一、研究的背景與問題

在某種意義上，鋼鐵長流程產(chǎn)線可以看成由加工過程與庫存串聯(lián)而成。在鋼鐵生產(chǎn)中，加工節(jié)奏和單位時間產(chǎn)量由設備能力決定且基本固定，同時倉庫也已經(jīng)建設完成，因此，有效的庫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，都會設立一些中間倉庫。中間倉庫除了滿足必要的工藝要求（如中間品下線冷卻）外，還會處理因為生產(chǎn)、質(zhì)量、設備、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)線都會產(chǎn)生不少余材，并且生產(chǎn)的品種越多、越復雜，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（沒有合同的合格品余材）、質(zhì)量余材（因為產(chǎn)品的質(zhì)量出現(xiàn)偏差而得名）等。

毫無疑問，余材會占用企業(yè)的庫存，加大庫存控制的難度，進而阻礙柔性制造水平的提高，導致鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)成本增加，因而對余材的減少、控制就顯得尤為重要。換句話說，庫存優(yōu)化技術與余材處理方式緊密相關。

減少余材的辦法主要有兩方面：一方面是從余材產(chǎn)生的源頭進行控制，即通過優(yōu)化生產(chǎn)組織、提高產(chǎn)品質(zhì)量來減少余材的產(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、盈利能力強的優(yōu)勢產(chǎn)線，余材可能占總制造量的比例高達8%。另一方面是對已經(jīng)產(chǎn)生的余材進行合理利用，即將余材與合同相匹配，把庫存的各類余材賣給商家或者給其安排一個合適的訂單。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。如何把庫存的余材賣給商家，即針對各類余材安排合適的訂單，就產(chǎn)生了所謂余材充當?shù)慕M合優(yōu)化問題。

針對鋼鐵長流程加工過程中余材種類多、余材數(shù)量大、庫存控制難等典型問題，寶鋼股份于2004年開始著手余材充當技術的研發(fā)，歷經(jīng)十幾年的探索創(chuàng)新，建立了以規(guī)則配置平臺和優(yōu)化決策模型雙輪驅動的余材充當系統(tǒng)，逐漸具備了薄板全產(chǎn)品、全工序、全產(chǎn)線的優(yōu)化充當能力，實現(xiàn)了經(jīng)濟價值和勞動效率的大幅度提升。數(shù)年來該技術水平在覆蓋面、優(yōu)化效果、自動化程度、工藝數(shù)字化全方位持續(xù)保持國際領先。

圖1.鋼鐵生產(chǎn)工序和余材產(chǎn)生示意圖

二、解決問題的思路與技術方案

余材充當問題涉及兩個技術難點：

1、如何適應余材匹配規(guī)則的時變性和時效性要求

余材充當中最為基礎的判定就是余材與合同能否匹配，匹配規(guī)則會隨著工藝提升、業(yè)務變化、管理改進等跟進變化，導致業(yè)務工程師與軟件工程師溝通代價大、規(guī)則配置響應周期長、規(guī)則知識碎片化等問題。

2、如何采用數(shù)學優(yōu)化的方法進行高效決策

余材充當技術需要解決的是一個組合優(yōu)化問題，從數(shù)學建模角度而言，成百上千的余材與合同對應大量的決策變量，多樣的匹配規(guī)則和應用場景對應復雜的條件約束，使得直接求解數(shù)學優(yōu)化模型不可行。

針對上述兩個技術難點，寶鋼經(jīng)過長期的技術研發(fā)，逐漸摸索出工藝規(guī)則數(shù)字化平臺+智能優(yōu)化模型的具有寶鋼特色的技術路線，實現(xiàn)了余材充當業(yè)務的智能化。

圖2.冷熱卷余材充當技術方案

三、主要創(chuàng)新性成果

1、工藝規(guī)則數(shù)字化平臺

余材充當中最為基礎的判定就是余材與合同能否匹配，這是由一組業(yè)務規(guī)則來確定的，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)狀況等直接關聯(lián)，它們會隨著工藝提升、業(yè)務變化、管理改進等跟進變化，需要持續(xù)修改維護。這種模式以往完全依賴程序員，導致知識掌握者與軟件實現(xiàn)者脫節(jié)，出現(xiàn)理解偏差幾率較高，交流及實現(xiàn)代價較大，往往需要外部軟件公司人員介入而導致響應周期很長，使自動充當變得非常困難。

針對這個問題，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”問題，讓業(yè)務工程師能自己維護規(guī)則，保證“所述即所想”；規(guī)則數(shù)字化系統(tǒng)使業(yè)務工程師可以通過“無編程”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)用或者服務于其他需要的流程，精確保證了規(guī)則時效性、一致性，完全打消了業(yè)務工程師的顧慮。該系統(tǒng)設計了通俗易懂的規(guī)則邏輯描述界面，貼合日常思維，簡單培訓即可學會。業(yè)務工程師通過無編程方式在系統(tǒng)中自主完成規(guī)則的增加或修改，保證了規(guī)則時效性和一致性，實現(xiàn)了規(guī)則的數(shù)字化和軟件化，使得知識從各個工程師的腦中匯集到系統(tǒng)中，累積成為公司的知識資產(chǎn)。

2、大規(guī)模智能優(yōu)化決策模型庫

面向全流程的余材和超量材，綜合考慮規(guī)則、動態(tài)優(yōu)先級、生產(chǎn)組織優(yōu)化準則，基于最新的人工智能和多目標組合優(yōu)化算法，提供跨工序充當及再生余材二次充當模型，突破以往單工序充當匹配范圍小、局部優(yōu)化的限制，實現(xiàn)合同與冷熱卷余材的大規(guī)模全局優(yōu)化匹配，具有更大的充當柔性和優(yōu)化價值。另外，面對充當實際中因生產(chǎn)波動、物流調(diào)整衍生出的各種突發(fā)狀況，研制動態(tài)優(yōu)先級即時配置與優(yōu)化模型相結合的系統(tǒng)，實現(xiàn)動態(tài)的多目標優(yōu)化功能，并拓展模型的配置和人機交互功能，達到可持續(xù)優(yōu)化的效果。該系統(tǒng)實現(xiàn)模型與業(yè)務人員的有效互動，打破了以往整體優(yōu)化數(shù)學模型黑箱化難互動的局面，實現(xiàn)了具有實用意義的模型持續(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)獲得成千上萬合同與余材的優(yōu)化匹配決策，不僅可以實施類似消耗熱卷余材這樣的單工序充當，也可以跨工序，覆蓋冷卷、熱卷的整體優(yōu)化充當，顯著提高了工效和匹配價值。

四、應用情況與效果

該技術的價值體現(xiàn)在3個方面：一是在全局優(yōu)化效果方面，有效提高了各類余材的經(jīng)濟價值，目前效益已超過6000 萬元；二是明顯提升勞動效率和減輕工程師勞動負荷，部分系統(tǒng)（如冷熱卷聯(lián)合充當系統(tǒng)）接近全自動工作，勞動效率提升近10 倍；三是工藝規(guī)則數(shù)字化帶來的一系列企業(yè)知識數(shù)字化和智能化，實現(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的傳承與積累。