炼钢连铸混合智能优化调度方法及应用

杨春江

（宣化钢铁集团有限责任公司环保中心，河北 张家口 075000）

YANG Chun-jiang

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

1 引言

炼钢、精炼、连铸是炼钢连铸生产过程中三个极为重要的工序，一个钢铁企业炼钢连铸的发展水平代表了一个国家的钢铁技术发展水平。通过转炉冶炼将从高炉中获得的铁水转化为高温钢水，再由精炼炉通过控制其化学成分和温度对其进行精炼，最后流入连铸机中，通过浇铸形成不同形状的板坯。这一系列的操作流程需要严格控制和把关每一道工序、温度以及时间，不仅不能对生产的持续性产生干扰，还要加快每一台设备的生产效率，从而达到提高效率和品质，缩短时间的目的，对加快炼钢过程的速度具有重大意义。

2 炼钢连铸调度数学模型

2.1 炼钢连铸调度问题描述

炼钢连铸过程中的炼钢、精炼、连铸工序是本文炼钢连铸调度问题中的研究对象。由于精炼过程中的重数不同，而且即使工序相同，类型也不相同，所以每种精炼类型存在着多台并行设备可用[1]。这个问题可以理解为：假如有m个炼钢计划根据自己的方案和流程在s道工序上进行加工，每一道工序有不少于一台并行设备可以同时使用。每个炼钢计划中的第k道工序可以在该道工序的任何一台并行设备上进行加工，在确定每个炼钢计划在每台设备上加工时间的前提下，调度任务是确定炼钢计划在每道工序的加工设备和在设备上的加工流程以及具体的加工时间。理解这个问题能够帮助了解炼钢连铸目的：如何达到评价指标最优，例如工序之间的过渡时间最短或成本最低或最快完成计划的时间。

2.2 符号定义

符号定义如下：

i表示炉次序号；

Ω表示炉次的集合，I∈Ω，|Ω|表示炉次次数的总和；

n表示浇次号，N表示浇次的总次数，n＝1，2，…，N；

Ωn表示第n次浇次发生后的炉次集合，Ω1∩Ω2∩…∩Ωn= 且 Ω1∪Ω2∪…∪Ωn=Ω；

Ω0表示浇次中的第一个炉次集合；

si表示炉次i的工序的总和，因为精炼重数的差异，所以炉次计划的工序总数不完全相同，精炼重数的最高次为4；

j表示工序序号，1＜j＜si；

k表示工序内的设备序号；

stijk表示机器k在炉次i，工序j的加工开始时间；

ptijk表示机器k在炉次i，工序j的加工时间；

utijk表示机器k在炉次i，工序j的运输时间；

SI（i，j，k）表示机器k在炉次i，工序j的紧后炉次；

Jn表示浇次n的开浇时间，adjtcast表示浇次之间的调整时间；

C1表示断浇惩罚系数；

C2ij表示炉次i在工序j的冗余等待惩罚系数；

C3表示提前/延迟开浇惩罚系数；

Di={di1，…，dij，…，dis}表示炉次i加工顺序集，I∈Ω，且dij∈Mij，表示炉次i的第j道工序所需的生产设备。

2.3 基本假设

①论文基于炼钢炉、精炼炉和连铸机这三种主要设备进行研究，忽略其他运输类工具对时间等的影响。②浇次对应的连铸机以及浇次中炉次计划在连铸机上的加工顺序和连铸开浇时间设为已知条件。③同一连铸机上的各浇次的开浇时间能够满足浇次调整时间的标准。④机器k在炉次i，工序j的加工计划下花费的时间已知。

3 连铸调度策略

由于现在非线性规划问题还没有针对性的有效求解手段，即使使用专家系统能够实现炼钢连铸生产调度问题的求解目的，但是专家系统只能在其稳定性和调度计划上进行调整和达到要求，无法真正实现针对非线性规划问题找最优解的目的，而单纯使用数学方法进行求解也只能事倍功半。因此，将炼钢连铸调度问题降低难度分成三个问题，根据三个问题分别进行求解，利用专家系统和数学规划手段的结合，从而快速得出可行的最优解，且通过应用取得了成功的结果。

3.1 基于专家系统的设备指派

前文假设中提到连铸机和炉次计划顺序均为已知条件，因此，将专家系统方法运用到计算过程中，通过专家系统中的知识库，由推理机为每个炉次选择合适的炼钢炉设备和精炼设备，并且为每个设备的炼钢流程提供方案。

3.1.1 基于关系数据库的知识库

由于专家系统方法中的数据库储存大量专业技术人员操作时的宝贵经验和规范的操作标准，为了提高搜索效率，加快求解速度，将数据库中的经验和规则提前进行分类，可以分为设备类规则、时间类规则、工艺类规则、设备选择规则等。像图书馆搜索系统一样为这些规则建立索引号，从而根据索引号匹配的规则进行快速搜索，可以提高搜索效率，降低无效搜索时对时间的浪费。

3.1.2 推理机

推理机由两个部分组成：一个是前向推理机，由于炉次开浇的时间有差异，从而影响连铸机的作业时间。因此需要依靠前向推理机预先依据开浇时间判断连铸机作业时间的长短。另一个是反向推理机，反向推理机则是依据连铸机作业时间长短反向推理为炉次计划选择合理有效率的工序。

将调度系统的优点和prolog智能语言相结合，采用混合推理机的机制，其具体步骤如下：步骤1：基于设备具体情况进行初始化操作，并针对炉次计划对象集选择。步骤2：启动前向推理机，根据浇次开浇时间、炉次浇铸时间计算该炉次计划在连铸机上的时间；启动反向推理机，根据前向推理机所计算的炉次计划作业时间计算精炼工序的作业时间，按照计划的时间选区精炼设备以及作业顺序。步骤3：根据精炼作业时间计算作业开始时间，并根据作业开始时间选择炼钢工序设备以及作业顺序。步骤4：推理结束。

3.2 基于人机交互的邻域搜索

邻域的建立方式在本文中有两种体现：第一种是基于交换移动的邻域构造，即两台不同设备相互交换各自加工的一个炉次计划，也可以是同一台设备上交换其加工的两个炉次计划的位置；第二种是基于插入移动的邻域构造，即将每台操作设备上的一个计划移动并插入另一台操作设备上。这两种方式有三个特点，分别是反馈实时性、可修改性以及直观性。

3.3 基于模型转换的时间优化

由于上面的方法帮助解决了炉次计划中设备和工序的矛盾，但是可能会对时间产生不良影响，因此第三部分对时间进行优化的选择有两种模型：第一种是时间优化模型，第二种是模型转换。

4 应用实例

4.1 应用背景

该炼钢厂年生产额过亿，生产数百种高难度的产品。

4.2 应用实例

将阶段1中给予专家系统方法应用到炼钢连铸实际生产过程中，为每一次的生产过程提供参考意见，例如解决炉次计划中对设备进行选择，根据同设备不同工序的作业时间长短确认设备的选择。形成了初步的调度计划，防止炉次计划作业时间超过标准时间，影响生产速率、工作温度以及板坯质量。其次，将第二阶段的人机交互的邻域搜索方法引入对设备中工序的时间调整，最后，通过时间优化模型对前两个阶段的初步调度计划进行最后调整，在时间上对调度计划进行优化处理，从而得到生产计划在各设备以及各工序上的工作时间，根据整个生产过程的生产时间判断是否为最优解，产生最优调度计划。

5 结语

本文针对炼钢连铸调度问题，详细研究了炼钢连铸调度的具体数学模型。通过对连铸调度策略的讨论，将炼钢连铸调度问题进行分解，并针对各个问题分别进行求解，从而快速得出可行的最优解。这种方法在处理炼钢连铸生产调度问题时有很大的优势，值得更长远的研究和推广。