【導(dǎo)讀】本人聲明所呈交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的。研究成果，也不包括本人為獲得其他學(xué)位而使用過的材料。磁盤，允許論文被查閱和借閱。或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索、交流。生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)是鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)管理的核心。煉鋼-連鑄/模鑄混合生產(chǎn)過程是高溫作業(yè)過。程，實(shí)時(shí)性要求高，時(shí)間效益顯著，復(fù)雜性增加。目前連鑄工藝還不能完全取代模鑄工。藝，模鑄工藝還有重要意義和作用。廣泛的應(yīng)用前景和重要的經(jīng)濟(jì)意義。產(chǎn)過程中存在模鑄的復(fù)雜性問題進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)和開發(fā)了相應(yīng)的調(diào)度系統(tǒng)。策略和調(diào)度方法的有效性。

　　

【正文】 程中 由于現(xiàn)場環(huán)境造成 時(shí)間偏差、溫度過低、質(zhì)量成份不合格、設(shè)備故障等 問題出現(xiàn)的時(shí)間擾動(dòng)、溫度擾動(dòng)、成份擾動(dòng)等 多種擾動(dòng) 。 調(diào)度目標(biāo)有多個(gè)：由于煉鋼 連鑄 /模鑄 混合 生產(chǎn)是一個(gè)多模式，多工序，多擾動(dòng)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(gè)目標(biāo)體現(xiàn)，包括最小化最大完 成時(shí)間、冗余等待時(shí)間最小、負(fù)荷均衡。 煉鋼調(diào)度系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析 國內(nèi)某 煉鋼廠的生產(chǎn)管理 (計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)關(guān)聯(lián)關(guān)系 )主要是分級方式，即 L LL3 和 L4 級，分別表示生產(chǎn)和運(yùn)維底層、過程控制層、制造執(zhí)行管理系統(tǒng)層和企業(yè)資源計(jì)劃層 [3843]。 計(jì)劃層 (Manufacturing Resources Planning/Enterprise Resources Planning， MRPⅡ/ERP)：強(qiáng)調(diào)企業(yè)的計(jì)劃性。它以客戶訂單和市場需求為計(jì)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 。 執(zhí)行層 (Manufacturing Execution System， MES)：強(qiáng)調(diào)計(jì)劃的執(zhí)行功能。通過 MES把 MRPⅡ /ERP 與企業(yè)的現(xiàn)場控制有機(jī)地集成起來，其關(guān)鍵是強(qiáng)調(diào)整個(gè)生產(chǎn)過程的優(yōu)化，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 10 同時(shí)又與計(jì)劃層和控制層保持雙向的通信能力，從上下兩層接收相應(yīng)的數(shù)據(jù)并反饋處理和生產(chǎn) 指令。因此， MES 起到承上啟下的作用，不但能夠完成計(jì)劃層的實(shí)現(xiàn)，而且還可以為后續(xù)的控制提供必要的參考，簡化后續(xù)工作的操作量。 AMR 將 MES 定義為“位于上層的計(jì)劃管理系統(tǒng)與底層的工業(yè)控制之間的面向車間層的管理信息系統(tǒng)”， 它為操作人員和管理人員提供計(jì)劃的執(zhí)行、跟蹤以及所有資源 (人、設(shè)備、物料、客戶需求等 )的當(dāng)前狀態(tài) 。 過程控制層 (Process Control System， PCS)： 生產(chǎn)過程監(jiān)測監(jiān)控層由 煉鋼 各個(gè)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(gè)環(huán)節(jié)的過程監(jiān)測、自動(dòng)化控制及安全監(jiān)測。這些子系統(tǒng)采用的技術(shù)和結(jié)構(gòu) 形式可以多種多樣，例如，可以是基于 PC 的分布式系統(tǒng)、PLC 系統(tǒng)，也可以是智能化的機(jī)電一體化設(shè)備，通過總線方式接入綜合信息化監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)。該層主要功能是實(shí)現(xiàn)對 煉鋼 各安全參數(shù)的監(jiān)測和對 煉鋼過程中的 主 輔 設(shè)備的控制 ，以及對于煉鋼情況的 監(jiān)測。 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(gè)重要的實(shí)時(shí)工作項(xiàng)。它是 L3 級的神經(jīng)，操控指導(dǎo)著 L2 級，聯(lián)系著 L4 級，并橫向影響到工藝前序的煉鐵和后序的熱軋，處于樞紐地位。 調(diào)度管理關(guān)系 如下圖 所示： 煉 鋼 連 鑄 / 模 鑄 混 合 計(jì) 劃 調(diào) 度 管 理 關(guān) 聯(lián) 關(guān) 系L 3L 2L 4調(diào) 度 管 理煉 鐵 生 產(chǎn) 熱 軋 生 產(chǎn)澆 鑄 順計(jì) 劃出 鋼 順計(jì) 劃煉 鋼煉 鐵熱 軋實(shí) 時(shí) 運(yùn)行 狀 態(tài) 圖 煉鋼 連鑄 /模鑄混合計(jì)劃調(diào)度管理關(guān)聯(lián)關(guān)系 Diagram of relationship of steelmaking continuous and mould casting schedule management 管理過程的 流程描述： ? L4 下發(fā)澆鑄順計(jì)劃給調(diào)度，調(diào)度人員根據(jù)實(shí)際情況安排生產(chǎn)，編制出鋼計(jì)劃 ； ? 下發(fā)到 L2，執(zhí)行 ； 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 11 ? L2 實(shí)時(shí)上傳運(yùn)行狀態(tài) ； ? 調(diào)度根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)，不斷修正、調(diào)整出鋼順計(jì)劃，再次下發(fā) ； ? 以上過程多次反饋 ； ? 煉鐵與煉鋼相互協(xié)調(diào) (鐵鋼對應(yīng) )； ? 煉鋼與熱軋相互協(xié)調(diào) (熱送板坯、保溫緩沖等 )。 由上可知，煉鋼生產(chǎn)中鋼鐵生產(chǎn)加工鏈中的核心工序，調(diào)度管理是這一過程的核心環(huán)節(jié)，有著舉足輕重的地位和作用。 煉鋼調(diào)度復(fù)雜性分析 由于 煉鋼 連鑄 /模鑄混合生產(chǎn)過程中 處理機(jī)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(cuò)綜復(fù)雜，加上度量不同指標(biāo)的目標(biāo)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(fù)雜性 要準(zhǔn)確的建模、求解、及時(shí)進(jìn)行 計(jì)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(shí)間 ，連鑄的銜接和 物流流量因素進(jìn)行綜合考慮，而有的因素之間存在著相互的關(guān)聯(lián)性，給因素的精確分析帶來了一定的很大的困難性。例如，通過生產(chǎn)過程 中，要優(yōu)先生產(chǎn)有澆期模鑄計(jì)劃，即應(yīng)先保證有澆期模鑄計(jì)劃在設(shè)定的開澆時(shí) 間之前進(jìn)行模鑄澆注，由于有澆期模鑄計(jì)劃在轉(zhuǎn)爐精煉工序?qū)υO(shè)備的選擇優(yōu)先級高于連鑄計(jì)劃的優(yōu)先級，這樣就會(huì)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(jì)劃生產(chǎn)的前提下，盡量保證連鑄連連澆 cast連續(xù)澆鑄。另外在進(jìn)行無澆期模鑄計(jì)劃生產(chǎn)的時(shí)候，由于無澆期模鑄計(jì)劃比有澆期模鑄計(jì)劃和連鑄計(jì)劃的優(yōu)先級低，在轉(zhuǎn)爐和精煉階段對于設(shè)備選擇的優(yōu)先級別也是最低的，所以無澆期模鑄計(jì)劃可能造成整體調(diào)度結(jié)果不夠優(yōu)化，這樣需要在局部損失一些參數(shù)的優(yōu)化來提高整體的優(yōu)化性能。 (2)建模復(fù)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(shí)還有許多輔助環(huán)節(jié)，要進(jìn)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(shè)備、庫場及搬運(yùn)系統(tǒng)之間相互影響、相互作用，每個(gè)作業(yè)具有到達(dá)時(shí)間、裝卸時(shí)間、準(zhǔn)備時(shí)間、操作順序及交貨期等屬性，因而實(shí)際調(diào)度問題相當(dāng)復(fù)雜，這使精確描述其間的約束關(guān)系，建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型非常困難。 (3)計(jì)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(xiàng)式時(shí)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(jì)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。Garey等 [44]證明即便對于單機(jī)調(diào)度問題，如果考慮 n個(gè)作業(yè)而每個(gè)作業(yè)只考慮加工時(shí)間與序列有關(guān)的準(zhǔn)備時(shí)間， 就等價(jià)于 n個(gè)城市 TSP問題 。 (4)多目標(biāo)性 實(shí)際的計(jì)劃調(diào)度往往是多目標(biāo)的，并且各個(gè)目標(biāo)之間可能發(fā)生沖突。 煉鋼 連鑄 /模鑄混合生產(chǎn)過程要考慮的首要目標(biāo)是盡量保證連鑄機(jī)連續(xù)澆鑄、鋼水運(yùn)輸過程中冗于等待時(shí)間盡量小，保證有澆期模鑄計(jì)劃的開澆時(shí)間。此外，還要考慮有效利用設(shè) 備資源、降低成本等 。這種多目標(biāo)性導(dǎo)致調(diào)度的復(fù)雜性和計(jì)算量急劇增加。 (5)多約束性 任何一個(gè)調(diào)度問題都要滿足機(jī)器、工件和定單等多方面的約束 。 煉鋼 連鑄 /模鑄混合 生產(chǎn)工藝過程必須在鐵水仍然熔化的狀態(tài)下完成，每一爐次的等待時(shí)間應(yīng)少于工藝限定的時(shí)間；為了使煉鋼 連鑄 /模鑄混合 產(chǎn)量最大，連鑄機(jī)盡量不斷澆 ，保證有澆期模鑄計(jì)劃的 開澆時(shí)間 和無澆期模鑄計(jì)劃加入生產(chǎn)時(shí)的整體優(yōu)化 。這些構(gòu)成了調(diào)度問題的種種約束。當(dāng)全面建模后，問題的規(guī)模也急劇增大。由于調(diào)度問題大都是 NPhard的組合優(yōu)化問題，求解時(shí)間隨問題規(guī)模呈指數(shù)增長。為此 ，如何在模型全面化與有效求解之間權(quán)衡，是調(diào)度 過程 需解決的問題。 (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。在實(shí)際生產(chǎn)中容易出現(xiàn)輔助設(shè)備的調(diào)度同主體設(shè)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(shí)到位，使得編制好的生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃不能及時(shí)配備到相應(yīng)的主體設(shè)備上，影響主體設(shè)備對生產(chǎn)計(jì)劃的執(zhí)行，影響企業(yè)的生產(chǎn)效益。因此輔助設(shè) 備與主體設(shè)備協(xié)調(diào)調(diào)度方 法的研究對整個(gè)調(diào)度計(jì)劃的可行性起到重要 作用 。而目前主體設(shè)備和輔助設(shè)備調(diào)度的時(shí)間尺度不一致，主體設(shè)備可以提前預(yù)調(diào)度，而輔助設(shè)備采取實(shí)時(shí)匹配的原則不做預(yù)調(diào)度，使得主體設(shè)備與輔助設(shè)備綜合協(xié)調(diào)調(diào)度存在極大的困難性。 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(jì)劃是由人工排定的，對計(jì)劃在以后的執(zhí)行效果沒有一個(gè)直觀的、明確的認(rèn)識，所以很難判斷編制出的 調(diào)度 計(jì)劃是否是最優(yōu)或是較優(yōu)，也難以判斷計(jì)劃的問題具體會(huì)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(shí)考慮連鑄與模鑄混合調(diào)度計(jì)劃的路徑和時(shí)間的選擇，也要考 慮有澆期模鑄計(jì)劃的 開澆時(shí)間 帶來的約束以及考慮無澆期模鑄計(jì)劃安排開澆時(shí)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 。因此現(xiàn)在存在以下問題沒有很好的解決： 首先，從 鋼鐵生產(chǎn)的 機(jī)理角度講，煉鋼屬于冶金物理化學(xué)混合過程，其中的內(nèi)部規(guī)律很復(fù)雜、難以用確定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行全面描述 ，通常對問題做一些假設(shè)和簡化，不能充分反應(yīng)生產(chǎn)實(shí)際的復(fù)雜性，所得調(diào)度結(jié)果往往與生產(chǎn)實(shí)際存在差距 。到目前為止，還沒有一套完整的 、完全實(shí)用的數(shù)學(xué)模型可供借鑒。 其次，從鐵水輸入到鋼坯運(yùn)出，要經(jīng)過鐵水預(yù)處理、混鐵爐存放、轉(zhuǎn)爐煉鋼、吹 Ar處理、鋼水精煉、連鑄機(jī) /模鑄機(jī) 等諸多工位。這些工位之間互為供求關(guān)系。因?yàn)橐粋€(gè)工位的異常都會(huì)直接或間接影響到其它工位。所以考慮生產(chǎn)調(diào)度時(shí)，迫切的需要把煉鋼車間的整個(gè)運(yùn)行過程看成是一個(gè)互相影響、緊密結(jié)合的統(tǒng)一整體，從整體的角度考慮物流、能量流、時(shí)間流的組織與管制 。 但是，整體優(yōu)化是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問題，尋求一個(gè) 最 優(yōu)解非常困難 。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(jì)劃時(shí)不愿意多排 入計(jì)劃 ，對計(jì)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。 本文將 深入研究實(shí)際煉鋼 連鑄 /模鑄混合 生產(chǎn)調(diào)度問題 ，根據(jù)現(xiàn)場需求分析建模 、探求有效算法和開發(fā)相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。調(diào)度問題包括對 連鑄計(jì)劃的計(jì)劃編制 ， 也能完成含有連鑄模鑄混合計(jì)劃的計(jì)劃編制 ， 利用 策略的理論和方法，研究煉鋼 連鑄 /模鑄混合生產(chǎn)調(diào)度 的調(diào)度方法，力求在滿足生產(chǎn)的情況下達(dá)到計(jì)劃的整體優(yōu)化性 。東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 三 章 煉鋼 連鑄 /模鑄混合生產(chǎn)調(diào)度策略與實(shí)現(xiàn) 14 第三章 煉鋼 連鑄 /模鑄混合生產(chǎn)調(diào)度策略與實(shí)現(xiàn) 連鑄 /模鑄混合調(diào)度生產(chǎn)模式分析 煉鋼 連鑄 /模鑄混合生產(chǎn) 作為鋼鐵生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，引起許多學(xué)者和研究人員的關(guān)注。 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(gè)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。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(gè)環(huán)節(jié)：煉鋼、精煉、連鑄 /模鑄。 由于有澆期模鑄計(jì)劃存在生 產(chǎn)交貨期的特殊性，使得調(diào)度問題愈加復(fù)雜化。生產(chǎn)實(shí)際現(xiàn)場的情況的變化也增添調(diào)度的復(fù)雜性，單一的調(diào)度方法很難實(shí)現(xiàn)適應(yīng)現(xiàn)場調(diào)度的需求。 在 進(jìn)行計(jì)劃編制的時(shí)候，調(diào)度計(jì)劃有單純連鑄計(jì)劃的編制和連鑄 /模鑄混合計(jì)劃，而且還需要考慮新增計(jì)劃和原有調(diào)度計(jì)劃對于設(shè)備的占用情況，這樣可以將新增計(jì)劃和原有主體設(shè)備的調(diào)度計(jì)劃分成一下幾類問題。 ? 按照爐次計(jì)劃是否開始生產(chǎn)可分為：半爐次計(jì)劃和整爐次計(jì)劃； ? 按照爐次計(jì)劃的類別可分為：連鑄計(jì)劃和模鑄計(jì)劃 ? 按照是否有澆期約束可分為：有澆期模鑄計(jì)劃和無澆期模鑄計(jì)劃 按照實(shí)際生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)的爐次 類別可分為 一下六種情況 ：半爐次連鑄計(jì)劃，半爐次有澆期模鑄計(jì)劃，半爐次無澆期模鑄計(jì)劃，整爐次連鑄計(jì)劃，整爐次有澆期模鑄計(jì)劃，整爐次無澆期模鑄計(jì)劃。 根據(jù)數(shù)學(xué)排列組合公式： !( )! !mn nC n m m? ? () 6n? ， 在 6個(gè)元素中無先后順序的取出任意非零 m 個(gè)元素，組合方式為： 1 2 3 4 5 66 6 6 6 6 6N C C C C C C? ? ? ? ? ? () 根據(jù)多項(xiàng)式數(shù)學(xué)公式： 0 1 1 1 1 1() n n n m n m m n n n nn n n n nx y C x C x y C x y C x y C y? ? ? ?? ? ? ? ??? ? ? ??? ? ? () 東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 三 章 煉鋼 連鑄 /模鑄混合生產(chǎn)調(diào)度策略與實(shí)現(xiàn) 15 當(dāng) 1xy??時(shí)， 0 1 12 n m n nn n n n nC C C C C?? ? ? ???? ? ???? ? () 所以 1 2 3 4 5 6 6 06 6 6 6 6 6 62 6 3N C C C C C C C?