煉鋼廠考慮鐵水供應(yīng)條件的多目標(biāo)調(diào)度計(jì)劃編制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及冶金控制技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種煉鋼廠考慮鐵水供應(yīng)時間及鐵水資 源利用的多目標(biāo)調(diào)度計(jì)劃編制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋼鐵由于資源豐富、成本相對低廉、材料性能優(yōu)越、易于加工且便于循環(huán)利用而成 為最重要的工業(yè)原料。鋼鐵工業(yè)是汽車工業(yè)、建筑工業(yè)、輪船制造工業(yè)等眾多工業(yè)的基礎(chǔ)。
[0003] 生產(chǎn)調(diào)度是眾多生產(chǎn)制造系統(tǒng)中重要的決策過程。煉鋼廠作為鋼鐵制造流程中的 瓶頸工序，其調(diào)度是決定爐次什么時間W哪種順序在生產(chǎn)流程中的哪個設(shè)備上進(jìn)行加工。 煉鋼廠優(yōu)化的調(diào)度方案能夠帶來諸多效益，如節(jié)約成本，提高客戶滿意度，降低能耗等。
[0004] 現(xiàn)有煉鋼廠生產(chǎn)流程主要包含4個生產(chǎn)環(huán)節(jié):鐵水預(yù)處理、煉鋼、精煉和連鑄。煉鋼 環(huán)節(jié)與連鑄環(huán)節(jié)一般各自包含一個并行機(jī)組，而鐵水預(yù)處理環(huán)節(jié)和精煉環(huán)節(jié)一般可包含多 個并行機(jī)組，W實(shí)現(xiàn)不同的工藝要求。一般性的煉鋼廠生產(chǎn)過程為:從高爐運(yùn)來的高溫鐵水 經(jīng)鐵水預(yù)處理工序后兌入轉(zhuǎn)爐冶煉成鋼水，鋼水倒入轉(zhuǎn)爐下臺車上的鋼包內(nèi)，通過天車和 臺車的運(yùn)輸作業(yè)，把鋼水包運(yùn)送至精煉環(huán)節(jié)，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求依次在不同的精煉設(shè)備上 精煉鋼水，精煉完成后，再通過天車和臺車，把鋼水包運(yùn)送至連鑄并實(shí)施誘鑄，形成鑄巧。
[0005] 關(guān)于鋼廠生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化問題的研究已成為近年來的研究熱點(diǎn)。目前已發(fā)表的論 文，如陳立等在《融合約束滿足和遺傳優(yōu)化的煉鋼連鑄生產(chǎn)調(diào)度》中提出一種約束滿足技術(shù) 與遺傳優(yōu)化相結(jié)合的煉鋼調(diào)度計(jì)劃編制算法，首先利用基于邏輯的Benders分解法簡化原 問題，然后利用約束滿足技術(shù)確保求得可行解，最后采用遺傳算法的迭代進(jìn)化完成所求解 的收斂。但其約束優(yōu)化模型假設(shè)鐵水供應(yīng)充足，與實(shí)際生產(chǎn)情況仍然存在一定的差異。實(shí)際 過程中，鐵水的成分和供應(yīng)時間會受到高爐及運(yùn)輸過程的影響。模型不考慮鐵水的供應(yīng)條 件，會導(dǎo)致調(diào)度計(jì)劃的鐵水需求與實(shí)際供應(yīng)不匹配，從而導(dǎo)致調(diào)度計(jì)劃的可執(zhí)行度降低。鋼 廠調(diào)度問題是一個多目標(biāo)優(yōu)化問題，如Tang等在《Steelmaking process schedul ing using lagrangian relaxation》中W最小化鑄機(jī)斷誘懲罰，爐次等待時間懲罰和爐次工期 提前時間或延遲時間懲罰為目標(biāo)建立了多目標(biāo)調(diào)度模型；Mao等在《A novel Lagrangian relaxation approach for a hybrid flowshop scheduling problem in the steelmaking-continuous casting process》中W最小化爐次等待時間懲罰和爐次工期提 前時間或延遲時間懲罰為目標(biāo)建立了多目標(biāo)調(diào)度模型，而將鑄機(jī)連誘作為模型約束。運(yùn)些 多目標(biāo)模型中均采用加權(quán)和的方法將多目標(biāo)模型轉(zhuǎn)為單目標(biāo)模型進(jìn)行求解。該方法要求模 型在求解前預(yù)先確定各個目標(biāo)的權(quán)重，然而模型目標(biāo)的權(quán)重有時在實(shí)際生產(chǎn)過程中很難確 定。另外，求解加權(quán)和的單目標(biāo)模型每次只能獲得一個解，通過修改目標(biāo)權(quán)重多次求解模型 的策略可W獲得多個解，但必然增加整個決策過程的時間，不符合工廠實(shí)時應(yīng)用需求。目前 已授權(quán)的專利，如公開號為CN1556486A的中國專利中披露了一種煉鋼連鑄生產(chǎn)在線多模式 時間優(yōu)化調(diào)度方法，但其調(diào)度模型也沒有考慮鐵水供應(yīng)的影響，并且同樣采用的是加權(quán)和 的方法將多目標(biāo)模型轉(zhuǎn)為單目標(biāo)模型進(jìn)行求解。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的是建立一個考慮鐵水供應(yīng)時 間及鐵水資源利用的多目標(biāo)調(diào)度優(yōu)化模型，并提供一種基于化reto優(yōu)化的多目標(biāo)進(jìn)化算法 進(jìn)行求解。通過引入與鐵水相關(guān)的目標(biāo)函數(shù)和約束條件，保證了鐵水資源和加工爐次之間 的最有匹配，有利于降低冶煉成本，并提高調(diào)度計(jì)劃在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中的可執(zhí)行度。另外， 采用基于化reto的多目標(biāo)算法獲得多個化reto最優(yōu)解有助于決策者選擇更合適的解應(yīng)用 于實(shí)際生產(chǎn)。該方法解決現(xiàn)有技術(shù)中煉鋼廠多目標(biāo)調(diào)度計(jì)劃編制時沒有考慮鐵水供應(yīng)時間 及鐵水資源利用的問題。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提供了一種煉鋼廠考慮鐵水供應(yīng)時間及鐵水 資源利用的多目標(biāo)調(diào)度計(jì)劃編制方法，包括如下步驟：
[000引S1，煉鋼連鑄調(diào)度控制器分別與煉鋼廠的MES數(shù)據(jù)庫及MES客戶端系統(tǒng)連接并獲取 煉鋼廠的MES數(shù)據(jù)庫及MES客戶端系統(tǒng)中的煉鋼連鑄計(jì)劃數(shù)據(jù)；
[0009] S2，確定多目標(biāo)函數(shù)，所述多目標(biāo)函數(shù)為：
[0013] 其中，目標(biāo)函數(shù)F1是最小化爐次任意兩個操作間的等待時間和爐次第一個操作與 其匹配的鐵水罐的供應(yīng)時間之間的等待時間，
[0014] 目標(biāo)函數(shù)F2是最小化各爐次的工期提前時間或延遲時間，
[0015] 目標(biāo)函數(shù)F3是最小化爐次成分信息與其冶煉加工目標(biāo)最適合的鐵水成分之間的 偏差懲罰；
[0016] 其中，邑為工序編號，邑￡{1，2，...，6};4,4'為工位設(shè)備編號，4古/￡{1，2，...，"； j為爐次編號；i為誘次編號，iE{l，2，...，I};Ψ為爐次編號集合，|ψ|是總的爐次個數(shù);OJ 為爐次j的操作編號，〇^￡{1，2，...，0〇'）}，其中0〇'）是爐次^'操作總數(shù)，0〇)<6;3。,為爐次 j第W個操作所在的工序的編號，對于所有的爐次有；山為爐次j的工期;ocj為處理 爐次j最適合的鐵水的成分索引；P為鐵水罐的索引，pE {1，2, . . .，P}，P= I Ψ I ;cp為鐵水罐 P中鐵水的成分索引；rtp為鐵水罐P的供應(yīng)時間;wtg,j為爐次j在工序g上的作業(yè)時間；ttk,k' 為設(shè)備k與k'之間的運(yùn)輸時間；Θ為與爐次匹配的鐵水成分與最適合冶煉該爐次的鐵水成分 之間偏差的懲罰；S。;為爐次j的操作W的開始時間；％、為0/1變量，當(dāng)且僅當(dāng)爐次j的操作oj 在設(shè)備k上加工時為l;ypj為0/1變量，當(dāng)且僅當(dāng)爐次j匹配了鐵水罐P;
[0017] S3:在滿足所有約束條件下，對種群中的每個染色體進(jìn)行解碼得到關(guān)于決策變量 鳴:，，yp,j的可行解，其中，：為0/1變量，當(dāng)且僅當(dāng)爐次j和爐次j '都在設(shè)備k 上加工且爐次j先于爐次j '加工時為1;
[0018] S4,利用步驟S3獲得的可行解集，對每一個可行解，保持其中 變量的數(shù)值不變，只改變S '進(jìn)一步對模型進(jìn)行優(yōu)化求解，得到該可行解的非支配解；
[0019] S5,將步驟S4獲得的非支配解與步驟S3獲得的可行解混合，對所有的解對應(yīng)的染 色體進(jìn)行快速非支配等級排序并計(jì)算解之間的擁擠距離，選出新一代父代種群；
[0020] S6,對所述新一代父代種群的染色體進(jìn)行選擇、交叉和變異操作得到子代種群，返 回步驟S3，并使迭代次數(shù)加1，當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到設(shè)定迭代次數(shù)后，退出。
[0021] 本發(fā)明在煉鋼廠調(diào)度計(jì)劃編制時考慮鐵水的供應(yīng)條件，通過引入目標(biāo)函數(shù)F3最小 化爐次與其最適合冶煉的鐵水成分之間的偏差懲罰，從而保證了鐵水和爐次之間的最優(yōu)匹 配(例如低硫鐵水優(yōu)先匹配目標(biāo)鋼種是低硫的管線鋼的爐次），降低了冶煉成本。同時，通過 增加約束保證爐次第一個操作的開始時間不早于其匹配的鐵水罐的供應(yīng)時間，提高了調(diào)度 計(jì)劃在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中的可執(zhí)行度。
[0022] 本發(fā)明利用基于化reto優(yōu)化的多目標(biāo)進(jìn)化算法進(jìn)行求解?；诨痳eto的多目標(biāo)優(yōu) 化實(shí)現(xiàn)兩個目標(biāo)：（1)盡量找出靠近化reto最優(yōu)前沿的解集；（2)盡量使解集中的解分散，使 其均分覆蓋整個化reto最優(yōu)前沿。獲得多個化reto最優(yōu)解有助于決策者選擇更合適的解應(yīng) 用于當(dāng)前的生產(chǎn)環(huán)境。運(yùn)個策略比預(yù)先設(shè)定目標(biāo)權(quán)重的加權(quán)和方法更合理。
[0023] 本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
【附圖說明】
[0024] 本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對實(shí)施例的描述中將變得 明顯和容易理解，其中：
[0025] 圖1是現(xiàn)有技術(shù)中煉鋼廠生產(chǎn)過程示意圖；
[0026] 圖2是本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施方式中，基于化reto優(yōu)化的多目標(biāo)進(jìn)化算法的流程圖；
[0027] 圖3是本發(fā)明染色體交叉變異的示意圖，其中，3(a)為染色體交叉示意圖；3(b)為 染色體變異示意圖；
[0028] 圖4是本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施方式中Ξ個目標(biāo)函數(shù)的求解結(jié)果分布圖；
[0029] 圖5是本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施方式中