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創效6000萬元、勞動效率提升近10倍——寶鋼股份余材充當技術的奧秘何在?

2020-12-23 15:26:00


【編者按】

  在鋼鐵業繁多的智能化技術中,寶鋼股份十幾年如一日,圍繞庫存智能優化進行了深入研發。寶鋼股份2004年前后開始研發的這類智能優化模型與系統,歷經數代研發,實現了從碳鋼冷熱卷聯合合同余材聯合充當系統到碳鋼、硅鋼、不銹鋼等系統的全覆蓋。其中,碳鋼冷熱卷聯合優化充當系統等技術覆蓋寶鋼股份4個制造基地,質量余材智能優化模型和系統、質量改判智能處置技術、硅鋼全線處置系統也陸續在東山、青山等基地研發與應用。

  截至目前,余材充當優化系統已經具備了涵蓋薄板全產品、全工序、全產線的多重優化充當能力,實現了經濟價值和勞動效率的大幅度提升。本文將對這一系統的技術原理、效用等進行全方位梳理,為鋼鐵行業推進智能化發展提供借鑒。

 

杜斌

  對按合同或者按預測組織生產的鋼鐵制造基地來說,庫存智能優化處置(余材充當)技術(下稱余材充當技術)是一項重要的競爭力。寶鋼股份經過數代研發形成的余材充當技術,對企業競爭力的提高發揮了重要作用。

  這種技術的價值體現在3個方面:一是在全局優化效果方面,有效提高了各類余材的經濟價值,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(如冷熱卷聯合充當系統)接近全自動工作,勞動效率提升近10倍;三是工藝規則數字化帶來的一系列企業知識數字化和智能化,實現了規則的靈活配置和統一管理,為工藝和制造管理提供了新手段,使持續優化成為可能,并有利于公司工藝知識的傳承與積累。

  余材與余材充當為何物?

  在某種意義上,鋼鐵長流程產線可以看成由加工過程與庫存串聯而成。在鋼鐵生產中,加工節奏和單位時間產量由設備能力決定且基本固定,同時倉庫也已經建設完成,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。

  在按訂單生產的制造基地,鋼鐵制造產線的主要工序間,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、質量、設備、客戶等各類原因產生的與合同脫節的中間品或制成品。這些無合同產品、半成品,行業內常常稱之為余材。幾乎所有按合同生產的產線都會產生不少余材,并且生產的品種越多、越復雜,訂單規模越小,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;按照產生的原因可以分為合同余材(沒有合同的合格品余材)、質量余材(因為產品的質量出現偏差而得名)等。

  毫無疑問,余材會占用企業的庫存,加大庫存控制的難度,進而阻礙柔性制造水平的提高,導致鋼鐵企業生產成本增加,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:一方面是從余材產生的源頭進行控制,即通過優化生產組織、提高產品質量來減少余材的產生。但由于合同多品種、小批量需求的限制,僅靠生產安排的優化不能從根本上杜絕余材的產生,有些產品規格多、盈利能力強的優勢產線,余材可能占總制造量的比例高達8%。另一方面是對已經產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,就產生了所謂余材充當的組合優化問題。(實際上,根據余材產生原因的不同,余材充當又可以分為合同余材充當及質量余材充當等不同問題,甚至可以擴展成為跨鋼級的余材處置。不過,這是更復雜的余材優化問題,本文不展開說明。)

  智能優化模型讓余材充當更高效

  盡管余材充當問題的復雜度很高,但人工智能或數學優化技術,使我們不僅可以把合同余材與商家訂貨合同對接,還可以找到符合各方面指標(如交貨期、充當率、物流成本、后期制造)的優化充當方案。更進一步,智能優化模型在符合充當規則的情況下,可以把一些高等級質量不合格的產品匹配給合適的低等級產品合同,使之通過完成后續的加工賣給客戶并符合要求,從而大大提升企業效益。

  從工序的角度而言,目前智能優化模型已經可以在5分鐘~10分鐘內,完成成千上萬的合同與余材優化匹配的計算,所以,最新的模型不僅可以實施類似消耗熱卷余材這樣的單工序充當,也可以全產線、跨工序,覆蓋鑄坯、冷卷、熱卷。而這樣大跨度的對接,人腦做不到。

  根據寶鋼新技術研發與應用的實際情況,過去費時費力地把余材與合同“掛接”的工作,可以通過新型的智能優化模型(傳統數學優化與近年高速發展的智能優化,或者他們的組合)幾乎自動完成,同時,優化的模型還可以從成百上千的余材與合同中,給出最佳的充當方案。新技術極大地提高了工作效率、節約了制造成本,特別是由于可以科學快速地處理余材,某種意義上,企業可以更大膽地接受更多的小型訂單,柔性制造能力大幅度提升。

  目前,很多大型企業是由有經驗的員工在信息系統的支持下人工完成。但這種方法的不足主要在于充當工作繁重,優化水平低,工藝規則跟進維護需要計算機工程師的協助等。在智能化時代,新型智能優化技術可以實現其自動且優化的處置。

  需要說明的是,對于產線簡單、訂單結構單一的企業,這種智能優化的處置似乎并不是十分急迫,或者說可以依靠人的智力完成充當工作,某些不按訂單生產的廠家甚至沒有庫存處置問題。但對于寶鋼這樣的企業,這類工作十分繁重,寶鋼股份寶山基地的操作人員為此難以正常休假。處理人員為了使余材處理的效果好一點,更是花很多時間研究,十分辛苦。

  優化匹配問題。把成百上千的余材與合同進行最優的匹配是一個典型的組合優化問題。在現代優化技術出現之前,或者說大規模線性規劃的高效率算法出現前,常規計算機甚至強大的計算機都不能在較短時間內完成這樣的匹配計算。20世紀90年代以來,在算法學家和工業界的努力下,人們逐漸突破傳統優化的局限,開始了鋼鐵業余材充當智能優化技術的研發。

  寶鋼于2005年在國內率先進行了余材處置智能優化技術的工業應用研發,從最開始的單工序庫存(如僅考慮熱卷余材與熱卷合同的充當)開始,近年逐步完成了多工序聯合優化自動處置、從合同余材到質量余材、從單純的數學優化處置到聯合材料計算技術的跨鋼級處置等技術的應用,明顯地提高了工效和匹配價值,實現了部分產線產品的全自動優化處理。

  工藝規則數字化問題。庫存優化不僅是余材與合同的匹配優化問題,還有一個適應工藝規則頻繁變化與增加的問題。余材充當中最為基礎的判定就是余材與合同能否匹配,這是由一組業務規則來確定的,規則與工藝、材料質量特征、合同要求、生產組織要求甚至突發狀況等直接關聯,它們會隨著工藝提升、業務變化、管理改進等跟進變化,需要持續修改維護。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者脫節,出現理解偏差幾率較高,交流及實現代價較大,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,寶鋼研制了一種通用規則配置軟件。該軟件首先解決了“程序員依賴”問題,讓業務工程師能自己維護規則,保證“所述即所想”;規則數字化系統使業務工程師可以通過“無編程”方式在系統中完成規則的在線增加或修改,直接供智能優化模型調用或者服務于其他需要的流程,精確保證了規則時效性、一致性,完全打消了業務工程師的顧慮。該系統設計了通俗易懂的規則邏輯描述界面,貼合日常思維,簡單培訓即可學會。

  該通用平臺使長效與可變充當規則在這個平臺的支撐下成為可能,如圖2所示。但更重要的是,至此,充當規則有了統一的交流傳承平臺,實現了規則的數字化、軟件化,使得知識逐漸從各個工程師的腦中匯集到系統中,成為公司的知識資產。

  另外,該通用規則系統不僅可以用于庫存處置,也可以應用于很多鋼鐵智能化,甚至非工業問題,如運輸規則與物流優化、成本分析與業績比較、人力資源管理等方面的問題。

  從圖3可以看出,最終的余材充當解決方案由通用規則平臺與大規模充當優化模型兩部分組成。從此,當工藝工程師需要根據市場和產品具體需要改變工藝規則時,只需自己在計算機系統上獨立完成并立刻進入應用,不再需要等軟件開發人員來編制程序了。

  在工業互聯網熱潮的現實下,我們需要強調,這項技術完全基于過去的信息化、數據和通信基礎,可謂事半功倍。

  (作者系寶鋼研究院智能所研究員、寶鋼股份公司“制造管理決策技術虛擬團隊”負責人)

來源:中國冶金報-中國鋼鐵新聞網

編輯:陳曦

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