【技术实现步骤摘要】
一种基于多目标的中厚板坯料设计方法
[0001]本专利技术涉及自动化
，尤其涉及一种基于多目标的中厚板坯料设计方法。
技术介绍
[0002]中厚板的坯料设计是钢铁企业热轧生产中提高生产效益的关键技术，坯料设计计划的优劣对生产带出、成材率、子坯重量等生产关键衡量指标有极大影响。中厚板的产品规格繁多、订单种类复杂。目前钢铁企业的中厚板坯料设计多是基于人工经验或者由一套自动设计流程来实现。但是人工操作方式，计划员需要完成上百份订单的组板设计及坯料设计工作，操作效率极低，造成现货率持续增高、成材率低等问题。自动设计流程无法解决坯料设计过程中的各种生产约束之间和成品标准的要求，也无法保证设计方案的优越性，往往自动设计完毕，还需要人工再手动调整，不能有效地提高生产效率。因此，研究与开发一套能够满足中厚板生产需要的智能拼板系统，建立相关拼板及优化模型，解决生产效率低、现货带出品多等问题对于钢铁企业的中厚板生产过程来说迫在眉睫。
[0003]在实际生产中客户多样化的订单需求与钢铁企业的大规模生产计划之间难以很好的适应，需要一种...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于多目标的中厚板坯料设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：提取中厚板坯料设计工艺特征，将生产目标和工艺约束转化为数学表达，从而建立中厚板坯料设计工艺的多目标函数及约束；所述中厚板坯料设计工艺特征包括：坯料和订单的匹配关系、生产设备的限制、从坯料到订单的生产过程、客户需求、生产计划质量的衡量指标；步骤2：按照厚度和钢质代码对订单进行分组；按照厚度分为订单的一级集合，一级集合中的订单具有相同厚度；然后对一级集合中的订单进行二次分组，二次分组的依据为钢质代码，相同钢质代码的订单划分到同一个集合里，为二级订单集合；步骤3：设计启发式算法生成初始中厚板坯料设计方案；按照目标优先级构建不同的启发式算法，覆盖不同的初始可行坯料设计方案的产生过程；步骤4：设计坯料子板交叉策略，改进初始可行设计方案；具体的交叉策略如下：步骤5：设计坯料子板变异策略，改进初始可行设计方案；步骤6：设计方案的选择策略；选择策略包含三个选择标准：替换标准、入池标准和舍弃标准；替换标准：现货带出数量、子坯重量和成材率三个目标都能支配方案池中的方案；入池标准：现货带出数量、子坯重量和成材率三个目标至少存在一个目标不能被方案池中的方案支配；舍弃标准：现货带出数量、子坯重量和成材率三个目标都能被方案池中的某个方案支配；初始方案集合、交叉方案集合和变异方案集合中的方案依次尝试入池；如果尝试入池的方案满足替换标准，则将方案池中的一个方案替换出来，如果满足入池标准，则比较该方案是否已经在方案池中存在，如果不，则直接将该方案加入到方案池中，如果满足被舍弃标准，则不能将该方案入池，并比较交叉方案集合中的下一个方案；步骤7：按照方案削减策略减少方案池中的方案数量；步骤8：调整同一个设计方案中不同中厚板上的子板分布，最后给出限定方案数量之内的设计方案。2.根据权利要求1所述的一种基于多目标的中厚板坯料设计方法，其特征在于，所述步骤1具体包括以下步骤：步骤1.1：定义中厚板坯料设计过程中的决策变量x
ij
，x
ij
表示订单i在坯型j上的设计数量，其取值范围为x
ij
>0,>0,为整数集合；步骤1.2：定义中厚板坯料设计过程中的优化目标；所述优化目标包括：最小化现货带出数量、最大化成材率、最大化子坯总重量；其中现货为中厚板坯料设计的生产计划中超出订单订货件数的生产产品，即p
i
是订单i的订货件数；成材率为评价中厚板坯料设计的生产计划的生产效率的标准，表示的是成品量和原料重量的比例；成品量是指实际能切割出的子板重量，包括期货子板重量和现货子板重量；即
成材率表达为其中q
i
是订单i的单重，d
i
是订单i的长度；子坯重量为中厚板坯料设计的原料重量，即指坯料的重量；第j个坯料的重量由坯料的厚度、宽度、长度和钢铁密度ρ来计算；坯料j的设计厚度和订单的厚度T
j
等同，设计宽度是主订单k的宽度w
k
和切边量S
j
之和，坯料的设计长度是订单的总长度和切头尾量H
j
之和，因此坯料的重量为原料总重量为：步骤1.3：分析中厚板坯料设计的生产工艺特征，根据定义的决策变量刻画其约束的数学表达，具体包括订单约束、生产工艺约束、唯一主订单约束所述订单约束为，中厚板生产时，设计的坯料经过轧机轧制，轧制后中坯料体积发生改变，由于生产工艺和生产设备的限制，中厚板的厚度区间T
min
和T
max
，宽度区间W
min
和W
max
；因此有T
min
≤T
j
≤T
max
和W
min
≤W
j
≤W
max
；所述生产工艺约束包括：每个设计方案至多有一个主订单，即z
kkj
表示订单k是否作为主订单设计到坯料j上，如果是，则为1，否则为0；中厚板坯料设计的设计方案中子板跳宽不能超过跳宽上限值；跳宽是影响中厚板成材率的一个参数，指一个设计方案的所有子板中最大宽度和最小宽度的差值；因此有|min{1,x
uj
}w
u
‑
min{1,x
vj
}w
v
|≤W
c
，其中订单u和订单v为不同生产订单号的订单，W
c
为最大跳宽，w
u
是订单u的宽度，w
v
是订单v的宽度；设计方案的长度不能超过中厚板坯料设计所要求的极限长度，数学表达为其中D
j
为极限长度值，d
i
是订单i的长度，设计方案的成材率不得小于成材率下限Y
MIN
，数学表达为：所述唯一主订单约束为，每个设计方案只能有一个主订单，有其中M是一个极大数。3.根据权利要求1所述的一种基于多目标的中厚板坯料设计方法，其特征在于，所述步骤2具体包括以下步骤：步骤2.1：按照订单设计规格要求筛选符合设计规格要求的订单，形成原始订单集合；其中所述订单设计规格要求是指中厚板坯料设计对订单的厚度范围、宽度范围、长度范围、钢质代码、欠拼订单数、现货数量和宽度差的要求；不满足订单设计规格要求的订单不能满足中厚板生产的成品要求；步骤2.2：构建空的订单集合，装载满足订单设计规格要求的订单；步骤2.3：从原始订单集合中选择一个未被选择过的订单，搜索在订单集合中是否存在
一个一级订单集合，其厚度与该订单的厚度相同；如果存在则执行步骤2.4，否则，执行步骤2.5.步骤2.4：在厚度相同的一级订单集合中搜索是否存在一个二级订单集合，其钢质代码与被选择订单的钢质代码相同，如果相同，则执行步骤2.6，否则执行步骤2.7；步骤2.5：新建一个一级订单集合，记录当前订单的厚度为该一级订单集合容纳的订单的厚度；执行步骤2.7；步骤2.6：把该订单加入到该二级订单集合中；执行步骤2.8步骤2.7：新建一个二级订单集合，记录当前订单的钢质代码为该二级订单集合容纳的订单的钢质代码，将该二级订单集合加入到当前搜索到的一级订单集合中；将当前选择的订单加入到该新建的二级订单集合中；执行步骤2.8步骤2.8：检测原始订单集合中是否存在订单尚未被选择，如果是，则执行步骤2.1，否则，终止分组过程；执行步骤2.9步骤2.9：分别对各个一级订单集合下的二级订单集合执行排序操作；所述排序操作的依据是订单长度和订单的欠拼数量，对每一个二级订单集合中的所有订单按照订单长度降序排列，相同订单长度的订单按照订单的欠拼数量降序排列；其中订单的欠拼数量是指订单剩余需求中被设计的数量。4.根据权利要求1所述的一种基于多目标的中厚板坯料设计方法，其特征在于，所述步骤3具体包括以下步骤：步骤3.1：构建启发式的目标排序集合；中厚板坯料设计根据带出现货数量最少、成材率最高和子坯重量最大三个目标，构建6种目标优先级排序，分别为带出现货数量最少
‑
成材率最高
‑
子坯重量最大、带出现货数量最少
‑
子坯重量最大
‑
成材率最高、成材率最高
‑
带出现货数量最少
‑
子坯重量最大、成材率最高
‑
子坯重量最大
‑
带出现货数量最少、子坯重量最大
‑
成材率最高
‑
带出现货最少、子坯重量最大
‑
带出现货最少
‑
成材率最高；步骤3.2：执行以“带出现货数量最少
‑
子坯重量最大
‑
成材率最高”为目标优先级的启发式算法，简称为现货
‑
子坯
‑
成材率；步骤3.2.1：从备选的坯料集合中选择一个坯料，作为被设计的坯料；其中备选的坯料集合包含的是操作人员选择的一个或者多个坯料；步骤3.2.2：从订单集合中选择一个一级订单集合，该一级订单集合中的二级订单集合数量不能为0；步骤3.2.3：从一级订单集合中选择一个二级订单集合，将其中的订单按照宽度降序排列，相同宽度按照长度降序排列，相同宽度和长度的订单按照订单欠拼量降序排列；步骤3.2.4：从二级订单集合中选择一个订单，并将此订单认定为主订单；由主订单确认设计方案的厚度、宽度和长度范围；长度范围的下限由坯料的长度下限确定；长度范围的上限取坯料的长度上限、人工给定的长度上限及轧制长度的上限三者的最小值，即极限长度值；步骤3.2.5：如果二级订单集合中还存在欠拼子板数量不为0的订单，则从二级订单集合中选择排序在主订单之后的订单作为设计订单；步骤3.2.6：根据极限长度值和设计订单的订货长度计算设计订单允许的最大设计数量；将该最大设计数量和该订单的欠拼量进行比较，取二者的最小值作为该订单设计数量
的实际上限；步骤3.2.7：选择设计订单的设计数量为设计数量的实际上限；步骤3.2.8：按照设计订单的设计数量来设计订单；然后根据现货
‑
子坯
‑
成材率的设计成功条件检测是否满足设计要求；如果满足现货
‑
子坯
‑
成材率的设计成功的要求，则更新该订单的属性，记录该设计方案，执行步骤3.2.4；如果满足现货
‑
子坯
‑
成材率的设计失败条件；减少设计订单的设计数量，直到设计数量减至0或者满足现货
‑
子坯
‑
成材率的设计成功条件，执行步骤3.2.4；如果满足现货
‑
子坯
‑
成材率的设计可行条件，则保持当前设计状态，记录各设计属性，执行步骤3.2.5；步骤3.2.9：执行步骤3.2.3，直到该一级订单集合中的二级订单集合中不存在订单没有遍历过；步骤3.2.10：执行步骤3.2.2，直到不存在没有被遍历过的一级订单集合；步骤3.2.11：执行步骤3.2.1，直到所有的坯料都被遍历完毕或者所有的订单的欠拼子板数都等于0；所述现货
‑
子坯
‑
成材率的设计成功条件：带公差的设计厚度、带切变量的设计宽度、带切头尾量的设计长度均在设计要求的最小值和最大值之间；所述现货
‑
子坯
‑
成材率的设计失败条件：带切变量的设计宽度数值小于0或者大于宽度约束上限，带切头尾量的设计长度小于0或者大于长度约束上限；所述现货
‑
子坯
‑
成材率的设计可行条件：带公差的设计厚度、带切变量的设计宽度数值均在设计要求的最小值和最大值之间，带切头尾量的设计长度数值大于0并且小于其下限值；步骤3.3：执行以“带出现货数量最少
‑
成材率最高
‑
子坯重量最大”为目标优先级的启发式算法，简称为现货
‑
成材率
‑
子坯；步骤3.3.1：从坯料集合中选择一个坯料，作为被设计的坯料；步骤3.3.2：从订单集合中选择一个一级订单集合，该一级订单集合中的二级订单集合数量不能为0；步骤3.3.3：从一级订单集合中选择一个二级订单集合，将其中的订单按照宽度降序排列，相同宽度按照长度降序排列，相同宽度和长度的订单按照订单欠拼量降序排列；步骤3.3.4：从二级订单集合中选择一个订单，并将此订单认定为主订单，由主订单确认设计方案的厚度、宽度和长度范围；长度范围的下限由坯料的长度下限确定；长度范围的上限取坯料的长度上限、人工给定的长度上限及轧制长度的上限三者的最小值，即极限长度值；步骤3.3.5：如果二级订单集合中还存在欠拼子板数量不为0的订单，则从二级订单集合中选择排序在主订单之后的订单作为设计订单；步骤3.3.6：根据极限长度值和设计订单的订货长度计算设计订单允许的最大设计数量；将该最大设计数量和该订单的欠拼量进行比较，取二者的最小值作为该订单设计数量的实际上限；步骤3.3.7：选择设计订单的设计数量为设计数量的实际上限；步骤3.3.8：按照设计订单的设计数量来设计订单；步骤3.3.9：然后根据现货
‑
成材率
‑
子坯的设计成功条件检测是否满足设计要求；如果
满足现货
‑
成材率
‑
子坯的设计成功条件的要求，则更新该订单的属性，记录该设计方案，执行步骤3.3.4；如果满足现货
‑
成材率
‑
子坯的设计失败条件则执行步骤3.3.10；如果满足现货
‑
成材率
‑
子坯的设计可行条件，则保持当前设计状态，记录各设计属性，执行步骤3.3.5；如果二级订单集合的订单都被遍历完，则执行步骤3.3.11；步骤3.3.10：更换坯料索引更小的坯料设计到当前方案上，直到不存在索引更小的坯料；如果一直满足现货
‑
成材率
‑
子坯的设计失败条件，则减少设计订单的设计数量，直到设计数量减至0或者满足现货
‑
成材率
‑
子坯的设计成功条件，执行步骤3.3.4；步骤3.3.11：执行步骤3.3.3，直到该一级订单集合中的二级订单集合中不存在订单没有遍历过；步骤3.3.12：执行步骤3.3.2，直到不存在没有被遍历过的一级订单集合；步骤3.3.13：执行步骤3.3.1，直到所有的坯料都被遍历完毕或者所有的订单的欠拼子板数都等于0；所述现货
‑
成材率
‑
子坯的设计成功条件：带公差的设计厚度、带切变量的设计宽度、带切头尾量的设计长度均在设计要求的最小值和最大值之间；设计方案的跳宽小于跳宽界限值，成材率大于成材率下限值；所述现货
‑
成材率
‑
子坯的设计失败条件与所述现货
‑
子坯
‑
成材率的设计失败条件相同；所述现货
‑
成材率
‑
子坯的设计可行条件与所述现货
‑
子坯
‑
成材率的设计可行条件相同；步骤3.4：执行以“成材率最高
‑
子坯重量最大
‑
带出现货数量最少”为目标优先级的启发式算法，简称为成材率
‑
子坯
‑
现货；步骤3.4.1：从坯料集合中选择一个坯料，作为被设计的坯料；步骤3.4.2：从订单集合中选择一个一级订单集合，该一级订单集合中的二级订单集合数量不能为0；步骤3.4.3：从一级订单集合中选择一个二级订单集合，将其中的订单按照宽度降序排列，相同宽度按照长度降序排列，相同宽度和长度的订单按照订单欠拼量降序排列；步骤3.4.4：从二级订单集合中选择一个订单，并将此订单认定为主订单；由主订单确认设计方案的厚度、宽度和长度范围；长度范围的下限由坯料的长度下限确定；长度范围的上限取坯料的长度上限、人工给定的长度上限及轧制长度的上限三者的最小值，即极限长度值；步骤3.4.5：如果二级订单集合中还存在欠拼子板数量不为0的订单，则从二级订单集合中选择排序在主订单之后的订单作为设计订单；步骤3.4.6：根据极限长度值和设计订单的订货长度计算设计订单允许的最大设计数量；将该最大设计数量和该订单的欠拼量进行比较，取二者的最小值作为该订单设计数量的实际上限；步骤3.4.7：选择设计订单的设计数量为设计数量的实际上限；步骤3.4.8：按照设计订单的设计数量来设计订单；步骤3.4.9：然后根据成材率
‑
子坯
‑
现货的设计成功条件检测是否满足设计要求；如果满足成材率
‑
子坯
‑
现货的设计成功的要求，则更新该订单的属性，记录该设计方案，执行步
骤3.4.4；如果满足成材率
‑
子坯
‑
现货的设计失败条件则减少设计订单的设计数量，直到设计数量减至0或者满足成材率
‑
子坯
‑
现货的设计成功条件；如果满足成材率
‑
子坯
‑
现货的设计可行条件，则保持当前设计状态，记录各设计属性，执行步骤3.4.5；如果二级订单集合的订单都被遍历完，则执行步骤3.4.11；步骤3.4.10：如果设计方案一直满足成材率
‑
子坯
‑
现货的设计可行条件，无法达到成材率
‑
子坯
‑
现货的设计成功条件，则执行“宽度最大现货带出策略”，添加现货产品；步骤3.4.10.1：构建现货带出的可选订单集合；现货带出的订单满足两个条件，第一个是该订单存在于该方案已经设计上的订单集合中，第二个是该订单的欠拼量小于1；然后将现货可选订单集合中的订单按照宽度降序排列，同宽度的按照长度降序排列步骤3.4.10.2：记录当前设计方案的总长度，从可选订单集合中选择第一个订单，根据当前设计方案的极限长度最大值和当前设计方案的总长度计算当前的长度剩余量；根据长度剩余量和当前订单的长度计算订单的设计数量上限；步骤3.4.10.3：按照最大数量带出现货，然后检测当前方案的设计条件，如果成功，则终止循环，否则擦除本次操作，将带出现货的数量减1，继续尝试设计，直到设计成功或者带出现货的数量为0.步骤3.4.10.4：更新当前的方案属性，并选择下一个订单继续尝试现货带出，直到订单候选集合中的订单都被遍历完毕步骤3.4.11：执行步骤3.4.3，直到该一级订单集合中的二级订单集合中不存在订单没有遍历过；步骤3.4.12：执行步骤3.4.2，直到不存在没有被遍历过的一级订单集合；步骤3.4.13：执行步骤3.4.1，直到所有的坯料都被遍历完毕或者所有的订单的欠拼子板数都等于0；所述成材率
‑
子坯
‑
现货的设计成功条件与所述现货
‑
子坯
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成材率的设计成功条件相同；所述成材率
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子坯
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现货的设计失败条件与所述现货
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子坯
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成材率的设计失败条件相...
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