，t为当前迭代次数，T为最大迭代次数。

有益效果：

(1)本发明方法除了考虑各钢卷的加工工艺以外，还考虑了冷轧区各工序之间的衔接关系，从而使得冷轧区各生产设备的供料关系保持合理，保证各产线中钢卷的生产能够平稳顺利的进行，使冷轧区整体生产过程更加合理。

(2)本发明方法与人工确定的生产顺序结果相比，可降低总体切换次数，有效减少了生产设备的频繁调整，从而提高了产品的质量，提高企业效益。

(3)考虑到其他金属材料的加工工艺与钢铁企业加工过程的工艺具有相似性，本发明方法除可应用钢铁企业冷轧过程外，还可广泛应用其他金属材料的加工过程。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中钢铁企业冷轧区的产线布排示意图；

图2为本发明具体实施方式中钢铁企业冷轧区多产线钢卷协调调度方法流程图；

图3为本发明具体实施方式中对初始冷轧区多产线协调调度方案进行实时修正流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

本实施方式的方法采用钢铁企业冷轧区多产线钢卷协调调度***，包括：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和至少一台路由器。

PC机内设置有生产环境设定模块、初始冷轧区多产线协调调度模块、冷轧区多产线协调调度实时修正模块；

生产环境设定模块用于设置冷轧区各产线钢卷生产环境的加工参数，描述工艺工程，确定工艺过程的调整目标及约束条件；

初始冷轧区多产线协调调度模块基于当前钢卷供应情况，对钢卷进行排序，获取初始冷轧区多产线协调调度方案；

冷轧区多产线协调调度实时修正模块对当前冷轧区多产线协调调度方案进行在线实时修正，改进并获取更好的冷轧区多产线协调调度方案；

PC机通过网络、企业内部服务器连接到企业冷轧区各产线自动控制***的前端。

电缆接口或光缆接口或电话专线接口用于实现企业内部信息管理平台、钢铁企业冷轧区多产线钢卷协调调度***和生产现场自动控制***之间的通讯连接，达到优化生产过程，提高产品质量的目的；

PC机中嵌入的软件支持包括Windows操作***作为支撑平台，安装Microsoft SQL Server2000数据库***支持数据管理，配置信息传送端口。

本实施方式的钢铁企业冷轧区的产线布排示意图如图1所示，包括酸轧产线、连退产线、热镀锌产线和镀铝锌产线。

一种钢铁企业冷轧区多产线钢卷协调调度方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1：获取钢铁企业冷轧区各产线的待排钢卷信息；

从企业ERP数据服务器上下载钢卷数据信息(涉及字段包括钢卷号、材态、宽度、长度、厚度、实际重量、冶金规范、产品规格、合同号、返修类型、下产线、理论重量、板卷标记、库区、原库区、出钢记号、母卷、生产日期、封锁原因、余材原因、加工途径、合同交货期)，以获得排序方法和***的操作对象，同时可根据钢卷库存消耗情况以及前道产线供料情况，逐条增加删除钢卷信息，以及对钢卷信息进行修改，并确定其为当前生产计划所考虑的钢卷信息；然后，进入自动优化排序阶段，本实施例中，自动优化排序方法将用于解决涉及16个在库钢卷的排序问题。

表1 待排钢卷信息

钢卷号	粗糙度	宽度(mm)	厚度(mm)	退火温度	后处理方式	加工途径	所在工序
								1	1	926	2	580	-	酸轧->连退	酸轧
2	1	860	2	580	-	酸轧->连退	酸轧
								3	1	860	2	610	-	酸轧->连退	酸轧
4	1	937	2.5	620	-	酸轧->连退	酸轧
								5	1	800	0.18	680	-	酸轧->连退	酸轧

6	1.2	800	0.18	620	耐指纹	酸轧->热镀锌	酸轧
								7	1.2	800	0.18	650	耐指纹	酸轧->热镀锌	酸轧
8	1.2	896	0.18	580	磷化	酸轧->热镀铝锌	酸轧
								9	1.2	896	0.18	620	磷化	酸轧->热镀铝锌	酸轧
10	0.5	896	0.18	620	-	酸轧->连退	连退
								11	0.5	896	0.18	680	-	酸轧->连退	连退
12	0.5	896	0.18	620	-	酸轧->连退	连退
								13	0.5	1024	2.3	-	-	酸轧->外售	酸轧
14	0.5	1024	2.3	-	-	酸轧->外售	酸轧
								15	0.5	1225	2.3	-	-	酸轧->外售	酸轧
16	0.5	1225	2.3	-	-	酸轧->外售	酸轧

步骤2：建立钢铁企业冷轧区多产线钢卷协调调度模型；

步骤2-1：根据钢铁企业冷轧区各产线的工艺要求，计算各产线上钢卷之间因加工属性不同所造成的生产切换导致的磨损及调整惩罚，包括：产线上两钢卷之间宽度不同所造成的生产切换所导致的设备磨损惩罚、产线上两钢卷之间厚度不同所造成的生产切换所导致的设备磨损惩罚、产线上两钢卷之间粗糙度不同所造成的生产切换所导致的设备磨损惩罚、产线上两钢卷之间退火温度不同所造成的生产切换所导致的设备调整惩罚、产线上两钢卷之间镀层重量不同所造成的生产切换所导致的设备调整惩罚、产线上两钢卷之间后处理方式不同所造成的生产切换所导致的设备调整惩罚；

(1)产线k上钢卷i与钢卷j之间宽度不同所造成的生产切换所导致的设备磨损惩罚：

$F_{\mathrm{ijk}}^w=K_k^w\·|w_i-w_j|,i,j\∈N,k\∈M---\left(1\right)$

其中，N表示所有需加工的钢卷集合N＝{0,1,…,n,n+1}，其中，0与n+1表示虚拟钢卷，n表示待排序的实际钢卷个数，M表示所有产线集合M＝{0,…,m-1}，m表示产线个数，表示第k条产线上宽度跳跃惩罚费用权重，w_i、w_j分别表示钢卷i的宽度和钢卷j的宽度。

(2)产线k上钢卷i与钢卷j之间厚度不同所造成的生产切换所导致的设备磨损惩罚

$F_{\mathrm{ijk}}^h=K_k^h\·|h_i-h_j|,i,j\∈N,k\∈M---\left(2\right)$

其中，表示第k条产线上厚度跳跃惩罚费用权重，h_i，h_j分别表示钢卷i和钢卷j的厚度。

(3)产线k上钢卷i与钢卷j之间粗糙度不同所造成的生产切换所导致的设备磨损惩罚

其中，、表示第k条产线上粗糙度跳跃惩罚费用权重，R_i、R_j分别表示钢卷i的粗糙度和钢卷j的粗糙度。

(4)产线k上钢卷i与钢卷j之间退火温度不同所造成的生产切换所导致的设备调整惩罚

$F_{\mathrm{ijk}}^t=K_k^t\·|t_i-t_j|,i,j\∈N,k\∈M---\left(4\right)$

其中，表示第k条产线上退火温度跳跃惩罚费用权重，t_i,t_j分别表示钢卷i的退火温度和钢卷j的退火温度。

(5)产线k上钢卷i与钢卷j之间镀层重量不同所造成的生产切换所导致的设备调整惩罚

$F_{\mathrm{ijk}}^{\mathrm{wt}}=K_k^{\mathrm{wt}}\·|{\mathrm{wt}}_i-{\mathrm{wt}}_j|,i,j\∈N,k\∈M---\left(5\right)$

其中，表示第k条产线上镀层重量跳跃惩罚费用权重，wt_i,wt_j分别表示钢卷i的镀层重量和钢卷j的镀层重量。

(6)产线k上钢卷i与钢卷j之间后处理方式不同所造成的生产切换所导致的设备调整惩

罚

$F_{\mathrm{ijk}}^G=\left\{\begin{array}{cc}{K}_k^G& G_i\≠G_j\\ 0& G_i=G_j\end{array}\right.,i,j\∈N,k\∈M---\left(6\right)$

其中，表示第k条产线上后处理方式跳跃惩罚费用权重，G_i,G_j分别表示钢卷i的后处理方式和钢卷j的后处理方式。

(7)各产线上钢卷i与钢卷j之间因加工属性不同所造成的生产切换所导致的磨损及调整惩罚F_ijk具体计算方式如下：

酸轧产线钢卷i与钢卷j之间因加工属性不同所造成的生产切换所导致的磨损及调整惩罚F_ij0：

$F_{\mathrm{ij}0}=F_{\mathrm{ij}0}^w+F_{\mathrm{ij}0}^h+F_{\mathrm{ij}0}^h+F_{\mathrm{ij}0}^{R}i,j\∈N---\left(7\right)$

连续退火产线钢卷i与钢卷j之间因加工属性不同所造成的生产切换所导致的磨损及调整惩罚F_ij1：

$F_{\mathrm{ij}1}=F_{\mathrm{ij}1}^w+F_{\mathrm{ij}1}^h+F_{\mathrm{ij}1}^t,i,j\∈N---\left(8\right)$

热镀锌产线钢卷i与钢卷j之间因加工属性不同所造成的生产切换所导致的磨损及调整惩罚Fij2：

$F_{\mathrm{ij}2}=F_{\mathrm{ij}2}^w+F_{\mathrm{ij}2}^h+F_{\mathrm{ij}2}^t+F_{\mathrm{ij}2}^{\mathrm{wt}}+F_{\mathrm{ij}2}^G,i,j\∈N---\left(9\right)$

热镀铝锌产线钢卷i与钢卷j之间因加工属性不同所造成的生产切换所导致的磨损及调整惩罚F_ij3：

$F_{\mathrm{ij}3}=F_{\mathrm{ij}3}^w+F_{\mathrm{ij}3}^h+F_{\mathrm{ij}3}^t+F_{\mathrm{ij}3}^{\mathrm{wt}}+F_{\mathrm{ij}3}^G,i,j\∈N---\left(10\right)$

步骤2-2：以钢铁企业冷轧区多产线的供应链范围内各产线钢卷加工方案中，钢卷之间因加工属性不同所造成的生产切换所导致的磨损及调整惩罚最小为目标，建立钢铁企业冷轧区多产线钢卷协调调度目标函数；

$\mathrm{Minimize}\underset{k\∈M}{\mathrm{\Σ}}\underset{j\∈N_k}{\mathrm{\Σ}}\underset{i\∈N_k}{\mathrm{\Σ}}{F}_{\mathrm{ijk}}{x}_{\mathrm{ijk}}---\left(11\right)$

式中，该目标函数的决策变量x_ijk表示在第k个产线上，钢卷i是否在钢卷j紧前进行加工，若是，则决策变量x_ijk取值为1，否则决策变量x_ijk为0；

步骤2-3：钢铁企业冷轧区多产线钢卷协调调度目标函数的约束条件包括各产线自身的工艺及运行约束条件和各产线关联耦合约束条件；

各产线自身的工艺及运行约束条件包括：(1)所有实钢卷紧前必有一个且仅有一个钢卷生产；(2)所有实钢卷紧后必有一个且仅有一个钢卷生产；(3)各产线的宽度、厚度、退火温度、镀层厚度切换需低于给定上限；(4)保证各个产线钢卷加工完成时间不会造成相邻加工钢卷之间存在时间空闲；(5)所有排产钢卷在其工艺路径所经过的任一产线上仅被加工一次；

(1)各产线自身的工艺及运行约束条件包括：

1)所有实钢卷紧前必有一个且仅有一个钢卷生产：

$\underset{i\∈N_k\∪\left\{0\right\}}{\mathrm{\Σ}}{x}_{\mathrm{ijk}}=1,\∀j\∈N_k,k\∈M.---\left(12\right)$

其中，N_k表示所有需在产线k上进行加工的钢卷集合。

2)所有实钢卷紧后必有一个且仅有一个钢卷生产：

$\underset{j\∈N_k\∪\{N+1\}}{\mathrm{\Σ}}{x}_{\mathrm{ijk}}=1,\∀j\∈N_k,k\∈M.---\left(13\right)$

3)对虚拟钢卷排序的处理的约束，约束(14)表示排头的虚拟钢卷后有且仅有一个实钢卷生产，约束(15)表示排尾的虚拟钢卷前有且仅有一个实钢卷生产。

$\underset{j\∈N_k}{\mathrm{\Σ}}{x}_{0\mathrm{jk}}=1,\∀k\∈M.---\left(14\right)$

$\underset{i\∈N_k}{\mathrm{\Σ}}{x}_{i,n+1,k}=1,\∀k\∈M.---\left(15\right)$

其中，虚钢卷表示用于标示产线运行开始或结束的虚拟钢卷。

4)各产线的宽度、厚度、退火温度、镀层厚度切换需低于给定上限：

$|w_i-w_j|\×x_{\mathrm{ijk}}\≤w_0,\∀i,j\∈N,k\∈M.---\left(16\right)$

$|h_i-h_j|\×x_{\mathrm{ijk}}\≤h_0,\∀i,j\∈N,k\∈M.---\left(17\right)$

$|t_i-t_j|\×x_{\mathrm{ijk}}\≤t_0,\∀i,j\∈N,k\∈M.---\left(18\right)$

$|{\mathrm{wt}}_i-{\mathrm{wt}}_j|\×x_{\mathrm{ijk}}\≤{\mathrm{wt}}_0,\∀i,j\∈N,k\∈M.---\left(19\right)$

其中，w₀为宽度给定上限，h₀为厚度给定上限，t₀为退火温度给定上限，wt₀为镀层厚度给定上限；

5)保证各个产线钢卷加工完成时间不会造成相邻加工钢卷之间存在时间空闲：

$C_{\mathrm{ik}}=x_{0\mathrm{ik}}{p}_{\mathrm{ik}}+\underset{j\∈N_k}{\mathrm{\Σ}}{x}_{\mathrm{jik}}(C_{\mathrm{jk}}+p_{\mathrm{ik}}),\∀i\∈N_k,k\∈M.---\left(20\right)$

其中，变量C_ik表示钢卷i在第k个产线上的加工完成时间，p_ik表示钢卷i在产线k上的处理时间。

6)保证所有排产钢卷在其工艺路径所经过的任一产线上仅被加工一次：

$d_{\mathrm{jk}}\≥(d_{\mathrm{ik}}+1)-(1-x_{\mathrm{ijk}})\·(n+1),\∀i\∈N_k\∪\left\{0\right\},j\∈N_k\∪\{n+1\},k\∈M.---\left(21\right)$

$d_{\mathrm{ik}}\≤n+1,\∀i\∈N_k\∪\{0,n+1\},k\∈M.---\left(22\right)$

其中变量d_ik表示钢卷i在产线k上的处理位置编号。

7)约束(19)至约束(23)为变量取值约束

$x_{\mathrm{ijk}}=0,\∀i\∈N_k\∪\{0,n+1\},k\∈M.---\left(23\right)$

$x_{i0k}=0,\∀i\∈N_k\∪\{n+1\},k\∈M.---\left(24\right)$

$x_{n+1,i,k}=0,\∀i\∈N_k\∪\left\{0\right\},k\∈M.---\left(25\right)$

$x_{\mathrm{ijk}}\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\},\∀i\∈N_k\∪\left\{0\right\},j\∈N_k\∪\{n+1\},k\∈M.---\left(26\right)$

$C_{\mathrm{ik}}\≥0,\∀i\∈N_k\∪\{0,n+1\},k\∈M.---\left(27\right)$

各产线关联耦合约束条件即确定各产线之间的衔接关系，保证钢卷必须在上游产线加工结束，才可在下游产线进行加工；

$C_{\mathrm{ik}}\≤C_{{\mathrm{ik}}^{\′}}-p_{{\mathrm{ik}}^{\′}},\∀i\∈N_k,k\∈M,k^{,}\∈L_k.---\left(28\right)$

其中，L_k表示产线k的紧邻后续产线集合。

步骤3：利用启发式算法，得到钢铁企业冷轧区多产线钢卷初始协调调度方案，包括酸轧产线钢卷初始加工方案、连续退火产线钢卷初始加工方案、热镀锌产线钢卷初始加工方案和热镀铝锌产线钢卷初始加工方案；

步骤3-1：制定酸轧产线钢卷初始加工方案：将酸轧产线待排钢卷按粗糙度从大到小进行排序；同粗糙度的钢卷按宽度从宽到窄进行排序；同粗糙度且同宽度的钢卷按后处理方式编号从大到小进行排序；同粗糙度、同宽度且同后处理方式的钢卷按退火温度从高到低排序，从而得到酸轧产线钢卷初始加工序列，即酸轧产线钢卷初始加工方案；

步骤3-2：计算酸轧产线钢卷初始加工方案内各个钢卷的开始加工时间和加工完成时间；

步骤3-3：制定连续退火产线钢卷初始加工方案：将连续退火产线的在库钢卷按照从宽到窄排序；同宽度的在库钢卷按退火温度从高到低排序；同宽度且同退火温度的在库钢卷按厚度从厚到薄排序，得到连续退火前库钢卷加工序列；将酸轧产线钢卷初始加工序列中流向连续退火产线的钢卷按顺序抽出，顺序连接到连续退火前库钢卷加工序列之后，从而得到连续退火产线钢卷初始加工序列，即连续退火产线钢卷初始加工方案；

步骤3-4：制定热镀锌产线钢卷初始加工方案：将热镀锌前库钢卷按后处理方式从大到小排序；同后处理方式的热镀锌前库钢卷按宽度从宽到窄排序；同宽度且同后处理方式的热镀锌前库钢卷按厚度从厚到薄排序；同后处理方式、同宽度且同厚度的热镀锌前库钢卷按退火温度从高到低排序，得到热镀锌前库钢卷初始加工序列；将酸轧产线钢卷初始加工序列中流向热镀锌产线的钢卷按顺序抽出，顺序连接到热镀锌前库钢卷初始加工序列之后，从而得到热镀锌产线钢卷初始加工序列，即热镀锌产线钢卷初始加工方案；

步骤3-5：制定热镀铝锌产线钢卷初始加工方案：将热镀铝锌产线前库钢卷按后处理方式从大到小排序；同后处理方式的热镀铝锌产线前库钢卷按宽度从宽到窄排序；同后处理方式且同宽度按厚度的热镀铝锌产线前库钢卷从厚到薄排序；同后处理方式、同宽度且同厚度的热镀铝锌产线前库钢卷按退火温度从高到低排序，得到热镀铝锌前库钢卷初始加工序列；将酸轧产线钢卷初始加工序列中流向热镀铝锌产线的钢卷按顺序抽出，顺序连接到热镀铝锌前库钢卷初始加工序列之后，从而得到热镀铝锌产线钢卷初始加工序列，即热镀铝锌产线钢卷初始加工方案；

步骤3-6：计算连续退火产线钢卷初始加工方案的钢卷开始加工时间、热镀锌产线钢卷初始加工方案的钢卷开始加工时间和热镀铝锌产线钢卷初始加工方案的钢卷开始加工时间；

步骤3-7：记录钢铁企业冷轧区多产线钢卷初始协调调度方案并计算钢铁企业冷轧区多产线生产计划初始协调调度方案所对应的目标函数值；

得到的钢铁企业冷轧区多产线钢卷初始协调调度方案如下：

酸轧调度方案：8->9->6->7->4->1->2->3->5->15->16->13->14；

连退调度方案：11->10->12->4->1->2->3->5

热镀锌调度方案：6->7

热镀铝锌调度方案：8->9

步骤4：对初始冷轧区多产线协调调度方案进行实时修正，如图3所示；

具体按如下步骤进行：

步骤4-1：初始化冷轧区多产线钢卷协调调度方案种群，并设置最大迭代次数UNiter和最大无改进迭代次数UN_iternoimpro，冷轧区多产线钢卷初始协调调度方案包含于冷轧区多产线钢卷协调调度方案种群，其余解通过随机方式生成；修正过程中各协调调度方案的适应值计算方式即钢铁企业冷轧区多产线钢卷协调调度目标函数值计算方式，计算方法依据公式(11)；

设定交叉因子CR范围为[0.1,0.5]，缩放因子F为0.7，种群规模PS为80，最大迭代次数为300，最大无改进迭代次数为50。

步骤4-2：判断是否达到最大迭代次数，若达到，则当前种群中适应值最优的冷轧区多产线钢卷协调调度方案为最优方案，即修正的冷轧区多产线钢卷协调调度方案；否则，执行步骤4-3；

步骤4-3：判断是否到达到最大无改进代次数，若达到，则当前种群中适应值最优的冷轧区多产线钢卷协调调度方案为最优方案，即修正的冷轧区多产线钢卷协调调度方案；否则，执行步骤4-4；

步骤4-4：若种群中适应值最优的个体未被更新，则最大无改进代次数加1，N_iternoimpro＝N_iternoimpro+1；

步骤4-5：对种群进行变异操作，具体如下：

$V_i^t=X_a^{t-1}\⊕F\⊗(X_b^{t-1}-X_c^{t-1})---\left(29\right)$

${\mathrm{\Δ}}_i^t=({\mathrm{\δ}}_{i,0}^t,{\mathrm{\δ}}_{i,1}^t,...,{\mathrm{\δ}}_{i,n}^t)---\left(31\right)$

$V_i^t=X_a^{t-1}\⊕{\mathrm{\Δ}}_i^t\⇔v_{\mathrm{ij}}^t=x_{\mathrm{aj}}^{t-1}\⊕{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}^t=\mathrm{mod}((x_{\mathrm{aj}}^{t-1}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}^t+n),n)---\left(32\right)$

其中，为第t代第i个变异染色体，为中的第j个个体，为第t-1代种群中的三个不同的冷轧区多产线钢卷协调调度方案，为中的第j个个体，F为缩放因子，为第t代变异过程中的第i个中间变异染色体，为第t代变异过程中的中间变异染色体中的第j个个体，mod是取余操作。

步骤4-6：对种群进行交叉操作，具体如下：

产生试验染色体，i＝1,2,…,PS，为染色体中的任意个体；

其中，PS为初始种群中染色体的数目，CR位于[0,1]，为保持种群多样性的交叉参数，rand()产生0和1之间均匀分布的随机数，D_j是在集合{1,2,…,n}中随机选择的数，以此保证至少的某一维与第t-1代第i个冷轧区多产线钢卷协调调度方案不同；

CR随迭代次数的增加不断变化的自适应，其更新方式如下：

$\mathrm{CR}={\mathrm{CR}}_{\min }+t*\frac{({\mathrm{CR}}_{\max }-{\mathrm{CR}}_{\min })}{T}---\left(34\right)$

其中，CR_min为最小交叉概率，CR_max为最大交叉概率，t为当前迭代次数，T为最大迭代次数。

步骤4-7：对种群中的子代进行选择操作；

其中，f()为基于目标函数(11)的适应值计算方程，式(31)最终产生一个新的目标染色体；

步骤4-8：为种群中的每一个个体计算适应值，即计算当前种群对应的冷轧区多产线钢卷协调调度方案的目标函数值；

步骤4-9：当前迭代次数进行自增操作N_iter＝N_iter+1并更新种群，返回步骤4-2。

修正后的酸轧调度方案：8->9->6->7->4->2->3->1->5->15->16->14->13；

修正后的连退调度方案：11->10->12->2->3->4->1->5

修正后的热镀锌调度方案：6->7

修正后的热镀铝锌调度方案：8->9

步骤5：将修正的冷轧区多产线协调调度方案下发至钢铁企业冷轧区各产线自动控制***，完成冷轧区多产线钢卷协调调度。

Claims (4)

1.一种钢铁企业冷轧区多产线钢卷协调调度方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：获取钢铁企业冷轧区各产线的待排钢卷信息；

步骤2：建立钢铁企业冷轧区多产线钢卷协调调度模型；

步骤2-1：根据钢铁企业冷轧区各产线的工艺要求，计算各产线上钢卷之间因加工属性不同所造成的生产切换导致的磨损及调整惩罚，包括：产线上两钢卷之间宽度不同所造成的生产切换所导致的设备磨损惩罚、产线上两钢卷之间厚度不同所造成的生产切换所导致的设备磨损惩罚、产线上两钢卷之间粗糙度不同所造成的生产切换所导致的设备磨损惩罚、产线上两钢卷之间退火温度不同所造成的生产切换所导致的设备调整惩罚、产线上两钢卷之间镀层重量不同所造成的生产切换所导致的设备调整惩罚、产线上两钢卷之间后处理方式不同所造成的生产切换所导致的设备调整惩罚；

步骤2-2：以钢铁企业冷轧区多产线的供应链范围内各产线钢卷加工方案中，钢卷之间因加工属性不同所造成的生产切换所导致的磨损及调整惩罚最小为目标，建立钢铁企业冷轧区多产线钢卷协调调度目标函数；

该目标函数的决策变量x_ijk表示在第k个产线上，钢卷i是否在钢卷j紧前进行加工，若是，则决策变量x_ijk取值为1，否则决策变量x_ijk为0；

步骤2-3：钢铁企业冷轧区多产线钢卷协调调度目标函数的约束条件包括各产线自身的工艺及运行约束条件和各产线关联耦合约束条件；

所述各产线自身的工艺及运行约束条件包括：(1)所有实钢卷紧前必有一个且仅有一个钢卷生产；(2)所有实钢卷紧后必有一个且仅有一个钢卷生产；(3)各产线的宽度、厚度、退火温度、镀层厚度切换需低于给定上限；(4)保证各个产线钢卷加工完成时间不会造成相邻加工钢卷之间存在时间空闲；(5)所有排产钢卷在其工艺路径所经过的任一产线上仅被加工一次；

所述各产线关联耦合约束条件即确定各产线之间的衔接关系，保证钢卷必须在上游产线加工结束，才可在下游产线进行加工；

步骤3：利用启发式算法，得到钢铁企业冷轧区多产线钢卷初始协调调度方案，包括酸轧产线钢卷初始加工方案、连续退火产线钢卷初始加工方案、热镀锌产线钢卷初始加工方案和热镀铝锌产线钢卷初始加工方案；

步骤3-1：制定酸轧产线钢卷初始加工方案：将酸轧产线待排钢卷按粗糙度从大到小进行排序；同粗糙度的钢卷按宽度从宽到窄进行排序；同粗糙度且同宽度的钢卷按后处理方式编号从大到小进行排序；同粗糙度、同宽度且同后处理方式的钢卷按退火温度从高到低排序，从而得到酸轧产线钢卷初始加工序列，即酸轧产线钢卷初始加工方案；

步骤3-2：计算酸轧产线钢卷初始加工方案内各个钢卷的开始加工时间和加工完成时间；

步骤3-3：制定连续退火产线钢卷初始加工方案：将连续退火产线的在库钢卷按照从宽到窄排序；同宽度的在库钢卷按退火温度从高到低排序；同宽度且同退火温度的在库钢卷按厚度从厚到薄排序，得到连续退火前库钢卷加工序列；将酸轧产线钢卷初始加工序列中流向连续退火产线的钢卷按顺序抽出，顺序连接到连续退火前库钢卷加工序列之后，从而得到连续退火产线钢卷初始加工序列，即连续退火产线钢卷初始加工方案；

步骤3-4：制定热镀锌产线钢卷初始加工方案：将热镀锌前库钢卷按后处理方式从大到小排序；同后处理方式的热镀锌前库钢卷按宽度从宽到窄排序；同宽度且同后处理方式的热镀锌前库钢卷按厚度从厚到薄排序；同后处理方式、同宽度且同厚度的热镀锌前库钢卷按退火温度从高到低排序，得到热镀锌前库钢卷初始加工序列；将酸轧产线钢卷初始加工序列中流向热镀锌产线的钢卷按顺序抽出，顺序连接到热镀锌前库钢卷初始加工序列之后，从而得到热镀锌产线钢卷初始加工序列，即热镀锌产线钢卷初始加工方案；

步骤3-5：制定热镀铝锌产线钢卷初始加工方案：将热镀铝锌产线前库钢卷按后处理方式从大到小排序；同后处理方式的热镀铝锌产线前库钢卷按宽度从宽到窄排序；同后处理方式且同宽度按厚度的热镀铝锌产线前库钢卷从厚到薄排序；同后处理方式、同宽度且同厚度的热镀铝锌产线前库钢卷按退火温度从高到低排序，得到热镀铝锌前库钢卷初始加工序列；将酸轧产线钢卷初始加工序列中流向热镀铝锌产线的钢卷按顺序抽出，顺序连接到热镀铝锌前库钢卷初始加工序列之后，从而得到热镀铝锌产线钢卷初始加工序列，即热镀铝锌产线钢卷初始加工方案；

步骤3-6：计算连续退火产线钢卷初始加工方案的钢卷开始加工时间、热镀锌产线钢卷初始加工方案的钢卷开始加工时间和热镀铝锌产线钢卷初始加工方案的钢卷开始加工时间；

步骤3-7：记录钢铁企业冷轧区多产线钢卷初始协调调度方案并计算钢铁企业冷轧区多产线生产计划初始协调调度方案所对应的目标函数值；

步骤4：对初始冷轧区多产线协调调度方案进行实时修正；

步骤5：将修正的冷轧区多产线协调调度方案下发至钢铁企业冷轧区各产线自动控制***，完成冷轧区多产线钢卷协调调度。

2.根据权利要求1所述的钢铁企业冷轧区多产线钢卷协调调度方法，其特征在于：所述步骤4对初始冷轧区多产线协调调度方案进行实时修正，具体按如下步骤进行：

步骤4-1：初始化冷轧区多产线钢卷协调调度方案种群，并设置最大迭代次数和最大无改进迭代次数，冷轧区多产线钢卷初始协调调度方案包含于冷轧区多产线钢卷协调调度方案种群，其余解通过随机方式生成；修正过程中各协调调度方案的适应值计算方式即钢铁企业冷轧区多产线钢卷协调调度目标函数值计算方式；

步骤4-2：判断是否达到最大迭代次数，若达到，则当前种群中适应值最优的冷轧区多产线钢卷协调调度方案为最优方案，即修正的冷轧区多产线钢卷协调调度方案；否则，执行步骤4-3；

步骤4-3：判断是否到达到最大无改进代次数，若达到，则当前种群中适应值最优的冷轧区多产线钢卷协调调度方案为最优方案，即修正的冷轧区多产线钢卷协调调度方案；否则，执行步骤4-4；

步骤4-4：若种群中适应值最优的个体未被更新，则最大无改进代次数加1；

步骤4-5：对种群进行变异操作；

步骤4-6：对种群进行交叉操作；

步骤4-7：对种群中的子代进行选择操作；

步骤4-8：为种群中的每一个个体计算适应值，即计算当前种群对应的冷轧区多产线钢卷协调调度方案的目标函数值；

步骤4-9：当前迭代次数进行自增操作并更新种群，返回步骤4-2。

3.根据权利要求2所述的钢铁企业冷轧区多产线钢卷协调调度方法，其特征在于：所述步骤4-5对种群进行变异操作，具体如下：

$V_i^t=X_a^{t-1}\⊕F\⊗(X_b^{t-1}-X_c^{t-1})$

${\mathrm{\Δ}}_i^t=({\mathrm{\δ}}_{i,0}^t,{\mathrm{\δ}}_{i,1}^t,...,{\mathrm{\δ}}_{i,n}^t)$

$V_i^t=X_a^{t-1}\⊕{\mathrm{\Δ}}_i^t\⇔v_{\mathrm{ij}}^t=x_{\mathrm{aj}}^{t-1}\⊕{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}^t=\mathrm{mod}((x_{\mathrm{aj}}^{t-1}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}^t+n),n)$

其中，为第t代第i个变异染色体，为中的第j个个体，为第t-1代种群中的三个不同的冷轧区多产线钢卷协调调度方案，为中的第j个个体，F为缩放因子，为第t代变异过程中的第i个中间变异染色体，为第t代变异过程中的中间变异染色体中的第j个个体，mod是取余操作。

4.根据权利要求2所述的钢铁企业冷轧区多产线钢卷协调调度方法，其特征在于：所述步骤4-6对种群进行交叉操作，具体如下：

产生试验染色体i＝1,2,…,PS，为染色体中的任意个体；

其中，CR位于[0,1]，为保持种群多样性的交叉参数，rand()产生0和1之间均匀分布的随机数，D_j是在集合{1,2,…,n}中随机选择的数，以此保证至少的某一维与第t-1代第i个冷轧区多产线钢卷协调调度方案不同；

CR随迭代次数的增加不断变化的自适应，其更新方式如下：

$\mathrm{CR}={\mathrm{CR}}_{\min }+t^{*}\frac{({\mathrm{CR}}_{\max }-{\mathrm{CR}}_{\min })}{T}$

其中，CR_min为最小交叉概率，CR_max为最大交叉概率，t为当前迭代次数，T为最大迭代次数。