连铸和模铸混合生产炼钢调度系统设计与开发_硕士学位论文(编辑修改稿)

连铸和模铸混合生产炼钢调度系统设计与开发_硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

成策略 :生产计划与调度的集成研究具有 全局优化的特征，也符合先进制造模式的思想，同时能够提高了生产系统的柔性。 (2)人机协同策略 :现有研究方法的缺陷以及人类独特的思维能力决定了人机协同策略的生命力，大量研究表明人机协同交互策略可以减小系统的搜索时间，能够在有限的时间、背景知识条件下解决一些困难的调度问题。 (3)动态重调度策略 :车间制造过程的随时性和不确定性需要不断的进行重调度，以处理突发的事件。 基于目前的研究，对于动态调度的具体策略有周期调度、连续调度、事件驱动调度、周期与事件驱动混合调度，周期与连续调度混合等。 (4)分解与成组策略 :利用 分解生产计划或 CT(Cmup Technology)的调度策略可以大大降低问题的复杂性和规模，求得调度问题的较优解，同时优化系统的一些性能指标。 东北大学硕士学位论文 第一章 绪 论 3 (5)并行或分布策略 :为适合不同车间控制结构与高度复杂问题的需要，不少学者利用并行或分布策略来解决生产调度问题。 (6)多目标权衡决策 :实际调度问题是多目标的，且这些目标往往相互冲突，如何对调度系统的不同目标进行权衡分析，实现多目标调度优化是十分必要的。 通过使用调度策略应用一下方法实现调度问题的求解，比如 最优化 方法 、领域搜索方法、基于人工智能和实时智能的各种调度 方法。 经典调度方法： (1)有效最优化算法 有效最优化方法是针对特定的调度目标，可以在多项式时间内求得最优调度的一类方法，此方法一直是研究者们追求的理想目标。 调度问题复杂性研究表明，大多数调度问题属于 NPhard 问题，对此类问题有效最优化算法是不存在的。 因此，有效最优化算法只适用于特定或相对窄的问题 领域 [8]。 (2)精确最优化算法 精确最优化方法是一类具有一般性的组合最优化方法，主要包括：数学规划、排队论、网络与图论等方法。 由于调度问题固有的组合特征，搜索过程中通常引起“组合爆炸”，带来求解计算的困难 性和复杂性，精确最优化方法为追求问题求解的最优性而要付出极大 (甚至是不可实现 )的计算代价 ,这类方法一般仅可处理小规模问题或某类特定问题，应用局限性较大。 (3)启发式算法 启发式算法是一种近乎经验和直觉的寻求合理解答的方法，基于对特定问题特点的理解，通过一定的搜索规则缩小求解空间，能够快速求解问题 [9,10]。 在深刻认识到调度问题的内在复杂性以后，启发式算法较大程度上依赖于问题特性的理解，其普遍适用性较差，且求解的质量也不高。 因此，启发式算法的研究不仅仅在于找到方法，更重要的是在求解质量、计算复杂性和适用性 等方面对于算法进行必要的评价 [11]。 (4)系统仿真方法 基于仿真的方法不单纯追求系统的数学模型，侧重对系统中运行的逻辑关系的描述，能够对生产调度方案进行比较评价，分析系统的动态性能，并选择系统的动态结构参数 [12]。 由于制造系统的复杂性，很难用一个精确的解析模型来进行描述和分析，而通过运行仿真模型来收集数据，则能对实际系统进行性能、状态等方面的分析，从而，能对系统采用合适的控制调度方法 [13,14]。 (5)构造性方法 其 主要包括优先分配规则 (譬如 SPT,LRM,MWR)、基于瓶颈的启发式算法和插入方东北大学硕士学位论文 第一章 绪 论 4 法 等。 该类方法能够快速建立问题的解，但通常解质量较差且缺少柔性，否则需要建立复杂的启发式规则 [14]。 智能方法： (1)专家系统 专家系统是人工智能从数值信息处理转向非数值 (知识 )信息处理的转折里程碑，钢铁调度专家系统是一个能在钢铁调度领域内，以专家的水平去解决该领域中困难问题的计算机程序，通常将钢铁调度领域知识和现场的各种约束表示成知识库，然后根据现场实际情况从知识库中产生调度方案，并能对意外情况采取相应的对策 [16,17]。 (2)神经网络方法 Hopfield神经网络模型的提出为求解各种有约束优化问题 开辟了一条新途径，用Hopfield网络解决 TSP问题就是其在组合优化问题中的最成功的应用之一 [18]。 它的主要思路是 :通过一个 Lyaplmov能量函数构造网络的极值，当网络迭代收敛时，能量函数达到极小，使与能量函数对应的目标函数得到优化 [19]。 (3)智能搜索方法 应用于调度问题的智能搜索方法包括模拟退火、禁忌搜索和遗传算法等。 目前在动态调度中使用最多的是遗传算法。 遗传算法解决调度问题的优势在于它可以随机地从一个调度跳到另一个调度，从而可以解决其他方法易于使解陷入局部最有的问题 [20]。 另外，它还具有计 算速度快且易于与其他算法相结合的有点，非常适合于解决动态调度的问题。 组合方法 : (1)基于交互调度的方法 交互式调度，是在建立调度和动态维护调度的过程中，充分利用人的经验和能力，通过人与算法的信息交互，调整算法的条件和参数，迅速获得较好的可行方案。 交互的作用主要体现在人对过程操作的监控方面，如判断以外事件的发生，估计动态变化对调度性能的影响，以采取适当的策略。 文 [21]针对传统精确方法在实际动态 JobShop调度应用中的有限性，通过 人机交互方式，修正许多限制资源的约束能力，从而降低调度问题的复杂性。 (2)组合方法 文 [45]提出一种解决实时排序和调度问题混合方法的框架，综合运用了神经网络、遗传算法和实时仿真等方法。 文 [4]提出的是一种新的自适应神经网络和启发式算法的混合算法，用于解决工件的调度问题；文 [46]选择一 内嵌结构来建立智能仿真模型来评价钢厂的调度策略，提出一个通过仿真机制控制事件发生器和专家系统的框架。 文 [47]应用多目标遗传算法检验批调度问题，采用交互的方式允许人参与优化过程，包括改变参数的优东北大学硕士学位论文 第一章 绪 论 5 先权，允许多目标遗传算法对批规模和任务分配做策略。 炼钢调度方法研究现状及应用 炼钢 连铸 /模铸混合生产过程是在高温下进行的物理化学反应和金属加工变形，具有高温熔炼、高温加工等特点，因此生产组织必须充分考虑利用热能，要求连续生产，要求前后工序设 备能力上协调，在制品在数量上、时间上紧密衔接，带有有限的缓冲。 钢铁 生产是一个多阶段、离散和连续加工方式并存的复杂过程，大部分钢铁调度问题都是 NP难问题。 在炼钢 连铸生产 静态 调度 理论 研究的方法方面， 国内外的学者做了大量的研究工作， 数学规划是主要方法。 文献 [48]对于在安排炼钢 连铸中的时间调度问题，建立了基于准时制调度思想的数学模型 (连续变量 )，经过变换 , 将非线性规划问题转化为线性规划问题，用标准线性规划程序进行求解。 文献 [49]在炼钢 连铸生产工艺的约束条件下，针对多阶段均有并行机的生产环境，建立综合考 虑炉次的设备指派和作业调度的混合整数线性规划模型。 在探讨炉次设备指派规则、缓解资源 冲突的方法的基础上，提出面向实际应用 的启发式算法。 文献 [50]针对各阶段均有并行机的 HFS炼钢 连铸生产调度问题 ,建立了问题的约束满足模型 ,将其归结为最小化操作开工时间偏移的调度问题。 文献 [51]以 最小化 makespan为目标，建立了炼钢 连铸生产调度问题的混合整数规划模型，并基于分解策略确定炉次计划、浇次计划和作业时间表，该文提到仅在第一个生产阶段存在并行机，但给出的求解算法中看不出是如何实现机器分配的。 日本和韩国的钢铁公 司在 解决钢铁调度方面 占据着领先地位。 九十年代初期日本京滨钢铁厂利用 AI 技术，实现了从高炉～炼钢～连铸～热轧的一体化调度系统，它的特征有： (1)需求模拟仿真、过程间负荷的调整的长期预测和关于生产量、交货期、合理化的最优性的评价。 (2)利用 AI 技术进行在线的实时调度和重调度，使作业变动具有一定的灵活性。 (3)作业实绩的高度可视化，同期作业的实现，统一管制中心的设立，一体化最优性的实际绘图机能。 日本加古川钢厂于 1993 年实现了从高炉至热轧的一体化管理，开发管制技术有下述两种： (1)炼钢作业管制：包括炼钢指令的 在线化，以邮件形式把指令书进行 CRT化 (大屏幕显示 )，在线发行；连铸机替换机能，某连铸机发生故障，随时可以替换；在线充当机能，炼钢至切割之间，把不符合原合同的改作后续炉次的板坯。 (2)热轧炉前的管制：包括前工序进展情况的监视，把 HCR 材的炼钢～铸造～切割～输送的状况，自动显示；冷坯在库检索，作为 HCR 周期计划用的活动材、跳跃材的检索；周期计划编制。 日本京滨钢铁厂生产计划调度系统的投入，使钢水等待时间缩短 1/2，年增效益 100 万美元。 韩国浦项钢铁公司的光阳钢铁厂，开发了从铁水处理到轧制成材的一体化管理计 算东北大学硕士学位论文 第一章 绪 论 6 机管理系统，其核心是实时调度和控制，它能根据主生产计划，实时编制详细作业计划，通过在线跟踪系统，掌握实际生产动态，对异常情况及时调整，确保计划顺利进行。 对于炼钢连铸问题，已经有了大量的学术的研究和实际现场的验证，并已经取得了很大的成果， 但是国内外对于炼钢 连铸 /模铸混合调度问题的研究，却很少。 本课题是以国内某大型钢铁企业为研究背景，针对于该企业的特殊模铸工艺存在的特点为研究背景，提出了针对炼钢 连铸 /模铸混合生产加工的特殊工艺情况，提出解决方法。 本文主要工作 本文以钢铁企业 炼钢 连铸 /模铸混合调度生 产过程 为背景，针对炼钢 连铸 /模铸混合调度问题进行了研究，并设计和开发了相应的动态调度系统。 主要研究工作包括： 1) 在调研炼钢调度现场生产工艺流程、进行调度过程描述、分析复杂性基础上，总结了多生产模式炼钢 连铸 /模铸混合生产调度策略； 2) 以多生产模式炼钢 连铸 /模铸混合生产调度策略为依据，提出了连铸 /模铸混合计划分批次调度策略、整半炉次连铸计划调度方法，以及整半炉次连铸与混合浇期模铸计划调度方法，包括半炉次连铸计划启发式编制方法、整炉次连铸计划启发式编制方法、半次连铸计划与混合浇期模铸计划启发式编制方法、整炉次连 铸与混合浇期模铸计划启发式编制方法和连铸 /模铸混合生产调度批次综合方法； 3) 在总结多生产模式连铸 /模铸混合生产调度策略基础上，进行了系统软件设计与开发，包括静态调度 子系统设计思想 、初始化、数据输入 /输出、人机界面、数据处理以及主体算法模块； 4) 应用现场实际数据进行测试，验证了调度整体解决方案、连铸 /模铸混合生产调度策略和调度方法的有效性。 5) 采用 C++语言和 Oracle 10g/MSSQL数据库技术建立了调度系统的算法主体部分，并通过建立动态链接库的方式实现其他程序对算法程度的调用。 6) 通过现场数据的模拟验证，通 过甘特图和表格的方式显示得到仿真测试的结果，可以看出，对于炼钢 连铸 /模铸混合生产计划的编制结果可以达到功能要的要求，并且通过软件的测试，调度的方法可以在比较短的时间内得到满意的结果，实现了炼钢 连铸 /模铸混合生产计划的计划编制。 东北大学硕士学位论文 第 二 章 连铸模铸混合生产炼钢调度过程描述 2 第二章 连铸模铸混合生产炼钢调度过程描述 引言 为了方便讨论和统一对业务对象的理解，特将相关名词总结如下： (1)工位：也称为处理位， 指在 一个处理操作过程 中 ，指一个炉次计划在某个设备上的作业时间范围。 一个炉次整个生产过程中包括多个生产工位。 (2)炉次：一炉铁水 经过转炉冶 炼后，顺序经过精炼过程和连铸过程的一个作业单位 ， 它由多个连续的单元组成 ， 相当于工件 Job。 (3)工序：指炼钢过程的阶段数，一般包括冶炼工序、精炼工序和连铸 /模铸 工序。 一个工序可能包含多个工位，例如一个多重精炼工序包含多个工位，每一重精炼就是一个工位。 (4)路径：一般情况下与炉次对应，指一个炉次中各个单元工位的顺序集合。 (5)浇次：由工艺要求决定的多个炉次顺序构成的集合。 (6)冲突：同一工位上的两个或多个单元在作业时间上的重叠。 (7)处理时间：一个单元的作业时间范围。 (8)传搁时间：工位间的运输、 传递时间。 (9)断浇：一个浇次内在连铸工位上，本应连续浇注的各炉次，出现的分断情况。 (10)炼钢 连铸 /模铸调度计划： 简称调度计划，它指定各作业的执行设备以及在该设备上执行的开始时刻和结束时刻。 它具体明确了某个设备需要顺序完成哪些个炉次计划，在什么时刻开始加工，在什么时刻结束加工；同时也明确了某个炉次计划在多个设备上的加工次序及作业时间。 (11)半炉次计划 ： 已经开始生产，但在浇铸工位还未开始生产的炉次计划； (12)整炉次计划 ： 没有开始生产的炉次计划。 (13)有浇期模铸计划：按照要求， 要 在 规定的时间 ，即在 开浇时间 之前进行浇注生产。 (14)无浇期模铸计划：在保证有浇期模铸计划和连铸计划生产顺利进行的前提下，可以在任意时间生产，但是要兼顾整体生产的优化性。 东北大学硕士学位论文 第 二 章 连铸模铸混合生产炼钢调度过程描述 3 1 L D2 L D3 R H1 C C3 C C3 L D5 R H 15 R H 21 L F2 L FI R _ U T2 C C3 I C2 I C传 输 时 间冗 余 等 待 时 间冲 突一 个 工 序一 个 炉。