本發(fā)明涉及加熱爐優(yōu)化，具體地，涉及一種基于數(shù)字孿生技術的加熱爐物流優(yōu)化系統(tǒng)。

背景技術：

1、加熱爐是鋼鐵生產(chǎn)的高耗能設備之一，節(jié)能減排是該設備生產(chǎn)的重要目標?，F(xiàn)有技術通常以減少加熱爐能耗為目標,考慮板坯加熱時長，下游熱軋軋制節(jié)奏等工藝約束，設計調(diào)度方法進行求解，但缺少考慮加熱爐工作過程中產(chǎn)生的動作對加熱爐調(diào)度結(jié)果的影響，以及缺少實際生產(chǎn)過程結(jié)果對調(diào)度算法參數(shù)優(yōu)化的作用。

2、申請?zhí)枮閏n201911175482.3的中國發(fā)明專利公開了考慮加熱爐連續(xù)性加工的混合生產(chǎn)車間節(jié)能調(diào)度方法,以節(jié)能生產(chǎn)為調(diào)度目標,考慮加熱爐不同加工階段，并將該調(diào)度問題轉(zhuǎn)化為混合車間調(diào)度問題進行求解，但是缺乏考慮設備運行過程的動作對調(diào)度結(jié)果的影響，以及缺乏實際生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)對調(diào)度算法參數(shù)優(yōu)化的作用。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術中的缺陷，本發(fā)明提供一種基于數(shù)字孿生技術的加熱爐物流優(yōu)化系統(tǒng)。

2、根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于數(shù)字孿生技術的加熱爐物流優(yōu)化系統(tǒng)，包括：板坯出爐排序與裝爐指派模塊和數(shù)字孿生模塊；

3、所述板坯出爐排序與裝爐指派模塊包括板坯出爐順序優(yōu)化算法和局部搜索算法，所述數(shù)字孿生模塊包括虛擬仿真模型；

4、所述板坯出爐順序優(yōu)化算法考慮板坯寬度與厚度跳躍懲罰，求解板坯出爐序列；所述局部搜索算法以最小化加熱爐能耗為目標，對裝爐指派方案進行編碼，并將裝爐指派方案傳遞至數(shù)字孿生模塊的虛擬仿真模型進行模擬，虛擬仿真將模擬得到的目標函數(shù)值傳遞會局部搜索算法進行評估，通過多次迭代獲取最優(yōu)調(diào)度方案。

5、優(yōu)選的，所述數(shù)字孿生模塊還包括物理實體和數(shù)據(jù)空間；

6、所述物理實體為加熱爐工序相關的設備與部件；所述虛擬仿真模型為物理實體的映射，用于模擬加熱爐內(nèi)板坯的物流過程；

7、所述虛擬仿真模型與局部搜索算法結(jié)合求解出加熱爐完整調(diào)度方案，以及將求解得到的加熱爐完整調(diào)度方案傳遞至物理實體；

8、所述數(shù)據(jù)空間用于存放物理實體與虛擬仿真模型的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)融合與處理反饋到虛擬仿真模型、物理實體和板坯出爐排序與裝爐指派模塊，實現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化。

9、優(yōu)選的，所述虛擬仿真模型為鋼坯在加熱爐中的每個狀態(tài)定義五種屬性：發(fā)生時間、加熱爐編號、板坯編號、事件類型與事件狀態(tài)；

10、其中，事件類型包括推鋼、步進和抽鋼，所述推鋼為將鋼坯從上料輥運至某一加熱爐中，所述步進為鋼坯在加熱爐中朝出料口方向推動，所述抽鋼為將鋼坯從加熱爐的出料口運輸至出料輥道；

11、事件狀態(tài)包含開始與結(jié)束兩種。

12、優(yōu)選的，所述事件類型的處理優(yōu)先級為：

13、基于事件發(fā)生時間的最小堆生成事件處理順序的未來事件表；

14、對于發(fā)生時間更小的事件具備更高的優(yōu)先級；

15、若兩事件發(fā)生時間相同，且均為同一爐內(nèi)發(fā)生的推鋼開始事件，則調(diào)度結(jié)果裝爐序列中靠前的板坯對應的推鋼開始事件具備更高的優(yōu)先級；

16、若兩事件發(fā)生時間相同，且均為同一爐內(nèi)發(fā)生的抽鋼開始事件，則先入爐的板坯對應的抽鋼開始事件具備更高的優(yōu)先級。

17、優(yōu)選的，在加熱爐中板坯物流優(yōu)化的過程分為兩個階段，第一階段決策板坯出爐序列，第二階段決策板坯裝爐指派方案以及出入爐時間；

18、加熱爐物流優(yōu)化兩階段方法的輸入包括加熱爐信息、板坯信息和生產(chǎn)工藝約束，第一階段將板坯出爐順序優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為非對稱旅行商問題，設計板坯出爐順序優(yōu)化方法；第二階段將局部搜索與仿真模型結(jié)合進行求解，根據(jù)第一階段求解得到的板坯出爐序列，獲取板坯的裝爐指派方案以及實際出入爐時間。

19、優(yōu)選的，所述第一階段中板坯出路順序優(yōu)化方法包括：

20、將目標函數(shù)設置為最小化熱軋序列板坯寬度與厚度跳躍之和，計算方式如下所示：

21、

22、其中δ為目標函數(shù)值，即寬度跳躍與厚度跳躍加權(quán)求和值，s為板坯集合，pw與pt分別為寬度跳躍懲罰系數(shù)與厚度跳躍懲罰系數(shù)，與分別為相鄰的板坯i和板坯j的寬度跳躍值與厚度跳躍值，板坯i的寬度與厚度分別為widthi與thicknessi，與的計算方式如下所示：

23、

24、首先進行問題預處理，將板坯出爐排序問題轉(zhuǎn)化為atsp問題，其次生成初始排序并求解初始排序的目標函數(shù)值，之后進行鄰域搜索生成新的排序，評估新排序的目標函數(shù)值并更新最優(yōu)排序，最后，重復上述過程，直到達到算法終止的條件，輸出搜索得到的最優(yōu)排序，作為板坯出爐序列。

25、優(yōu)選的，所述第二階段中通過局部搜索用于決策板坯的裝爐分配方案，通過虛擬仿真模型獲取板坯裝爐與出爐時間；

26、所述局部搜索的編碼采用實數(shù)編碼，板坯按照出爐順序排列，不同位置的數(shù)值代表每個板坯選擇的加熱爐；

27、通過當前編碼、熱軋相關參數(shù)、板坯參數(shù)計算每塊板坯的裝爐時間，得到每塊板坯裝爐出爐時間以及加熱爐動作發(fā)生的時間等信息，從而獲取完整的調(diào)度方案。

28、優(yōu)選的，設軋制周期為tr，第一塊出爐板坯到達出料輥道參考位置的時間為t1，則第i塊板坯到達出料輥道參考位置的時間ti為

29、ti＝t1+i·tr

30、假設第i塊板坯被分配到第j個加熱爐內(nèi)，出料輥道參考位置為x0，第j個加熱爐的中軸線位置為xj，加熱爐寬度為wi，第i塊板坯的長度為li，則第i塊板坯的出爐行進距離li為

31、

32、設出料輥道運行速度為v，則第i塊板坯的虛擬出爐時間為

33、

34、設加熱爐推鋼入爐時長為tc，抽鋼出爐時長為te，第i塊板坯的標準加熱時長為則第i塊板坯的虛擬入爐時間為

35、

36、根據(jù)同一加熱爐相鄰兩塊的板坯裝爐時間間隔不小于加熱爐的推鋼入爐時長進行校正，得到所有板坯的裝爐時間。

37、優(yōu)選的，將板坯的裝爐指派方案與裝爐時間作為虛擬仿真模型的輸入，虛擬仿真模型首先根據(jù)當前編碼對應的板坯指派方案與計算得到的板坯裝爐時間初始化未來事件表，之后不斷從未來事件表中選擇并處理事件，并根據(jù)事件處理的結(jié)果更新未來時間表，直到所有事件都處理完畢，模擬所有板坯加熱時的物流過程以及加熱爐動作執(zhí)行的時間，從而獲取完整調(diào)度方案；

38、得到完整調(diào)度方案后，可計算出當前編碼對應的目標函數(shù)值，通過與當前最優(yōu)目標函數(shù)值比較，決定是否更新最優(yōu)解；

39、通過鄰域移動獲取新的編碼，每次獲取新的編碼后，都通過仿真模型獲取新的目標函數(shù)值，重復上述過程，直到迭代結(jié)束，輸出當前最優(yōu)加熱爐調(diào)度方案。

40、根據(jù)本發(fā)明提供的一種加熱爐，包括所述的基于數(shù)字孿生技術的加熱爐物流優(yōu)化系統(tǒng)。

41、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

42、1、本發(fā)明的技術方案解決了現(xiàn)有技術中加熱爐調(diào)度方案與實際生產(chǎn)執(zhí)行方案差距較大的問題，基于加熱爐工作機制，針對加熱爐生產(chǎn)過程多機并行、多溫度板坯并存、在爐時間受限、與下游熱軋工序關聯(lián)度高等特點，提出了基于數(shù)字孿生技術的加熱爐物流優(yōu)化方法，求解板坯裝爐指派方案與出入爐時間，為實現(xiàn)加熱爐降低能耗提供有力支撐。

43、2、本發(fā)明設計局部搜索與虛擬仿真模型相結(jié)合的加熱爐調(diào)度算法，能夠提升加熱爐工作效率，降低加熱爐能耗。

44、本發(fā)明的其他有益效果，將在具體實施方式中通過具體技術特征和技術方案的介紹來闡述，本領域技術人員通過這些技術特征和技術方案的介紹，應能理解所述技術特征和技術方案帶來的有益技術效果。