考虑非定尺订单规格柔性的热轧中厚板组板及板坯设计的方法及模型系统

摘要

本发明公开了一种考虑非定尺订单规格柔性的热轧中厚板组板及板坯设计的方法及模型系统，该方法步骤如下：获取生产订单信息，进行订单分类，并将二维组合订单简化为一维组合订单的倍宽设计；依据子板可组合规则对订单进行分组；采用考虑非定尺订单规格柔性的组合方法完成每组订单的母板设计；若订单为二维组合订单，采用倍宽组板补充完成二维母板设计；所有订单完成母板设计后，进行断面可选的板柸设计，输出最优二切坯方案；二切坯方案可用于生产计划编制，通过生产计划控制生产运行与设备操作。本发明考虑并利用非定尺订单规格柔性和板坯断面多选择性进行中厚板母板和板坯的集成优化设计，提升了设计质量，成材率高，余材率低，设计效率显著提升。

说明书

技术领域

本发明涉及冶金控制技术领域，具体涉及一种能进行一维和二维、定尺与非定尺的热轧中厚板组板及板坯设计的方法及模型系统。

背景技术

热轧中厚板广泛应用于基础设施建设、国防工业、工程机械等行业，行业的广泛性使得面向中厚板产品市场的生产订单具有多品种、多规格、小批量、个性化等特点，这使得满足市场的个性化定制需求与企业的规模化生产之间的矛盾更加凸显。进行中厚板生产，首先需要面向生产订单进行组板及板坯设计，这不仅是建立生产与客户需求之间的“桥梁”，也是生产计划安排的基础。组板及板坯设计的优化程度，成为企业实现规模化低成本生产的前提条件，也是中厚板企业快速响应市场，提高核心竞争力的关键要素。

近年来，关于中厚板组板及板坯设计的相关研究主要针对单一确定板坯断面下的一维母板设计优化问题展开，设计方法中有考虑母板规格的柔性；相应的二维设计因为其问题的复杂性，且还会受到具体切割方式的限制，在建模和求解方面有更大难度，已有研究者将二维板坯设计问题归结为装箱问题(例如Zheng Y等在Hybrid Scatter Search andTabu Search for the Mother Plate Design Problem in the Iron and SteelIndustry中披露的内容)，并根据问题特点设计了相应的求解算法。然而上述研究在建模过程中引入了较多的假设，对组板及板坯设计过程的不确定性进行了一定程度的简化，使得其难以被直接应用于现实生产。在相关模型方法的应用领域，有研究者提出了双定尺订单组板及板坯设计的自动设计方法(例如本发明的发明人郑忠等在“中厚板坯料优化设计系统研究与应用”中披露的内容)，部分钢铁企业对企业ERP信息系统的功能拓展方面进行探索(例如CN2011101141094中披露的内容)，取得一定的效果，但订单的完全处理能力、模型的全局优化能力和系统功能等还难以满足企业的现实需求。在大多数钢铁企业的ERP和MES系统中，中厚板的组板及板坯自动设计功能通常只能完成单个订单的设计，对于多品种、多规格、小批量的多订单而言，还没有有效的计算方法。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种考虑非定尺订单规格柔性的热轧中厚板组板及板坯设计的方法及模型系统。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种考虑非定尺订单规格柔性的热轧中厚板组板及板坯设计方法，具体包括如下步骤：

S1，获取母板信息并存储在基础参数数据库，所述母板信息包括长度范围、宽度范围、厚度范围；

获取生产订单信息并存储在订单数据库，所述生产订单信息包括订单产品的长度、宽度、厚度、炼钢牌号、轧钢牌号以及交货状态；

进行订单预处理，根据订单子板宽度将订单分为一维组合订单和二维组合订单；根据订单子板组合方式将二维组合订单简化为一维组合订单的倍宽设计；

S2，依据子板可组合规则对订单进行分组；

S3，选择未进行母板设计的一组订单，采用考虑非定尺订单规格柔性的组板方法完成母板设计；

S4，判断步骤S3的订单是否为二维组合订单，如果是，则根据倍宽设计原则补充完成二维母板设计，否则执行步骤S5；

S5，判断是否所有订单全部完成母板设计，如果没有完成，则执行步骤S3，如果所有订单全部完成母板设计，则执行步骤S6；

S6，进行板坯设计，可根据相应的断面选择得到最优二切坯方案并输出；

S7，得到的二切坯方案可以输出到炼钢和热轧生产计划系统，以进行炼钢连铸生产计划和热轧单元生产计划编制，进而通过生产计划控制生产运行和相关设备操作。

本发明的考虑非定尺订单规格柔性的热轧中厚板组板及板坯设计方法考虑并利用非定尺订单规格的不确定性和板坯多断面选择的灵活性，进行中厚板和板坯的集成优化设计，提升了设计质量，成材率高，余材率低，设计效率显著提升，可将计划编制时间缩短至秒和分钟。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种考虑非定尺订单规格柔性的热轧中厚板组板及板坯设计模型系统，其包括数据层和应用层，所述数据层包括用户订单数据库，基础设计参数数据库，设计规则参数数据库和设计结果数据库；应用层接收数据层中的数据信息，利用用户界面获取订单信息，应用层利用本发明的方法进行热轧中厚板组板及板坯设计并通过用户界面输出，利用得到的二切坯方案进行炼钢生产计划编制；所述应用层的运行结果输出给炼钢生产计划系统和热轧生产计划系统进行炼钢-连铸生产计划和热轧单元生产计划的编制，进而通过生产计划控制生产运行和相关设备操作。

本发明采用分层模块化思想设计中厚板组板及板坯设计模型系统，分层分类划分功能模块，重点解决一维、二维两种模式下的中厚板组板及板坯设计问题，提高组板效率。通过某钢厂的生产数据模型系统进行验证，结果表明模型系统在设计质量和效率两个方面均明显提高，且能够灵活适应现场工艺、生产组织等条件的变动，为降低生产过程的材料损耗、降低生产成本提供了工具。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一种优选实施方式中考虑非定尺订单规格柔性的热轧中厚板组板及板坯设计方法的流程图；

图2是本发明一种优选实施方式中考虑非定尺订单规格柔性的热轧中厚板组板及板坯设计模型系统的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

中厚板组板及板坯设计包括母板设计和板坯设计，母板设计是将生产订单拆分组合成轧制母板并确定母板尺寸规格的过程。从母板的切割维数来讲，生产订单子板组合方式包括一维和二维两种，一维组合只在长度方向组合，其组合约束也主要考虑长度方向约束，二维组合需要在长度和宽度两个方向进行组合。同时，由于非定尺生产订单仅给出了规格范围，生产设备和轧制工艺要求也具有一定的调节范围，因此，母板设计需要考虑非定尺订单规格的不确定性、母板规格的不确定性以及多断面选择的不确定性等，通过对这些不确定性的优化决策可以提高母板设计质量，减少设计余材。母板设计完成后，板坯设计阶段将根据母板选择的二切坯断面和母板板坯规格计算母板对应的二切坯规格，得到炼钢生产计划编制需要的二切坯。

本发明提供了一种考虑非定尺订单规格柔性的热轧中厚板组板及板坯设计方法，如图1所示，其包括如下步骤：

S1，获取母板信息并存储在基础参数数据库，所述母板信息包括长度范围、宽度范围、厚度范围；

获取生产订单信息并存储在订单数据库，生产订单信息包括订单产品的合同号、产品规格、长度、宽度、厚度、炼钢牌号、轧钢牌号、订货量、剩余量、剩余件数、运输方式以及交货状态；

进行订单预处理，根据订单子板宽度将订单分为一维组合订单和二维组合订单；根据订单子板组合方式将二维组合订单简化为一维组合订单的倍宽设计。

在本实施方式中，当订单子板宽度小于热轧机轧制宽度的下限时，为二维组合订单，否则为一维组合订单。

将二维组合订单简化为一维组合订单的倍宽设计的方法为：

设定宽度方向所有订单子板的宽度之和不超过母板最大轧制宽度；二维组合的母板长度为宽度方向上长度最大的子板长度之和；

若订单子板组合方式为宽度方向可组合两块子板，且这两块子板的长度、宽度相等，则可以将二维组板问题处理为一维组板的倍宽问题，通过对二维组合订单的预处理和后处理实现二维组板设计。预处理过程将二维组合订单简化为一维组合订单的倍宽问题，后处理补充完成二维组合订单的二维设计。

S2，依据子板可组合规则对订单进行分组，例如将炼钢牌号、轧钢牌号、宽度、厚度、厚度负公差、交货状态相同的订单分为一个组。

S3，选择未进行母板设计的一组订单，采用考虑非定尺订单规格柔性的组板方法完成母板设计，具体步骤包括：

S31，根据母板规格与板坯轧制规格对应关系选择母板的设计断面，计算母板的长度范围，母板长度范围对应板坯长度范围，根据板坯长度范围和母板厚度、宽度计算母板长度范围，母板长度初始不确定，是根据组合到母板上的子板确定的；

S32，计算非定尺订单子板初始长度，初始订货件数，初始长度是非定尺订单子板的最小长度，例如每次循环长度增加50mm，初始订货件数根据订货量和初始长度计算得到；

S33，根据子板组合约束条件，把订单子板组合到母板上，得到可行的母板设计方案，约束条件为：

约束(1)和(2)为订单量约束，约束(3)为每块订单子板只能组合到一块母板上，约束(4)为非定尺订单子板长度限制约束，约束(5)～(7)为母板长度限制约束，约束(8)为断面选择约束，同一订单选择相同的断面，通过求解模型即可得到为满足订单需求而需要生产的二切坯和母板设计方案。

得到可行的母板设计方案的具体过程为：

S331：计算母板长度范围：

根据母板和板坯转换关系计算断面k下母板最大可轧制长度和最小可轧制长度同时与母板最大长度限制比较得到母板最大长度和最小长度其中，p指代母板，k是板坯断面序号，j是母板序号；

母板和板坯转换关系是母板和板坯的规格转换关系，公式如下：

式中：F为二切坯长度，H为母板厚度，K为母板宽度，L为母板长度，B_h为板坯厚度，B_k为板坯宽度，s为烧损率，g为割缝值，a为厚度负公差下限，h为厚度余量，k为宽度余量，l为长度余量。割缝值、厚度负公差下限、厚度余量、宽度余量、长度余量取值为母板规格和板坯规格的函数；

S332：计算非定尺订单子板初始长度和初始订货件数

根据生产订单对子板规格的要求，定尺订单的子板规格一定，直接进行组合，非定尺订单的子板长度为范围值在进行子板组合时需要依据板面最大化原则(母板长度越大越好)和母板最大长度限制，利用母板和板坯转换公式计算非定尺订单子板的初始长度和初始订货件数

其中，h指母板厚度；

S333：将订单子板组合成轧制母板：

S3331，按照长度从大到小或从小到大的顺序对订单子板进行排序，计算母板剩余长度

其中，sur指代剩余长度，

S3332，如果所有的子板已经组合完毕，结束子板组合，否则进入下一步；

S3333，选择一块长度最大的订单子板，比较子板长度和每块母板的剩余长度若存在母板可以将该订单子板放入其中，选择其中长度最大的母板并将该子板组合到母板上，若不存在，生成一块新的母板，并将该子板组合到母板上，再次计算所有母板的剩余长度和订单剩余订货件数

S3334，循环执行步骤S3331～S3333，直至所有的子板都组合完成。

S34，建立目标函数，计算母板余材长度。

目标函数：

其中，i为订单序号，v子板序号，m为订单总个数，q为断面总数，

h为订单子板厚度，

w为订单子板宽度，

ρ_zg为订单产品密度，

l_i,v为订单i中的长度，

分别为订单i的子板最小长度和最大长度，若为定尺订单，则有

DHL_i为订单i的订货重量，

d_i为订单i的订货件数；

为母板j的长度，

为轧制工艺要求的母板最大轧制长度，

分别为断面k下，二切坯长度限制对应的母板最小和最大可轧制长度，通过母板板坯转换公式计算得到；

a_i,v,j为0-1变量，当订单i的子板v组合到母板j上时为1，否则为0；

为0-1变量，当订单i选择断面k进行设计时为1，否则为0。

S35，利用解改进策略对可行解进行优化；

利用解改进策略对母板设计结果进行改进的具体步骤为：

S351：对S33中得到的子板组合结果按照母板长度降序或升序排列；

S352：检查是否全部满足大于母板最小长度的要求，若全部满足，结束母板设计，执行步骤S353；否则利用非定尺订单规格柔性、母板规格柔性以及板坯断面多选择性调整订单子板长度、母板长度和母板选择断面，对母板设计结果进行优化；S353：输出改进后的母板设计结果。

S36，获得优化后的母板设计方案。

在本实施方式中，利用非定尺订单规格柔性、母板规格柔性以及板坯断面多选择性调整订单子板长度、母板长度和母板选择断面，对母板设计结果进行优化的方法可以为：

调整母板上非定尺子板长度，通过增大非定尺订单子板长度使母板长度达到最小长度，若不满足，则调整母板上子板位置(将子板从最大母板上移动到不满足母板最小长度的母板上)和/或更换设计断面，重新计算母板长度范围和非定尺订单子板长度、订货件数。

S4，判断步骤S3的订单是否为二维组合订单，如果是，则根据倍宽设计原则补充完成二维母板设计，否则执行步骤S5；

S5，判断是否所有订单全部完成母板设计，如果没有完成，则执行步骤S3，如果所有订单全部完成母板设计，则执行步骤S6；

S6，进行板柸设计，可根据相应的断面选择得到最优二切坯方案并输出；

S7，得到的二切坯方案可以输出到炼钢和热轧生产计划系统，进行炼钢连铸生产计划和热轧单元生产计划编制，进而通过生产计划控制生产运行和相关设备操作。

本发明还提供了一种考虑非定尺订单规格柔性的热轧中厚板组板及板坯设计模型系统(具体的应用系统会根据钢厂的具体情况做细化调整)，如图2所示，其包括数据层、应用层和用户层，

所述数据层包括用户订单数据库，基础设计参数数据库，设计规则参数数据库和设计结果数据库；基础设计参数数据库存储设计过程用到的设计参数，设计规则参数数据库存储计算过程中的规则要求，例如母板最大长度、板坯长度范围；有些只是设计参数，例如长宽厚度余量。

应用层接收数据层中的数据信息，利用用户界面获取订单信息，用户界面包括生产订单管理界面、组板及板坯设计界面、设计结果管理界面和设计参数管理界面，应用层处理器利用权利要求1-6所述的方法进行热轧中厚板组板及板坯设计并通过用户界面输出，利用得到的二切坯方案进行炼钢连铸生产计划和热轧单元生产计划编制，通过生产计划控制生产运行和相关设备操作；

用户层存储用户信息，根据生产管理要求设置不同用户的使用权限。

为了验证方法的有效性和模型系统的实用性，以某钢厂接收的生产订单为对象进行中厚板组板及板坯设计方法和模型系统性能测试，根据订单接收周期的不同设计了4组测试，每组包含3个测试案例，方便进行不同订单分组数和非定尺订单比例的比较测试，测试结果如表1所示。

表1.不同计划周期下模型系统组板设计结果对比

其中：非定尺订单比例＝非定尺订单个数/总订单个数；成材率＝成品重量/板坯重量；余材率＝余材重量/母板重量。

表1的测试数据显示出中厚板组板及板坯设计方法和模型系统正确有效，能够迅速完成所有生产订单的组板设计，具体说明如下：

比较表1中每组测试案例中的3组生产订单的成材率和余材率可见，随着订单分组个数的减少和非定尺订单占总订单个数的比例的增加，成材率明显提高，余材率明显降低。由此可见，本发明一方面能够尝试所有订单子板的可能的组合方式，另一方面能够充分利用非定尺订单子板规格柔性，随着订单池规模的增大和非定尺订单比例的增加，本发明能够有效提高组板及板坯设计成材率，减少设计余材。本发明针对不同计划周期、不同生产规模与订单特点的测试，表明了对订单子板组合方式、非定尺订单子板规格、母板规格和母板选择断面的集成优化效果明显，优化空间越大设计质量越高。

为了说明本发明利用非定尺订单规格柔性和母板规格柔性进行设计结果优化的过程，以某组生产订单为例说明订单设计结果如下，本发明根据客观的订单信息以及母板信息，将订单信息与母板信息进行最优匹配，提高母板的利用率。根据本发明的方法，具体匹配时本发明利用非定尺订单规格柔性和母板规格柔性尝试所有不同长度下订单子板的可能的组合方式，产生多个不同的订单设计结果以及母板设计方案，并计算不同方案下的余材，然后对可行解进行筛选，以余材最少、母板个数更少、成材率更高的设计方案为最优的母板设计方案，从而依此对母板进行轧制，下面仅举出两个不同非定尺订单子板长度下的可行结果为例：

生产订单信息：

第一种订单拆分和断面选择结果：

订单序号子板长度子板件数断面成材率A960017200*220094.35B960013200*220094.35C960013200*220094.35D960022200*220094.35

第一种订单子板组合结果如下：

第一种订单子板组合结果共得到13块母板(最右侧的数字是需要的相应母板块数)，其中订单A自身组合得到3块母板，剩余2块子板，订单B自身组合得到2块母板，剩余3块子板，订单A自身组合剩余的2块子板和订单B自身组合剩余的3块子板组合之后得到1块母板，同样订单C自身组合得到2块母板，剩余3块子板，订单D自身组合得到4块母板，剩余2块子板，订单C自身组合剩余的3块子板和订单D自身组合剩余的2块子板组合得到1块母板。最后得到的每块母板的长度为48000mm，每块母板包含5块子板，每块子板的长度为9600mm，其所属订单如上图所示。在设计过程中除了订单自身组合之外，通过订单A和订单B的组合、订单C和订单D的组合避免了产生无订单对应的子板。根据每块订单所选的断面：200*2200，通过母板和板坯转换公式共得到13块二切坯，每块二切坯的长度为3585mm，余材为0mm。

第二种订单拆分和断面选择结果：

订单序号子板长度子板件数断面成材率A1000017200*220094.31B1000012200*220094.31C1000012200*220094.31D1000021200*220094.31

第二种订单子板组合结果如下：

第二种订单子板组合结果共得到16块母板，其中订单A自身组合得到4块母板，剩余1块子板，订单B自身组合得到3块母板，订单C自身组合得到3块母板，订单D自身组合得到5块母板，剩余2块子板，订单A自身组合剩余的1块子板和订单D自身组合剩余的2块子板组合得到1块母板。最后得到的16块母板中14块母板长度为40000mm，每块母板包含4块子板，另外2块母板长度为30000mm，每块母板包含3块子板，每块子板的长度均为10000mm，其所属订单如上图所示。在设计过程中除了自身组合之外，通过订单A和订单D的组合设计，以及母板上订单子板的调整避免了产生无订单对应的余材。根据每块订单所选的断面：200*2200，通过母板和板坯转换公式共得到16块二切坯，其中14块二切坯的长度为2990mm，另外两块二切坯的长度为2250mm，余材为0mm。

经过本发明的计算，在满足模型约束的条件下，根据非定尺订单规格柔性和母板规格柔性，在不同的非定尺订单子板长度下可以得到多个可行的母板设计结果，然后对所有的设计结果择优，输出最优的设计结果，以上面的两种母板设计为例进行说明择优过程，第一组母板设计结果相比第二组母板设计结果的母板长度更大，母板个数更小，同时成材率更高，因此最终选择第一组设计结果。由此可见，本发明可以充分利用非定尺订单规格柔性、母板规格柔性和板坯断面多选择性对中厚板组板及板坯设计过程进行优化，提升中厚板组板及板坯设计质量，提高成材率，减少设计余材。

综上所述，从应用的角度综合考虑求解质量和效率，中厚板组板及板坯设计模型系统可以有效提升组板及板坯设计质量，为降低生产过程的材料损耗、降低生产成本创造条件；通过显著提高钢铁企业组板及板坯设计效率，有效提升了中厚板生产组织的灵活性。除此之外，模型系统设计过程还方便工艺人员进行设计参数调整和确认，模型系统功能能够适应现场生产组织、生产工艺调整等灵活变动的需求。

本发明根据中厚板组板及板坯设计问题的现实需求，结合考虑生产工艺和设备条件对设计目标与约束的影响，以生产订单的非定尺订单和规格不确定特性等为基础，针对一维、二维的中厚板组板及板坯设计问题构建适应性模型，匹配适宜的模型求解算法，成材率高、余材率低、设计效率高，对提升中厚板企业的快速市场响应能力具有重要意义和应用价值。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。