煉鋼連鑄混合智能優化調度方法及應用

楊春江

（宣化鋼鐵集團有限責任公司環保中心，河北 張家口 075000）

YANG Chun-jiang

(Environmental Protection Center of Xuanhua Iron and Steel Group Co.Ltd.,Zhangjiakou075000,China)

1 引言

煉鋼、精煉、連鑄是煉鋼連鑄生產過程中三個極為重要的工序，一個鋼鐵企業煉鋼連鑄的發展水平代表了一個國家的鋼鐵技術發展水平。通過轉爐冶煉將從高爐中獲得的鐵水轉化為高溫鋼水，再由精煉爐通過控制其化學成分和溫度對其進行精煉，最后流入連鑄機中，通過澆鑄形成不同形狀的板坯。這一系列的操作流程需要嚴格控制和把關每一道工序、溫度以及時間，不僅不能對生產的持續性產生干擾，還要加快每一臺設備的生產效率，從而達到提高效率和品質，縮短時間的目的，對加快煉鋼過程的速度具有重大意義。

2 煉鋼連鑄調度數學模型

2.1 煉鋼連鑄調度問題描述

煉鋼連鑄過程中的煉鋼、精煉、連鑄工序是本文煉鋼連鑄調度問題中的研究對象。由于精煉過程中的重數不同，而且即使工序相同，類型也不相同，所以每種精煉類型存在著多臺并行設備可用[1]。這個問題可以理解為：假如有m個煉鋼計劃根據自己的方案和流程在s道工序上進行加工，每一道工序有不少于一臺并行設備可以同時使用。每個煉鋼計劃中的第k道工序可以在該道工序的任何一臺并行設備上進行加工，在確定每個煉鋼計劃在每臺設備上加工時間的前提下，調度任務是確定煉鋼計劃在每道工序的加工設備和在設備上的加工流程以及具體的加工時間。理解這個問題能夠幫助了解煉鋼連鑄目的：如何達到評價指標最優，例如工序之間的過渡時間最短或成本最低或最快完成計劃的時間。

2.2 符號定義

符號定義如下：

i表示爐次序號；

Ω表示爐次的集合，I∈Ω，|Ω|表示爐次次數的總和；

n表示澆次號，N表示澆次的總次數，n＝1，2，…，N；

Ωn表示第n次澆次發生后的爐次集合，Ω1∩Ω2∩…∩Ωn= 且 Ω1∪Ω2∪…∪Ωn=Ω；

Ω0表示澆次中的第一個爐次集合；

si表示爐次i的工序的總和，因為精煉重數的差異，所以爐次計劃的工序總數不完全相同，精煉重數的最高次為4；

j表示工序序號，1＜j＜si；

k表示工序內的設備序號；

stijk表示機器k在爐次i，工序j的加工開始時間；

ptijk表示機器k在爐次i，工序j的加工時間；

utijk表示機器k在爐次i，工序j的運輸時間；

SI（i，j，k）表示機器k在爐次i，工序j的緊后爐次；

Jn表示澆次n的開澆時間，adjtcast表示澆次之間的調整時間；

C1表示斷澆懲罰系數；

C2ij表示爐次i在工序j的冗余等待懲罰系數；

C3表示提前/延遲開澆懲罰系數；

Di={di1，…，dij，…，dis}表示爐次i加工順序集，I∈Ω，且dij∈Mij，表示爐次i的第j道工序所需的生產設備。

2.3 基本假設

①論文基于煉鋼爐、精煉爐和連鑄機這三種主要設備進行研究，忽略其他運輸類工具對時間等的影響。②澆次對應的連鑄機以及澆次中爐次計劃在連鑄機上的加工順序和連鑄開澆時間設為已知條件。③同一連鑄機上的各澆次的開澆時間能夠滿足澆次調整時間的標準。④機器k在爐次i，工序j的加工計劃下花費的時間已知。

3 連鑄調度策略

由于現在非線性規劃問題還沒有針對性的有效求解手段，即使使用專家系統能夠實現煉鋼連鑄生產調度問題的求解目的，但是專家系統只能在其穩定性和調度計劃上進行調整和達到要求，無法真正實現針對非線性規劃問題找最優解的目的，而單純使用數學方法進行求解也只能事倍功半。因此，將煉鋼連鑄調度問題降低難度分成三個問題，根據三個問題分別進行求解，利用專家系統和數學規劃手段的結合，從而快速得出可行的最優解，且通過應用取得了成功的結果。

3.1 基于專家系統的設備指派

前文假設中提到連鑄機和爐次計劃順序均為已知條件，因此，將專家系統方法運用到計算過程中，通過專家系統中的知識庫，由推理機為每個爐次選擇合適的煉鋼爐設備和精煉設備，并且為每個設備的煉鋼流程提供方案。

3.1.1 基于關系數據庫的知識庫

由于專家系統方法中的數據庫儲存大量專業技術人員操作時的寶貴經驗和規范的操作標準，為了提高搜索效率，加快求解速度，將數據庫中的經驗和規則提前進行分類，可以分為設備類規則、時間類規則、工藝類規則、設備選擇規則等。像圖書館搜索系統一樣為這些規則建立索引號，從而根據索引號匹配的規則進行快速搜索，可以提高搜索效率，降低無效搜索時對時間的浪費。

3.1.2 推理機

推理機由兩個部分組成：一個是前向推理機，由于爐次開澆的時間有差異，從而影響連鑄機的作業時間。因此需要依靠前向推理機預先依據開澆時間判斷連鑄機作業時間的長短。另一個是反向推理機，反向推理機則是依據連鑄機作業時間長短反向推理為爐次計劃選擇合理有效率的工序。

將調度系統的優點和prolog智能語言相結合，采用混合推理機的機制，其具體步驟如下：步驟1：基于設備具體情況進行初始化操作，并針對爐次計劃對象集選擇。步驟2：啟動前向推理機，根據澆次開澆時間、爐次澆鑄時間計算該爐次計劃在連鑄機上的時間；啟動反向推理機，根據前向推理機所計算的爐次計劃作業時間計算精煉工序的作業時間，按照計劃的時間選區精煉設備以及作業順序。步驟3：根據精煉作業時間計算作業開始時間，并根據作業開始時間選擇煉鋼工序設備以及作業順序。步驟4：推理結束。

3.2 基于人機交互的鄰域搜索

鄰域的建立方式在本文中有兩種體現：第一種是基于交換移動的鄰域構造，即兩臺不同設備相互交換各自加工的一個爐次計劃，也可以是同一臺設備上交換其加工的兩個爐次計劃的位置；第二種是基于插入移動的鄰域構造，即將每臺操作設備上的一個計劃移動并插入另一臺操作設備上。這兩種方式有三個特點，分別是反饋實時性、可修改性以及直觀性。

3.3 基于模型轉換的時間優化

由于上面的方法幫助解決了爐次計劃中設備和工序的矛盾，但是可能會對時間產生不良影響，因此第三部分對時間進行優化的選擇有兩種模型：第一種是時間優化模型，第二種是模型轉換。

4 應用實例

4.1 應用背景

該煉鋼廠年生產額過億，生產數百種高難度的產品。

4.2 應用實例

將階段1中給予專家系統方法應用到煉鋼連鑄實際生產過程中，為每一次的生產過程提供參考意見，例如解決爐次計劃中對設備進行選擇，根據同設備不同工序的作業時間長短確認設備的選擇。形成了初步的調度計劃，防止爐次計劃作業時間超過標準時間，影響生產速率、工作溫度以及板坯質量。其次，將第二階段的人機交互的鄰域搜索方法引入對設備中工序的時間調整，最后，通過時間優化模型對前兩個階段的初步調度計劃進行最后調整，在時間上對調度計劃進行優化處理，從而得到生產計劃在各設備以及各工序上的工作時間，根據整個生產過程的生產時間判斷是否為最優解，產生最優調度計劃。

5 結語

本文針對煉鋼連鑄調度問題，詳細研究了煉鋼連鑄調度的具體數學模型。通過對連鑄調度策略的討論，將煉鋼連鑄調度問題進行分解，并針對各個問題分別進行求解，從而快速得出可行的最優解。這種方法在處理煉鋼連鑄生產調度問題時有很大的優勢，值得更長遠的研究和推廣。