动态环境下炼钢-连铸过程生产与运输资源协同优化调度问题研究

The production scheduling of steelmaking-continuous casting process under dynamic environment is to allocate the limited production and transportation resources to several production tasks in time, and meet multiple objectives. The production efficiency and quality of molten steel are improved, and material consumption and energy consumption are reduced by scheduling the temperature of molten steel, the processing time and the transportation time. The project comes from real-word steelmaking-continuous casting production process, and solves collaboration scheduling problem of production and transport resources with double-smelting, multiple refining under dynamic environment. We will systematically study static scheduling problem of production equipment with double-smelting and multiple refining, ladle and crane scheduling problem with production equipment scheduling constraints, and rescheduling problem of production equipment with double-smelting and multiple refining. We try to provide a serials of research achievement on corresponding mathematical model, an efficient approximate subgradient Lagrange relaxation method for static scheduling and rescheduling, a fast and effective method for transportation equipment scheduling, a dynamic estimation model of transportation time with spatial correlation, classification mechanism based on predicting disturbance + event disturbance and rescheduling strategy. The simulation and industrial validation of the above methods are carried out.

动态环境下炼钢-连铸过程生产调度是在考虑扰动事件的情况下将有限的生产与运输资源在时间上分配给若干生产任务，满足多个优化目标，以此优化调控钢水温度、加工时间以及影响钢水温度的运输时间，提高生产效率和钢水质量、降低物耗和能耗。本项目从企业生产实际出发，以解决动态环境下具有双联冶炼、多重精炼的炼钢-连铸生产与运输资源协同优化调度问题为目标。系统研究双联冶炼、多重精炼的生产设备静态调度，考虑生产设备调度计划约束的运输设备钢包和天车调度，双联冶炼、多重精炼的生产设备重调度等问题，构建相应的数学模型，设计求解生产设备静态调度/重调度的高效近似次梯度拉格朗日松弛方法，设计求解运输设备调度的快速有效方法，构建带有空间相关性的运输时间动态估计模型，提出预测扰动+事件扰动的分类机制及重调度控制策略。以某大型钢铁企业炼钢-连铸生产过程为背景，开展上述方法的仿真和工业验证研究，给出一批具有工程应用价值的理论成果。

针对炼钢-连铸生产具有多模式、多炉次、多工序、多设备、多扰动等特征，生产过程工艺复杂、物流交错，又具有多目标、强约束等建模特点，提出了基于运输时间估计的生产设备与运输设备协同优化调度架构，开展了以下研究工作：（1）研究了考虑双联冶炼、多重精炼的生产设备静态优化调度。在满足工艺顺序约束、设备能力约束、浇次约束、加工时间约束等的基础上，构建连续浇铸、总等待时间（热能损耗）最小、准时开浇和调度效率4个目标的数学表达式，以此建立柔性作业车间型炼钢-精炼-连铸生产设备批调度模型。（2）研究了考虑生产设备调度计划约束的承载设备钢包的选配方法，包括脱磷和脱碳两种钢包选配方法。采用一阶规则学习法提取关键属性作为性能指标，结合运输设备调度专家的经验，提取工况的“原型”，并整理成专家规则存储在专家系统的知识库中，提取脱磷/脱碳钢包选配规则，通过规则推理为进行脱磷/脱碳的炉次决策钢包。（3）研究了考虑生产设备调度计划约束的运输设备天车调度方法。建立了考虑生产设备调度计划约束的运输设备天车调度模型，设计了天车冲突解消策略，提出了启发式天车调度方法，采用模糊综合评价方法对天车调度结果进行评价分析。（4）研究了动态环境下双联冶炼、多重精炼的生产设备重调度问题。针对不同的动态重调度问题，分别设计了条件偏转近似次梯度的多项式动态规划方法、针对混合流水车间型炼钢-连铸生产重调度的改进帝国主义竞争算法。为了验证连铸完工时间调整后，控制层是否能够有效的进行优化控制，初步研究了识别具有线性系数的钢坯三维传热模型及边界条件问题。（5）开发了炼钢-连铸生产设备与运输设备协同调度原型系统。提出由基于人机协同的炉次加工设备调整、基于线性规划的炉次开工和完工时间调整两部分组成的人机协同重调度策略，开发了相应动态调度子系统验证了所提方法的有效性。项目执行期间，发表论文23篇，其中SCI收录9篇、EI收录9篇、CSSCI收录1篇，出版专著1本，授权中国发明专利2项，申请中国发明专利1项。入选省级人才支持计划教师2人，毕业硕/博士研究生3人。