煉鋼連鑄混合智能優(yōu)化調(diào)度方法及應(yīng)用分析

馬 強，李 陽，劉 帥

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合責(zé)任有限公司，河北 唐山 063200）

煉鋼連鑄(CCM)生產(chǎn)過程中，轉(zhuǎn)爐故障會導(dǎo)致預(yù)規(guī)定的轉(zhuǎn)爐連鑄機生產(chǎn)模式發(fā)生預(yù)期的變化，使原調(diào)度計劃無法實現(xiàn)。根據(jù)多級、多機、不同精煉次數(shù)的生產(chǎn)環(huán)境,建立了考慮機器分配和時間安排的非線性規(guī)劃模型,提出了一種混合智能優(yōu)化調(diào)度方法,包括專家系統(tǒng)分配、基于人機交互的鄰域搜索和基于模型轉(zhuǎn)換的時間優(yōu)化。最后,將該調(diào)度方法成功地應(yīng)用于某大型鋼鐵廠。應(yīng)用結(jié)果表明,該方法能明顯縮短鋼水的冗余等待時間,提高設(shè)備的負(fù)荷率，然后通過引入生產(chǎn)模式參數(shù)a、生產(chǎn)調(diào)度參數(shù)和x，建立了一種新的多目標(biāo)線性規(guī)劃模型（MONPM），該方法考慮了生產(chǎn)模式、生產(chǎn)調(diào)度、加工時間間隔等方面的變化。具體而言，開發(fā)了一個動態(tài)優(yōu)化調(diào)度軟件系統(tǒng)（DOSSS），并成功地應(yīng)用于我國首鋼京唐鋼鐵的調(diào)度。實際應(yīng)用表明，該方法能有效地減少調(diào)度時間，顯著地增加了轉(zhuǎn)爐的輸出，大大縮短了鋼水的冗余等待時間。

1 煉鋼連鑄混合智能優(yōu)化調(diào)度方法及應(yīng)用的現(xiàn)狀

生產(chǎn)工藝是現(xiàn)代煉鐵煉鋼的核心工序，對鋼水溫度、鋼水成分、加工時間和運輸時間等都提出了較高的要求。最終，預(yù)計連續(xù)生產(chǎn)的生產(chǎn)能力將最大化。由于原料組成、生產(chǎn)操作條件和設(shè)備條件的變化，常發(fā)生各種擾動，如啟動時間延遲、鋼水失效溫度、鋼水成分不合格、機械故障等。因此，快速有效的動態(tài)調(diào)度是非常重要的。在這種情況下，采用基于數(shù)據(jù)的方法求解CCM的調(diào)度問題，將其轉(zhuǎn)化為一個線性規(guī)劃模型，該模型可以用標(biāo)準(zhǔn)線性規(guī)劃求解。CCM過程抽象為一個三階段混合流水車間問題，建立了靜態(tài)調(diào)度模型，并采用Lagrange 松弛法求解，提出了一種分解方案，該分解方案可以生成較小的程序，這些程序通常都是為了獲得全局最優(yōu)性；多Agent 技術(shù)對動態(tài)調(diào)度進行了研究，可以解決煉鋼車間生產(chǎn)與運輸?shù)膮f(xié)調(diào)調(diào)度問題。采用波束搜索算法求解CCM 的調(diào)度問題，是一種實時問題（Lu，等）的反饋控制方法。然而，現(xiàn)有的研究主要集中在靜態(tài)調(diào)度問題上，尤其是這些方法在變換器發(fā)生故障時沒有考慮到這些問題，從而改變了生產(chǎn)模式。此外，廣泛采用的人工調(diào)度方法響應(yīng)速度慢，使得調(diào)度結(jié)果不理想。本文通過引入生產(chǎn)模式參數(shù)a、生產(chǎn)調(diào)度參數(shù)和X，建立了一種新的多目標(biāo)非線性規(guī)劃模型。具體地，提出了一種包含ppp 的兩階段動態(tài)最優(yōu)調(diào)度方法。開發(fā)了DOSSS，并將其應(yīng)用于中國最大的鋼鐵企業(yè)(寶鋼)的調(diào)度。實際應(yīng)用表明，該方法能有效地縮短轉(zhuǎn)爐的運行時間，大大增加了轉(zhuǎn)爐的輸出，大大縮短了鋼水的冗余等待時間[1]。

2 煉鋼連鑄混合智能優(yōu)化調(diào)度方法及應(yīng)用

2.1 CCM生產(chǎn)工藝

以寶鋼為例，在煉鋼階段，將“高溫”的鐵水倒入多臺轉(zhuǎn)爐，除去有害氣體和殘渣。此外，加入一定比例的廢鐵來調(diào)整鋼水成分以滿足產(chǎn)品規(guī)格要求。鋼液經(jīng)過精煉工序生產(chǎn)出化學(xué)成分和溫度正確的鋼水。在最后的連鑄階段，鋼水流入連續(xù)連鑄機內(nèi)，冷卻到所需的板坯中。這一過程可分為三組，即轉(zhuǎn)爐組、RH 精煉組和連鑄機組。這三組人彼此串聯(lián)在一起。本文將My 表示為JTH 群中的機器（j=l，2，3）。這意味著j=l 代表轉(zhuǎn)爐組，j=2 代表RH 組，j=3 代表連鑄機組[2]。

2.2 CCM生產(chǎn)過程的動態(tài)調(diào)度

在煉鋼連鑄實際生產(chǎn)過程的中，事先制定的生產(chǎn)計劃可能會因為事件的突發(fā)而停止運行。因此，生產(chǎn)系統(tǒng)還必須提供針對煉鋼、精煉、連鑄、鋼包、天車等所有設(shè)備的運行狀況的實時監(jiān)視功能，以及每種突發(fā)異常情況下所對應(yīng)的準(zhǔn)確的動態(tài)計劃調(diào)整功能，實時的對物流和設(shè)備能力做出新的平衡，能夠快速響應(yīng)突發(fā)事件，通過前后工序的不斷耦合調(diào)整，使工序計劃自身可以逐步優(yōu)化，確保系統(tǒng)可以按合同組織生產(chǎn)。而對于每個具體擾動，都包括其更加具體的擾動情況，如溫度類擾動，動態(tài)跟蹤煉鋼流程可得到某個生產(chǎn)狀態(tài)開始的實際溫度，而實際溫度和計劃溫度相比較可得到溫度差，由溫度差值的大小產(chǎn)生溫度類的不同擾動情形;由于整套設(shè)備包含多鐘子設(shè)備，所以設(shè)備故障類擾動便包含各類子設(shè)備的故障，如：轉(zhuǎn)爐設(shè)備、精煉爐設(shè)備和連鑄機設(shè)備故障等;類比溫度類擾動，時間類擾動是根據(jù)時間差值來識別，計算出差值并結(jié)合當(dāng)時擾動產(chǎn)生的實際環(huán)境狀態(tài)可以給出多種調(diào)整方法[3]。

2.2.1 基于案例推理的專家系統(tǒng)

設(shè)計的系統(tǒng)中根據(jù)調(diào)度專家保存的多年現(xiàn)場經(jīng)驗形成一個可以調(diào)用的案例庫，當(dāng)現(xiàn)場擾動發(fā)生時，動態(tài)系統(tǒng)會自動根據(jù)接收到的擾動種類及其程度調(diào)用案例庫中專家通常會采取的調(diào)整策略或方法對擾動系統(tǒng)做出調(diào)整。

2.2.2 基于人機交互的“調(diào)整方法界面”

在第一種調(diào)度方法中，先進行了案例推理，得到相應(yīng)的結(jié)果后，再針對不同類型的擾動，提供出多個可以選擇的人機調(diào)整界面，這樣可以充分發(fā)揮出調(diào)度人員的決策作用，同時又可以降低其工作強度，并且增強了系統(tǒng)調(diào)整整體的可靠程度，避免了專家系統(tǒng)中的錯誤決策。

2.3 CCM生產(chǎn)過程的動態(tài)調(diào)度目標(biāo)

在煉鋼連鑄生產(chǎn)過程中，作業(yè)時間延遲會導(dǎo)致生產(chǎn)中斷或工藝沖突，使初始調(diào)度計劃無法實現(xiàn)?，F(xiàn)有的研究方法很難保證模型的準(zhǔn)確性和在實際應(yīng)用中的成功應(yīng)用。首先分析了響應(yīng)操作時延的重調(diào)度問題，建立了一個新的多目標(biāo)非線性規(guī)劃模型（MONPM）。在規(guī)范中，提出了一種三階段重調(diào)度方法，包括分批法（BS）、前向調(diào)度法（FSM）和后向調(diào)度法（BSM）。結(jié)果表明，該方法能有效地保證連鑄的順利進行，并在很短的重排時間內(nèi)大大縮短了鋼水的多余等待時間。假設(shè)當(dāng)前處理是對Qth CAST的KTH 電荷，則定義XY(k，Q)為其在JTH 組的第一臺機器上的起始時間，而yg(k，q)為相應(yīng)的處理時間。然后在動態(tài)調(diào)度中，期望X3(1，Q)盡可能接近其理想的啟動時間，(1，q)·這意味著需要最小化以下性能函數(shù)[4]。

3 動態(tài)優(yōu)化調(diào)度模型

3.1 CCM生產(chǎn)工藝

MONPM(MT)是在上述分析的基礎(chǔ)上建立起來的，它考慮了生產(chǎn)模式的變化、費用的生產(chǎn)調(diào)度、加工時間的中間特性等問題，目的是解決以下多目標(biāo)優(yōu)化問題。對于上述模型的求解，目前還沒有非?？焖?、有效的方法。本文不是對非線性規(guī)劃問題最優(yōu)解的盲目追求，而是在合理的時間內(nèi)得到近似最優(yōu)解。本文提出了一種包括PPP 和PTS 的兩階段動態(tài)最優(yōu)調(diào)度方法，其中VM是變換器故障擾動。8 代表M 分解的起始時間，б 是對應(yīng)的結(jié)束時間[6]。

4 動態(tài)優(yōu)化調(diào)度方法

煉鋼-連鑄工藝包括煉鋼、精煉和連鑄，是鋼鐵生產(chǎn)的主要瓶頸之一。高效有效的調(diào)度這一過程對于提高整個生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本至關(guān)重要。使用Brannlund 的水平控制策略來代替對偶問題的最優(yōu)條件[7]。

費用生產(chǎn)路徑規(guī)劃（PPP）主要在CCM Prodi JCTION 工藝中，PPP 選擇JTH 組類型（j=1，2）中的QTH 電荷的處理機器，并確定充電器的加工順序。由于機器的盲目性，LKQ 必須在機器的空閑時間被安排好。本文介紹了每臺機器的設(shè)備可用性，即每臺機器的空閑時間表示為Mj 值。其中CI 是一個成本系數(shù)的qth 鑄造不準(zhǔn)時開始。C2q 是第四次鑄造的鑄斷損失系數(shù)。C3aj是等待時間的成本系數(shù)，C4 是在第一轉(zhuǎn)換器上不連續(xù)處理電荷的成本系數(shù)。C5q 是最大完工時間的成本系數(shù)。此外，我們的方法通過引入一個偏轉(zhuǎn)的條件次梯度來削弱傳統(tǒng)次梯度算法收斂速度慢的鋸齒現(xiàn)象，從而提高了效率。計算結(jié)果表明，該方法能夠快速獲得高質(zhì)量的解，在SCC 調(diào)度中具有顯著的應(yīng)用前景。該方法根據(jù)算法的收斂條件給出了一個客觀的終止準(zhǔn)則，并基于新的搜索方向或新的次梯度提高了搜索效率，將該方法應(yīng)用于求解SCC 調(diào)度問題，計算結(jié)果證實了它們的有效性和有效性。該方法同樣適用于其它類似的生產(chǎn)調(diào)度問題[8]。

5 煉鋼連鑄混合智能優(yōu)化調(diào)度的應(yīng)用

5.1 項目背景

煉鋼和連鑄是一個困難的過程。因此，本文提出了一種煉鋼連鑄兩階段優(yōu)化調(diào)度的新方法。在第一階段，在相同的并行機使用率和最小化時間沖突的基礎(chǔ)上，建立一個初步的調(diào)度方案。第二階段，建立了消除時間沖突的線性規(guī)劃模型。通過求解這兩個數(shù)學(xué)模型，得到了一個可操作的進度計劃。將兩階段優(yōu)化調(diào)度方法嵌入到我國某大型鋼廠的調(diào)度系統(tǒng)中，并成功應(yīng)用于某大型鋼廠。工業(yè)應(yīng)用表明，該方法不僅能滿足實際生產(chǎn)的要求，而且具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景。中國首鋼京唐精煉工藝種類為3 種（RH、CAS、LF），精煉路線大于20 條。煉鋼工序有有5 臺300 t并聯(lián)轉(zhuǎn)爐和4 臺連鑄機（1CC、2CC、3CC、4CC）。CCM 生產(chǎn)過程的實際調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)信息管理和最優(yōu)動態(tài)調(diào)度。

5.2 應(yīng)用實例

以首鋼京唐鋼鐵的鋼廠煉鋼連鑄生產(chǎn)過程為例，其精煉環(huán)節(jié)包括RH、CAS、LF 三種精煉方式，20 多條工藝路線，此外5 座轉(zhuǎn)爐有常規(guī)冶煉和全三脫冶煉的區(qū)分，4 臺鑄機有專線化區(qū)分。系統(tǒng)提供煉鋼、精煉、連鑄、鋼包、天車等設(shè)備的運行狀況監(jiān)視功能，以及異常情況下的動態(tài)計劃調(diào)整功能，對物流和設(shè)備能力隨時進行新的平衡，對各種突發(fā)事件做出快速應(yīng)對，通過前后工序計劃不斷調(diào)整耦合，使計劃逐步優(yōu)化，鋼包周轉(zhuǎn)時間由234 分鐘縮短到190 分鐘，確保按合同組織生產(chǎn)。

6 結(jié)束語

本文研究了CCM 的動態(tài)最優(yōu)調(diào)度方法，當(dāng)原調(diào)度計劃因換流故障而不可行時，通過動態(tài)調(diào)度生成新的可行調(diào)度方案，提出了一種包括PPP 和PTS 的兩階段動態(tài)最優(yōu)調(diào)度方法.DOSSS 是在上述方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，并成功地應(yīng)用于國內(nèi)大型鋼鐵公司(首鋼京唐公司)的生產(chǎn)。應(yīng)用結(jié)果表明，該方法能有效地縮短調(diào)度時間，顯著增加轉(zhuǎn)爐輸出，大大縮短鋼水冗馀時間。