CN114298567B - 连铸机浇次计划排程及开浇时间动态决策方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种连铸机浇次计划排程及开浇时间动态决策方法及系统。该方法为：获取计划期初连铸机状态、每台连铸机上的浇次计划数据，读取计划期初在线金属数据，读取计划期内预计进铁量数据；建立以生产效率、生产连续性以及生产效益为目标的多目标函数；建立生产工艺、生产设备、在线金属量平衡以及生产组织约束条件；构建浇次计划排程及开浇时间动态决策的多目标模型；求解该模型，得到对应的浇次计划排程及开浇时间决策结果；根据该决策结果对钢厂生产进行调控，并根据生产组织情况进行适应性调整。该方法能够适应不同计划期的开浇决策要求，能够根据实际在线金属量变化进行开浇时间适应性调整，为炼钢厂连铸机的有序开浇提供技术手段。

Description

连铸机浇次计划排程及开浇时间动态决策方法及系统

技术领域

本发明涉及炼钢领域，具体涉及一种连铸机浇次计划排程及开浇时间动态决策方法及系统。

背景技术

连铸机生产是钢铁企业，尤其是长流程钢厂的关键制造环节，钢铁企业的生产组织通常都是以连铸为核心，它涉及全流程的生产效率和效益。随着连铸机装备水平的提升，连铸机的拉速及钢种规格的适应性也在拓展，浇次计划排程会涉及到异钢种连浇、铸坯规格在线调宽等多浇次计划的衔接匹配关系，而开浇时间决策需要根据钢厂的金属量蓄积情况进行有效决策，以确定分配到连铸机的待开浇次的浇铸顺序以及开浇时间。

浇次计划排程、确定连连浇计划、待开浇次及开浇时间是编制炼钢-连铸生产作业计划的前提。在炼钢厂生产中，炼钢-连铸生产作业计划通常是由调度员根据经验人工确定开浇时间后再进行作业计划安排，即具体安排生产浇次计划中各炉次的加工设备与时间。

近年来，关于转炉钢厂炼钢-连铸生产的研究主要集中在生产批量计划、生产作业计划或调度排程方面。生产批量计划的研究内容主要通过组炉组浇获得炉次计划和浇次计划，一般未考虑浇次计划的开浇时间决策问题；而生产作业计划或调度排程的研究则一般假设浇次计划与连铸机的匹配关系及各浇次计划的开浇时间已知。事实上，浇次计划排程及开浇时间动态决策受到钢厂生产线上铁水/钢水的金属资源蓄积量及其动态平衡关系的影响。

目前，浇次计划排程及开浇时间决策结果作为炼钢-连铸生产调度排程的前提，完全依赖调度员的个人经验很难决策优化，凭借对当前时刻的在线金属量和个人经验简单推算确定连铸机上的浇次计划排程及开浇时间，难以提前考虑后续生产计划期内的在线金属资源变化，更无法根据生产环境变化进行及时调整，以抵消生产不确定性影响，不能通过优化的浇次计划排程来实现“有序、稳定、高效”的生产目标。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种连铸机浇次计划排程及开浇时间动态决策方法及系统。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种连铸机浇次计划排程及开浇时间动态决策方法，包括如下步骤：

获取计划期初连铸机状态、每台连铸机上的浇次计划数据，读取计划期初在线金属数据，读取计划期内预计进铁量数据，读取计划期初每台连铸机正在生产的浇次计划；

建立以生产效率、生产连续性以及生产效益之一或任意组合为目标的多目标函数；

建立生产工艺、生产设备、在线金属量平衡以及生产组织约束条件；

构建浇次计划排程及开浇时间动态决策的多目标模型；

求解该模型，得到对应的浇次计划排程及开浇时间决策结果；

根据该决策结果对钢厂生产进行调控，并根据钢厂生产组织情况进行适应性调整。

该方法可提高连铸生产的稳定性，能够适应不同计划期的开浇决策要求，能够根据实际在线金属量变化进行开浇时间适应性调整，为炼钢厂连铸机的有序开浇提供技术手段。

该连铸机浇次计划排程及开浇时间动态决策方法的优选方案，以生产效率为目标的目标函数包括以最小化浇次计划开浇时间与开浇炉次到达时间的差值，和/或最小化所有炉次的最大浇铸总时间为目标建立的目标函数。

以生产连续性为目标的目标函数包括以最大化连连浇次数，最大化连连浇生产的浇次计划浇铸量，最小化相邻两个浇次计划的间隔时间，最小化生产线上的在线金属量，最小化温度偏差之一或任意组合为目标建立的目标函数。

以生产效益为目标的目标函数包括以最小化非计划断浇惩罚值、异钢种连浇惩罚值、在线调宽惩罚值，最小化优质铁水未有效利用量之一或任意组合为目标建立的目标函数。

根据以上多个目标函数从多个方面对连铸机工作进行要求，使得最终得到的浇次计划排程及开浇时间动态决策更符合实际连铸工作要求，便于实现“有序、稳定、高效”的生产目标。

该连铸机浇次计划排程及开浇时间动态决策方法的优选方案，

以最小化浇次计划开浇时间与开浇炉次到达时间的差值为目标的生产效率目标函数

以最小化所有炉次的最大浇铸总时间为目标的生产效率目标函数

以最大化连连浇次数为目标的生产连续性目标函数

以最大化连连浇生产的浇次计划浇铸量为目标的生产连续性目标函数

以最小化相邻两个浇次计划的间隔时间为目标的生产连续性目标函数

以最小化生产线上的在线金属量为目标的生产连续性目标函数

以最小化温度偏差为目标的生产连续性目标函数

以最小化非计划断浇惩罚值、异钢种连浇惩罚值、在线调宽惩罚值为目标的生产效益目标函数

以最小化优质铁水未有效利用量为目标的生产效益目标函数

其中，i为连铸机序号，i∈{1,2,…,I}，I为连铸机总数；

j为每台连铸机上的浇次计划序号，j∈{1,2,…,J}，J为每台连铸机的浇次总数；

k为每个浇次计划包含的炉次计划序号，k∈{1,2,…,K}，K为每个浇次计划包含的炉次总数；

t_s,t_e为计划期的开始时刻和结束时刻；

t_A为全流程平均物流时间；

η为浇铸时的金属损耗系数；

为连铸机i上正在执行的浇次计划的浇铸量；

q_i,j,k为连铸机i上分配的浇次计划j的炉次计划k的浇铸量；

t_i,j为连铸机i上分配的浇次计划j的浇铸周期，t_i,j＝q_i,j/ρ/m_i,j/s_i,j；

q_i,j为连铸机i上分配的浇次计划j的浇铸量；

m_i,j为连铸机i上分配的浇次计划j的断面；

s_i,j为连铸机i上分配的浇次计划j的拉速；

ρ为钢液密度；

Q_iron为计划期预计进铁量；

为计划期初在线铁水量；

为保证连浇生产的在线基准金属量；

为计划期初遗留铁水量；

为计划期连铸机上i浇次计划j中炉次计划k的预计浇铸温度；

为计划期内连铸机i上浇次计划j中炉次计划k的预计进铁温度；

为异钢种同中间包连浇造成的衔接坯惩罚值，其中dg表示不同钢种；

ψ_i为连铸机i的停浇惩罚值；

为在线调宽造成的异型坯惩罚值，其中dw表示不同宽度；

为浇次计划j中炉次计划k从KR到连铸工序的物流时间，与钢种、生产路径相关；

Q_steel为生产线随机波动需求金属量；

Q_ss为计划期内加入的废钢量；

δ^p,π^p,δ^p'为遗留任务的优质品种钢比例、进铁及期初库存金属的优质铁水比例；

v_i,j,k为二进制变量，当连铸机i上待开浇次j的炉次为优质品种钢时为1，否则为0；

D_i,j为连铸机i上待开浇次j的开浇时刻；

x_i,j为二进制变量，当连铸机i上浇次计划j被选作开浇浇次时为1，否则为0；

y_i,j为二进制变量，当连铸机i上待开浇次计划j与上一浇次计划断浇时为1，否则为0；

各连铸机的浇钢量

浇钢量对应的金属损耗量

在线基准金属量

约束条件包括：

生产工艺约束条件：每个炉次计划只能组合到一个浇次计划组合到同一浇次计划的炉次计划数量不超过中间包最大浇铸炉数紧邻炉次计划满足异钢种连浇约束和在线调宽的宽度调整范围约束/>

生产设备约束：每个浇次计划只能分配到一台连铸机连铸机上待开浇次的开浇时间不低于连铸机的最早可用时间/>

在线金属量平衡约束：在线金属量不低于在线基准金属量浇铸的优质品种钢所需优质铁水量不超过期初库存与计划期进铁的优质铁水量之和，浇铸优质品种钢需求的优质铁水量

生产组织约束条件：当连铸机i上待开浇次与上一浇次连浇时，待开浇次开浇时间取上一浇次的结束时刻，若待开浇次与上一浇次无法连浇时，待开浇次开浇时间不低于上一浇次结束时间加连铸机断浇间隔时间

计划期内预期进铁时间要满足待开浇次开浇时间要求t_iron+t_A≤D_i,j,i∈{1,2,…,I}；

浇次计划开浇时间处于计划期内t_s≤D_i,j≤t_e,i∈{1,2,…,I}；

其中，为连铸机i上正在执行的浇次计划的断面；

g_i,j,k为连铸机i上分配的浇次计划j中炉次计划k的钢种；

W_i,j,k为连铸机i上分配的浇次计划j中炉次计划k的浇铸宽度；

W_i ^ct为连铸机i上正在执行的浇次计划的浇铸宽度；

ΔW^max为连连浇生产时，浇铸宽度最大调整范围；

Δg^max为连连浇生产时，相邻炉次最大钢种差异；

为中间包最大连浇炉数；

为连铸机i的最早可用时间，当前任务结束时间+最小间隔时间；

为连铸机i上正在执行的浇次计划的拉速；

为连铸机i上正在执行的浇次计划的钢种；

t_iron为计划期预计进铁时间；

为二进制变量，当连铸机i上待开浇次j和当前执行浇次的钢种符合异钢种同中间包连浇条件时为1，否则为0；

为连铸机停浇之后的最小间隔时间；

η_i,j,k为二进制变量，当连铸机上浇次计划的炉次计划排序第一时为1，否则为0；

为二进制变量，当连铸机上浇次计划的炉次计划排序最后时为1，否则为0；

x_j,k为二进制变量，当炉次计划k被分配到浇次计划j时为1，否则为0；

为二进制变量，当浇次计划j中炉次计划k紧邻炉次计划k'后面浇铸时为1，否则为0；

为二进制变量，当连铸机i上待开浇次计划j与上一浇次计划j'断浇时为1，否则为0。

该连铸机浇次计划排程及开浇时间动态决策方法的优选方案：求解目标函数的步骤为：

根据计划期初在线金属资源量获得可开浇浇次计划数量，根据计划期初连铸机状态获取可开浇连铸机数量；

将可开浇浇次计划数量与可开浇连铸机数量进行比较，若可开浇连铸机数量≥可开浇浇次计划数量，选择可开浇浇次计划数量的连铸机开浇，否则全部可开浇连铸机都可以开浇，循环进行每台连铸机开浇决策；

根据浇次计划排程规则及开浇时间决策规则生成初始码串，若存在连连浇计划，则相邻浇次计划排序满足生产工艺约束条件；

产生当前码串的候选码串集：根据生产工艺约束和生产组织约束条件进行解码，获取浇次计划排程及开浇时间决策结果，根据决策结果的目标函数值比较码串的优劣并选择最优码串生成新的候选码串集；

循环执行上一步骤直至满足终止规则，解码当前最优码串，保存并输出对应的浇次计划排程及开浇时间决策结果。

本发明还提出了一种连铸机浇次计划排程及开浇时间动态决策系统，其包括控制器、存储器和数据采集器，所述数据采集器、存储器分别与所述控制器连接，所述数据采集器采集炼钢生产系统信息并发送至控制器，所述存储器存放至少一可执行指令，所述可执行指令使所述控制器根据所述数据采集器采集炼钢生产系统信息执行上述连铸机浇次计划排程及开浇时间动态决策方法对应的操作。

本发明的有益效果是：本发明有利于炼钢厂生产的稳定，从有利于浇次计划的执行角度考虑多目标优化建模，将铁水/钢水等金属资源的平衡协调也纳入模型的目标和约束，对浇次计划制定为连铸生产运行达成“动态-有序”、“协同-连续”的状态，将体现运行效率效益的指标作为优化目标，包括连连浇相关的鼓励性指标与影响连铸连浇的惩罚性指标，如断浇惩罚、相邻浇次计划异钢种连浇和在线调宽惩罚等等，基于得到的浇次计划排程及开浇时间决策可提高炼钢生产的效率。本发明考虑了生产计划期内的在线金属资源变化，根据生产环境变化进行及时调整连铸机浇次计划排程及开浇时间，可抵消生产不确定性带来的影响，通过优化的连铸机浇次计划排程及开浇时间来实现“有序、稳定、高效”的生产目标。

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是连铸机浇次计划排程及开浇时间动态决策流程示意图。

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。

炼钢厂通常包括执行不同类型任务(品种规格等)的多种类、多型号的连铸机。炼钢-连铸生产批量计划由上层管理部门按铸机以预定浇次的形式周期性地下发到炼钢厂制造执行系统的计划预选池，其信息通常包括分配到每台连铸机的浇次数量及浇次计划内各炉次的钢种、铸坯断面和计划开浇时间等，属于粗计划。炼钢厂在制定炼钢-连铸生产排程计划前，首先需要以日或班为计划期进行浇次计划排程及开浇时间决策，即根据浇次计划信息、期初在线铁水量、计划期内预计进铁量、连铸机生产任务状态等进行浇次计划排程，并决策待开浇次是否与前一浇次进行连浇及浇次的开浇时刻。在计划执行过程中，当实际进铁量与预计进铁量发生偏差时，需根据实际进铁量对排程方案及开浇时间进行适应性动态调整。

如图1所示，本发明提供了一种连铸机浇次计划排程及开浇时间动态决策方法，包括如下步骤：

获取计划期初连铸机状态、每台连铸机上的浇次计划数据，读取计划期初在线金属数据，读取计划期内预计进铁量数据，读取计划期初每台连铸机正在浇铸的浇次计划数据。获取连铸机状态即获取连铸机是否可正常生产。这些数据均可从MES系统(生产管理系统)以及ERP系统(企业资源计划系统)中得到。

具体地，每台连铸机上的浇次计划数据包括每个浇次计划包含的炉次计划、每个炉次计划的钢种、浇铸宽度、浇铸量；读取计划期初在线金属数据包括：计划期初在线铁水量保证连浇生产的在线基准金属量/>生产线随机波动需求金属量Q_steel；读取计划期内预计进铁量数据包括计划期预计进铁量Q_iron、计划期预计进铁时间T_iron；读取计划期初每台连铸机正在浇铸的浇次计划数据包括每台连铸机正在浇铸的断面/>钢种/>

建立以生产效率、生产连续性以及生产效益之一或任意组合为目标的多目标函数。比如单独以生产效率、生产连续性或生产效益以为目标建立目标函数，或者以生产效率和生产连续性为目标建立目标函数，或者以生产连续性和生产效益为目标建立目标函数，或者以生产效率和生产效益为目标建立目标函数，或者以生产效率、生产连续性以及生产效益三者一起为目标建立目标函数。

具体地，包括以下目标函数：

以生产效率为目标的目标函数包括以最小化浇次计划开浇时间与开浇炉次到达时间的差值和/或最小化所有炉次的最大浇铸总时间(包括炉次浇铸时间和浇次计划间隔时间)为目标建立的目标函数。其中，以最小化浇次计划开浇时间与开浇炉次到达时间的差值为目标的生产效率目标函数以最小化所有炉次的最大浇铸总时间为目标的生产效率目标函数/>

以生产连续性为目标的目标函数包括以最大化连连浇次数，最大化连连浇生产的浇次计划浇铸量，最小化相邻两个浇次计划的间隔时间，最小化生产线上的在线金属量，最小化温度偏差之一或任意组合为目标建立的目标函数。

连连浇是指两个浇次在连铸机不停机的情况下连续浇铸。其中，以最大化连连浇次数为目标的生产连续性目标函数以最大化连连浇生产的浇次计划浇铸量为目标的生产连续性目标函数/>以最小化相邻两个浇次计划的间隔时间为目标的生产连续性目标函数/>以最小化生产线上的在线金属量为目标的生产连续性目标函数以最小化温度偏差为目标的生产连续性目标函数

以生产效益为目标的目标函数包括以最小化非计划断浇惩罚值、异钢种连浇惩罚值、在线调宽惩罚值，最小化优质铁水未有效利用量之一或任意组合为目标建立的目标函数。其中，以最小化非计划断浇惩罚值、异钢种连浇惩罚值、在线调宽惩罚值为目标的生产效益目标函数以最小化优质铁水未有效利用量为目标的生产效益目标函数

建立生产工艺、生产设备、在线金属量平衡以及生产组织约束条件。

具体为：

生产工艺约束条件：每个炉次计划只能组合到一个浇次计划组合到同一浇次计划的炉次计划数量不超过中间包最大浇铸炉数紧邻炉次计划满足异钢种连浇约束和在线调宽的宽度调整范围约束/>

生产设备约束：每个浇次计划只能分配到一台连铸机连铸机上待开浇次的开浇时间不低于连铸机的最早可用时间/>

在线金属量平衡约束：在线金属量不低于在线基准金属量浇铸的优质品种钢所需优质铁水量不超过期初库存与计划期进铁的优质铁水量之和，浇铸优质品种钢需求的优质铁水量

生产组织约束条件：当连铸机i上待开浇次与上一浇次连浇时，待开浇次开浇时间取上一浇次的结束时刻，若待开浇次与上一浇次无法连浇时，待开浇次开浇时间不低于上一浇次结束时间加连铸机断浇间隔时间

计划期内预期进铁时间要满足待开浇次开浇时间要求t_iron+t_A≤D_i,j,i∈{1,2,…,I}；

浇次计划开浇时间处于计划期内t_s≤D_i,j≤t_e,i∈{1,2,…,I}。

本实施例中涉及到的参数如下：

i为连铸机序号，i∈{1,2,…,I}，I为连铸机总数；

j为每台连铸机上的浇次计划序号，j∈{1,2,…,J}，J为每台连铸机的浇次总数；

k为每个浇次计划包含的炉次计划序号，k∈{1,2,…,K}，K为每个浇次计划包含的炉次总数；

为连铸机i上正在执行的浇次计划，其中ct表示当前正在执行；

为连铸机i上正在执行的浇次计划的钢种；

t_s,t_e为计划期的开始时刻和结束时刻；

t_A为全流程平均物流时间；

为连铸机i上正在执行的浇次计划的持续周期，/>

ρ为钢液密度；

η为浇铸时的金属损耗系数；

C_i,j为连铸机i上分配的浇次计划集合C_i,j∈{C_i,1,C_i,2,…,C_i,J}；

为连铸机i上正在执行的浇次计划的断面；

W_i ^ct为连铸机i上正在执行的浇次计划的浇铸宽度；

为连铸机i上正在执行的浇次计划的拉速；

为连铸机i上正在执行的浇次计划的钢种；

为连铸机i上正在执行的浇次计划的浇铸量；

q_i,j,k为连铸机i上分配的浇次计划j的炉次计划k的浇铸量；

g_i,j,k为连铸机i上分配的浇次计划j中炉次计划k的钢种；

W_i,j,k为连铸机i上分配的浇次计划j中炉次计划k的浇铸宽度；

t_i,j为连铸机i上分配的浇次计划j的浇铸周期，t_i,j＝q_i,j/ρ/m_i,j/s_i,j；

ΔW^max为连连浇生产时，浇铸宽度最大调整范围；

Δg^max为连连浇生产时，相邻炉次最大钢种差异；

为中间包最大连浇炉数；

Q_iron为计划期预计进铁量；

t_iron为计划期预计进铁时间；

为计划期初在线铁水量；

为保证连浇生产的在线基准金属量；

为计划期初遗留铁水量；

为计划期内连铸机i上浇次计划j中炉次计划k的预计进铁温度；

为异钢种同中间包连浇造成的衔接坯惩罚值，其中dg表示不同钢种；

为二进制变量，当连铸机i上待开浇次j和当前执行浇次的钢种符合异钢种同中间包连浇条件时为1，否则为0；

g_i,j为连铸机i上分配的浇次计划j的钢种；

m_i,j为连铸机i上分配的浇次计划j的断面；

W_i,j为连铸机i上分配的浇次计划j的浇铸宽度；

s_i,j为连铸机i上分配的浇次计划j的拉速；

q_i,j为连铸机i上分配的浇次计划j的浇铸量；

为浇次计划j中炉次计划k从KR到连铸工序的物流时间，与钢种、生产路径相关；

为连铸机停浇之后的最小间隔时间；

为连铸机i的最早可用时间，当前任务结束时间+最小间隔时间；

ψ_i为连铸机i的停浇惩罚值；

Q_steel为生产线随机波动需求金属量；

Q_ss为计划期内加入的废钢量；

δ^p,π^p,δ^p'为遗留任务的优质品种钢比例、进铁及期初库存金属的优质铁水比例；

为计划期连铸机上i浇次计划j中炉次计划k的预计浇铸温度；

为在线调宽造成的异型坯惩罚值，其中dw(different width)表示不同宽度；

v_i,j,k为二进制变量，当连铸机i上待开浇次j的炉次为优质品种钢时为1，否则为0；

η_i,j,k为二进制变量，当连铸机上浇次计划的炉次计划排序第一时为1，否则为0；

为二进制变量，当连铸机上浇次计划的炉次计划排序最后时为1，否则为0；

D_i,j为连铸机i上待开浇次j的开浇时刻；

x_i,j为二进制变量，当连铸机i上浇次计划j被选作开浇浇次时为1，否则为0；

y_i,j为二进制变量，1表示连铸机i上待开浇次计划j与上一浇次计划断浇，0表示与上一浇次连浇；

x_j,k为二进制变量，当炉次计划k被分配到浇次计划j时为1，否则为0；

为二进制变量，当浇次计划j中炉次计划k紧邻炉次计划k'后面浇铸时为1，否则为0；k'+1＝k。

为二进制变量，当连铸机i上待开浇次计划j与上一浇次计划j'断浇时为1，否则为0；

各连铸机的浇钢量

浇钢量对应的金属损耗量

在线基准金属量

钢厂生产线的在线金属量体现了计划期内金属资源的平衡关系，其量化表达式可以描述为：在线金属量＝期初在线金属量+计划期内累计进铁量+计划期内添加废钢量-累计浇钢量-累计金属消耗量，在线金属量优化有利于生产的稳定。

构建浇次计划排程及开浇时间动态决策的多目标模型，并求解该模型，得到对应的浇次计划排程及开浇时间决策结果。根据该决策结果对钢厂生产进行适应性调整。

本实施例设计了融合考虑在线金属资源的启发式算法的改进列生成算法(ColumnGeneration Algorithm Combined with Heuristic,CGACH)求解模型，得到浇次计划排程及开浇时间决策。

求解目标函数的步骤为：

步骤A、启发式算法根据计划期初在线金属资源量获取可开浇连铸机数量，根据计划期初连铸机状态获取可开浇连铸机数量，并进行可开浇浇次计划数量与可开浇连铸机数量的比较，若可开浇连铸机数量≥可开浇浇次计划数量，选择可开浇浇次计划数量的连铸机开浇，否则全部可开浇连铸机都可以开浇，循环进行每台连铸机开浇决策。本实施例中，可开浇浇次计划数量可根据当前生产线上铁水资源数量和连铸机状态通过启发式算法计算得到的，一般情况下，铁水资源每多4炉，可以多开一个连铸机。

步骤B、生成初始码串：根据浇次计划排程规则及开浇时间决策规则生成初始码串，若存在连连浇计划，则相邻浇次计划排序满足生产工艺约束条件。码串表示浇次计划、炉次计划与连铸机的关系，码串为一维码串，每一位上为炉次计划编号，编码顺序为炉次计划浇铸顺序。

步骤C、产生当前码串的候选码串集：根据生产工艺约束和生产组织约束条件进行解码，获取浇次计划排程及开浇时间决策结果，根据决策结果的目标函数值比较码串的优劣并选择最优码串生成新的候选码串集。

本实施例中，算法迭代时可通过交叉、变异操作获得当前码串的新一代码串，然后从新一代码串里面选择最优的码串生成新的候选码串集。

码串的优劣由目标函数值确定，生产效率、生产连续性、生产效益越高则越优。本实施例中，判断码串的优劣时，以生产效益为优先级最高，生产连续性次之，最后是生产效率。

步骤D、基于候选码串集中的每一个码串循环执行步骤C直至满足终止规则，解码当前最优码串，保存并输出对应的浇次计划排程及开浇时间决策结果。

在连铸生产计划期内，当生产环境发生变化时，重新求解目标函数，根据实际进铁量和在线金属量进行开浇时间适应性调整。

以国内某炼钢厂连铸机浇次计划排程及开浇时间决策实绩数据为例，进行模型及算法的应用效果检验，并与人工决策结果进行比较分析。

以日为计划期的模型实例

实例企业有4台连铸机，2台对应1580产线，2台对应2250产线。以日为计划期，选取2020年某几天的生产实绩数据进行本申请方法和非支配排序遗传算法(Non-dominatedSorting Genetic Algorithm,NSGA-II)、人工决策方法(Artificial Decision Method,ADM)进行对比测试，每台连铸分配的浇次计划如表1所示，CA～CD为连铸机序号。每个浇次计划的平均拉速是钢种和截面积的函数，依据实例企业的连铸生产工艺计算。浇次计划最小间隔时间、异钢种连浇和在线调宽等参数均依据实例企业生产工艺规则。NSGA-II算法参数设置为：种群大小40，迭代次数60，交叉概率0.8，变异概率0.2。

表1 2020年某一周各连铸机分配的浇次计划

表2为本方法和ADM、NSGA-II的连连浇次数和浇次排程惩罚值结果，其中浇次排程惩罚包括断浇、异钢种连浇和在线调宽惩罚值，断浇惩罚值ψ_i依据断浇造成的吨钢能源介质、中包耐材、辅助材料消耗增加，以及劳动生产率下降带来人工成本增加等因素计算，异钢种连浇惩罚值依据钢级下降造成生产效益降低计算，在线调宽惩罚值/>依据异型坯带来后续轧制工序成本增加计算，此处计算可采用现有方法，不再赘述。

表2本申请方法和人工决策方法的连连浇次数和浇次排程惩罚值比较

计划期内动态调整实例

选择3.1节中第4天的浇次计划排程及开浇决策案例，假设当天10点～12点在线金属量增加，测试本申请方法在动态环境下的适应性。测试结果如表3所示。

表3某一时刻在线金属量发生变化的适应性调整结果

实例结果分析

针对表2、表3分析如下：

(1)本申请方法的连连浇次数高于非支配排序遗传算法NSGA-II和人工决策方法ADM，浇次排程惩罚值低于NSGA-II和ADM，表明本申请方法在提升连铸计划生产稳定性、降低浇次排程惩罚值方面优于NSGA-II和ADM。这一方面说明在线金属资源平衡对连铸连连浇生产有重要影响，NSGA-II和ADM缺乏对在线金属资源平衡的量化计算，导致连铸机开浇时间决策不合理，造成连铸机生产不稳定，而本申请方法提前考虑了铁钢资源平衡的影响因素进行开浇决策，降低了因开浇时间的不合理而对生产稳定性的影响，能够提升连连浇次数。另一方面本申请方法考虑了异钢种连浇和在线调宽规则进行浇次计划排程，虽然存在异钢种连浇衔接坯和在线调宽造成的异型坯的惩罚值，但降低了断浇惩罚值，最终表现为浇次计划排程惩罚值降低。

(2)借助于计算机的计算能力，本申请方法相较于人工决策方法，在计划期初能够掌握在线金属资源状态以及计划期内预计进铁量数据，从而寻找满足约束条件的各连铸机、各浇次计划的优化开浇时间，同时能够对金属资源平衡进一步优化。如表3所示，当计划期内，在线金属量发生变化时，例如10点在线金属量增加，此时在线金属量充足，每个连铸机的浇次计划可以提前开浇，并且本来无法连连浇的浇次计划也能够连连浇生产，提升了连铸生产效率。表明本申请方法能够根据实际进铁量进行开浇时间适应性调整，进而提高连铸生产效率，提升生产稳定性。

结论

(1)浇次计划排程及开浇时间决策是长流程炼钢生产的重要问题，当前仅凭对在线金属量和个人经验简单推算确定连铸机上的浇次计划排程及开浇时间，难以适应炼钢生产组织需求，无法实现“有序、稳定、高效”的生产目标。

(2)本申请在综合考虑批量计划信息、在线金属量平衡以及连铸生产工艺、生产组织约束的基础上，以最小化连铸排程惩罚值、最小化在线金属量为目标建立了连铸浇次计划排程及开浇时间动态决策的混合整数规划模型。然后依据在线金属量与开浇浇次数量的经验关系，设计了融合计算在线金属量的启发式算法的列生成算法进行模型求解，能够进行多台连铸机的浇次计划排程和开浇时间动态决策，并能够根据计划期内生产环境动态变化进行开浇时间适应性调整。

(3)某钢厂的模型实例表明，本方法和NSGA-II、ADM相比，本申请模型方法可以降低浇次计划排程惩罚值，提高连铸生产稳定性，能够适应不同计划期的开浇决策要求，能够根据实际在线金属量变化进行开浇时间适应性调整，为炼钢厂连铸机的有序开浇提供技术手段。

本发明还提出了一种连铸机浇次计划排程及开浇时间动态决策系统的实施例，包括控制器、存储器和数据采集器，所述数据采集器、存储器分别与所述控制器连接，所述数据采集器采集炼钢生产系统信息并发送至控制器，数据采集器采集的炼钢生产系统信息包括不限于每台连铸机上的浇次计划数据包括每个浇次计划包含的炉次计划、每个炉次计划的钢种、浇铸宽度、浇铸量、计划期初在线铁水量保证连浇生产的在线基准金属量生产线随机波动需求金属量Q_steel、计划期预计进铁量Q_iron、计划期预计进铁时间T_iron、计划期初每台连铸机生产状态。所述存储器存放至少一可执行指令，所述可执行指令使所述控制器根据所述数据采集器采集炼钢生产系统信息执行如上述连铸机浇次计划排程及开浇时间动态决策方法对应的操作。

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 (4)

1.一种连铸机浇次计划排程及开浇时间动态决策方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取计划期初连铸机状态、每台连铸机上的浇次计划数据，读取计划期初在线金属数据，读取计划期内预计进铁量数据，读取计划期初每台连铸机正在生产的浇次计划；

建立以生产效率、生产连续性以及生产效益之一或任意组合为目标的多目标函数；

以生产效率为目标的目标函数包括以最小化浇次计划开浇时间与开浇炉次到达时间的差值，和/或最小化所有炉次的最大浇铸总时间为目标建立的目标函数；

以最小化浇次计划开浇时间与开浇炉次到达时间的差值为目标的生产效率目标函数

以最小化所有炉次的最大浇铸总时间为目标的生产效率目标函数

以生产连续性为目标的目标函数包括以最大化连连浇次数，最大化连连浇生产的浇次计划浇铸量，最小化相邻两个浇次计划的间隔时间，最小化生产线上的在线金属量，最小化温度偏差之一或任意组合为目标建立的目标函数；

以最大化连连浇次数为目标的生产连续性目标函数

以最大化连连浇生产的浇次计划浇铸量为目标的生产连续性目标函数

以最小化相邻两个浇次计划的间隔时间为目标的生产连续性目标函数

以最小化生产线上的在线金属量为目标的生产连续性目标函数

以最小化温度偏差为目标的生产连续性目标函数

以生产效益为目标的目标函数包括以最小化非计划断浇惩罚值、异钢种连浇惩罚值、在线调宽惩罚值，最小化优质铁水未有效利用量之一或任意组合为目标建立的目标函数；

以最小化非计划断浇惩罚值、异钢种连浇惩罚值、在线调宽惩罚值为目标的生产效益目标函数

以最小化优质铁水未有效利用量为目标的生产效益目标函数

其中，i为连铸机序号，i∈{1,2,…,I}，I为连铸机总数；

j为每台连铸机上的浇次计划序号，j∈{1,2,…,J}，J为每台连铸机的浇次总数；

k为每个浇次计划包含的炉次计划序号，k∈{1,2,…,K}，K为每个浇次计划包含的炉次总数；

t_s,t_e为计划期的开始时刻和结束时刻；

t_A为全流程平均物流时间；

η为浇铸时的金属损耗系数；

为连铸机i上正在执行的浇次计划的浇铸量；

q_i,j,k为连铸机i上分配的浇次计划j的炉次计划k的浇铸量；

t_i,j为连铸机i上分配的浇次计划j的浇铸周期，t_i,j＝q_i,j/ρ/m_i,j/s_i,j；

q_i,j为连铸机i上分配的浇次计划j的浇铸量；

m_i,j为连铸机i上分配的浇次计划j的断面；

s_i,j为连铸机i上分配的浇次计划j的拉速；

ρ为钢液密度；

Q_iron为计划期预计进铁量；

为计划期初在线铁水量；

为保证连浇生产的在线基准金属量；

为计划期初遗留铁水量；

为计划期连铸机上i浇次计划j中炉次计划k的预计浇铸温度；

为计划期内连铸机i上浇次计划j中炉次计划k的预计进铁温度；

为异钢种同中间包连浇造成的衔接坯惩罚值，其中dg表示不同钢种；

ψ_i为连铸机i的停浇惩罚值；

为在线调宽造成的异型坯惩罚值，其中dw表示不同宽度；

为浇次计划j中炉次计划k从KR到连铸工序的物流时间，与钢种、生产路径相关；

Q_steel为生产线随机波动需求金属量；

Q_ss为计划期内加入的废钢量；

δ^p,π^p,δ^p'为遗留任务的优质品种钢比例、进铁及期初库存金属的优质铁水比例；

v_i,j,k为二进制变量，当连铸机i上待开浇次j的炉次为优质品种钢时为1，否则为0；

D_i,j为连铸机i上待开浇次j的开浇时刻；

x_i,j为二进制变量，当连铸机i上浇次计划j被选作开浇浇次时为1，否则为0；

y_i,j为二进制变量，当连铸机i上待开浇次计划j与上一浇次计划断浇时为1，否则为0；

各连铸机的浇钢量

浇钢量对应的金属损耗量

在线基准金属量

建立生产工艺、生产设备、在线金属量平衡以及生产组织约束条件；

约束条件包括：

生产工艺约束条件：每个炉次计划只能组合到一个浇次计划组合到同一浇次计划的炉次计划数量不超过中间包最大浇铸炉数/>紧邻炉次计划满足异钢种连浇约束和在线调宽的宽度调整范围约束/>

生产设备约束：每个浇次计划只能分配到一台连铸机连铸机上待开浇次的开浇时间不低于连铸机的最早可用时间/>

在线金属量平衡约束：在线金属量不低于在线基准金属量浇铸的优质品种钢所需优质铁水量不超过期初库存与计划期进铁的优质铁水量之和，浇铸优质品种钢需求的优质铁水量

生产组织约束条件：当连铸机i上待开浇次与上一浇次连浇时，待开浇次开浇时间取上一浇次的结束时刻，若待开浇次与上一浇次无法连浇时，待开浇次开浇时间不低于上一浇次结束时间加连铸机断浇间隔时间

计划期内预期进铁时间要满足待开浇次开浇时间要求t_iron+t_A≤D_i,j,i∈{1,2,…,I}；

浇次计划开浇时间处于计划期内t_s≤D_i,j≤t_e,i∈{1,2,…,I}；

其中，为连铸机i上正在执行的浇次计划的断面；

g_i,j,k为连铸机i上分配的浇次计划j中炉次计划k的钢种；

W_i,j,k为连铸机i上分配的浇次计划j中炉次计划k的浇铸宽度；

为连铸机i上正在执行的浇次计划的浇铸宽度；

ΔW^max为连连浇生产时，浇铸宽度最大调整范围；

Δg^max为连连浇生产时，相邻炉次最大钢种差异；

为中间包最大连浇炉数；

为连铸机i的最早可用时间，当前任务结束时间+最小间隔时间；

为连铸机i上正在执行的浇次计划的拉速；

为连铸机i上正在执行的浇次计划的钢种；

t_iron为计划期预计进铁时间；

为二进制变量，当连铸机i上待开浇次j和当前执行浇次的钢种符合异钢种同中间包连浇条件时为1，否则为0；

为连铸机停浇之后的最小间隔时间；

η_i,j,k为二进制变量，当连铸机上浇次计划的炉次计划排序第一时为1，否则为0；

为二进制变量，当连铸机上浇次计划的炉次计划排序最后时为1，否则为0；

x_j,k为二进制变量，当炉次计划k被分配到浇次计划j时为1，否则为0；

为二进制变量，当浇次计划j中炉次计划k紧邻炉次计划k'后面浇铸时为1，否则为0；

为二进制变量，当连铸机i上待开浇次计划j与上一浇次计划j'断浇时为1，否则为0；

构建浇次计划排程及开浇时间动态决策的多目标模型；

求解该模型，得到对应的浇次计划排程及开浇时间决策结果；

求解多目标模型的步骤为：

根据计划期初在线金属资源量获得可开浇浇次计划数量，根据计划期初连铸机状态获取可开浇连铸机数量；

将可开浇浇次计划数量与可开浇连铸机数量进行比较，若可开浇连铸机数量≥可开浇浇次计划数量，选择可开浇浇次计划数量的连铸机开浇，否则全部可开浇连铸机都可以开浇，循环进行每台连铸机开浇决策；

根据浇次计划排程规则及开浇时间决策规则生成初始码串，若存在连连浇计划，则相邻浇次计划排序满足生产工艺约束条件；

产生当前码串的候选码串集：根据生产工艺约束和生产组织约束条件进行解码，获取浇次计划排程及开浇时间决策结果，根据决策结果的目标函数值比较码串的优劣并选择最优码串生成新的候选码串集；

循环执行上一步骤直至满足终止规则，解码当前最优码串，保存并输出对应的浇次计划排程及开浇时间决策结果；

根据该决策结果对钢厂生产进行调控，并根据生产组织情况进行适应性调整。

2.根据权利要求1所述的连铸机浇次计划排程及开浇时间动态决策方法，在连铸生产计划期内，当生产环境发生变化时，重新求解目标函数，根据实际进铁量和在线金属量进行开浇时间适应性调整。

3.根据权利要求1所述的连铸机浇次计划排程及开浇时间动态决策方法，其特征在于，

每台连铸机上的浇次计划数据包括每个浇次计划包含的炉次计划、每个炉次计划的钢种、浇铸宽度、浇铸量、拉速；

读取计划期初在线金属数据包括：计划期初在线铁水量保证连浇生产的在线基准金属量/>生产线随机波动需求金属量Q_steel；

读取计划期内预计进铁量数据包括计划期预计进铁量Q_iron、计划期预计进铁时间T_iron；

读取计划期初每台连铸机正在生产的浇次计划数据包括每台连铸机正在浇铸的断面钢种/>

4.一种连铸机浇次计划排程及开浇时间动态决策系统，其特征在于，包括控制器、存储器和数据采集器，所述数据采集器、存储器分别与所述控制器连接，所述数据采集器采集炼钢生产系统信息并发送至控制器，所述存储器存放至少一可执行指令，所述可执行指令使所述控制器根据所述数据采集器采集炼钢生产系统信息执行如权利要求1-3任一项所述连铸机浇次计划排程及开浇时间动态决策方法对应的操作。