專利名稱：一種罩式退火爐鋼卷堆垛組合優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋼鐵冶金信息技術(shù)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種罩式退火爐鋼卷堆垛組合優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
以前罩式退火爐的鋼卷堆垛組爐計劃完全由人工按個人經(jīng)驗進(jìn)行編制，而罩式爐的生產(chǎn)方式具有周期長、能耗大、操作步驟復(fù)雜、約束條件多、隨機(jī)性高等特點，所以計劃的編制成為一項繁瑣且生產(chǎn)經(jīng)驗要求高的工作，人工編制的計劃往往無法同時兼顧退火質(zhì)量、產(chǎn)能及生產(chǎn)效率等諸方面的要求。因而，有必要找到一種優(yōu)化算法并結(jié)合軟件及自動化技術(shù)實現(xiàn)計劃的在線自動編制。堆垛優(yōu)化的問題屬于帶約束的組合優(yōu)化問題，此類問題盡管在理論上能提供最優(yōu)解，但現(xiàn)已證明絕大多數(shù)屬于NP難問題，求解時間隨問題規(guī)模呈指數(shù)增長，用常規(guī)解法很難得到問題的最優(yōu)或次優(yōu)解。近幾年，為了解決這個問題，許多研究者基于最優(yōu)化方法、鄰域搜索法以及人工智能方法建立了堆垛優(yōu)化的數(shù)值方法。比如，國外的LOI公司使用分支定界法建立了堆垛算法模型，國內(nèi)的一些學(xué)者則應(yīng)用改進(jìn)的遺傳算法、改進(jìn)的專家系統(tǒng)以及自適應(yīng)遺傳算法和蟻群算法相結(jié)合的智能優(yōu)化算法來解決鋼卷堆垛組合優(yōu)化的問題。上述方法極大地推動了堆垛優(yōu)化問題的研究及實際工程中的應(yīng)用，但仍有不足之處。分支定界法技巧性很強(qiáng)，若各結(jié)點權(quán)值選擇不當(dāng)，分支界限估計不好，算法的效率會大受影響，極端情況下將與窮舉搜索沒多大區(qū)別；專家系統(tǒng)適應(yīng)性較差，依賴于經(jīng)驗知識的積累，不太適用于不確定的生產(chǎn)環(huán)境；單純的遺傳算法或蟻群算法都存在過早陷入局部極值、搜索速度慢的缺點。
發(fā)明內(nèi)容
針對上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種罩式退火爐鋼卷堆垛組合優(yōu)化方法，以提高罩式退火爐生產(chǎn)車間的生產(chǎn)效率及節(jié)能降耗的水平。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案該方法以最小化堆垛數(shù)和最大化爐臺生產(chǎn)效率為優(yōu)化目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)式為
權(quán)利要求
1.一種罩式退火爐鋼卷堆垛組合優(yōu)化方法，其特征在于，該方法以以最小化堆垛數(shù)和最大化爐臺生產(chǎn)效率為優(yōu)化目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)式為 其中，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的罩式退火爐鋼卷堆垛組合優(yōu)化方法，其特征在于，上述過程中要滿足各種約束條件的限制，約束條件包括(1)垛內(nèi)鋼卷的總高度(包括對流板的高度)不能超過堆垛允許的最大高度；(2)垛內(nèi)鋼卷的外徑不能超過允許的最大外徑；(3)盡可能把規(guī)格相同的鋼卷裝在一個爐臺內(nèi)退火，鋼卷的規(guī)格包括高度、厚度、外徑、重量等指標(biāo)；(4)在工藝允許的范圍內(nèi)，可以混裝一些特定的鋼種；(5)要求按照合同組織生產(chǎn)，保證合同跟蹤；(6)同一堆垛內(nèi)，鋼卷之間應(yīng)按照外徑大的在下面、小的在上面的次序進(jìn)行排列；(7)要滿足堆垛形狀參數(shù)的限制；(8)堆垛鋼卷數(shù)在3 5卷之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的罩式退火爐鋼卷堆垛組合優(yōu)化方法，其特征在于 退火時間計算模型采用下列多項式計算
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的罩式退火爐鋼卷堆垛組合優(yōu)化方法，其特征在于所述步驟( 使用FFD算法形成GA算法的初始種群，該方法將已排列的鋼卷序列形成一個循環(huán)鏈表，每次隨機(jī)選擇一個起始位置，從前向后循環(huán)選擇鋼卷進(jìn)行堆垛，可創(chuàng)建出多個堆垛方案，這些方案即可組成GA算法的初始種群，具體步驟如下(1)將鋼卷的序號按重量與高度比值的大小降序排列；(2)依上述秩序裝填各個堆垛中的鋼卷；(3)若某個堆垛中所裝部分鋼卷不滿足約束條件，則試圖將不滿足要求的鋼卷裝到下一個堆垛中；(4)若按約束條件，所有堆垛都不能再裝入新的鋼卷，則建立一個新的堆垛裝入超出部分的鋼卷，且堆垛的總個數(shù)加一。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的罩式退火爐鋼卷堆垛組合優(yōu)化方法，其特征在于所述步驟中的個體交叉操作采用單點交叉的方式，其中適應(yīng)度最好的幾個個體不參與交叉運(yùn)算，具體步驟如下(1)將種群數(shù)組中的個體按相鄰的奇數(shù)下標(biāo)和偶數(shù)下標(biāo)的個體兩兩組對；(2)找到滿足交叉率的某個個體對，每個個體都是一個堆垛方案；(3)隨機(jī)找到交叉點，并在交叉點處交換兩個個體中的鋼卷；(4)重復(fù)( (3)的步驟，直至所有滿足交叉率的個體對完成交叉操作。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的罩式退火爐鋼卷堆垛組合優(yōu)化方法，其特征在于所述步驟(5)中的個體變異操作采用隨機(jī)交換個體中的鋼卷所在堆垛的方式，其中適應(yīng)度最好的幾個個體不參與變異運(yùn)算，具體步驟如下(1)在鋼卷數(shù)組中隨機(jī)找到兩個不同的鋼卷；(2)交換這兩個鋼卷所在的堆垛；(3)重復(fù)(1) O)的步驟，直至完成滿足變異率的所有變異操作。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的罩式退火爐鋼卷堆垛組合優(yōu)化方法，其特征在于所述步驟(6)的使用FFD算法修正種群的具體步驟如下(1)找到個體中不滿足約束條件的所有堆垛；(2)清空這些堆垛中所有鋼卷，使其處于待堆垛狀態(tài)；(3)將清理出來的鋼卷依秩序嘗試向各堆垛中裝填；(4)若某個堆垛中所裝部分鋼卷不滿足約束條件，則試圖將不滿足要求的鋼卷裝到下一個堆垛中；(5)若按約束條件，所有堆垛都不能再裝入新的鋼卷，則建立一個新的堆垛裝入超出部分的鋼卷，且堆垛的總個數(shù)加一；(6)重復(fù)(1) (5)的步驟，直至種群中的所有個體均修正完畢。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的罩式退火爐鋼卷堆垛組合優(yōu)化方法，其特征在于所述步驟(7)的模擬退火操作的求解方式按如下步驟進(jìn)行(1)運(yùn)用交換鋼卷所在堆垛編號的方法產(chǎn)生一個初始最優(yōu)點，并使用FFD法進(jìn)行修正， 然后計算目標(biāo)函數(shù)值；(2)設(shè)置初始溫度；(3)初始化循環(huán)計數(shù)器；(4)采用交換鋼卷所在堆垛編號的方法對當(dāng)前最優(yōu)點作一隨機(jī)變動，產(chǎn)生一新的最優(yōu)點，計算新的目標(biāo)函數(shù)值，并計算目標(biāo)函數(shù)值的增量Δ ；(5)如果Δ> 0，則接受該新產(chǎn)生的最優(yōu)點為當(dāng)前最優(yōu)點；如果Δ ^ 0，則以概率P = βχρ(-Δ/θ )接受該新產(chǎn)生的最優(yōu)點為當(dāng)前最優(yōu)點；(6)判斷當(dāng)前溫度下的迭代次數(shù)是否達(dá)到指定的終止步數(shù)，如沒有達(dá)到則循環(huán)計數(shù)器加一后，轉(zhuǎn)向第⑷步；(7)如果未到達(dá)冷卻狀態(tài)，則改變退火溫度，轉(zhuǎn)向第(3)步；如果已到達(dá)冷卻狀態(tài)，則輸出當(dāng)前最優(yōu)點，計算結(jié)束。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的罩式退火爐鋼卷堆垛組合優(yōu)化方法，其特征在于所述步驟(9)中的選擇操作采用錦標(biāo)賽選擇策略，其方法可描述為(1)隨機(jī)選擇錦標(biāo)賽的規(guī)模η，它與種群規(guī)模N相比是一個較小的數(shù)；(2)從種群中隨機(jī)選取η個個體，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)確定出最好的個體，并將該個體加入新的種群中；(3)通過N輪這樣的錦標(biāo)賽后，這N個個體就形成了一個新的種群；(4)采取“精英保留”策略，即最好的幾個個體不經(jīng)過錦標(biāo)賽而直接進(jìn)入新種群。
全文摘要
本發(fā)明涉及鋼鐵冶金信息技術(shù)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種罩式退火爐鋼卷堆垛組合優(yōu)化方法。本發(fā)明針對罩式退火爐的退火工藝特點，在分析了鋼卷的外形尺寸(外徑、寬度、厚度等)和鋼種對退火時間的影響以及各種約束條件限制的基礎(chǔ)上，以最小化堆垛數(shù)和最大化爐臺生產(chǎn)效率為優(yōu)化目標(biāo)，建立了罩式爐堆垛優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并提出了一個結(jié)合最優(yōu)匹配遞減法(FFD)、遺傳算法(GA)和模擬退火算法(SA)等方法的混合遺傳算法(FGSA)對模型進(jìn)行求解。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)罩式爐退火生產(chǎn)的信息化和自動化，降低了排產(chǎn)人員的勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)廠的生產(chǎn)效率并可起到節(jié)能降耗的作用。
文檔編號C21D9/663GK102206741SQ20111011531
公開日2011年10月5日 申請日期2011年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月5日
發(fā)明者方珺, 李衛(wèi)杰, 楊進(jìn), 王曉亮 申請人:中冶南方(武漢)威仕工業(yè)爐有限公司