CN109711756A

CN109711756A - 基于目标导引元胞自动机模型的炼钢连铸生产调度方法及系统

Info

Publication number: CN109711756A
Application number: CN201910063561.9A
Authority: CN
Inventors: 郑忠; 徐兆俊; 高小强
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2019-05-03

Abstract

本发明公开了一种基于目标导引元胞自动机模型的炼钢连铸生产调度方法及系统，控制器与外部数据库连接，获取连浇生产计划；建立调度过程的元胞自动机模型；初始化；获取实时局部信息和实时全局信息；动态地确定运行演化规则，更新格点状态及所有炉次的实际达到时刻，实际开始加工时刻和实际结束加工时刻，当结果方案满足连浇要求，将结果输出。本发明以炼钢连铸生产流程网络的加工设备作为元胞空间网络格点、以生产动态调度规则作为生产物质流运行演化规则，以连铸机连浇作为目标导引，实时获取目标和节点状态信息以动态确定局域演化规则，完成模型自组织演化，实现了基于元胞自动机模型的生产调度方案制定和生产扰动下的调度方案调整。

Description

基于目标导引元胞自动机模型的炼钢连铸生产调度方法及系统

技术领域

本发明涉及冶金控制技术领域，具体涉及一种基于目标导引元胞自动机模型的炼钢连铸生产调度方法及系统。

背景技术

生产调度是追求某些目标最优下的生产资源按生产进程的分配过程，合理、有效的生产调度能够促进生产的有序、稳定和高效。炼钢连铸生产调度是生产资源约束下的生产调度计划排程及实施、计划动态调整强耦合下的多阶段、动态调度问题。调度计划排程及实施的可行性要求，导致炼钢连铸调度问题的不确定性NP难题更为复杂，寻求复杂炼钢连铸调度问题的有效控制方法具有重要的现实意义。

近年来，针对炼钢连铸调度问题的相关研究主要分别关注于计划排程与扰动下的动态调度问题领域。但在实际生产中，炼钢连铸计划排程研究是以连浇目标为导向进行计划排程优化，难以考虑现实生产的铁水资源供给约束等条件，进而导致经过算法优化的调度方案往往因为铁水资源的工艺现实与预期估计出现的偏差，而使得调度方案难以满足调度的实时性和可实施性要求；同时，由于炼钢连铸生产过程中频繁出现的不确定性和扰动，因此只有依赖于频繁的动态调度来保证生产。

建模方法是沿物流对象的加工顺序进行生产过程动态模拟的方法，由于可方便考虑现实不确定因素的影响，实现对系统性能、调度策略等的分析和优化，而成为研究生产调度问题的新途径。但现有建模过程参数的随机性影响会带来结果的非可控性，这样，在进行炼钢连铸调度时会出现不满足连铸工序连浇生产要求的状况。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于目标导引元胞自动机模型的炼钢连铸生产调度方法及系统，该方法能够实现生产调度方案制定和生产扰动下的调度方案调整。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种基于目标导引元胞自动机的炼钢连铸生产调度方法，其包括如下步骤：

S1，控制器与外部数据库连接(钢厂的MES数据库或者本地数据库)，获取连浇生产计划，所述连浇生产计划中包括连铸机上生产浇次的预定开浇时间和各浇次内的炉次浇铸顺序，还从外部数据库(钢厂的MES数据库或者本地数据库)中获取设备的实时状态、各工序设备的生产实绩信息、连铸工序上的连浇计划生产实绩信息；

S2，建立调度过程的元胞自动机模型，将生产铁素物质流的炉次表示为模型的运动粒子，将工序设备抽象为元胞空间网络格点，将现实设备间的运输线表示为格点间的有向连线，将设备的实时状态表示为格点状态，将各设备相邻的前后工序可达设备集合表示为元胞邻域，将车间调度规则表示为模型演化规则，将动态生产环境下的调度规则确定模式表示为规则决策元，将各工序设备的生产实绩信息表示为模型演化过程的局部信息，将连铸工序上的连浇计划生产实绩信息表示为模型演化过程的全局信息，将炉次在各工序上的计划加工开始、计划加工结束时刻表示为模型演化过程的局部操作目标，将连浇计划中各浇次的计划开浇时间表示为模型演化过程的全局运行目标；

定义元胞空间H、元胞状态S、元胞邻域N和演化规则R；引入实时信息I^τ、实时目标O^τ和规则决策元P，建立元胞自动机模型CA_scc，用集合的语言描述为：

CA_scc＝{H,S,N,R,I^τ,O^τ,P}表示元胞自动机模型CA_scc由元胞空间H、元胞状态S、元胞邻域N和演化规则R、实时信息I^τ、实时目标O^τ和规则决策元P几个要素构成，其中，

H:

H＝{D,L}， (1)

D＝{c_j,k|j∈{1,2,...,M},k∈{1,2,...,K_j}} (2)

S:

N:

R:

R＝{R_p,R_t,R_r,R_d} (8)

式(1)、(2)、(3)表示元胞空间由格点集D和格点间连线集L构成；式 (4)、(5)表示元胞状态集由各格点的实时状态组成，且各格点的实时状态由四类实时属性构成，表征格点c_j,k的当前工作状态，表征当前工作状态的持续时间并以此判断事件是否发生，表征当前时刻等待格点c_j,k作业的炉次集合，表征当前时刻正在格点c_j,k上作业的炉次任务标号；式(6)、(7)表示单个格点的邻域是由相邻工序内的可达格点构成的集合；式(8)表示模型演化规则由设计的四类规则构成，包括任务优先级规则，作业时间规则，择路规则，扰动处理规则；

I^τ:

O^τ:

P:

P＝relation(R,I^τ,O^τ) (15)

式(9)表示模型每步演化过程中的实时信息，是实时全局信息和实时局部信息的集合；式(10)表示实时全局信息指连浇计划执行的实时情况，是由浇次在连铸工序的实际开浇时间构成；式(11)表示实时局部信息由炉次物流加工实绩信息(炉次在各工序上的实际开始和结束时刻)构成；式(12)表示模型实时目标是实时全局运行目标和局部操作目标的集合；式(13)表示实时全局运行目标是在连浇生产计划中浇次在连铸工序上的计划开浇时刻；式(14) 表示实时局部操作目标为炉次在各工序上的计划开始和计划结束时刻；式(15) 表示规则决策元由演化规则与实时生产信息和实时生产目标的映射关系构成；

其中，涉及到的符号及含义对应如下：

其中，j、j₁、j₀均代表工序编号，他们的取值范围都是{1,2,...,M}，用于表示在{1,2，...，M}内互不相等的两个值；

S3，初始化，由连浇生产计划确定各浇次的计划开浇时间生成初始生产调度计划(优选可以通过结合倒推算法的混合算法)，并由此确定各炉次i在各工序j上的目标开始加工时刻和目标结束加工时刻由设备状态信息和生产实绩信息初始化格点与运动粒子(炉次)状态；

S4，通过扫描格点属性状态以获取实时局部信息和实时全局信息，判断各浇次的实际开浇时间是否等于全局运行目标(各浇次的计划开浇时间)，如果达成，则执行步骤S5，如果没有达成，则更新全局目标和局部目标，执行步骤 S5；

S5，规则决策元根据实时信息和目标，从规则库内动态地确定演化规则，以固定的时间步长Δτ进行演化，更新格点状态及所有炉次的实际达到时刻，实际开始加工时刻和实际结束加工时刻，当所有炉次完成加工时，判断连铸工序上的同一浇次内炉次是否满足连浇要求，当满足连浇要求(即对于同一浇次内的相邻炉次而言，前者的结束加工时间等于后者的开始加工时间，可描述为判断：i′为同一浇次内炉次i的紧后加工炉次)，则将结果传输给炼钢 -连铸生产运行控制系统或本地数据库，控制系统按照所述演化结果实现对连浇生产计划中的所有炉次在各工序上的设备选择和加工时间决策的有效生产运行控制；而本地数据库则存储调度策略及流程分析结果并传输给调度员，可用于实际调度；当不满足连浇要求，则返回执行步骤S3。

本发明基于元胞自动机方法提出了炼钢连铸生产调度的自组织演化的钢厂生产流程控制方法，以炼钢连铸生产流程网络的加工设备作为元胞空间网络格点、以生产动态调度规则作为生产物质流运行演化规则，以连铸机连浇作为目标导引，实时获取目标和节点状态信息以动态确定局域演化规则，实现模型自组织演化，实现了基于元胞自动机模型的生产调度方案制定和生产扰动下的调度方案调整。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种基于目标导引元胞自动机模型的炼钢连铸生产调度系统，其包括所述控制器与外部数据库连接，控制器获取连浇生产计划并按照权利要求1-5之一所述的方法进行模型的自组织动态演化，当所有炉次完成加工时判断炉次在连铸工序上的是否满足连浇要求，当满足连浇要求，则将结果传输给炼钢-连铸生产运行控制系统或本地数据库，炼钢-连铸生产运行控制系统按照所述演化结果实现对连浇生产计划中的所有炉次在各工序上的设备选择和加工时间决策的有效生产运行控制，而本地数据库则存储调度策略及流程分析结果并传输给调度员，可用于实际调度。

本发明的炼钢连铸生产调度系统实现了元胞自动机模型的自组织演化，提高了调度的准确性和效率。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是现实炼钢连铸实时调度过程示意图；

图2是本发明一种优选实施方式中SCC模型的元胞空间抽象图；

图3是本发明一种优选实施方式中目标导引下炼钢连铸生产调度元胞自动机模型运行原理图；

图4是本发明一种优选实施方式中炼钢连铸生产调度流程图；

图5是某钢厂转炉炼钢-连铸生产流程示意图；

图6是图5所示钢厂的平均物流时间实验结果。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

一般而言，炼钢连铸生产包含转炉炼钢、精炼和连铸等主要生产工序和运输环节，并且各主要生产工序包含多个具有相同功能的加工设备。在炼钢连铸生产流程中，精炼环节包含多种精炼工序(LF精炼、RH精炼等)，具体的精炼加工路径根据钢种工艺要求进行选择。因此，炼钢连铸生产是由多工序、多加工设备构成复杂制造流程网络，针对以铁素物质流为对象的炉次(指同一转炉内冶炼的钢水或一个钢包)在流程网络的工序设备上进行加工制造，改变其物理和化学性质，完成生产任务。

如图1所示的现实炼钢连铸生产调度过程，在以连铸机上的连浇计划完成为生产运行目标的炼钢连铸生产调度问题中，炉次是炼钢连铸生过程的最小单元，浇次(指在同一连铸机上连续浇铸的炉次集合)是最大单元。一般情况下的炼钢连铸生产调度过程为：钢厂计划员或调度员通过钢厂MES(Manufacturing Execution System，制造企业生产过程执行系统)系统接受来自企业ERP (Enterprise Resource Planning，)的连浇生产计划(主要包括连铸工序上的浇次及浇次内的炉次数)，再结合现实加工资源条件(铁水资源)和加工设备情况按经验设定连铸机的浇次内炉次及开浇时间，再利用MES系统的排程模型或人工经验进行生产调度计划排程(主要包括炉次的加工工序设备、计划任务的加工起止时刻)，即将连浇的全局生产运行目标转化为炼钢厂各工序的局部操作目标。调度计划的实施过程，会因为铁水资源供应的实际情况与预期差异，以及工序设备上调度计划任务的执行的情况和突发扰动等而影响连铸机上连浇生产计划的完成，并且现实生产中的MES系统排出的调度计划因受模型功能限制或人工经验限制往往不一定是可执行的调度计划，即仅具有连铸连浇的目标导向意义。因此，生产调度现状是依靠各生产工序调度人员参照调度计划指令要求的局部操作目标，结合当前工序的局部生产信息(指生产资源设备信息和生产计划完成的实绩信息)，采取相应的调度规则组织生产；针对生产过程中的不确定因素导致调度实施结果与生产目标产生的偏差，钢厂的计划员或调度员将会根据对全局生产信息(指连铸工序上的连浇计划完成情况的实绩信息)的掌控和判断决定是否需要调整全局生产目标及其相应的新的局部操作目标；如此循环进行全局生产目标/局部操作目标的更新和生产调度的实施。

由此可见，炼钢连铸生产调度问题是在由各工序上的设备构成的流程网络空间内，在明确的目标导向和生产信息作用下的调度规则动态确定和执行的过程，实现对加工任务的设备指派和时间分配，并最终体现为在制造流程网络空间上生产物质流性质(运动粒子)与工序设备(格点)状态随时间的动态演变。

本发明提供了一种基于目标导引元胞自动机模型的炼钢连铸生产调度方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，控制器与外部数据库连接(钢厂的MES数据库或者本地数据库)，获取连浇生产计划，所述连浇生产计划中包括连铸机上生产浇次的预定开浇时间和各浇次内的炉次浇铸顺序，还从外部数据库(钢厂的MES数据库或者本地数据库)中获取设备的实时状态、各工序设备的生产实绩信息、连铸工序上的连浇计划生产实绩信息(各工序设备的生产实绩信息指各工序设备上加工炉次的实际开始和实际结束时间；连铸工序上的连浇计划生产实绩信息指连浇计划中各浇次的实际开浇时间)；

S2，建立调度过程的元胞自动机模型，将生产铁素物质流的炉次表示为元胞空间的运动粒子，将工序设备抽象为元胞空间网络格点，将现实设备间的运输线表示为格点间的有向连线，将设备的实时状态表示为格点状态，将各设备相邻的前后工序可达设备集合表示为元胞邻域，将车间调度规则表示为元胞空间的模型演化规则，将动态生产环境下的调度规则确定模式表示为元胞空间的规则决策元，将各工序设备的生产实绩信息表示为元胞空间的局部信息，将连铸工序上的连浇计划生产实绩信息表示为元胞空间的全局信息，将炉次在各工序上的计划加工开始、计划加工结束时刻表示为元胞空间的局部操作目标，将连浇计划中各浇次的计划开浇时间表示为元胞空间的全局运行目标；

基于此，本发明在元胞自动机动态网络演化模型中设计了网络模型自组织演化规则的确定方法，以规则决策元来智能化动态确定网络模型中物质流的运行演化规则并发挥作用，实现与生产环境相适应的元胞自动机网络模型的自组织演化。所建立的元胞自动机模型与现实炼钢连铸生产调度过程的对应关系如表1所示。

表1.元胞自动机模型与现实炼钢连铸生产调度过程的联系

现实炼钢连铸生产调度过程	元胞自动机模型
		生产铁素物质流的炉次	运动粒子
工序设备	格点
		生产流程网络	元胞空间
设备的实时状态	格点状态
		车间调度规则	模型演化规则
动态生产环境下的调度规则确定模式	规则决策元
		各工序设备的生产实绩信息	局部信息
连铸工序上的连浇计划生产实绩信息	全局信息
		炉次在各工序上的计划加工起止时刻	局部操作目标
连浇计划中各浇次的计划开浇时间	全局运行目标

在模型中，将工序设备抽象为元胞空间网络格点、以设备及设备间有向连线来表征现实工序设备间的运输线。元胞自动机模型的元胞空间抽象如图2所示。

设置全局运行目标和局部操作目标，为炉次在各工序上的加工提供了目标控制时刻，从而使模型向着生产目标达成的方向进行演化。由于炼钢生产过程需保证连铸机的连浇生产，故全局运行目标是在连浇生产计划中各浇次计划开浇时间局部操作目标是根据全局运行目标分解得到的各炉次在各工序的计划加工起止时刻和

本发明假设运输能力充足，并将运输过程简化为运输时间确定的问题；并且假定连浇生产计划和由其分解得到的初始生产调度计划已知。

CA_scc＝{H,S,N，R,I^τ,O^τ,P}表示元胞自动机模型CA_scc由元胞空间H、元胞状态S、元胞邻域N和演化规则R、实时信息I^τ、实时目标O^τ和规则决策元P几个要素构成，其中，

H:

H＝{D,L}，(1)

D＝{c_j,k|j∈{1,2,...,M},k∈{1,2,...,K_j}} (2)

S:

N:

R:

R＝{R_p,R_t,R_r,R_d} (8)

式(1)、(2)、(3)表示元胞空间由格点集D和格点间连线集L构成；式 (4)、(5)表示元胞状态集由各格点的实时状态组成，且各格点的实时状态由四类实时属性构成，表征格点c_j,k的当前工作状态，表征当前工作状态的持续时间并以此判断事件是否发生，表征当前时刻等待格点c_j,k作业的炉次集合，表征当前时刻正在格点c_j,k上作业的炉次任务标号；式(6)、(7) 表示单个各格点的邻域是由相邻工序内的可达格点构成的集合；式(8)表示模型演化规则由设计的四类规则构成，包括任务优先级规则，作业时间规则，择路规则，扰动处理规则；

I^τ:

O^τ:

P:

P＝relation(R,I^τ,O^τ) (15)

其中，涉及到的符号及含义对应如下：

其中，j、j₁、j₀均代表工序编号，他们的取值范围都是{1,2,...,M}，用于表示在{1,2,...,M}内互不相等的两个值。

如图3所示，具体的执行步骤为：

S3，初始化，由连浇生产计划确定各浇次的计划开浇时间通过结合倒推算法的混合算法生成初始生产调度计划，并由此确定各炉次i在各工序j上的目标开始加工时刻和目标结束加工时刻由设备状态信息和生产实绩信息初始化格点与运动粒子(炉次)状态；

S4，获取实时局部信息和实时全局信息，判断全局运行目标受否达成(判断各浇次的实际开浇时间是否等于全局运行目标(各浇次的计划开浇时间)，如果达成，则执行步骤S5，如果没有达成，则更新全局目标和局部目标，执行步骤S5；

S5，规则决策元根据实时信息和目标，从规则库内动态地确定作业时间规则，以固定的时间步长Δτ(优选1分钟)进行演化，更新格点状态及所有炉次的实际达到时刻，实际开始加工时刻和实际结束加工时刻，当所有炉次完成加工时，判断炉次在连铸工序上是否满足连浇要求，当满足连浇要求(即对于同一浇次内的相邻炉次而言，前者的结束加工时间等于后者的开始加工时间，可描述为判断：(i′为同一浇次内炉次i的紧后加工炉次)，则将结果传输给炼钢-连铸生产运行控制系统或本地数据库，控制系统按照所述演化结果实现对连浇生产计划中的所有炉次在各工序上的设备选择和加工时间决策的有效生产运行控制；而本地数据库则存储调度策略及流程分析结果并传输给调度员，可用于实际调度；当不满足连浇要求，则返回执行步骤S3。

在每个仿真时步内，上个仿真时刻结束后各元胞的属性状态作为初始条件；通过扫描格点及炉次物质流属性得到实时局部和全局信息，并进行目标的更新；规则决策元根据实时信息和目标从规则库内动态地选取演化规则，由此进行演化并更新格点状态。模型在演化规则作用下以固定的时间步长Δτ进行演化，模型空间内的格点及附属物流属性状态不断变化，由此实现了对炼钢连铸生产系统的仿真，使系统朝着目标实现的方向演化。

格点属性是加工设备状态变化的体现，反映了生产过程中加工设备的实时运行特征。在炼钢-连铸生产调度元胞自动机模型中，格点属性的设计如表2所示。

表2.格点属性设计

演化规则是演化过程中加工设备及运输线状态变化的依据，是模型的驱动力。根据炼钢-连铸生产特点，将生产组织和调度原则抽象为模型的模型演化规则，包括任务优先级规则R_p、作业时间规则R_t、择路规则R_r和扰动处理规则R_d，规则的描述和作用条件如表3所示：

表3.演化规则设计

在本实施方式中，具体描述如下：

任务优先级规则R_p，用于确定炉次任务加工优先级顺序，当存在多个炉次任务等待格点c_j,k加工时，启用任务优先级规则对等待队列中的多个炉次任务进行排序，为格点c_j,k选择优先加工炉次任务，当多个炉次任务等待加工时，优先选择最早到达格点c_j,k的炉次进行加工：

其中，T为上所有炉次在元胞c_j,k上的到达时间集合，Ω_i表示到达格点 c_j,k时间最短的炉次任务集合，如果|Ω_i|＞1，则说明有多个任务具有最小到达时间，此时以随机方式选择炉次优先进行加工；

作业时间规则R_t，用于确定加工/运输时间，当炉次i在格点c_j,k上开始加工或者结束加工时,利用作业时间规则确定其在格点c_j,k上的加工时间t_i,j,k和运输至下一工序的运输时间t_i,j,j+1，包括较小加工/运输时间规则和较大加工/运输时间规则：

择路规则R_r，当炉次i在元胞c_j,k上完成加工时，用于确定炉次下一工序目标加工设备，当下一道工序具有多个可选加工设备时，选取具有最小加工队列长度的设备作为目标加工设备，

其中，k^*为炉次i在下一道工序的目标加工设备，即：为格点c_j+1,k上的等待加工队列长度；Ω_k表示等待加工队列长度最短的设备集合；如果|Ω_k|＞1，则说明有多个设备具有最短等待加工队列，此时以随机方式选择目标加工设备；

扰动处理规则R_d，用于在发生设备扰动情况下更新设备状态，当元胞c_j,k发生故障或故障状态结束时，更新元胞c_jk相应的属性状态：

为元胞c_j,k对应的故障预计处理时间。

在本实施方式中，如图4所示，步骤S3至步骤S5可以具体为：

Step 1：初始化生产作业计划初始化模型全局运行目标和局部操作目标和初始化格点与运动粒子(炉次)状态；

Step 2：炉次任务按入口边界条件进入模型，所述入口边界条件指炉次在第一道工序的到达时间；

Step 3：当所有格点未全部扫描时，则执行Step 4；

Step 4：扫描格点c_j,k的状态属性；

Step 4.1:如果转Step 4.2；若转Step4.3；否则转Step4.4；

Step 4.2:如果转Step 4.5；否则，根据规则决策元P选择任务优先级规则R_p和作业时间规则R_t，确定等待队列中最优先加工炉次和及其加工时间，转Step4.5；

Step 4.3:如果通过规则决策元P选择扰动规则R_d，更新元胞c_j,k属性，转Step 4.5；否则，转Step 4.5；

Step 4.4:如果通过规则决策元P选择路规则R_r和作业时间规则R_t，确定格点c_j,k上加工炉次的下一工序目标设备和运输时间，转Step 4.5；否则转Step4.5；

Step 4.5:记录炉次物流运行历史C_i,j,k,

Step 4.6:判断格点是否都扫描完，如果完成，执行Step 5，否则返回Step 4.1；

Step 5：判断所有炉次是否加工完成，若是，转Step7；否则转Step6；

Step 6：更新模型全局运行目标和局部操作目标，更新时钟令Clock＝Clock+1，转Step2；

Step 7：判断炉次在连铸工序是否满足连浇要求，若满足，转Step 8；否则转Step1；

Step 8：输出结果，结束。

在本实施方式中，全局运行目标/局部操作目标更新机制包括全局运行目标 /局部操作目标的初始化和运行过程中全局运行目标/局部操作目标的动态更新。在初始化阶段，由连浇生产计划初始化全局生产目标，通过结合倒推算法的混合算法生成初始生产调度计划，并由此初始化局部操作目标；在运行过程中，由于作业时间的随机性和加工设备选择的随机性，炉次在各工序上实际的开始作业时刻与实际结束时刻与局部操作目标可能存在偏差，并导致浇次不按全局运行目标开浇。因此，需要在实时运行过程中以保证连浇生产为目的动态调整全局运行目标和局部操作目标。

在初始化阶段，由连浇生产计划确定各浇次的计划开浇时间由初始生产调度计划确定各炉次i在各工序j上的目标开始加工时刻和目标结束加工时刻

当炉次i到达连铸机时，全局目标与局部目标的更新方法如下：

当炉次i到达连铸机时，全局运行目标与局部操作目标的动态更新的方法为：

Step1：判断炉次i是否为浇次的第一个炉次，若是转Step2，否则转Step3；

Step2：以炉次i的实际开始时间更新浇次计划开浇时刻即转Step4；

Step3：若则根据连浇约束更新目标开始时刻即：转Step4；否则转Step2；

Step4：将炉次i引起的全局运行目标偏差ΔT作用于该浇次内其他待浇铸炉次，并进行局部操作目标更新，即： k≥i且h_k＝h_i。

从规则库内动态地选取作业时间规则的方法为：

本实施方式中，基于“规则决策元”的演化规则自决策机制，即根据调度目标和实时信息在局部演化规则库中选择合适的演化规则，确保系统各局部密切地围绕其目标运行，因此规则决策元是局部演化规则的启用规则，即“元规则”。由于调度目标和实时信息与规则的对应关系不能单纯用某一数学函数表示，因此采用了启发式规则的方式在规则启用的条件和启用的规则间建立映射关系，每一种映射关系即一种规则，规则决策元便是由这些规则启用条件和结构构成。

规则决策元主要用于作业时间规则R_t的动态确定，其设计方法如下：

表4.作业时间规则的决策元设计

在本实施方式中，任意格点c_j,k在τ+1时刻的属性状态为：

由式(16)可见，格点c_j,k在τ+1时刻的属性状态由τ时刻自身属性状态及其邻域的属性状态以及相应的局部演化规则决定；局部演化规则由规则决策元P依据τ时刻的实时运行目标O^τ和实时信息I^τ动态确定。

属性状态的变化由具体过程确定的，比如说启用任务优先级规则确定了格点的正在加工炉次标号属性；运算过程中格点开始/结束加工或者发生故障则会改变格点的工作状态属性。

利用本发明的方法，在进行实际控制时，

以某炼钢厂的转炉炼钢-连铸生产流程，如图5所示，建立相应的仿真控制对象。其转炉炼钢-连铸生产流程包括转炉、LF、RH和连铸四个主要生产环节，且RH精炼环节根据钢种的生产工艺动态选择。

以该炼钢厂某天一个班次8小时内6个浇次的生产实例进行仿真，浇次计划如表5所示，不同钢种的炉次在工序设备上的加工时间和工序间运输时间分别为：

表5连浇生产计划

浇次编号	浇次内炉数	精炼方式	加工铸机号
				1	12	LF	1#
2	6	LF	2#
				3	3	LF+RH	3#
4	8	LF+RH	3#
				5	7	LF	4#
6	5	LF+RH	5#

按该厂当日的铁水实际供应节奏设置模型仿真的入口边界条件。如表6所示为实际铁水供应的铁水罐次(对应6个浇次计划的41个炉次的铁水罐)与钢厂到达时间的关系。

表6实际铁水供应节奏

罐次	到达时间	罐次	到达时间	罐次	到达时间	罐次	到达时间
								1	0	12	104	23	242	34	377
2	1	13	105	24	264	35	388
								3	20	14	141	25	277	36	413
4	31	15	156	26	290	37	416
								5	38	16	188	27	291	38	429
6	42	17	191	28	303	39	430
								7	57	18	192	29	312	40	464
8	73	19	201	30	328	41	476
								9	74	20	222	31	344
10	89	21	230	32	346
								11	96	22	237	33	376

按本发明的方法设置输入条件，并以第一罐铁水到达时刻作为0时刻。以转炉至连铸机的物流平均流通时间作为本方法和实际系统对比性能指标。经过 50次重复实验得到的平均物流时间计算结果如图6所示，生产实绩与本发明得到的结果对比如表7所示。

表7平均物流时间的生产实绩与仿真结果对比

从表7的结果可见，本发明得到的平均物流时间与实际值的误差率均不超过5％，说明该模型能够反映现实生产情况。因此，模型可行。

本发明还提供了一种基于目标导引元胞自动机模型的炼钢连铸生产调度系统，其包括控制器与外部数据库连接，控制器获取连浇生产计划并按照本发明所述的方法进行模型的自组织动态演化，当所有炉次完成加工时判断炉次在连铸工序上的是否满足连浇要求，当满足连浇要求，则将结果传输给炼钢-连铸生产运行控制系统或本地数据库，炼钢-连铸生产运行控制系统按照所述演化结果实现对连浇生产计划中的所有炉次在各工序上的设备选择和加工时间决策的有效生产运行控制，而本地数据库则存储调度策略及流程分析结果并传输给调度员，可用于实际调度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种基于目标导引元胞自动机模型的炼钢连铸生产调度方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，控制器与外部数据库连接，获取连浇生产计划，所述连浇生产计划中包括连铸机上生产浇次的预定开浇时间和各浇次内的炉次浇铸顺序，还从外部数据库中获取设备的实时状态、各工序设备的生产实绩信息、连铸工序上的连浇计划生产实绩信息；

CA_scc＝{H，S，N，R，I^τ，O^τ，P}表示元胞自动机模型CA_scc由元胞空间H、元胞状态5、元胞邻域N和演化规则R、实时信息I^τ、实时目标O^τ和规则决策元P几个要素构成，其中，

H：

H＝{D，L}， (1)

D＝{c_j，k|j∈{1，2，...，M}，k∈{1，2，...，K_j}} (2)

s：

N：

R：

R＝{R_p，R_t，R_r，R_d} (8)

式(1)、(2)、(3)表示元胞空间由格点集D和格点间连线集L构成；式(4)、(5)表示元胞状态集由各格点的实时状态组成，且各格点的实时状态由四类实时属性构成，表征格点c_j，k的当前工作状态，表征当前工作状态的持续时间并以此判断事件是否发生，表征当前时刻等待格点c_j，k作业的炉次集合，表征当前时刻正在格点c_j，k上作业的炉次任务标号；式(6)、(7)表示单个格点的邻域是由相邻工序内的可达格点构成的集合；式(8)表示模型演化规则由设计的四类规则构成，包括任务优先级规则，作业时间规则，择路规则，扰动处理规则；

I^τ：

O^τ：

P：

P＝relation(R，I^τ，O^τ) (15)

式(9)表示模型每步演化过程中的实时信息，是实时全局信息和实时局部信息的集合；式(10)表示实时全局信息指连浇计划执行的实时情况，是由浇次在连铸工序的实际开浇时间构成；式(11)表示实时局部信息由炉次物流加工实绩信息(炉次在各工序上的实际开始和结束时刻)构成；式(12)表示模型实时目标是实时全局运行目标和局部操作目标的集合；式(13)表示实时全局运行目标是在连浇生产计划中浇次在连铸工序上的计划开浇时刻；式(14)表示实时局部操作目标为炉次在各工序上的计划开始和计划结束时刻；式(15)表示规则决策元由演化规则与实时生产信息和实时生产目标的映射关系构成；

其中，涉及到的符号及含义对应如下：

其中，j、j₁、j₀均代表工序编号，他们的取值范围都是{1，2，...，M}，用于表示在{1，2，...，M}内互不相等的两个值；

S3，初始化，由连浇生产计划确定各浇次的计划开浇时间生成初始生产调度计划，并由此确定各炉次i在各工序j上的目标开始加工时刻和目标结束加工时刻由设备状态信息和生产实绩信息初始化格点与运动粒子状态；

S4，获取实时局部信息和实时全局信息，判断各浇次的实际开浇时间是否等于全局运行目标，如果达成，则执行步骤S5，如果没有达成，则更新全局目标和局部目标，执行步骤S5；

S5，规则决策元根据实时信息和目标，从规则库内动态地确定演化规则，以固定的时间步长Δτ进行演化，更新格点状态及所有炉次的实际达到时刻，实际开始加工时刻和实际结束加工时刻，当所有炉次完成加工时，判断连铸工序上的同一浇次内炉次是否满足连浇要求，当满足连浇要求，则将结果传输给炼钢-连铸生产运行控制系统或本地数据库，控制系统按照所述演化结果实现对连浇生产计划中的所有炉次在各工序上的设备选择和加工时间决策的有效生产运行控制；而本地数据库则存储调度策略及流程分析结果并传输给调度员，可用于实际调度；当不满足连浇要求，则返回执行步骤S3。

2.根据权利要求1所述的基于目标导引元胞自动机模型的炼钢连铸生产调度方法，其特征在于，所述演化规则包括：

任务优先级规则R_p，用于确定炉次任务加工优先级顺序，当存在多个炉次任务等待格点c_j，k加工时，启用任务优先级规则对等待队列中的多个炉次任务进行排序，为格点c_j，k选择优先加工炉次任务，当多个炉次任务等待加工时，优先选择最早到达格点c_j，k的炉次进行加工：

其中，T为上所有炉次在元胞c_j，k上的到达时间集合，Ω_i表示到达格点c_j，k时间最短的炉次任务集合，如果|Ω_i|＞1，则说明有多个任务具有最小到达时间，此时以随机方式选择炉次优先进行加工；

作业时间规则R_t，用于确定加工/运输时间，当炉次i在格点c_j，k上开始加工或者结束加工时，利用作业时间规则确定其在格点c_j，k上的加工时间t_i，j，k和运输至下一工序的运输时间t_i，j，j+1，包括较小加工/运输时间规则和较大加工/运输时间规则：

择路规则R_r，当炉次i在元胞c_j，k上完成加工时，用于确定炉次下一工序目标加工设备，当下一道工序具有多个可选加工设备时，选取具有最小加工队列长度的设备作为目标加工设备，

其中，k^*为炉次i在下一道工序的目标加工设备，即：为格点c_j+1，k上的等待加工队列长度；Ω_k表示等待加工队列长度最短的设备集合；如果|Ω_k|＞1，则说明有多个设备具有最短等待加工队列，此时以随机方式选择目标加工设备；

扰动处理规则R_d，用于在发生设备扰动情况下更新设备状态，当元胞c_j，k发生故障或故障状态结束时，更新元胞c_j，k相应的属性状态：

为元胞c_j，k对应的故障预计处理时间。

3.根据权利要求1所述的基于目标导引元胞自动机模型的炼钢连铸生产调度方法，其特征在于，步骤S3至步骤S5具体为：

Step1：初始化生产作业计划初始化模型全局运行目标和局部操作目标和初始化格点与运动粒子状态，令Clock＝O；

Step2：炉次任务按入口边界条件进入模型，所述入口边界条件指炉次在第一道工序的到达时间；

Step3：当所有格点未全部扫描时，则执行Step4；

Step4：扫描格点c_j，k的状态属性以进行模型演化；

Step4.1：如果转Step4.2；若转Step4.3；否则转Step4.4；

Step4.2：如果转Step4.5；否则，根据规则决策元P选择任务优先级规则R_p和作业时间规则R_t，确定等待队列中最优先加工炉次和及其加工时间，转Step4.5；

Step4.3：如果通过规则决策元P选择扰动规则R_d，更新元胞c_j，k属性，转Step4.5；否则，转Step4.5；

Step4.4：如果通过规则决策元P选择路规则R_r和作业时间规则R_t，确定格点c_j，k上加工炉次的下一工序目标设备和运输时间，转Step4.5；否则转Step4.5；

Step4.5：记录炉次物流运行历史C_i，i，k，

Step4.6：判断格点是否都扫描完，如果完成，执行Step5，否则返回Step4.1：

Step5：判断所有炉次是否加工完成，若是，转Step7；否则转Step6；

Step6：更新模型全局运行目标和局部操作目标，更新时钟令Clock＝Clock+1，转Step2；

Step7：判断炉次在连铸工序是否满足连浇要求，若满足，转Step8；否则转Step1；

Step8：输出结果，结束。

4.根据权利要求1或3所述的基于目标导引元胞自动机模型的炼钢连铸生产调度方法，其特征在于，当炉次i到达连铸机时，全局运行目标与局部操作目标的动态更新的方法为：

Step4：将炉次i引起的全局运行目标偏差ΔT作用于该浇次内其他待浇铸炉次，并进行局部操作目标更新，即：且h_k＝h_i。

5.根据权利要求1所述的基于目标导引元胞自动机模型的炼钢连铸生产调度方法，其特征在于，动态地选取作业时间规则的方法为：

实际的开始加工时间或结束时间目标开始加工时间t或结束时间

当采用较小加工时间规则R_t1；

当采用较大加工时间规则R_t2；

当采用较小运输时间规则R_t3；

当采用较大运输时间规则R_t4。

6.一种基于目标导引元胞自动机模型的炼钢连铸生产调度系统，其特征在于，包括控制器，所述控制器与外部数据库连接，控制器获取连浇生产计划并按照权利要求1-5之一所述的方法进行模型的自组织动态演化，当所有炉次完成加工时判断炉次在连铸工序上的是否满足连浇要求，当满足连浇要求，则将结果传输给炼钢-连铸生产运行控制系统或本地数据库，炼钢-连铸生产运行控制系统按照所述演化结果实现对连浇生产计划中的所有炉次在各工序上的设备选择和加工时间决策的有效生产运行控制，而本地数据库则存储调度策略及流程分析结果并传输给调度员，可用于实际调度。