连铸和模铸混合生产炼钢调度系统设计与开发硕士学位论文1

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1、学 位 论 文连铸和模铸混合生产炼钢调度系统设计与开发作 者 姓 名 ：指 导 教 师 ：东北大学自动化研究中心申请学位级别：硕士学 科 类 别 ：工学学科专业名称：控制理论与控制工程论文提交日期：论文答辩日期：学位授予日期：答辩委员会主席：评 阅 人 ：A Thesis for the Degree of Master inThe design and development of steelmaking continuous casting and mould casting scheduling systemby Zhiyu ZhangSupervisor : Tianyou ChaiN

2、ortheastern UniversityJuly 2009独创性声明本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。 学位论文作者签名 ： 签 字 日 期 ： 学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入

3、有关数据库进行检索、交流。（如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意）学位论文作者签名 ： 导 师 签 名 ： 签 字 日 期 ： 签 字 日 期 ：V东北大学硕士学位论文摘 要连铸和模铸混合生产炼钢调度系统设计与开发摘 要炼钢是我国的支柱产业，而炼钢-连铸/模铸混合生产是钢铁生产的关键工序，炼钢生产调度系统是钢铁企业生产管理的核心。炼钢-连铸/模铸混合生产过程是高温作业过程，实时性要求高，时间效益显著，复杂性增加。目前连铸工艺还不能完全取代模铸工艺，模铸工艺还有重要意义和作用。因此研究连铸/模铸混合生产炼钢调度问题具有较广泛的应用前景和重要的经济意义。本文以钢铁企业炼钢-连铸/

4、模铸混合生产过程为背景，针对炼钢-连铸/模铸混合生产过程中存在模铸的复杂性问题进行了研究，并设计和开发了相应的调度系统。主要研究工作包括：1) 在调研炼钢调度现场生产工艺流程、进行调度过程描述、分析复杂性基础上，总结了多生产模式炼钢-连铸/模铸混合生产调度策略；2) 以多生产模式炼钢-连铸/模铸混合生产调度策略为依据，提出了连铸/模铸混合计划分批次调度策略、整半炉次连铸计划调度方法，以及整半炉次连铸与混合浇期模铸计划调度方法，包括半炉次连铸计划启发式编制方法、整炉次连铸计划启发式编制方法、半次连铸计划与混合浇期模铸计划启发式编制方法、整炉次连铸与混合浇期模铸计划启发式编制方法和连铸/模铸混合生

5、产调度批次综合方法；3) 在总结多生产模式连铸/模铸混合生产调度策略基础上，进行了系统软件设计与开发，包括静态调度、初始化、数据输入/输出、人机界面、数据处理以及主体算法模块；4) 应用现场实际数据进行测试，验证了调度整体解决方案、连铸/模铸混合生产调度策略和调度方法的有效性。关键词: 炼钢；连铸；模铸；混合生产；分批调度策略；计划编制；调度系统东北大学硕士学位论文AbstractThe design and development of steelmaking continuous casting and mould casting scheduling system AbstractSte

6、elmaking industry supports our nation. The steelmaking continuous casting and mould casting make the key roll in steelmaking, which is the kernel of the manufacture and management in steel enterprise. The steelmaking continuous casting and mould casting is a procedure which is in high temperature, h

7、igh comanding for real time, with significant time effect and complexity for schedule. For mould casting cannont be replaced by continuous casting in some area, the study in mould casting schedule has significant engineering value.1. According to the flow of actual procduct procedure, the process of

8、 schedule policy is describled. On the base of analyzing the complexity, the steelmaking continuous casting and mould casting policy is summed up;2. It is brought out that the batch splitting scheduling policy of steelmaking continuous casting and mould casting, including the heuristic schedule meth

9、od of the whole and half continuous casting charge, half continuous casting charge and mixed deadline mould casting charge, the whole continuous casting charge and mixed deadline mould casting charge, and the comprehensive method of the steelmaking continuous casting and mould casting batch，on the b

10、asis of summing the schedule policy of steelmaking continuous casting and mould casting;3. Based on the schedule policy of steelmaking continuous casting and mould casting, the schedule system is designed and developed, including design of static sub-system, initialization module, data input/output

11、module, interface module, data processing module and main schedule method module; Mathematics expression is used to qualitatively analysis the steelmaking continuous casting and mould casting problem. And the differences between continuous casting and mould casting are brought out. The mathematics m

12、odel is also established.4. Tested by the actual data, it is verified to be efficacy that the schedule method and policy of the steelmaking continuous casting and mould casting.Keywords：steelmaking; continous casting; mould casting; batch schedule policy; make plan; schedule system 东北大学硕士学位论文目 录目 录独

13、创性声明I摘 要IIABSTRACTIV第一章 绪 论11.1 课题来源及意义11.2 生产调度策略21.3 炼钢调度方法研究现状及应用51.4 本文主要工作6第二章 连铸模铸混合生产炼钢调度过程描述- 8 -2.1引言- 8 -2.2炼钢生产工艺流程- 11 -2.3炼钢调度过程描述- 14 -2.3.1炼钢调度特性分析- 14 -2.3.2炼钢调度系统关联分析- 15 -2.4炼钢调度复杂性分析- 17 -2.5存在问题- 18 -第三章 炼钢-连铸/模铸混合生产调度策略- 20 -3.1连铸/模铸混合调度生产模式分析- 20 -3.2连铸/模铸混合生产调度策略- 26 -3.2.1基于分

14、批调度的连铸/模铸混合计划策略- 28 -3.2.2连铸/模铸混合计划分批次调度策略实现- 29 -3.3整半炉次连铸计划调度方法- 33 -3.3.1半炉次连铸计划启发式编制方法- 34 -3.3.2整炉次连铸计划启发式编制方法- 37 -3.4整半炉次连铸与混合浇期模铸计划调度方法- 38 -3.4.1半次连铸计划与混合浇期模铸计划启发式编制方法- 40 -3.4.2整炉次连铸与混合浇期模铸计划启发式编制方法- 42 -3.4.3连铸/模铸混合生产调度批次综合策略- 43 -第四章 混合生产炼钢调度系统- 46 -软件设计与开发- 46 -4.1混合生产炼钢调度软件结构- 46 -4.2静

15、态调度子系统软件设计- 47 -4.3静态调度子系统类设计- 48 -4.3静态调度子系统模块处理流程- 50 -4.3.1初始化模块处理流程- 50 -4.3.2 数据输入模块处理流程- 50 -4.3.3数据输出模块处理流程- 51 -4.3.4主体算法模块处理流程- 52 -4.4静态调度子系统开发- 54 -4.4.1人机界面设计- 54 -4.4.2主要的数据表及字段- 60 -第5章 混合生产炼钢调度系统实验验证635.1课题背景635.2组织机构635.2.1设备条件645.2.2工艺流程655.3系统运行环境与网络结构655.4实验验证655.5实验验证效果68总结与展望70东

16、北大学硕士学位论文第一章 绪 论第一章 绪 论1.1 课题来源及意义随着社会进步和生活水平的提高，市场更加需要具有特色、更高品质、符合顾客个人要求样式和功能千差万别的产品。激烈的市场竞争也迫使钢铁企业进行转变，批量生产时代正逐渐被适应市场动态变化的生产所替换。在炼钢区域，连铸、模铸前的炼钢精练工序从过去的1重发展到现在有2-3重甚至更多来满足市场对高品质产品的需要，并且采用柔性设备和工艺，以满足柔性的市场需求。调度问题的分类方法有许多种，如：(1)根据加工系统的复杂度分为单机和多机并行调度。(2)根据加工路线的一致性分为Flow Shop(所有工件都在同样的设备上加工，并有一致的加工操作和加工

17、顺序)和Job Shop(允许工件加工具有不同的加工路径)调度。(3)根据作业加工在线特点分为静态调度和动态调度。静态调度是指所有待安排加工的作业均处于待加工状态，因而进行1次调度后、各作业的加工时序被确定、在以后的加工过程中就不再改变。动态调度是作业依次进入待加工状态、各种作业不断进入系统接受加工，完成加工的作业又不断地离开，同时还要考虑作业环境中不断出现的动态扰动、如作业的加工超时、设备的损坏等。因此动态调度要根据系统中作业、设备等的状况，不断地进行调度。炼钢连铸/模铸混合生产调度应属于多机并行机问题，也是调度中最难解决的问题之一。鉴于当前炼钢厂的已经有多台连铸机和模铸，精炼设备众多，精炼

18、重数多且复杂，再加上炼钢扰动众，依赖人工经验编制炼钢调度计划已经几乎不可能，勉强人工调度，其结果只能是效率低下。所以，在国内现有的钢铁企业MES实施方案流程中，炼钢MES中，包含功能强大且具有实用价值的动态炼钢调度系统已经成为MES产品竞争不可缺少的关键点之一。模铸工艺在国内很多钢厂都已经没有了模铸生产线，由于一些钢种只能有模铸工艺进行加工，所以模铸工艺存在是很有意义的，因此炼钢-连铸/模铸混合调度问题研究的意义也是不可小视的。模铸存在的意义和作用如下：l 现代钢铁工业生产中，尤其是在特殊钢生产领域。中国军标和美国军标规定若干场合不得采用连铸钢材，而只能采用模铸钢材，连铸刚才不能取代1。 l

19、模铸的增加可以实现销售计划，物流平衡和增加设备利用率。l 由于销售计划的需要，一些钢种只能有模铸工艺生产。例如：可浇注成份质量要求很高镇静钢，最高可以浇注900mm厚度的钢板，35压缩比，满足特种钢材的要求，比如军工用钢。这是连铸不可能实现的，连铸的理论最高浇注厚度为450mm，现在可以实现的浇注厚度为300mm，这样厚度的钢板无法实现高压缩比。l 物流平衡，处理成分不行的钢水，可以浇注成份质量不是很高要求的压盖钢；处理一些连铸不能浇注的钢水，进行模铸浇注处理，以后再进行切割后再处理；在连铸生产节奏相对于转炉精炼工序慢很多的时候，会有一些钢水不能进行合理的连铸浇注生产，这个时候要分配给模铸生产

20、，调节整体加工生产的节奏。由上述可以看出，模铸的存在不仅仅从提高设备利用率，提高企业效益和增加产品种类有着很重要的意义，同时在保护国家安全方面也有着不可或缺的作用。1.2 生产调度策略生产调度，即对生产过程进行作业计划，作为一个关键模块，是整个先进生产制造系统实现管理技术、运筹技术、优化技术、自动化与计算机技术发展的核心。有效的调度方法和优化技术的研究与应用，是实现先进制造和提高生产效益的基础和关键。改善生产调度方案，可以大大提高生产效益和资源利用率，进而增强企业的竞争能力。生产调度的研究主要可分为建模和调度算法设计两方面，它是一个交叉性研究领域，涉及运筹学、数学、计算机工程、控制工程、工业工

21、程等多个学科。利用科学的生产调度方法是集成制造系统的未来发展趋势，是面向过程的生产活动与经营活动桥梁和纽带，是现代集成制造系统的关键。钢铁生产工艺复杂、生产设备多、物流纵横交错。不仅要考虑钢水到达时间偏差，设备故障，而且还需考虑钢水成分不合格、钢水温度补偿等动态扰动事件。显然，为了提高生产效率，生产调度是企业系统集成的重中之重2,3,4。由于现代生产调度问题的高度复杂性，当单一调度算法难以得到满意的求解质量和求解速度时，往往通过一定的调度策略将多种算法进行结合，调度策略是生产调度高层次的决策部分，成为调度问题研究方法的一种趋势，目前主要的研究策略可分为以下几种5,6,7：(1)生产计划与调度集

22、成策略:生产计划与调度的集成研究具有全局优化的特征，也符合先进制造模式的思想，同时能够提高了生产系统的柔性。(2)人机协同策略:现有研究方法的缺陷以及人类独特的思维能力决定了人机协同策略的生命力，大量研究表明人机协同交互策略可以减小系统的搜索时间，能够在有限的时间、背景知识条件下解决一些困难的调度问题。(3)动态重调度策略:车间制造过程的随时性和不确定性需要不断的进行重调度，以处理突发的事件。基于目前的研究，对于动态调度的具体策略有周期调度、连续调度、事件驱动调度、周期与事件驱动混合调度，周期与连续调度混合等。(4)分解与成组策略:利用分解生产计划或CT(Cmup Technology)的调度

23、策略可以大大降低问题的复杂性和规模，求得调度问题的较优解，同时优化系统的一些性能指标。(5)并行或分布策略:为适合不同车间控制结构与高度复杂问题的需要，不少学者利用并行或分布策略来解决生产调度问题。(6)多目标权衡决策:实际调度问题是多目标的，且这些目标往往相互冲突，如何对调度系统的不同目标进行权衡分析，实现多目标调度优化是十分必要的。通过使用调度策略应用一下方法实现调度问题的求解，比如最优化方法、领域搜索方法、基于人工智能和实时智能的各种调度方法。经典调度方法：(1)有效最优化算法有效最优化方法是针对特定的调度目标，可以在多项式时间内求得最优调度的一类方法，此方法一直是研究者们追求的理想目标

24、。调度问题复杂性研究表明，大多数调度问题属于NP-hard问题，对此类问题有效最优化算法是不存在的。因此，有效最优化算法只适用于特定或相对窄的问题领域8。(2)精确最优化算法精确最优化方法是一类具有一般性的组合最优化方法，主要包括：数学规划、排队论、网络与图论等方法。由于调度问题固有的组合特征，搜索过程中通常引起“组合爆炸”，带来求解计算的困难性和复杂性，精确最优化方法为追求问题求解的最优性而要付出极大(甚至是不可实现)的计算代价,这类方法一般仅可处理小规模问题或某类特定问题，应用局限性较大。(3)启发式算法启发式算法是一种近乎经验和直觉的寻求合理解答的方法，基于对特定问题特点的理解，通过一定

25、的搜索规则缩小求解空间，能够快速求解问题9,10。在深刻认识到调度问题的内在复杂性以后，启发式算法较大程度上依赖于问题特性的理解，其普遍适用性较差，且求解的质量也不高。因此，启发式算法的研究不仅仅在于找到方法，更重要的是在求解质量、计算复杂性和适用性等方面对于算法进行必要的评价11。(4)系统仿真方法基于仿真的方法不单纯追求系统的数学模型，侧重对系统中运行的逻辑关系的描述，能够对生产调度方案进行比较评价，分析系统的动态性能，并选择系统的动态结构参数12。由于制造系统的复杂性，很难用一个精确的解析模型来进行描述和分析，而通过运行仿真模型来收集数据，则能对实际系统进行性能、状态等方面的分析，从而，

26、能对系统采用合适的控制调度方法13,14。(5)构造性方法其主要包括优先分配规则(譬如SPT,LRM,MWR)、基于瓶颈的启发式算法和插入方法等。该类方法能够快速建立问题的解，但通常解质量较差且缺少柔性，否则需要建立复杂的启发式规则14。智能方法：(1)专家系统专家系统是人工智能从数值信息处理转向非数值(知识)信息处理的转折里程碑，钢铁调度专家系统是一个能在钢铁调度领域内，以专家的水平去解决该领域中困难问题的计算机程序，通常将钢铁调度领域知识和现场的各种约束表示成知识库，然后根据现场实际情况从知识库中产生调度方案，并能对意外情况采取相应的对策16,17。(2)神经网络方法Hopfield神经网

27、络模型的提出为求解各种有约束优化问题开辟了一条新途径，用Hopfield网络解决TSP问题就是其在组合优化问题中的最成功的应用之一18。它的主要思路是:通过一个Lyaplmov能量函数构造网络的极值，当网络迭代收敛时，能量函数达到极小，使与能量函数对应的目标函数得到优化19。(3)智能搜索方法应用于调度问题的智能搜索方法包括模拟退火、禁忌搜索和遗传算法等。目前在动态调度中使用最多的是遗传算法。遗传算法解决调度问题的优势在于它可以随机地从一个调度跳到另一个调度，从而可以解决其他方法易于使解陷入局部最有的问题20。另外，它还具有计算速度快且易于与其他算法相结合的有点，非常适合于解决动态调度的问题。

28、组合方法:(1)基于交互调度的方法交互式调度，是在建立调度和动态维护调度的过程中，充分利用人的经验和能力，通过人与算法的信息交互，调整算法的条件和参数，迅速获得较好的可行方案。交互的作用主要体现在人对过程操作的监控方面，如判断以外事件的发生，估计动态变化对调度性能的影响，以采取适当的策略。文21针对传统精确方法在实际动态JobShop调度应用中的有限性，通过人机交互方式，修正许多限制资源的约束能力，从而降低调度问题的复杂性。(2)组合方法文45提出一种解决实时排序和调度问题混合方法的框架，综合运用了神经网络、遗传算法和实时仿真等方法。文4提出的是一种新的自适应神经网络和启发式算法的混合算法，用

29、于解决工件的调度问题；文46选择一内嵌结构来建立智能仿真模型来评价钢厂的调度策略，提出一个通过仿真机制控制事件发生器和专家系统的框架。文47应用多目标遗传算法检验批调度问题，采用交互的方式允许人参与优化过程，包括改变参数的优先权，允许多目标遗传算法对批规模和任务分配做策略。1.3 炼钢调度方法研究现状及应用炼钢-连铸/模铸混合生产过程是在高温下进行的物理化学反应和金属加工变形，具有高温熔炼、高温加工等特点，因此生产组织必须充分考虑利用热能，要求连续生产，要求前后工序设备能力上协调，在制品在数量上、时间上紧密衔接，带有有限的缓冲。钢铁生产是一个多阶段、离散和连续加工方式并存的复杂过程，大部分钢铁

30、调度问题都是NP难问题。在炼钢-连铸生产静态调度理论研究的方法方面，国内外的学者做了大量的研究工作，数学规划是主要方法。文献48对于在安排炼钢-连铸中的时间调度问题，建立了基于准时制调度思想的数学模型(连续变量)，经过变换, 将非线性规划问题转化为线性规划问题，用标准线性规划程序进行求解。文献49在炼钢-连铸生产工艺的约束条件下，针对多阶段均有并行机的生产环境，建立综合考虑炉次的设备指派和作业调度的混合整数线性规划模型。在探讨炉次设备指派规则、缓解资源冲突的方法的基础上，提出面向实际应用的启发式算法。文献50针对各阶段均有并行机的HFS炼钢-连铸生产调度问题,建立了问题的约束满足模型,将其归结

31、为最小化操作开工时间偏移的调度问题。文献51以最小化makespan为目标，建立了炼钢-连铸生产调度问题的混合整数规划模型，并基于分解策略确定炉次计划、浇次计划和作业时间表，该文提到仅在第一个生产阶段存在并行机，但给出的求解算法中看不出是如何实现机器分配的。日本和韩国的钢铁公司在解决钢铁调度方面占据着领先地位。九十年代初期日本京滨钢铁厂利用AI技术，实现了从高炉炼钢连铸热轧的一体化调度系统，它的特征有：(1)需求模拟仿真、过程间负荷的调整的长期预测和关于生产量、交货期、合理化的最优性的评价。(2)利用 AI技术进行在线的实时调度和重调度，使作业变动具有一定的灵活性。(3)作业实绩的高度可视化，

32、同期作业的实现，统一管制中心的设立，一体化最优性的实际绘图机能。日本加古川钢厂于1993年实现了从高炉至热轧的一体化管理，开发管制技术有下述两种：(1)炼钢作业管制：包括炼钢指令的在线化，以邮件形式把指令书进行CRT化 (大屏幕显示)，在线发行；连铸机替换机能，某连铸机发生故障，随时可以替换；在线充当机能，炼钢至切割之间，把不符合原合同的改作后续炉次的板坯。(2)热轧炉前的管制：包括前工序进展情况的监视，把HCR材的炼钢铸造切割输送的状况，自动显示；冷坯在库检索，作为 HCR周期计划用的活动材、跳跃材的检索；周期计划编制。日本京滨钢铁厂生产计划调度系统的投入，使钢水等待时间缩短1/2，年增效益

33、100万美元。韩国浦项钢铁公司的光阳钢铁厂，开发了从铁水处理到轧制成材的一体化管理计算机管理系统，其核心是实时调度和控制，它能根据主生产计划，实时编制详细作业计划，通过在线跟踪系统，掌握实际生产动态，对异常情况及时调整，确保计划顺利进行。对于炼钢连铸问题，已经有了大量的学术的研究和实际现场的验证，并已经取得了很大的成果，但是国内外对于炼钢-连铸/模铸混合调度问题的研究，却很少。本课题是以国内某大型钢铁企业为研究背景，针对于该企业的特殊模铸工艺存在的特点为研究背景，提出了针对炼钢-连铸/模铸混合生产加工的特殊工艺情况，提出解决方法。1.4 本文主要工作本文以钢铁企业炼钢-连铸/模铸混合调度生产过

34、程为背景，针对炼钢-连铸/模铸混合调度问题进行了研究，并设计和开发了相应的动态调度系统。主要研究工作包括：1) 在调研炼钢调度现场生产工艺流程、进行调度过程描述、分析复杂性基础上，总结了多生产模式炼钢-连铸/模铸混合生产调度策略；2) 以多生产模式炼钢-连铸/模铸混合生产调度策略为依据，提出了连铸/模铸混合计划分批次调度策略、整半炉次连铸计划调度方法，以及整半炉次连铸与混合浇期模铸计划调度方法，包括半炉次连铸计划启发式编制方法、整炉次连铸计划启发式编制方法、半次连铸计划与混合浇期模铸计划启发式编制方法、整炉次连铸与混合浇期模铸计划启发式编制方法和连铸/模铸混合生产调度批次综合方法；3) 在总结

35、多生产模式连铸/模铸混合生产调度策略基础上，进行了系统软件设计与开发，包括静态调度子系统设计思想、初始化、数据输入/输出、人机界面、数据处理以及主体算法模块；4) 应用现场实际数据进行测试，验证了调度整体解决方案、连铸/模铸混合生产调度策略和调度方法的有效性。5) 采用C+语言和Oracle 10g/MS-SQL数据库技术建立了调度系统的算法主体部分，并通过建立动态链接库的方式实现其他程序对算法程度的调用。6) 通过现场数据的模拟验证，通过甘特图和表格的方式显示得到仿真测试的结果，可以看出，对于炼钢-连铸/模铸混合生产计划的编制结果可以达到功能要的要求，并且通过软件的测试，调度的方法可以在比较

36、短的时间内得到满意的结果，实现了炼钢-连铸/模铸混合生产计划的计划编制。- 6 -东北大学硕士学位论文第一章 绪 论- 68 -东北大学硕士学位论文 第二章连铸模铸混合生产炼钢调度过程描述第二章 连铸模铸混合生产炼钢调度过程描述2.1引言为了方便讨论和统一对业务对象的理解，特将相关名词总结如下：(1)工位：也称为处理位，指在一个处理操作过程中，指一个炉次计划在某个设备上的作业时间范围。一个炉次整个生产过程中包括多个生产工位。(2)炉次：一炉铁水经过转炉冶炼后，顺序经过精炼过程和连铸过程的一个作业单位，它由多个连续的单元组成，相当于工件Job。(3)工序：指炼钢过程的阶段数，一般包括冶炼工序、精

37、炼工序和连铸/模铸工序。一个工序可能包含多个工位，例如一个多重精炼工序包含多个工位，每一重精炼就是一个工位。(4)路径：一般情况下与炉次对应，指一个炉次中各个单元工位的顺序集合。(5)浇次：由工艺要求决定的多个炉次顺序构成的集合。(6)冲突：同一工位上的两个或多个单元在作业时间上的重叠。(7)处理时间：一个单元的作业时间范围。(8)传搁时间：工位间的运输、传递时间。(9)断浇：一个浇次内在连铸工位上，本应连续浇注的各炉次，出现的分断情况。(10)炼钢-连铸/模铸调度计划：简称调度计划，它指定各作业的执行设备以及在该设备上执行的开始时刻和结束时刻。它具体明确了某个设备需要顺序完成哪些个炉次计划，

38、在什么时刻开始加工，在什么时刻结束加工；同时也明确了某个炉次计划在多个设备上的加工次序及作业时间。(11)半炉次计划：已经开始生产，但在浇铸工位还未开始生产的炉次计划；(12)整炉次计划：没有开始生产的炉次计划。(13)有浇期模铸计划：按照要求，要在规定的时间，即在开浇时间之前进行浇注生产。(14)无浇期模铸计划：在保证有浇期模铸计划和连铸计划生产顺利进行的前提下，可以在任意时间生产，但是要兼顾整体生产的优化性。图2.1调度计划甘特图形式Fig.2.1 Diagram of schedule plan show in Gantt paragraph一般情况下调度计划有两种表示形式，甘特图和表格

39、。图2.1所示为连铸和模铸混合生产的调度计划的甘特图表示形式，为了容易分别相邻炉次用不同颜色进行表示。如图所示，纵轴为设备列表，表明炼钢-连铸/模铸混合过程中的设备情况，横轴是时间坐标轴，表示作业时间坐标；图中数字1-4代表炉次在浇次内序号(这里只画出一个浇次的计划，实际生产中是多个浇次构成一个连连浇Cast连续浇铸)，图中字母“A”、“B”表示两个模铸浇次计划；炉次“1”表示的一个半炉次连铸计划，炉次“A”表示一个半炉次模铸计划；炉次2-4表示整炉次连铸计划，炉次“B”表示整炉次模铸计划；每条横线代表一个机器设备，每个长方型代表一个工位，长方形的长表示所在机器上加工时间的范围；由虚线连接的多

40、个长方形表示一个炉次，同一个炉次的两个相邻工位间的虚线表示为运输时间与冗余等待时间之和。竖线是表示当前时间t，利用这条虚线作为参照轴，是随着生产的进行，可以观察到相应时间工位使用情况，炉次生产情况。甘特图表示了各炉次及其各个工位在炼钢-连铸/模铸混合生产过程中的任务安排，同时表现了炉次在路径与作业时间的两维关系，使调度人员可以在整体上观察到整个生产的任务安排情况，同时可以看到当前生产执行的状态(哪些单元未生产、哪些单元正在生产、哪些单元已生产结束、某个具体设备上是否正在生产等)，这是非常直观的表现形式。表格形式可以按不同的字段标识进行浏览和编辑，其中每一行都是一条炉次计划，其中包含内容如下图2

41、.2所示。图2.2 调度计划的表格形式Fig.2.2 Diagram of schedule plan show in table为了表述问题，也为了能直观描述问题需要，文中对于调度问题的阐述和说明都是在甘特图基础上进行的。图2.3钢铁生产工艺过程Fig.2.3 Diagram of the process of steel making钢铁生产是一个高温、高能耗、物流量巨大的加工过程，整个生产流程工艺复杂，工序很多，各工序的工艺约束和目标也不尽相同29,30,31,32。钢铁企业的生产调度是一个极为复杂的工业生产调度问题，涉及到多方面的问题:工件聚类与加工优先级约束、机器设置和移除时间以及工

42、件等待的高费用33,34,35等。高效实用的钢铁生产调度必须建立在对钢铁生产工艺过程的充分了解基础之上。人类冶炼钢铁的历史可以追溯到公元前一千年。现代钢铁冶炼仍然保持了最初的两步法：先把矿石炼成生铁，再把生铁炼成钢。现代钢铁生产工艺过程较为复杂，涉及的工序很多，一个典型钢铁企业的生产工艺过程如图2.3所示36，可以分为三大部分：炼铁(Iron Making)区域、主炼钢(Primary Steelmaking)区域和精整加工(Finishing)区域，其中主炼钢区域包括炼钢、连铸、热轧等工序，精整加工区域包括冷轧、镀涂等工序。2.2炼钢生产工艺流程炼钢-连铸/模铸混合生产过程是现代钢铁企业的核

43、心工序, 其基本生产流程是转炉将高炉生产的铁水进一步冶炼为钢水，经过精炼炉进行精炼后，以保证钢水的化学成分和温度等工艺指标满足制造工艺的要求, 然后在连铸机或者模铸机上浇注成一定尺寸外形的板坯，供给下游生产工序或用户。因此，炼钢-连铸/模铸混合生产具有承上启下的地位和作用，同时对此过程的调度管理对确保钢铁企业生产的高效运行起着非常重要的作用。国内某炼钢厂炼钢-连铸/模铸混合生产过程是一个由冶炼、精炼、模铸和连铸四个生产阶段构成的，一般情况下有多台转炉设备、多台类型不同的精炼炉设备(如RH设备、LF设备、CAS设备、KIP设备等)，多台连铸机以及多个模铸工位组成。所以炼钢-连铸/模铸生产过程是存

44、在多设备并行机条件下，不同类型、不同批次的生产原料(铁水、冶炼钢水、精炼钢水等)，通过物流运输系统(天车、台车、钢包、铁水包等)在时间维度与设备维度上进行交叉、流转的复杂过程。从炼钢工序到连铸模铸工序是整个钢铁生产流程的重要组成部分，其设备、产品种类繁多，这样就造成不同钢种要求的加工路径不同。炼钢-连铸/模铸混合生产，其精炼环节包括一重精炼、二重精炼、三重精炼甚至有四重精炼，而且不同种精炼路径的炉次计划往往会要在同一班次进行生产。另外连铸和模铸的开浇时间，只要在用户要求的时间范围内，是可以变化的。工艺路线与钢种有关，不同类型的钢种可能有不同的精炼需求及处理时间需求；前后工序的物流要协调一致，时

45、间节奏要紧密衔接；生产过程一般都需要高温连续作业，没有中间库存，等待时间的增加可能意味着温度的降低、再升温能源的浪费和生产成本的增加；需要对加工对象进行一定组合，按批量生产。炼钢包括转炉/电弧炉炼钢和精炼两个阶段，基本任务包括以下3个方面：(1)脱碳并将其含量调整到一定范围。钢中含碳量增加，则硬度、强度、脆性都将提高，而延展性能将下降。通过碳的氧化造成溶池的激烈沸腾以去除钢中的气体和非金属杂物其反应式为37： (2)除去杂质。主要包括：.脱磷、脱硫。P可以引起钢的冷脆，而S则引起钢的热脆。脱磷、脱硫的反映如下37：加入强碱性氧化物的目的是使与其生成稳定的磷酸钙，从而提高渣氧化脱磷能力。(3)调

46、整钢液成份和温度。为保证钢的各种物理、化学性能，还应加入适量的合金元素，并使其含量达到规定要求；控制温度主要是保持一定的温度范围，进行化学反应。主炼钢区域包括图2.3中的炼钢、连铸和热轧，是钢铁生产中的主要工序。主炼钢区域接收高炉炼制出来的铁水，并将铁水加工成为半成品(板坯、钢卷、棒材、线材等)，这些半成品根据其中所含的金属成分不同分为不同的钢级，规格也不尽相同。主炼钢区域的重要生产设备为转炉或电弧炉，精炼炉、连铸机和模铸。炼钢(转炉或电弧炉)炼钢的主要任务就是按照所炼钢种的质量要求将炼钢原料(生铁、废钢)熔化，通过氧化作用及加入铁合金将其中的碳、锰、硫、磷及其他元素含量调整到规定的范围并达到

47、一定的出钢温度准备浇铸。高炉铁水运输到炼钢炉后，和废钢一起倾倒入炼钢炉中。然后通过加热将炼钢炉中的铁水和废钢加工成均匀的液态钢水，去除其中的杂质和其中所含的碳使其达到希望的比例。钢铁生产一般用两类炼钢炉：转炉和电弧炉，其中转炉更为常见。根据原料来源特点，炼钢炉必须保证能消化所有高炉生产出来的铁水。而在炼钢炉的输出方面，每一炉生产的钢水都具有一个特定的钢级，炼钢炉每次加工的钢水都是一个满容量。精炼炼钢炉生产出的钢水有时还需要进行精炼，钢水放置在钢包中,由天车、台车运送到精炼设备处，一个钢包的容量和一个炉次的容量相等。在精炼炉内通过添加金属成分等生产特定钢级的钢水。精炼过程中，每炉钢都经过的规定数

48、量的精炼工位加工，即可能一炉钢要经过多个精炼工位，而每一个精炼工位对其加工设备都有工艺精炼类型要求。连铸精炼后的钢水运往连铸机进行加工，满足成份和温度要求的精炼钢水被注入连铸机上面的大包，钢水通过大包流入连铸机的结晶器拉制成具有一定钢级和规格的钢坯，并为热轧工序或其它工序提供原料。连铸机要尽量连续浇铸，否则就必须重新引杆开启铸机，每开启一次连铸机需要设备的调整时间和调整费用，而且会使产量降低。为了提高生产效率，降低生产成本，就需要把尽可能多的炉次计划在同一连铸机上进行连续浇铸。板坯有几个重要参数:宽度、厚度、长度、重量和钢级。每个炉次生产的钢水重量都是固定的，一个炉次的钢水在连铸机上浇注出来的

49、板坯一般为1020块左右。附图2.4，模铸线生产布局示意图：图2.4 模铸线生产布局示意图Fig.2.4 Diagram of the position mould casting line模铸某炼钢厂有其特有的生产方式，模铸生产就是最明显的特别之处，模铸的主要工艺情况如下：l 某炼钢模铸部分由2个跨，4条台车线，7个处理位(30，31，40，41，51，52，61)，每两个相邻处理位共用一个台车线；l 在制造时间上，模铸计划的处理时间，在转炉上一般是45到50分钟，精炼与钢种有关，普遍占较长时间，模铸时间与具体钢种有关，静置时间一般是4到5个小时，最长的约8小时，有些钢种的静置时间是有最大边

50、界限制(不能超期静置)；l 模铸计划在一天内大约有14条左右，占一天计划的5%10%；l 模铸计划有一定的优先级规则，订单存在交货期，对于一些有浇期模铸订单，是在要开浇时间之前生产，对于一些无浇期模铸计划的订单，一般情况下是按转炉处理能力来安排无浇期模铸计划，且具体模铸计划无具体处理位，模铸计划间一般也无作业顺序要求；l 对于有浇期模铸订单，则要在规定时间前完成，而且有浇期模铸计划的优先级，是比连铸计划的优先级别高的，即当需要有浇期模铸生产的时候，即使出现连铸断浇的情况，也要保证有浇期模铸生产。l 影响模铸计划的另一个因素是工艺条件，它包括台车线是否被占用、是否有钢种对应的锭模来浇铸钢锭；l

51、模铸工艺还包括热模铸和冷模铸，冷模铸需要锭模预热过程，同时也可能因此来构成模铸计划的约束。2.3炼钢调度过程描述2.3.1炼钢调度特性分析炼钢-连铸/模铸混合(SCC&IC)生产过程由冶炼、精炼和连铸/模铸三个主要阶段构成，如图2.5，整体炼钢-连铸/模铸混合生产过程是一个由冶炼、精炼和连铸三个生产阶段构成，一般情况下有多台转炉设备、多台类型不同的精炼炉设备(如RH设备、LF设备、CAS设备、KIP设备、IR_UT设备等)及多台连铸机和模铸机。所以炼钢-连铸/模铸混合生产过程是存在多设备并行机条件下，不同类型、不同批次的生产原料(铁水、冶炼钢水、精炼钢水等)，通过物流运输系统(天车、台车、钢包

52、、铁水包等)在时间维度与设备维度上进行交叉、流转的复杂过程。其主要的工艺特点是：生产过程是多阶段连续进行的，带有间歇性；工艺路线与钢种有关，不同类型的钢种可能有不同的精炼需求及处理时间需求；前后工序的物流要协调一致，时间节奏要紧密衔接；生产过程一般都需要高温连续作业，没有中间库存，等待时间的增加可能意味着温度的降低、再升温能源的浪费和生产成本的增加；需要对加工对象进行一定组合，按批量生产。总体上属于无中间等待时间的工艺流程，在时间维度与设备维度上进行交叉、流转的复杂过程。炼钢-连铸/模铸混合生产过程是一个对加工时间、钢水温度和质量成份都有极高要求的一个多模式、多工序、多设备、多扰动下的多目标生

53、产调度优化问题。多模式主要体现在：冶炼、精炼是一个间歇的生产模式，在铸机工序部分，连铸是一个不间断的生产模式，要求一个浇次内的所有炉次在连铸机连续生产，而模铸却是一种必须间断生产的离散生产模式，要求模铸浇注后必须在浇注位置镇静一段时间以后才可以进行下一次浇注；并且由于不同模铸计划对于开浇时间的要求不同，这样导致连铸和模铸生产的首先级别也不同，这样就产生了不同开浇时间的模铸计划和连铸计划协调生产的组合多模式问题。图2.5 工艺流程示意图Fig.2.5 Diagram of the sketch map of product多设备主要体现在：生产过程中炉次计划需要进行加工的设备众多，包括主要加工阶

54、段(冶炼、精炼和连铸/模铸)的设备，另外在生产过程中还涉及天车，台车，模铸浇注工位，模铸浇注锭模等辅助设备资源的合理分配，才能保证生产的稳定进行。多工序主要体现在：整个生产过程存在冶炼、精炼、连铸/模铸三阶段，并且由于钢种对于成份的要求不同，经过的精炼重数也可能是一重或者多重，甚至为了调整物流平衡，生产没有经过精炼的钢种。多扰动主要体现在：生产的过程中由于现场环境造成时间偏差、温度过低、质量成份不合格、设备故障等问题出现的时间扰动、温度扰动、成份扰动等多种扰动。调度目标有多个：由于炼钢-连铸/模铸混合生产是一个多模式，多工序，多扰动的问题，简单的目标不能全面综合产生优化的结果，只能从多个目标体

55、现，包括最小化最大完成时间、冗余等待时间最小、负荷均衡。2.3.2炼钢调度系统关联分析国内某炼钢厂的生产管理(计算机软件系统关联关系)主要是分级方式，即L1、L2、L3和L4级，分别表示生产和运维底层、过程控制层、制造执行管理系统层和企业资源计划层38-43。计划层(Manufacturing Resources Planning/Enterprise Resources Planning，MRP/ERP)：强调企业的计划性。它以客户订单和市场需求为计划源头，充分利用企业内的各种资源，合理安排生产，降低库存，提高企业效益。执行层(Manufacturing Execution System，M

56、ES)：强调计划的执行功能。通过 MES把MRP/ERP与企业的现场控制有机地集成起来，其关键是强调整个生产过程的优化，同时又与计划层和控制层保持双向的通信能力，从上下两层接收相应的数据并反馈处理和生产指令。因此，MES 起到承上启下的作用，不但能够完成计划层的实现，而且还可以为后续的控制提供必要的参考，简化后续工作的操作量。AMR 将 MES 定义为“位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理信息系统”，它为操作人员和管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源(人、设备、物料、客户需求等)的当前状态。过程控制层(Process Control System，PCS)：生产过程

57、监测监控层由炼钢各个生产过程监测、监控子系统构成，完成炼钢生产各个环节的过程监测、自动化控制及安全监测。这些子系统采用的技术和结构 形式可以多种多样，例如，可以是基于PC的分布式系统、PLC系统，也可以是智能化的机电一体化设备，通过总线方式接入综合信息化监控层网络。该层主要功能是实现对炼钢各安全参数的监测和对炼钢过程中的主辅设备的控制，以及对于炼钢情况的监测。L3层主要是我们的研究对象，而炼钢-连铸/模铸混合调度管理是L3层的一个重要的实时工作项。它是L3级的神经，操控指导着L2级，联系着L4级，并横向影响到工艺前序的炼铁和后序的热轧，处于枢纽地位。调度管理关系如下图2.6所示：图2.6炼钢-

58、连铸/模铸混合计划调度管理关联关系Fig.2.6 Diagram of relationship of steelmaking continuous and mould casting schedule management管理过程的流程描述：l L4下发浇铸顺计划给调度，调度人员根据实际情况安排生产，编制出钢计划；l 下发到L2，执行；l L2实时上传运行状态；l 调度根据运行状态，不断修正、调整出钢顺计划，再次下发；l 以上过程多次反馈；l 炼铁与炼钢相互协调(铁钢对应)；l 炼钢与热轧相互协调(热送板坯、保温缓冲等)。由上可知，炼钢生产中钢铁生产加工链中的核心工序，调度管理是这一过程的核

59、心环节，有着举足轻重的地位和作用。2.4炼钢调度复杂性分析由于炼钢-连铸/模铸混合生产过程中处理机的数量、种类和环境情形各异，工件和资源的约束条件更是错综复杂，加上度量不同指标的目标函数，形成了种类繁多的调度问题，与经典调度问题相比，炼钢-连铸/模铸混合生产调度问题主要体现出以下特征:(1)综合因素分析的复杂性要准确的建模、求解、及时进行计划编制就要对炼钢-连铸/模铸混合生产过程中的有浇期模铸的开浇时间，连铸的衔接和物流流量因素进行综合考虑，而有的因素之间存在着相互的关联性，给因素的精确分析带来了一定的很大的困难性。例如，通过生产过程中，要优先生产有浇期模铸计划，即应先保证有浇期模铸计划在设定

60、的开浇时间之前进行模铸浇注，由于有浇期模铸计划在转炉精炼工序对设备的选择优先级高于连铸计划的优先级，这样就会给连铸生产的物流平衡带来一定的困难，这就需要在优先保证有浇期模铸计划生产的前提下，尽量保证连铸连连浇cast连续浇铸。另外在进行无浇期模铸计划生产的时候，由于无浇期模铸计划比有浇期模铸计划和连铸计划的优先级低，在转炉和精炼阶段对于设备选择的优先级别也是最低的，所以无浇期模铸计划可能造成整体调度结果不够优化，这样需要在局部损失一些参数的优化来提高整体的优化性能。 (2)建模复杂性炼钢-连铸/模铸混合生产包括炼钢、精炼、连铸/模铸环节，同时还有许多辅助环节，要进行有效的建模，首先要考虑连铸，

61、无浇期模铸和有浇期模铸由于生产的优先级别不同而造成的生产的制约和影响，还必须考虑到各环节之间的物流稳定和平衡；其次，由于装卸作业、装卸设备、库场及搬运系统之间相互影响、相互作用，每个作业具有到达时间、装卸时间、准备时间、操作顺序及交货期等属性，因而实际调度问题相当复杂，这使精确描述其间的约束关系，建立相应数学模型非常困难。(3)计算复杂性由于调度问题是在等式或不等式约束下求性能指标的优化，多数为NP难的组合优化问题，即不存在多项式时间的最优算法，而且随着问题规模增大，求解最优化结果的计算量呈指数增长，使常规最优化方法无能为力，只能使用近似算法或者启发式算法。Garey等44证明即便对于单机调度

62、问题，如果考虑n个作业而每个作业只考虑加工时间与序列有关的准备时间，就等价于n个城市TSP问题。(4)多目标性实际的计划调度往往是多目标的，并且各个目标之间可能发生冲突。炼钢-连铸/模铸混合生产过程要考虑的首要目标是尽量保证连铸机连续浇铸、钢水运输过程中冗于等待时间尽量小，保证有浇期模铸计划的开浇时间。此外，还要考虑有效利用设备资源、降低成本等。这种多目标性导致调度的复杂性和计算量急剧增加。(5)多约束性任何一个调度问题都要满足机器、工件和定单等多方面的约束。炼钢-连铸/模铸混合生产工艺过程必须在铁水仍然熔化的状态下完成，每一炉次的等待时间应少于工艺限定的时间；为了使炼钢-连铸/模铸混合产量最

63、大，连铸机尽量不断浇，保证有浇期模铸计划的开浇时间和无浇期模铸计划加入生产时的整体优化。这些构成了调度问题的种种约束。当全面建模后，问题的规模也急剧增大。由于调度问题大都是NP-hard的组合优化问题，求解时间随问题规模呈指数增长。为此，如何在模型全面化与有效求解之间权衡，是调度过程需解决的问题。(6)主体设备与辅助设备综合协调调度的复杂性从国内外研究资料表明，对炼钢-连铸生产调度系统研究均局限在主体设备(转炉，精炼炉，连铸机/模铸机)上，很少有人关注辅助设备(钢包、天车、台车，模铸浇注工位等)调度问题。在实际生产中容易出现辅助设备的调度同主体设备的调度不协调现象，造成钢包、天车和台车不能及时到位，使得编制好的生产作业计划不能及时配备到相应的主体设备上，影响主体设备对生产计划的执行，影响企业的生产效益。因此辅助设备与主体设备协调调度方法的研究对整个调度计划的可行性起到重要作用。而目前主体设备和辅助设备调度的时间尺度不一致，主体设备可以提前预调度，而辅助设备采取实时匹配的原则不做预调度，使得主体设备与辅助设备综合协调调度存在极大的困难性。2.5存在问题由于现在现场的炼钢-连铸/模铸混合生产计划是由人工排定的，对计划在以后的执行效果没有一个直观的、明确的