CN103529805B - 一种钢铁企业原料取料设备的优化作业控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种钢铁企业原料取料设备的优化作业控制方法，属于钢铁原料生产物流技术领域，本发明通过数学模型科学定量的描述了钢铁原料取料设备控制过程中的工艺特征，并以此为基础，采用智能优化算法对取料设备进行作业控制，使得原料取料及传输生产系统处于最优的工作状态，从而在很大程度上避免因分配不合理而造成的原料供应中断等问题，保证设备稳定运行，均衡生产，提高设备利用率，缩短生产周期和提高生产效率。

Description

一种钢铁企业原料取料设备的优化作业控制方法

技术领域

本发明属于钢铁原料生产物流技术领域，具体涉及一种钢铁企业原料取料设备的优化作业控制方法。

背景技术

钢铁企业的日常生产活动中需要消耗大量的散状原料如铁矿石、煤、石灰石等，这些原料以料堆的形式露天存放在原料场中。如图一所示，原料场包括数个狭长的原料存放场地(称作料条)，每个料条配有专属取料设备(通常为有轨取料机)可对存储在其内的原料料堆进行取料作业。每个原料料堆通常占用其所在料条中很长的一段场地(各料堆宽度均与料条宽度基本相同，料堆长度则各不相同)，因此在执行取料作业时不仅需要决策取料作业针对的料堆及其作业次序，而且需要确定是从原料料堆的左端点还是右端点开始作业。

当高炉、烧结等生产车间下达需求指令时，原料管理部门负责控制取料设备将原料从原料场取出后运送到上述生产车间。受限于原料工艺流程及设备要求，每个原料的取料作业必须与其相应生产单位的接收作业同步进行，不能中断。同时，由于钢铁生产过程的特殊性，对各个原料到达其生产车间的时间有严格的时限要求。因此，取料设备的作业控制是否合理将直接影响后续炼铁等生产过程的正常进行与否。

原料取料设备作业控制的核心任务是为已下达的各个原料需求指令分配其作业设备，并为各个取料设备决策其所执行的各个取料作业任务的作业顺序和开工时间。需要注意的是，原料取料作业有严格的时限要求(最早开工时间与最晚完工时间均有严格限制)，并且与各生产车间的接收作业之间需要协调调度。同时，由于新的原料需求指令下达时，旧的原料需求指令也会做出适当的调整，因此各个取料设备的作业控制方案均需重新计算，实时更新。

目前，我国大型钢铁厂对取料设备的作业控制仍处于人工协调阶段，虽然操作人员分配经验丰富，但受到料场原料品种多、数量大、需求指令不稳定等因素的限制，人工协调不免会出现不合理作业的现象，使得取料设备的有效作业利用率低，造成能源及资源的浪费，甚至导致生产事故的发生。因此，需要提出一个有效的取料设备作业控制方法，在已有的条件下，保证取料作业连续正常，节约能耗，扩大生产效益。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种钢铁企业原料取料设备的优化作业控制方法，以达到节约能耗、保证取料作业以及后续钢铁生产过程连续正常、扩大生产效益的目的。

一种钢铁企业原料取料设备的优化作业控制方法，包括以下步骤：

步骤1：确定原料场存储状态数据、取料设备作业现状数据和需求指令信息，具体包括：各原料在原料场的存储位置、各原料在原料场的存储量、取料设备作业状态、取料设备所在位置、待作业的原料需求指令以及最新原料需求指令，上述原料需求指令包括待作业原料批号、待作业原料的需求量、需求生产车间、各个待作业原料的开工允许时间和各个待作业原料的完工截止时间；

步骤2：以取料作业过程的工艺限制和时限为约束条件，采用建立数学模型的方式描述取料设备优化作业控制过程；

所述的数学模型，建立过程如下：

步骤2-1：设置数学模型的参数：

设定执行原料i的取料作业的取料设备集合为K_i，使用取料设备k执行其取料作业的原料集合为I_k；K为所有取料设备的集合，I为所有原料的集合；对于生产车间w所需求的原料集合为I_w；每个I_w中的全部原料到达对应生产车间的次序为r_ij，若原料i紧接着原料j到达同一生产车间，r_ij取值为1，否则为0；；

步骤2-2：根据取料设备控制方案设置数学模型的决策变量：

设定表达取料设备分配关系的0-1决策变量x_ki：

即当x_ki＝1时，表示使用取料设备k对原料i进行取料作业，当x_ki＝0时，表示未使用取料设备k对原料i进行取料；

设定表达取料设备控制方案的0-1决策变量y_ij：

即当y_ij＝1时，表示原料j紧接着原料i被执行取料作业，且均使用了同一作业设备，否则y_ij＝0；

设定表达取料设备取料作业方向的0-1决策变量z_ki：

即当z_ki＝1时，表示设备k从原料i的左端点开始对其进行取料作业，z_ki＝0表示设备k从原料i的右端点开始对其进行取料作业；

设定l_ij表达当y_ij＝1时，取料设备从原料i的作业结束位置空走行到达原料j的作业开始位置所需的时间；

设定t_i表达原料i的开工时间；

设定C_i表达原料i的拖期时间；

步骤2-3：根据取料设备作业过程的工艺要求设置数学模型约束条件：

(1)对于任一取料设备k，完成上一个原料的取料作业之后，才能开始下一个原料的取料作业，同时满足原料到达次序r_ij要求，因此，取料设备作业约束如下：

t_j-t_i≥p_i-M(1-y_ij)+l_ij    (1)

其中，i∈I，j∈I\{i}，其中j∈I\{i}表示原料j是I中不同于原料i的一个原料，t_j表示原料j的开工时间，p_i表示原料i所需的作业时间，M为一个给定正数；

t_j-t_i≥p_i-M(1-r_ij)    (2)

(2)对于原料i，其取料作业需要在其最晚完工时间之前结束，否则会造成拖期，拖期时间C_i计算约束如下：

C_i≥t_i+p_i-d_i    (3)

其中，d_i表示原料i的最晚完工时间；

(3)对于原料i，必有一个取料设备被分配来执行其取料作业，取料设备分配约束如下：

$\underset{k\∈K_i}{\mathrm{\Σ}}{x}_{\mathrm{ki}}=1---\left(4\right)$

其中，

(4)对于原料i，若占用取料设备k进行取料作业，且不是第一个被作业和不是最后一个被作业，则必有一个原料在原料i之前占用取料设备k进行作业，且必有另一个原料在原料i之后占用取料设备k进行作业，则取料作业顺序约束如下：

$\underset{i\∈I_k\∪\left\{a\right\}}{\mathrm{\Σ}}{y}_{\mathrm{ij}}=x_{\mathrm{kj}}---\left(5\right)$

$\underset{j\∈I_k\∪\left\{b\right\}}{\mathrm{\Σ}}{y}_{\mathrm{ij}}=x_{\mathrm{ki}}---\left(6\right)$

式中，j∈I_k∪{b}，i∈I_k∪{a}，此时，原料i、原料j是集合I_k中不同的两个原料，a和b是两个虚拟原料，a表示虚拟的第一个被作业的原料，b表示虚拟的最后一个被作业的原料；并保证在每个取料设备处，原料a和原料b两个虚拟原料分别被第一个和最后一个作业；

(5)当原料j紧接着原料i被执行取料作业时，取料设备的空走行时间l_ij取决于原料i和原料j的取料方向，空走行时间约束如下：

$l_{\mathrm{ij}}+M\·(1-y_{\mathrm{ij}})\≥L_{\mathrm{kij}}^0+L_{\mathrm{kij}}^1{z}_{\mathrm{ki}}+L_{\mathrm{kij}}^2{z}_{\mathrm{kj}}+L_{\mathrm{kij}}^3{z}_{\mathrm{ki}}{z}_{\mathrm{kj}}---\left(7\right)$

式中，i∈I_k，j∈I_k，此时，原料i和原料j是集合I_k中不同的两个原料，原料i和原料j均为从右端开始取料时，取料设备的空走行时间为当原料i和原料j均为左端取料时，取料设备的空走行时间为当原料i为左端取料而原料j为右端取料时，取料设备的空走行时间为当原料i为右端取料而原料j为左端取料时，取料设备的空走行时间为

步骤2-4：取料设备实时作业控制的目标是使各个原料的取料作业的拖期时间最小，取料设备空走行时间也尽可能小，同时使剩余的空场地尽可能连贯，即：

$\begin{array}{cc}\min & u\underset{i\∈I}{\mathrm{\Σ}}\underset{j\∈I\backslash i}{\mathrm{\Σ}}{l}_{\mathrm{ij}}+\underset{i\∈I}{\mathrm{\Σ}}\end{array},v_i{C}_i+\underset{k\∈K}{\mathrm{\Σ}}\underset{i\∈I}{\mathrm{\Σ}}{w}_{\mathrm{ki}}{x}_{\mathrm{ki}}{z}_{\mathrm{ki}}---\left(8\right)$

式中，此时，原料i和原料j是集合I中不同的两个原料，u为拖期的权重系数，v_i为空走行的权重系数，w_ki场地连贯性权重系数；

步骤3、确定钢铁原料取料设备的作业控制过程，方法为：

步骤3-1、建立一个新集合，该新集合为空集，并将所有原料以完工截止时间从小到大的顺序排列，得到次序；

步骤3-2、选择次序中完工截止时间最早的原料，对于该原料，以约束公式(1)(2)(7)为依据，从可以执行该原料的取料作业的取料设备集合中选择使得空走行时间最小的取料设备；根据约束公式(1)(2)(7)更新该原料的作业设备控制方案，把原料从次序中删除，放入新集合中，并执行步骤3-3；

步骤3-3、判断是否所有原料都已分配相应设备，若是，即得到此时所有取料设备的预控制方案，并执行步骤3-4；否则返回执行步骤3-2；

步骤3-4、选择前一个迭代周期中的最优控制方案，并根据公式(8)计算该方案的目标值，根据目标值对该控制方案进行评估；

采用邻域搜索策略找出与上述最优控制方案相近邻域的控制方案中的最优方案，对该方案进行评估，若该方案的目标值小于前一个迭代周期中的最优控制方案的目标值，则设定该方案为历史最优控制方案，并获得历史最优目标值，将连续未改进代数归零，并执行步骤3-6；否则将连续未改进代数加1，执行步骤3-5；

步骤3-5、若连续未改进代数达到用户设定的上限，则算法停止，确定取料设备优化作业控制方案；否则，执行步骤3-7；

步骤3-6、将历史最优控制方案所对应的搜索移动方式进行保存，下一次搜索中不允许使用；若所保存的搜索移动方式数目达到设置的上限，则对最先保存的搜索移动方式取消保存，即可在下一次搜索中使用；

步骤3-7、判断迭代次数是否达到用户设定值，若是，则算法停止，确定取料设备优化作业控制方案；否则转到步骤3-4；

步骤4：将优化后的取料设备优化作业控制方案转化为生产指令，发送至二级过程控制系统，过程控制系统按上述方案控制取料设备执行取料作业。

步骤3-6中所述的邻域搜索包括以下两种类型的搜索方式：

(1)插入移动：选取前一个迭代周期中的最优控制方案中的某一个原料，将其在次序中的位置随机前插，重复执行步骤3-2至步骤3-3生成新的控制方案，所有可行的插入移动相对应的控制方案构成前一个迭代周期中的最优控制方案的邻域；

(2)交换移动：选取前一个迭代周期中的最优控制方案中的某一个原料，从执行原料的取料作业的取料设备集合中选择另一个满足约束(3)的取料机替换原取料机，更新此控制方案，所有可行的交换移动所对应的控制方案构成前一个迭代周期中的最优控制方案的邻域。

本发明优点：

本发明一种钢铁企业原料取料设备的优化作业控制方法，通过数学模型科学定量的描述了钢铁原料取料设备控制过程中的工艺特征，并以此为基础，采用智能优化算法对取料设备进行作业控制，使得原料取料及传输生产系统处于最优的工作状态，从而在很大程度上避免因分配不合理而造成的原料供应中断等问题，保证设备稳定运行，均衡生产，提高设备利用率，缩短生产周期和提高生产效率。

附图说明

图1为本发明一种实施例的取料装置示意图；

图2为本发明一种实施例的钢铁企业原料取料设备的优化作业控制方法流程图；

图3为本发明一种实施例的控制装置框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。

如图1所示，本实施例为一个小型钢铁原料场，拥有3台取料机(编号#1～3)，2个生产车间，对取料设备进行控制完成10个需求原料的取料任务。

一种钢铁企业原料取料设备的优化作业控制方法，方法流程图如图2所示，包括以下步骤：

步骤1：确定原料场存储状态数据、取料设备作业现状数据和需求指令信息，具体包括：各原料在原料场的存储位置、各原料在原料场的存储量、取料设备作业状态、取料设备所在位置、待作业的原料需求指令以及最新原料需求指令，上述原料需求指令包括待作业原料批号、待作业原料的需求量、需求生产车间、各个待作业原料的开工允许时间和各个待作业原料的完工截止时间；

本发明实施例中，待作业原料信息如表1所示：

表1

任务	原料编号	可利用的取料机	需求车间	任务截止时间(h)
					1	一号原料	#1，#3	高炉车间	11：00
2	二号原料	#2	高炉车间	15：50
					3	三号原料	#1，#2	烧结车间	18：30
4	四号原料	#1，#3	高炉车间	16：30
					5	五号原料	#3	高炉车间	12：20
6	六号原料	#2，#3	烧结车间	10：30
					7	七号原料	#2	高炉车间	17：00
8	八号原料	#1，#2，	烧结车间	11：30
					9	九号原料	#1，#3	烧结车间	12：00
10	十号原料	#3	烧结车间	15：30

步骤2：以取料作业过程的工艺限制和时限为约束条件，采用建立数学模型的方式描述取料设备优化作业控制过程；

所述的数学模型，建立过程如下：

步骤2-1：设置数学模型的参数：

设定执行原料i的取料作业的取料设备集合为K_i，使用取料设备k执行其取料作业的原料集合为I_k；K为所有取料设备的集合，I为所有原料的集合；对于生产车间w所需求的原料集合为I_w；每个I_w中的全部原料到达对应生产车间的次序为r_ij，若原料i紧接着原料j到达同一生产车间，r_ij取值为1，否则为0；；

步骤2-2：根据取料设备控制方案设置数学模型的决策变量：

设定表达取料设备分配关系的0-1决策变量x_ki：

即当x_ki＝1时，表示使用取料设备k对原料i进行取料作业，当x_ki＝0时，表示未使用取料设备k对原料i进行取料；

设定表达取料设备控制方案的0-1决策变量y_ij：

即当y_ij＝1时，表示第j种原料紧接着第i种原料被执行取料作业，且均使用了同一作业设备，否则y_ij＝0；

设定表达取料设备取料作业方向的0-1决策变量z_ki：

即当z_ki＝1时，表示设备k从原料i的左端点开始对其进行取料作业，z_ki＝0表示设备k从原料i的右端点开始对其进行取料作业；

设定l_ij表达当y_ij＝1时，取料设备从原料i的作业结束位置空走行到达原料j的作业开始位置所需的时间；

设定t_i表达原料i的开工时间；

设定C_i表达原料i的拖期时间；

步骤2-3：根据取料设备作业过程的工艺要求设置数学模型约束条件：

(1)对于任一取料设备k，完成上一个原料的取料作业之后，才能开始下一个原料的取料作业，同时满足原料到达次序r_ij要求，因此，取料设备作业约束如下：

t_j-t_i≥p_i-M(1-y_ij)+l_ij    (1)

其中，i∈I，j∈I\{i}，其中j∈I\{i}表示j是I中不同于原料i的一个原料，t_j表示原料j的开工时间，p_i表示原料i所需的作业时间，M为一个给定正数；

t_j-t_i≥p_i-M(1-r_ij)    (2)

(2)对于原料i，其取料作业需要在其最晚完工时间之前结束，否则会造成拖期，拖期时间C_i计算约束如下：

C_i≥t_i+p_i-d_i    (3)

其中，d_i表示原料i的最晚完工时间；

(3)对于原料i，必有一个取料设备被分配来执行其取料作业，取料设备分配约束如下：

$\underset{k\∈K_i}{\mathrm{\Σ}}{x}_{\mathrm{ki}}=1---\left(4\right)$

其中，

(4)对于原料i，若占用取料设备k进行取料作业，且不是第一个被作业和不是最后一个被作业，则必有一个原料在原料i之前占用取料设备k进行作业，且必有另一个原料在原料i之后占用取料设备k进行作业，则取料作业顺序约束如下：

$\underset{i\∈I_k\∪\left\{a\right\}}{\mathrm{\Σ}}{y}_{\mathrm{ij}}=x_{\mathrm{kj}}---\left(5\right)$

$\underset{j\∈I_k\∪\left\{b\right\}}{\mathrm{\Σ}}{y}_{\mathrm{ij}}=x_{\mathrm{ki}}---\left(6\right)$

式中，i和j是集合I_k中不同的两个原料，a和b是两个虚拟原料，分别用来表示虚拟的第一个被作业的原料和最后一个被作业的原料。限定x_ka＝x_kb＝1，且当时，y_ab≠1；保证在每个取料设备处，原料a和原料b两个虚拟原料分别被第一个和最后一个作业；

(5)当原料j紧接着原料i被执行取料作业时，取料设备的空走行时间l_ij取决于原料i和原料j的取料方向，空走行时间约束如下：

$l_{\mathrm{ij}}+M\·(1-y_{\mathrm{ij}})\≥L_{\mathrm{kij}}^0+L_{\mathrm{kij}}^1{z}_{\mathrm{ki}}+L_{\mathrm{kij}}^2{z}_{\mathrm{kj}}+L_{\mathrm{kij}}^3{z}_{\mathrm{ki}}{z}_{\mathrm{kj}}---\left(7\right)$

式中，i∈I_k，j∈I_k，此时，原料i和原料j是集合I_k中不同的两个原料，原料i和原料j均为从右端开始取料时，取料设备的空走行时间为当原料i和原料j均为左端取料时，取料设备的空走行时间为当原料i为左端取料而原料j为右端取料时，取料设备的空走行时间为当原料i为右端取料而原料j为左端取料时，取料设备的空走行时间为

步骤2-4：取料设备实时作业控制的目标是使各个原料的取料作业的拖期时间最小，取料设备空走行时间也尽可能小，同时使剩余的空场地尽可能连贯，即：

$\begin{array}{cc}\min & u\underset{i\∈I}{\mathrm{\Σ}}\underset{j\∈I\backslash i}{\mathrm{\Σ}}{l}_{\mathrm{ij}}+\underset{i\∈I}{\mathrm{\Σ}}\end{array},v_i{C}_i+\underset{k\∈K}{\mathrm{\Σ}}\underset{i\∈I}{\mathrm{\Σ}}{w}_{\mathrm{ki}}{x}_{\mathrm{ki}}{z}_{\mathrm{ki}}---\left(8\right)$

式中，此时，原料i和原料j是集合I中不同的两个原料，u为拖期的权重系数，v_i为空走行的权重系数，w_ki场地连贯性权重系数；

步骤3、确定钢铁原料取料设备的作业控制过程，方法为：

步骤3-1、建立一个新集合并将所有原料以完工截止时间从小到大的顺序排列，得到次序A；

如表1所示，根据完工截止时间从小到大对任务1至任务10进行排序，次序为：任务6、任务1、任务8、任务9、任务5、任务10、任务2、任务4、任务7、任务3；

步骤3-2、选择次序A中完工截止时间最早的原料j，对于原料j，以约束公式(1)(2)(7)为依据，从可以执行原料j的取料作业的取料设备集合K_j中选择使得空走行时间l_ij最小的取料设备k；根据约束公式(1)(2)(7)更新原料j的作业设备控制方案，把原料j从A中删除，加入I₁中，并执行步骤3-3；

步骤3-3、判断是否所有原料都已分配相应设备，若则所有原料的取料任务都已经被分配到相应的取料设备，即可以得到此时所有取料设备的预控制方案δ₀，并执行步骤3-4；否则返回执行步骤3-2；

步骤3-4、选择前一个迭代周期中的最优控制方案δ(若是第一次迭代即δ＝δ₀时，设定此时历史最优目标值ObjBest＝f(δ₀))，并根据公式(8)计算该方案的目标值f(δ)，根据目标值f(δ)对该控制方案进行评估；

采用邻域搜索策略找出与控制方案δ相近邻域的控制方案中的最优方案对方案进行评估，若则设定方案为历史最优控制方案，历史最优目标值将连续未改进代数归零，并执行步骤3-6；否则将连续未改进代数加1，执行步骤3-5；

步骤3-5、若连续未改进代数达到用户设定的上限，则算法停止，确定取料设备优化作业控制方案；否则，执行步骤3-7；

步骤3-6、将所对应的搜索移动方式进行保存，下一次搜索中不允许使用；若所保存的搜索移动方式数目达到设置的上限，则对最先保存的搜索移动方式取消保存，即可在下一次搜索中使用；

所述的邻域搜索包括以下两种类型的搜索方式：

(1)插入移动：选取控制方案δ中的某一个原料i，将其在次序A中的位置随机前插，重复执行步骤3-2至步骤3-3生成新的控制方案，所有可行的插入移动相对应的控制方案构成可行控制方案δ的邻域N^ins(δ)；

(2)交换移动：选取控制方案δ中的某一个原料i，从K_i中选择另一个满足约束(3)的取料机k′替换k，更新此控制方案，所有可行的交换移动所对应的控制方案构成δ的邻域N^swap(δ)；

步骤3-7、判断迭代次数是否达到用户设定值，若是，则算法停止，确定取料设备优化作业控制方案；否则转到步骤3-4；

步骤4：将优化后的取料设备优化作业控制方案转化为生产指令，发送至二级过程控制系统，过程控制系统按上述方案控制取料设备执行取料作业。

如图3所示，对取料机作业控制模型生成器中的数据模型进行优化处理，确定最优控制方案，通过服务器发送至取料机控制器中，取料机控制器根据指令在指定的时间控制取料机到指定的原料处进行取料，并将该原料送达至指定的车间中。

本发明实施例中，取料机#2的作业控制方案如表2所示：

表2

作业顺序	原料编号	起运库区	需求车间	作业时间段
					1	六号原料	A-03	烧结车间	8：30-9：40
2	八号原料	B-02	烧结车间	9：55-1 1：10
					3	二号原料	B-03	高炉车间	12：25-13：30
4	七号原料	A-01	高炉车间	15：30-16：50

Claims (2)

1.一种钢铁企业原料取料设备的优化作业控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：确定原料场存储状态数据、取料设备作业现状数据和需求指令信息，具体包括：各原料在原料场的存储位置、各原料在原料场的存储量、取料设备作业状态、取料设备所在位置、待作业的原料需求指令以及最新原料需求指令，上述原料需求指令包括待作业原料批号、待作业原料的需求量、需求生产车间、各个待作业原料的开工允许时间和各个待作业原料的完工截止时间；

步骤2：以取料作业过程的工艺限制和时限为约束条件，采用建立数学模型的方式描述取料设备优化作业控制过程；

所述的数学模型，建立过程如下：

步骤2-1：设置数学模型的参数：

设定执行原料i的取料作业的取料设备集合为K_i，使用取料设备k执行其取料作业的原料集合为I_k；K为所有取料设备的集合，I为所有原料的集合；对于生产车间w所需求的原料集合为I_w；每个I_w中的全部原料到达对应生产车间的次序为r_ij，若原料i紧接着原料j到达同一生产车间，r_ij取值为1，否则为0；

步骤2-2：根据取料设备控制方案设置数学模型的决策变量：

设定表达取料设备分配关系的0-1决策变量x_ki：

即当x_ki＝1时，表示使用取料设备k对原料i进行取料作业，当x_ki＝0时，表示未使用取料设备k对原料i进行取料；

设定表达取料设备控制方案的0-1决策变量y_ij：

即当y_ij＝1时，表示第j种原料紧接着第i种原料被执行取料作业，且均使用了同一作业设备，否则y_ij＝0；

设定表达取料设备取料作业方向的0-1决策变量z_ki：

即当z_ki＝1时，表示设备k从原料i的左端点开始对其进行取料作业，z_ki＝0表示设备k从原料i的右端点开始对其进行取料作业；

设定l_ij表达当y_ij＝1时，取料设备从原料i的作业结束位置空走行到达原料j的作业开始位置所需的时间；

设定t_i表达原料i的开工时间；

设定C_i表达原料i的拖期时间；

步骤2-3：根据取料设备作业过程的工艺要求设置数学模型约束条件：

(1)对于任一取料设备k，完成上一个原料的取料作业之后，才能开始下一个原料的取料作业，同时满足原料到达次序r_ij要求，因此，取料设备作业约束如下：

t_j-t_i≥p_i-M(1-y_ij)+l_ij   (1)

其中，其中j∈I\{i}表示j是I中不同于原料i的一个原料，t_j表示原料j的开工时间，p_i表示原料i所需的作业时间，M为一个给定正数；

t_j-t_i≥p_i-M(1-r_ij)   (2)

(2)对于原料i，其取料作业需要在其最晚完工时间之前结束，否则会造成拖期，拖期时间C_i计算约束如下：

C_i≥t_i+p_i-d_i   (3)

其中，d_i表示原料i的最晚完工时间；

(3)对于原料i，必有一个取料设备被分配来执行其取料作业，取料设备分配约束如下：

$\underset{k\∈K_i}{\mathrm{\Σ}}{x}_{\mathrm{ki}}=1---\left(4\right)$

其中，

(4)对于原料i，若占用取料设备k进行取料作业，且不是第一个被作业和不是最后一个被作业，则必有一个原料在原料i之前占用取料设备k进行作业，且必有另一个原料在原料i之后占用取料设备k进行作业，则取料作业顺序约束如下：

$\underset{i\∈I_k\∪\left\{a\right\}}{\mathrm{\Σ}}{y}_{\mathrm{ij}}=x_{\mathrm{kj}}---\left(5\right)$

$\underset{j\∈I_k\∪\left\{b\right\}}{\mathrm{\Σ}}{y}_{\mathrm{ij}}=x_{\mathrm{ki}}---\left(6\right)$

式中，此时，原料i、原料j是集合I_k中不同的两个原料，a和b是两个虚拟原料，a表示虚拟的第一个被作业的原料，b表示虚拟的最后一个被作业的原料；并保证在每个取料设备处，原料a和原料b两个虚拟原料分别被第一个和最后一个作业；

(5)当原料j紧接着原料i被执行取料作业时，取料设备的空走行时间l_ij取决于原料i和原料j的取料方向，空走行时间约束如下：

$l_{\mathrm{ij}}+M\·(1-y_{\mathrm{ij}})\≥L_{\mathrm{kij}}^0+L_{\mathrm{kij}}^1{z}_{\mathrm{ki}}+L_{\mathrm{kij}}^2{z}_{\mathrm{kj}}+L_{\mathrm{kij}}^3{z}_{\mathrm{ki}}{z}_{\mathrm{kj}}---\left(7\right)$

式中，此时，原料i和原料j是集合I_k中不同的两个原料，原料i和原料j均为从右端开始取料时，取料设备的空走行时间为当原料i和原料j均为左端取料时，取料设备的空走行时间为当原料i为左端取料而原料j为右端取料时，取料设备的空走行时间为当原料i为右端取料而原料j为左端取料时，取料设备的空走行时间为

步骤2-4：取料设备实时作业控制的目标是使各个原料的取料作业的拖期时间最小，取料设备空走行时间也尽可能小，同时使剩余的空场地尽可能连贯，即：

$\min u\underset{i\∈I}{\mathrm{\Σ}}\underset{j\∈I\backslash i}{\mathrm{\Σ}}{l}_{\mathrm{ij}}+\underset{i\∈I}{\mathrm{\Σ}}{v}_i{C}_i+\underset{k\∈K}{\mathrm{\Σ}}\underset{i\∈I}{\mathrm{\Σ}}{w}_{\mathrm{ki}}{x}_{\mathrm{ki}}{z}_{\mathrm{ki}}---\left(8\right)$

式中，此时，原料i和原料j是集合I中不同的两个原料，u为拖期的权重系数，v_i为空走行的权重系数，w_ki为场地连贯性权重系数；

步骤3、确定钢铁原料取料设备的作业控制过程，方法为：

步骤3-1、建立一个新集合，该新集合为空集，并将所有原料以完工截止时间从小到大的顺序排列，得到次序；

步骤3-2、选择次序中完工截止时间最早的原料，对于该原料，以约束公式(1)(2)(7)为依据，从可以执行该原料的取料作业的取料设备集合中选择使得空走行时间最小的取料设备；根据约束公式(1)(2)(7)更新该原料的作业设备控制方案，把原料从次序中删除，放入新集合中，并执行步骤3-3；

步骤3-3、判断是否所有原料都已分配相应设备，若是，即得到此时所有取料设备的预控制方案，并执行步骤3-4；否则返回执行步骤3-2；

步骤3-4、选择前一个迭代周期中的最优控制方案，并根据公式(8)计算该方案的目标值，根据目标值对该控制方案进行评估；

采用邻域搜索策略找出与上述最优控制方案相近邻域的控制方案中的最优方案，对该方案进行评估，若该方案的目标值小于前一个迭代周期中的最优控制方案的目标值，则设定该方案为历史最优控制方案，并获得历史最优目标值，将连续未改进代数归零，并执行步骤3-6；否则将连续未改进代数加1，执行步骤3-5；

步骤3-5、若连续未改进代数达到用户设定的上限，则算法停止，确定取料设备优化作业控制方案；否则，执行步骤3-7；

步骤3-6、将历史最优控制方案所对应的搜索移动方式进行保存，下一次搜索中不允许使用；若所保存的搜索移动方式数目达到设置的上限，则对最先保存的搜索移动方式取消保存，即可在下一次搜索中使用；

步骤3-7、判断迭代次数是否达到用户设定值，若是，则算法停止，确定取料设备优化作业控制方案；否则转到步骤3-4；

步骤4：将优化后的取料设备优化作业控制方案转化为生产指令，发送至二级过程控制系统，过程控制系统按上述方案控制取料设备执行取料作业。

2.根据权利要求1所述的钢铁企业原料取料设备的优化作业控制方法，其特征在于：步骤3-4中所述的邻域搜索包括以下两种类型的搜索方式：

(1)插入移动：选取前一个迭代周期中的最优控制方案中的某一个原料，将其在次序中的位置随机前插，重复执行步骤3-2至步骤3-3生成新的控制方案，所有可行的插入移动相对应的控制方案构成前一个迭代周期中的最优控制方案的邻域；

(2)交换移动：选取前一个迭代周期中的最优控制方案中的某一个原料，从执行原料的取料作业的取料设备集合中选择另一个满足约束(3)的取料机替换原取料机，更新此控制方案，所有可行的交换移动所对应的控制方案构成前一个迭代周期中的最优控制方案的邻域。