【正文】 監(jiān)控層由 煉鋼 各個生產(chǎn)過程監(jiān)測、監(jiān)控子系統(tǒng)構(gòu)成，完成 煉鋼 生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的過程監(jiān)測、自動化控制及安全監(jiān)測。 調(diào)度目標(biāo)有多個：由于煉鋼 連鑄 /模鑄 混合 生產(chǎn)是一個多模式，多工序，多擾動的問題，簡單的目標(biāo)不能全面綜合產(chǎn)生優(yōu)化的結(jié)果，只能從多個目標(biāo)體現(xiàn)，包括最小化最大完 成時間、冗余等待時間最小、負(fù)荷均衡。所以煉鋼 連鑄 /模鑄混合 生產(chǎn)過程是存在多設(shè)備并行機(jī)條件下，不同類型、不同批次的生產(chǎn)原料 (鐵水、冶煉鋼水、精煉鋼水等 )，通過物流運(yùn)輸系統(tǒng) (天車、臺車、鋼包、鐵水包等 )在時間維度與設(shè)備維度上進(jìn)行交叉、流轉(zhuǎn)的復(fù)雜過程。連鑄機(jī)要盡量連續(xù)澆鑄，否則就必須重新引桿開啟鑄機(jī)，每開啟一次連鑄機(jī)需要設(shè)備的調(diào)整時間和調(diào)整費(fèi)用，而且會使產(chǎn)量降低。然后通過加熱將煉鋼爐中的鐵水和廢鋼加工成均勻的液態(tài)鋼水，去除其中的雜質(zhì)和其中所含的碳使其達(dá)到希望的比例。脫磷、脫硫的反映如下 [37]： 252 5 4 4 . 5P F e O C aO C aO P O F e? ? ? ? F eO C aO C aS F eO? ? ? 加入強(qiáng)堿性氧化物 CaO 的目的是使 25PO 與其生成穩(wěn)定的磷酸鈣，從而提高渣氧化脫磷能力。煉鋼 連鑄 /模鑄 混合 生產(chǎn)，其精煉環(huán)節(jié)包括一重精煉、二重精煉、三重精煉甚至有四重精煉，而且不同種精煉路徑的爐次計劃往往會要在同一班次進(jìn)行生產(chǎn)。 人類冶煉鋼鐵的歷史可以追溯到公元前一千年。如圖所示，縱軸 為設(shè)備列表， 表明 煉鋼 連鑄 /模鑄混合 過程中的設(shè)備情況 ，橫軸 是時間坐標(biāo)軸，表示作業(yè)時間坐標(biāo) ；圖中數(shù)字 14 代表爐次在澆次內(nèi)序號 (這里只畫出一個澆次的計劃，實(shí)際生產(chǎn)中是多個澆次構(gòu)成一個連連澆 Cast 連續(xù)澆鑄 )，圖中字母 “A”、 “B”表示兩個模鑄澆次計劃；爐次“ 1”表示的一個半爐次連鑄計劃，爐次“ A”表示一個半爐次模鑄計劃；爐次 24 表示整爐次連鑄計劃，爐次“ B”表示整爐次模鑄計劃； 每條 橫 線代表一個機(jī)器 設(shè)備 ，每個長方型代表一個工位 ，長方形的長表示 所在機(jī) 器 上 加工時間 的范圍；由虛線連接的多個長方形表示一個爐次， 同一個爐次的兩個相鄰工位間 的虛線表示 為運(yùn)輸時間 與冗余等待時間之和 。 (9)斷澆：一個澆次內(nèi)在連鑄工位上，本應(yīng)連續(xù)澆注的各爐次，出現(xiàn)的分?jǐn)嗲闆r 。 (2)爐次：一爐鐵水 經(jīng)過轉(zhuǎn)爐冶 煉后，順序經(jīng)過精煉過程和連鑄過程的一個作業(yè)單位 ， 它由多個連續(xù)的單元組成 ， 相當(dāng)于工件 Job。 對于煉鋼連鑄問題，已經(jīng)有了大量的學(xué)術(shù)的研究和實(shí)際現(xiàn)場的驗(yàn)證，并已經(jīng)取得了很大的成果， 但是國內(nèi)外對于煉鋼 連鑄 /模鑄混合調(diào)度問題的研究，卻很少。 日本和韓國的鋼鐵公 司在 解決鋼鐵調(diào)度方面 占據(jù)著領(lǐng)先地位 。 煉鋼調(diào)度方法研究現(xiàn)狀及應(yīng)用 煉鋼 連鑄 /模鑄混合生產(chǎn)過程是在高溫下進(jìn)行的物理化學(xué)反應(yīng)和金屬加工變形，具有高溫熔煉、高溫加工等特點(diǎn)，因此生產(chǎn)組織必須充分考慮利用熱能，要求連續(xù)生產(chǎn)，要求前后工序設(shè) 備能力上協(xié)調(diào)，在制品在數(shù)量上、時間上緊密銜接，帶有有限的緩沖。遺傳算法解決調(diào)度問題的優(yōu)勢在于它可以隨機(jī)地從一個調(diào)度跳到另一個調(diào)度，從而可以解決其他方法易于使解陷入局部最有的問題 [20]。由于制造系統(tǒng)的復(fù)雜性，很難用一個精確的解析模型來進(jìn)行描述和分析，而通過運(yùn)行仿真模型來收集數(shù)據(jù)，則能對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行性能、狀態(tài)等方面的分析，從而，能對系統(tǒng)采用合適的控制調(diào)度方法 [13,14]。調(diào)度問題復(fù)雜性研究表明，大多數(shù)調(diào)度問題屬于 NPhard 問題，對此類問題有效最優(yōu)化算法是不存在的。 (2)人機(jī)協(xié)同策略 :現(xiàn)有研究方法的缺陷以及人類獨(dú)特的思維能力決定了人機(jī)協(xié)同策略的生命力，大量研究表明人機(jī)協(xié)同交互策略可以減小系統(tǒng)的搜索時間，能夠在有限的時間、背景知識條件下解決一些困難的調(diào)度問題。有效的調(diào)度方法和優(yōu)化技術(shù)的研究與應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)先進(jìn) 制造和提高生產(chǎn)效益的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。中國軍標(biāo)和美國軍標(biāo)規(guī)定若干場合不得采用連鑄 鋼材，而只能采用模鑄鋼材，連鑄剛才不能取代 [1]。靜態(tài)調(diào)度是指所有 待安排加工的作業(yè)均處于待加工狀態(tài)，因而進(jìn)行 1次調(diào)度后、各作業(yè)的加工時序被確定、在以后的加工過程中就不再改變。 make plan。主要研究工作包括： 1) 在調(diào)研煉鋼調(diào)度現(xiàn)場生產(chǎn)工藝流程、進(jìn)行調(diào)度過程描述、分析復(fù)雜性基礎(chǔ)上，總結(jié)了多生產(chǎn)模式煉鋼 連鑄 /模鑄混合生產(chǎn)調(diào)度策略； 2) 以 多生產(chǎn)模式煉鋼 連鑄 /模鑄混合生產(chǎn)調(diào)度策略為依據(jù)，提出了連鑄 /模鑄混合計劃分批次調(diào)度策略、整半爐次連鑄計 劃調(diào)度方法，以及整半爐次連鑄與混合澆期模鑄計劃調(diào)度方法，包括半爐次連鑄計劃啟發(fā)式編制方法、整爐次連鑄計劃啟發(fā)式編制方法、 半次連鑄計劃與混合澆期模鑄計劃啟發(fā)式編制方法 、整爐次連鑄與混合澆期模鑄計劃啟發(fā)式編制方法和連鑄 /模鑄混合生產(chǎn)調(diào)度批次綜合 方法； 3) 在總結(jié)多生產(chǎn)模式連鑄 /模鑄混合生產(chǎn)調(diào)度策略基礎(chǔ)上，進(jìn)行了系統(tǒng) 軟件設(shè)計與開發(fā)， 包括 靜態(tài)調(diào)度 、初始化、數(shù)據(jù)輸入 /輸出、人機(jī)界面、數(shù)據(jù)處理以及主體算法模塊； 4) 應(yīng)用現(xiàn)場實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行測試，驗(yàn)證了調(diào)度整體解決方案、 連鑄 /模鑄混合生產(chǎn)調(diào)度策略 和調(diào)度方法的有效性。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示誠摯的謝意。 （ 如作者和導(dǎo)師同意網(wǎng)上交流，請在下方簽名：否則視為不同意） 學(xué)位論文作者簽名 ： 導(dǎo) 師 簽 名 ： 簽 字 日 期 ： 簽 字 日 期 ： 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘 要 － II－ 連鑄和模鑄混合生產(chǎn)煉鋼調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā) 摘 要 煉鋼是我國的支柱產(chǎn)業(yè)，而煉鋼 連鑄 /模鑄混合生產(chǎn)是鋼鐵生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，煉鋼生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)是鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)管理的核心。 3. Based on the schedule policy of steelmaking continuous casting and mould casting, the schedule system is designed and developed, including design of static subsystem, initialization module, data input/output module, interface module, data processing module and main schedule method module。激烈的市場競爭也迫使鋼鐵企業(yè)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，批量生產(chǎn)時 代正逐漸被適應(yīng)市場動態(tài)變化的生產(chǎn)所替換。煉鋼－連鑄 /模鑄混合生產(chǎn)調(diào)度應(yīng)屬于多機(jī)并行機(jī) 問題，也是調(diào)度中最難解決的問題之一。例如： 可澆注 成份質(zhì)量要求很高鎮(zhèn)靜鋼，最高可以澆注 900mm厚度的鋼板， 3~5 壓縮比，滿足特種鋼材的要求，比如軍工用鋼。利用科學(xué)的生產(chǎn)調(diào)度方法是集成制造系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢，是面向過程的生產(chǎn)活動與經(jīng)營活動橋梁和紐帶，是現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的關(guān)鍵。 (4)分解與成組策略 :利用 分解生產(chǎn)計劃或 CT(Cmup Technology)的調(diào)度策略可以大大降低問題的復(fù)雜性和規(guī)模，求得調(diào)度問題的較優(yōu)解，同時優(yōu)化系統(tǒng)的一些性能指標(biāo)。由于調(diào)度問題固有的組合特征，搜索過程中通常引起“組合爆炸”，帶來求解計算的困難 性和復(fù)雜性，精確最優(yōu)化方法為追求問題求解的最優(yōu)性而要付出極大 (甚至是不可實(shí)現(xiàn) )的計算代價 ,這類方法一般僅可處理小規(guī)模問題或某類特定問題，應(yīng)用局限性較大。 智能方法： (1)專家系統(tǒng) 專家系統(tǒng)是人工智能從數(shù)值信息處理轉(zhuǎn)向非數(shù)值 (知識 )信息處理的轉(zhuǎn)折里程碑，鋼鐵調(diào)度專家系統(tǒng)是一個能在鋼鐵調(diào)度領(lǐng)域內(nèi)，以專家的水平去解決該領(lǐng)域中困難問題的計算機(jī)程序，通常將鋼鐵調(diào)度領(lǐng)域知識和現(xiàn)場的各種約束表示成知識庫，然后根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況從知識庫中產(chǎn)生調(diào)度方案，并能對意外情況采取相應(yīng)的對策 [16,17]。交互的作用主要體現(xiàn)在人對過程操作的監(jiān)控方面，如判斷以外事件的發(fā)生，估計動態(tài)變化對調(diào)度性能的影響，以采取適當(dāng)?shù)牟呗浴Ｎ墨I(xiàn) [48]對于在安排煉鋼 連鑄中的時間調(diào)度問題，建立了基于準(zhǔn)時制調(diào)度思想的數(shù)學(xué)模型 (連續(xù)變量 )，經(jīng)過變換 , 將非線性規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃問題，用標(biāo)準(zhǔn)線性規(guī)劃程序進(jìn)行求解。 (3)作業(yè)實(shí)績的高度可視化，同期作業(yè)的實(shí)現(xiàn)，統(tǒng)一管制中心的設(shè)立，一體化最優(yōu)性的實(shí)際繪圖機(jī)能。主要研究工作包括： 1) 在調(diào)研煉鋼調(diào)度現(xiàn)場生產(chǎn)工藝流程、進(jìn)行調(diào)度過程描述、分析復(fù)雜性基礎(chǔ)上，總結(jié)了多生產(chǎn)模式煉鋼 連鑄 /模鑄混合生產(chǎn)調(diào)度策略； 2) 以多生產(chǎn)模式煉鋼 連鑄 /模鑄混合生產(chǎn)調(diào)度策略為依據(jù)，提出了連鑄 /模鑄混合計劃分批次調(diào)度策略、整半爐次連鑄計劃調(diào)度方法，以及整半爐次連鑄與混合澆期模鑄計劃調(diào)度方法，包括半爐次連鑄計劃啟發(fā)式編制方法、整爐次連鑄計劃啟發(fā)式編制方法、半次連鑄計劃與混合澆期模鑄計劃啟發(fā)式編制方法、整爐次連 鑄與混合澆期模鑄計劃啟發(fā)式編制方法和連鑄 /模鑄混合生產(chǎn)調(diào)度批次綜合方法； 3) 在總結(jié)多生產(chǎn)模式連鑄 /模鑄混合生產(chǎn)調(diào)度策略基礎(chǔ)上，進(jìn)行了系統(tǒng)軟件設(shè)計與開發(fā)，包括靜態(tài)調(diào)度 子系統(tǒng)設(shè)計思想 、初始化、數(shù)據(jù)輸入 /輸出、人機(jī)界面、數(shù)據(jù)處理以及主體算法模塊； 4) 應(yīng)用現(xiàn)場實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行測試，驗(yàn)證了調(diào)度整體解決方案、連鑄 /模鑄混合生產(chǎn)調(diào)度策略和調(diào)度方法的有效性。 (4)路徑：一般情況下與爐次對應(yīng)，指一個爐次中各個單元工位的順序集合。 (11)半爐次計劃 ： 已經(jīng)開始生產(chǎn)，但在澆鑄工位還未開始生產(chǎn)的爐次計劃； (12)整爐次計劃 ： 沒有開始生產(chǎn)的爐次計劃。 表格形式可以按不同的字段標(biāo)識進(jìn)行瀏覽和編輯，其中每一行都是一條爐次計劃，其中包含內(nèi)容 如下圖 所示 。 煉鋼生產(chǎn)工藝流程 煉鋼 連鑄 /模鑄混合 生產(chǎn)過程是現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)的核心工序 , 其基本生產(chǎn)流程是轉(zhuǎn)爐將高爐生產(chǎn)的鐵水進(jìn)一步冶煉為鋼水，經(jīng)過精煉爐進(jìn)行精煉后，以保證鋼水的化 學(xué)成分和溫度等工藝指標(biāo)滿足制造工藝的要求 , 然后在連鑄機(jī)或者模鑄機(jī)上澆注成一定尺寸外形的板坯，供給下游生產(chǎn)工序或用戶。 煉鋼包括轉(zhuǎn)爐 /電弧爐煉鋼和精煉兩個階段，基本任務(wù)包括以下 3 個方面 ： (1)脫碳并將其含量調(diào)整到一定范圍。 主煉鋼區(qū)域包括圖 中的煉鋼、連鑄和熱軋，是鋼鐵生產(chǎn)中的主要工序。而在煉鋼爐的輸出方面，每一爐生產(chǎn)的鋼水都具有一個特定的鋼級，煉鋼爐每次加工的鋼水都是一個滿容量。每個爐次生產(chǎn)的鋼水重量都是固定的，一個爐次的鋼水在連鑄機(jī)上澆注出來的板坯一般為 1020 塊左右。 煉鋼 連鑄 /模鑄混合 生產(chǎn)過程是一個對 加工 時間、 鋼水 溫度和質(zhì)量成份都有極高要求的一個多模式、多工序、多設(shè)備、多擾動下的多目標(biāo)生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化問題。它以客戶訂單和市場需求為計劃源頭，充分利用企業(yè)內(nèi)的各種資源，合理安排生產(chǎn)，降低庫存，提高企 業(yè)效益 。 L3 層主要是我們的研究對象，而煉鋼 連鑄 /模鑄 混合 調(diào)度管理是 L3 層的一個重要的實(shí)時工作項。 (3)計算復(fù)雜性 由于調(diào)度問題是在等式或不等式約束下求性能指標(biāo)的優(yōu)化，多數(shù)為 NP難的組合優(yōu)化問題，即不 存在多項式時間的最優(yōu)算法， 而且 隨著問題規(guī)模增大，求解最優(yōu)化 結(jié)果 的計東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 二 章 連鑄模鑄混合生產(chǎn)煉鋼調(diào)度過程描述 12 算量呈指數(shù)增長，使常規(guī)最優(yōu)化方法無能為力，只能使用近似算法或 者 啟發(fā)式算法。這些構(gòu)成了調(diào)度問題的種種約束。 存在問題 由于 現(xiàn)在現(xiàn)場的 煉鋼 連鑄 /模鑄混合 生產(chǎn)計劃是由人工排定的，對計劃在以后的執(zhí)行效果沒有一個直觀的、明確的認(rèn)識，所以很難判斷編制出的 調(diào)度 計劃是否是最優(yōu)或是較優(yōu)，也難以判斷計劃的問題具體會出現(xiàn)在 哪里 ；而且煉鋼 連鑄 /模鑄混合生產(chǎn)過程要考慮同時考慮連鑄與模鑄混合調(diào)度計劃的路徑和時間的選擇，也要考 慮有澆期模鑄計劃的 開澆時間 帶來的約束以及考慮無澆期模鑄計劃安排開澆時間不確定性帶來的調(diào)度結(jié)果的不同，由于這些原因到 現(xiàn)在沒有一套完整的煉鋼 連鑄 /模鑄混合 生產(chǎn)調(diào)度方案，從東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 二 章 連鑄模鑄混合生產(chǎn)煉鋼調(diào)度過程描述 13 而加重了操作人員的工作量，降低了 調(diào)度過程的效率和調(diào)度結(jié)果的不優(yōu)化性 。而且，在實(shí)際煉鋼生產(chǎn)過程中， 由于冶金過程的復(fù)雜性和生產(chǎn)實(shí)踐諸多的不確定性，加上人為干 擾因素， 調(diào)度人員在編制 煉鋼 連鑄調(diào)度 計劃時不愿意多排 入計劃 ，對計劃采取走一步看一步的做法， 這樣不僅降低了優(yōu)化性而且生產(chǎn)效率也不高。 在 進(jìn)行計劃編制的時候，調(diào)度計劃有單純連鑄計劃的編制和連鑄 /模鑄混合計劃，而且還需要考慮新增計劃和原有調(diào)度計劃對于設(shè)備的占用情況，這樣可以將新增計劃和原有主體設(shè)備的調(diào)度計劃分成一下幾類問題。 雖然 有關(guān)煉鋼連鑄的調(diào)度文獻(xiàn)不少， 但是由于煉鋼模鑄生產(chǎn)的特殊性和存在模鑄工藝的鋼廠在國內(nèi)本來就是很少，所以關(guān)于存在模鑄生產(chǎn)這個方面的文獻(xiàn)少之又少 ， 而且 目前大多數(shù)的煉鋼 連鑄 /模鑄混合生產(chǎn)調(diào)度都停留在交互式調(diào)度和經(jīng)驗(yàn)式調(diào)度的水平上。這些工位之間互為供求關(guān)系。 (6)主體設(shè)備與輔助設(shè)備綜合協(xié)調(diào)調(diào)度的 復(fù)雜 性 從國內(nèi)外研究資料表明，對煉鋼 連鑄生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)研究均局限在主體設(shè)備 (轉(zhuǎn)爐，精煉爐，連鑄機(jī) /模鑄機(jī) )上，很少有人關(guān)注輔助設(shè)備 (鋼包、天車 、 臺車 ，模鑄澆注工位等 )調(diào)度問題。此外，還要考慮有效利用設(shè) 備資源、降低成本等 。 煉鋼調(diào)度復(fù)雜性分析 由于 煉鋼