【正文】 ............................................................................65 系統(tǒng)運行環(huán)境與網(wǎng)絡結(jié)構.................................................................................................65 實驗驗證.............................................................................................................................65 實驗驗證效果.....................................................................................................................68總結(jié)與展望 ...............................................................................................................................70東北大學碩士學位論文 目 錄－III－東北大學碩士學位論文 第一章 緒 論 0 第一章 緒 論 課題來源及意義隨著社會進步和生活水平的提高，市場更加需要具有特色、更高品質(zhì)、符合顧客個人要求樣式和功能千差萬別的產(chǎn)品。? 由于銷售計劃的需要，一些鋼種只能有模鑄工藝生產(chǎn)?；谀壳暗难芯?，對于動態(tài)調(diào)度的具體策略有周期調(diào)度、連續(xù)調(diào)度、事件驅(qū)動調(diào)度、周期與事件驅(qū)動混合調(diào)度，周期與連續(xù)調(diào)度混合等。該類方法能夠快速建立問題的解，但通常解質(zhì)量較差且缺少柔性，否則需要建立復雜的啟發(fā)式規(guī)則 [14]。在煉鋼連鑄生產(chǎn)靜態(tài)調(diào)度理論研究的方法方面，國內(nèi)外的學者做了大量的研究工作，數(shù)學規(guī)劃是主要方法。 本文主要工作本文以鋼鐵企業(yè)煉鋼連鑄/模鑄混合調(diào)度生產(chǎn)過程為背景，針對煉鋼連鑄/ 模鑄混合調(diào)度問題進行了研究，并設計和開發(fā)了相應的動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)。它具體明確了某個設備需要順序完成哪些個爐次計劃，在什么時刻開始加工，在什么時刻結(jié)束加工；同時也明確了某個爐次計劃在多個設備上的加工次序及作業(yè)時間?，F(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)工藝過程較為復雜，涉及的工序很多，一個典型鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)工藝過程如圖 所示 [36]，可以分為三大部分：煉鐵(Iron Making)區(qū)域、主煉鋼(Primary Steelmaking)區(qū)域和精整加工(Finishing)區(qū)域，其中主煉鋼區(qū)域包括煉鋼、連鑄、熱軋等工序，精整加工區(qū)域包括冷軋、鍍涂等工序。為保證鋼的各種物理、化學性能，還應加入適量的合金元素，并使其含量達到規(guī)定要求；控制溫度主要是保持一定的溫度范圍，進行化學反應。板坯有幾個重要參數(shù):寬度、厚度、長度、重量和鋼級。計劃層(Manufacturing Resources Planning/Enterprise Resources Planning，MRPⅡ/ERP)：強調(diào)企業(yè)的計劃性。 (2)建模復雜性煉鋼連鑄 /模鑄混合生產(chǎn)包括煉鋼、精煉、連鑄/模鑄環(huán)節(jié)，同時還有許多輔助環(huán)節(jié)，要進行有效的建模，首先要考慮連鑄，無澆期模鑄和有澆期模鑄由于生產(chǎn)的優(yōu)先級別不同而造成的生產(chǎn)的制約和影響，還必須考慮到各環(huán)節(jié)之間的物流穩(wěn)定和平衡；其次，由于裝卸作業(yè)、裝卸設備、庫場及搬運系統(tǒng)之間相互影響、相互作用，每個作業(yè)具有到達時間、裝卸時間、準備時間、操作順序及交貨期等屬性，因而實際調(diào)度問題相當復雜，這使精確描述其間的約束關系，建立相應數(shù)學模型非常困難。而目前主體設備和輔助設備調(diào)度的時間尺度不一致，主體設備可以提前預調(diào)度，而輔助設備采取實時匹配的原則不做預調(diào)度，使得主體設備與輔助設備綜合協(xié)調(diào)調(diào)度存在極大的困難性。生產(chǎn)實際現(xiàn)場的情況的變化也增添調(diào)度的復雜性，單一的調(diào)度方法很難實現(xiàn)適應現(xiàn)場調(diào)度的需求。 ：待調(diào)度模鑄爐次的集合， 為總模鑄爐次數(shù)；? ,|i???：第 個模鑄的爐次集合， 。,kkK?：工位 的并行機數(shù)；jj東北大學碩士學位論文 第三章煉鋼連鑄/模鑄混合生產(chǎn)調(diào)度策略與實現(xiàn) 19 ：當前生產(chǎn)進度時間，模型求解時 ；nowT 0nowT?：待調(diào)度連鑄爐次的集合， 為總連鑄爐次數(shù)；?,|i??：第 個連連澆 Cast 中的爐次集合， ，且n 12N?????；12N???：連連澆 Cast 中的第一個爐次集合；0, :半爐次的批次集合 、整爐次的批次集合 ， ，fHfWfHfWfH???。為了研究煉鋼連鑄/模鑄混合生產(chǎn)，首先來研究煉鋼連鑄/模鑄混合生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)調(diào)度特性，由前面的工藝所述，煉鋼連鑄/模鑄混合生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)主要包括三個環(huán)節(jié)：煉鋼、精煉、連鑄/模鑄。在實際生產(chǎn)中容易出現(xiàn)輔助設備的調(diào)度同主體設備的調(diào)度不協(xié)調(diào)現(xiàn)象，造成鋼包、天車和臺車不能及時到位，使得編制好的生產(chǎn)作業(yè)計劃不能及時配備到相應的主體設備上，影響主體設備對生產(chǎn)計劃的執(zhí)行，影響企業(yè)的生產(chǎn)效益。例如，通過生產(chǎn)過程中，要優(yōu)先生產(chǎn)有澆期模鑄計劃，即應先保證有澆期模鑄計劃在設定的開澆時間之前進行模鑄澆注，由于有澆期模鑄計劃在轉(zhuǎn)爐精煉工序?qū)υO備的選擇優(yōu)先級高于連鑄計劃的優(yōu)先級，這樣就會給連鑄生產(chǎn)的物流平衡帶來一定的困難，這就需要在優(yōu)先保證有澆期模鑄計劃生產(chǎn)的前提下，盡量保證連鑄連連澆cast連續(xù)澆鑄。調(diào)度目標有多個：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，簡單的目標不能全面綜合產(chǎn)生優(yōu)化的結(jié)果，只能從多個目標體現(xiàn)，包括最小化最大完成時間、冗余等待時間最小、負荷均衡。連鑄機要盡量連續(xù)澆鑄，否則就必須重新引桿開啟鑄機，每開啟一次連鑄機需要設備的調(diào)整時間和調(diào)整費用，而且會使產(chǎn)量降低。脫磷、脫硫的反映如下 [37]： ?FS?加入強堿性氧化物 的目的是使 與其生成穩(wěn)定的磷酸鈣，從而提高渣氧化CaO25脫磷能力。人類冶煉鋼鐵的歷史可以追溯到公元前一千年。(9)斷澆：一個澆次內(nèi)在連鑄工位上，本應連續(xù)澆注的各爐次，出現(xiàn)的分斷情況。對于煉鋼連鑄問題，已經(jīng)有了大量的學術的研究和實際現(xiàn)場的驗證，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。 煉鋼調(diào)度方法研究現(xiàn)狀及應用煉鋼連鑄/模鑄混合生產(chǎn)過程是在高溫下進行的物理化學反應和金屬加工變形，具有高溫熔煉、高溫加工等特點，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。由于制造系統(tǒng)的復雜性，很難用一個精確的解析模型來進行描述和分析，而通過運行仿真模型來收集數(shù)據(jù)，則能對實際系統(tǒng)進行性能、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]。(2)人機協(xié)同策略:現(xiàn)有研究方法的缺陷以及人類獨特的思維能力決定了人機協(xié)同策略的生命力，大量研究表明人機協(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。中國軍標和美國軍標規(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]。激烈的市場競爭也迫使鋼鐵企業(yè)進行轉(zhuǎn)變，批量生產(chǎn)時代正逐漸被適應市場動態(tài)變化的生產(chǎn)所替換。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。(4)分解與成組策略:利用分解生產(chǎn)計劃或CT(Cmup Technology)的調(diào)度策略可以大東北大學碩士學位論文 第一章 緒 論 2 大降低問題的復雜性和規(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。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)度領域內(nèi)，以專家的水平去解決該領域中困難問題的計算機程序，通常將鋼鐵調(diào)度領域知識和現(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的對策 [16,17]。文獻 [48]對于在安排煉鋼 連鑄中的時間調(diào)度問題，建立了基于準時制調(diào)度思想的數(shù)學模型(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，用標準線性規(guī)劃程序進行求解。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、進行調(diào)度過程描述、分析復雜性基礎上，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)度策略基礎上，進行了系統(tǒng)軟件設計與開發(fā)，包括靜態(tài)調(diào)度子系統(tǒng)設計思想、初始化、數(shù)據(jù)輸入/輸出、人機界面、數(shù)據(jù)處理以及主體算法模塊；4) 應用現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)進行測試，驗證了調(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。(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。 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)的鐵水進一步冶煉為鋼水，經(jīng)過精煉爐進行精煉后，以保證鋼水的化學成分和溫度等工藝指標滿足制造工藝的要求, 然后在連鑄機或者模鑄機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。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。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上澆注出來的板坯一般為 1020 塊左右。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。(3)計算復雜性東北大學碩士學位論文 第二章連鑄模鑄混合生產(chǎn)煉鋼調(diào)度過程描述 11 由于調(diào)度問題是在等式或不等式約束下求性能指標的優(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。 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)過東北大學碩士學位論文 第二章連鑄模鑄混合生產(chǎn)煉鋼調(diào)度過程描述 12 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。在進行計劃編制的時候，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)度計劃對于設備的占用情況，這樣可以將新增計劃和原有主體設備的調(diào)度計劃分成一下幾類問題。 ，且n ???12N???????；12N??????：有澆期模鑄集合，R?R???：無澆期鑄集合， ， ???????：爐次 的生產(chǎn)的工位集合， ；i?i i??：爐次 的沒有開始生產(chǎn)的工位集合， ；39。1,ijm?：爐次 在工序 機器 上的緊后爐次；()SIikik：爐次 的工位總數(shù)，由于精煉重數(shù)的不同，所有爐次計劃的工位總數(shù)m不是完全一樣的，最多考慮 4 重精煉，即 ；36i?：爐次 的初始工位數(shù)( )；sii1sii?：機器總臺數(shù)；K：機器序號， ；39。雖然有關煉鋼連鑄的調(diào)度文獻不少，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，所以關于存在模鑄生產(chǎn)這個方面的文獻少之又少，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)驗式調(diào)度的水平上。(6)主體設備與輔助設備綜合協(xié)調(diào)調(diào)度的復雜性從國內(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備(轉(zhuǎn)爐，精煉爐，連鑄機/模鑄機)上，很少有人關注輔助設備 (鋼包、天車、臺車，模鑄澆注工位等) 調(diào)度問題。 煉鋼調(diào)度復雜性分析由于煉鋼連鑄/模鑄混合生產(chǎn)過程中處理機的數(shù)量、種類和環(huán)境情形各異，工件和資源的約束條件更是錯綜復雜，加上度量不同指標的目標函數(shù)，形成了種類繁多的調(diào)度問題，與經(jīng)典調(diào)度問題相比，煉鋼連鑄/模鑄混合生產(chǎn)調(diào)度問題主要體現(xiàn)出以下特征 :(1)綜合因素分析的復雜性要準確的建模、求解、及時進行計劃編制就要對煉鋼連鑄/ 模鑄混合生產(chǎn)過程中的有澆期模鑄的開澆時間，連鑄的銜接和物流流量因素進行綜合考慮，而有的因素之間存在著相互的關聯(lián)性，給因素的精確分析帶來了一定的很大的困難性。多擾動主要體現(xiàn)在：生產(chǎn)的過程中由于現(xiàn)場環(huán)境造成時間偏差、溫度過低、質(zhì)量成份不合格、設備故障等問題出現(xiàn)的時間擾動、溫度擾動、成份擾動等多種擾動。東北大學碩士學位論文 第二章連鑄模鑄混合生產(chǎn)煉鋼調(diào)度過程描述 6 ③連鑄精煉后的鋼水運往連鑄機進行加工，滿足成份和溫度要求的精煉鋼水被注入連鑄機上面的大包，鋼水通過大包流入連鑄機的結(jié)晶器拉制成具有一定鋼級和規(guī)格的鋼坯，并為