一、研究的背景與問(wèn)題
在某種意義上，鋼鐵長(zhǎng)流程產(chǎn)線可以看成由加工過(guò)程與庫(kù)存串聯(lián)而成。在鋼鐵生產(chǎn)中，加工節(jié)奏和單位時(shí)間產(chǎn)量由設(shè)備能力決定且基本固定，同時(shí)倉(cāng)庫(kù)也已經(jīng)建設(shè)完成，因此，有效的庫(kù)存控制就成了提高制造效率的重要因素，直接決定了鋼鐵公司小批量、多品種的接單、制造能力，也就是所謂的柔性制造水平。
在按訂單生產(chǎn)的制造基地，鋼鐵制造產(chǎn)線的主要工序間，都會(huì)設(shè)立一些中間倉(cāng)庫(kù)。中間倉(cāng)庫(kù)除了滿足必要的工藝要求（如中間品下線冷卻）外，還會(huì)處理因?yàn)樯a(chǎn)、質(zhì)量、設(shè)備、客戶等各類原因產(chǎn)生的與合同脫節(jié)的中間品或制成品。這些無(wú)合同產(chǎn)品、半成品，行業(yè)內(nèi)常常稱之為余材。幾乎所有按合同生產(chǎn)的產(chǎn)線都會(huì)產(chǎn)生不少余材，并且生產(chǎn)的品種越多、越復(fù)雜，訂單規(guī)模越小，余材也就越多。
余材的種類很多，按照所在的工序可以分為鑄坯余材、熱軋余材等，如圖1 所示；按照產(chǎn)生的原因可以分為合同余材（沒(méi)有合同的合格品余材）、質(zhì)量余材（因?yàn)楫a(chǎn)品的質(zhì)量出現(xiàn)偏差而得名）等。
毫無(wú)疑問(wèn)，余材會(huì)占用企業(yè)的庫(kù)存，加大庫(kù)存控制的難度，進(jìn)而阻礙柔性制造水平的提高，導(dǎo)致鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)成本增加，因而對(duì)余材的減少、控制就顯得尤為重要。換句話說(shuō)，庫(kù)存優(yōu)化技術(shù)與余材處理方式緊密相關(guān)。
減少余材的辦法主要有兩方面：一方面是從余材產(chǎn)生的源頭進(jìn)行控制，即通過(guò)優(yōu)化生產(chǎn)組織、提高產(chǎn)品質(zhì)量來(lái)減少余材的產(chǎn)生。但由于合同多品種、小批量需求的限制，僅靠生產(chǎn)安排的優(yōu)化不能從根本上杜絕余材的產(chǎn)生，有些產(chǎn)品規(guī)格多、盈利能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)線，余材可能占總制造量的比例高達(dá)8%。另一方面是對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生的余材進(jìn)行合理利用，即將余材與合同相匹配，把庫(kù)存的各類余材賣給商家或者給其安排一個(gè)合適的訂單。這種給各類余材“賦予”新的合同的做法，行業(yè)稱之為余材充當(dāng)。如何把庫(kù)存的余材賣給商家，即針對(duì)各類余材安排合適的訂單，就產(chǎn)生了所謂余材充當(dāng)?shù)慕M合優(yōu)化問(wèn)題。
針對(duì)鋼鐵長(zhǎng)流程加工過(guò)程中余材種類多、余材數(shù)量大、庫(kù)存控制難等典型問(wèn)題，寶鋼股份于2004年開(kāi)始著手余材充當(dāng)技術(shù)的研發(fā)，歷經(jīng)十幾年的探索創(chuàng)新，建立了以規(guī)則配置平臺(tái)和優(yōu)化決策模型雙輪驅(qū)動(dòng)的余材充當(dāng)系統(tǒng)，逐漸具備了薄板全產(chǎn)品、全工序、全產(chǎn)線的優(yōu)化充當(dāng)能力，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)價(jià)值和勞動(dòng)效率的大幅度提升。數(shù)年來(lái)該技術(shù)水平在覆蓋面、優(yōu)化效果、自動(dòng)化程度、工藝數(shù)字化全方位持續(xù)保持國(guó)際領(lǐng)先。
圖1.鋼鐵生產(chǎn)工序和余材產(chǎn)生示意圖
二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案
余材充當(dāng)問(wèn)題涉及兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：
1、如何適應(yīng)余材匹配規(guī)則的時(shí)變性和時(shí)效性要求
余材充當(dāng)中最為基礎(chǔ)的判定就是余材與合同能否匹配，匹配規(guī)則會(huì)隨著工藝提升、業(yè)務(wù)變化、管理改進(jìn)等跟進(jìn)變化，導(dǎo)致業(yè)務(wù)工程師與軟件工程師溝通代價(jià)大、規(guī)則配置響應(yīng)周期長(zhǎng)、規(guī)則知識(shí)碎片化等問(wèn)題。
2、如何采用數(shù)學(xué)優(yōu)化的方法進(jìn)行高效決策
余材充當(dāng)技術(shù)需要解決的是一個(gè)組合優(yōu)化問(wèn)題，從數(shù)學(xué)建模角度而言，成百上千的余材與合同對(duì)應(yīng)大量的決策變量，多樣的匹配規(guī)則和應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)應(yīng)復(fù)雜的條件約束，使得直接求解數(shù)學(xué)優(yōu)化模型不可行。
針對(duì)上述兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，寶鋼經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的技術(shù)研發(fā)，逐漸摸索出工藝規(guī)則數(shù)字化平臺(tái)+智能優(yōu)化模型的具有寶鋼特色的技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)了余材充當(dāng)業(yè)務(wù)的智能化。
圖2.冷熱卷余材充當(dāng)技術(shù)方案
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1、工藝規(guī)則數(shù)字化平臺(tái)
余材充當(dāng)中最為基礎(chǔ)的判定就是余材與合同能否匹配，這是由一組業(yè)務(wù)規(guī)則來(lái)確定的，規(guī)則與工藝、材料質(zhì)量特征、合同要求、生產(chǎn)組織要求甚至突發(fā)狀況等直接關(guān)聯(lián)，它們會(huì)隨著工藝提升、業(yè)務(wù)變化、管理改進(jìn)等跟進(jìn)變化，需要持續(xù)修改維護(hù)。這種模式以往完全依賴程序員，導(dǎo)致知識(shí)掌握者與軟件實(shí)現(xiàn)者脫節(jié)，出現(xiàn)理解偏差幾率較高，交流及實(shí)現(xiàn)代價(jià)較大，往往需要外部軟件公司人員介入而導(dǎo)致響應(yīng)周期很長(zhǎng)，使自動(dòng)充當(dāng)變得非常困難。
針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，研制了一種通用規(guī)則配置軟件。該軟件首先解決了“程序員依賴”問(wèn)題，讓業(yè)務(wù)工程師能自己維護(hù)規(guī)則，保證“所述即所想”；規(guī)則數(shù)字化系統(tǒng)使業(yè)務(wù)工程師可以通過(guò)“無(wú)編程”方式在系統(tǒng)中完成規(guī)則的在線增加或修改，直接供智能優(yōu)化模型調(diào)用或者服務(wù)于其他需要的流程，精確保證了規(guī)則時(shí)效性、一致性，完全打消了業(yè)務(wù)工程師的顧慮。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了通俗易懂的規(guī)則邏輯描述界面，貼合日常思維，簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可學(xué)會(huì)。業(yè)務(wù)工程師通過(guò)無(wú)編程方式在系統(tǒng)中自主完成規(guī)則的增加或修改，保證了規(guī)則時(shí)效性和一致性，實(shí)現(xiàn)了規(guī)則的數(shù)字化和軟件化，使得知識(shí)從各個(gè)工程師的腦中匯集到系統(tǒng)中，累積成為公司的知識(shí)資產(chǎn)。
2、大規(guī)模智能優(yōu)化決策模型庫(kù)
面向全流程的余材和超量材，綜合考慮規(guī)則、動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)、生產(chǎn)組織優(yōu)化準(zhǔn)則，基于最新的人工智能和多目標(biāo)組合優(yōu)化算法，提供跨工序充當(dāng)及再生余材二次充當(dāng)模型，突破以往單工序充當(dāng)匹配范圍小、局部?jī)?yōu)化的限制，實(shí)現(xiàn)合同與冷熱卷余材的大規(guī)模全局優(yōu)化匹配，具有更大的充當(dāng)柔性和優(yōu)化價(jià)值。另外，面對(duì)充當(dāng)實(shí)際中因生產(chǎn)波動(dòng)、物流調(diào)整衍生出的各種突發(fā)狀況，研制動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)即時(shí)配置與優(yōu)化模型相結(jié)合的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的多目標(biāo)優(yōu)化功能，并拓展模型的配置和人機(jī)交互功能，達(dá)到可持續(xù)優(yōu)化的效果。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模型與業(yè)務(wù)人員的有效互動(dòng)，打破了以往整體優(yōu)化數(shù)學(xué)模型黑箱化難互動(dòng)的局面，實(shí)現(xiàn)了具有實(shí)用意義的模型持續(xù)優(yōu)化功能。
最新的模型利用大規(guī)模組合優(yōu)化智能算法，可以在5~10分鐘內(nèi)獲得成千上萬(wàn)合同與余材的優(yōu)化匹配決策，不僅可以實(shí)施類似消耗熱卷余材這樣的單工序充當(dāng)，也可以跨工序，覆蓋冷卷、熱卷的整體優(yōu)化充當(dāng)，顯著提高了工效和匹配價(jià)值。
四、應(yīng)用情況與效果
該技術(shù)的價(jià)值體現(xiàn)在3個(gè)方面：一是在全局優(yōu)化效果方面，有效提高了各類余材的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，目前效益已超過(guò)6000 萬(wàn)元；二是明顯提升勞動(dòng)效率和減輕工程師勞動(dòng)負(fù)荷，部分系統(tǒng)（如冷熱卷聯(lián)合充當(dāng)系統(tǒng)）接近全自動(dòng)工作，勞動(dòng)效率提升近10 倍；三是工藝規(guī)則數(shù)字化帶來(lái)的一系列企業(yè)知識(shí)數(shù)字化和智能化，實(shí)現(xiàn)了規(guī)則的靈活配置和統(tǒng)一管理，為工藝和制造管理提供了新手段，使持續(xù)優(yōu)化成為可能，并有利于公司工藝知識(shí)的傳承與積累。
