热轧带钢生产调度模型与算法研究_.pdf

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上海交通大学硕士学位论文I热轧带钢生产调度模型与算法研究摘热轧带钢生产调度模型与算法研究摘要要热轧生产作为钢铁生产中的一道重要工序，其生产调度影响到炼钢，连铸生产的计划编制；轧制计划完成情况的好坏，直接决定产品质量、产量、交货日期和企业的生产效益。

合理的生产调度可以提高生产效率，降低能耗和成本，从而提高企业的竞争力。

热轧生产调度是一个复杂的约束组合优化问题，其生产约束条件包括连续轧制板坯的宽度、厚度和硬度跳变要求，轧制计划的最大长度，产品库存及交货期等。

本文针对热轧问题的目标和约束，建立了单轧制批次和多轧制批次调度的优化模型。

模型不仅考虑了轧制计划中板坯在宽度，厚度，硬度上的跳变，相同宽度板坯连续轧制长度约束，而且还考虑了轧制中烫辊材和主体材的合理安排，能够编制出满足一定规格的“双梯形”的轧制计划。

其中，多轧制调度模型考虑了多个轧制计划，采用并行策略，更具有研究价值和实际应用前景。

在轧制调度模型的基础上，通过对遗传算法的各种改进方法的比较和分析，本文提出了局部搜索混合遗传算法。

通过在遗传算法中引入其他搜索算法，既发挥了遗传算法自身的优势，又利用其他搜索算法来弥补遗传算法的不足。

在实际的生产调度系统中存在很多随机的和不确定的因素，仅仅靠上海交通大学硕士学位论文II静态调度的结果，远远不能满足实际生产需要。

因此有必要在静态调度的基础上，建立动态调度系统，以处理热轧生产中的各种动态事件。

在热轧静态调度模型的基础上，提出了热轧动态调度框架，在此框架内建立了重调度规则与优化算法。

重调度策略是建立在热轧调度领域知识上的启发式规则，包括修补策略与完全重调度策略。

不同的调度策略用于应对不同的动态事件，策略与优化算法，构成了完整的热轧动态调度方案。

基于本文所研究的模型和优化调度算法，开发了热轧调度系统，仿真数据表明，该系统能提供满意的解决方案和调度性能。

关键词：

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智能优化算法，热轧调度，动态调度，多轧制批次调度上海交通大学硕士学位论文IIIDEVELOPMENTOFMODELANDALGORITHMFORHOTSTRIPMILLSCHEDULINGABSTRACTDuringpastfewdecades,withtheglobalcompetitionthesteelmanufacturingenterprisesarefacedwiththechallengestoreducingoperationalcostsandmakingthebusinessmoreflexibleanddynamicunderanuncertainworldwidemarketplace.Ithasbeenrecognizedthattheadvancedplanningandscheduling（APS）playsanimportantroleinmakingaseamlessintegrationofbusinessandmanufacturingtooptimizebusinessperformancewithlowcostsandsuperiorcustomerservices.The“make-to-order”businessmodelhasbeenpopularlyusedinmanymodernsteelmills.Itshouldbenotedthatthehotstripmill（HSM）isoneofthemostimportantproductionlinestoproducehotrolledstripproductsineitheranintegratedmilloramini-mill.Fromsystempointofview,theHSMdoesnotonlyproduceitsfinishedhotrolledproducts,butalsobuildupthework-in-process（WIP）inventoryforvarietyofcoldmills.Consequently,producingrightproductsatrighttimewithlowestcostsbecomesthegeneralgoalofaHSMproductionunit.BeingaconstrainedcombinatorialoptimizationtheHSMproductionschedulingproblemisatypicalNP-hard上海交通大学硕士学位论文IVproblem.AfterinvestigationofHSMschedulingproblem,amultipleroundschedulingmodelisproposedtodescribebothobjectivecriteriaandconstraintscommonlyconcernedinproductionscaleHSMscheduling.Tosolvetherelevantoptimalschedulingproblem,ahybridgeneticalgorithm（GA）isproposedtobuildupaHSMcampaignschedulingscenariowithmultipleschedulingrounds.Inadditiontothecampaignbuilding,thisthesisalsoproposesadynamicscheduling（orrescheduling）solutionwithuncertainchangesinHSMbusinessand/ormanufacturingenvironments,forexample,thechangesinmanufacturingordersandunexpectedmachinebreakdown,etc.AsimulationsoftwareprototypecodedwithVC+wasdevelopedbasedonschedulingmodelandhybridGA.Thesimulationresultswithbenchmarkdatashowthattheproposedsolutionsmayprovidereasonablesolutionsforbothmulti-roundcampaignbuildinganddynamicrescheduling.KEYWORDS：

intelligentoptimization，hotstripmillschedule,dynamicschedule,multipleroundschedule上海交通大学硕士学位论文上海交通大学上海交通大学学位论文原创性声明学位论文原创性声明本人郑重声明：

所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名：

邓宇巍日期：

2007年3月27日上海交通大学硕士学位论文上海交通大学上海交通大学学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

保密保密，在年解密后适用本授权书。

本学位论文属于不保密不保密。

（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：

邓宇巍指导教师签名：

吕勇哉日期：

2007年3月23日日期：

2007年3月23上海交通大学硕士学位论文1第一章绪论1.1研究背景随着经济发展的全球化，国内外钢铁企业面临着在技术、质量、管理、价格及服务等各方面的竞争。

矿石等原料和能源价格的高涨，使得钢铁企业的利润空间越来越小，因此企业必须通过降低生产成本和提高产品质量及客产服务水平来增强自身的竞争力。

另一方面，客户对产品的质量要求越来越高，合同的交货期也越来越短，对产品品种规格数量的要求越来越多样化，而且，产品品种的生命周期进一步缩短，工艺革新的速度也越来越快。

面对当前市场需求的多品种、小批量、高质量和面向用户，国内钢铁企业必须采用先进的管理理念，利用信息化、自动化技术，改造传统的钢铁生产，使之发展成为具有设备大型化，生产过程连续化，高速化和自动化特征的现代化钢铁企业。

钢铁产品的生产是一个相当复杂的过程，在整个生产过程中，产品的生产效率直接与钢铁企业的利润有关。

现代钢铁企业的生产大都是根据销量制定产量，企业首先要根据用户的订货合同和对市场需求的预测确定要生产的产品，并以此编制生产计划。

在生产实施过程中，根据企业内外部的反馈信息不断地调整生产计划，并指导生产。

这个计划，生产，反馈，调整计划的过程贯穿于企业生产活动的全部过程中。

编制计划是企业管理的一项重要工作，计划编制的好坏直接影响到企业的资源是否得到合理配置，产品是否适应市场需求，企业能否获得最大利润。

高质量的计划是管理现代化的需要，更是企业持续发展的前提。

在当前的市场经济环境下，上海交通大学硕士学位论文2钢铁企业要提高企业的生产效益，增强企业的竞争力，就必须具有现代化的生产管理系统，必须作出高质量的生产计划和调度。

本文着重研究了热轧生产轧制计划过程，并基于生产流程建立了热轧生产模型，由于模型是大规模、多约束的组合优化问题，很难采用传统算法求解。

因此，本文采用智能算法求解所建立的优化模型，在热轧静态调度模型的基础上，提出了热轧动态调度框架，在此框架内建立了重调度规则与优化算法。

重调度策略是建立在热轧调度领域知识上的启发式规则，包括修补策略与完全重调度策略。

基于模型和算法，开发了热轧生产调度优化管理仿真系统，并且在实际生产数据的基础上，编制生产计划，表明了模型和算法是有效和实用的。

1.2钢铁生产调度1.2.1调度概述生产计划是企业为实现一个生产目标所进行的一系列的预测和决策活动，主要任务是确定企业在一定时期内要生产的产品和生产这些产品所需的资源1。

生产调度是在一定的时间内，进行可用共享资源的分配和加工任务的排序，以满足某个或某些特定的生产指标2。

生产计划主要关心资源的需求和粗分配，生产调度主要涉及作业的具体安排和资源的详细分配。

由于生产计划和生产调度问题密不可分，在实际生产管理中也没有明显的界限区分，有不少学者将生产计划和生产调度问题统称为生产调度问题。

在企业生产中生产调度一直是很重要的问题，早期的生产调度中主要是调度人员手工产生生产计划、调度等，到70年代由于线性规划的发展，开始用数学规划方上海交通大学硕士学位论文3法去解决调度问题。

近年来，随着CIMS和ERP系统的发展，生产调度越来越受到人们的关注，信息技术的快速发展和普及也进一步推进企业自动化水平，人工智图1.1企业集成模型Fig1.1EnterpriseIntegrationModel能技术和可视化技术在生产调度中也有了越来越多的应用到实际生产中。

但是由于理论研究和工程实际缺乏很好的沟通，调度理论与调度系统之间仍有很大的差距。

此外，每个企业的生产环境都是唯一的，每个生产调度管理方案都是针对具体的生产环境而设计的，很难用通用知识来解决调度领域的实际问题，因此，生产调度问题无论在是理论上和实际工业生产上都具有很高的研究价值。

1.2.2钢铁调度研究现状钢铁生产计划和生产控制的典型技术有：

传统的生产计划与生产控制制造资源计划（MPR,ManufacturingResourcesPlanning）、最优生产技术（OPT,OptimizedProductionTechnology）、准时制生产（JIT,JustInTime）、恒定制品生产（CONWIP,ConstantWorkInProcess）、投入/产出控制等。

这些技术都是以离散制造业为基础发上海交通大学硕士学位论文4展起来的，不但包括生产计划，也包括生产调度。

目前，生产计划的建模比较常用的是数学规划优化理论，常用的数学规划方法是线性规划（LP,LinearProgramming）、混合整数线性规划（MILP,Multi-IntegerLinearProgramming）、动态规划方法（DP,DynamicProgramming），在部分企业生产计划和调度中，也用到非线性规划（NLP,NonlinearProgramming）和混合整数非线性规划（NMILP,Multi-IntegerNonlinearProgramming）。

生产调度中研究比较热门的领域是机加工调度（Job-Shopscheduling），存贮控制（InventoryControl），批次生产调度（BatchScheduling），动态调度36（DynamicScheduling）。

在钢铁企业中，由于其生产环境的动态性，不仅仅需要一般的计划和调度，还涉及到动态调度技术。

动态调度有两种形式：

滚动调度46（RollingScheduling），指调度的优化随时间推移在当前有限的时间段内动态进行生产调度；响应调度（ReactiveScheduling），指当生产过程发生变化，原来的调度不再可行时所进行的调度修正。

随着市场发展，钢铁企业的生产转向按订单合同生产，合同大部分是多品种、小批量，而且都有交货期的约束，这对生产计划的制定提出了更高的要求。

很多学者采用数学规划的优化方法根据不同的生产环境选择不同的决策变量，考虑不同的约束条件建立了生产计划模型，数学规划问题的求解有多种方法，如，单纯形法，分枝定界法等。

当数学规划的变量，约束条件较多，规模较大时，很难采用精确数学方法求解，在工程实现上也不太现实，近年来，人工智能和进化策略等技术也开始应用于生产控制中。

这些方法有遗传算法、启发式算法3等。

实际上，国内外不断出现新的生产调度的理论研究和模型，但是生产实际应用中效果并不理想，理论与实际应用存在一定的差距。

随着冶金行业的发展，生产计上海交通大学硕士学位论文5划与调度系统在钢铁企业中越来越受到重视，促使理论界与工程界进一步的相互结合，钢铁企业开始与各科研机构及科研人员合作针对某一实际的生产环境设计开发生产计划系统，在数学规划优化理论的基础上，借助于计算机技术，应用人工智能、进化策略等技术来解决实际的生产问题，提高企业的经济效益。

1958年以前，实现了模拟AGC（自动厚度控制）；1960年以前，实现了轧机调速、压下、活套控制的电动自动化；1962年，美国在麦克劳斯钢铁公司1525mm热轧机上实现了计算机控制；1964年，日本在新日铁堺厂1420mm热轧上实现了计算机控制；在同一时期，英国RTB钢铁公司的Spencer钢厂开始开发生产管理和过程控制相结合的计算机分级管理系统，将系统分为四级：

生产过程级、生产控制级、生产管理级和全厂生产计划调度级。

英国RTB钢铁公司的这种分级控制的思想促进了计算机在钢铁工业应用的迅速发展，而且这一概念也被世界钢铁工业广泛采用。

1971年11月日本新日铁大分厂2235mm热轧计算机控制系统投入运行，该热轧计算机控制系统作为当时的设计典范。

从20世纪80年代初开始，人们就一直在尝试并致力于解决实际调度问题，调度研究由理论研究转向应用研究阶段。

近年来，国外许多钢铁企业如美国LTV、日本的五大钢铁公司（新日铁、住友、川琦、日本钢管和神户钢铁）、韩国的浦项和鹿岛钢铁厂、德国的蒂森等，一直在致力于建立集成化的计算机生产管理系统4，其中包含核心模块生产计划和调度，使生产管理合理化，在线化，集成化，能够对生产过程中的物质流，信息流和能源流进行综合管理，充分提高了大型设备的生产效率，减少了工序的等待时间，降低了物耗和能耗，从而降低成本，提高产品竞争力。

当前，世界上比较著名的生产调度系统主要有：

BMC公司的业务集成调度解决方案CONTROL-MC；Preactor公司上海交通大学硕士学位论文6的系列调度产品，包括PreactorLite，PreactorFCS，PreactorAPS等；Arima公司的SYNCRUN调度软件；Madrigal公司提供的资源调度软件ResSched；MST公司的企业资源管理系列软件；AplliTech公司的供用户自主开发生产调度系统的工具ScheduleBuilder；AIS公司开发的套件产品SteelPlanner等。

我国钢铁工业经过五十多年的发展，钢年产量位于世界前列，也逐步从资源密集、劳动力密集和追求大规模转向知识和技术密集、知识结构优化为特征的钢铁工业。

但是与发达国家相比，国内钢铁企业的生产管理仍然很落后，尤其是管理水平需要进行系统变革，大部分的国内钢铁企业的生产计划和生产管理都是由人工来完成，不仅生产计划不精确，而且浪费人力，企业的自动化水平也受到很大限制。

为了提高企业的竞争力，许多国内大型钢铁企业致力于发展计算机集成制造系统（CIMS）。

国内的一部分钢铁企业如宝钢等在信息化和CIMS，ERP的建设上己经取得了初步成效。

近年来生产调度的发展逐步趋向借助计算机技术的帮助，利用面向对象编程方法，充分利用计算机的图形功能，建立生产系统的仿真系统。

在仿真系统的基础上，对生产系统的生产状况进行预测规划，从而进行合理的生产调度。

随着钢铁企业综合自动化的实施和计算机应用技术的飞速发展，钢铁企业的生产调度系统也将会有很大的发展需求。

但是，目前钢铁企业的生产调度管理系统还处于较低的水平，尤其是国内大部分钢铁企业的生产调度仍是由人工来完成，难以满足生产的需要。

现有的生产调度理论与方法仍和生产实际有较大的差距，往往只考虑了数学模型的作用，忽略了人的智能作用。

目前钢铁企业的生产调度管理存在以下不足：

1）当前钢铁企业中静态调度居多，动态调度管理较少，大都是人工调整，不能上海交通大学硕士学位论文7有效发挥企业的生产能力;2）理论与实际应用有一定的差距，理论研究的调度方法大多在实际应用中由于运算时间长、求解困难等原因不太实用；3）现有调度系统对人的智能作用考虑较少，处理结果不是很好；4）缺乏切实可行的动态仿真系统对调度管理系统的支持；随着钢铁企业自动化水平的提高，CIMS，ERP等系统的进一步发展，生产调度管理系统将会广泛应用在钢铁企业中，同时生产调度管理方面的研究也不再是单一学科，而是多学科的综合应用，例如数学规划与专家系统、神经网络理论等的结合。

结合当前钢铁企业生产调度管理系统的发展现状，今后在以下方面将会有很大发展：

1）人工智能技术会广泛应用在生产调度管理系统中，多知识表达方法和多人工智能技术的结合将会是生产调度中应用的主要研究方向之一。

2）借助于计算机技术的发展，友好的人机界面、智能人机交互技术会广泛应用于生产调度管理系统的开发与研制中。

3）生产调度问题将会转向以人为核心的关于生产调度的智能决策支持系统，来模仿调度专家处理调度问题的能力。

4）由生产调度问题而引发的对生产系统动态仿真系统的需求将成为一个主要的研究方向。

5）生产调度管理系统将进一步融入CIMS和ERP系统中，使企业的整个生产管理运行成为一个协调的整体。

上海交通大学硕士学位论文81.3论文体系结构第一章是全文立论的基础，介绍了钢铁生产调度的背景，钢铁生产计划和生产控制的典型技术，以及钢铁调度现状。

第二章介绍了钢铁生产包括炼钢，连铸，热轧生产过程，引进了炼钢，连铸，热轧一体化生产系统，其中一体化生产计划和调度是生产管理系统中关键技术，需要迫切解决。

此外，指出了炼钢、连铸和热轧三个阶段问题的特征和各个工序的生产工艺约束。

第三章是对钢铁生产热轧调度地进行建模与优化，详细介绍了热轧调度中的主要约束和调度模型，包括单轧制计划模型以及多轧制计划模型。

第四章是对智能优化算法的一个回顾，重点介绍了禁忌搜索，遗传算法。

并且重点讨论了TSP的遗传算法和禁忌搜索求解。

第五章是本文的重点。

通过对遗传算法的各种改进方法的比较和分析，以及对旅行推销商问题的理解，本文提出了局部搜索混合遗传算法求解钢铁多轧制单元调度模型。

在静态调度的基础上，建立动态调度系统，以处理热轧生产中的各种动态事件。

文中提出一个热轧动态调度框架，在此框架下对静态调度结果进行实时优化，以响应热轧调度车间中的随机事件和动态环境。

基于工业实际数据，文中给出了仿真试验的结果。

第六章对今后的工作做出了总结和展望。

上海交通大学硕士学位论文9第二章钢铁生产流程与调度问题钢铁生产包括炼钢，连铸，热轧生产过程，既有别于化工，石油等连续生产过程，也有别于机械制造等离散制造过程，兼有连续和断续的特征，是介于二者之间的混杂系统。

在炼钢、连铸、连轧三大关键工序在生产过程中，不仅存在物流平衡，同时由于在高温作业环境下，也存在能量平衡。

随着信息技术的发展和推广，国外大型钢铁企业开始致力于开发炼钢，连铸，热轧一体化生产系统，其中一体化生产计划和调度是生产管理系统中关键技术，需要迫切解决。

2.1钢铁生产流程钢铁企业冶金过程是一个离散和连续混合的生产过程，产线长、工序多、物流复杂，典型的钢铁企业一般包括原料处理、炼铁、炼钢、连铸、热轧、冷轧等生产工序。

钢铁生产是以铁矿石或废钢铁为原料的，先通过高炉冶炼成高温铁水，进而由转炉或电炉冶炼成高温液态钢水，经过精炼后运送到连铸机。

钢水经过连铸后形成固态板坯，送入热轧厂生产，根据不同的工艺要求和生产计划的安排，直接进行加热，轧制，或存入板坯库在需要时出库加热后轧制，轧制完成后进行精整形成钢卷。

钢卷一般来说还不能直接作为产品进行应用，还需要经过冷轧厂的生产，根据不同的订货合同进行酸洗，冷轧，退火等工序生产出各种产品作为钢铁生产的成品向市场销售。

在钢铁生产流程中，炼钢，连铸，热轧是不可缺少的三大工序，对整个钢铁生产流程起着至关重要的作用。

图2.1是钢铁生产过程上海交通大学硕士学位论文10图2.1钢铁生产过程Fig.2.1ProcessofSteelMaking炼钢，连铸，热轧一体化生产计划管理是指统一制定生产计划，统一生产调度，统一制定生产时刻表，使物流连续高效运转。

这就涉及到炼钢、连铸、热轧三个工序之间的衔接问题，生产计划制定的好坏很大程度上取决于三个工序生产计划之间的连接是否顺畅，一体化生产的各项指标是否最优化。

炼钢与连铸工序的衔接问题，核心是如何提高连连铸的炉数，由于连铸对钢水的成分、温度和到达时间等要求比较严格，因此这个局部的一体化问题很早就引起人们的注意了，己经得到较好的解决。

现在各大钢铁公司都把炼钢设备和连铸设备放在一个厂区内，为一体化的生产管理提供了良好的条件。

连铸与热轧的工序衔接问题，除了物流的衔接还有温度的衔接，一般有以下几上海交通大学硕士学位论文11种5（如图2.2所示）：

图2.2冷装Fig.2.2CC-CCR（ContinuousCastingandColdChargeRolling）连铸一冷坯装炉轧制，简称冷装。

连铸坯因种种原因无法在高温情况下送入热轧加热炉，只好送到板坯库存放，根据轧制计划的需要，