订单配置与组板组坯虚拟板坯整体方案优化装置及方法与流程

本发明属于钢铁企业宽厚板设计与生产领域，具体涉及一种订单配置与组板组坯虚拟板坯整体方案优化装置及方法。

背景技术：

钢铁企业板材生产与设计的关键问题是客户订单的组板/坯和虚拟板坯设计，即板材切割的逆向布局问题。最近10年，随着制造业的信息化发展，钢铁企业的组板/坯和虚拟板坯设计由mes系统下的人工半自动设计改变为由计算机软件对客户订单子板进行余板组板、余坯匹配和虚拟板坯设计。目前，钢铁企事业还是按组板/坯和虚拟板坯设计的自然顺序依次消化当日订单，计算出它们的满意方案。不足的是：由三个满意方案(局部最优)组成整体方案难以达到整体最优(全局最优)。另外，钢铁企业的生产特点与客户的多品种、小批量、个性化需求之间本身就存在矛盾，况且随着供给侧改革，大型钢铁企业恢复景气，客户订单量随之增大，且尺寸规格和形状增多，企业迫切希望升级系统，以具备订单的最优负载配置，并计算出基于设计者偏好的订单子板组板/坯和虚拟板坯设计的最优整体方案。即：即从技术上，探索将当日订单优化配置为3部分，并计算出订单组板/坯和虚拟板坯设计的最优整体方案，仍然是迫切需要解决的问题。

因此，有必要提出一种快速订单优化配置与组板/坯虚拟板坯整体方案优化设计的装置与方法，能满足设计者偏好、多规则约束和实时计算要求，以降低生产成本，提升工作效率，使目前的制造业向智能化和数字化方向转变。

技术实现要素：

本发明的第一个目的在于针对现有技术中存在的上述缺陷，提供一种订单配置与组板组坯虚拟板坯整体方案优化装置，以解决目前钢铁企业按余板组板、余坯匹配和虚拟板坯设计的自然流程消化订单而构成的总体方案的成材率低，客户个性化需求难以满足，以及自动化程度低的技术问题。

本发明的第一个目的是通过如下的技术方案来实现的：该订单配置与组板组坯虚拟板坯整体方案优化装置，它包括操作终端、订单优化配置与组板/坯虚拟板坯整体方案优化设计单元和多核计算机；操作终端通过网络接口与多核计算机连接，订单优化配置与组板/坯虚拟板坯整体方案优化设计单元通过机器接口及订单和余板/坯记录存储器与多核计算机连接；所述多核计算机包括输入输出处理机在内的多核计算机处理器和缓冲存储器；所述订单优化配置与组板/坯虚拟板坯整体方案优化设计单元包括规则存储器、引导程序和订单优化配置与组板/坯虚拟板坯构造的整体方案优化设计模块；其中：

(a)操作终端：通过网络接口电性连接于多核计算机的输入输出处理机，用于接收使用者输入的指令，并显示和确认最优订单配置与组板/坯虚拟板坯设计的最优整体方案；

(b)多核计算机的缓冲存储器：通过总线电性连接于多核计算机的输入输出处理机，用于临时存储最优订单配置与组板/坯虚拟板坯设计的最优整体方案；

(c)多核计算机的输入输出处理机：通过网络接口电性连接于操作终端，从订单和余板/坯记录存储器和订单优化配置与组板/坯虚拟板坯整体方案优化设计单元中的规则存储器分别读入订单、余板/坯记录和规则信息；

(d)订单优化配置与组板/坯虚拟板坯整体方案优化设计单元：通过机器接口电性连接于多核计算机的输入输出处理机，其订单优化配置与组板/坯虚拟板坯构造的整体方案优化设计模块基于规则存储器中的规则信息对订单和余板/坯记录存储器中的订单和余板/坯记录计算出最优订单配置方案和组板/坯虚拟板坯的最优整体方案；并将最优订单配置方案和组板/坯虚拟板坯的最优整体方案按特定格式传送给多核计算机的缓冲存储器进行存储；以及使用者通过终端操作在操作终端显示最优订单配置方案和组板/坯虚拟板坯的最优整体方案并确认。

本发明的第二个目的在于提供基于上述订单配置与组板组坯虚拟板坯整体方案优化装置的优化方法，它包括如下步骤：

(a)接收指令步骤：从操作终端接收使用者输入的指令到多核计算机的输入输出处理机；

(b)读入数据步骤：多核计算机中的输入输出处理机通过机器接口从订单和余板/坯记录存储器和订单优化配置与组板/坯虚拟板坯整体方案优化设计单元中的规则存储器分别读入订单、余板/坯记录和规则信息；

(c)订单优化配置与组板/坯虚拟板坯整体方案优化设计步骤：订单优化配置与组板/坯虚拟板坯整体方案优化设计单元中，引导程序通过机器接口将订单优化配置与组板/坯虚拟板坯构造的整体方案优化设计模块引导到多核计算机的缓冲存储器；多核计算机的多核计算机处理器执行订单优化配置与组板/坯虚拟板坯构造的整体方案优化设计模块，将读入的订单最优配置为3个部分，并计算出组板\坯和虚拟板坯设计的最优整体方案；

(d)订单最优配置与组板/坯虚拟板坯设计的最优整体方案存储及显示步骤：多核计算机中的输入输出处理机将的订单的最优配置方案和组板/坯虚拟板坯设计的最优整体方案按特定格式传送给多核计算机中的缓冲存储器；使用者在操作终端上，对订单最优配置方案与组板/坯虚拟板坯设计的最优整体方案进行显示和确认。

具体地说，步骤(c)所述的订单优化配置与组板/坯虚拟板坯整体方案优化设计步骤具体如下：

①对给定成材率阈值和规则信息，首先用优先订单消化余板/坯，将组板/坯方案存入整体方案表，将对应优先订单分别存入组板订单表和组坯订单表，更新剩余的余板/坯表；然后对非优先订单进行虚拟板坯设计，将无冲突虚拟板坯方案存入整体方案表，将对应非优先订单存入虚拟板坯订单表，计算出剩余的非优先订单；

②用剩余的非优先订单并行执行快速余板组板方法、余坯组坯方法和虚拟板坯排样方法，按成材率降序排列所有组板/坯虚拟板坯排样方案；将第一个方案存入整体方案表，将第一个方案的订单存入对应的组板订单表或组坯订单表或虚拟板坯订单表，从剩余的非优先订单减去第一个方案的对应订单欠件数；从第二个方案开始，如果第二个方案的完整性没有因前面的订单欠件数更新而被破坏，则将第二个方案存入整体方案表，并从剩余的非优先订单减去第二个方案的相关订单欠件数，将第二个方案的订单存入对应的组板订单表或组坯订单表或虚拟板坯订单表，直到遍历完所有的方案，或者遇到成材率不大于给定的阈值的方案为止；

③将成材率阈值减小一个步长，重复步骤②，直到成材率阈值小于给定的阈值下限，或者订单消化完毕为止；

④显示整体方案和由组板订单表、组坯订单表和虚拟板坯订单表构成的订单配置方案，算法结束。

进一步的，步骤①所述优先订单是不低于给定成材率的前提下能消化的余板/坯的订单，或者是交货期预警的订单，即满足相应规则且订单子板面积/余板面积或订单子板体积/余坯体积最大，或者给定距交货期天数且订单子板面积/余板面积或订单子板体积/余坯体积较大的订单，其它的订单作为非优先订单。

进一步的，步骤①所述无冲突虚拟板坯方案是用非优先订单进行虚拟板坯设计；如果组成一个虚拟板坯方案的所有订单都不能用于当前余板/坯的组板/坯，则该方案就称为无冲突虚拟板坯方案，否则就称该方案为有冲突虚拟板坯方案。

进一步的，步骤②所述快速余板组板方法是：使用规则信息对非优先订单进行过滤，并基于给定的属性分组；多组并行余板组板，对于每组余板，采用回溯策略和邻域搜索策略并行构造每块余板的所有候选方案集，按偏好指标的降序排列，并将不小于给定偏好指标的最优候选方案作为当前余板的组板方案，且利用已构造的当前余板的候选方案集搜索出其它余板的最优组板方案。

进一步的，步骤②所述余坯组坯方法是：使用规则信息和给定偏好指标对非优先订单按快速余板组板方法计算出可选大板方案集；基于大板属性规则过滤后按余坯断面反推出可选板坯方案，获取按给定偏好升序排列的可选板坯方案；基于可选板坯方案采用回溯策略匹配出候选余坯匹配方案集；将按给定性能指标计算出最优候选余坯匹配方案作为余坯匹配方案。

进一步的，步骤②所述虚拟板坯排样方法是：使用规则信息和给定偏好指标对非优先订单按快速余板组板方法计算出可选大板方案集；基于大板属性规则过滤后按基表断面反推出虚拟板坯方案，获取按给定偏好升序排列的虚拟板坯方案集；基于虚拟板坯方案集，采用回溯策略计算出候选虚拟板坯方案集；将按给定性能指标计算出最优虚拟板坯方案作为出钢材虚拟板坯方案。

本发明订单配置与组板组坯虚拟板坯整体方案优化装置及方法的有益效果在于：提高了组板/坯和虚拟板坯设计的总体方案的成材率，提高了订单配置的工作效率，缩短了生产周期，降低了生产成本。

附图说明

图1为本发明实施例订单配置与组板组坯虚拟板坯整体方案优化装置的结构框图。

图2为本发明实施例订单配置与组板组坯虚拟板坯整体方案优化方法的流程框图。

图3为图2中优先订单处理模块的流程框图。

图4为图2中非优先订单的无冲突虚拟板坯方案判断模块的流程框图。

图5为图2中非优先订单的冲突虚拟板坯方案优化处理模块的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

参见图1，本实施例的订单配置与组板组坯虚拟板坯整体方案优化装置，它包括操作终端1、订单优化配置与组板/坯虚拟板坯整体方案优化设计单元2和多核计算机4；操作终端1通过网络接口5与多核计算机4连接，订单优化配置与组板/坯虚拟板坯整体方案优化设计单元2通过机器接口3及订单和余板/坯记录存储器6与多核计算机4连接；所述多核计算机4包括输入输出处理机在内的多核计算机处理器和缓冲存储器；所述订单优化配置与组板/坯虚拟板坯整体方案优化设计单元2包括规则存储器、引导程序和订单优化配置与组板/坯虚拟板坯构造的整体方案优化设计模块；其中：

(a)操作终端1：通过网络接口5电性连接于多核计算机4的输入输出处理机，用于接收使用者输入的指令，该指令用于使用者调用订单优化配置与组板/坯虚拟板坯整体方案优化设计方法，以及核对和确认最优订单配置和组板/坯虚拟板坯设计的最优整体方案。并且，使用者可以通过操作终端1显示最优订单配置方案以及组板/坯虚拟板坯设计的最优整体方案；操作终端1可以置于一体机、台式pc机或笔记本电脑上；

(b)多核计算机4的缓冲存储器：通过总线电性连接于多核计算机4的输入输出处理机，用于临时存储最优订单配置与组板/坯虚拟板坯设计的最优整体方案；

(c)多核计算机4的输入输出处理机：通过网络接口5电性连接于操作终端1，从订单和余板/坯记录存储器6和订单优化配置与组板/坯虚拟板坯整体方案优化设计单元2中的规则存储器分别读入订单、余板/坯记录和规则信息；

(d)订单优化配置与组板/坯虚拟板坯整体方案优化设计单元2：通过机器接口3电性连接于多核计算机4的输入输出处理机，按其规则存储器中的规则信息，将订单优化配置为3部分，并基于约束规则计算出组板/坯虚拟板坯设计的最优整体方案；将最优订单配置方案以及组板/坯虚拟板坯设计的最优整体方案按特定格式存入多核计算机4的缓冲存储器；以及使用者通过终端操作在操作终端1显示和确认最优订单配置方案以及组板/坯虚拟板坯设计的最优整体方案。

参见图2，是本发明订单配置与组板组坯虚拟板坯整体方案优化方法的流程框图。该订单配置与组板组坯虚拟板坯整体方案优化方法包括如下步骤：

步骤s21，从订单和余板/坯记录存储器和订单优化配置与组板/坯虚拟板坯整体方案优化设计单元2的规则存储器读取订单记录和规则信息；并设置组板/坯虚拟板坯整体方案优化设计方法的基本参数，如成材率阈值和步长，以及初始化整体方案表；

步骤s22，将读取的订单分为优先订单和非优先订单，对优先订单进行组板/坯，将组板/坯方案存入整体方案表，将对应方案的订单存入组板或组坯订单表，更新订单记录、余板/坯记录；

步骤s23，对给定成材率阈值，执行虚拟设计模块完成非优先订单的虚拟板坯设计，将所有的虚拟板坯设计方案存入候选总体方案表l1，并将p1指向候选总体方案表头；

步骤s24，判断p1是否指向候选总体方案l1的链表尾，如果是则转s27，否则转s25；

步骤s25，调用无冲突判断模块对p1指向候选总体方案进行判断，若模块的返回值为true，转s26；否则p1移到l1中的下一个方案，转s24；

步骤s26，将p1指向的方案存入整体方案表，将p1指向方案的订单存入虚拟板坯订单表，计算剩余的非优先订单，p1移到l1中的下一个方案，转s24；

步骤s27，基于给定的成材率阈值，调用非优先订单的组板/坯和虚拟板坯优化设计模块计算剩余非优先订单和剩余的余板/坯的组板/坯和虚拟板坯设计方案，将方案添加到整体方案表中，将p1指向方案的订单存入虚拟板坯订单表，计算剩余的非优先订单和剩余的余板/坯；

步骤s28，如果非优先订单消化完毕或成材率阈值小于给定值，则转s29；否则，成材率阈值减少一个步长，转s23；

步骤s29，将订单配置方案和整体方案表中的组板/坯虚拟板坯设计方案显示在操作终端进行确认，并按照一定的格式存入多核计算机的缓冲存储器，算法结束。

参见图3，是订单优化配置与组板/坯虚拟板坯整体方案优化设计中优先订单的判断与组板/坯模块的流程框图。该模块处理订单表l2中的优先订单，得到成材率较高的余板/坯的组板/坯方案或者交货期预警订单且兼顾成材率的余板/坯的组板/坯方案，并更新余板/坯信息，找出非优先订单，其算法包括如下步骤：

步骤s31，将指针p2指向l2的表头；

步骤s32，如果p2指向的订单是交货期预警订单，或者余板的长和宽分别为订单子板长和宽×(0.95～1)的倍尺订单，或者余坯/订单子板厚度为订单子板长和宽×(0.95～1)的倍尺订单，并且满足组板/坯的约束规则，则将该订单存入优先订单表，否则存入非优先订单表；

步骤s33，如果p2指向的订单是优先订单，则计算出它的组板/坯方案，将该方案存入整体方案表，对应订单存入组板订单表和组坯订单表，更新订单表中的欠件数和余板/坯信息，将p2移到l2中的下一个订单；如果p2没有到l2的尾部，则转s32，否则转s34；

步骤s34，返回组板订单表和组坯订单表、整体方案表和剩余的余板/坯表，算法结束。

参见图4，是订单优化配置与组板/坯虚拟板坯整体方案优化设计中对非优先订单的虚拟板坯方案判断有无冲突模块的流程框图。该模块对非优先订单的虚拟板坯方案的每个订单与所有的余板/坯的组板/坯规则相比较，只有都不符合时判断为不冲突，返回无冲突的虚拟板坯设计方案。

步骤s41，建立优先订单处理后剩余的余板和余坯表l3和l4，以及冲突订单表hashmap，基于给定的成材率调用虚拟板坯设计模块计算非优先订单虚拟板坯设计方案，存入到表lp，pl指向lp的第一个方案的订单表头部，p3和p4分别指向l3和l4的头部；

步骤s42，如果hashmap表包含pl指向的订单，则返回false，转步骤s46；否则p3指向余板表l3中的第一块余板，转步骤s43；

步骤s43，如果pl满足p3指向余板属性要求(钢号，厚度，产线号等)，则将pl的订单编号存入到hashmap中，返回false，转步骤s46；否则将p3移到余板表l3中的下一块余板；

步骤s44，如果p3不是表尾，则转步骤s43，否则令p4指向余坯表l4中的第1块余坯；

步骤s45，如果pl满足p4指向余坯属性要求(钢种，产线号等)，则将pl的订单号存入到hashmap中，返回false，转步骤s46；否则p4移到余坯表l4的下一块余坯；

步骤s46，如果p4没有达到l4的表尾，则转步骤s45，否则将pl移到方案lp所指方案的订单表的下一个订单；如果pl没达到lp所指方案的订单表的表尾，则转步骤s42，否则，清空hashmap表，pl指向lp下一个方案的订单表的表头，如果lp的方案没有遍历完，则转步骤s42；否则返回带true或false冲突信息的虚拟板坯方案表。

参见图5，是订单优化配置与组板/坯和虚拟板坯整体方案优化设计中处理进行无冲突虚拟板坯方案设计后的非优先订单，并将获得可行的组板/坯和虚拟板坯设计方案模块流程框图。该模块针对无冲突虚拟板坯方案设计后的非优先订单，基于成材率阈值计算组板/坯和虚拟板坯设计方案，并按成材率降序排列，滤掉成材率低的方案并优化处理有冲突的方案，进而返回可行的组板/坯和虚拟板坯设计方案、相应的组板订单表、组坯订单表、虚拟板坯订单表和剩余的非优先订单表。

步骤s51，基于当前成材率阈值，调用余板/坯和虚拟板坯设计模块，计算出剩余非优先订单的组板/坯和虚拟板坯设计方案，并按成材率降序存入队列表l5，将p5指向l5的第一个方案，转s52；

步骤s52，将p5指向方案存入可行组板/坯或虚拟板坯方案表，将p5指向方案的订单存入组板订单表或组坯订单表或虚拟板坯订单表，更新剩余非优先订单；

步骤s53，p5移向l5的下一个方案；如果p5没有到达队尾，转s54；否则，将成材率阈值减小一个步长，转s55；

步骤s54，如果p5指向的方案中所有的订单欠件数都大于零，则将该组板/坯或虚拟板坯方案表存入整体方案表，将p5指向方案的订单存入组板订单表或组坯订单表或虚拟板坯订单表，更新剩余非优先订单，转s55；

步骤s55，如果当前成材率阈值不小于给定值，则转s51，否则返回整体方案表，组板订单表、组坯订单表和虚拟板坯订单表，算法结束。

需要说明的是，以上排样方案中的组板类型有如下4种：

a1型大板：在给定大板宽度和长度范围内，将同厚度和同宽度的合同子板(欠件数≥1)横放一排，且要求横纵向分别尽可能接近给定的最大宽度和最大长度。

a2型大板：在给定大板宽度和长度范围内，将同厚度的异宽合同子板横放一排，且要求横纵向分别尽可能的接近给定的最大宽度和最大长度。

s1型大板：在给定大板允许宽度和长度范围内，将同厚度的合同子板横放n(n<3)排，且要求每一排和每一列合同的宽度和长度分别相同，且很重想分别尽可能的接近给定的最大宽度和最大长度。

s2型大板：在给定大板宽度和长度范围内，将同厚度的合同子板横放n(n<3)排，要求除第一排外每一排合同的宽度相同，第一排合同的宽度不完全相同，每一列合同的长度也相同。

表1为余板表头，表中记录余板信息，包括余材编号、钢种、厚度、宽度、长度、…、产品规范码、热处理方式代码和轧制方向代码等，用于余板组。

表1余板表头

表2为余坯表头，表中记录着余坯信息，包括余材编号、钢种、厚度、宽度、长度、…、库区代码、出钢记号、制造命令号和材料重量等，用于余坯匹配。

表2余材板坯表头

表3为订单表头，记录这客户订单相关信息，包括合同号、钢种、产品规范码、切边标记、厚度、…、结晶器厚度、结晶器宽度和组合id等。

表3订单表头

表4为组板/坯虚拟板坯设计总体方案表头，记录总体方案，总体方案表中包括创建时间、合同号、合同顺序号、组板类型、成材率、…、小板块数、处理状态和vip状态标志等。

表4总体方案表头

表5为某一钢铁集团有限公司的订单数据和目前方法计算的结果数据。

表5某一钢铁集团有限公司的订单数据和目前方法计算的结果数据

表6为某一钢铁集团有限公司的订单数据和本发明方法计算的结果数据。

表6某一钢铁集团有限公司的订单数据和本专利方法计算的结果数据

从结果数据可以看出，本发明提出的装置及方法的综合成材率比企业目前方法高，其计算时间也有明显的减少，使用本发明可以有效地提高设计效率，减小材料浪费并降低生产成本。