CN109559027B - 应用于钢铁企业高速工具钢冶炼流程的计划调度系统 - Google Patents

应用于钢铁企业高速工具钢冶炼流程的计划调度系统 Download PDF

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Abstract

一种应用于钢铁企业高速工具钢冶炼流程的计划调度系统，属于钢铁企业计划调度技术领域。硬件包括应用服务器、关系数据库服务器、客户端PC机及连接各计算机的网络设备包括交换机、网线、防火墙、路由器设备。应用服务器、关系数据库服务器通过网线连接到交换机上，交换机经过防火墙与外部连接各客户端PC设备的路由设备。软件系统包括工艺配置模块、工况配置模块、仿真优化模块、生产调度模块。四个模块均部署在调度服务器上，模块中所涉及到的工艺数据、工况信息、作业计划及实绩信息均保存在关系数据库中，关系数据库库运行在数据库服务器上。优点在于，以分步骤和反馈迭代的方式化解了求解难度，提高了适应性，实现了作业计划的优化及动态调整。

Description

应用于钢铁企业高速工具钢冶炼流程的计划调度系统
技术领域
本发明属于钢铁企业计划调度技术领域，特别是提供了一种应用于钢铁企业高速工具钢冶炼流程的计划调度系统。针对高速工具钢冶炼流程的智能化的计划调度系统，可以有效解决动态、复杂的多品质小批量多工艺车间高速工具钢大量订单作业调度问题，建立从钢水到钢锭的生产作业计划及动态优化调度仿真模型，给调度人员提供一套智能调度排产的工具。
背景技术
炼钢生产是钢铁企业生产的关键环节，生产计划与调度是控制其生产流程的核心业务，生产计划是以市场需求预测或客户订单为基础，以企业设备和资源为依据，考虑工艺约束和交货期，对订单进行合并和拆分，制定出包括产品品种、规格、产量在内的生产规划，即计划粗排，作业调度是把生产计划转化为各设备的作业任务，安排工艺路径及具体的设备资源，在要求时限内保质保量完成生产任务。生产计划是静态的，而生产过程是动态的，具有不确定性，受内部环境(如设备检修、故障，质量异常等)以及外部环境(如插单、撤单、甚至政策因素(环保限产))影响，难以保障生产过程严格按照生产计划执行，因此生产调度必须是动态调度，需要在内外部环境变化的情况下，合理的安排设备的生产任务和生产节奏，在同工序多设备之间及前后工序之间做好任务的协调和衔接。目前钢铁企业制定的作业计划大多都是粗粒度的，只做到一段时间内设备生产任务的分配，难以对具体的生产时刻及生产节奏做出安排，即作业计划的精细化和智能化有待提高，如何做到精细化排产，实现生产的平滑和连贯，在生产工艺和资源约束下，充分发挥设备的生产效率，缩短生产周期，降低生产成本，具有重要的实际应用需求和研究意义。
高速工具钢炼钢过程是一个多工序组成的复杂的高温物理化学过程，从钢水到钢锭，需要各工序紧密衔接，连续紧凑，其生产调度问题具有强耦合性、不确定性、多约束性、多目标性等特征，现有的方法(人机交互、数学规划、智能优化、仿真优化)难以适用这种复杂生产过程的计划调度。现有的方法是将计划调度归结为静态优化问题，首先确定目标函数和约束条件,通过问题求解(逆向求解)获得最优解。其局限性在于：(1)以系统约束条件代替了流程对象整体的描述和分析，由于流程的非线性耦合性特征，难以通过各个子系统的约束条件描述流程复杂的动态行为；(2)受限于问题求解算法对约束条件进行了简化处理(仿真方法则是对仿真模型进行了简化处理)；(3)目标函数和约束条件的参数难以反映不同品种、不同生产工况、不同设备状态等不确定因素的变化以及相互耦合的影响，难以实现纵向动态调整和协同优化。
本发明针对高速工具钢生产流程的强耦合性、不确定性、多约束性、多目标性等特征，设计了分步骤和反馈迭代优化(局部优化、全局优化)计划调度算法,化解求解难度，提高适应性，通过基于智能体仿真、局部运筹优化(搜索)、可理解/可进化的计划调整策略，充分发挥人(全局、经验直觉)、机(模型化、涌现化)优势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于钢铁企业高速工具钢冶炼流程的计划调度系统，能有效解决高速工具钢炼钢车间优化排产及动态调度问题，即针对高速工具钢冶炼流程的智能化的计划调度系统，可以有效解决动态、复杂的多品质小批量多工艺车间高速工具钢大量订单作业调度问题，建立从钢水到钢锭的生产作业计划及动态优化调度仿真模型，给调度人员提供一套智能调度排产的工具。为钢铁企业调度人员提供一套冶炼流程智能调度排产的工具平台。
本发明所述系统一方面可以根据生产计划、工艺要求及设备能力生成具体的设备作业计划，指导生产。另一方面通过实时获取生产实绩、异常工况及时掌握作业执行情况及执行偏差，当偏差较大时，可以实时动态调整作业计划，实现动态调度。
本发明中的计划调度系统在硬件上包括调度服务器、数据库服务器、客户端PC机及连接各计算机的网络设备包括交换机、网线、防火墙、路由器设备。应用服务器、关系数据库服务器通过网线连接到交换机上，交换机经过防火墙与外部连接各客户端PC设备的路由设备，实现客户端和服务端通讯。软件系统包括工艺配置模块、工况配置模块、仿真优化模块、生产调度模块。四个模块均部署在调度服务器上，模块中所涉及到的工艺数据、工况信息、作业计划及实绩信息均保存在关系数据库中，关系数据库库运行在数据库服务器上，调度计算机和数据库服务器之间通过局域网链接，客户端PC机用于对仿真结果进行展示，辅助调度人员开展工作，系统结构图如图1所示。
本发明中所述的工艺配置模块，包括工序参数配置、设备参数配置、工艺路径配置、运输参数配置。工序参数配置所涉及的配置信息包括各工序标准作业时间及范围、工装准备时间及范围、标准作业温度及范围、输出温度及范围；设备参数配置用于配置具体设备的参数信息包括设备容量及范围、产品、生命周期、附属设备、钢种约束、温度约束、规格约束、不同生产情景下对钢种、规格、温度的特定约束；工艺路径配置是对标准工艺路径库进行管理，主要基于钢种及锭型、成品品种、规格及用途维护工艺路径表；运输参数配置，配置不同工序之间，物料运输设备类型、容量、时间及范围。
本发明中所述的工况配置模块一方面对无法在线获取设备状态信息的设备进行状态的手工录入，另一方面对临时非计划性设备停机状态提供预录。录入的信息包括设备名称、事件类型、事件描述、开始时间、结束时间。
本发明所述的仿真优化模块是本发明的核心，其功能结构包括两部分1、作业计划制定2、作业计划调整，见图2所示。
本发明中作业计划制定流程见图3所示，通过分步骤和反馈迭代优化(局部优化、全局优化),化解求解难度，提高适应性，通过基于智能体仿真、局部运筹优化(搜索)、可理解/可进化的计划调整策略，充分发挥人(全局、经验直觉)、机(模型化、涌现化)优势。所涉及的步骤及关键技术如下：
(1)工艺路径确定：基于品种、规格、钢种、锭型，从工艺路径数据库查询生产工艺路径信息，确定各订单所需要的主要工艺流程。
(2)物料需求计划：冶炼物料需求计算，需要沿物料转换逆过程，由锻钢对电渣锭/铸锭重量需求，依次计算电渣锭/铸锭支数、电极棒支数、冶炼钢水重量需求，计算过程需要考虑余材充当及物料转换过程中收得率，最后得出物料余材充当量及新物料需求量。
(3)生产组合：设备周转时间、设备容量、工艺和质量要求、工装设备更换频率等形成各工序的生产组合策略，以生产组合策略作为约束，以满足交期、减少余材产生降低库存、减少设备更换次数、减少瓶颈设备空闲时间、降低能耗作为目标进行迭代，给出生产任务的组合及生产次序，即计划粗排，计划粗排作为作业计划的初始值。
(4)生产过程仿真：作业计划通过多智能体仿真技术实现，把钢铁生产过程复杂的物流系统抽象为一个多智能体系统，将生产流程中的工位、工序抽象成智能体模型，基于各工序的生产工艺要求和优化策略，建立同工序多设备任务分配机制以及前后上下游工序之间任务协调机制，以计划粗排、设备生产状态、库存信息、生产实绩作为输入驱动智能体仿真系统运行，通过模拟整个生产流程，细化各工位作业时间，减少非作业时间和不必要的等待，提高作业效率。
(5)多目标评判和调整：涉及到两个方面(一)在仿真过程中，根据仿真结果，对本计划的交货期、余材、生产效率和能耗进行综合评判，通过1)恶化指标优化调整，2)充分利用后续工位影响这些反馈信息，提出计划调整策略，输出给工序协调智能体。为避免陷入局部优化，需要结合蒙特卡罗组炉次序或权重调整。(二)仿真结束，或计划人员认为目前所得到的计划集合足够好时，对各计划仿真结果的交货期、余材、生产效率和能耗等指标进行综合评判，从中选择满意方案。多目标整体评判有两种方案，一是各指标加权排序，二是通过Pareto(帕略图)展示。
本发明中作业计划调整流程见图4所示，包括计划执行情况反馈(正常与偏差)、动态调整、计划重排内容。首先对造成计划偏离的扰动因素进行判断(时间提前或滞后、温度不达标、质量不合格、设备故障、计划调整等)，根据扰动大小，确定调整策略，如果扰动较小，仅需要通过仿真系统进行优化调整即可，如果是大扰动，则需要进行异常重排。通过作业计划调整流程，可以实现对生产过程的动态管控和闭环控制。
本发明中生产调度模块，主要是基于仿真优化模块的运行结果，以甘特图形式展示各设备计划排产信息，指挥生产调度执行，并实时检测计划的执行情况，如果发现计划执行中又偏差，则启动作业计划调整流程进行计划更新。
本发明优点在于提出一种基于多智能体仿真的生产计划调度方法及系统，以分步骤和反馈迭代的方式化解了求解难度，提高了适应性，充分发挥人(全局、经验直觉)、机(模型化、涌现化)优势，实现了作业计划的优化及动态调整。
附图说明
图1为本发明系统结构图。
图2为本发明功能结构图。
图3为本发明作业计划制定流程图。
图4为本发明作业计划调整流程图。
具体实施方式
本发明中的计划调度系统在硬件上包括调度服务器、数据库服务器、客户端PC机及连接各计算机的网络设备包括交换机、网线、防火墙、路由器设备。应用服务器、关系数据库服务器通过网线连接到交换机上，交换机经过防火墙与外部连接各客户端PC设备的路由设备，实现客户端和服务端通讯。软件系统包括工艺配置模块、工况配置模块、仿真优化模块、生产调度模块。四个模块均部署在调度服务器上，模块中所涉及到的工艺数据、工况信息、作业计划及实绩信息均保存在关系数据库中，关系数据库库运行在数据库服务器上，调度计算机和数据库服务器之间通过局域网链接，客户端PC机用于对仿真结果进行展示，辅助调度人员开展工作，系统结构图如图1所示。
硬件上包括应用服务器、数据库服务器、客户端PC机及连接计算机的网络设备。应用服务器上部署异构数据平台及预测系统，数据库服务器上安装关系数据库，客户端PC机安装客户端软件或以B/S方式浏览预测结果。
2、启动工艺参数配置模块，录入工序参数、设备参数、工艺路径、运输参数。
3、启动工况配置模块，实时获知当前生产状态信息，当状态无法获取时，由工作人员录入。
4、启动仿真优化模块，执行作业计划制定流程(图3)，选定最优作业计划，下发给生产部门。
5、启动生产调度模块，生产部门可以通过生产调度模块，以甘特图形式接收仿真优化模块的作业计划，同时生产调度模块可以实时监控作业计划的执行情况，当作业计划执行偏差较大时，启动作业计划调整流程(图4)，对作业计划进行调整。
5、客户端PC直接以B/S方式浏览仿真结果或者安装客户端软件进行调度结果浏览。

Claims (1)

1.一种应用于钢铁企业高速工具钢冶炼流程的计划调度系统，其特征在于，硬件上包括调度服务器、数据库服务器、客户端PC机及连接各计算机的网络设备包括交换机、网线、防火墙、路由器设备；应用服务器、关系数据库服务器通过网线连接到交换机上，交换机经过防火墙与外部连接各客户端PC设备的路由设备，实现客户端和服务端通讯；软件系统包括工艺配置模块、工况配置模块、仿真优化模块、生产调度模块；四个模块均部署在调度服务器上，模块中所涉及到的工艺数据、工况信息、作业计划及实绩信息均保存在关系数据库中，关系数据库运行在数据库服务器上，调度计算机和数据库服务器之间通过局域网链接；
所述的工艺配置模块，包括工序参数配置、设备参数配置、工艺路径配置、运输参数配置；工序参数配置所涉及的配置信息包括各工序标准作业时间及范围、工装准备时间及范围、标准作业温度及范围、输出温度及范围；设备参数配置用于配置具体设备的参数信息包括设备容量及范围、产品、生命周期、附属设备、钢种约束、温度约束、规格约束、不同生产情景下对钢种、规格、温度的特定约束；工艺路径配置是对标准工艺路径库进行管理，基于钢种及锭型、成品品种、规格及用途维护工艺路径表；运输参数配置，配置不同工序之间，物料运输设备类型、容量、时间及范围；
所述的工况配置模块一方面对无法在线获取设备状态信息的设备进行状态的手工录入，另一方面对临时非计划性设备停机状态提供预录，录入的信息包括设备名称、事件类型、事件描述、开始时间、结束时间；
所述的仿真优化模块功能结构包括作业计划制定和作业计划调整；
所述的作业计划制定流程所涉及的步骤及技术参数如下：
(1)工艺路径确定：基于品种、规格、钢种、锭型，从工艺路径数据库查询生产工艺路径信息，确定各订单所需要的工艺流程；
(2)物料需求计划：冶炼物料需求计算，需要沿物料转换逆过程，由锻钢对电渣锭/铸锭重量需求，依次计算电渣锭/铸锭支数、电极棒支数、冶炼钢水重量需求，计算过程需要考虑余材充当及物料转换过程中收得率，最后得出物料余材充当量及新物料需求量，
(3)生产组合：设备周转时间、设备容量、工艺和质量要求、工装设备更换频率形成各工序的生产组合策略，以生产组合策略作为约束，以满足交期、减少余材产生降低库存、减少设备更换次数、减少瓶颈设备空闲时间、降低能耗作为目标进行迭代，给出生产任务的组合及生产次序，即计划粗排，计划粗排作为作业计划的初始值；
(4)生产过程仿真：作业计划通过多智能体仿真技术实现，把钢铁生产过程复杂的物流系统抽象为一个多智能体系统，将生产流程中的工位、工序抽象成智能体模型，基于各工序的生产工艺要求和优化策略，建立同工序多设备任务分配机制以及前后上下游工序之间任务协调机制，以计划粗排、设备生产状态、库存信息、生产实绩作为输入驱动智能体仿真系统运行，通过模拟整个生产流程，细化各工位作业时间，减少非作业时间和不必要的等待，提高作业效率；
(5)多目标评判和调整：涉及到两个方面，其一，在仿真过程中，根据仿真结果，对本计划的交货期、余材、生产效率和能耗进行综合评判，通过恶化指标优化调整，充分利用后续工位影响这些反馈信息，提出计划调整策略，输出给工序协调智能体；为避免陷入局部优化，需要结合蒙特卡罗组炉次序或权重调整；其二，仿真结束，或计划人员认为目前所得到的计划集合足够好时，对各计划仿真结果的交货期、余材、生产效率和能耗指标进行综合评判，从中选择满意方案；多目标整体评判有两种方案，一是各指标加权排序，二是通过Pareto帕略图展示；
所述的作业计划调整流程包括计划执行情况反馈、动态调整、计划重排内容；首先对造成计划偏离的扰动因素进行判断：时间提前或滞后、温度不达标、质量不合格、设备故障、计划调整，根据扰动大小，确定调整策略，当扰动较小时，仅需要通过仿真系统进行优化调整，当大扰动时，则需要进行异常重排；通过作业计划调整流程，实现对生产过程的动态管控和闭环控制；
所述的生产调度模块，是基于仿真优化模块的运行结果，以甘特图形式展示各设备计划排产信息，指挥生产调度执行，并实时检测计划的执行情况，当发现计划执行中产生偏差，则启动作业计划调整流程进行计划更新。
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