基于果蝇算法的炼钢—连铸混合流水车间调度问题的优化

发布时间：2020-07-06 10:23

【摘要】：炼钢-连铸是整个钢铁生产过程的关键工序之一,在钢铁企业中发挥着重要作用。炼钢-连铸生产过程调度的优化对于提高钢铁的质量和产量、降低资源消耗、节约生产成本有着重要的作用。该调度具有调度类型多样、约束复杂、工序繁多、扰动频繁等特点,其中混合流水车间调度是炼钢-连铸过程的一种调度模式。混合流水车间调度问题(HybirdFlowshop Scheduling Problem,HFSP)是在传统流水车间调度问题(Flowshop Scheduling Problem,FSP)的基础上发展而来的,是现实生产调度问题的一种。HFSP抽象出的调度模型是现实生产中管理、控制的核心部分,现已广泛应用于电力、造纸、纺织等流程制造行业中。相比传统流水车间调度问题,HFSP具有工序多、阶段多、有并行机器的特点。具有两个生产阶段且一个阶段具有并行机的HFSP已被证明是NP-hard问题,复杂的炼钢-连铸HFS调度问题也是NP-hard问题。针对炼钢-连铸混合流水车间调度问题,本文主要做了以下研究:(1)结合炼钢-连铸混合流水车间调度的研究背景和国内外研究现状,分析该类调度问题中存在的特点和难点,突出优化炼钢连铸混合流水车间调度问题的重要意义。(2)通过介绍炼钢-连铸的生产工艺流程和工艺约束,分析了对该问题建模的复杂性。在考虑建模因素的基础上,分别以最小化综合惩罚指标、最小化总流经时间、最小化平均驻留时间为优化目标建立了炼钢-连铸混合流水车间调度问题的数学模型。(3)在分析了常用优化方法的基础上引入了一种新颖的智能优化方法——果蝇算法。通过求解标准测试函数,证明了果蝇算法求解优化问题是可行的。通过分析标准果蝇算法存在的缺点,提出对算法初始化和搜索半径的改进,并证明了改进后的果蝇算法具有较高的求解性能。为了进一步证明改进后的果蝇算法的优越性,将其和遗传算法分别对测试函数求解。结果表明,改进后的果蝇算法求解精度和速度都优于遗传算法。(4)以宝钢基地的炼钢-连铸生产调度为例,用果蝇算法和遗传算法求解已建立的数学模型。算法设计中采用了启发式方法、构造特殊邻域解等策略,提高了算法开发和搜能力。实验结果表明果蝇算法在优化炼钢-连铸混合流水车间调度问题时,优化精度和速度均优于遗传算法。
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP18;F426.31;F273
【图文】：

示意图,混合流水车间,调度问题,示意图

１．３．２混合流水车间调度问题的分类及子问题逡逑混合流水车间调度问题的类别主要是根据约束的不同来分的，可有以下几种［２７］；逡逑（１）有无限中间存储能力的混合流水车间调度问题（Ｈｙｂｒｉｄ邋Ｆｌｏｗｓｈｏｐ邋ＳｃｈｅｄｕＰｒｏｂｌｅｍ邋Ｗｉｔｈ邋Ｕｎｌｉｍｉｔｅｄ邋Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ邋Ｓｔｏｒａｇｅ，邋ＨＦＳ－ＵＩＳ）。这类混合流水车间调度问在相邻两机器设备之间工件可以等待任意时间，直到可以进入下一工序阶段。但一说，为了保证调度质量应尽量降低等待时间；逡逑（２）有有限中间存储能力的混合流水车间调度问题（Ｈｙｂｒｉｄ邋Ｆｌｏｗｓｈｏｐ邋ＳｃｈｅｄｕＰｒｏｂｌｅｍ邋Ｗｉｔｈ邋Ｆｉｎｉｔｅ邋Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ邋Ｓｔｏｒａｇｅ，ＨＦＳ－ＦＩＳ）。此类混合流水车间调度问题中，邻两机器设备之间的中间存储是有限的。如果工件在当前机器上加工完成且中间存满，则可以在机器之间等待进入下一步；如果当前机器上加工完成，中间存储己满一工序正在加工其他工件，则需要在当前机器等待；逡逑（３）有阻塞的混合流水车间调度问题（Ｈｙｂｒｉｄ邋Ｆ丨ｏｗｓｈｏｐ邋Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ邋Ｐｒｏｂｌｅｍ邋

钢铁生产流程

该调度问题最终是为了确定以炉次为单位的钢水何时、在何种设备上以何种顺序依逡逑次通过转炉（Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ邋Ｆｕｒｎａｃｅ，ＣＦ）、精炼炉（Ｒｅｆｉｎｉｎｇ邋Ｆｕｒｎａｃｅ，ＲＦ）、连铸机（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ逡逑Ｃａｓｔｅｒ，邋ＣＣ）的生产过程［５］。整个钢铁生产的流程如图２．１所示。逡逑炼钢－连铸逡逑卜成品坯产品卜逡逑原料邋逦邋！逦邋逦；逦逦逡逑图２．１钢铁生产流程逡逑Ｆｉｇ．２．１邋Ｔｈｅ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ逡逑炼钢－连铸静态调度问题是指，生产环境中不考虑生产车间设备冲突、机器故障等逡逑突发事件且满足各类相关生产约束的条件下，各个炉次集合确定，以满足一些性能指标逡逑为目标，确定炉次的加工顺序、加工机器以及加工开始时间等的调度问题。动态调度是逡逑指在炼钢－连铸生产过程中存在一些不确定或者突发的事件，如钢水温度不达标、机器逡逑故障、订单变化等，这种情况下原调度计划需要调整，重新调度。本文主要针对混合流逡逑水车间炼钢－连铸静态调度问题进行研究。炼钢＿连铸静态调度具有以下特点：逡逑（１）

流程图,连铸工艺,流程,转炉

杂的一部分。其复杂性主要表现在生产复杂钢种时需要经过很多加工阶段，而有的加工逡逑阶段又有多台并行机和子阶段。精炼阶段可以包括一重精炼和多重精炼，转炉可分为脱逡逑Ｃ钢种转炉和脱Ｐ脱Ｃ钢种转炉，铸机可分为连铸机和模铸机［４１］。图２．３为某钢厂的一逡逑炼钢－连铸生产流程，其中冶炼设备为３台转炉，精炼设备有３台ＲＨ，邋２台ＣＡＳ，邋１台逡逑ＫＩＰ与１台ＬＦ，它们具有不同的功能，连铸机有ＩＣＣ、２ＣＣ、３ＣＣ分别代表１、２、３逡逑号碳钢板坯，并有６条模注线，精炼工艺路径有有一重、二重、三重和四重，共计２６逡逑条。由此可见，此流程的复杂程度很高。逡逑＞■脱逦脱逦＿Ｊｉｉｒｉ逦？逡逑＼邋ｎ邋－邋ｎ邋—逡逑＿逦＋逦＾逦？邋ＣＡＳ逦，连逡逑？逦铸逡逑——，ＫＩＰ邋逦１机逡逑Ｓ逦岕法逦Ｉ逦逦？逡逑—逦１邋底邋逦邋逦逡逑＾邋—？邋ＲＨ邋－？邋ＲＨ邋邋？逡逑逦逦５１逦——￣邋——逡逑１逦—？ｒＲＨＴ－！ＫｉＰｉ—？邋Ｉ逡逑规逦邋逦邋ｉｎ逡逑——？邋％逦—＞逦—叫邋ＲＨ邋Ｈ邋ＣＡＳ邋Ｉ逦＾逡逑———？蹇逦—，逡逑单联法逦一？［邋ＫＩＰＫＩＰ卜》逡逑图２．３炼钢－连铸生产流程逡逑Ｆｉｇ．２．３邋Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ邋Ｆｌｏｗ邋ｆｒｏｍ邋Ｓｔｅｅｌ邋ｍａｋｉｎｇ邋ｔｏ邋Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ邋Ｃａｓｔｉｎｇ逡逑－１９－逡逑

【参考文献】