基于多视图能耗模型的能源调配与生产调度协同优化

The manufacturing industry, with its costing of one third of primary energy use, is one of the main consumers of energy. In order to improve its energy efficiency, this project addresses the collaborative optimization of energy distribution and production scheduling based on integration of management of energy optimization and production management. In the model layer (ML), a multi-view energy efficiency model that consists of production processes views (PPV) and brunch plant views (BPV) is first established. Their meta-model tools as well as modeling procedure are then developed. And the theory and technology of model integration are further studied. In the analysis layer (AL), several energy consumption analysis and evaluation methods focusing on typical energy -production interaction issues are proposed. And a comprehensive optimization evaluation indicators' system that takes both energy efficiency and production performance into consideration is established. In the optimization layer (OL), collaborative optimization algorithms of energy distribution and production scheduling based on different collaborative strategies are designed, realized, and evaluated..With support of optimization theory and information technology, this project focuses on energy intensive manufacturing companies, which are representative by iron & steel industry. On the one hand, energy and its efficiency considerations are introduced into traditional production management, so that theories and technologies of production scheduling are expected to be enriched. On the other hand, leading systematic optimization techniques are employed in energy management, in order to provide supporting methods and tools for implementing energy efficient manufacturing.

课题以能耗占全球三分之一的制造业的节能减排问题为对象，以将能源优化管理与生产优化管理相结合为基本出发点，重点针对其中能源调配与生产调度协同优化的关键问题展开研究。在模型层，构建由工序视图和分厂视图组成的多视图能耗模型，设计通用元模型工具及层次化建模方法，研究模型集成理论与方法；在分析层，提出针对多种典型能耗-生产关联问题的能耗分析与评价方法，研究兼顾能耗与生产的综合优化评价指标体系；在优化层，设计不同协同策略下的能源调配和生产调度协同优化算法，并加以实现和分析评价。课题研究面向以钢铁行业为代表的高能耗制造企业，以优化理论和信息技术为支撑，一方面，将能源及能效因素引入传统生产调度与管理领域，进一步丰富现有生产调度理论；另一方面，将系统优化方法引入节能领域，为制造企业推行高能效制造提供理论、方法及工具支撑，协助企业实现可持续发展。

本项目针对典型高耗能企业特点及发展需求，研究能源调配和生产管理相结合的建模、分析与优化新方法，获得了对解决实际企业能源与生产要素协同管理具有理论和实际意义的研究成果。.在模型层，提出了多视图能耗模型及建模工具与方法，建立了由工序视图和分厂视图组成的多视图能耗模型体系结构（AMEM）；研究了基于AMEM的元模型方法；提出了体系结构的层级化建模方法和步骤；基于多视图模型理论与方法，完成了面向钢铁企业的能源管理系统设计与研发；还进一步探索了面向可持续制造的云制造模式下多企业建模相关方法。.在分析层，首先研究了面向可持续制造的复杂生产系统基于数据的多种生产要素关联分析，包括基于数据的关联分析、生产派工策略选择分析、动态调度策略分析等。接着重点围绕典型能耗-生产关联问题展开研究，包括上下工序配合对能耗的影响、多种能源介质配比组合关系对质量和成本的影响、不同工序/设备的用能分配方式对能耗及生产性能的影响等。.在优化层，从面向可持续制造的复杂生产过程调度与重调度策略优化入手，进而深入研究了多种模式下的生产调度与能源调配协同优化。包括：以生产调度为主考虑能耗因素的协同优化、以能耗优化为主考虑生产约束的协同优化、能耗和生产指标多目标交互式协同优化，以及面向可持续制造的复杂生产系统运行维护协同管理与优化。.在实际应用上，研发了面向钢铁企业的能源管理系统和基于数据的复杂生产过程调度平台软件，与钢铁、电力、半导体等多家企业合作，进行了研究成果的验证与优化。.项目成果获2015年度中国自动化学会（CAA）技术发明一等奖1项；发表学术论文35篇，其中SCI\EI收录29篇；出版专著2部，申请发明专利11项(授权4项)，获软件著作权9项；国际访问6人次，国际会议口头报告8人次，国际国内大会特邀报告5人次，主办国内会议1次；培养青年教师1名，博士研究生2名，硕士研究生12名。