考慮鋼水駐留時間期限的煉鋼連鑄生產調度方法

2023-05-23 20:07:31

專利名稱：考慮鋼水駐留時間期限的煉鋼連鑄生產調度方法
技術領域：
本發明涉及一種最後階段為批生產的混合流水車間調度方法，特別是一種考慮鋼水駐留時間期限的煉鋼連鑄生產調度方法，屬於信息技術領域。

背景技術：
煉鋼連鑄是現代鋼鐵生產中的核心工序，整個生產過程對鋼水的溫度和時間都有極高的要求，典型的生產線一般有多臺冶煉設備、精煉設備、澆鑄設備以及相應的生產輔助設備，鋼水一般要經過「冶煉-精煉-澆鑄」這樣三個大的工序鑄造成坯。在煉鋼連鑄生產過程中，鋼水駐留時間是從煉鋼結束到連鑄機開始澆鋼所經過的時間。在鋼水駐留過程中，其溫降包括冶煉到精煉工序之間的運輸和等待過程溫降、精煉過程的總溫降、精煉到連鑄工序之間的運輸和等待過程溫降。鋼水停留時間過長，則鋼水浸泡大包時間延長，既增加耐火材料的消耗又影響鋼水的質量，且必須通過提高出鋼溫度或重新升溫以保證鋼水滿足澆注溫度的要求，甚至可能造成連鑄機的斷流，帶來更大的損失。如果鋼水的駐留時間在其駐留期限以內，則稱鋼水節奏合格；鋼水節奏合格率是衡量經濟生產水平的一個重要指標。
在煉鋼廠，一般由上一級生產計劃系統確定澆次所包含的爐次順序、澆次的計劃開澆時間、澆次對應的連鑄機及在連鑄機上的澆注順序，且要求每個澆次內的爐次連續澆注。煉鋼連鑄生產調度的任務是在煉鋼連鑄區域有限資源的約束下，根據連鑄機的澆鑄要求和後續熱軋的物料需求，確定在何時、在何種設備上以何種順序安排鋼水從冶煉設備(轉爐或電弧爐)到精煉設備的生產，並確定爐次在連鑄機上的開工時間，最後形成煉鋼連鑄生產調度方案的Gantt圖。
本發明所研究的煉鋼連鑄調度問題，可以描述為一種最後階段為批生產的混和flowshop調度問題(HFS)，即要求連鑄階段每個澆次內的爐次嚴格連續澆注。HFS是一個包括設備指派與作業排序為一體的問題，比一般flowshop調度問題要複雜得多，即使是小規模問題其最優求解也比較困難，而較大規模問題最優求解幾乎不可能，該調度問題已被證明是NP-難問題，因此探討此類問題的快速可行近似算法是一個挑戰性的研究課題。唐立新等人在《EuropeanJournal of Operational Research》(歐洲運籌學雜誌)2000，120(2)423-435上撰文「Amathematical programming model for scheduling steelmaking-continuous casting production(煉鋼連鑄生產調度的數學規劃模型)」，該文建立了基於準時制的非線性數學規劃模型來消除粗調度中的設備衝突，該模型的目標函數為最小化斷澆懲罰、爐次的等待懲罰、爐次的提前/拖期懲罰，經過變換可以將此非線性規劃模型轉換為線性規劃模型，進而可以運用標準線性規劃程序進行求解。唐立新等人在《International Journal of Production Research》(國際生產研究)2002，40(1)55-70上撰文「Steel-making Process Scheduling Using Lagrangian Relaxation(基於拉格朗日鬆弛的煉鋼過程調度)」，該文把煉鋼連鑄調度問題描述為整數規劃模型，並採用拉格朗日鬆弛算法來求解，利用次梯度方法來更新拉格朗日乘子，在每一步迭代過程中採用動態規划算法求解拉格朗日鬆弛問題，然後用兩階段啟發式算法將動態規劃求得的解「調整修復」為一個可行調度方案。其它學者也對煉鋼連鑄生產調度進行了研究，但是經文獻檢索發現，目前所有的研究都沒有考慮鋼水的駐留時間期限，得出的調度方案可能會出現部分爐次的鋼水駐留時間過長，不利於企業降本增效目標的實現；而且在實際生產過程中，則需要增加動態調度的次數，不斷地對方案進行修復，影響了生產系統的穩定性。


發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足，提出一種考慮鋼水駐留時間期限的煉鋼連鑄生產調度模型，並利用現代智能優化算法(遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法等)或基於規則的啟發式算法來求解該模型。此種調度方法解決了背景技術中存在的不足，可以在較短的計劃編制時間裡得到比現有各種調度方法更好的煉鋼連鑄生產作業計劃，減少了在線調整次數，降低了能源與材料消耗。
本發明的技術方案如下 設計一種可以在微機上運行的煉鋼連鑄生產調度系統，該系統主要由模型構造和調度方案編制兩個模塊和資料庫系統組成，組成框圖如附圖1所示。
1.模型構造模塊 本發明的煉鋼連鑄生產調度模型考慮了鋼水的駐留時間期限，通過對駐留時間期限內的鋼水駐留時間給予正常懲罰、對超過期限部分則給予較大的懲罰，在各爐次之間平衡等待時間，以提高鋼水節奏合格率。此外，為了加強連鑄與熱軋工序之間的銜接能力，提高熱裝率和熱裝溫度，我們根據批量鋼材的軋制時間，反推算出澆次計劃開澆時間，通過澆次的提前/拖期受限來避免個別澆次偏離計劃時間過長，並通過最小化提前/拖期懲罰來協調連鑄與熱軋間的生產節奏。為了便於本發明數學模型的描述，引入下列符號 n澆次編號，n∈{1，2，…，N}，其中N為澆次總數 i爐次編號，i∈{1，2，…，|Ω|}，其中Ω為爐次集合 j階段編號，j∈{1，2，3}，分別對應冶煉、精煉、連鑄三道工序 mj 階段j的設備編號，mj∈{1，…，Mj} Ωn 澆次n的爐次有序集合，Ωn＝{sn-1+1，sn-1+2，…，sn}(其中s0＝0) pij爐次i在階段j的標準處理時間，pi1為裝入鋼料到倒渣結束的時間，pi2為鋼水的精煉時間，pi3包括鋼包迴轉臺旋轉時間和澆鑄時間 Tn 澆次n的計劃開澆時間，不妨令澆次編號n按Tn升序編號，若計劃開澆時間相等，再按對應連鑄機號升序編號

冶煉設備m1的最早可用時間 TS 連鑄機準備時間

相鄰工序設備之間的標準運輸時間，若存在加工路徑限制，則為一個足夠大的正數 tijH 爐次i在相鄰工序之間的運輸時間，j∈{1，2}對應冶煉到精煉、精煉到連鑄兩種情況 SiTL 爐次i從煉鋼結束到迴轉臺開始旋轉之間的駐留時間期限(sojourn time limit) siE 為爐次i的駐留時間期限提前量 siT 為爐次i的駐留時間期限拖期量 Ci1，Ci4 爐次i在其駐留時間期限內、超過期限的單位懲罰費用 Cn2，Cn3 澆次n開澆時間單位提前/拖期的懲罰費用 U 足夠大的正整數 tij，cij 爐次i在階段j的開工時間和完工時間，且cij＝tij+pij

如果爐次i被指派到階段j(j∈{1，2})的設備mj上，否則

如果在階段j(j∈{1，2})爐次i1先於爐次i2被加工，否則

為連鑄機m3所加工的澆次順序(

為澆次數) tnE 為澆次n開澆提前量， tnT 為澆次n開澆拖期量， 下面給出本發明所考慮的煉鋼連鑄生產調度問題的數學模型 [P1] s.t.j∈{1，2} (2) j∈{1，2}，mj∈{1，…，Mj}(3) j∈{1，2}，mj∈{1，…，Mj}(4) m1∈{1，…，M1}(5) ti+1，3＝ci3， j∈{1，2}(10) j∈{1，2}，mj∈{1，…，Mj}(11) j∈{1，2}(12) 目標函數(1)為最小化鋼水駐留懲罰和澆次開澆提前/拖期懲罰；約束(2)表示每一個爐次在冶煉、精煉階段只能被一臺設備加工；約束(3)表示在冶煉、精煉階段的同一設備上，前一爐次加工完下一爐次才能開始加工；約束(4)表示同一爐次前一階段加工完並運達下一階段對應設備後才能開始加工；約束(5)表示冶煉階段爐次的開工時間不小於設備的最早可用時間；約束(6)表示同一臺連鑄機上的相鄰澆次之間需要一定的間隔時間，以更換中間包、結晶器，調整設備；約束(7)表示每個澆次內嚴格連續澆注，即要求前一爐次澆完之前，下一爐次已到達鋼包迴轉臺；約束(8)表示澆次n的開澆提前量與開澆拖期量之間的關係；約束(9)表示爐次的駐留時間期限提前量與拖期量之間的關係；約束(10)-(13)為變量取值約束。
2.調度方案編制模塊 煉鋼連鑄生產調度方案編制模塊對模型構造模塊所建立的數學模型進行求解。由於模型[P1]是0-1型混合整數線性規劃模型，已被證明是NP-難問題，因此，本發明利用單親遺傳算法來求解該模型，採用一種新的染色體編碼來表示爐次設備指派與爐次在設備上的加工順序方案，並以該方案對應拉格朗日鬆弛模型的目標函數值的倒數作為染色體的適應度值。針對該編碼方法，設計了相應的遺傳操作，並提出了一種基於問題特徵的種群初始化策略。
(1)染色體編碼 針對煉鋼連鑄調度問題的特點，設計了一種整數編碼方法。令數組表示階段j上的設備mj所加工的爐次順序，並記(

為加工爐次數)。根據這些加工順序我們可以構造染色體，染色體由M1+M2個小段組成，每個小段由

中的爐次順序組成，同工序的小段之間用標識符「0」隔開，表示在不同的設備上加工，因此染色體的長度為2|Ω|+M1+M2-2，可以表示為 但是，形如公式(14)所示的染色體編碼，不利於交叉操作和變異操作，因此我們通過索引來標識設備mj最後加工的爐次在編碼序列中的位置，進而將染色體表示為 (2)初始種群的生成 確定爐次設備指派及其加工順序方案的基本思想根據煉鋼連鑄調度問題的特點，使產生的方案儘量滿足煉鋼連鑄的時間約束。基於這種思想，給出了初始種群的生成步驟 ①假設所有爐次在相鄰工序之間的運輸時間均為最小運輸時間在澆次n均按照預定開澆時間Tn準時開澆並保證嚴格連續澆注、工序之間無等待的理想狀況下，由連鑄倒推，計算出各爐次在冶煉、精煉工序的理想開工時間(i∈Ωn，j∈{1，2})。
②對於階段j，爐次按tij*升序排列得到爐次順序heat_listj(j∈{1，2})。
③對於冶煉階段，設備按最早可用時間

升序排列得到設備順序device_list1，而對於精煉階段，按設備的累積負荷升序排列得到device_list2。
④對於階段j，將爐次指派給該工序上的設備並產生加工順序按順序依次取heat_listj中的Mj個爐次，隨機指派(一對一)給device_listj中的Mj個設備，直到所有爐次指派完畢，或剩餘爐次R小於Mj，一對一指派給device_listj中的前R個設備；由於先分配的爐次優先加工，可以確定設備mj所加工的爐次順序

根據染色體編碼方法，由該爐次設備指派及其加工順序方案可以產生一個染色體。
⑤重複步驟4，直到生成初始種群為止。
(3)適應度值計算 對於給定的染色體編碼序列，模型[P1]的指派變量

順序變量

爐次運輸時間tijH被唯一確定，且確定了設備mj所加工的爐次順序 (其中) (16) 設備mj所加工的爐次數為 此時約束(3)-(5)可以表示為 j∈{1，2}(18) 因此，對於給定染色體，模型[P1]可以表示為 [P2] s.t.(17)，(18)，(6)，(7)，(8)，(9)，(13)，(19) 模型[P2]為線性規劃模型，容易求解。但是，對於一般的染色體編碼序列，難於滿足約束(13)，對應的模型[P2]沒有可行解。基於拉格朗日鬆弛法的思想，將這個約束條件吸收到目標函數中，並使得目標函數保持線性。因此，引入下列符號 enE為澆次n在開澆提前期限的提前量，單位懲罰費用為Cn5(較大) enT為澆次n在開澆提前期限的拖期量，單位獎勵費用為Cn2 dnE為澆次n在開澆拖期期限的提前量，單位獎勵費用為Cn3 dnT為澆次n在開澆拖期期限的拖期量，單位懲罰費用為Cn6(較大)模型[P2]的拉格朗日鬆弛模型可以表示為 [P3] s.t. (17)，(18)，(6)，(7)，(8)，(9)，(19) 由於模型[P3]為目標函數最小化的線性規劃模型，且其目標函數值為非負數，所以將模型的目標函數值的倒數作為該染色體的適應度值。
(4)交叉操作 形如公式(15)所示的染色體編碼方法，不同於以往的編碼方法，因此，我們有針對性地設計了一種單親交叉操作。交叉操作的步驟如下 ①隨機生成屬於區間[1，2]的整數j，計算階段j設備的平均加工爐次數(函數round(x)表示對實數x四捨五入)。
②隨機生成屬於區間

的整數p1，然後確定位置p1的爐次對應的加工設備mj； ③令若滿足條件p2＞|Ω|或條件且返回步驟2。
④令 ⑤對


中的爐次，按照tij*升序重新排列，進而得到交叉個體。
(5)變異操作 變異操作採用單親換位操作，其步驟如下 ①隨機生成屬於區間[1，2]的整數j，從Mj個設備中隨機挑選兩個不同的設備並記為d1，d2。
②從設備d1，d2所加工的爐次順序中分別選擇一個爐次，然後交換這兩個爐次的位置。
③對


中的爐次，按照tij*升序重新排列，進而得到變異個體。
3.資料庫系統 資料庫系統為模型構造模塊與調度方案編制模塊提供數據支持。在進行調度方案編制過程中需要用到以下兩種數據第一種是從上一級生產計劃系統接收生產合同計劃與物料計劃，例如澆次包含的爐次順序、澆次對應的連鑄機及在連鑄機上的澆注順序、澆次的計劃開澆時間等；第二種是一些相對靜態的數據，例如冶煉、精煉、連鑄各工序的標準處理時間、大包在各設備之間的運輸時間、設備狀態數據、爐次相關數據、工藝約束的參數等。



圖1為煉鋼連鑄生產調度系統組成框圖；圖2為某大型轉爐鋼廠生產工藝流程圖，其中LD、Ar、LF、CC分別表示LD轉爐、吹氬站、LF精煉爐、連鑄機；圖3為煉鋼連鑄生產調度Gantt圖。

具體實施例方式 下面結合技術方案和

本發明的具體實施例。
以某大型轉爐鋼廠的實際生產數據為例，其生產工藝流程如圖2所示。在本實施例中，將吹氬處理時間合併到LD到LF的運輸時間裡面。針對四個澆次，分別包含10、11、12、11個爐次的數據進行計算。遺傳算法的參數如下種群大小為40，保留2個適應度值最佳的子輩，交叉概率為0.8，算法結束準則為連續迭代100代或連續10代沒有改進。在CPU為T5600(1.83G)、RAM為2G的筆記本上運行，平均計算時間為55.6秒，說明了算法的計算效率能夠滿足實際生產調度的要求。最後，圖3給出的是煉鋼連鑄生產調度Gantt圖，各爐次的等待時間(陰影部分)比較均衡，說明了本發明的方法能夠有效地提高鋼水節奏合格率。
權利要求
1.一種考慮鋼水駐留時間期限的煉鋼連鑄生產調度方法，其特徵在於給出一種考慮鋼水駐留時間期限的煉鋼連鑄生產調度模型，並利用現代智能優化算法(遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法等)或基於規則的啟發式算法來求解該模型。
2.根據權利要求1所述一種考慮鋼水駐留時間期限的煉鋼連鑄生產調度方法，其特徵在於模型考慮了鋼水的駐留時間期限，目標函數通過對駐留時間期限內的鋼水駐留時間給予正常懲罰、對超過期限部分給予較大的懲罰，來平衡各爐次的等待時間，以提高鋼水節奏合格率；目標函數通過最小化提前/拖期懲罰來協調連鑄與熱軋間的生產節奏；模型中將嚴格連續澆注作為等式約束，以避免出現斷澆。
3.根據權利要求1所述一種考慮鋼水駐留時間期限的煉鋼連鑄生產調度方法，其特徵在於利用單親遺傳算法求解煉鋼連鑄生產調度模型，採用一種新的染色體編碼來表示爐次設備指派與爐次在設備上的加工順序方案，給出了一種基於問題特性的種群初始化策略；針對該編碼方法，設計了一種有效的交叉、變異操作。
4.根據權利要求1或3所述一種考慮鋼水駐留時間期限的煉鋼連鑄生產調度方法，其特徵在於給定染色體編碼序列，通過求解對應拉格朗日鬆弛模型，確定爐次的開工時間，並將目標函數值的倒數作為染色體的適應度值。
全文摘要
一種考慮鋼水駐留時間期限的煉鋼連鑄生產調度方法，屬於信息技術領域，涉及到數學模型構造和求解算法在調度方案編制中的應用。其特徵是由模型構造模塊、調度方案編制模塊和資料庫系統組成。在模型構造過程中，考慮了煉鋼連鑄生產工藝約束，特別是考慮了鋼水駐留時間期限，通過對駐留時間期限內的鋼水駐留時間給予正常懲罰、對超過期限部分給予較大的懲罰，來平衡各爐次的等待時間，以提高鋼水節奏合格率。本發明解決了背景技術中存在的問題，採用提出的單親遺傳算法可以得到比現有各種調度方法更好的煉鋼連鑄生產作業計劃，減少了在線調整次數，降低了能源與材料消耗，可應用於鋼鐵企業煉鋼連鑄生產調度系統。
文檔編號G06Q10/00GK101339634SQ20081012559
公開日2009年1月7日 申請日期2008年6月18日 優先權日2008年6月18日
發明者蘇志雄 申請人:蘇志雄