基于分档约束与自适应并行搜索的多矿源铁矿石配矿方法与流程

本发明涉及矿产资源加工与生产调度优化领域，具体涉及一种应用于铁矿石配矿场景的、基于约束优化算法的原料混合配比自动计算方法。

背景技术：

1、铁矿石冶炼与贸易行业普遍采用“按合同品位结算、超标扣款、达标或超额可能获得奖励”的贸易惯例。钢厂或贸易合同通常约定tfe（全铁）等下限制指标与sio2、al2o3、s、p、pb、zn、as、k2o、na2o、mn、tio2等上限杂质指标。指标不达标或超标时按照分档累进的方式扣款，偏离目标越远则扣款单价越高；部分指标（如tfe超过合同要求）还会给予阶梯式奖励。

2、国内可采购的矿源普遍呈现“价格低、但化学成分波动大、杂质易超标”的特点。企业若仅采购单一矿源，往往难以同时满足全部指标；若依靠人工经验进行多矿种搭配（即“配矿”），则面临以下困难：

3、第一，需要同时满足10项以上化学成分的双向约束，包括1个下限制指标与多个上限杂质指标，且部分指标存在“两种元素合并计量再限值”的复合约束，如k2o+na2o合计不超过特定阈值。

4、第二，需要在满足约束的同时使总利润最优，属于典型的高维非线性约束优化问题，人工试算无法保证全局最优且效率低下。

5、第三，企业通常拥有多个生产基地，不同基地的原料采购成本不同，需要“一份配矿策略、多基地成本、分别择优”的能力。

6、目前企业实际采用的做法是由配矿人员使用电子表格依据经验手工试填各矿源比例，逐次核算混合成分是否满足全部上下限并估算扣款与利润。10项以上化学成分的双向约束相互牵制且叠加分档扣款的非线性经济核算，手工试填往往需反复调整数天仍难以得到既全部达标又盈利的可行方案。当合同交期临近而人工仍未试出满足约束的配比时，企业只能被迫采用不达标或经济性较差的方案发货并承担扣款乃至亏损。

7、以cn122509491a为代表的现有配矿优化技术，其技术方案为：获取多个铁矿石原料的化学成分参数、单位成本参数及库存数据；基于预设的铁矿石配矿机理模型和配矿优化目标，对各铁矿石的配矿比例进行优化求解，获得目标配矿比例；基于各铁矿石的库存数据和目标配矿比例进行可行性核算，确定目标可生产配矿总量；基于目标配矿比例和目标可生产配矿总量确定决策结果。其中，配矿优化目标为将混匀矿的单位铁成本最小化（混匀矿单位质量成本与铁品位的比值），优化求解采用线性规划求解器进行线性求解，化学成分约束条件基于历史生产数据和烧结生产专家经验确定。虽将配矿问题模型化为数学规划求解，但仍存在以下不足：

8、第一，目标函数与真实贸易结算严重脱节。该技术以“单位铁成本最小化”为目标（仅考虑原料成本与铁品位的比值），完全忽略贸易合同中的分档累进扣款与阶梯奖励机制。优化得到的“最低成本”配比在实际结算时可能因大额扣款而并非“最高利润”配比，优化结果与真实经济效益之间存在系统性偏差。

9、第二，线性规划框架从根本上限制了经济模型的表达能力。该技术采用线性规划（或线性分式规划）求解，目标函数须满足线性要求。一旦引入分档扣款，目标函数即变为分段、非光滑、非凸函数，线性规划无法求解。

10、第三，约束条件静态且缺乏风险适配能力。该技术的化学成分约束为基于历史数据确定的固定区间，无法根据风险偏好（保守/高风险）或产品规格（如55粉/58粉的不同合同要求）动态调整，难以适配多场景生产需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是：针对人工配矿困难及现有的配矿模型的问题，提供一种由计算机系统执行的铁矿石配矿方案优化方法，将真实贸易合同中的化学成分分档规则转化为可用于数值优化的目标函数，通过自适应并行搜索算法得到最优的配矿方案。

2、本发明的技术方案：

3、一种基于分档约束与自适应并行搜索的多矿源铁矿石配矿方法，包括：

4、步骤1：构建基础数据，包括各个矿源的成分、成本及矿源可用量，混合料的需求量、各化学成分允许的阈值、各化学成分的品质分档奖惩规则；

5、步骤2：构建硬约束条件，根据选择的风险等级重新确定本次配矿混合料中各化学成分的约束阈值；

6、步骤3：构建约束条件和优化目标，以各矿源的用量为决策变量，约束条件包括各个矿源的用量等于混合料的需求量、各化学成分的约束阈值和各个矿源的可用量，目标函数为利润值，利润值=总价-成本-扣款+奖励；

7、步骤4：自适应并行搜索优化，生成个矿源用量的搜索起点，从搜索起点开始在在约束条件下采用序列最小二乘规划方法对目标函数进行非线性约束优化，获取满足约束条件且利润值最大的配比方案。

8、步骤1中：品质分档奖惩规则是指将各化学成分在混合料中的占比进行分档，根据分档进行奖励或扣款，其中全铁含量tfe超过阈值时进行分档奖励，其他化学成分进行分档扣款。

9、步骤2中：根据产品规格类型及风险等级对各化学成分的允许阈值进行重新确定，每种产品规格类型对应预设的参数策略，风险等级对应不同的约束调整系数；首先根据产品规格类型从合同目标值或品质分档范围值中选择各化学成分的约束基准，然后再根据风险等级对约束基准进行收紧；合同目标值即各化学成分允许的阈值。

10、步骤2中：还包括无限制模式及手动模式，无限制模式下不设化学成分硬约束，手动模式下由用户输入允许阈值。

11、步骤3中：以各矿源在混合料中的占比作为决策变量，对全铁含量tfe，混合含量低于合同目标值时，按偏离量所处的第一档、第二档或第三档区间分别采用递增的单位扣款单价进行累进扣款；当混合含量高于合同目标值时，按超出量计算奖励，对于其他化学成分，当混合含量超过合同目标值时，按混合含量所落入的档位采用对应档位单价对超标量计扣；未超过目标值时不扣款。

12、步骤4中：通过多类策略混合生成多起点搜索的初始点，处理器将n组初始点分配至多进程池并行执行序列最小二乘规划求解，各进程独立执行优化求解，汇总全部可行解并取目标函数值最优者作为候选解；若没有找到符合约束条件的可行解，则将选取成本最低的k种矿源等比例混合，k值逐渐增大并逐一验证约束可行性，输出首个可行方案。

13、步骤4中：当存在预先指定的、要求被优先消耗完的矿源集合s时，采用两阶段求解策略：第一阶段，在满足化学成分约束的条件下，集合s内各矿源用量取其库存上限的预设高比例为边界，以总用量之和最小化为目标进行非线性约束优化求解，以多组基于高tfe矿源偏好的初始点重复求解，直至得到满足约束的可行解x(0)；第二阶段，以可行解x(0)及其带随机扰动的变体为初始点，在化学成分约束及矿源集合s内各矿源用量等于其库存上限的等式约束下，以利润值最大化为目标重复求解一定次数，取利润值最大时的各矿源配比作为配比输出方案。

14、当存在预先锁定固定配比的矿源子集f时，在步骤3的约束条件中追加矿源子集f的配比等于预设值的等式约束。

15、步骤1中录入至少两个生产基地的矿源原料采购成本数据，在步骤3构建目标函数时根据所选定的生产基地读取对应基地的采购成本参与计算，对同一套化学成分约束与扣款策略参数在不同生产基地下分别独立求解并择优。

16、步骤4中：初始点的生成策略包括全体矿源等比例均匀分布向量、按矿源采购成本反比加权的向量、按矿源可用量占比加权的向量、分别选取按采购成本排序或按可用量排序的前若干种矿源构成的稀疏向量、随机狄利克雷分布采样向量及随机稀疏子集采样向量。

17、本发明的有益效果：

18、第一，在同一组矿源与同一份销售合同下，原料成本最低的配比与合同结算利润最大的配比可以不是同一解。本发明将分档累进扣款和阶梯奖励直接建模进目标函数（利润=合同价-成本-扣款+奖励），使优化结果精确对应企业真实结算收益，消除“最低成本≠最高利润”的偏差。

19、第二，硬约束由成品规格类型与风险等级对合同扣款档位的映射自动生成，区别于烧结碱度、高炉渣成分等工序指标约束，从而适配55粉、58粉等不同销售规格及保守、高风险等不同风险偏好。

20、第三，分档扣款使目标函数分段、非光滑、非凸，线性规划无法求解。作为优选实施方式，采用多起点非线性约束优化并设置回退保底，以提高可行解的获得率。

21、第四，库存强制消耗的两阶段求解。现有技术可将库存量作为配矿约束，但针对“指定矿源必须优先消耗完”的强制清仓场景，缺乏先求可行再求利润最优的专门结构。本发明提出“先求可行→再求最优”两阶段结构：第一阶段强制指定库存用量≥99%库存上限求可行解，第二阶段在等式约束下求利润最优，辅以障碍函数式惩罚回退，保证工程可用性。

22、第五，自适应并行搜索兼顾求解质量与计算资源。本发明以7类初始点策略覆盖不同解结构，搜索次数随问题规模自适应增长，进程数设上限防止内存溢出，避免固定搜索导致的算力浪费或搜索不足。

23、第六，支持多生产基地独立成本择优决策。