炼钢生产作业计划和调度优化方法的研究

炼钢生产作业计划和调度优化方法的研究何腊梅胡燕史彩霞(中冶赛迪公司炼钢事业部, 重庆 400013)【摘 要】炼钢生产计划和调度在钢铁制造执行系统中占重要地位。

分析了炼钢生产作业计划和调度优化问题具有整体性和层次性特征，是一多目标多任务的NP难题。

对相关的优化方法进行了综述，指出各方法用于炼钢生产作业计划和调度优化问题研究时的特点和面临的困难。

针对炼钢生产调度的特点，提出了“启发式+仿真+优化”的方法是一条可行之路。

【关键词】炼钢 生产作业计划和调度 优化 仿真1 引言炼钢生产过程是一个典型的离散和连续相混杂的高温作业生产过程，产线长、工序多、设备复杂，完全靠人工的方式进行管理和控制几乎是不可能的。

在钢铁企业信息化建设中，作为以单元设备或生产过程为对象的基础自动化层和以企业资源计划(ERP)管理为核心的企业生产经营优化层的连接纽带的制造执行系统(MES)，将计划与制造过程统一起来，对从下达订单到生产出最终成品的生产过程进行有效地单元整合和系统优化，从而提高生产效率、降低生产成本，对实现生产自动化，促进钢铁企业信息化建设有重要的意义。

生产作业计划和调度在炼钢生产MES中占有重要的地位，它安排了各作业的执行设备、执行时间和顺序，合理的生产作业计划和调度是确保按计划稳定生产的关键。

但炼钢生产的复杂性和随机性，使现有各种方法制定的生产作业计划与实际期望还存在一定的差距，国内大多数钢厂仍采用人工调度方式，劳动强度大，对企业信息资源的利用程度低，难以实现优化调度。

炼钢生产作业计划和调度优化问题的研究进展在一定程度上已成为钢铁企业信息化建设进程中的瓶颈，研究如何有效地针对生产情况进行优化的生产作业计划和调度具有重要的现实意义。

本文在分析炼钢生产计划和调度问题的特点和现有各种相关研究方法技术的基础上，提出了基于规则的启发和仿真相结合的生产计划和调度的优化方法框架，以期提高所制定计划的可行性，减少重计划、重调度的频率。

2 炼钢生产作业计划和调度问题2.1炼钢生产过程现炼钢生产多采用炼钢连铸生产形式，其生产流程如图1所示。

由铁矿石还原成的高温铁水经预处理后送往转炉进行炼钢处理，经氧化冶炼后转变为钢水，再由二次精炼成为洁净的、含有特定成份、保持特定温度的钢水，随后通过连铸过程转变为预定尺寸的、表面无缺陷的、内在组织和温度受控的钢坯，最后根据产品工艺要求轧制处理成为特定形状、特定规格的产品[1]。

图1 炼钢生产流程2.2问题描述炼钢生产作业计划即炼钢生产调度计划，是炼钢生产过程具体的运行计划。

它是在计划开始时的初始条件下，对未来每时刻、每一主要设备的生产活动作出安排，其任务可以描述为：1)初始条件：(1)需完成的生产任务；(2)各主要设备的工作状态；(3)上游铁水供应能力和下游轧制的接受能力。

2)时间周期：取决于需完成的任务量。

3)基本内容：(1)确定各包次开浇时刻；(2)安排各炉次作业顺序；(3)指定各作业的执行设备；(4)安排各作业在该设备上执行的起止时刻。

4)目标：(1)满足生产中各种约束条件；(2)保证连铸机在其中间包寿命内连续生产而不间断；(3)最大限度地降低各种损失和运行成本，以获得最大的经济效益。

生产作业计划安排了所有生产活动的细节，但在生产中并不能完全执行，这是因为：(1)生产中不可避免地存在随机和突发事件，如某设备可能会突然故障，铁水供应能力的波动等；(2)生产作业计划制定时考虑的一些参数总是以一定假设为前提的，不符合生产实际，如将运输问题转换成时间约束，而忽略运输设备数量、空间位置限制等因素。

因此，在生产中需进行实时调度，即根据实际情况组织和安排生产过程并控制生产执行，在保证可行性的条件下尽可能接近甚至修改生产作业计划。

可见，炼钢生产作业计划是事前的生产安排，调度是生产作业计划的执行和修正，当生产作业计划是切实可行的，调度就是计划的执行过程，否则就需进行重计划、重调度。

因此，炼钢生产作业计划和调度优化问题就是研究如何高效地制定出切实可行的优化的生产作业计划。

2.3问题的复杂性炼钢生产过程是由一系列相互关联的生产任务组成的，如吊车将盛满一定量铁水(钢水)的铁水罐(钢包)从一个工位运至另一个工位的运输过程可视为一个生产任务，而随后在该工位设备中进行的处理过程也可视为一个生产任务，生产中涉及的各种钢包、铁水罐、加工设备、铁水、钢水等均可视为资源。

炼钢生产作业计划和调度就是对各项任务进行资源分配的过程，但该过程涉及大量的不同类型的资源，原料种类多，产品品种多，不同品种对各工序的功能要求不同，且不同工序的作业方式也不同。

显然，炼钢生产作业计划和调度问题是一个NP难题[2]。

钢铁生产工艺的特殊要求使该领域的生产作业计划和调度问题比一般机械加工过程中的同类问题更为复杂。

这是因为炼钢生产中被加工的对象是高温的铁水(钢水)；加工过程可视为在高温下按照用户对产品品种、性能、形状规格等要求将液态(钢水)向固态(拉铸成坯)的转化过程，总体上为无等待时间的生产流程[3]；对物质的温度、成份以及生产的连续性和准时性(在各设备上的处理时间及工序间的运输和等待时间)都有极高的要求；且要求在满足各种约束条件下连铸机在其中间包寿命内为连续作业方式，否则就不满足可行性条件；其次还要求最大限度地降低各种损失。

因此，炼钢生产作业计划和调度问题是一个多目标多约束的NP难题，是满足生产约束基础上的多机多任务物流协调控制。

3 研究现状目前，国内外对炼钢生产作业计划和调度问题予以了高度重视，采用的研究方法大致可分为三类，一是基于形式化的模型方法（各种数学规划模型、排队网络模型、Petri网模型和炼钢生产物流的细胞自动机模型等），其二是基于非形式化的方法(各种仿真算法、人工智能技术和人机交互方法等)，另外还有各种综合集成方法。

基于数学规划和网络模型的形式化模型描述方法有助于系统的规范化和科学化认识。

其中，能形象地表示和分析生产过程特征以及多项作业共享资源时的冲突现象的Petri网[4]模型，在炼钢生产调度问题的研究中有广泛的应用，各种基于Petri网的炼钢生产仿真调度的应用实例[5-7]层出不穷。

但基于生产作业的加工流程建模的Petri网模型存在重用性差问题，当作业需求或工艺稍有变动时，就必须更改模型结构；且模型节点语义所携带的系统信息不够丰富，使其在对复杂的炼钢生产调度问题的研究中受到了限制。

基于“自下而上”思路研究炼钢生产系统特征的细胞自动机模型[8,9]在表达制造流程中不确定性、突发性异常事件影响方面具有方便灵活的优势，但该模型研究处于起步阶段，对于复杂的调度问题还有许多有待进一步研究的地方。

基于随机性和启发式的遗传算法[10]、禁忌搜索[11]和模拟退火法[12]等优化算法在求解炼钢生产调度计划问题时，通常将其转化成对某目标函数值的优化求解问题，从一个(组)初始解出发，在算法参数的控制下通过邻域函数产生若干邻域解，按接受准则(确定性、概率性或混沌方式)更新当前状态，然后按参数修改准则调节控制参数，如此重复以上搜索过程直至算法终止条件满足，最终得到问题的优化解。

这种方法具有较高通用性，解的质量也有显著提高，但求解问题结果依赖于算法的结构和参数，存在求解性能稳定性的问题，且尚不能断定其中的一种算法是否优于另一种算法，Dorn[13]曾比较过迭代深入、随机搜索、禁忌搜索和遗传算法针对澳大利亚钢厂的调度效果。

基于知识的专家系统在国内外均有广泛的研究与应用[14,15]，该方法利用推理等手段为人的决策行为提供支持，使人们可以根据车间不同情况做出相应的更符合实际的决策，但调度问题的复杂性使经验和知识的获取存在一定的局限性，且知识对新的调度环境适应性差，这都限制了专家系统的应用。

近年来，基于多代理技术合作求解的多Agent 系统受到人们关注，已初步应用于解决复杂生产调度问题的研究[16]，该系统以分布式人工智能中的多代理机制作为新的生产组织与运行模式，通过智能体间的合作以及多智能体系统协调来完成生产任务的调度，但目前该系统还存在难以处理动态环境中Agent知识的不确定性、影响力和Agent间可能客观存在矛盾等方面的局限性，对动态调度策略改变及可能产生的后果缺乏迅速进行推断并决策的有效方法。

人机交互方法着眼于生产中存在的各种复杂因素及多目标性[17]，充分启发利用决策者的经验知识进行调度，调度效果的好坏取决于人的经验和素质。

计算机仿真方法[18]通过仿真模型收集数据实现对实际系统性能、状态等方面的分析，评价系统采用的生产调度方案以选择出合适的方案，从而避开了对调度问题进行理论分析的困难，但仿真方法的应用受其模型准确性的限制，且一次仿真只是对现实生产的一次抽样，需要多次仿真才能真正了解实际情况。

单一的方法在应对复杂调度问题时总有一定的局限，基于取长补短思路的综合集成方法成为了一个新的研究热点。

其中，人机交互与仿真相结合的方法简单易行，但关键在于建立具有适应性的仿真模型[19]，而各种综合算法也层出不穷，如先遗传后启发[20]，遗传算法与禁忌搜索混合[21]，神经网络、实时仿真和遗传算法的混合[22]，模拟退火法与贪婪算法相结合[23]等等，综合集成方法有利于充分发挥其中各个方法的优点，将更有利于解决调度问题。

基于上述方法技术已开发出了V8 Steel[24]、Steel Planner套件[25]、SIMATICIT[26]、Scheduler 模块[27]等商用软件和许多适用于具体某钢厂的生产计划调度系统[28-32]，这些产品和系统的不断完善和成功应用改变了传统的单一的人工为主的调度模式，出现了人机交互的、依托模型的、模型与智能相结合的、人工智能、模型和人机交互相结合的多种形式的调度模式。

这种改变不仅使调度人员摆脱繁重的工作，而且能针对企业生产制定多层计划，编制出各工序的详细作业计划，通过在线跟踪系统掌握生产情况，对各工序的时间、生产路线进行优化计算，根据生产异常情况及时地调整计划，确保计划顺利执行，从而提高生产效率，降低生产成本，使企业的竞争力得到提升。

4 存在的问题和展望在多种方法技术的支持下，炼钢生产作业计划和调度问题的研究已取得了喜人的进展。

但所制定的生产作业计划的实际可执行性与实际期望还存在一定的差距，计划的执行过程中常需多次进行重计划、重调度，这与炼钢生产计划和调度问题的本质特征是分不开的。

从炼钢生产组织方式来看，实际调度具有明显的分级特征，可简单分为上级调度和现场调度。

上级调度根据生产计划、生产情况和计划完成情况凭经验或各种模型方法将尚未完成的计划转化为各工序的任务目标下达给各工序，主要包括生产的品种和完成任务时间；现场调度参考上级调度下达的任务目标，根据当前工序区域内的生产情况组织安排生产，各工序生产情况的汇总便构成了当前的生产情况；上级调度监控着生产的运行状态，当实际与计划不一致时则会进行重计划、重调度和重下达，由此周而复始推动生产的进行。