“一罐制”鐵水調(diào)度優(yōu)化模型的研究

范波，蔡樂才

（四川理工學(xué)院a.自動化與電子信息學(xué)院；b.計算機學(xué)院，四川自貢643000）

“一罐制”鐵水調(diào)度優(yōu)化模型的研究

范波a，蔡樂才b

（四川理工學(xué)院a.自動化與電子信息學(xué)院；b.計算機學(xué)院，四川自貢643000）

鐵水轉(zhuǎn)運是鋼鐵生產(chǎn)的一個關(guān)鍵銜接環(huán)節(jié)，對控制鋼鐵生產(chǎn)節(jié)奏、保證產(chǎn)品質(zhì)量起著極其重要的作用。鋼鐵生產(chǎn)新工藝的“一罐制”鐵水運輸，縮短了鋼鐵界面流程，使生產(chǎn)的剛性和連貫性增強，對鐵水轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的要求更高，因此鋼鐵企業(yè)日益重視對鐵水轉(zhuǎn)運調(diào)度的研究。在對行車起重機+鐵水車“一罐制”鐵水轉(zhuǎn)運和調(diào)度的研究基礎(chǔ)上，分析了新工藝流程中鐵水轉(zhuǎn)運系統(tǒng)的特點，對鋼鐵生產(chǎn)的調(diào)度計劃進(jìn)行優(yōu)化，建立了基于“一罐制”鐵水轉(zhuǎn)運多目標(biāo)徑路優(yōu)化模型，并給出了模型算法。算法實現(xiàn)了新工藝下鐵水物流運輸?shù)闹悄軆?yōu)化調(diào)度，使鐵水運輸趨于準(zhǔn)點，降低生產(chǎn)能耗。

一罐制；鐵水運輸調(diào)度；優(yōu)化模型

引言

近年來，鋼鐵生產(chǎn)計劃的調(diào)度問題越來越受到國內(nèi)外專家的重視，建立了一些基于不同工藝流程的鐵水調(diào)度模型∶如文獻(xiàn)［1］基于魚雷罐車（Torpedo car，TPC）的鐵水調(diào)度模型仿真，對鐵水運輸分區(qū)路徑的動態(tài)和靜態(tài)選擇算法進(jìn)行一定的研究；文獻(xiàn)［2］為寶鋼鐵水調(diào)度配置機車，以及機車任務(wù)配置建立了數(shù)學(xué)模型并求解；文獻(xiàn)［3］分析了鐵水物流過程中的擾動情況，并開發(fā)了基于可視化圖形化的鐵水調(diào)度仿真系統(tǒng)；文獻(xiàn)［4］建立了鐵水分配問題的模型，在模型中由分配的鐵水重量代替鐵水重罐的數(shù)量，先通過枚舉法獲得鐵水重罐整數(shù)解，然后基于兩步驟的二進(jìn)制搜索算法獲得數(shù)量精確解。但這些模型并沒考慮鐵水重罐調(diào)度時間上的優(yōu)化，而在鋼鐵實際生產(chǎn)中，如果鐵水重罐運輸不及時，會造成鐵水一定溫降，增大生產(chǎn)能耗。

現(xiàn)在關(guān)于鐵水運輸調(diào)度的文獻(xiàn)絕大多數(shù)都是針對“TPC+機車”運輸模型的分析和仿真，而關(guān)于“一罐制”鐵水調(diào)度優(yōu)化問題還鮮有研究。本文在分析了某鋼鐵廠起重機+過跨鐵水車“一罐制”鐵水轉(zhuǎn)運新工藝后，針對“一罐制”鐵水運輸工藝，建立了多目標(biāo)調(diào)度優(yōu)化模型，并求解分析結(jié)論。

1 “一罐制”鐵水運輸調(diào)度問題的描述

某鋼鐵廠目前一期煉鐵區(qū)域建有2500 m3高爐三座，KR脫硫站3座，煉鋼區(qū)域配置210 t轉(zhuǎn)爐3座，如圖1所示。

鐵水運輸采用國際鋼鐵業(yè)新近發(fā)展起來的“行車起重機+過跨鐵水車”的“一罐制”工藝［5］。這3座高爐各有3個出鐵口，高爐兩側(cè)同時出鐵。重罐轉(zhuǎn)運流程如圖2所示，在正常生產(chǎn)情況下，鐵水罐在出鐵場受鐵。在受鐵的同時，軌道稱量，每罐鐵均裝鐵水190±2（稱此罐為重罐）方可進(jìn)入轉(zhuǎn)運跨。起重機將重罐吊運到脫硫站脫硫，脫硫結(jié)束后，重罐再經(jīng)轉(zhuǎn)運跨、起重機和鐵水通廊鐵水車轉(zhuǎn)運至煉鋼車間加料跨內(nèi)等待。待轉(zhuǎn)爐兌鐵倒空后，鐵水空罐由鐵水通廊鐵水車運回鐵水轉(zhuǎn)運跨，循環(huán)受鐵。不合格罐，離線檢修。

重罐和空罐的運輸構(gòu)成了整個鐵水轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，這是一個環(huán)狀的動態(tài)循環(huán)周期流程［6］。整個鐵水轉(zhuǎn)運系統(tǒng)從空罐接滿鐵水變成重罐開始，重罐經(jīng)過相應(yīng)環(huán)節(jié)（扒渣、脫硫等）的轉(zhuǎn)運處理，進(jìn)入煉鋼轉(zhuǎn)爐，最終生成空罐，然后空罐經(jīng)過相應(yīng)環(huán)節(jié)（如離線檢修）的處理，又去受鐵生成重罐，循環(huán)反復(fù)以上這過程，使得鐵水罐始終可以保持一個均衡狀態(tài)。若重罐流程或空罐流程存在堵塞或運輸不暢，都會打亂這個平衡，進(jìn)而影響整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)效率。算法，使轉(zhuǎn)運時間最少，每次用罐最少，起吊次數(shù)最少、重罐等待時間最少、轉(zhuǎn)運周期時間最少、重罐均重最重，如圖3所示。

2 “一罐制”鐵水調(diào)度優(yōu)化模型的建立

該鐵水轉(zhuǎn)運系統(tǒng)是一個多環(huán)節(jié)、多運輸方式的生產(chǎn)動態(tài)運輸過程，同時也是一個離散與連續(xù)相混合的動態(tài)運輸過程［6-7］。根據(jù)“一罐制”鐵水運輸系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)，遵循從簡到繁的原則，對模型中的部分問題進(jìn)行假定∶

（1）每個中心環(huán)節(jié)所進(jìn)行的運輸作業(yè)都滿足生產(chǎn)規(guī)程。

（2）所有環(huán)節(jié)的作業(yè)都是在準(zhǔn)備就緒后進(jìn)行。

（3）每個環(huán)節(jié)作業(yè)開始以后就不允許中斷。

（4）鐵水重罐在運輸中間等待時間不能太長，因為等待時間過長，鐵水會降溫，不能直接送入煉鋼轉(zhuǎn)爐，則要將等待重罐放在車間就近重罐座重新加熱。本文假定用鐵水等待時間來衡量鐵水的溫降。

（5）鐵水的運輸工具由過跨鐵水車和行車起重機組成，在模型中，我們只關(guān)心兩者時間是否會延遲，假定過跨車與行車的運行時間只根據(jù)轉(zhuǎn)運距離確定。

（6）不合格的空罐檢修屬于靜態(tài)過程，并且檢修時長不確定，所以只能單獨作為一個模型來考慮。

（7）只考慮一次出鐵的重罐和空罐這兩個方面。

基于上述假定，給出模型優(yōu)化目標(biāo)∶確定一個調(diào)度

2.1 定義參數(shù)

tiz-d∶第i個重罐估計等待時間，其中i=1，2，3，…；μv∶因不同原因而等待的等待權(quán)重系數(shù)（根據(jù)生產(chǎn)情況確定）；tjk-d∶第j個空罐估計等待時間，其中j=1，2，3，…；tzdl∶重罐最長一次等待時間；ωjh-i∶計劃安排鐵水罐裝載權(quán)重（根據(jù)生產(chǎn)時間計劃）；Mct∶計劃一次出鐵的總質(zhì)量；miz∶第i個重罐裝鐵水質(zhì)量；mzj∶鐵水罐最佳裝載量；Mst∶實際一次受鐵的總質(zhì)量；tict-ts∶第i個罐從出鐵場到脫硫站轉(zhuǎn)運的時間；Tct-ts∶從出鐵場到脫硫站完畢的總時間；xct-ts∶從出鐵場到轉(zhuǎn)運站的運輸量；Cuts∶脫硫站的作業(yè)能力，其中u=1，2，3，…；tits-zl∶從脫硫站到煉鋼加料跨轉(zhuǎn)運第i個重罐的時間；tzl∶煉鋼加料跨作業(yè)時間；Tts-zl∶脫硫站到煉鋼加料跨的轉(zhuǎn)運總時間；xts-zl∶脫硫站到煉鋼加料的運輸量；Tct-s∶一次轉(zhuǎn)運計劃中受鐵實際時間。

鐵水罐平均裝載權(quán)重ˉω計算方法∶

出鐵場到脫硫站作業(yè)完畢的總時間Tct-ts為∶

脫硫站到煉鋼加料跨的轉(zhuǎn)運總時間Tts-zl為∶所有罐等待的總時間Td按式計算∶

2.2 模型

以轉(zhuǎn)運總時間Ttotal最小為目標(biāo)函數(shù)建立模型∶

其中，

3 “一罐制”鐵水調(diào)度優(yōu)化模型的算法

為了使算法快速收斂，先對徑路的安排進(jìn)行排序，設(shè)計排序過程算法A［8］∶計算各個鐵水罐的裝載權(quán)重；

Step2∶若ωa＞ωb，則Da＞Db，且μa＜μb（D為鐵水罐集合）。其中a，b∈［1，T］且a，b∈N。即有D=｛D1，D2，…，DT｝，其中Da≤Db，（1≤a≤b≤T）。

針對動態(tài)調(diào)度最優(yōu)化模型，設(shè)計以下算法B∶

Step1∶調(diào)用算法A。設(shè)D，a，其中Pa為安排標(biāo)志；

Step2∶a=1；

Step3∶如果Da＞Da+1，則優(yōu)先安排Da，按煉鋼鐵水需求量修正轉(zhuǎn)運；若調(diào)度作業(yè)能力Da=Da+1，則選擇Da以后裝載權(quán)重相等的鐵水罐，構(gòu)成新的轉(zhuǎn)運鐵水罐集合D′，D′?D，在這樣的情況下則只需要從等裝載權(quán)重的鐵水罐中隨機選擇一個作為此次計算處理的對象，Pa=1，修正集合D，得到安排集合Dap，進(jìn)入煉鋼側(cè)；

Step4∶a=a+1，若a＜T，則轉(zhuǎn)至Step3，否則算法結(jié)束，輸出結(jié)果。

Step1∶根據(jù)鐵水罐平均裝載權(quán)重

4 算法的應(yīng)用及分析

鐵水運輸調(diào)度系統(tǒng)為了滿足生產(chǎn)的剛性需求，必須適應(yīng)前后工序的銜接，從而對重罐和空罐的協(xié)調(diào)性要求會更高。在轉(zhuǎn)運過程主要經(jīng)過脫硫工藝的處理每次將鐵水罐轉(zhuǎn)運到煉鋼加料跨即可。在一次鐵水轉(zhuǎn)運全部送完的前提下，鐵水罐按生產(chǎn)計劃從高爐快速、高效地運送到煉鋼側(cè)，至于鐵水罐到達(dá)煉鋼廠后的轉(zhuǎn)運由煉鋼生產(chǎn)自行安排［9-10］。某鋼鐵廠現(xiàn)基于“一罐制”鐵水調(diào)度優(yōu)化模型，其運轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)如圖4所示，鐵水罐經(jīng)高爐G（三座高爐G1，G2，G3），脫硫T，煉鋼加料跨L這三個環(huán)節(jié)進(jìn)行轉(zhuǎn)運。各環(huán)節(jié)作業(yè)時間如下∶

（1）各高爐到脫硫站的運輸時間∶

（2）脫硫站到煉鋼加料跨的運輸時間∶

T→L∶12min

各高爐出鐵場鐵水罐集合D根據(jù)優(yōu)化算法中鐵水罐的平均裝載權(quán)重確定，具體表示為∶

由此則可以確定D1，D2，D3到達(dá)脫硫站的平均時間∶6 min，則知高爐到煉鋼加料跨運輸全過程的平均時間為G→T∶18 min。

從分析得出的結(jié)果（表1）看，基于本模型優(yōu)化后的轉(zhuǎn)運全過程的平均時間耗時18 min+Δt（Δt為鐵水罐進(jìn)出脫硫站的冗余時間，該時長一般都較短，在本優(yōu)化模型研究中處于可忽略的部分），這比在某鋼鐵廠實際轉(zhuǎn)運鐵水記錄中的最少時間23 min用時還少，這大大減少了重罐在各環(huán)節(jié)運輸過程中的等待時間。由此可見，本文提出的優(yōu)化模型更加高效，能有效保證鐵水配罐和轉(zhuǎn)運調(diào)度的準(zhǔn)時性，減少鐵水重罐的等待時間，提高鐵水罐的利用效率。

5 結(jié)束語

本文針對鋼鐵生產(chǎn)鐵水轉(zhuǎn)運新工藝流程，分析了新工藝的特點和基于該工藝對鐵水調(diào)度的要求。在結(jié)合新工藝流程的特點及調(diào)度要求的基礎(chǔ)之上，建立了綜合考慮調(diào)度過程和作業(yè)時間的鐵水調(diào)度多目標(biāo)徑路優(yōu)化模型，并確立了算法。算法分析表明，基于本優(yōu)化模型的鐵水調(diào)度系統(tǒng)，大幅減少了鐵水的冗余等待時間，減少了溫降，提高了調(diào)度效率，能及時滿足煉鋼轉(zhuǎn)爐冶煉時間的配比要求，為鐵水調(diào)度的徑路優(yōu)化問題提供了參考，從而進(jìn)一步推進(jìn)了基于“一罐制”工藝的鐵水運輸調(diào)度模型的研究。鐵水運輸?shù)臏?zhǔn)時制提高了生產(chǎn)效率，降低了能耗，具有在鋼鐵生產(chǎn)中應(yīng)用的價值。鐵水調(diào)度優(yōu)化問題勢必會提上日程，成為日后鋼鐵生產(chǎn)中節(jié)能減排的研究重點。

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Research on Scheduling Optim ization Modelof Hot Metal Can of System

FAN Boa，CAILecaib
（a.School of Automation and Electronic Information；b.School of Computer，Sichuan University of Science&Engineering，Zigong 643000，China）

The transportofmolten iron is a critical partof steel production and an importantmean to ensure steel product quality.It is the crumple zone between the ironworks and steelworks and plays a crucial role to control the rhythm of the transport ofmolten iron.With the applications of“hotmetal can of system”transport，the steel interface process is shortened，the rigidity and consistency of firm production are reinforced，and it demands a higher level of themolten steel transport system.So the iron and steel enterprises have begun to paymore attention on scheduling research ofmolten iron transport.Based on the scheduling research of crane and iron ladle of hotmetal can of system，the characteristics of the system are analysed，then the operation plan of steel production is optimized and the scheduling optimization model based on hotmetal can of system is established，finally，an algorithm of themodel is obtained.The algorithm achieves the intelligent optimization scheduling of hotmetal transportunder the new technical process，which leads the iron and steel production tend to be on time and reduces the production energy consumption.

hotmetal can of system；hotmelt transport and dispatch；optimization model

TF325.2；TP273+1

A

1673-1549（2014）01-0049-04

10.11863/j.suse.2014.01.13

2013-09-24

四川省科技廳青年科技創(chuàng)新團隊基金（2012Z068）；四川理工學(xué)院研究生創(chuàng)新基金（y2013017）

范波（1989-），男，四川達(dá)州人，碩士生，主要從事控制理論及人工智能方面的研究，（E-mail）xuxielikai2009@163.com