CN101923600A - 炼钢连铸车间的物流仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种炼钢连铸车间的物流仿真方法，该方法包含以下步骤：主体工艺设备、运输工具和空罐暂存区域的对象模型和对象库的创建；平面布置图的建立；运输工具行进路径的网络节点表示；流定义；任务序列化和任务序列的协同；消息通讯机制的设计；多吊车的冲突处理；对象的合成与分解；兑铁、加废钢和倒铸余渣等多种动画效果，以及返空罐和上空罐的实现。本发明与现有技术相比，不仅能在给定的工艺布局下对炼钢厂的物流瓶颈和生产调度策略等进行仿真，而且能为用户在炼钢工艺流程设计环节提供决策支持。

Description

炼钢连铸车间的物流仿真方法

技术领域

本发明涉及一种物流仿真方法，尤其涉及一种炼钢连铸车间的物流仿真方法。

背景技术

炼钢连铸生产过程是指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，再由二次精炼成为含有特定成份的钢水，处理好的高温钢水经过连铸方式转变为钢坯的全过程。

从物流的角度来看，炼钢连铸生产过程是一个多段生产、多段运输、多段存储的离散和连续相混杂的大型高温生产过程。作为被加工对象的高温铁水/钢水具有不同工艺路径；实施加工作业的各主体工艺设备具有大型化，运行成本高，操作复杂等特点；为保证生产连续性要求各工序衔接紧密，对各处物流的到达时间、温度等均有较严格的要求；生产过程中还穿插着铁水罐车、钢水罐车、吊车和火车运输等多种复杂的运输条件。炼钢连铸生产过程的离散性、随机性、多目标和多约束性等特点为直接用数学建模方式研究该问题带来了一定的难度，而仿真方法对类似的复杂系统具有良好的适应性，避免了直接建模和求解的困难，也更符合人们的思维习惯，因而能够弥补数学建模方式的不足。

但目前还未见专门针对该问题而设计的仿真方法，类似的方法在开放性和可移植性，以及对仿真模型内对象实体的行为活动进行灵活控制等诸多方面存在不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种炼钢连铸车间的物流仿真方法，该方法能够实现炼钢连铸工程的模型化和模拟生产过程的动态演示，以及调度策略的分析和综合等功能，从而为在炼钢工艺流程设计环节提供决策支持。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的炼钢连铸车间的物流仿真方法，该方法包含以下步骤：

（1）主体工艺设备、运输工具和空罐暂存区域的对象模型和对象库的创建：

在创建过程中，先根据炼钢连铸工程的工艺特点构建基类，在继承自基类的基础上，导入主体工艺设备、运输工具和空罐暂存区域的三维模型，并对多种接口进行编程，实现定制对象模型的复杂处理逻辑，然后在定制对象模型的基础上创建对象库；

（2）平面布置图的建立：

根据工程对象的实际尺寸，按照设定的比例绘制平面布置图，绘制过程中，重点参考下列信息：各台吊车的位置和尺寸，与进厂铁水线和各个主体工艺设备对应的铁水罐车、钢水罐车的运行线路，各主体工艺设备的位置；

（3）运输工具行进路径的网络节点表示：

用网络路径限定包括铁水罐车和钢水罐车在内的运输工具的行进路线，而铁水罐车、钢水罐车的启车点和停车点，以及吊车的吊包位和落包位则用网络节点指定；

 （4）流定义：

所述流定义为铁水、钢水、铁水罐和钢水罐在炼钢连铸车间内加工和转运的工艺路线，具体包含：铁水/钢水对象流、铁水罐对象流、半钢罐对象流和钢罐对象流；

（5）任务序列化和任务序列的协同：

所述任务序列化是指将铁水、钢水、铁水罐或钢水罐在各个主体工艺设备之间的加工和转运过程分解为时间上前后相继的子任务，多个连续执行的子任务即构成任务序列；而任务序列的协同则是指需要两个或多个对象为完成任务序列进行的复杂协同操作；

（6）消息通讯机制的设计：

消息方式是对象实体间通讯的基本方式，任一对象实体都具有消息接口，都作为消息的发送方和接收方；发往同一目的对象的消息通过消息类型编号区分，消息中带多个不同数据类型的参数；消息方式也是触发同一对象内和不同对象间逻辑关联事件的有效方式；

（7）多吊车的冲突处理：

为避免或消除位于炼钢连铸车间内同一跨中的多台吊车之间的冲突，而设计包括以下的避撞方法：吊车的任务或作业区域的划分方法，冲突处理函数，以及吊车任务序列的优先级和先占值的设定方法；

（8）对象的合成与分解：

其方法是：用父对象表示铁水/钢水，而用子对象表示铁水罐/钢水罐；铁水罐的兑铁和钢水罐的浇注，以及转炉的出钢过程均用对象的分解和合成来表示；

（9）多种动画效果以及返空罐和上空罐的实现：

其方法是：均应用任务序列的编程实现；所述多种动画效果包括兑铁、加废钢和倒铸余渣在内的动画效果。

本发明与现有技术相比，具有以下的主要有益效果：

其一.应用面向对象技术构建仿真对象模型，不仅根据炼钢连铸车间主要设备的工艺特点抽象出可继承、可扩展的基类，而且为每一对象实体提供了丰富的可编程接口，在系统的开放性和可移植性，以及对仿真模型内对象实体的行为活动进行控制的灵活性等方面具有明显优势。

其二.应用网络节点精确限定车间内吊车的吊包位和落包位，并用由网络节点所确定的网络路径限定铁水罐车和钢水罐车的行进路径，为多种运输工具的仿真运行结果的准确性提供了基本保障。

其三.应用多种流概念定义车间内加工/处理对象的工艺路线，为处理过程中铁水/钢水与空罐的合并和分离，以及空罐的周转和循环提供了便利。

其四.设计的协同任务序列易于快速实现仿真过程中复杂任务的分解和协同；设计的消息通讯机制作为对象实体间通讯的基本方式，为触发同一对象内或不同对象间的逻辑关联事件提供了有效的方式。

其五.设计的吊车冲突处理方法能对仿真中布置在同一跨内的多台吊车冲突问题进行有效的干预和处理。

  

附图说明

图1是三种运输工具执行的协同任务序列示意图。

图2是松散耦合的协同任务序列示意图。

图3是松散耦合的协同任务序列的实现流程示意图。

图4是消息通讯机制的应用示意图。

图5是吊车的冲突处理函数的逻辑流程图。

图6是加废钢动画效果的处理流程图。

图7是返空罐过程的处理流程图。

具体实施方式

本发明提供的炼钢连铸车间的物流仿真方法，该方法包含以下步骤：主体工艺设备、运输工具和空罐暂存区域的对象模型和对象库的创建；平面布置图的建立；运输工具行进路径的网络节点表示；流定义；任务序列化和任务序列的协同；消息通讯机制的设计；多吊车的冲突处理；对象的合成与分解；兑铁、加废钢和倒铸余渣等多种动画效果，以及返空罐和上空罐的实现。

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细描述。

实施例1. 炼钢连铸车间的物流仿真方法

本物流仿真方法具体实施过程涉及下述几个方面：

一.对象模型和对象库的创建

仿真方法中要创建的对象模型有三类，分别是：主体工艺设备、运输工具和空罐暂存区域。其中，主体工艺设备是指在炼钢连铸车间内实施加工作业的脱硫站、转炉（包括“双联”操作时的脱磷炉和脱碳炉）、吹氩站、LF精炼炉、RH精炼炉和连铸机；将铁水（罐）/钢水（罐）在上述主体工艺设备之间进行转运的多种运输工具包含：铁水罐车、钢水罐车和吊车；而空罐暂存区域则指铁水罐暂存位、半钢罐暂存位和钢水罐的热修位等。

对象模型和对象库的创建包含下列步骤：

（1）构建基类：

根据主体工艺设备、运输工具和空罐暂存区域的工艺特点，应用面向对象方法构建了两种基类，分别是固定实体基类和可移动实体基类。固定实体基类对应模型中固定不动的实体，可以代表处理流程的工艺环节，如实施加工作业的处理站或存储区域。铁水/钢水从头到尾穿过模型，经历进入、被处理、完成各个工艺环节的过程。当一罐铁水/钢水在模型中某一步被处理完成，就被发送到下一步，或者说是发送到下一个固定实体。移动实体基类对应模型中共享的可移动的资源，它们可以是铁水罐车、钢水罐车和吊车，被用来在工艺环节之间运输铁水（罐）/钢水（罐）。

（2）定制主体工艺设备、运输工具和空罐暂存区域的对象模型：

具体的对象模型都继承自基类，作为基类的子类出现。子类继承基类的属性和默认行为，同时又特别指定了适用于特定情形的行为。这些指定行为通过利用被继承的基类提供的多种接口，对接口编程实现。此外，还需要导入使用第三方图形软件制作的三维模型（图形文件）。

（3）创建对象库：

建立对象库的目的是为了实现对象模型的重用，这种重用不仅局限于炼钢连铸物流仿真方法内部，还可以在不同的对象库、系统模型，甚至用户之间移植和交换对象实体。对象库的建立，不仅缩短了系统建模的时间，同时也延长了对象实体的生命周期。建立对象库要以前面介绍的定制对象模型为基础，将定制好的对象模型添加到库中构成。

二.平面布置图的建立

根据工程对象的实际尺寸，进行适当的比例调整后绘制平面布置图。在绘制平面布置图时，重点参考下列信息：

1.各台吊车的位置和尺寸；

2.与进厂铁水线和各个主体工艺设备对应的铁水罐车、钢水罐车的运行线路；

3.各主体工艺设备的位置。

吊车的位置和尺寸，以及主体工艺设备的位置与工程实际保持一致的比例关系。建立好炼钢连铸工程的平面布置图之后，将为与主体工艺设备对应的对象模型的布置提供了基准，也为多种仿真结果（如铁水罐/钢水罐的运输时间、吊车的作业率等）的准确性提供了基本保障。

三.运输工具行进路径的网络节点表示

这里指用网络路径限定铁水罐车、钢水罐车和吊车等运输工具的行进路线，而铁水罐车、钢水罐车的启车点和停车点，以及吊车的吊包位和落包位则用网络节点指定。

作上述限定的一个突出优势是铁水罐/钢水罐在主体工艺设备之间的转运过程将可用运输工具和相应的网络路径、网络节点表示，这种表示方式体现为路径全局表。仿真方法中的每一个主体工艺设备均有与其对应的一张路径全局表。

以某一实际的炼钢连铸工程中1#脱磷转炉的路径全局表为例，如表1所示：表1中第2列列出了仿真方法中的所有主体设备。若某一主体设备所在行第2列之后的内容均为空，则表示它与该表对应的主体设备之间的路径不可达。以第1行为例，因为1#脱硫站是1#脱磷转炉的前工序，所以不可能有从1#脱磷转炉至1#脱硫站的工艺路径。第9行列出了铁水在1#脱磷转炉处理完毕，若下一工序为1#LF精炼炉时，运送方式为t2t，即铁水罐车/钢水罐车到吊车，再到铁水罐车/钢水罐车的方式，其中：第一次要用到的钢水罐车为TLdp1，钢水罐车装载从转炉处理完毕的钢水的网络节点为NNLdpa1，这也是钢水罐车的启车点，停车点为NNLdpc1；然后要用到的运输工具为吊车Crane5，吊车的吊包位为NNLdpc1，落包位为NNLfa11；第二次要用到的钢水罐车为TLf11，钢水罐车的启车点为NNLfa11，而停车点为NNLfb11。运输工具的网络路径也可以用网络节点的方式表示，如上面的钢水罐车TLdp1的网络路径为NNLdpa1 → NNLdpc1，吊车Crane5的网络路径为NNLdpc1 → NNLfa11，钢水罐车TLf11的网络路径为NNLfa11 → NNLfb11。

四.流定义

所谓流即炼钢连铸中处理的铁水（罐）/钢水（罐）在仿真中加工和转运的工艺路线，也与仿真模型的逻辑流程对应。

结合炼钢连铸工程的实际，本仿真方法中定义了下面几种对象流：

（1）铁水/钢水对象流：

铁水/钢水是炼钢连铸车间精炼处理的主要对象，铁水/钢水流经由进厂铁水线铁水罐车送入，依次经过脱硫站、脱磷转炉、脱碳转炉、LF炉和RH炉精炼，以及各铁水罐车、吊车和钢水罐车的转运，最后由连铸机浇注成坯，完成了在整个车间的处理、流转过程。

（2）铁水罐对象流：

铁水罐对象流的起点是将其灌装好并在铁水线上开始运行的时刻，经过脱硫站的处理，由吊车吊至转炉兑铁，然后送回至铁水线或暂存区，至此结束铁水罐流的一个运行周期。与铁水/钢水对象流不同，铁水罐流在系统中是周转和循环运行的。

（3）半钢罐对象流：

半钢罐对象流仅仅出现在需要转炉进行“双联”处理的场合，脱磷炉处理完毕的铁水用半钢罐储存，并由吊车吊至脱碳转炉兑铁，然后半钢罐被送回暂存区。这是半钢罐对象实体的一个完整运行周期。

（4）钢水罐对象流：

在仿真开始运行的0时刻，钢水罐在其热修位等待，这是钢水罐对象流的初始状态。转炉处理完毕，钢水罐用于储存钢水，然后依次经过LF和RH二次精炼炉；当连铸机浇注完成，钢水罐被送回其热修位。与铁水罐对象流相同，半钢罐和钢水罐对象流在系统中也是周转和循环运行的。

五.任务序列化和任务序列的协同

任务序列化指将铁水（罐）/钢水（罐）在各个主体工艺设备之间的流转过程分解为时间上前后相继的子任务，多个连续执行的子任务即构成任务序列；而协同则是指需要两个或多个对象为完成任务序列进行的复杂协同操作。

以某一实际的炼钢连铸工程中将1#铁水线上的铁水罐运送至1#脱硫站的协同任务序列为例，说明任务序列在仿真方法中的应用。该运送过程需要铁水线铁水罐车TransporterLc1、加料跨一中的吊车Crane1和脱硫站铁水罐车TransporterKr1协同作业才能完成，对应的协同任务可分解为下面的多个子任务：

（1）铁水线铁水罐车运行到装载地点；

（2）铁水罐车装载铁水罐；

（3）铁水线铁水罐车和吊车运行至吊车的吊包位；

（4）吊车吊起铁水罐；

（5）吊车和脱硫站铁水罐车运行至落包位；

（6）吊车落包，脱硫站铁水罐车装载铁水罐；

（7）吊车偏移开一定的距离；

（8）脱硫站铁水罐车运行至脱硫站；

（9）脱硫站铁水罐车卸载铁水罐。

三种不同的运输工具为完成上述任务进行的协同情况如图1所示。注意其中与协同密切相关的几个同步环节：其一是铁水线铁水罐车TransporterLc1和吊车Crane1运行至吊包位必须同步，也即是说吊车Crane1吊起铁水罐的前提是TransporterLc1已经在吊包位准备好；其二是吊车Crane1和脱硫站铁水罐车TransporterKr1运行至落包位必须同步，即吊车Crane1卸载铁水罐的前提是TransporterKr1已经在落包位准备好。

六.消息通讯机制的设计

消息方式是对象实体间通讯的基本方式，任一对象实体都具有消息接口，都可作为消息的发送方和接收方；发往同一目的对象的消息通过消息类型编号区分，消息中可带多个不同数据类型的参数；消息方式也是触发同一对象内和不同对象间逻辑关联事件的有效方式。

七.多吊车的冲突处理

在炼钢连铸车间内，多台吊车布置在同一跨中是普遍存在的现象。为避免或消除位于同一跨中的多台吊车之间的冲突，需要设计合理的的避撞策略，仿真方法中的避撞策略具体包括三部分内容，分别是：吊车的任务或作业区域的划分方法，冲突处理函数，以及吊车任务序列的优先级和先占值的设定方法。

（1）吊车的任务或作业区域的划分：

为了使多吊车冲突问题适度简化，构思了两种方法：其一是给同一跨内的不同吊车划分不同的作业区域，即限定每台吊车在固定的区域内活动，这种方法与炼钢连铸车间的实际不符；其二是给不同的吊车指派不同的任务，而不限定其作业区域。在炼钢连铸车间物流仿真方法的实现过程中，应用了后者，但由于炼钢连铸车间的特殊性，并不能严格地限定不同的吊车所执行的任务，这时再辅以其它的方法来解决。

以某一实际的炼钢连铸工程为例，吊车的任务划分情况如表2所示。加料跨一中有两台500吨(t)吊车Crane1、Crane2和一台110吨(t)吊车Crane12，根据对吊车的任务进行划分的思路，Crane1主要完成从铁水线运送铁水罐至脱硫站的任务，而Crane2则完成将铁水罐从脱硫站送至（脱磷）转炉，以及将铁水空罐返回的任务。Crane12由于最大起吊重量的限制，仅仅用于加废钢料槽的运送任务。其他各跨中的任务分配情况基本类似，不再赘述。

（2）冲突处理函数：

冲突处理函数的基本思路是：两台可能发生冲突的吊车都不断地判断是否需要抢占当前激活的任务序列，冲突发生时，其中必定有一台吊车激活的任务被先占，即吊车停止执行当前激活的任务序列，转而执行任务序列队列中新插入的一个先占任务序列，让吊车向与其冲突的吊车的反方向避让，移开一定的安全距离并随后等待一段给定的时间。函数伪代码如下：

吊车本身和要避让的吊车对象声明；

定义吊车实体的优先级相关标签；

定义检测到冲突后，要避让的吊车移开的距离；

定义要避让的吊车在移开一定距离后等待的时间；

定义坐标轴X/Y/Z方向上的移开距离数组；

switch(坐标X/Y/Z)

{

case X:

if(要冲突的其他吊车在本吊车的X轴正向)

移开距离取反后赋值给移开距离数组的第一个元素;

else 移开距离直接后赋值给移开距离数组的第一个元素;

break;

case Y:

由于主要考虑吊车在X方向的冲突问题，而在Y/Z方向的冲突暂不考虑，故移开距离数组的第二个元素直接赋0；

Break；

case Z:

由于主要考虑吊车在X方向的冲突问题，而在Y/Z方向的冲突暂不考虑，故移开距离数组的第三个元素也直接赋0；

Break；

}

吊车本身和要避让的吊车对象活动的任务序列对象声明；

//两台吊车都会判断是否需要抢占当前激活的任务序列，

//并且有一台吊车激活的任务序列会被先占；

//下面就是自己激活的任务序列被先占的判断逻辑；

if(

(1. 如果当前激活的任务序列为空，即什么都没做，当然要被先占；) ||

(2. 或者自己正在执行避开冲突的任务，并且避开的对象就是对方；) ||

(3. 另一台吊车正在执行非避开冲突的任务，并且其任务序列的优先级较高，所以我也被抢占；)

)

{

设置任务序列的先占值类型，任务执行器将先占当前激活的任务序列，并将其放回到任务序列队列的最前面，当任务执行器回到最初的任务序列时，被先占的任务将被再次执行。

If(

自己正在执行避开冲突的任务，并且避开的对象就是对方

)

{

那么任务执行器将会停止当前激活的任务序列并销毁它，这样它就不会再回到此原始任务序列；

}

新插入的一个先占任务序列，让吊车向与其冲突的吊车的反方向避让，移开一定的安全距离并随后等待一段给定的时间。

 }

冲突处理函数的逻辑流程如图5所示，具体包含下列步骤：

步骤1：吊车冲突处理的逻辑流程开始；

步骤2：对吊车和要避让的吊车对象进行声明，并定义优先级标签。

步骤3：定义检测到冲突后要移开的距离、移开距离数组和等待时间等参数，并对移开距离数组元素赋值。

步骤4：对吊车和要避让的吊车对象活动的任务序列对象进行声明。

步骤5：判断吊车当前激活的任务序列是否为空？若为是，则转步骤8；否则继续下面的步骤6。

步骤6：判断吊车是否正在执行避开冲突的任务，并且避开的对象就是对方？若为是，也转步骤8，否则继续下面的步骤7。

步骤7：判断要避让的吊车是否正在执行高优先级的非避开冲突的任务？若为是，则继续下面的步骤8；否则转步骤11。

步骤8：设置吊车的任务序列的先占值。

步骤9：再次判断吊车是否正在执行避开冲突的任务，并且避开的对象就是对方？若为是，则继续下面的步骤10；否则转步骤11。

步骤10：停止吊车当前激活的任务序列并销毁它。

步骤11：在吊车的任务序列队列中插入新的先占任务，让吊车反方向避让，并且在移开一定的安全距离后等待。

步骤12：吊车冲突处理的逻辑流程结束。

（3）吊车任务序列的优先级和先占值的设定方法：

任务序列的优先级定义了相对其它任务序列而言，执行此任务序列的重要程度。每个任务序列还都有一个先占值，用来定义这个任务序列是否要使其它正在执行的任务序列中断转而执行它。

在仿真运行的任意给定时刻，一个对象实体只能有一个激活的任务序列，而其他的任务序列都会在队列中等待，等待的多个任务序列会根据先占值和优先级排队。对同一跨内的多台吊车而言，根据工艺要求合理的确定各任务序列的优先级和先占值非常关键。

下面以某一实际的炼钢连铸工程加料跨一中的吊车Crane1和Crane2为例说明。

根据吊车的任务划分，Crane1和Crane2执行的任务序列如表3所示。任务序列优先级和先占值的设定，不仅要考虑同一台吊车所执行的不同任务间的轻重缓急，还要关联到与其位于同一跨内的吊车的相关任务等。表3中，Crane2的任务序列A、B、C分别与同一罐铁水在时序上前后相继的处理/运送阶段对应。仿真方法中假定：与一个连续工艺处理过程对应的多个任务序列，其优先级随着处理过程的推进而递增，因而，Crane2的任务序列A、B、C的优先级递增；由于工艺的特殊性要求，兑铁和返空罐两个过程不允许中断，所以同时设置任务序列B、C的先占值为1，即只允许B、C抢占其他的任务序列，而B、C本身不会被抢占。另外，Crane2的返空罐过程和Crane1的吊铁水罐至脱硫站过程二者的作业区域交叉，有可能发生冲突，为避免冲突，需要为对应的任务序列定义不同的优先级，这里假定返空罐过程的优先级较高，所以Crane2的任务序列C的优先级比Crane1的任务序列A的优先级更高。

八.对象的合成与分解

炼钢连铸车间与其他的流水作业车间相比，一个显著的不同点在于对空罐的利用和周转方面。如果将铁水/钢水和空罐均看作仿真方法中不同的对象实体的话，则在仿真进行过程中，存在着多次铁水/钢水和空罐的合成和分解过程。具体有下面的几种：

（1）高炉铁水罐进厂之前与铁水的合成；

（2）向转炉兑铁时，铁水与空罐的分解；

（3）向“双联”操作的脱碳转炉兑铁时，铁水与半钢罐的分解；

（4）转炉出钢时，钢水与钢水罐的合成；

（5）“双联”操作的脱磷转炉出钢时，半钢水与半钢罐的合成；

（6）连铸机浇注过程中，钢水与空罐的分离。

炼钢连铸车间物流仿真方法中分别用父对象和子对象表示铁水/钢水和空罐，而上述多次铁水/钢水和空罐的合成和分解过程则用对象的分解和合成来表示。

九.兑铁、加废钢和倒铸余渣等多种动画效果的实现

为了使仿真有较好的动画效果，设计过程中除了考虑铁水/钢水在各个主体工艺设备之间的转运以及各主体工艺设备的处理之外，还实现了其他作业项目的动画展示，如转炉冶炼之前的兑铁和加废钢过程，及连铸机浇注完成后的倒铸余渣过程等。

以某一实际的炼钢连铸工程中兑铁完成后向转炉中加废钢，并随后将废钢料槽送回的过程为例来说明，加废钢动画效果是通过对任务序列的编程实现的，该过程的完整处理流程如图6所示。

加废钢动画效果由3个任务序列协作完成。当接收到500t吊车在兑铁结束时发来的消息（类型为1）后，110t吊车在其消息事件中创建任务序列A。在任务序列A中，110t吊车依次执行运行至吊包位，吊起废钢料槽，然后运行至转炉前的任务，执行到调用子任务时中断，并转入任务序列B。任务序列B在500t吊车的消息事件中创建，消息类型为3。这里首先将转炉和废钢料槽倾斜，开始加废钢的过程，然后延迟；延迟时间到，则向110t自身发送类型为2的消息。接收到此消息后，110t吊车在其消息事件中创建任务序列C，将转炉和废钢料槽状态复原，至此，加废钢的子任务完成，系统返回到任务序列A中调用子任务的下一个任务中，也就是将废钢料槽送回，最终卸载废钢料槽。

十.返空罐和上空罐的处理

炼钢连铸车间内除了铁水/钢水在各个主要工艺设备之间的转运之外，另外一种重要的物流即是空罐的周转，系统中需要调度和处理的对象除了铁水罐、钢水罐和半钢罐等多种空罐之外，还有空罐的暂存位，以及钢水罐热修设施等。根据对炼钢连铸车间空罐周转工艺的分析，仿真方法中将返空罐和上空罐过程分解为下面5种不同的操作，分别为：

（1）兑铁完成后的铁水罐车由转炉吊至进厂铁水线铁水罐车或空罐的暂存位；

（2） 向“双联”操作的脱碳转炉兑铁完成后，将半钢罐吊至其暂存位；

（3） 吊半钢罐至“双联”操作的脱磷转炉的钢包车上；

（4） 吊热修后的钢水空罐至转炉钢包车上；

（5） 将钢水空罐由连铸机回转台吊至热修位。

以某一实际的炼钢连铸工程中返回1#连铸机来的空罐为例说明，返空罐过程也是通过对任务序列的编程实现的，该过程的完整处理流程如图7所示。

由图7可知，返回1#连铸机空罐的过程由多个任务序列协作完成。任务序列A在1#连铸机的消息事件中创建，用于吊车的运行、吊起空罐，并送至过跨车上。在任务序列A执行过程中，吊车会中断转去执行任务序列B和C，完成倒铸余渣后再回到任务序列A执行下一个任务。任务序列B和C在吊车的消息事件中创建。任务序列A执行结束后，空罐已经置于过跨车上，这时再继续执行过跨车的任务序列D，将空罐送至出钢跨110t吊车的吊包位。过跨车就位后，接着执行110t吊车的任务序列E，完成将钢水空罐送至热修位的全过程。

实施例2. 松散耦合的协同任务序列

为了提高各运输工具的利用率，避免因运输工具无谓等待而引起的炼钢连铸车间调度的拥塞状况，本仿真方法中还设计了一种松散耦合的协同任务序列，这时将图1所示的协同任务序列分解为三个（协同）任务序列，其中包含：铁水线铁水罐车TransporterLc1的任务序列、吊车Crane1和脱硫站铁水罐车TransporterKr1的协同任务序列，以及脱硫站铁水罐车TransporterKr1的任务序列，如图2所示。将二者进行对比，在图1中，被分派任务的任务执行器强耦合在一起，在协同任务执行的过程中，任何一个任务执行器均不能响应系统中其他的调用请求，即使它处于不做任何事情的等待状态。图1中的吊车Crane1在铁水线铁水罐车TransporterLc1开始向装载地点运行的时刻起，就进入到等待状态，不再响应其他请求，这样显然会降低吊车的利用率，还可能引起炼钢车间调度的拥塞状况。而图2中，由于实现了任务序列的分解，在铁水罐车TransporterLc1向吊车Crane1的吊包位运送铁水罐的全过程中，吊车Crane1并不与铁水罐车TransporterLc1关联，依然可以执行其他的任务序列。由此可知，这种松散耦合的协同任务序列可以使原本处于无谓等待中运输工具解放出来，可以响应仿真中其他的调用请求，从而有效地提高了设备利用率。

松散耦合的协同任务序列的实现过程如图3所示，实现过程中还要借助于消息驱动以及对象实体和路径网络节点的事件编程实现。

图3所描述的流程包含下列步骤：

步骤1：协同任务序列开始；

步骤2：查询铁水线铁水罐车TransporterLc1的状态，若为空闲，则创建TransporterLc1的任务序列；否则铁水罐在缓冲区等待，并持续查询铁水线铁水罐车TransporterLc1的状态。

步骤3：执行步骤2中创建的TransporterLc1的任务序列，该任务序列执行完毕，铁水罐车TransporterLc1已经载着铁水罐运行至吊车Crane1的吊包位并开始等待。

步骤4：查询吊车Crane1和脱硫站铁水罐车TransporterKr1的状态，若均为空闲，则创建二者的协同任务序列；否则铁水线铁水罐车TransporterLc1继续等待，同时持续查询吊车Crane1和脱硫站铁水罐车TransporterKr1的状态。

步骤5：执行步骤4中创建的协同任务序列，该协同任务序列执行完毕，铁水罐已经吊至脱硫站铁水罐车TransporterKr1上面。

步骤6：查询脱硫站的状态，若为空闲，则创建脱硫站铁水罐车TransporterKr1的任务序列；否则持续查询脱硫站的状态。

步骤7：执行步骤6中创建的TransporterKr1的任务序列，将铁水罐送至脱硫站。

步骤8：协同任务序列结束。

实施例3. 消息通讯机制的应用

以上面设计的将1#铁水线上的铁水罐运送至1#脱硫站的松散耦合的协同任务序列为例说明消息通讯机制的应用，如图4所示。

图4所描述的流程包含下列步骤：

步骤1：消息通讯机制应用实例流程开始；

步骤2：进厂铁水线接收铁水罐事件触发；

步骤3：缓冲区QueueLc1的进入事件触发，在对其进入事件编程中，查询铁水线铁水罐车TransporterLc1的状态，若为空闲状态，则发送类型编号为1的即时消息，否则发送类型编号为99的延迟消息，延迟时间可调，消息的接收方均为缓冲区QueueLc1本身。

步骤4：在QueueLc1的消息事件中，会根据消息类型进行不同的处理，若为即时消息类型1，则会创建铁水线铁水罐车TransporterLc1的任务序列；若为延迟消息类型99，则会继续查询TransporterLc1的状态，若为空闲状态，则发送即时消息类型1，否则发送延迟消息类型99。

步骤5：执行步骤4中创建的铁水线铁水罐车TransporterLc1的任务序列。

步骤6：任务序列执行完毕，TransporterLc1已经运行至吊车Crane1的吊包位，为网络节点NNLcb1，此时NNLcb1的进入事件触发，在对其进入事件编程中，会查询吊车Crane1和脱硫站铁水罐车TransporterKr1的状态，若二者均为空闲状态，则发送类型编号为1的即时消息，否则发送类型编号为99的延迟消息，延迟时间可调，消息的接收方均为网络节点NNLcb1本身。

步骤7：在NNLcb1的消息事件中，会根据消息类型进行不同的处理，若为即时消息类型1，则会创建吊车Crane1和脱硫站铁水罐车TransporterKr1的协同任务序列；若为延迟消息类型99，则会继续查询Crane1和TransporterKr1的状态，若均为空闲状态，则发送即时消息类型1，否则发送延迟消息类型99。

步骤8：执行步骤7中创建的吊车Crane1和脱硫站铁水罐车TransporterKr1的协同任务序列。

步骤9：协同任务序列执行完毕，铁水罐已经吊至脱硫站铁水罐车TransporterKr1上面，此时TransporterKr1的装载事件触发，在对其装载事件编程中，查询脱硫站的状态，若为空闲状态，则发送类型编号为1的即时消息，否则发送类型编号为99的延迟消息，延迟时间可调，消息的接收方均为脱硫站铁水罐车TransporterKr1本身。

步骤10：在TransporterKr1的消息事件中，会根据消息类型进行不同的处理，若为即时消息类型1，则会创建脱硫站铁水罐车TransporterKr1的任务序列；若为延迟消息类型99，则会继续查询脱硫站的状态，若为空闲状态，则发送即时消息类型1，否则发送延迟消息类型99。

步骤11：执行步骤10中创建的脱硫站铁水罐车TransporterKr1的任务序列。

步骤12：任务序列执行完毕，完成将铁水罐送至脱硫站的全过程。

步骤13：消息通讯机制应用实例流程结束。

本发明是以炼钢连铸车间内的物流为研究对象，在对炼钢连铸生产过程进行分析的基础上，提供了上述的炼钢连铸车间的物流仿真方法。该方法不仅能在给定的工艺布局下对炼钢厂的生产组织模式、物流瓶颈和系统关键路径，以及生产调度策略等进行仿真，而且能结合用户的多样化需求，通过仿真为其在炼钢工艺流程设计环节提供决策支持，辅助确定合理、优化的工艺流程布置和主要设备配置，实现各工序单元的整体匹配和协调，达到系统结构优化和功能优化目的。

附表

表1               1#脱磷转炉的路径全局表

序号

目的站点

方式

罐车1

吊车

水罐车2

节点1

节点2

节点3

节点4

1

PKr1

/

/

/

/

/

/

/

/

2

PKr2

/

/

/

/

/

/

/

/

3

PKr3

/

/

/

/

/

/

/

/

4

PKr4

/

/

/

/

/

/

/

/

5

PLdp1

/

/

/

/

/

/

/

/

6

PLdp2

/

/

/

/

/

/

/

/

7

PLdc1

t2c

TLdp1

Crane4

NULL

NNLdpa1

NNLdpb1

NULL

NULL

8

PLdc2

t2c

TLdp1

Crane4

NULL

NNLdpa1

NNLdpb1

NULL

NULL

9

PLf1

t2t

TLdp1

Crane5

TLf11

NNLdpa1

NNLdpc1

NNLfa11

NNLfb11

10

PLf2

t2t

TLdp1

Crane5

TLf21

NNLdpa1

NNLdpc1

NNLfa21

NNLfb21

11

PRh1

t2t

TLdp1

Crane5

TRh11

NNLdpa1

NNLdpc1

NNRha11

NNRhb11

12

PRh2

/

/

/

/

/

/

/

/

13

PRh3

t2t

TLdp1

Crane5

TRh31

NNLdpa1

NNLdpc1

NNRha31

NNRhb31

14

PCc1

/

/

/

/

/

/

/

/

15

PCc2

/

/

/

/

/

/

/

/

16

PCc3

/

/

/

/

/

/

/

/

17

PCc4

/

/

/

/

/

/

/

/

表2                    炼钢连铸车间内吊车的任务划分

	吊车一	吊车二	吊车三	吊车四
					加料跨一	Crane1，负责铁水罐从铁水线送至脱硫站	Crane2，负责铁水罐从脱硫站运送至脱磷转炉，以及返回铁水空罐	Crane12，负责加废钢料槽的运送	/
加料跨二	Crane3，负责铁水罐从铁水线送至脱硫站	Crane4，负责铁水罐从脱硫站运送至脱碳转炉，吊半钢罐至脱磷转炉的钢包车上，以及返回铁水空罐和半钢罐	Crane13，负责加废钢料槽的运送	/
					出钢跨	Crane5，负责运送钢水罐至LF/RH精炼炉	Crane9，负责吊热修后的钢水空罐至钢包车上	Crane10，负责吊热修后的钢水空罐至钢包车上	/
钢水接收跨	Crane6，负责钢水罐由1#LF送至1#/2#RH，以及由1#RH送至连铸机回转台	Crane7，负责钢水罐由1#LF送至1#/2#RH或连铸机回转台，以及由2#RH送至连铸机回转台	Crane8，负责钢水罐由2#LF送至连铸机回转台，以及由3#RH送至连铸机回转台	Crane11，负责钢水空罐由连铸机送至热修位

表3 Crane1和Crane2执行的任务序列的优先级和先占值的设定

吊车	优先级	先占值	任务序列描述
				Crane1	/	0	A：从铁水线运送铁水罐至脱硫站的任务序列
Crane1	/	0	B：从铁水线暂存位吊空罐至铁水罐车上的任务序列
				Crane2	低	0	A：从脱硫站运送铁水罐至脱磷转炉的任务序列
Crane2	中	1	B：在Crane2的消息事件中插入的兑铁任务序列
				Crane2	高，并且高于Crane1的任务序列A	1	C：在Crane2的消息事件中插入的返空罐任务序列

Claims (6)

1.一种炼钢连铸车间的物流仿真方法，其特征在于该方法包含以下步骤：

（1）主体工艺设备、运输工具和空罐暂存区域的对象模型和对象库的创建：

在创建过程中，先根据炼钢连铸工程的工艺特点构建基类，在继承自基类的基础上，导入主体工艺设备、运输工具和空罐暂存区域的三维模型，并对多种接口进行编程，实现定制对象模型的复杂处理逻辑，然后在定制对象模型的基础上创建对象库；

（2）平面布置图的建立：

根据工程对象的实际尺寸，按照设定的比例绘制平面布置图，绘制过程中，重点参考下列信息：各台吊车的位置和尺寸，与进厂铁水线和各个主体工艺设备对应的铁水罐车、钢水罐车的运行线路，各主体工艺设备的位置；

（3）运输工具行进路径的网络节点表示：

用网络路径限定包括铁水罐车和钢水罐车在内的运输工具的行进路线，而铁水罐车、钢水罐车的启车点和停车点，以及吊车的吊包位和落包位则用网络节点指定；

（4）流定义：

所述流定义为铁水、钢水、铁水罐和钢水罐在炼钢连铸车间内加工和转运的工艺路线，具体包含：铁水/钢水对象流、铁水罐对象流、半钢罐对象流和钢罐对象流；

（5）任务序列化和任务序列的协同：

所述任务序列化是指将铁水、钢水、铁水罐或钢水罐在各个主体工艺设备之间的加工和转运过程分解为时间上前后相继的子任务，多个连续执行的子任务即构成任务序列；而任务序列的协同则是指需要两个或多个对象为完成任务序列进行的复杂协同操作；

（6）消息通讯机制的设计：

消息方式是对象实体间通讯的基本方式，任一对象实体都具有消息接口，都作为消息的发送方和接收方；发往同一目的对象的消息通过消息类型编号区分，消息中带多个不同数据类型的参数；消息方式也是触发同一对象内和不同对象间逻辑关联事件的有效方式；

（7）多吊车的冲突处理：

为避免或消除位于炼钢连铸车间内同一跨中的多台吊车之间的冲突，而设计包括以下的避撞方法：吊车的任务或作业区域的划分方法，冲突处理函数，以及吊车任务序列的优先级和先占值的设定方法；

（8）对象的合成与分解：

其方法是：用父对象表示铁水/钢水，而用子对象表示铁水罐/钢水罐；铁水罐的兑铁和钢水罐的浇注，以及转炉的出钢过程均用对象的分解和合成来表示；

（9）多种动画效果以及返空罐和上空罐的实现：

其方法是：均应用任务序列的编程实现；所述多种动画效果包括兑铁、加废钢和倒铸余渣在内的动画效果。

2.根据权利要求1所述的物流仿真方法，其特征在于所述的步骤（3）中，用网络路径、网络节点表示运输工具的行进路径，这种表示方式体现为路径全局表；所述物流仿真方法中的每一个主体工艺设备均有与其对应的一张路径全局表。 

3.根据权利要求1所述的物流仿真方法，其特征在于步骤（4）中所述的几种对象流具体是：

（1）铁水/钢水对象流：

铁水/钢水是炼钢连铸车间精炼处理的主要对象，铁水/钢水流经由进厂铁水线铁水罐车送入，依次经过脱硫站、脱磷转炉、脱碳转炉、LF炉和RH炉精炼，以及各铁水罐车、吊车和钢水罐车的转运，最后由连铸机浇注成坯，完成了在整个车间的处理、流转过程。

（2）铁水罐对象流：

设定铁水罐对象流的起点是将铁水灌装好并在铁水线上开始运行的时刻，从起点开始，经过脱硫站的处理，由吊车吊至转炉兑铁，然后送回至铁水线或暂存区，至此结束铁水罐流的一个运行周期。

（3）半钢罐对象流：

半钢罐对象流仅仅出现在需要转炉进行“双联”处理的场合，脱磷炉处理完毕的铁水用半钢罐储存，并由吊车吊至脱碳转炉兑铁，然后半钢罐被送回暂存区。

（4）钢水罐对象流：

在仿真开始运行的0时刻，钢水罐在其热修位等待，这是钢水罐对象流的初始状态。转炉处理完毕，钢水罐用于储存钢水，然后依次经过LF和RH二次精炼炉；当连铸机浇注完成，钢水罐被送回其热修位。

上述铁水罐对象流、半钢罐对象流和钢水罐对象流均是周转和循环运行的。

4.根据权利要求1所述的物流仿真方法，其特征在于该仿真方法设计了一种松散耦合的协同任务序列，以避免因运输工具无谓等待而引起的炼钢连铸车间调度的拥塞状况，其实现过程需要借助于消息驱动以及对象实体和路径网络节点的事件编程实现。

5.根据权利要求4所述的物流仿真方法，其特征在于所述的松散耦合的协同任务序列，其中，将1#铁水线上的铁水罐运送至1#脱硫站的任务序列的流程包含下列步骤：

步骤1：协同任务序列开始；

步骤2：查询铁水线铁水罐车TransporterLc1的状态，

若为空闲，则创建TransporterLc1的任务序列；否则铁水罐在缓冲区等待，并持续查询铁水线铁水罐车TransporterLc1的状态；

步骤3：执行步骤2中创建的TransporterLc1的任务序列，该任务序列执行完毕，铁水罐车TransporterLc1已经载着铁水罐运行至吊车Crane1的吊包位并开始等待；

步骤4：查询吊车Crane1和脱硫站铁水罐车TransporterKr1的状态，

若均为空闲，则创建二者的协同任务序列；否则铁水线铁水罐车TransporterLc1继续等待，同时持续查询吊车Crane1和脱硫站铁水罐车TransporterKr1的状态；

步骤5：执行步骤4中创建的协同任务序列，该协同任务序列执行完毕，铁水罐已经吊至脱硫站铁水罐车TransporterKr1上面；

步骤6：查询脱硫站的状态，

若为空闲，则创建脱硫站铁水罐车TransporterKr1的任务序列；否则持续查询脱硫站的状态；

步骤7：执行步骤6中创建的TransporterKr1的任务序列，将铁水罐送至脱硫站；

步骤8：协同任务序列结束。

6.根据权利要求1所述的物流仿真方法，其特征在于步骤（7）所述的冲突处理函数,其基本方法是：两台可能发生冲突的吊车都不断地判断是否需要抢占当前激活的任务序列，冲突发生时，其中必定有一台吊车激活的任务被先占，即吊车停止执行当前激活的任务序列，转而执行任务序列队列中新插入的一个先占任务序列，让吊车向与其冲突的吊车的反方向避让，移开一定的安全距离并随后等待一段给定的时间。

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