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东北大学顾士学位论文摘要 钢铁企业轧辊综合管理系统及优化模型 摘要 钢铁工业是国民经济的支柱产业。我国加入w 1 d 以来，钢铁企业面临着全世 界范围内的竞争，如何提高我国钢铁企业的竞争力，很大程度上取决于我国钢铁 企业的信息化建设水平。轧辊是钢铁企业的关键生产备件，消耗量大、技术含量 高、材质多、要求严、管理环节多，管理水平的高低直接影响钢铁企业产品的生 产成本、质量以及生产组织的正常进行。建立轧辊综合管理系统，规范、整合现 有轧辊管理的纵向、横向业务及相关信息，实现操作层、管理层、决策层的信息 共享，动态跟踪轧辊状态，全面掌控轧辊采购资金、库存资金和轧辊消耗，实现 高效的轧辊使用和成本控制，对于提高钢铁企业的轧辊管理水平，进而提高钢铁 企业的综合竞争力具有重要的意义。 本文以我国某钢铁企业轧辊综合管理系统的研发为背景，结合系统总体开发 原则及系统中优化模型的建模方法，描述了系统中工作辊配对模型、支承辊更换 模型和换辊单生成技术模型，利用s c a t t e rs e a r c h 算法对轧辊配对模型进行优化，同 时采用线性加权的方法将多目标优化问题转化为单目标规划问题，并利用j a v a 语 言编制算法对模型进行求解。论文还简要描述了系统开发软件环境，系统设计原 则和系统功能模块，并以该企业的应用实例验证了模型和算法的有效性。目前， 该系统已经在现场正式投入使用，现场反映良好。 关键词：轧辊管理：轧辊指派；数学模型；多目标优化；s c a t t e rs e a r c h i l 东北大学硕士学位论丈a b s t r a c t i n t e g r a t e di n f o r m a t i o ns y s t e ma n do p t i m i z a t i o nm o d e l sf o r r o l l e rm a n a g e m e n ti ni r o n - s t e e le n t e r p r i s e s a b s t r a c t i r o n s t e e li n d u s t r yi st h ek e yi n d u s t r yi ns t a t ee c o n o m yo fc h i n a s i n c ec h i n a b e c a m ean u m b e ro fw t o ，i r o n - s t e e le n t e r p r i s e si nc h i n ah a v eb e e nf a c e dw i 廿1t h e c o m p e t i t i o n sf r o ma l lo v e rt h ew o r l d t h ec o m p e t e n c e so fi r o n s t e e le n t e r p r i s e sg r e a t l y d e p e n do nt h el e v e l so fi n t e g r a t e di n f o r m a t i o ns y s t e m sb u i l d i n g r o l l e r sa r ei m p o r t a n t s p a r ep a r t si ni r o n - s t e e le n t e r p r i s e s ，w h i c ha r ed i v e r s e ，h i g hc o n s u m e d ，h i g ht e c h n i q u e c o n t e n t e d ，a n dn e e dt ob ec a r e f u l l ym a n a g e d t h em a n a g e m e n tl e v e ld i r e c t l ya f f e c t so n c o s t ，p r o d u c tq u a l i t y d e v e l o p i n gt h ei n t e g r a t e dm a n a g e m e n ts y s t e mf o rr o l l e r m a n a g e m e n t ，w ec a l li n t e g r a t em a n a g e m e n tp r o c e s s e sa n di n f o r m a t i o no fr o l l e r s ，r e a l i z e t h es h a r eo fi n f o r m a t i o na m o n gd i f f e r e n tm a n a g e m e n tl e v e l s ，s u c ha so p e r a t o r , m a n a g e r a n dd e c i s i o n m a k e r t h i ss y s t e mc a r l d y n a m i c a l l yt r a c kt h es t a t e ，c o n t r o lp u r c h a s i n g c o s t ，i n v e n t o r ya n du s i n go ft h em i l e r s t h es y s t e mh a si m p o r t a n te f f e c to ni m p r o v i n g m a n a g e m e n tl e v e lo f r o l l e r sa n dc o m p e t e n c e so f i r o n s t e e le n t e r p r i s e s b a s e do nr e s e a r c ho ft h ei n t e g r a t e di n f o r m a t i o ns y s t e mf o rr o l l e rm a n a g e m e n ti n a ni r o n s t e e le n t e r p r i s e ，c o m b i n i n gd e v e l o p m e n tp r i n c i p l e sa n dm o d e l i n gm e t h o d so f t h es y s t e m ，t h i st h e s i sd e s c r i b ew o r k i n g r o l l e rm a t c h i n gm o d e l s u p p o r t r o l l e rc h a n g i n g m o d e l t h ea u t h o ra p p l ys c a t t e rs e a r c ht os o l v et h e s em o d e l sa f t e rt r a n s f o r m i n gt h e m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n m o d e l si n t o s i n 烈eo b j e c t i v eo n e sb yu s i n gl i n e a r w e i g h t - s u mm e t h o d t h ea l g o r i t h m sh a v eb e e nc o d e di nj a v al a n g u a g e t h et h e s i s a l s od e s c r i b e st h e d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，t h ed e s i g n e dp r i n c i p l ea n df u n c t i o n a l m o d u l e so ft h es y s t e m f i n a l l y , a na p p l i e de x a m p l es h o w st h a tt h em o d e la n da l g o r i t h m a r ee f f e c t i v ea n de f f i c i e n t a tp r e s e n t ，t h es y s t e mh a sb e e na p p l i e di n t ot h ep r a c t i c a l m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，a n dt h er u n n i n ge f f e c t i v e n e s si ss a t i s f a c t o r y k e yw o r d s ：r o l l e r sm a n a g e m e n t ；r o l l e r sa s s i g n ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ；m u k i o 巧e c t i v e o p t i m i z a t i o n ；s c a t t e rs e a r c h 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成 果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。 学位论文作者魏戳怎弓逶 签字日期o ，( 。j s 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规 定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：导师签名 签字日期： 签字日期 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 钢铁行业是我国国民经济的支柱产业之一。我国加入w t o 以来，钢铁企业面 i 临着全世界范围内的竞争，如何提高我国钢铁企业的竞争力，很大程度上取决于 我国钢铁企业的信息化建设水平。对我国钢铁企业而言，其基础自动化部分，如 加热炉控制系统、燃烧控制系统等大都实现了技术改造，基本采用了p l c 、d c s 等实现控制，这为企业信息化建设中的设备集成提供了硬件基础。 钢铁企业属于大型流程工业，能耗大、柔性小，生产管理不仅需要提高轧辊 的数量和质量，还需要利用先进的管理方法提高轧辊使用率，并降低损耗。另一 方面，随着钢材市场竞争的日趋激烈，用户在产品多样化和质量方面的要求越来 越高，交货期和生产周期逐步缩短，并行工程和虚拟企业等先进生产模式在生产 运作中日渐广泛应用，所有这些都对冶金企业的生产管理提出了更高的要求。针 对中国钢铁企业中的轧辊管理问题，国内学者做了大量的相关研究【1 】 2u 3 】。研究主 要采用基于运筹学的方法、基于人工智能的方法、人机交互技术和多智能体技术 等。约束满足方法是人工智能领域的一个比较活跃的分支，s u h 、l e e 等人已将其 成功应用在一个热轧厂，解决了热轧反应式调度问题i 钔。实践表明，约束满足方法 能够有效地提高求解问题的效率。 在这一基础上，考虑到钢铁企业中各工序的加工对象在物态、温度、加工技 术等方面存在较大区别，造成各工序的生产约束不同，工序间柔性环节的约束也 各不相同。在同一个过程中解决这样的问题不仅效率低，且关系复杂不易理解， 系统的可扩展性也很差，而面向对象的设计模式由于其本身具有较强的灵活性， 可以有效解决这一问趔”。因此，本文探求一种约束满足方法，利用企业信息化建 设一套有效的轧辊管理系统，解决钢铁生产过程中轧辊配对问题，优化轧辊配对， 降低轧辊损耗，提高劳动生产率，取得了较好的社会及经济效益。 1 2 钢铁企业的轧辊配对管理 宝山钢铁股份有限公司是当前国内现代化水平最高的一个特大型钢铁联合企 业之一，三期工程全部建成后，宝钢的生产规模已达到千万吨级水平。轧辊是宝 东北犬学硕士学位论文 第一章绪论 钢的关键生产备件，消耗量大、技术含量高、材质多、要求严、管理环节多，管 理水平的高低直接影响宝钢产品韵生产成本、质量以及宝钢生产组织的正常进行。 宝钢目前共拥有包括2 0 5 0 w 热轧、1 5 8 0 m 热轧、2 0 3 0 m m 冷轧、1 4 2 0 r 咖冷轧、 1 5 5 0 m 冷轧、初轧、钢管、高速线材在内的八个轧机机组( 以及在建的宽厚板及 1 8 0 0 轧机) 、近百个机架，所需轧辊多达2 0 余种材痰，年消耗量在2 亿元左右。 近2 年由于新投产轧机较多，需要合理周转及合理库存量，采购量更是达到了2 4 亿元，采购厂家先后达到3 0 多家( 国内外) 。如何建立一套合理的轧辊评价体系， 对所购轧辊进行合理、科学的综合评价，优胜劣汰，为以后轧辊采购提供依据与 参考，成为今后轧辊采购管理走向有序的一个重要方向。 因此，建立一整套融靶辊状态跟踪、轧辊颈算生成、现场管理及厂家评价体 系为一体的轧辊管理系统势在必行。 轧辊管理系统是钢铁企业在轧钢过程中实现轧辊优化配对，数据管理以及数 据传输的优化管理软件，为钢铁企业提供了轧辊管理作业的计算机技术管理平台。 该系统通过建立轧辊基本信息库、建立轧辊配对参数信息库，协助轧辊 管理人员对周转轧辊实施优化配对并对配对辊在实时的状况下进行拆对，建立 轧辊配对信息库，对轧辊配对信息进行记录。根据轧辊配对信息库进行优化选择， 生成轧辊上机方案。在以上的计算机处理过程中防止出错，避免企业不必要的经 济损失。 该系统主要应用于国内钢铁企业轧辊配对管理信息化建设工程，为企业提供 轧辊配对管理以及上机方案生成业务的过程实时化管理功能，并提供与轧线的数 据交互接口。系统提供阻下功能模块：轧辊信息管理；轧辊配对参数管理；轧辊 优化配对模型；热轧换辊单管理；轧辊上下机联络单管理；系统管理。软件能够 提供企业在热轧过程中的轧辊信息自动存储功能，然后根据轧辊配对参数信息进 行检测，提示、警告或者限制管理者进行相应的操作，减少管理者的工作量，为 轧线提供良好的轧辊作业条件，保证企业轧制工作的正常良好运转。 1 3s c a t t e rs e a r c h 简介 s c a t t e rs e a r c h 算法是一种新兴的算法。虽然g l o v e r 早在1 9 7 7 年就提出了 s t i n t e rs e a r c h 算法【6 l ，但直到最近才开始受到国际学术界的广泛关注。这种算法与 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 遗传算法相类似。与遗传算法相比，s c a t t e rs e a r c h 算法主要有以下特点： ( 1 ) 二进制向量被整数向量所取代。 ( 2 ) 产生新向量的双亲可以多于两个。 ( 3 ) 交叉运算被两个或多个向量的线性组合所代替。 s c a t t e rs e a r c h 算法的最大特点在于其组合解。组合解能很好地包含原有解好的 特性，这样大大地提高了解的质量。这是s c a t t e rs e a r c h 算法成功解决问题的一个主 要方面。 s c a t t e rs e a r c h 算法是一种基于种群的启发式搜索方法，算法首先产生初始种 群，用某种选择法在初始种群里选择一些比较有代表性( 分散性和高质量) 的解 作为参考集，再从参考集里选择一个子集，把该子集里的解通过组合机制组合成 一个新解，然后局域搜索算法从新解出发，搜索新的局部最优解；最后根据得出 的局部最优解，更新参考集或者初始种群，以进行新的搜索。 最初的种群必须包含有分散性好的解。当然它也必须含有质量好的解。针对 这些特点，可以采用一定的策略来产生初始种群中的解。例如，最初的解可以用 随机程序来产生。这样产生的解具有一定的分散性。然后可以用一个简单的启发 式从产生的解中选取质量好的解。这样，初始种群中既包含分散性好的解，又包 含质量好的解。 从初始种群当中选择一组具有代表性的解来组成参考集。这些具有代表性的 解并不仅仅局限于那些目标函数值好的解。所谓具有代表性的解，是指那些目标 函数值好的解和分散性好的解。通过局部搜索，分散性好的解能够达到局部最优。 实际上，一个使参考集的分散性提高的解应当加入到参考集中。因此，参考集中 的解是由初始群中的分散性好的解和目标函数值好的解组成。 予集中的解是从参考集中选出来的。一般来说，所选的子集包含解的个数一 定。子集的选择有如下几种类型： ( 1 ) 选择所有包含两个解的子集。 ( 2 ) 将( 1 ) 中的每个子集都加入一个不在这个子集中的质量更好的解。这样 组成了一个包含三个解的子集。 ( 3 ) 将( 2 ) 中的每个子集都加入一个不在这个子集中的质量更好的解。这样 组成了一个包含四个鳃的子集 f 4 ) 应用以上方法，可以产生包含任意个解的子集。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 这里的质量好的解并不仅仅指那些目标函数值好的解，还指那些分散性好的 解。 将子集中的解进行组合产生新的解，并对新解进行局部搜索。组合子集中的 解的目的是为了得到质量更好的新解。它包含了子集解的一些好的特性。这个新 解与参考集中的解不同。 得到新解后，要对新解进行改进。改进解的方法有很多，包括禁忌搜索( t a b u s e a r c h ) 和简单的局部搜索( 1 0 c a ls e a r c h ) 等。 禁忌搜索算法和局部搜索算法得到的解是局部最优解，局部最优解不一定是全局 最优解。褥到改进解后，我们应当考虑怎样用得到的新解来更新参考集。当参考 集不能再更新时，就重新产生新的群。另外，还应当有终止整个搜索的准则。 通常的终止准则为所允许的总的最大计算时间或者从上一次改进后的最大计 算量等。计算量可以由以下几个因素确定：循环的次数，局部搜索的次数，或运 行的时间等。 s c a t t e rs e a r c h 算法的步骤如下： ( 1 ) 创建初始群。 创建初始群步骤将创建一个随机的初始群( p ) 。它包括分散性好的解和质量 好的解。设群中包含解的个数( 即群的大小) 为风丑p 。 ( 2 ) 创建参考集。 参考集创建步骤将从初始群中选择b 个最具代表性的解。这b 个解构成了参 考集。 ( 3 ) 子集产生。 子集创建步骤将从参考集中产生子集，产生子集的个数为s u b s e t s i z e 。产生的 子集将应用在组合解步骤中。 ( 4 ) 组合解 组合解步骤将子集中的解重新进行组合来产生新的解。这个新解包含了子集 解的一些好的特性。 ( 5 ) 改进解 改进解步骤是将当前解改进为一个目标函数值更好的解。 ( 6 ) 更新参考集 4 东北大学硕士学位论丈 第一章绪论 更新参考集步骤将决定何时和怎样用得到的改进解来更新原来参考集中的 解。 除了上述六个步骤外，该算法还包括以下三个终止准则： ( 1 ) 参考集更新终止准则。此准账将决定傣时终止参考集的更新。 ( 2 ) 参考集产生终止准则。此准则将决定何时终止新参考集的产生。 ( 3 ) 群终止准则。此准则将决定何时终止群的产生，一旦终止了群的产生， 整个程序也就结束了。 实施过程中，s c a t t e rs e a r c h 算法将一个总的群体分成若干个子群，模拟生物进 化过程中的基因隔离和基因迁移，各子群之问既有相关的封闭性，又有必要的交 流和沟通，从而保证了搜索的充分性及收敛结果的全局最优性。通过对权值集合 中性能较差的一部分进行摄动，在群体内进行变异，同时通过产生新配对并进行 线性组合，保证了各群体之间必要的交流和沟通。产生的新配对必须满足配对中 至少有一个为新的权值，从而可以有效地避免“近亲繁殖”，提高收敛速度。通 过线性组合得到的性能较优权值直接替换原有的性能较差权值，以及一部分性能 最优权值直接进入下一次迭代，都能明显提高收敛速度。因此，s c a t t e rs e a r c h 算法 能以更快的速度达到最优解。 近年来，s c a t t e rs e a r c h 算法受到了国际学术界的广泛关注。国际上已经有很多 学者对此算法进行了大量的研究，并解决了一些实际问题比如：神经元网络训练 ( n e u r a ln e t w o r k t r a i n i n g ) 【刀，多目标路由选择i h n ( m u l t i o b j e c t i v er o u t i n g p r o b l e m ) 8 1 ， 非线性多目标优化问题( n o n 1 i n e a rm u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n ) 9 1 ，经典的车辆行程 n 题( c l a s s i c a lv e h i c l er o u t i n g ) 1 10 1 ，线性排序问题( 1 i n e 盯o r d e r i n gp r o b l e m ) t 1 ，并行机 加权拖期问题以及一些商业上问题【1 3 】等。 1 4 本文工作 本文以某钢铁企业轧辊管理系统的研发为出发点，针对钢铁企业重点备品备 件的管理方法及综合管理系统开发中的一些问题进行了研究，主要内容如下： ( 1 ) 对轧辊管理系统的设计原则、开发环境及系统中各个子模块及其功能进 行了描述，并运用现场实例说明了轧辊综合管理系统运行的主要过程。 ( 2 ) 通过对轧制难度系数影响因素的定义，从生产实绩数据中利用s a s 挖掘 出相应的轧制难度系数的其影响因素。通过可视化技术，以w e b 页面或者报表的 形式展示出来。 东北走学硕士学位论文 第一章绪论 更新参考集步骤将决定何时和怎样用得到的改进解来更新原柬参考集中的 解。 除了上述六个步骤外，该算法还包括以下三个终止准则： ( 1 ) 参考集更新终止准则。此准则将决定何时终止参考集的更新。 ( 2 ) 参考集产生终止准则。此准则将决定何时终止新参考集的产生。 ( 3 ) 群终止准则。此准则将决定何时终止群的产生，一旦终止了群的产生， 整个程序也就结束了。 实施过程中，s c a t t e rs e a r c h 算法将一个总的群体分成若干个子群，模拟生物进 化过程中的基因隔离和基因迁移，各子群之间既有相关的封闭性，又有必要的交 流和沟通，从而保证了搜索的充分性及收敛结果的全局最优性。通过对权值集合 中性能较差的一部分进行摄动，在群体内进行变异，同时通过产生新配对并进行 线性组合，保证了各群体之间必要的交流和沟通。产生的新配对必须满足配对中 至少有个为新的权值。从而可以有效地避免“近亲繁殖”，提高收敛速度。通 过线性组合得到的性能较优权值直接替换原有的性能较差权值，以及一部分性能 最优权值直接进入k 一次迭代，都能明显提高收敛速度。凼此，s c a t t e rs e a r c h 算法 能以更快的速度达到最优解。 近年来，s c a ：t t e rs e a r c h 算法受到了国际学术界的广泛关注。国际上已经有很多 学者对此算法进行了大量的研究，并解决了一些实际问题比如：神经元网络训练 ( n e u r a ln e t w o r kt r a i n i n g ) m ，多目标路由选择问题f m l l l t i - o b j e c t i v er o u t i n gp r o b l e m ) t 8 1 ， 非线性多目标优化问题( n o n - l i n e a rm u l t i o b j e e t i v eo p t i m i z a t i o n ) ，经典的车辆行程 问题( c l a s s i c a lv e h i c l er o u t i n g ) 1 1 “，线性排序i h 3 题( 1 i n e a ro r d e r i n gp r o b l e m ) ，并行机 加权拖期问题以及一些商业上问题等。 1 4 本文工作 本文以某钢铁企业轧辊管理系统的研发为出投点，针对钢铁企业重点备品备 件的管理方法及综合管理系统开发中的一些问题进行了研究，毛要内容如下： ( 1 ) 对轧辊管理系统的设计原则、开发环境及系统中各个子模块及其功能进 行了描述，并运用现场实例说明了轧辊综合管理系统运行的主要过程。 2 ) 通过对轧制难度系数影响困素的定义，从生产实绩数据中利用s a s 挖掘 出相应的轧制难度系数的其影响因素。通过可视化技术，以w e b 页面或者报表的 形式展示m 米。 形式展示出来。 东北是学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 设计了基于约束满足问题( c o n s t r a i n ts a t i s f a c t i o np r o b l e m s ，简称c s p ) 的工作辊优化配对模型和流程，以及支承辊更换和换辊单生成技术模型。 ( 4 ) 结合s c a t t e rs e a r c h 算法的基本原理，对轧辊配对模型进行优化，并结合 现场数据利用j a v a 语言编写程序进行仿真。 东北走学硕士学位论文第二章轧辊管理系统描述 第二章轧辊管理系统描述 2 1 系统概述 2 1 1 功能定位 轧辊管理系统定位为宝钢股份公司设备维修综合管理系统的一个子系统，包 括：资金计划管理、消耗成本管理、预算评价管理、标准质量管理、现场管理、 四类优化管理模型等六大功能模块。 在系统中实现轧辊从预算编制、资金计划下达、备件管理、到货管理、周转 使用、消耗进成本全生面周期的管理。该系统完成以后，将完善现有设备维修综 合管理信息系统在轧辊管理方面的功能。 现场管理模块中要实现为满足部分生产厂需要( 1 5 8 0 、2 0 5 0 、高线) 的磨辊 车间管理功能。 2 1 2 系统环境 该钢铁企业于1 9 9 8 年3 月成功地开发了支持三期产线生产的整体产销管理系 统( 简称9 6 7 2 系统) ，支持一、二期产线生产的功能也于1 9 9 9 年底前相继投入运 行，该系统由销售管理、质量管理、生产管理、设备管理、出厂管理、财务管理 等多个分系统组成，功能作用范围从接收用户订单开始，经过合同处理、计划编 制、生产指令下达、生产实绩收集、质量控制、发货管理等环节，直至合同结算 完成，构成了企业销售、生产、供货等活动的计算机管理闭环系统。根据该企业 对计算机信息系统的总体规划，轧辊管理系统将作为设备管理分系统下的一个子 系统。轧辊管理子系统将充分利用现有设备管理分系统中的其余各子系统的功能， 对设备系统中涉及与轧辊管理功能相关的功能模块进行调整和改造，最终根据公 司职能管理部门的需要，实现轧辊管理功能，同时满足部分生产厂需要的现场管 理功能。主要功能包括：资金计划管理、消耗成本管理、预算评价管理、标准质 量管理、现场管理、决策支持等六大功能模块，实现轧辊从预算编制、资金计划 下达、备件管理、到货管理、周转使用、至消耗成本的全生命周期的管理。此系 统完成以后，将完善现有设备维修综合管理信息分系统在轧辊管理方面的功能。 整个系统硬件环境如图2 1 所示。 东北大学硕士学位论文 第二章轧辊管理系统描述 2 1 3 系统目标 图2 1 系统环境 f i g 2 1t h es y s t e me n v i r o n m e n t 轧辊管理信息子系统主要目标包括： ( 1 ) 通过轧辊管理信息子系统的建立，规范、整合现有的轧辊管理纵向和横向 业务； f 2 ) 建立完整、准确、及时的轧辊基础数据库，为实现动态管理打下基础； ( 3 ) 全过程动态跟踪轧辊状态，对轧辊实施合理的修理： ( 4 ) 全面掌控轧辊采购资金、库存资金和轧辊消耗，实现高效的轧辊成本管理； ( 5 ) 整合相关信息，含盖操作层、管理层、决策层，达到信息共享； ( 6 ) 最终达到对轧辊实现全方位管理的目的，满足公司对轧辊管理的需要。 2 1 4 系统功能层次 宝钢股份轧辊管理系统由在9 6 7 2 平台上宝钢股份设备维修综合管理信息系统 轧辊管理子系统、区域服务器上的现场管理系统、数据仓库平台上的统计分析系 统共同组成。 ( 1 ) 9 6 7 2 设备系统轧辊管理子系统主要完成轧辊的基本信息管理、标准质量 管理、资会计划的管理、消耗成本的管理、与区域服务器和各l 3 通讯的管理。 东北大学硕士学位论文第二章轧辊管理系统描述 ( 2 ) 现场管理部分包括1 5 8 0 、2 0 5 0 、2 0 3 0 、高线四个区域的磨辊车间管理， 主要完成现场轧辊相关基础信息管理、配辊模型的配辊管理、轧辊磨削管理、轧 辊的封锁管理、轴承座及轴承等部件的管理以及与轧钢的数据通讯和与磨床数据 采集系统( 1 5 8 0 ) 的数据通讯、现场报表管理、相关图形图像文档管理。 ( 3 ) 数据仓库平台上主要完成轧辊上下机信息与生产实绩的数据勾连，预算 模型、评价模型、难度系数模型的实现，以及完成相应统计分析报表。 轧辊管理子系统总体功能层次如图2 2 所示。 一一! 一一一 f， l 区域服务器部分 9 6 7 2 部分 | 数据仓库部分i 【一，jl ，一，j 【，。， 亘匠 口墅圈 匪亟叵 匾堕堕 匦虽圃 蔓匠 图2 2 轧辊管理子系统总体功能层次 f i g 2 2t h ef u n c t i o nh i e r a r c h yo f t h er o l l i n gr o l l e rm a n a g e m e n ts u b - s y s t e m 9 6 7 2 系统上的轧辊管理予系统，主要完成轧辊的基本信息管理、标准质量管 理、资金计划的管理、消耗成本的管理、与区域服务器和各l 3 通讯的管理。现场 管理部分包括1 5 8 0 、2 0 5 0 、2 0 3 0 、高线四个区域的磨辊车问管理，主要完成现场 嚣 东北大学硕士学位论文 第二章轧辊管理系统描述 轧辊相关基础信息管理、配辊模型的配辊管理、轧辊磨削管理、轧辊封锁管理、 轴承座及轴承等部件的管理以及与轧钢的数据通讯和与磨床数据采集系统( 1 5 8 0 ) 的数据通讯、现场报表管理、相关图形图像文档管理。运行在数据仓库平台上的 轧辊管理子系统主要完成轧辊上下机信息与生产实绩的数据勾连、预算模型、评 价模型、难度系数模型的实现，以及完成相应统计分析报表。 2 2 优化模型 在轧辊管理子系统的功能层次中，对轧辊采购预算、难度系数分析以及供应 商综合评价等业务职能提供决策支持是系统功能的重要组成部分。根据现场轧辊 管理的需要，系统中建立了轧辊优化配对、供应商综合评价、轧辊采购预算以及 轧制难度系数评估等模型，分别对轧辊的采购、使用和性能分析业务提供决策支 持。 ( 1 ) 轧辊配对管理模型 轧辊配对管理的主要任务是针对不同的轧制计划，选择最合适的周转辊上机。 合理的轧辊配对方案对于保证生产的稳定性和产品质量都有着非常重要的作用。 轧辊配对管理与现场机组的生产工艺要求有很大的相关性，不同机组有不同的设 备要求，不同的配对原则。通过现场调研发现，轧辊配对问题的特点和运筹学中 的指派问题类似，但又有其特殊性。在优化目标方面属于多目标优化问题，例如， 对2 0 5 0 热轧精轧机组轧辊配对时，既要保证轧材7 个机架通过线的拱形轮廓，又 要保证各机架周转辊外径的均匀分布，以实现轧辊的均匀消耗。在约束条件方面， 需要综合考虑配对辊之间的材质、供应商、外径偏差、垫铁板尺寸、轧辊状态等 多方面因素，因此，轧辊配对问题的求解远比典型的指派问题复杂( 可以称之为 扩展的指派问题) 。 ( 2 ) 供应商综合评价模型 轧辊供应商综合评价是轧辊管理系统的重要功能之一。根据生产现场调研分 析，轧辊供应商综合评价需要考虑轧辊价格性能比、轧辊质量、j i t 交货水平和 售后服务水平等多项指标，是一个较复杂的多指标评价问题。指标中既包含有定 量指标( 如价格性能比) ，又包含有定性指标( 如质量、j i t 交货和售后服务水 平) ，且指标间存在不可公度性和矛盾性。指标不可公度性是指各个指标没有统一 的度量标准，因而难于进行比较；指标间的矛盾性是指如果采用一种方案去改进 某一指标值，u j l 能会使另一指标值受损，例如，质量和价格之间就往往存在矛盾 东北大学硕士学位论丈 第二章轧辊管理系统描述 性。目前该企业管理人员将定性指标通过一定的变换，转换成了定量指标来进行 评价，形成了一种确实可行的管理办法。但目前方法仍需进一步的充实、完善， 形成更加系统、科学的供应商综合评价方法。 a h p 是一种较新的定性分析与定量分析结合的决策方法。该方法将决策者对 复杂对象的决策思维过程系统化、模型化、数学化。这种方法思路清晰，同时可 以把决策者的判断吸收进来，因此应用广泛。a m p 的主要思想是根据问题的性质 和要求达到的总体目标，将问题按层次分解成不同的因素。同一层次l 内各个不 同因素的权重系数可以通过它们两两之间进行成对判断比较来得到。下一层次l + i 的因素的重要程度既要考虑本层次，又要考虑上一层次的权重系数。因此，一般 要计算组合权重并一层一层计算下去，一直到最后一层。由于它们的相对权重系 数都计算出来了，哪一个方案更为优秀也就清楚了。 现场调研发现，目前该企业管理人员对供应商的综合评价方法与a h p 方法接 近，所以轧辊供应商综合评价模型采用a h p 方法。 ( 3 ) 轧辊采购预算模型 轧辊采购预算是根据轧辊当前数量( 包括周转辊、新辊、封锁辊、报废辊等) 及其使用状态、年生产计划大纲、年安全库存、轧辊供应商的综合评价结果等多 方面因素，同时考虑稳定生产和提高国产化比例，制定来年采购计划和采购费用。 轧辊采购预算流程可归纳为以下两步。 ( a ) 预测来年轧辊需求数量 轧辊来年需求量预测对轧辊采购及库存管理有着重要影响。可以根据当前实 物量、预测消耗量、年底计划到货量、来年预测消耗量、下年必备实物量等信息， 并考虑非正常生产情况( 如卡钢、甩尾) ，预测轧辊来年需求量。 ( b ) 制定轧辊采购方案及采购预算 经过来年轧辊需求预测后，可根据轧辊供应商评价结果，并考虑稳定生产和 提高国产化比例等因素，建立采购优化决策模型，制定来年轧辊采购计划的多个 采购方案，并根据各方案制定轧辊采购预算，供决策者选择。 ( 4 ) 轧制难度系数评估模型 轧辊轧制难度系数是衡量轧钢厂生产成本中轧辊成本所占份额的指标，它与 产品的吨位、结构分布、硬度系数和材质等多方面因素有关。然而，这些关系是 潜在的，难以确定的。在本系统中，轧辊轧制难度系数的评估方法利用较长- 段 东北大学硕士学位论文 g - = 章轧辊管理系统描述 时期轧辊管理的生产实绩数据，例如：轧制带钢温度、带钢宽度、硬度、轧制公 里数、使用的轧辊材质、产品产量、规格组矩信息、轧辊消耗情况等信息，利用 s a s 数据仓库工具和采掘方法论的s e m m a 过程对轧辊轧制难度系数的相关因素 及其相关关系进行发现。其实现过程简述如下： 数据取样( s a m p l e ) 由设备部轧辊管理专家和系统分析人员共同定义相关主题后，根据主题范围 设计数据仓库逻辑模型，建立维表和事实表，从操作数据库中抽取有关数据，并 对抽取数据进行清理、集成。 ( b ) 数据特征探索、分析和预处理( e x p l o r e ) 利用s a s 的s a s i n s i g h i t 和s a s s p i c t r a v i w e 两个模块工具对样本数据 进行探索、分析，观察众多因素和轧辊轧制难度系数的主要相关性及其相关程度， 了解它们之间的相互作用情况。 ( c ) 问题明确化、数据调整和技术选择( m o d i f y ) 通过( a ) 、( b ) 步工作对数据的状态和趋势有了一定的了解之后，按照问题的具 体要求来审视数据集，看它是否适应问题的需要，在必要情况下对数据进一步调 整、修改和变动，以保证数据采掘有效地进行。 ( d ) 模型的研究和知识发现( m o d e l ) 利用s a s 的s a s s t a t 提供的数理统计方法等工具进行数据采掘，发现影响 轧辊轧制难度系数的因素及其相关性。 模型和知识的综合解释和评价( a s s e s s ) 对以上过程得到的一系列分析结果、模式和知识进行综合解释和评价，综合 它们影响的规律性，得出影响轧辊轧制难度系数的因素和规律，为轧辊管理提供 合理的决策支持信息。 2 3 本章小结 本章首先对轧辊管理系统整体进行了概述，介绍了系统的总体功能层次，阐 述了区域服务器、9 6 7 2 及数据仓库部分的业务流程。并着重介绍t s l 辊管理系统 中的四大模型的优化思想和优化算法 东北大学硕士学位论文 第三章轧制难度系数评价 第三章轧制难度系数评价 3 1 功能简介 轧制难度系数是轧辊管理系统中影响轧辊配对的重要数据之一。通过对轧制 难度系数影响因素的定义，从生产实绩数据中挖掘出相应的轧制难度系数。此模 型主要有下面几个主要功能： 3 1 1 考核轧制品种难轧程度 通过识别轧辊材质和产品品种的适应关系，由要轧制的产品计划品种得到其 轧制难度系数，从而选择合适材质的轧辊上机，降低轧辊损耗。在这种情况下， 考核带钢的出钢记号、厚度、宽度、表面精度、轧辊材质、轧制计划中带钢的宽 度、厚度、硬度跳跃等因素与带钢难轧程度的关系。为简单起见，在一些情况下， 可认作相对稳定的设备状态条件、轧钢操作水平条件、正常的生产工艺等等，从 而忽略一些因素。轧制难度系数识别方法如下： 针对某个轧制计划，根据轧钢实绩，对每一组数据，让有关专家进行打分认 定其难轧程度。有了一定数量的数据后，即能通过神经网络等学习方法( s a s 统 计模块) 进行预测( 或回归出定量关系) 。进而，由一个轧制计划，得到其品种的 出钢记号、宽度比，厚度比、表面精度等情况，即能计算其难轧程度系数。 若针对某块带钢，给出下列数据：出钢记号、厚度、宽度、表面精度，让有 关专家进行打分认定其难轧程度。有了一定数量的数据后，即能通过神经网络等 学习方法进行预测( 或回归出定量关系) 。进而，若得到某一带钢的出钢记号、厚 度、宽度、表面精度等数据，即能知道其得分数值确定难度系数。若针对某 段时间内的轧钢难度情况，根据生产实绩，给出下列格式数据：出钢记号比例、 厚度比、宽度比、表面精度比等，结合难度系数影响因素定义，即可得知其难度 系数。 以冷轧钢板为例子，轧制难度系数的确定主要考虑以下三个主要影响因素： 材质、表面、厚度，三个因素单项得分通过上述方法确定。设三个因素的分项权 重为w ，分析得到轧制难度分为z ，则该规格的轧制难度总得分为yw d ，。 3 1 2 考核轧辊消耗总量 本着产品轧制难度越大，轧辊消耗量越大的思想，从识别品种轧制难度角度 东北大学硕士学位论文 第三章轧制难度系数评价 来考核轧辊消耗总量。在这种情况下，考核带钢难轧程度、轧制总长度。 解决方法：抽取轧钢实绩，以某个时间段为单位( 比如月) ，给出数据表：轧 制总长度，出钢记号、厚度、宽度、表面精度。有了多组数据后，即能通过学习 方法进行计算( 或者回归出关系) ，给定某时间段轧制品种的出钢记号比例、厚度 比、宽度比、表面精度比、轧制总长度就能得到其轧辊消耗总量与轧制难度系数 之间的关系，为供应商评价提供相关参数。 分析t 时间段内，轧制品平均难度系数得分：统计该时间段内轧制品特点，比 如，材质为i 的产品所占比例为b ，规格厚度为s 的产品所占比例为p ，表面特性 为厂的产品所占比例为p ，根据轧制难度系数对照表，材质为i 的产品s l , t j 难度系 数得分为d ，规格厚度为s 的产品轧制难度系数得分为d 。，表面性质为，1 的产品难 度系数得分为d ，三个因素的权重分别为w 1w 2 ，w 3 ，则该时间段内轧制品难度系数 总得分为： w l ( e p f l ，) + w 2 ( p ，d 。) + w 3 ( z p ，d ，) ( 3 1 ) ts j 3 2 数据挖掘技术 轧制难度系数管理包括以下几方面功能：轧制难度系数影响因素定义；钢种、 出钢记号分类定义；规格品种难度定义；规格品种难度计算；t 时段轧制难度计算： 轧辊轧制难度计算。以上这些计算主要依据生产实绩，根据分类定义对生产实绩 进行分类，再进行轧制难度系数分析。这些功能的实现均依赖于数据挖掘技术。 3 2 1 数据挖掘简介 数据挖掘( d a t a m i n i n g ，简称d m ) ，也称数据库中的知识发现( n o d ：k n o w l e d g e d i s c o v e r yi nd a t a b a s e ) ，是指从大型数据库或数据仓库中提取人们感兴趣的知识， 这些知识是隐含的、事先未知的潜在有用信息，数据挖掘提取的知识一般可表示 为概念、规则、模式和约束等形式4 1 。如今已可以用数据库管理系统来存储数据， 还可用机器学习的方法来分析数据和挖掘大量数据背后的知识，而这两者的结合 就促成了数据挖掘技术的产生。数据挖掘是一门交叉性学科，涉及到机器学习、 模式识别、归纳推理、统计学、数据库、数据可视化、高性能计算等多个领域。 d m 主要基于人工智能、机器学习、模式识别和统计学原理等技术，高度自动 化地分析大量的数据，从中挖掘出潜在的规律，从而做出正确的决策。在实际应 东北大学硕士学位论文第三章轧制难度系数评价 用中，数据挖掘的对象不仅可以是数据库，也可是文件系统，或其它任何组织在 一起的数据集合。 3 2 2 数据挖掘的知识结构 从9 6 年国内报刊开始谈及数据仓库等技术开始，到现在数据仓库等产品进 入商业领域，数据挖掘( d a t a m i n i n g ) 这个词汇对国内i t 业界已不再陌生。它与 在线分析处理( o n l i n ea n a l y t i c a lp r o c e s s i n g ) ，数据仓库( d a t a w a r e h o u s e ) ， 数据库、数理统计、人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e