TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.5, May 2014, pp . 3555 ~ 35 5 9   DOI: http://dx.doi.org/10.11591/telkomni ka.v12i5.3892          3555     Re cei v ed  Jul y  14, 201 3; Revi sed  De ce m ber  14, 201 3; Acce pted Janua ry 3, 20 1 4   The Optimization of Finishing Train Based on Improved  Genetic Algorithm      Hong xia Liu*, Xin Chen, Rongy u  Li   Electron ics an d Information E ngi neer in g, Na njin g Un iversit y  of  T e chnolo g y , Nanji ng, Chi n *Corres p o ndi n g  author, em ail :  lhx_cec@ 126 .com      A b st r a ct   T he ce ntral  is sue  of fin i shi n g trai n is  that   w e  s hou ld  dist ribute  the  thic kness  of e a ch  exit w i th   reaso n  a n d  det ermine  the  rol l i ng forc e a n d  re lative c onv exity .  T he o p ti mi z a ti on  methods  cu rrently us ed  ar e   empiric a l d i stri butio metho d   and th e lo ad c u rve  meth od, but  they  b o th have dr aw bac ks. T o  solve th ose  prob le ms w e  e s tablis hed  mathe m atic al  mode l of t he fin i shin g train  and  introduc ed  an  improve d  Gen e tic  Algorit h m . In this al gorit hm  w e  used rea l   nu mb er  enc odi ng, selecti on  oper ator  of a  roul ette and  el itist  selecti on a nd  then i m prove d  crossover a n d  mutatio n   op erators. T he r e sults sh ow  that the mod e and   alg o rith is fe asibl e   an d co ul d e n sure  the  o p timal  e ffect a nd c onv erge nc e sp ee d. T h e   prod ucts  me et  the   prod uction r e q u ire m e n ts.      Ke y w ords :   s te el roll in g, loa d  distrib u tion, i m prove d  ge netic  algor ith m     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  In rolling production pr ocess, the  optimization probl em  of  train finishing load di stri bution  is very important. The optimization m e thod s cu rrentl y  used are e m piri cal di stri bution metho d   and th e lo ad   curve  meth od  [1], but they   both h a ve d r awb a cks. Th e em piri cal  di stributio n m e thod  is simpl e  and  reliable, but it would ca use t he inequali t y of each assembli ng unit  and can not self- adapt o n line.  The mo del of  the load  cu rv e method   is  simple but  req u ire s  a lot  of measured d a t a   and complex  cal c ulatio ns t o  compl e te.   In this pa per we ta ke th e sh ape, thi c kne ss  and  load b a lan c i ng into a c co unt and   establi s h ed t he m a themat ical  model  of  the fini shin g  train  an d int r odu ce d a n  i m prove d  G e netic  Algorithm for Load Di strib u tion Model.  This alg o rith m is based o n  the mathe m atical mod e l  we   establi s h ed. Then  we u s e  it to do the  simulati o n  experim ent. Th e re sults  sho w  that the mode l   and alg o rithm  is feasibl e .       2. The Math e m atical Mod e l of the Fini shing Train   The main  aim is dist ributi ng the thickn ess of  eac h   exit. At  the s a me time, we s h ould  take the shap e into accou n t  to ensure that t he striped  steel meet s p r odu ction  req u irem ents.    An impo rtant  issue  of the  model i s  to  d e term in e the   obje c tive fun c tion [2]. We  consi der a  model with  n ( 10 3 n ) frames.  We will  divide t he  whol process into th ree phases.  The  former two  p hases  sh ould  maximize th e amou nt  of  redu ction  an d ke ep lo adi ng bal an ced.  The  third pha se  should redu ce  the amount of   redu ction an d kee p  the sh ape optimal.    The obje c tive  function:     3 2 1 J J J J                                                                                                                                    (1)    } ) min{( 2 2 1 1 1 P K P J                                                                                                                   (2)    1 J  ensures that we fully  use t he facilities.     } ) min{( 2 3 2 2 2 P K P J                                                                                                                 (3)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3555 – 35 59   3556 2 J  ensu r e s  that the load bal a n cin g  ha s be en ke pt.     } ) ( min{ 2 4 3 i n i n n i i h CR h CR J                                                                                             (4)    3 J  ensu r e s  that the sha pe ha s bee n well o p timized.    In the formul i P  is rolling f o rce of i-th f r ame.  1 K , 2 K  is scale factor, in this paper 9 . 0 1 K , 1 2 K i i h CR  is th e rel a tive convexity of the stri p af ter getting th rough th e i-th  frame.   n n h CR  is the relative convexity of the end pro d u ct,  i  is the op timal adjustm ent variable.    So the last ob jective functio n  is:    } ) ( ) ( ) min{( 2 4 2 3 2 2 2 2 1 1 i n n n i i i h CR h CR P K P P K P J                            (5)     is  the weight c oeffic i ent.   Con s trai nts:     max 0 P P i                                                                                                                                   (6)    max 0 M M i                                                                                                                                   (7)    i i h h 1                                                                                                                                                 (8)    max P , max M  is the maximum rollin g force and  rolli ng mome nt for a singl e dev ice.  i h  is  the thickne ss  of the strip after getting through the i-th f r ame.        3. The Improv ed Genetic Algorithm   The Ge netic  Algorithm i s  a stocha stic  global o p timization al go rithm [3]. It not only ha stron g  glo bal  sea r ch capa b ilities and th e  ability to solv e pro b lem s , b u t also  ha s a  simple  gen eri c   and ro bust, suitabl fo r parall e p r o c essing, etc.  But it ha s t w o si gnificant  dra w ba cks:   First,  pron e to pre m ature, seco nd, due to selectio n and  hybridi z ation  and mutation  operato r  rol e  in  makin g   some  excelle nt ge ne fra g ment  prem aturel l o st.  To solve these proble m s,  the stand ard   Geneti c  Algorithm has be e n  improve d  a nd su cce ssf ul ly applied to the model in t h is pa per [4].   Encodi ng:   The cu rre ntly  used en codi ng  a r e bina ry   en c odi ng, G r ay en co ding,  letter  en codi ng a n d   real nu mbe r  encodin g  [5]. In this paper we use  a re al numbe r en codi ng. Com pare d  with ot her  encodin g , rea l  numbe r en coding i s  with  a high preci s i on and  sea r ch rang e.   Fitness fun c tion:  In traditional  Geneti c  Algo rithm fitness  func tion a nd  the obje c tive function i s   a linea relation shi p and  even in   some  si mple  model s the  o b jective fun c t i on  can  be  u s ed  directly a s  a  fitness fun c tion. However,  this  app roa c h ha seve ra l disadvantag es:   (1 ) In th e  early  stag e t he  maximum fitness value an d the minimu m fitness va l ue is likely to vary greatl y , it is easy to  eliminate ma ny of the indi vidual gen e fragm ent co ntaining ex ce llent inform ation, and m a ke the de stru ctio n of p r e-pop u l ation dive rsit y. (2)   In the  l a te sta ge in  the alg o rithm  the differen c of  fitness valu betwe en indi viduals i s  very small,  maki ng the ability  to sea r ch the global  opti m al  solutio n  [6] reduced.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     The Optim i za tion of Finishi ng Trai n Based  on Im proved Gen e tic Algorithm  (Ho n g xia Li u)  3557 To solve the s e probl em s, we intro d u c a seq uen ce -b ase d  fitness functio n   1 ' ) 1 ( ) ( i i x eval , ; ... 2 , 1 m i                                                                          (9)    { ' i x } is o b tained  by sorting th e the obje c tive function val ue of { i x }. { i x } are individual of the populat ion. m is the popul ation si ze.   The adva n ta ge of su ch i m prove d  is to  ensure po pulation dive rsity and d e c re ase  sele ction  pre s sure  ea rly i n  the  algo rithm; in th e  la tter pa rt of t he al gorithm  relative i n crease  sele ction p r e s sure a nd a c cele rate the converg e n c e.   Selection o p e r ator, cro s sov e r ope rato r a nd mutation o perato r :   Selection  op erato r : In thi s  p ape we   use  a  ro ulette an d elite   sele ction  [7] model.   Roul ette sel e ction i s  an  a ppro a ch Pro posed by  Professor J.  H. Holla nd to  sele ct individ ual   according to f i tness ra ndo mly. Individual is co pi ed d epen ds o n  the individual fi tness. The b a si idea of elite  selectio n is th a t  if  the fitness of the be st in dividual  in th e  next gene rati on is l e ss tha n   the current  p opulatio n fitn ess of th e b e s t individ ual copy th cu rrent be st in dividual to  the  n e xt  gene ration di rectly and re pl ace the  worst  individual in the next gene ration.   This  strategy  not only ensure s  the po p u lati on diversity of the next generatio n, but also   ensure s  that the cu rrent ge nerat io n of the best individ ual retain ed to the next generatio n.   c r oss o ver operator: In this paper, the arithmet ic  crossover op erator i s  u s e d , in  the fo rm  belo w t A X t B X  are two parent individual s in  t-gen eration, of which:    ] ... ... , [ ) ( ) ( ) 2 ( ) 1 ( t n A t i A t A t A t A X X X X X , ] ... ... , [ ) ( ) ( ) 2 ( ) 1 ( t n B t i B t B t B t B X X X X X   ) , ( , ) ( ) ( ) ( ) ( i i t i B t i A b a X X , ) , ( , ) 1 ( ) 1 ( ) 1 ( ) 1 ( i i t i B t i A b a X X     The two ne individual s re sulting fr o m  the crossove operator a r e:     t B t A t A X X X ) 1 ( 1 , t A t B t B X X X ) 1 ( 1                                             (10)     is  a rand om  numbe r,  1 0 ; The solution  pro duced from t h is m e thod  is between   the rang e of the two pa rent  individuals, e n su ring n o  feasibl e  sol u tion.   mutation o p e r ator: In  this  pape we  use no n-u n iform mutation  o perato r , the   operating  pro c ed ures a r e:   Duri ng th n k x x x x X ... ... 2 1  to  n k x x x x X ... ... ' 2 1 '  non-uniform mutation  o peratio n, if   a ge ne  mutat i on p o int val ue  ran ge i s  [ k U min , k U max ], the ne w g ene val ue i s   determi ned  b y  the  following:    ) , ( ' z t x x k k , 1 ) 1 , 0 ( random                                                                                        (11)    ) , ( ' z t x x k k , 0 ) 1 , 0 ( random                                                                                          (12)    )] / 1 ( [ ) , ( T t random z z t                                                                                             (13)    In the Formul a k k U U z min max random  is a rand om numb e r from (0, 1), t is cu rrent  gene ration, T  is the total generation,   is the para m ete r  for the syste m .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3555 – 35 59   3558 4. Simulation  In this pa pe the data u s e d  is  colle cted  fr om the  sce ne. Experime n tal steel s a r e high - quality ca rbo n  stru ctu r al st eel 20. The  material  widt h:  0 B =105 0 mm ; the material  thickne ss:  0 H =30 mm; en d prod uctio n  thickn es s: 3.5 mm; aiming convexity:  n CR =0.012 mm;  the frame  numbe r: n=7. The rem a inin g para m eters are in Tabl e 1.       Table 1. Re m a ining Pa ram e ters  frame     paramete r   F1  F2   F3  F4  F5   F6  F7   Work  roll  diameter[mm]   800 800  800 760 760  760 760  Support  r o ll  diameter[mm]  1570  1570   1570  1570  1570   1570  1570   Motor  rat ed  po wer[k w ]   7600  7600   7600  7600  7350   7350  5000   Motor  rat ed  spee d[m/s]  1.74 2.82  4.33 5.97 7.36  8.56 9.55      In the experi m ent, the pa rameters of th e algo rithm a r e: popul ation  size M=50, M a ximum  gene ration:  T = 20 0, Cro s so ver p r ob ability c P =0.8, Mutati on probability m P =0.01. T he  result s of  the experi m e n t are give in Table  2 a nd Tabl e 3.  The thickn ess c ontra st c u rv es fo i h  ar sho w n in Fig u re 1.  The re lative convexi t y contra st cu rves a r e sho w n in Figu re  2.       Table 2. Re sults of Empiri cal Di strib u tio n     frame     paramete r     Thickness in the  entrance  [h/mm]    Thickness in the  exit  [h/mm]    Rolling force  [P/KN]    Relative convexity  [CR/h( 3 10 )]   F1  30.00   24.11   18100   2.35  F2  24.11   16.55   13500   2.47  F3  16.55   12.68   14820   3.78  F4  12.68   9.55  15180   4.29  F5  9.55  6.84  9240   4.04  F6  6.84  5.52  8460   4.75  F7  5.52  3.50  6530   3.70              Figure 1. Thickne s Co ntra st Cu rv e for  i h   Figure 2. Rel a tive Convexi t y Contra st Curve       From the  si mulation results we  ca n see the  re sul t  of improve d  Geneti c  Algorithm i s   sup e rio r  to th e re sults o b ta ined from  em pirical di st rib u tion: The thi c kne ss of exi t  and the rolli ng   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     The Optim i za tion of Finishi ng Trai n Based  on Im proved Gen e tic Algorithm  (Ho n g xia Li u)  3559 force  of e a ch  frame  are  more  re ason able. Th first few frames c a n have a  s u ffic i ently large  amount of re ductio n , and  the later fram es can  k eep  the sha pe op timal to meet the prod ucti on   requi rem ents.        Table 3. Re sults of Improv ed Gen e tic Algorithm     frame     paramete r      Thickness in the  entrance  [h/mm]    Thickness in the  exit  [h/mm]    Rolling force  [P/KN]    Relative convexity  [CR/h( 3 10 )]   F1  30.00   16.62   18239   2.26  F2  16.62   8.56  21380   3.93  F3  8.56  6.92  10320   2.62  F4  6.92  5.38  8260   2.75  F5  5.38  4.50  6590   2.77  F6  4.50  3.96  5780   2.81  F7  3.96  3.51  5260   3.06      5. Conclusio n   In this pap er,  the tradition al  Geneti c  Algo rith m premat ure  conve r ge nce, a nd the  result is  not a  global  search fo optimal solution s as well  a s   th late evolutionary disadv antage s su ch   a s   low efficie n cy has be en  improved,  and we succe ssfully ap plied it to the finishi ng  train   optimizatio allocation m odel. Th e im proved  Gen e t ic Algorith m  in glob al converg e n c and  conve r ge nce spe ed ha s b een greatly improve d And by comp ari ng the experi ence distri but ion   method  com m only used  with the grap h, we sho w   that improve d  Genetic Alg o rithm ha s a  great   advantag e when de aling  with com p lex issue s .       Referen ces   [1]  Z L  Cui. Des i g n  an d Implem entatio n a bout  the  Optimizat i on of th e Ro l ling Sc he dul es  Based  on   Improved Gen e tic Algor ithms .  Master  T hes is. Shando ng:  Shan do ng Un i v ersit y . 2 007.   [2]  K Lua, J Cr ow eroft, M Pias, et al. A Survey   and Com paris on of P e er-t o-peer Overlay  Net w ork  Schemes.  Comm unication S u rve ys & Tutorials, IEEE.  2005; 7(2): 72-93.    [3]  JH Hol l a nd.  Buil din g  Block s , Cohort Ge netic  Al gorith m s, and H y p e rpl ane- defi n e d  F unctio n s.   Evoluti onary C o mputati on.  20 00; 8(4): 37 3-3 91.   [4]  C Lv, QL Zhao , LZ Liu etc. Optimiza ti on of Hot Strip Mill L oad D i stributi o n.  Iron and Ste e l Res earch .   200 1; 13(1): 26 -29.  [5]  F  Xh afa,  He rrero, et a l . Ev alu a tion  of Str ugg le  Strate g y  in Ge netic  Alg o rithms for Gr oun d Stati ons   Sched uli ng Pro b lem.  Jour nal  of computer and system  sciences.  2013; 7 9 : 108 6– 110 0.   [6]  YH Li, SS Ning etc. A JIT Productio n  Pl an nin g  Mod e l  and Alg o rith m for Rollin g Mills.  Contro l   Engi neer in g.  2004; 11( 4): 321 -324.   [7]  J Suzuki. A  M a rkov C hai n A nal ysis  o n  Sim p le Ge netic  Al gorithm.  IEEE  Trans on System s, M an  and  Cyber netics.  1 998; 25( 4): 655 -699.    [8]  Y Z hu, C D o vr olis, M Ammar.  D y nam ic Over la y R outin g B a sed o n  Ava i l a b l e Ba nd w i dth  E s timation: A  Simulati on S t ud y .   C o mp u t er Netw orks T he Internatio nal J our nal of C o mp uter an d   T e leco mmunic a tions N e tw orking.  20 06; 50( 6 ) : 742-76 2.   [9]  E Afzalan, M J oora b ia n. Emis sion, Res e rve  and Ec onom ic  Loa d Dis patch  Problem  w i th  Non-smo o th  and  No n-co n v ex C o st F u nctions  Usi n g  Epsil on- m u lti - obj ective Ge netic A l gor ith m  Varia b l e Internatio na l Journ a l of Electr ical Pow e r & Energy Syste m s .  2013; 52: 55- 67.        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.