炼钢厂生产实时调度建模及优化算法研究

发布时间：2020-09-14 21:14

　　 在全球制造业以信息化促进工业化发展的背景下,作为我国重要基础产业的钢铁工业发展智能制造技术,对钢铁生产过程实施有效的运行控制,将成为钢铁企业实现“降本增效”、提升核心竞争力的重要手段之一。在订单驱动的钢铁制造模式下,计划调度是钢铁制造流程协调运行控制的核心技术手段。随着钢铁企业信息管理系统的实施与应用,面向钢铁制造流程的计划调度问题得到了学术界和工业界的广泛关注,相关研究也取得了阶段性的进展。然而,从相关计划调度系统的工业应用效果来看,理论研究成果与现实生产需求之间仍然存在较大的差距。本文以炼钢厂生产流程为对象,旨在探索一套具有较强灵活性和适应性的炼钢厂生产实时调度建模及优化方法,从而能够在动态生产环境中编制可行且有效的炼钢厂生产调度方案,以实时优化炼钢厂生产物流的运行,指导生产组织的决策优化。主要研究内容及结果如下:基于冶金流程工程学理论,通过剖析钢铁制造流程中工序及整体的运行特征,从有利于流程整体协同运行的视角出发提出了一种将炼钢厂生产实时调度分解为包含连铸机组浇与开浇时间决策、调度计划优化排程和扰动下的动态调度的调度新模式:即首先在综合考虑铁水供应条件、轧制交货期与连铸机生产组织特征的前提下确定连铸机上浇次的炉次选择和排序以及浇次的开浇时间;在此基础上,以炉次为基本调度单元,实现炉次在炼钢厂生产流程中的加工设备以及炉次在设备上的开始加工时间和结束加工时间的最优决策,获得的调度计划用于指导现实生产的组织安排;考虑调度计划执行过程中可能会因为随机扰动事件的发生而难以继续实施,因此扰动发生时需要依据实时调度信息对其进行修改或重新编制,以保证生产稳定、连续的进行。针对连铸机组浇与开浇时间决策问题提出了一种基于变邻域搜索(VNS)的分层建模及优化求解算法。算法通过编码确定每个连铸机的浇次数量及每个浇次的炉次数量,并设计了5个邻域结构进行解的迭代寻优。解码过程分解为组浇决策和开浇时间决策2个子问题。借鉴带奖金收集的多旅行商问题的建模方法构建了组浇决策问题的混合整数规划模型,并设计了一种VNS优化求解算法。借鉴并行机调度问题的建模方法构建了开浇时间决策问题的混合整数规划模型,并通过设计6个有效不等式加入模型然后采用直接调用CPLEX完成模型的求解。最后,对模型和算法进行了应用案例和性能分析实验,结果表明组浇与开浇时间决策模型具有较强的灵活性,能依据不同的工艺条件和数据获得满足所有工艺约束的决策方案,并且算法具有较强的优化性能,能在短时间内获得近优解。从满足现代炼钢厂同时冶炼不同钢种的生产任务需求以及提高调度决策的柔性出发,对带工序跳跃与加工时间可控特征的炼钢厂调度计划优化排程(SCCSA调度)问题进行了研究。通过归纳和抽象与工序跳跃和加工时间可控特征相关的优化目标和工艺约束,构建了一个新的炼钢厂调度计划优化排程模型。为了实现模型的优化求解,设计了一种改进的遗传算法,其特征如下:(1)通过对比分析常用于求解混合流水车间调度问题的4种编码方法、2种选择算子和3种交叉算子的性能,获得了用于求解SCCSA调度问题的最优组合;(2)设计了一种质量提升算法并嵌入遗传算法中以进一步提升每一个由解码启发式算法获得的解的质量;(3)设计了一种新的精英保留策略和重新初始化策略来提升遗传算法的局部寻优能力和避免早熟收敛能力。利用生产实际数据对模型进行了应用案例测试,结果表明SCCSA调度模型实现了具有工序跳跃和加工时间可控特征的炼钢厂调度计划编制。另外,算法性能分析实验验证了质量提升算法和改进的进化策略在求解SCCSA调度问题上的有效性。针对扰动下的动态调度问题,提出了调度计划执行过程中不确定性因素的标准化处理方法,即将影响调度计划执行的因素分为4类扰动,然后通过扰动组合的方式表示任意一种不确定性事件对调度计划执行造成的影响。为了实现炼钢厂生产调度的实时优化决策,结合连铸机组浇与开浇时间决策和调度计划优化排程的研究成果,设计了一个周期滚动模式下的预测-反应式调度策略。扰动下的重调度技术是该动态调度策略中的关键技术。鉴于此,针对扰动下的重调度问题建立了数学规划模型,并提出了一种分层重调度方法以保证重调度的实时性和优化性。分层重调度方法包含局部重调度和已开始加工浇次内炉次的重调度两部分,其中针对局部重调度设计了调度分配规则从而为所有正在流程中加工的炉次确定其下一个操作的加工设备及其在设备上的加工时间,而针对已开始加工浇次内炉次的重调度则设计了融合遗传算法和局部搜索的混合优化算法进行求解。以调度计划优化排程模型应用案例实验中获得的调度计划为计划期内执行的初始调度计划,然后通过设置生产扰动的方式进行了仿真实验,结果表明动态调度模型和算法能根据扰动的类别,有效的制定出各类扰动下可执行的重调度计划。另外,对融合遗传算法和局部搜索的混合优化算法进行了算法性能分析实验,结果表明依据连铸机的连浇特性针对不可行解和可行解分别设计简单有效的局部搜索邻域结构,并将其融合至遗传算法的进化流程中对求解扰动下的重调度问题非常有效。最后,在上述模型和算法研究成果的基础上,针对攀钢提钒炼钢厂生产流程设计并开发了生产实时调度原型系统。系统由数据接口模块、流程构建模块、数据统计分析模块、物流跟踪模块、组浇与开浇时间决策模块、调度计划优化排程模块、重调度模块、计划仿真显示模块、计划评价模块和人机交互模块组成。系统通过数据接口与炼钢厂的MES系统相衔接,实现模型输入数据与模型决策结果的接收与传递。利用攀钢提钒炼钢厂生产实际数据进行了系统的应用测试,结果表明系统决策在降低浇次内炉次的连浇成本、缩短炼钢厂生产全流程物流时间以及维持炉次加工时间稳定性等方面优于人工决策。综上所述,基于提出的炼钢厂生产实时调度新模式,本文所建立的连铸机组浇与开浇时间决策模型、调度计划优化排程模型和扰动下的动态调度模型为炼钢厂生产物流运行的实时优化决策提供了新的技术手段;所开发的实时调度系统为炼钢厂的生产组织安排提供了一个科学有效的辅助决策工具。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TF758
【部分图文】：

图 1.10 炼钢 MES 系统案例 1 的操作界面Fig.1.10 The interface of the MES system applied in the steel plant 12）炼钢 MES 系统案例 2该炼钢厂在人工确定各台连铸机的开浇时间后，利用专家系统自动倒推计算次的转炉出钢时间以及确定其在精炼工序内的加工设备。然而，炉次在精炼上的开始作业时间和结束作业时间在调度计划编制过程中不进行决策，而是际执行时由调度人员基于实时场景灵活进行推算。图 1.11 为该炼钢厂 MES 系操作界面。

图 1.10 炼钢 MES 系统案例 1 的操作界面Fig.1.10 The interface of the MES system applied in the steel plant 12）炼钢 MES 系统案例 2该炼钢厂在人工确定各台连铸机的开浇时间后，利用专家系统自动倒推计算次的转炉出钢时间以及确定其在精炼工序内的加工设备。然而，炉次在精炼上的开始作业时间和结束作业时间在调度计划编制过程中不进行决策，而是际执行时由调度人员基于实时场景灵活进行推算。图 1.11 为该炼钢厂 MES 系操作界面。

图 1.12 炼钢 MES 系统案例 3 的操作界面Fig. 1.12 The interface of the MES system applied in the steel plant 33）炼钢 MES 系统案例 3该炼钢厂生产全流程物流走向十分复杂，分为铁水预处理区域和炼钢— 2 部分。目前，该炼钢厂 MES 系统只能在人工确定连铸机开浇时间的基础炼钢—连铸区域的调度计划，铁水预处理区域由调度员根据转炉需求进度。另外，炼钢—连铸区域的调度系统的实时调度能力非常有限，无法下的调度计划调整或重新编制。图 1.12 为该炼钢厂 MES 系统的操作界面

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本文编号：2818656