CN101833322A - 钢铁企业高炉-转炉区段生产调度过程控制中的专家系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于钢铁企业高炉-转炉区段生产调度过程控制中的专家系统和方法，该专家系统由知识库、控制规则集、推理机构及信息处理部分组成，把工人的操作经验予以综合，并辅以排队论方法，系统与仿真等理论，进行推理判别，作出必要决策，实现合理调度。计算机采用适于过程控制用的可编程控制器进行控制，对高炉-转炉区段各个工位所构成的批量到达、多服务台串-并联的复杂闭合式可修排队网络系统进行合理设计。该控制系统简单，适应性强，能直接影响相关设备生产率和系统运行的费用。满足生产实际需要，节约资金，可广泛用于各大型钢铁联合企业的高炉-转炉区段生产调度系统控制。
Description
技术领域
本发明属于钢铁生产计划调度技术领域，具体涉计算机技术，排队论方法，系统与仿真等理论，可用于钢铁企业高炉-转炉区段生产调度系统，是用于钢铁企业生产调度过程控制中的一种有效方法。
背景技术
目前，国内大多数钢铁企业的计划都处在手工编制的阶段，效率低且编制不科学，多数缺少模拟仿真系统作为支持，不能在生产之前给出一个客观的判断，因此带来很大的生产风险。同时，在生产计划执行过程中，缺少对计划执行情况全面监控与评估，在出现非正常生产情况时，缺少一套有效地调度决策支持系统。
目前在很多的专利中，主要涉及离散行业生产计划的编排问题，没有涉及钢铁生产的计划编排与实时调度问题。国内外对于高炉-转炉区段生产调度的排队问题已经做了大量的工作，在已知技术中很多学者应用数学解析方法研究了休假策略不同空歇服务/非空歇服务、单重休假/多重休假、N策略)、到达过程不同单个到达/一批到达)、网络形式不同(开放/闭合)。其中数学解析方法研究单服务台可修网络系统已经取得了不少成果，但对于多个服务台串并联、批量到达的复杂闭合式排队网络系统却只能部分求解，甚至无法求解。
钢铁行业的生产过程兼有连续和离散的性质，它有别于石油、化工的连续生产过程，也有别于机械行业的离散制造过程，是介于二者之间的混合型生产过程。因此，更带来了钢铁行业计划编排和调度工作的复杂性。
1)钢铁生产工艺流程从原料投入到最终产品产出，整条物流中多数工序同时兼有物理和化学变化，是高温、高能耗工艺工程，其生产活动存在实时性、连续性和随机性等特点生产计划调度的复杂性很高。
2)钢铁行业生产的关键是保证生产安全、稳定，物流畅通，最大限度地发挥瓶颈设备的能力，满负荷、优质、高效地生产，主生产计划应着重考虑这一目标。
3)钢铁行业的生产计划和调度不仅要考虑信息流和物料流，还必须考虑能源供应流。其调度决策功能需要对物料和能源提供最佳控制策略，决策应不仅以提高生产效率和降低生产成本为目标，同时还应将节省能源、减少污染等目标考虑在内。
4)钢铁生产的主要工艺路线和设备基本不变，整个工艺流程线有很强的连续性或分段连续性，有时也有多个工艺路线并存。作业/任务持续时间依赖于前序和后续的作业。
5)从当前的研究情况来看，国外的发展远远走在国内的前面，研究成果已经在世界各国大型公司得到广泛应用。相比而言，国内针对其研究和发展在起步阶段。目前国内专门开发用于钢铁生产的计划调度产品尚不多见。
发明内容
本发明的目的在于针对当前钢铁企业高炉-转炉区段生产调度过程中计划调度的现状，克服上述现有方法的不足与困难，发明一种一体化的钢铁联合企业高炉-转炉生产过程在线计划调度专家系统与控制方法，满足钢铁企业多种生产工艺流程的要求，为钢铁企业日常的生产计划调度问题提供通用的、可扩展的决策支持平台。
本发明的目的还在于发明设计出将计算机、专家系统、排队论理论和系统仿真相四者结合为一体，对钢铁联合企业高炉-转炉区段(以兑铁包/受铁罐共用界面模式为例)分别建立各子系统的排队仿真模型和运行费用函数，优化各子系统的主要参数；应用专家系统决策指导出“兑铁包/受铁罐共用”界面模式中的排队系统的优化系统的关键参数，为其生产调度系统的动态有序运行奠定基础。
本发明的设计方案是：由计算机服务器、显示器，各类数据采集器、输入键盘、电源和输出线路构成的钢铁企业高炉-转炉区段生产调度过程控制中的专家系统及控制方法，其特征是整个专家系统包含知识库、控制规则集、推理机构、信息处理部分组成，首先采集工人的操作经验并予以综合，用计算机辅以排队论方法及系统仿真理论进行推理判别，作出必要决策指导方案，输出决策指导方案，指导调度人员科学安排生产调度工作。
所述的知识库是将现有各种使用或存放的经验数据、性能指标及经验公式采集后，获得具有数字化功能的知识库。
所述的控制规则集包括采集被控对象已有的各种控制方法和经验的归纳总结，通过生产数据的获取和处理对各子系统及稳态指标进行分解和推导，并进行建模、仿真，最终确定系统优化方案。
所述的信息处理包括采集钢铁企业高炉-转炉区段“兑铁包/受铁罐共用”界面模式高炉、转炉冶炼周期、检修周期、故障频率、小时产量、利用系数、出铁/兑铁时间节奏，铁水罐一车几罐到达/离开和到达/离开时间间隔的统计数据，各主要设备及检罐站、调车厂前的铁水罐排队方式、等待时间，运输路线布置、距离、车流密度以及铁水罐运行过程中铁水温度随时间变化的统计数据信息。
5、根据权利要求1所述的钢铁企业高炉-转炉区段生产调度过程控制中的专家系统及控制方法，其特征是所述的计算机采用可编程控制器进行控制，对高炉-转炉区段各个工位所构成的批量到达、多服务台串-并联的复杂闭合式可修排队网络系统进行合理设计。
本发明一种钢铁企业高炉-转炉区段生产调度过程控制中的专家系统控制方法，其特征在于按以下步骤进行：
(1)首先对钢铁企业“兑铁包/受铁罐共用”界面模式的相关数据点进行静态采集，相关数据点是指高炉、转炉冶炼周期、检修周期、故障频率、小时产量、利用系数、出铁/兑铁时间节奏，铁水罐一车几罐到达/离开、到达/离开时间间隔统计数据；
(2)然后根据此企业的实际情况，测定出动态数据；
(3)将所获得动态数据运用于专家系统，选择各子系统稳态性能指标范围，依据控制规则与知识库中的数据，用计算机进行比对，从而将信息通过控制器以指令的方式，输出/命令给预处理-转炉兑铁子系统、运输子系统、高炉出铁子系统；
(4)依据推理机构判断，确认是否合理，如果不正常，则再依据模型计算和推理机构相结合的方法，产生并输出一套生产调度指导方案，让生产调度人员能够依据指导方案，对现场下达相应的协调指令，增强对现场生产的调控能力，达到协调生产的目的。
所述的高炉-转炉“兑铁包/受铁罐共用”界面模式中采用了闭合式排队方法，闭合式排队方法有以下步骤：
(1)将闭合式排队系统分为三个开放式排队系统，分别为：预处理-转炉兑铁子系统、运输子系统和高炉出铁子系统，其中，预处理-转炉兑铁子系统为批量到达、单队列排队、两个服务台串联、多个服务员并联的可修排队系统；运输子系统是批量到达、单队列排队、多服务台串联排队系统；高炉出铁子系统是批量到达、多队列排队、多服务员并联可修排队系统；
(2)运用专家系统选择各子系统稳态性能指标范围，在其范围内，基于到达过程、排队等待及离开过程带来的铁水温降费用、铁水罐运输费用和主要设备休假费用构造各子系统运行费用函数；
(3)建立各子系统仿真模型，应用企业实际生产数据进行验证和修正。最后通过以下优化算法优化各子系统主要参数。
本发明专家系统由知识库、控制规则集、推理机构及信息处理部分组成，把工人的操作经验予以综合，并辅以排队论方法及系统仿真等理论，进行推理判别，作出必要决策，指导合理生产调度。所述知识库用于存放经验数据，性能指标及经验公式，并用于产生规则建立。所述控制规则集包括被控对象的各种控制方法和经验的归纳总结，通过生产数据的获取和处理对各子系统及稳态指标进行分解和推导，并进行建模、仿真，最终确定系统优化方案，并采用向前推理的方法。所述信息处理包括：钢铁企业高炉-转炉区段“兑铁包/受铁罐共用”界面模式高炉、转炉冶炼周期、检修周期、故障频率、小时产量、利用系数、出铁/兑铁时间节奏，铁水罐一车几罐到达/离开、到达/离开时间间隔的统计数据，各主要设备及检罐站、调车厂前的铁水罐排队方式、等待时间，运输路线布置、距离、车流密度，铁水罐运行过程中铁水温度随时间变化的统计数据等信息。
在高炉-转炉“兑铁包/受铁罐共用”界面模式的生产调度中应用专家控制集，将此闭合式排队系统分解为三个开放式排队系统。三个开放式排队系统分别为：预处理-转炉兑铁子系统、运输子系统和高炉出铁子系统。其中，预处理-转炉兑铁子系统为批量到达、单队列排队、两个服务台串联、多个服务员并联的可修排队系统；运输子系统可以看做是批量到达、单队列排队、多服务台串联排队系统；高炉出铁子系统是批量到达、多队列排队、多服务员并联可修排队系统。运用专家控制集选择各子系统稳态性能指标范围，在其范围内，基于到达过程、排队等待及离开过程带来的铁水温降费用、铁水罐运输费用和主要设备休假费用构造各子系统运行费用函数。建立各子系统仿真模型，应用企业实际生产数据进行验证和修正。最后通过以下优化算法优化各子系统主要参数。
专家控制集对生产线的每一个生产工序都有事件监控能力，能够根据预定义的控制规则库，判断各子系统稳态性能指标是否处于正常。如果不正常，根据模型计算和推理机构相结合的方法，产生生产调度指导方案，生产调度人员根据知道方案，对现场下达相应的协调指令，增强对现场生产的调控能力，达到协调生产的目的。
本发明设专家系统运行费用函数为F(M，N)，其最小值Min F取决于两个变量M和N。M的取值范围为(m1，m2…mk)，N的取值范围为(n1，n2…nk)，则供选择的输入组合有mk×nk个，则寻优的过程如下：
Step1：计算F(m1，n1)，并取Min F＝F(m1，n1)；
Step2：循环I M＝m1……mk
Step3：循环II N＝n1……nk
Step4：计算F(mi，nj)；
如果F(mi，nj)＜Min F；
那么Min F＝F(mi，nj)；
Step5：结束循环II
Step6：结束循环I
只要M、N的取值间距足够小，就可确定运行费用最低的M值和N值，以上寻优算法可以保证在不确定运行费用函数单调性或拐点位置的情况下寻优的准确性。同时，由于不少系统参数是离散变量，取值范围有限，因此仿真优化计算量不会大幅增加。通过仿真，对系统中的主要参数进行敏感性分析，研究各参数对系统性能指标及运行费用的影响机制，优化系统的主要参数。
本发明的优点是：1.专家控制集具有较强的适应性。2.控制系统简单，适合生产调度，能够获得较满意的效果。3.将高炉-转炉区段的“兑铁包/受铁罐共用”界面模式抽象为：“多服务台可修排队网络模型”。采用计算机、专家系统、系统仿真相结合的方法研究复杂排队复杂系统中各主要参数对系统稳态指标及运行费用的影响机制。4.应用数学解析与系统仿真相结合的方法，研究批量到达、单队列/多队列混合、闭合式多服务台可修排队网络模型的优化问题，为钢铁联合企业高炉-转炉区段生产调度中存在排队问题的优化提供了新思路。
附图说明
图1为本发明中高炉-转炉区段“兑铁包/受铁罐共用”界面模式的排队网络模型示意图。
图2为本发明专家系统在钢铁企业高炉-转炉区段产调度过程中的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图以实例进一步说明本发明的实质内容，但本发明的内容并不限于此。
如图1和图2，应用于钢铁企业高炉-转炉区段生产调度过程控制中的专家系统由知识库、控制规则集、推理机构及信息处理部分组成，把工人的操作经验予以综合，并辅以排队论方法及系统仿真等理论，进行推理判别，作出必要决策，指导合理生产调度。所述的应用于钢铁企业高炉-转炉区段生产调度过程控制中的专家系统，其特征是所述知识库用于存放经验数据，性能指标及经验公式，并用于产生规则建立。应用于钢铁企业高炉-转炉区段生产调度过程控制中的专家系统，其特征是所述控制规则集包括被控对象的各种控制方法和经验的归纳总结，通过生产数据的获取和处理对各子系统及稳态指标进行分解和推导，并进行建模、仿真，最终确定系统优化方案。是所述信息处理包括：钢铁企业高炉-转炉区段“兑铁包/受铁罐共用”界面模式高炉、转炉冶炼周期、检修周期、故障频率、小时产量、利用系数、出铁/兑铁时间节奏，铁水罐一车几罐到达/离开和到达/离开时间间隔的统计数据，各主要设备及检罐站、调车厂前的铁水罐排队方式、等待时间，运输路线布置、距离、车流密度以及铁水罐运行过程中铁水温度随时间变化的统计数据信息。
如图1和图2，高炉-转炉“兑铁包/受铁罐共用”界面模式中的闭合式排队方法含有以下步骤：
(1)将闭合式排队系统分为三个开放式排队系统，分别为：预处理-转炉兑铁子系统、运输子系统和高炉出铁子系统，其中，预处理-转炉兑铁子系统为批量到达、单队列排队、两个服务台串联、多个服务员并联的可修排队系统，运输子系统是批量到达、单队列排队、多服务台串联排队系统，高炉出铁子系统是批量到达、多队列排队、多服务员并联可修排队系统；
(2)运用专家控制系统选择各子系统稳态性能指标范围，在其范围内，基于到达过程、排队等待及离开过程带来的铁水温降费用、铁水罐运输费用和主要设备休假费用构造各子系统运行费用函数；
(3)建立各子系统仿真模型，应用企业实际生产数据进行验证和修正。最后通过以下优化算法优化各子系统主要参数。
为了更好的说明本发明的实际效果，下面以某大型钢厂的实际生产为例：
首先对某典型钢铁企业“兑铁包/受铁罐共用”界面模式的相关数据点进行静态采集，例如高炉、转炉冶炼周期、检修周期、故障频率、小时产量、利用系数、出铁/兑铁时间节奏，铁水罐一车几罐到达/离开、到达/离开时间间隔等统计数据。然后根据此企业的实际情况测定出动态数据。将所获得动态数据运用专家控制系统选择各子系统稳态性能指标范围，根据控制规则与知识库中的数据进行比对。从而将信息通过控制器以指令的方式命令给预处理-转炉兑铁子系统、运输子系统、高炉出铁子系统。根据推理机构判断判断是否合理。如果不正常，根据模型计算和推理机构相结合的方法，产生生产调度指导方案，生产调度人员根据指导方案，对现场下达相应的协调指令，增强对现场生产的调控能力，达到协调生产的目的。
为了更好的说明本发明的实际效果，下面以某大型钢厂的实际生产为例：首先对某典型钢铁企业“受铁罐-混铁炉-兑铁包”模式界面模式的相关数据点进行静态采集，例如高炉、转炉冶炼周期、检修周期、故障频率、小时产量、利用系数、出铁/兑铁时间节奏，铁水罐一车几罐到达/离开、到达/离开时间间隔等统计数据，然后根据此企业的实际情况测定出动态数据。具体工艺数据附表1：例如高炉容积为1350m3，高炉利用系数为2.1t/(m3.d)，年作业时间为350天。转炉的冶炼周期平均为34min，每炉出钢83.5t，日作业率为90％。高炉铁水罐容量为90t，每包出铁80t左右，转炉公称容量80t，两者基本匹配。高炉出铁时间是3453.0s，铁水从高炉到炼钢车间运输时间为615s，铁水兑入兑铁包前等待时间是810.5s。铁水出铁温度为1472.5℃，铁水入转炉温度为1246.2℃。高炉一次出铁2-3罐。将这些数据反馈到知识库，将知识库中存放经验的数据，性能指标与其进行比对。通过比对发现经过改变界面模式并运用专家系统，对于温度、时间等重要参数都有明显的优化，能很好的保护环境，对钢厂也可以创造可观的经济效益。
如果合理的话，首先将“兑铁包/受铁罐共用”模式代替现有的“鱼雷罐-兑铁包”模式，改用80t的铁水罐盛接铁水，采用一车3罐的方式运输，并在铁水罐内实施，整个过程的时间节奏会有明显的变化，而且节奏稳定，受铁罐的运行周期缩短，又因减少了翻铁环节，按出铁温度1472.5℃，应用知识库中铁水模型的经验公式计算，铁水入转炉温度提高到1355.6℃。兑铁包/受铁罐共用”模式还节省了铁水在界面运行中的运输和等待时间，减少兑铁次数，从而能降低铁水的运输能耗。通过界面优化后，铁水的平均输送时间节省305s，将所获得的上述动态数据反馈到专家控制集并运用专家控制集选择各子系统稳态性能指标范围，将信息通过控制器以指令的方式命令给预处理-转炉兑铁子系统、运输子系统、高炉出铁子系统。通过系统运行费用函数按照所设立的寻优过程可以降低其成本6.8元/t钢，从而减少环境污染，创造可观的社会效益。如果不合理，根据模型计算和推理机构相结合的方法，运用系统仿真并进行优化，可用系统仿真软件进行优化得出更佳生产调度指导方案，生产调度人员根据指导方案，对现场下达相应的协调指令，将生产数据调整到合理范围内，增强对现场生产的调控能力，达到协调生产的目的。
表1.本发明具体实施例中的各种数据
Claims (7)
1.一种钢铁企业高炉-转炉区段生产调度过程控制中的专家系统及控制方法，由计算机服务器、显示器，各类数据采集器、输入键盘、电源和输出线路构成，其特征是整个专家系统包含知识库、控制规则集、推理机构、信息处理部分组成，首先采集工人的操作经验并予以综合，用计算机辅以排队论方法及系统仿真理论进行推理判别，作出必要决策指导方案，输出决策指导方案，指导调度人员科学安排生产调度工作。
2.根据权利要求1所述的钢铁企业高炉-转炉区段生产调度过程控制中的专家系统及控制方法，其特征是所述的知识库是将现有各种使用或存放的经验数据、性能指标及经验公式采集后，获得具有数字化功能的知识库。
3.根据权利要求1所述的钢铁企业高炉-转炉区段生产调度过程控制中的专家系统及控制方法，其特征是所述的控制规则集包括采集被控对象已有的各种控制方法和经验的归纳总结，通过生产数据的获取和处理对各子系统及稳态指标进行分解和推导，并进行建模、仿真，最终确定系统优化方案。
4.根据权利要求1所述的钢铁企业高炉-转炉区段生产调度过程控制中的专家系统及控制方法，其特征是所述的信息处理包括采集钢铁企业高炉-转炉区段“兑铁包/受铁罐共用”界面模式高炉、转炉冶炼周期、检修周期、故障频率、小时产量、利用系数、出铁/兑铁时间节奏，铁水罐一车几罐到达/离开和到达/离开时间间隔的统计数据，各主要设备及检罐站、调车厂前的铁水罐排队方式、等待时间，运输路线布置、距离、车流密度以及铁水罐运行过程中铁水温度随时间变化的统计数据信息。
5.根据权利要求1所述的钢铁企业高炉-转炉区段生产调度过程控制中的专家系统及控制方法，其特征是所述的计算机采用可编程控制器进行控制，对高炉-转炉区段各个工位所构成的批量到达、多服务台串-并联的复杂闭合式可修排队网络系统进行合理设计。
6.一种钢铁企业高炉-转炉区段生产调度过程控制中专家系统的控制方法，其特征在于按以下步骤进行：
(1)首先对钢铁企业“兑铁包/受铁罐共用”界面模式的相关数据点进行静态采集，相关数据点是指高炉、转炉冶炼周期、检修周期、故障频率、小时产量、利用系数、出铁/兑铁时间节奏，铁水罐一车几罐到达/离开、到达/离开时间间隔统计数据；
(2)然后根据此企业的实际情况，测定出动态数据；
(3)将所获得动态数据运用于专家系统，选择各子系统稳态性能指标范围，依据控制规则与知识库中的数据，用计算机进行比对，从而将信息通过控制器以指令的方式，输出/命令给预处理-转炉兑铁子系统、运输子系统、高炉出铁子系统；
(4)依据推理机构判断，确认是否合理，如果不正常，则再依据模型计算和推理机构相结合的方法，产生并输出一套生产调度指导方案，让生产调度人员能够依据指导方案，对现场下达相应的协调指令，增强对现场生产的调控能力，达到协调生产的目的。
7.根据权利要求6所述的钢铁企业高炉-转炉区段生产调度过程控制中专家系统的控制方法，其特征在于高炉-转炉“兑铁包/受铁罐共用”界面模式中采用了闭合式排队方法，闭合式排队方法有以下步骤：
(1)将闭合式排队系统分为三个开放式排队系统，分别为：预处理-转炉兑铁子系统、运输子系统和高炉出铁子系统，其中，预处理-转炉兑铁子系统为批量到达、单队列排队、两个服务台串联、多个服务员并联的可修排队系统；运输子系统是批量到达、单队列排队、多服务台串联排队系统；高炉出铁子系统是批量到达、多队列排队、多服务员并联可修排队系统；
(2)运用专家系统选择各子系统稳态性能指标范围，在其范围内，基于到达过程、排队等待及离开过程带来的铁水温降费用、铁水罐运输费用和主要设备休假费用构造各子系统运行费用函数；
(3)建立各子系统仿真模型，应用企业实际生产数据进行验证和修正。最后通过以下优化算法优化各子系统主要参数。
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