在全球制造業(yè)以信息化促進(jìn)工業(yè)化發(fā)展的背景下,作為我國重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的鋼鐵工業(yè)發(fā)展智能制造技術(shù),對鋼鐵生產(chǎn)過程實(shí)施有效的運(yùn)行控制,將成為鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)“降本增效”、提升核心競爭力的重要手段之一。在訂單驅(qū)動(dòng)的鋼鐵制造模式下,計(jì)劃調(diào)度是鋼鐵制造流程協(xié)調(diào)運(yùn)行控制的核心技術(shù)手段。隨著鋼鐵企業(yè)信息管理系統(tǒng)的實(shí)施與應(yīng)用,面向鋼鐵制造流程的計(jì)劃調(diào)度問題得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注,相關(guān)研究也取得了階段性的進(jìn)展。然而,從相關(guān)計(jì)劃調(diào)度系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用效果來看,理論研究成果與現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)需求之間仍然存在較大的差距。本文以煉鋼廠生產(chǎn)流程為對象,旨在探索一套具有較強(qiáng)靈活性和適應(yīng)性的煉鋼廠生產(chǎn)實(shí)時(shí)調(diào)度建模及優(yōu)化方法,從而能夠在動(dòng)態(tài)生產(chǎn)環(huán)境中編制可行且有效的煉鋼廠生產(chǎn)調(diào)度方案,以實(shí)時(shí)優(yōu)化煉鋼廠生產(chǎn)物流的運(yùn)行,指導(dǎo)生產(chǎn)組織的決策優(yōu)化。主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下:基于冶金流程工程學(xué)理論,通過剖析鋼鐵制造流程中工序及整體的運(yùn)行特征,從有利于流程整體協(xié)同運(yùn)行的視角出發(fā)提出了一種將煉鋼廠生產(chǎn)實(shí)時(shí)調(diào)度分解為包含連鑄機(jī)組澆與開澆時(shí)間決策、調(diào)度計(jì)劃優(yōu)化排程和擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)調(diào)度的調(diào)度新模式:即首先在綜合考慮鐵水供應(yīng)條件、軋制交貨期與連鑄機(jī)生產(chǎn)組織特征的前提下確定連鑄機(jī)上澆次的爐次選擇和排序以及澆次的開澆時(shí)間;在此基礎(chǔ)上,以爐次為基本調(diào)度單元,實(shí)現(xiàn)爐次在煉鋼廠生產(chǎn)流程中的加工設(shè)備以及爐次在設(shè)備上的開始加工時(shí)間和結(jié)束加工時(shí)間的最優(yōu)決策,獲得的調(diào)度計(jì)劃用于指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)的組織安排;考慮調(diào)度計(jì)劃執(zhí)行過程中可能會(huì)因?yàn)殡S機(jī)擾動(dòng)事件的發(fā)生而難以繼續(xù)實(shí)施,因此擾動(dòng)發(fā)生時(shí)需要依據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)度信息對其進(jìn)行修改或重新編制,以保證生產(chǎn)穩(wěn)定、連續(xù)的進(jìn)行。針對連鑄機(jī)組澆與開澆時(shí)間決策問題提出了一種基于變鄰域搜索(VNS)的分層建模及優(yōu)化求解算法。算法通過編碼確定每個(gè)連鑄機(jī)的澆次數(shù)量及每個(gè)澆次的爐次數(shù)量,并設(shè)計(jì)了5個(gè)鄰域結(jié)構(gòu)進(jìn)行解的迭代尋優(yōu)。解碼過程分解為組澆決策和開澆時(shí)間決策2個(gè)子問題。借鑒帶獎(jiǎng)金收集的多旅行商問題的建模方法構(gòu)建了組澆決策問題的混合整數(shù)規(guī)劃模型,并設(shè)計(jì)了一種VNS優(yōu)化求解算法。借鑒并行機(jī)調(diào)度問題的建模方法構(gòu)建了開澆時(shí)間決策問題的混合整數(shù)規(guī)劃模型,并通過設(shè)計(jì)6個(gè)有效不等式加入模型然后采用直接調(diào)用CPLEX完成模型的求解。最后,對模型和算法進(jìn)行了應(yīng)用案例和性能分析實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明組澆與開澆時(shí)間決策模型具有較強(qiáng)的靈活性,能依據(jù)不同的工藝條件和數(shù)據(jù)獲得滿足所有工藝約束的決策方案,并且算法具有較強(qiáng)的優(yōu)化性能,能在短時(shí)間內(nèi)獲得近優(yōu)解。從滿足現(xiàn)代煉鋼廠同時(shí)冶煉不同鋼種的生產(chǎn)任務(wù)需求以及提高調(diào)度決策的柔性出發(fā),對帶工序跳躍與加工時(shí)間可控特征的煉鋼廠調(diào)度計(jì)劃優(yōu)化排程(SCCSA調(diào)度)問題進(jìn)行了研究。通過歸納和抽象與工序跳躍和加工時(shí)間可控特征相關(guān)的優(yōu)化目標(biāo)和工藝約束,構(gòu)建了一個(gè)新的煉鋼廠調(diào)度計(jì)劃優(yōu)化排程模型。為了實(shí)現(xiàn)模型的優(yōu)化求解,設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的遺傳算法,其特征如下:(1)通過對比分析常用于求解混合流水車間調(diào)度問題的4種編碼方法、2種選擇算子和3種交叉算子的性能,獲得了用于求解SCCSA調(diào)度問題的最優(yōu)組合;(2)設(shè)計(jì)了一種質(zhì)量提升算法并嵌入遺傳算法中以進(jìn)一步提升每一個(gè)由解碼啟發(fā)式算法獲得的解的質(zhì)量;(3)設(shè)計(jì)了一種新的精英保留策略和重新初始化策略來提升遺傳算法的局部尋優(yōu)能力和避免早熟收斂能力。利用生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了應(yīng)用案例測試,結(jié)果表明SCCSA調(diào)度模型實(shí)現(xiàn)了具有工序跳躍和加工時(shí)間可控特征的煉鋼廠調(diào)度計(jì)劃編制。另外,算法性能分析實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了質(zhì)量提升算法和改進(jìn)的進(jìn)化策略在求解SCCSA調(diào)度問題上的有效性。針對擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)調(diào)度問題,提出了調(diào)度計(jì)劃執(zhí)行過程中不確定性因素的標(biāo)準(zhǔn)化處理方法,即將影響調(diào)度計(jì)劃執(zhí)行的因素分為4類擾動(dòng),然后通過擾動(dòng)組合的方式表示任意一種不確定性事件對調(diào)度計(jì)劃執(zhí)行造成的影響。為了實(shí)現(xiàn)煉鋼廠生產(chǎn)調(diào)度的實(shí)時(shí)優(yōu)化決策,結(jié)合連鑄機(jī)組澆與開澆時(shí)間決策和調(diào)度計(jì)劃優(yōu)化排程的研究成果,設(shè)計(jì)了一個(gè)周期滾動(dòng)模式下的預(yù)測-反應(yīng)式調(diào)度策略。擾動(dòng)下的重調(diào)度技術(shù)是該動(dòng)態(tài)調(diào)度策略中的關(guān)鍵技術(shù)。鑒于此,針對擾動(dòng)下的重調(diào)度問題建立了數(shù)學(xué)規(guī)劃模型,并提出了一種分層重調(diào)度方法以保證重調(diào)度的實(shí)時(shí)性和優(yōu)化性。分層重調(diào)度方法包含局部重調(diào)度和已開始加工澆次內(nèi)爐次的重調(diào)度兩部分,其中針對局部重調(diào)度設(shè)計(jì)了調(diào)度分配規(guī)則從而為所有正在流程中加工的爐次確定其下一個(gè)操作的加工設(shè)備及其在設(shè)備上的加工時(shí)間,而針對已開始加工澆次內(nèi)爐次的重調(diào)度則設(shè)計(jì)了融合遺傳算法和局部搜索的混合優(yōu)化算法進(jìn)行求解。以調(diào)度計(jì)劃優(yōu)化排程模型應(yīng)用案例實(shí)驗(yàn)中獲得的調(diào)度計(jì)劃為計(jì)劃期內(nèi)執(zhí)行的初始調(diào)度計(jì)劃,然后通過設(shè)置生產(chǎn)擾動(dòng)的方式進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明動(dòng)態(tài)調(diào)度模型和算法能根據(jù)擾動(dòng)的類別,有效的制定出各類擾動(dòng)下可執(zhí)行的重調(diào)度計(jì)劃。另外,對融合遺傳算法和局部搜索的混合優(yōu)化算法進(jìn)行了算法性能分析實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明依據(jù)連鑄機(jī)的連澆特性針對不可行解和可行解分別設(shè)計(jì)簡單有效的局部搜索鄰域結(jié)構(gòu),并將其融合至遺傳算法的進(jìn)化流程中對求解擾動(dòng)下的重調(diào)度問題非常有效。最后,在上述模型和算法研究成果的基礎(chǔ)上,針對攀鋼提釩煉鋼廠生產(chǎn)流程設(shè)計(jì)并開發(fā)了生產(chǎn)實(shí)時(shí)調(diào)度原型系統(tǒng)。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)接口模塊、流程構(gòu)建模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模塊、物流跟蹤模塊、組澆與開澆時(shí)間決策模塊、調(diào)度計(jì)劃優(yōu)化排程模塊、重調(diào)度模塊、計(jì)劃仿真顯示模塊、計(jì)劃評價(jià)模塊和人機(jī)交互模塊組成。系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)接口與煉鋼廠的MES系統(tǒng)相銜接,實(shí)現(xiàn)模型輸入數(shù)據(jù)與模型決策結(jié)果的接收與傳遞。利用攀鋼提釩煉鋼廠生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)的應(yīng)用測試,結(jié)果表明系統(tǒng)決策在降低澆次內(nèi)爐次的連澆成本、縮短煉鋼廠生產(chǎn)全流程物流時(shí)間以及維持爐次加工時(shí)間穩(wěn)定性等方面優(yōu)于人工決策。綜上所述,基于提出的煉鋼廠生產(chǎn)實(shí)時(shí)調(diào)度新模式,本文所建立的連鑄機(jī)組澆與開澆時(shí)間決策模型、調(diào)度計(jì)劃優(yōu)化排程模型和擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)調(diào)度模型為煉鋼廠生產(chǎn)物流運(yùn)行的實(shí)時(shí)優(yōu)化決策提供了新的技術(shù)手段;所開發(fā)的實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)為煉鋼廠的生產(chǎn)組織安排提供了一個(gè)科學(xué)有效的輔助決策工具。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TF758
【部分圖文】：

圖 1.10 煉鋼 MES 系統(tǒng)案例 1 的操作界面Fig.1.10 The interface of the MES system applied in the steel plant 12）煉鋼 MES 系統(tǒng)案例 2該煉鋼廠在人工確定各臺(tái)連鑄機(jī)的開澆時(shí)間后，利用專家系統(tǒng)自動(dòng)倒推計(jì)算次的轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)間以及確定其在精煉工序內(nèi)的加工設(shè)備。然而，爐次在精煉上的開始作業(yè)時(shí)間和結(jié)束作業(yè)時(shí)間在調(diào)度計(jì)劃編制過程中不進(jìn)行決策，而是際執(zhí)行時(shí)由調(diào)度人員基于實(shí)時(shí)場景靈活進(jìn)行推算。圖 1.11 為該煉鋼廠 MES 系操作界面。

圖 1.10 煉鋼 MES 系統(tǒng)案例 1 的操作界面Fig.1.10 The interface of the MES system applied in the steel plant 12）煉鋼 MES 系統(tǒng)案例 2該煉鋼廠在人工確定各臺(tái)連鑄機(jī)的開澆時(shí)間后，利用專家系統(tǒng)自動(dòng)倒推計(jì)算次的轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)間以及確定其在精煉工序內(nèi)的加工設(shè)備。然而，爐次在精煉上的開始作業(yè)時(shí)間和結(jié)束作業(yè)時(shí)間在調(diào)度計(jì)劃編制過程中不進(jìn)行決策，而是際執(zhí)行時(shí)由調(diào)度人員基于實(shí)時(shí)場景靈活進(jìn)行推算。圖 1.11 為該煉鋼廠 MES 系操作界面。

圖 1.12 煉鋼 MES 系統(tǒng)案例 3 的操作界面Fig. 1.12 The interface of the MES system applied in the steel plant 33）煉鋼 MES 系統(tǒng)案例 3該煉鋼廠生產(chǎn)全流程物流走向十分復(fù)雜，分為鐵水預(yù)處理區(qū)域和煉鋼— 2 部分。目前，該煉鋼廠 MES 系統(tǒng)只能在人工確定連鑄機(jī)開澆時(shí)間的基礎(chǔ)煉鋼—連鑄區(qū)域的調(diào)度計(jì)劃，鐵水預(yù)處理區(qū)域由調(diào)度員根據(jù)轉(zhuǎn)爐需求進(jìn)度。另外，煉鋼—連鑄區(qū)域的調(diào)度系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)度能力非常有限，無法下的調(diào)度計(jì)劃調(diào)整或重新編制。圖 1.12 為該煉鋼廠 MES 系統(tǒng)的操作界面

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