連鑄生產(chǎn)環(huán)境下混合智能調(diào)度方法研究

連鑄生產(chǎn)環(huán)境下混合智能調(diào)度方法研究

連通性精煉和鑄造生產(chǎn)過(guò)程是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的核心過(guò)程，主要包括三個(gè)過(guò)程的綜合計(jì)算：精煉、精煉和連通性。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)鋼水溫度和時(shí)間都有極高的要求,需要在保證生產(chǎn)連續(xù)性的前提下,充分發(fā)揮設(shè)備的生產(chǎn)能力。該問(wèn)題已受到國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。日本的IBM公司和日本鋼管京濱鋼鐵廠使用人工智能和人機(jī)交互技術(shù)于1988年開(kāi)發(fā)了協(xié)同生產(chǎn)調(diào)度計(jì)劃系統(tǒng)Scheplan,包括知識(shí)庫(kù)、調(diào)度機(jī)和用戶(hù)接口,整個(gè)調(diào)度計(jì)劃的可行性完全由人工來(lái)評(píng)價(jià)決定。文獻(xiàn)提出了基于準(zhǔn)時(shí)制調(diào)度思想的煉鋼-連鑄作業(yè)排序模型,并將非線性規(guī)劃轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃,從而可以用標(biāo)準(zhǔn)軟件進(jìn)行求解。本文針對(duì)多設(shè)備、多工序、以及生產(chǎn)類(lèi)型復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境,建立了基于規(guī)則的專(zhuān)家調(diào)度方法、基于規(guī)劃的兩階段調(diào)度方法和基于多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)方法的混合智能調(diào)度方法,并應(yīng)用于國(guó)內(nèi)某大型鋼廠的生產(chǎn)調(diào)度,大大縮短了計(jì)劃編制時(shí)間,減少了鋼水等待時(shí)間,提高了設(shè)備利用率。1鋼水生產(chǎn)工藝流程煉鋼連鑄生產(chǎn)調(diào)度是在保證連續(xù)澆鑄的前提下,以爐次為最小計(jì)劃單位,在追求某一評(píng)價(jià)函數(shù)(如最小等待時(shí)間、最小提前/拖期費(fèi)用或最小最大完成時(shí)間)最佳的情況下的一類(lèi)多工件、多階段、多并行機(jī)的混合FlowShop調(diào)度問(wèn)題。其最終結(jié)果是確定在何時(shí)、在何種設(shè)備上以何種順序安排鋼水從轉(zhuǎn)爐(ConverterFurnace,CF)到精煉爐(RefiningFurnace,RF)、再到連鑄機(jī)(ContinuousCaster,CC)的生產(chǎn)過(guò)程。其生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。為突出主要矛盾,只考慮如下3類(lèi)主體生產(chǎn)設(shè)備:轉(zhuǎn)爐、精煉爐、連鑄機(jī),對(duì)天車(chē)/行車(chē)中間運(yùn)輸工具不予考慮(認(rèn)為其能力是足夠的),但在安排作業(yè)時(shí)間表時(shí),考慮其運(yùn)輸時(shí)間。精煉工序考慮1～4重精煉情況。爐次在連鑄機(jī)上的作業(yè)順序和連鑄開(kāi)澆時(shí)間均為已知,設(shè)備處理時(shí)間及設(shè)備之間的運(yùn)輸時(shí)間均為已知,需要為爐次在轉(zhuǎn)爐工位、精煉工位選擇作業(yè)設(shè)備,并確定其在各設(shè)備上的作業(yè)時(shí)間。在追求工序間等待時(shí)間最短、設(shè)備負(fù)荷盡量均衡的目標(biāo)下,考慮爐次經(jīng)過(guò)的工序順序不變、機(jī)器沒(méi)有沖突、連續(xù)澆鑄等約束。2專(zhuān)家調(diào)度和兩階段調(diào)度方法并存本文建立了基于規(guī)則的專(zhuān)家調(diào)度方法、基于規(guī)劃的兩階段調(diào)度方法和基于多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)方法的混合智能調(diào)度方法,如圖2所示?；谝?guī)則的專(zhuān)家調(diào)度方法和基于規(guī)劃的兩階段調(diào)度方法并行運(yùn)行,兩種方法均在工藝約束和設(shè)備約束下,根據(jù)各個(gè)澆次設(shè)定的開(kāi)澆時(shí)間,為其中的每一個(gè)爐次指派轉(zhuǎn)爐設(shè)備和精煉爐設(shè)備,并確定在各作業(yè)設(shè)備上的加工時(shí)間。最后兩種方法編制得到的調(diào)度計(jì)劃結(jié)果通過(guò)多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)模型,按照工位等待時(shí)間、設(shè)備利用率和工位等待隊(duì)列數(shù)指標(biāo)進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià),根據(jù)綜合指標(biāo)值的高低確定實(shí)際下發(fā)到生產(chǎn)過(guò)程的調(diào)度計(jì)劃。2.1基于規(guī)則的專(zhuān)家規(guī)劃方法2.1.1知識(shí)分類(lèi)模式為了提高搜索效率,系統(tǒng)將知識(shí)庫(kù)中的120多條規(guī)則進(jìn)行了分類(lèi):①設(shè)備類(lèi)規(guī)則:包括設(shè)備可用規(guī)則、設(shè)備故障處理規(guī)則等。②工藝類(lèi)規(guī)則:包括扒渣規(guī)則、脫P(yáng)規(guī)則、鋼種判定規(guī)則、爐況限制規(guī)則等。③時(shí)間類(lèi)規(guī)則:包括設(shè)備沖突解決規(guī)則、斷澆解決規(guī)則、澆鑄時(shí)間計(jì)算規(guī)則。④設(shè)備選擇規(guī)則:轉(zhuǎn)爐選擇規(guī)則、精煉爐選擇規(guī)則等。知識(shí)庫(kù)分類(lèi)模式如圖3所示。并構(gòu)建了基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的知識(shí)庫(kù)系統(tǒng),主要由規(guī)則前件庫(kù)、規(guī)則后件庫(kù)、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)、字典數(shù)據(jù)庫(kù)和解釋數(shù)據(jù)庫(kù)組成。采用產(chǎn)生式方法對(duì)規(guī)則進(jìn)行表示:if鋼種需脫P(yáng)處理and單聯(lián)法then脫P(yáng)、脫C均在一個(gè)轉(zhuǎn)爐中進(jìn)行。系統(tǒng)推理用到的規(guī)則主要有:保證連連澆;準(zhǔn)時(shí)開(kāi)澆;工序路徑最短;工位等待時(shí)間最短;等待時(shí)間盡量遠(yuǎn)離連鑄工位等。2.1.2混合推理機(jī)的解消過(guò)程推理機(jī)分為前向推理和反向推理。前向推理主要根據(jù)連鑄開(kāi)澆時(shí)間安排所有爐次計(jì)劃在連鑄機(jī)上的作業(yè)時(shí)刻表;反向推理主要根據(jù)每個(gè)爐次計(jì)劃在連鑄機(jī)上的作業(yè)時(shí)間,為爐次計(jì)劃逆序選擇精煉工序設(shè)備、轉(zhuǎn)爐工序設(shè)備,并根據(jù)知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則對(duì)其間產(chǎn)生的設(shè)備沖突進(jìn)行沖突解消,最終確定爐次計(jì)劃在精煉工序設(shè)備、轉(zhuǎn)爐工序設(shè)備上的作業(yè)時(shí)間。反向推理是整個(gè)推理機(jī)的核心部分。結(jié)合本調(diào)度系統(tǒng)的特點(diǎn),采用Prolog智能語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了一個(gè)采用深度優(yōu)先策略的混合推理機(jī),整個(gè)推理機(jī)制為:(1)設(shè)備狀況設(shè)定,爐次計(jì)劃對(duì)象集選擇;(2)起動(dòng)前向推理,安排爐次計(jì)劃對(duì)象集中計(jì)劃在連鑄機(jī)上的作業(yè)時(shí)刻;(3)起動(dòng)反向推理,根據(jù)連鑄作業(yè)時(shí)間,為爐次計(jì)劃逆序選擇精煉設(shè)備、轉(zhuǎn)爐設(shè)備集;(4)若有沖突,則根據(jù)沖突解消規(guī)則進(jìn)行沖突解消;否則直接到(5);(5)根據(jù)選擇的精煉設(shè)備、轉(zhuǎn)爐設(shè)備集,按照設(shè)備選擇規(guī)則為爐次計(jì)劃確定具體的作業(yè)設(shè)備,確定各過(guò)程的處理時(shí)間、各過(guò)程的運(yùn)輸時(shí)間;(6)根據(jù)爐次計(jì)劃選擇規(guī)則,確定爐次計(jì)劃對(duì)象集中的一條計(jì)劃為已編制完成;(7)若所有計(jì)劃均編制完成,則到(8);否則轉(zhuǎn)到(1);(8)推理結(jié)束。2.2設(shè)備選擇及爐次排序本文提出兩階段調(diào)度方法:通過(guò)設(shè)備指派解決爐次的設(shè)備選擇問(wèn)題以及同一設(shè)備上的爐次排序問(wèn)題;利用沖突解消模型進(jìn)行沖突解消,確定各爐次最終的在各工序的作業(yè)時(shí)間。2.2.1不同步驟下的集成設(shè)備配置方法(1)設(shè)備形序的計(jì)算i為爐次序號(hào),Ω為所有爐次的集合,i∈Ω,|Ω|為總爐次數(shù);n為澆次號(hào),N為澆次數(shù),n=1,2,...,N;Ωn為第n澆次中的所有爐次的集合,有Ω1∩Ω2∩…∩ΩN=Φ且Ω1∪Ω2∪…∪ΩN=Ω;j為階段序號(hào),煉鋼、精煉和連鑄3個(gè)階段分別對(duì)應(yīng)j=1,2,3;Mj為第j段的設(shè)備數(shù)(整數(shù)),Mj≥1,j=1,2;k為設(shè)備序號(hào),k≤Mj;pij為爐次i在第j階段的處理時(shí)間;tij為爐次i在第j階段的作業(yè)開(kāi)始時(shí)間;cij為爐次i在第j階段的作業(yè)結(jié)束時(shí)間;Tij,j+1j,j+1i為爐次i的第j階段到第j+1階段的運(yùn)輸時(shí)間;σ為已指派的爐次集,再記σjk為j階段第k臺(tái)設(shè)備上已指派的爐次集,σ=∪k∈{1,2,?,Mj}σjk,j=1,2σ=∪k∈{1,2,?,Μj}σjk,j=1,2。(2)澆鑄次數(shù)的確定考慮設(shè)備間除正常運(yùn)輸時(shí)間外,工序間無(wú)等待:cij=tij+pij,ti,j+1=ci,j+Tij,j+1j,j+1i,?i∈Ω,j=1,2(1)每個(gè)澆次內(nèi)嚴(yán)格連續(xù)澆鑄:ti+1,3=ti3+pi3,?i,i+1∈Ωn,n=1,2,…,N.(2)(3)開(kāi)澆約束下的爐次分配問(wèn)題擬解決的問(wèn)題可以描述為:在現(xiàn)有設(shè)備數(shù)為Mj(j=1,2)的資源約束下,根據(jù)各澆次設(shè)定的開(kāi)澆時(shí)間,為Ω中的每一爐次i在階段j(j=1,2)的處理指派設(shè)備,并確定同一設(shè)備上的爐次排序,問(wèn)題的目標(biāo)是盡量減少?zèng)_突。(4)基于分級(jí)啟發(fā)式算法的設(shè)備選擇爐次設(shè)備指派策略的核心是當(dāng)一個(gè)設(shè)備上未指派的爐次q對(duì)應(yīng)時(shí)段內(nèi)有指派時(shí),如何為爐次q選擇設(shè)備。為了得到?jīng)_突最小的粗調(diào)度,需要計(jì)算可能的備沖突,并把q安排到使沖突最小的設(shè)備上。綜合以上分析,對(duì)未指派爐次q∈Ω-σ,在階段j的設(shè)備k上的總沖突值函數(shù)可定義為:Fj(q,σ,k)=∑i∈Ωfj(q,i,k)且Fj(q,φ,k)=0(3)Fj(q,σ,k)=∑i∈Ωfj(q,i,k)且Fj(q,φ,k)=0(3)其中fj(q,i,k)表示爐次q和爐次i在階段j的設(shè)備k上的沖突值,具體計(jì)算方法如下:fj(q,i,k)=?????min(cq,j,ci,j)?max(tq,jti,j),[tq,j,cq,j]∩[ti,j,ci,j]≠φ且i∈σjk0?否則(4)fj(q,i,k)={min(cq,j,ci,j)-max(tq,jti,j),[tq,j,cq,j]∩[ti,j,ci,j]≠φ且i∈σjk0?否則(4)考慮當(dāng)多個(gè)設(shè)備具有相同的最小沖突值時(shí)的設(shè)備選擇情況,本文最終采用如下的優(yōu)先級(jí)啟發(fā)式算法:沖突值最小、設(shè)備負(fù)荷最小、傳擱時(shí)間最小、設(shè)備序號(hào)最小。2.2.2連鑄斷澆懲罰函數(shù)設(shè)備指派形成的粗調(diào)度會(huì)在某些設(shè)備上出現(xiàn)資源占有時(shí)間上的沖突,因此建立如下的沖突解消數(shù)學(xué)模型:其中:M為澆次數(shù);Nj為設(shè)備j的可用時(shí)間段段數(shù);ue001φk為澆次k的爐次集合,k=1,2,…,M;ue001φ0為開(kāi)澆第一爐次的集合;Πk為第k個(gè)澆次的連鑄設(shè)備集合;Ωi為爐次i的設(shè)備集合;SI(i,j)為爐次i在設(shè)備j上的緊后爐次;SP(i,j)為爐次i在設(shè)備j上的緊后設(shè)備;C1k為第k個(gè)澆次斷澆懲罰系數(shù);C2ij為爐次i在設(shè)備j上等待時(shí)間的懲罰系數(shù);C3k為前于開(kāi)澆時(shí)刻的懲罰系數(shù);C4k為遲于開(kāi)澆時(shí)刻的懲罰系數(shù);ti,j為設(shè)備i到設(shè)備j的運(yùn)輸時(shí)間;Ti,j為爐次i在設(shè)備j上的處理時(shí)間;Jk為第k個(gè)澆次的開(kāi)澆時(shí)間;Xi,j為爐次i在設(shè)備j上的開(kāi)始處理時(shí)間。式(5)表示的目標(biāo)函數(shù)是使得澆次中的連鑄斷澆的懲罰費(fèi)用、所有爐次在所處理設(shè)備上的等待懲罰費(fèi)用、每個(gè)澆次不滿足準(zhǔn)時(shí)開(kāi)澆時(shí)間的懲罰費(fèi)用總和最小。式(6)表示在同一個(gè)工位上相鄰的兩個(gè)爐次要等前一個(gè)爐次處理完后才能處理下一個(gè)爐次。式(7)表示在同一個(gè)爐次要等前一個(gè)工位處理完后才能進(jìn)行下一個(gè)工位的處理。2.3調(diào)度計(jì)劃目標(biāo)的確定根據(jù)煉鋼連鑄調(diào)度的特點(diǎn),建立了如圖4所示的多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)-加權(quán)平均復(fù)合模型的評(píng)價(jià)體系,對(duì)基于規(guī)則的專(zhuān)家系統(tǒng)方法和基于設(shè)備指派的線性規(guī)劃方法編制的調(diào)度計(jì)劃結(jié)果分別進(jìn)行快速評(píng)價(jià),根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)值的高低確定實(shí)際下發(fā)的計(jì)劃。因素集U={U1,U2,U3}={工位等待時(shí)間,設(shè)備利用率,工位等待隊(duì)列數(shù)},采用層次分析法(AHP)確定指標(biāo)權(quán)重,評(píng)價(jià)集={好、較好、一般、較差、差}。工位等待時(shí)間為越小越優(yōu)型指標(biāo)、設(shè)備利用率為越大越優(yōu)型指標(biāo)、工位等待隊(duì)列數(shù)為越小越優(yōu)型指標(biāo)。3工程應(yīng)用3.1區(qū)域控制實(shí)現(xiàn)現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)某大型鋼廠擁有300噸轉(zhuǎn)爐3座;鋼包扒渣工位1個(gè);精煉設(shè)備7臺(tái):3臺(tái)RH、2臺(tái)CAS、1臺(tái)KIP、1臺(tái)LF;連鑄機(jī)3臺(tái):2臺(tái)1930板坯寬(2流)連鑄機(jī),1臺(tái)寬厚板坯連鑄機(jī)(2流)。精煉工序分為無(wú)精煉、1～4重精煉,共計(jì)26種不同的精煉方式,鋼種類(lèi)型達(dá)200多種。正在使用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有終端過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(L2)和區(qū)域管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(L3)。目前煉鋼連鑄區(qū)域調(diào)度只是實(shí)現(xiàn)了信息系統(tǒng)管理,對(duì)核心的調(diào)度計(jì)劃排程仍以手工為主,排定的作業(yè)計(jì)劃也只是指定了連鑄開(kāi)澆時(shí)刻和轉(zhuǎn)爐出鋼終了時(shí)刻,沒(méi)有安排計(jì)劃的精煉設(shè)備及其作業(yè)時(shí)間。研究實(shí)現(xiàn)計(jì)劃編制方法的計(jì)算機(jī)化、快速生成調(diào)度作業(yè)時(shí)刻表,進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率,已成為該廠迫切需要解決的問(wèn)題。3.2物質(zhì)調(diào)度計(jì)劃編制將本文提出的混合智能調(diào)度方法應(yīng)用于該大型鋼廠煉鋼連鑄生產(chǎn)調(diào)度,建立了專(zhuān)家子系統(tǒng)、規(guī)劃子系統(tǒng)和模糊評(píng)價(jià)子系統(tǒng)。圖5是3臺(tái)轉(zhuǎn)爐對(duì)3臺(tái)連鑄機(jī)、且每臺(tái)連鑄機(jī)均有10條爐次計(jì)劃時(shí)編制得到的調(diào)度計(jì)劃結(jié)果,包括了每個(gè)爐次計(jì)劃的各個(gè)工序設(shè)備以及詳細(xì)作業(yè)時(shí)間。計(jì)劃編制所用時(shí)間為6s。按照原來(lái)手工編制模式,每天生產(chǎn)爐數(shù)在