JP4959125B2 - 処理計画作成装置、操業制御装置、処理計画作成方法、操業制御方法、コンピュータプログラム及び記録媒体 - Google Patents

処理計画作成装置、操業制御装置、処理計画作成方法、操業制御方法、コンピュータプログラム及び記録媒体 Download PDF

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Description

本発明は処理計画作成装置、操業制御装置、処理計画作成方法、操業制御方法、コンピュータプログラム及び記録媒体に関し、特に、異なる複数工程経路で複数製品を処理する製造プロセスに用いて好適な技術に関する。
従来、鉄鋼を始めとする多くの産業における製造プロセスでは、複数製品を異なる複数の工程で処理して製造している。例えば、製鉄所において行われる転炉から連続鋳造までの工程では、複数の稼働炉から出鋼された溶鋼が複数の連続鋳造設備（以下、ＣＣとする）に運ばれて、それぞれにおいて連鋳の処理が行われる。
このようなＣＣでの生産計画を立てる際には、ＣＣの操業上の制約や、製鋼物流工程に起因する制約などを考慮に入れる必要がある。すなわち、製鋼工場では、転炉の出鋼は溶鋼鍋１杯(チャージと言う)を単位として行われ、ＣＣでは同種類のチャージをひとかたまり(例えば８個)としたキャストを単位として鋳造を行う。
ＣＣでの生産計画、つまりキャストを編成する場合には、異鋼種を連続して鋳造することによる継ぎ目の品質劣化を最小にしつつ、生産性向上の観点から設備が耐えうる範囲でなるべく多くのチャージを連続して鋳込むことが要求される。
また、連続鋳造の性質上、ＣＣ内には溶鋼が常に存在している必要がある。具体的には、出鋼された溶鋼を流し込むために、ＣＣの入口に設けられたバッファ的役割を持つタンディッシュと呼ばれる容器に、溶鋼が常に途切れないように転炉から運ばれてくる必要がある。
また、ＣＣ内での鋳込み速度はある範囲内で変えることができるが、製品の品質上の問題からその変えられる処理速度の範囲は狭い。さらに、チャージ毎に通過ルートや各工程での処理時間が異なることも考慮に入れる必要がある。
このような様々な制約の下で、１つの転炉から１つのＣＣに対して出鋼するのであれば、与えられたキャストの編成順に各チャージをＣＣに単純に運んでいけばよい。ところが、上述したような製鋼工場のように、稼働中の転炉やＣＣが複数あるような操業条件では、全体の生産効率を向上させるためにも、どのチャージをどういう順番でどのＣＣに対していつ出鋼するかという、ＣＣの操業計画にマッチした転炉での出鋼計画をきちんと立てる必要がある。
さらに複雑な製造プロセスになると、各工程における処理方法や処理を行う装置の選択に自由度があり、その選択によって処理時間や通過工程数、考慮すべき物流制約が変化する場合が考えられる。例えば、同じく製鉄所において行われる転炉から連続鋳造までの工程では、各転炉における吹錬と呼ばれる処理の方法には通常吹錬とORP吹錬の２種類があり、この処理方法が指定されているチャージやそうでないものがある。上記通常吹錬は、転炉において脱炭処理を行う従来通りの吹錬方法である。
それに対して、ORP吹錬は転炉において脱燐処理をまず行い、排滓後一旦溶鋼湯を転炉から台車上の鍋に出し(出湯と呼ぶ)、再度転炉に注ぎ脱炭処理を行う吹錬であり、従来は、別設備で行っていた脱燐処理を転炉に集約することにより、コストの削減を狙うものである。しかしながら、このORP吹錬は転炉での処理時間は通常吹錬よりも長いため、必要以上にORP吹錬を実施すると転炉からの出鋼杯数が減り生産性が低下する恐れがある。
また、これら脱炭処理及び脱燐処理を行う炉は、操業上予め決められているチャージとそうでないものがある。吹錬方法や出鋼する炉が指定されている場合は、その指定を厳守して生産計画を立てる必要があるが、そうでない場合は、何らかの評価指標に従ってそれらを決定する必要がある。
一般に、製品を製造する際に使用する設備の選択には自由度があり、その選択した設備によって処理時間や通過すべき工程数や物流制約が変化するような、異なる複数工程経路で複数製品を処理する製造プロセスでは、プロセス内における処理計画作成あるいは操業制御の自動化が望まれる。従来、この自動化のための技術として様々な手法によるシミュレータ等が提案されている。
特開２０００−１７２７４５号公報
しかしながら、上記特許文献１の「物流計画作成装置」にて開示されているように、線形計画法、数理計画法などのように、最適性が保証される手法に基づいてスケジュールを作成する手法の場合には、（１）処理計画を作成する規模が大きくなると、組合せの数が膨大となり実用的な時間内に解くことが困難になってしまう問題点があった。また、（２）数式で記述できない制約や条件に起因する誤差が生じるため、得られた処理計画が実行可能であるかどうかは保証されていなかった。
このため、上記操業例のように、上工程(転炉)から下工程(ＣＣ)とから成る操業において、下工程の方に制約が多くあり、ある工程において処理方法や使用する設備の選択に自由度があり、その制約を守りつつその自由度を有効に用いて上工程での処理計画あるいは操業制御を実行するのに適した手法は特に提案されていなかった。また、従来からよく使われているシミュレーションにより立案する手法では、実行可能なスケジュールが作成できるがその最適性は考慮されていないという問題があった。さらに、シミュレーションを満足のいく結果が得られるまで繰り返す従来の手法によって最適化を行うと、立案時間が長くなってしまうという問題もあった。
本発明は上述の問題点にかんがみ、製品を製造する際に使用する設備の選択に自由度があり、その選択した処理方法や設備によって処理時間や通過すべき工程数や物流制約が変化するような、異なる複数工程経路で複数製品を処理する製造プロセスにおいて、処理方法や処理設備の選択、当該処理の順序と処理時刻など立案すべき事項を同時に考慮した上で最適かつ実行可能な処理計画を高速に立案できるようにすることを目的とする。
本発明の処理計画作成装置は、異なる複数工程経路で複数製品を製造する処理プロセスにおける処理計画を作成するための処理計画作成装置において、
上記処理プロセスの処理フローや処理制約を離散事象モデルで表し、物流状態を変化させる離散事象が発生したときの処理状態及び処理制約を検出する離散事象系シミュレータと、
上記処理計画の立案開始日時から予め設定された対象期間（指示算出期間）分を対象として、上記処理プロセスの上記指示算出期間に於ける処理状態と処理制約とのみから得られる線形式を論理演算子で結合した論理式物流モデルを保持する論理式物流モデル保持装置と、
上記論理式物流モデルが内包する各線形物流モデルのうち、上記処理制約を満足する論理式物流モデルが内包する線形物流モデルのみを選択して保持する線形物流モデル保持装置と、
上記線形物流モデルを評価するための評価関数を設定する評価関数設定装置と、
上記線形物流モデルと、上記評価関数とを用いて最適化計算処理を行って上記離散事象系シミュレータに対する処理指示を算出する最適化計算装置とを有し、
上記最適化計算装置により現時点から予め設定した期間（上記指示算出期間）分について処理指示を算出して上記離散事象系シミュレータに与えてシミュレーションを実行して、予め設定した期間（計画確定期間）分だけ処理計画を確定し、上記確定した期間の直後の日時を新たな立案開始日時として設定して処理計画を立案するという処理を繰り返すことにより得られた一連のシミュレーション結果を上記処理プロセスにおける処理計画として決定することを特徴としている。
本発明の操業制御装置は、異なる複数工程経路で複数製品を製造する処理プロセスにおける操業指示を作成するための操業制御装置であって、
上記処理プロセスの処理フローや処理制約を離散事象モデルで表し、物流状態を変化させる離散事象が発生したときの処理状態及び処理制約を検出する離散事象系シミュレータと、
上記処理計画の立案開始日時から予め設定された対象期間（指示算出期間）分を対象として、上記処理プロセスの上記指示算出期間に於ける処理状態と処理制約とのみから得られる線形式を論理演算子で結合した論理式物流モデルを保持する論理式物流モデル保持装置と、
上記論理式物流モデルが内包する各線形物流モデルのうち、上記処理制約を満足する論理式物流モデルが内包する線形物流モデルのみを選択して保持する線形物流モデル保持装置と、
上記線形物流モデルを評価するための評価関数を設定する評価関数設定装置と、
上記線形物流モデルと、上記評価関数とを用いて最適化計算処理を行って上記離散事象系シミュレータに対する処理指示を算出する最適化計算装置とを有し、
上記最適化計算装置により現時点から予め設定した期間（上記指示算出期間）分について処理指示を算出して上記離散事象系シミュレータに与えてシミュレーションを実行して、予め設定した期間（計画確定期間）分だけ処理計画を確定し、上記確定した期間の直後の日時を新たな立案開始日時として設定して処理計画を立案するという処理を繰り返すことにより得られた一連のシミュレーション結果を上記処理プロセスにおける操業指示として決定することを特徴としている。
本発明の処理計画作成方法は、異なる複数工程経路で複数製品を製造する処理プロセスにおける処理計画を作成するための処理計画作成方法において、
上記処理プロセスの処理フローや処理制約を離散事象モデルで表し、物流状態を変化させる離散事象が発生したときの処理状態及び処理制約を検出する離散事象系シミュレータと、
上記処理計画の立案開始日時から予め設定された対象期間（指示算出期間）分を対象として、上記処理プロセスの上記指示算出期間に於ける処理状態と処理制約とのみから得られる線形式を論理演算子で結合した論理式物流モデルを保持する論理式物流モデル保持装置と、
上記論理式物流モデルが内包する各線形物流モデルのうち、上記処理制約を満足する論理式物流モデルが内包する線形物流モデルのみを選択して保持する線形物流モデル保持装置と、
上記線形物流モデルを評価するための評価関数を設定する評価関数設定装置と、
上記線形物流モデルと、上記評価関数とを用いて最適化計算処理を行って上記離散事象系シミュレータに対する処理指示を算出する最適化計算装置とを用いて、
上記最適化計算装置により現時点から予め設定した期間（上記指示算出期間）分について処理指示を算出して上記離散事象系シミュレータに与えてシミュレーションを実行して、予め設定した期間（計画確定期間）分だけ処理計画を確定し、上記確定した期間の直後の日時を新たな立案開始日時として設定して処理計画を立案するという処理を繰り返すことにより得られた一連のシミュレーション結果を上記処理プロセスにおける処理計画として決定することを特徴としている。
本発明の操業制御方法は、異なる複数工程経路で複数製品を製造する処理プロセスにおける操業指示を作成するための操業制御方法であって、
上記処理プロセスの処理フローや処理制約を離散事象モデルで表し、物流状態を変化させる離散事象が発生したときの処理状態及び処理制約を検出する離散事象系シミュレータと、
上記処理計画の立案開始日時から予め設定された対象期間（指示算出期間）分を対象として、上記処理プロセスの上記指示算出期間に於ける処理状態と処理制約とのみから得られる線形式を論理演算子で結合した論理式物流モデルを保持する論理式物流モデル保持装置と、
上記論理式物流モデルが内包する各線形物流モデルのうち、上記処理制約を満足する論理式物流モデルが内包する線形物流モデルのみを選択して保持する線形物流モデル保持装置と、
上記線形物流モデルを評価するための評価関数を設定する評価関数設定装置と、
上記線形物流モデルと、上記評価関数とを用いて最適化計算処理を行って上記離散事象系シミュレータに対する処理指示を算出する最適化計算装置とを用いて、
上記最適化計算装置により現時点から予め設定した期間（上記指示算出期間）分について処理指示を算出して上記離散事象系シミュレータに与えてシミュレーションを実行して、予め設定した期間（計画確定期間）分だけ処理計画を確定し、上記確定した期間の直後の日時を新たな立案開始日時として設定して処理計画を立案するという処理を繰り返すことにより得られた一連のシミュレーション結果を上記処理プロセスにおける操業指示として決定することを特徴としている。
本発明のコンピュータプログラムは、異なる複数工程経路で複数製品を製造する処理プロセスにおける処理計画を作成するための処理計画作成方法をコンピュータに実行させるプログラムにおいて、
上記処理プロセスの処理フローや処理制約を離散事象モデルで表し、物流状態を変化させる離散事象が発生したときの処理状態及び処理制約を検出する離散事象系シミュレータと、
上記処理計画の立案開始日時から予め設定された対象期間（指示算出期間）分を対象として、上記処理プロセスの上記指示算出期間に於ける処理状態と処理制約とのみから得られる線形式を論理演算子で結合した論理式物流モデルを保持する論理式物流モデル保持装置と、
上記論理式物流モデルが内包する各線形物流モデルのうち、上記処理制約を満足する論理式物流モデルが内包する線形物流モデルのみを選択して保持する線形物流モデル保持装置と、
上記線形物流モデルを評価するための評価関数を設定する評価関数設定装置と、
上記線形物流モデルと、上記評価関数とを用いて最適化計算処理を行って上記離散事象系シミュレータに対する処理指示を算出する最適化計算装置とを用いて、
上記最適化計算装置により現時点から予め設定した期間（上記指示算出期間）分について処理指示を算出して上記離散事象系シミュレータに与えてシミュレーションを実行して、予め設定した期間（計画確定期間）分だけ処理計画を確定し、上記確定した期間の直後の日時を新たな立案開始日時として設定して処理計画を立案するという処理を繰り返すことにより得られた一連のシミュレーション結果を上記処理プロセスにおける処理計画として決定する処理をコンピュータに実行させることを特徴としている。
また、本発明のコンピュータプログラムの他の特徴とするところは、異なる複数工程経路で複数製品を製造する処理プロセスにおける操業指示を作成するための操業制御方法をコンピュータに実行させるプログラムであって、
上記処理プロセスの処理フローや処理制約を離散事象モデルで表し、物流状態を変化させる離散事象が発生したときの処理状態及び処理制約を検出する離散事象系シミュレータと、
上記処理計画の立案開始日時から予め設定された対象期間（指示算出期間）分を対象として、上記処理プロセスの上記指示算出期間に於ける処理状態と処理制約とのみから得られる線形式を論理演算子で結合した論理式物流モデルを保持する論理式物流モデル保持装置と、
上記論理式物流モデルが内包する各線形物流モデルのうち、上記処理制約を満足する論理式物流モデルが内包する線形物流モデルのみを選択して保持する線形物流モデル保持装置と、
上記線形物流モデルを評価するための評価関数を設定する評価関数設定装置と、
上記線形物流モデルと、上記評価関数とを用いて最適化計算処理を行って上記離散事象系シミュレータに対する処理指示を算出する最適化計算装置とを用いて、
上記最適化計算装置により現時点から予め設定した期間（上記指示算出期間）分について処理指示を算出して上記離散事象系シミュレータに与えてシミュレーションを実行して、予め設定した期間（計画確定期間）分だけ処理計画を確定し、上記確定した期間の直後の日時を新たな立案開始日時として設定して処理計画を立案するという処理を繰り返すことにより得られた一連のシミュレーション結果を上記処理プロセスにおける操業指示として決定する処理をコンピュータに実行させることを特徴としている。
本発明の記録媒体は、上記に記載のコンピュータプログラムを記録したことを特徴としている。
本発明によれば、処理方法や使用する設備の選択に自由度があり、その選択した処理方法や設備によって処理時間や通過すべき工程数や物流制約が変化するような、異なる複数工程経路で複数製品を処理する製造プロセスにおいて、新たな事象が発生した場合には上記数式モデルとしての論理式モデルを新たに構築するとともに、上記構築した論理式モデルを解析して実行不可能な論理式モデルを検出して削除し、実行可能な論理式モデルを構築した上で最適化を行うようにしたので、異なる複数工程経路で複数製品を製造する処理プロセスにおける実行可能な処理計画を高速に最適化することができる。
また、本発明の他の特徴によれば、与えられた工程での操業制約の下で、各工程の操業計画にマッチした工程の操業計画あるいは操業制御を高速に最適化することができる。
（第１の実施の形態）
以下、本発明の一実施の形態を図面を用いて説明する。
本実施の形態の「製造プロセスにおける処理計画作成装置」（以下、単に「処理計画作成装置」とする）では、従来例として述べたような転炉からＣＣまでの操業プロセスにおいて、与えられたキャスト編成結果(鋳込み順)と製鋼物流制約の下で、ＣＣ操業計画にマッチした転炉操業計画の最適化問題を扱うものとする。ただし、これはあくまで一例であり、本実施の形態の処理計画作成装置は、ある工程での処理方法や使用する設備の選択に自由度があり、その選択した処理方法や設備によって処理時間や通過すべき工程数や物流制約が変化するような製造プロセスにおいて、各工程に課せられた多くの制約を守りつつ各工程での操業計画を作成する際には適用することが可能であり、また特に有効である。
ここでの操業計画では、第１にＣＣにおける鋳込み速度をできるだけ速くして、製鋼工場のスループット(一時間当たりの生産量)を最大にすることを目標とする。第２に転炉における吹錬方法をできるだけORP処理にする(ORP率の最大化)ことを目的とする。第３に途中工程における溶鋼滞留時間を最小にすることを目的とする。
ここで、第２の目的は、上述の通り転炉ORP処理は通常吹錬よりも処理時間が長いために、転炉ORPを実施するチャージ数が多くなる程転炉の生産性は落ちる。よって、製鋼工場のスループットが低下するため、この意味で第２の目的は第１及び第３の目的と相反することとなるため、両者のバランスを取る必要がある。
なお、転炉より出鋼された溶鋼(チャージ)がクレーンまたは台車によってＣＣまで運ばれてくるのには時間がかかる。その際、製品の種類によっては、転炉からＣＣまでの途中過程で、成分調整を行うための２次精錬の処理が施される場合もある。また、ＣＣ内での各チャージの処理時間が各チャージ毎に異なることもある。
その一方で、上述したように、ＣＣの入口にあるタンディッシュの中身が完全に途切れる前に次のチャージを流し込む必要がある。よって、転炉の操業計画を作成する際には、各チャージ毎に処理時間が異なること、及び各チャージの連続化や滞留時間の最小化の必要性等を考慮して、転炉での出鋼順だけでなく出鋼時刻まで正確に決定する必要がある。
図１は、本実施の形態による処理計画作成装置の概略的構成を示すブロック図であり、図２は、本実施の形態による処理計画作成装置によって行われる処理の概要を説明するための図である。図３は、生産計画システム内での本実施の形態による処理計画作成装置の位置づけを示す図である。
最初に、図３を用いて本実施の形態による処理計画作成装置の位置づけを説明する。
図３に示すように、日別操業計画を作成する際には、まず、キャスト編成・鋳込み順作成部３１で、あらかじめ設定された週間スケジュール３０をもとにして、各キャスト間の配置やキャスト内での各チャージの鋳込み順を決定する。さらに、転炉での吹錬方法に指定があればそれを指定する。ここでは少なくとも、どのチャージをどのＣＣで処理するかを決定する。
本実施の形態の処理計画作成部３２は、キャスト編成・鋳込み順作成部３１により作成されたキャスト編成結果(鋳込み順や指定されていれば転炉での吹錬方法)や様々な製鋼物流制約の下で、キャスト編成・鋳込み順作成部３１より与えられた鋳込み順の情報から転炉での操業計画、すなわち、転炉での出鋼順と出鋼時刻、とを求める。
この処理計画作成部３２では、以下に詳しく述べるように、物流構造(工場内の設備配置やその接続関係、設備容量、チャージの通過ルートなど)をグラフィカルにモデリングしたペトリネットによる離散事象シミュレータと、静的な計画問題の解法としてよく用いられるLP(線形計画法)と、組み合わせ最適化問題の解法として知られているCLP(制約論理プログラミング法)の従来にはない全く新たな組み合わせにより、転炉での転炉での吹錬方法、処理炉、出鋼順及び出鋼時刻の同時最適化を図る。
処理計画作成部３２で求められた転炉での操業計画(転炉での吹錬方法、処理炉、出鋼順及び出鋼時間の情報)は、ガントチャート表示部３３に与えられ、例えばガントチャートの形式で表示される。各種評価部３４では、求められた操業計画を様々な観点(例えば、残銑推移等)から評価し、満足のいく結果でなければ必要に応じてキャスト配置や各チャージの鋳込み順を修正する。そして、処理計画作成部３２でもう一度操業計画を作成し直す。
次に、上記処理計画作成部３２によって行われる処理の概要を、図２を用いて説明する。なお、この図２の例では、１号炉及び２号炉の２つの転炉から１号ＣＣ、２号ＣＣ及び３号ＣＣの３つのＣＣにチャージを出鋼する場合を例にとっている。
また、この図２の例では、図３のキャスト編成・鋳込み順作成部３１により、１号炉から１号ＣＣに「A、B、C、D、E、F」の英字で示すチャージをこの順番で出鋼するとともに、２号ＣＣに「１、２、３、４、５、６」の数字で示すチャージをこの順番で出鋼し、１号または２号炉から３号ＣＣに「O、P、Q、R、S、T」の英字で示すチャージをこの順番で出鋼することが決められている。また、チャージ「A、 B、 C、 D、 E、F、 １、 ２、 ３、 ４、 ５、６」は転炉での吹錬方法が通常吹錬と指定されているが、チャージ「O、 P、 Q、 R、 S、T」は転炉での吹錬方法が指定されていない。
処理計画作成部３２は、このようなキャスト配置の下、出鋼時刻のシミュレーションの各判断時毎に(出鋼事象が発生する毎に)将来の物流状態であるターレット上でのチャージの待ち時間やチャージ処理速度の減速量を推定した上で、全体のt/Hの最大化や鋳込み滞留時間の最小化のために設定した所定の評価関数を最良にする転炉の処理方法、使用する炉、出鋼順、出鋼時刻とを同時に決定する。このとき、将来の物流状態の推定範囲（指示算出期間）は、各ＣＣの次出鋼予定の例えば５チャージ分とする。
すなわち、例えば図２(a)のように、シミュレーション上の時刻tにおいてチャージ１の出鋼事象が発生したとする。このチャージ１は、１号炉から出鋼された後、クレーンまたは台車で運ばれ、時間ｔ１後に(この時間t１の中には２次精錬での処理時間や２号ＣＣターレット上での最短待ち時間等も含まれているものとする)２号ＣＣに到着する。そして、この２号ＣＣ内で時間ｔ２をかけて連続鋳造の処理が行われる。このようなチャージ１の出鋼事象が発生したとき、まずステップＳ１で、将来の物流状態の予測範囲（指示算出期間）として各ＣＣ毎に５チャージ分を設定する。ここでは、１号ＣＣに関してチャージ「A、 B、 C、 D、 E」、２号ＣＣに関してチャージ「２、 ３、 ４、 5、 6」、３号ＣＣに関してチャージ「O、 P、 Q、 R、 S」を予測範囲として設定する。
次に、ステップＳ２では、設定した予測範囲内の各チャージ「A、 B、 C、 D、 E」、「2、 3、 4、 5、 6」、「 O、 P、 Q、 R、 S」の物流制約に基づく論理式物流モデルを定式化する。ここで、論理式物流モデルとは、各種物流制約及び数式を論理演算子(論理和、論理積、否定)で結合したものであり、詳しくは後述する。
このようにして、ある時刻ｔで出鋼事象が発生したときに、そこから各ＣＣ毎に５チャージ分の予測範囲を設定して物流モデルを構築したら、続くステップＳ３で、その構築し論理式物流モデルと、あらかじめ設定した所定の評価関数とを用いて、予測範囲内の１５のチャージ（「A、 B、 C、 D、 E」、「２、 ３、 ４、 5、 6」、「 O、 P、 Q、 R、 S」）を対象として出鋼時刻、吹錬方法、使用する炉の最適化計算を行う。
ここでは、この最適化計算により、ステップＳ４で、チャージA→チャージ２→チャージO→チャージB→チャージ３→チャージP→チャージC→チャージ４→チャージQ→チャージD→チャージ5→チャージR→チャージE→チャージ6→チャージSの順及び時刻、及び吹錬方法が指定されていないチャージO、 P、 Q、 R、 Sについては、チャージO、 P、 SがORP吹錬、チャージQ、 Rが通常吹錬とするのが最適であるとの結果が得られたとする。
そこで、次のステップＳ５では、ペトリネットのシミュレータに上記指示算出期間内の出鋼時刻のうち、計画確定期間として、例えば各ＣＣ毎に１チャージずつチャージA、 2、 Oの出鋼時刻を出鋼指示として出す。これに応じてシミュレータは、ステップＳ６で、チャージOの出鋼時刻t＋Δtまでシミュレーションを進め、その間のシミュレーション結果を処理計画として確定する。この状態が図２(b)に示してある。このようにして再び出鋼事象が発生したので、ステップＳ7で、そのチャージOの出鋼事象発生時刻t＋Δtから各ＣＣ毎に５チャージ分を将来の物流状態の予測範囲（指示算出期間）として設定する。この新たに設定した予測範囲についても前回と同様に、物流モデルの構築及び最適化計算を行う。
次に、図２に示したような処理を行う処理計画作成部３２の概略的な構成について、図１を用いて説明する。
図１において、１０はペトリネットによる離散事象シミュレータであり、ペトリネットによるグラフィカルな物流構造モデルと、グラフィカルに表現できないルール記述とによって構成される。ここで、ルールの例としては、チャージを最も早く出鋼できる時刻の限界を示す「出鋼最早時刻」、チャージを最も遅く出鋼できる時刻の限界を示す「出鋼最遅時刻」などがある。
上述したように、ＣＣ内での各チャージの鋳込み速度はある狭い範囲内でのみ変更が許されており、かつターレット上での待ち時間にも上下限があるため、これらをすべて満たすように「出鋼最遅時刻」、「出鋼最遅時刻」が各チャージ毎に設定される。また、同一の転炉から連続して出鋼するためには少なくとも転炉での処理時間だけは間隔を確保する必要があり、異なる転炉から出鋼する場合にも転炉への溶鋼装入用クレーン能力等の制約から必要な時間間隔を確保する必要がある。そのため、同一炉に関しては例えば４５分(通常吹錬の場合)、別炉間に関しては例えば２０分(通常吹錬の場合)の間隔をおかなければ出鋼できないという条件がＴＡＰ制約として課される。
１１は論理式物流モデル構築装置であり、上記離散事象シミュレータ１０に設定されている物流制約(出鋼最早、最遅時刻及びＴＡＰ制約など)の情報と、離散事象シミュレータ１０によってシミュレーションが行われた結果として与えられる現在の物流状況(過去に鋳造を開始したものがどのチャージで、その鋳造完了最早時刻がいつかという情報など)とを組み合わせて、各ＣＣ毎に５チャージ分の将来予測範囲を設定してその範囲内の物流モデルを構築する。この物流モデルは、以下に説明するように数学モデルによる定式化によって行う。ここで、物流モデルの定式化について説明する。
図４は、物流モデルの定式化の概要を示す図である。
まず、対象製造プロセス４０を、第１のステップ４１において、処理工程を表すタスクと呼ばれる要素と、処理設備を表すリソースと呼ばれる要素に分類する。製鋼工場の場合では、各チャージ毎の装入処理、脱燐処理、脱燐鎮静処理、脱燐排滓処理、出湯処理、再装入処理、脱炭処理、脱炭鎮静処理、脱炭排滓処理、出鋼処理、２次精錬工程、ターレット上での待ち工程、ＣＣでの鋳込み工程がそれぞれタスクであり、２基の炉、２次精錬工程、ターレット、ＣＣ、スクラップクレーンがリソースとなる。チャージが通常吹錬の場合は、装入処理、脱燐処理、脱燐鎮静処理、脱燐排滓処理、出湯処理の処理時間を「０」として取り扱う。
次に、第２のステップ４２において、その分類したタスクの同士の先行関係、タスクを実行するために必要なリソースの定義を行う。同じく製鋼工場の場合では、各タスクは脱燐処理、脱炭処理、２次精錬工程、待ち工程、鋳込み工程の順に実行されなくてはならず、またキャスト単位で見れば各チャージの鋳込み処理は定められた鋳込み順序に従って実行されなくてはならない。また、装入処理はスクラップクレーンを、脱燐処理、脱炭処理は指定されていればその指定された炉を、指定されていない場合は何れかの炉を必要とし、２次精錬工程は当該処理設備を必要とし、待ち工程はターレット、鋳込み工程はＣＣを必要とする。
そのような分類の後、ステップ４３において、このタスクとリソースの関係を論理式に変換し、論理式物流モデルを構築する。この論理式は、各タスクの開始及び終了時刻を変数とおき、その変数間の線形制約式を論理和、論理積、論理否定といった論理演算子で結合したものである。この論理式物流モデルは、吹錬方法が指定されていないチャージの吹錬方法、転炉が指定されていないチャージの炉号、ＣＣ間の出鋼順序など、様々な組み合わせに関する情報と、対象工程の処理順序、TAP間隔などの物流制約に関する情報を全て内包した物流モデルとなっており、その各組み合わせ１つ１つに対して線形物流モデルをこの論理式物流モデルから生成することができる。
しかし、考えられる組み合わせの数は、対象となるチャージの数が多くなればなるほど指数関数的に多くなり、生成される数式の数も膨大な数になる。よって、本実施の形態では、制約論理プログラミングエンジン(以下、CLP(Constraint Logic Programming Method)エンジン)を用いて、上記論理式物流モデルが内包する膨大な数の組み合わせの中から、制約を違反するような実操業上実行不可能な組み合わせを削除し、実行可能な組み合わせに対してだけ線形物流モデルを生成する。このような考え方により、問題の規模を大幅に小さくすることが可能となり、求解に要する時間を著しく短縮することが可能となる。
再び図１に戻り、１３は最適化計算装置である。この最適化計算装置１３により、上記論理式物流モデル構築装置１１により論理式物流モデル１１ａが構築され、論理式物流モデル保持装置１７により保持される。また、線形物流モデル構築装置１２が生成した各線形物流モデル１２ａが線形物流モデル保持装置１５により保持される。そして、評価関数設定装置１４により設定される、後述するような評価関数１４ａで評価することにより、各線形物流モデル１２ａで表された出鋼順序及び吹錬方法、炉号選択の下での、転炉からＣＣまでの各工程の最適な処理開始・終了時刻をLPなどの線形最適化手法を用いて計算する。この計算は、上述の通りシミュレーション上でチャージの出鋼事象が発生する度に（計画確定期間毎に）行う。
この最適化計算装置１３により計算された最適な出鋼順及び出鋼時刻は、離散事象シミュレータ１０に送られる。離散事象シミュレータ１０は、最適化計算装置１３から与えられた最適化計算の結果をもとに、次の出鋼事象の時刻(最適化計算により次に出鋼すべきとされたチャージの最適な出鋼時刻)までシミュレーションの時刻を進める。そして、このようにして時刻を進めた状態で再びシミュレーションを行い、鋳造終了時刻等の現在の物流状態を算出して論理式物流モデル構築装置１１、線形物流モデル構築装置１２に供給する。以下、同様にして、離散事象シミュレータ１０、論理式物流モデル構築装置１１及び線形物流モデル構築装置１２、最適化計算装置１３の計算を出鋼事象毎（計画確定期間毎に）に繰り返し行うことにより、全体のスケジュールを作成する。
ここで、上記した論理式物流モデルの定式化について更に詳しく説明する。上述のタスクは処理開始時刻と処理終了時刻を変数として持っており、先行関係のあるタスク同士は、以下のような式によって先行関係に関する制約を表すことができる。この例では、タスクAの後にタスクBを実行する必要があるという制約を表しており、変数Sは添え字として表したタスクの処理開始時刻、変数Fは添え字として表したタスクの処理終了時刻を表す。
SB ≧ FA (１)
また、同じリソースを必要とするタスクは同時に実行できないため、そのようなリソースの容量制約は以下のような線形式と論理式の組み合わせにより表すことができる。ここではタスクCとタスクDが同じリソースを必要としていることを表している。
SC ≧ FD OR SD ≧ FC (２)
また、条件によって必要とするリソースが異なる場合は、以下のような式で制約を表すことができる。以下の例では、タスクEはリソース１かリソース２を、タスクFはリソース１を、タスクGはリソース２を必要としている例であり、変数MはタスクEのリソースの選択を表す変数で１か２の値をとる整数変数であるとする。
( M ＝ １ AND (SE ≧FF OR SF ≧ FE) )
OR
( M ＝ ２ AND (SE≧ FG OR SG ≧ FE) ) (３)
以上の式(１)、(２)、(３)のような制約表現によって、対象プロセスの複雑な物流制約などを論理式物流モデルとして表現することができる。ここで、上記した評価関数について詳しく説明する。評価関数としては、例えば次のような式(４)のようなものを考える。この評価関数は、（イ）チャージがORP吹錬であるかどうか、（ロ）ターレット上での待ち時間、（ハ）鋳込み時間の３つの指標の重み付きの和で表される
評価関数 z =Σ[ f(i)(Mj=２)w1 + g(i)w2+ h(i)w3 ] (４)
i ∈ 全てのチャージ
ただし、Mjはチャージiが通常吹錬の場合１、ORP吹錬の場合２となる変数、
f(i) = ０(Mj=１)、 １ (Mj=２)
g(i)はチャージiのターレット上での待ち時間、
h(i)はチャージiの鋳込み時間、
w1、 w2、 w3は重みパラメータ、
をそれぞれ表す。
なお、以上の実施の形態の離散事象シミュレータ１０の結果を、図１に示した実プラント１６に出力し、上記実プラント１６の操業を直接制御することにより、上記実プラント１６は、最適化計算装置１３により求められた最適な出鋼時刻に、最適な出鋼順として求められた１つのチャージを出鋼したり、鋳造を実行したりすることができる。
このように１つのチャージの出鋼が実施されると、実プラントにおける現在の物流状態が変化するので、その情報が取り出されて論理式物流モデル構築装置１１、線形物流モデル構築装置１２に供給される。論理式物流モデル構築装置１１、線形物流モデル構築装置１２は、与えられた現在の物流状態や物流制約をもとにして線形式でなる物流モデルを構築し、最適化計算装置１３に供給する。最適化計算装置１３は、与えられた物流モデル式を評価関数で評価することにより、転炉からＣＣへのチャージの最適な出鋼順及び出鋼時刻を計算する。以下、同様の処理の繰り返しにより操業制御が実行される。
また、以上の実施の形態では離散事象シミュレータ１０のモデルとしてペトリネットモデルを例に挙げたが、本発明はこれに限定されるものではなく、離散的に発生する事象毎に現在の物流状態の情報を出力できるような離散事象モデルのシミュレータであれば、どのようなものでも適用することが可能である。
なお、上述の離散事象シミュレータ１０、論理式物流モデル構築装置１１、線形物流モデル構築装置１２、最適化計算装置１３、評価関数設定装置１４は、例えば、ＣＰＵ(中央処理装置)、ＲＡＭ(ランダムアクセスメモリ)、ＲＯＭ(リードオンリメモリ)などからなるマイクロコンピュータによって構成されており、例えばパーソナルコンピュータ等の計算機によって実現することができる。
（本発明に係る他の実施の形態）
上述した本発明の実施の形態における処理計画作成装置及び操業制御装置を構成する各手段、並びに処理計画作成方法、操業制御方法の各ステップは、コンピュータのＲＡＭやＲＯＭなどに記憶されたプログラムが動作することによって実現できる。このプログラム及び上記プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は本発明に含まれる。
具体的に、上記プログラムは、例えばＣＤ−ＲＯＭのような記録媒体に記録し、或いは各種伝送媒体を介し、コンピュータに提供される。上記プログラムを記録する記録媒体としては、ＣＤ−ＲＯＭ以外に、フレキシブルディスク、ハードディスク、磁気テープ、光磁気ディスク、不揮発性メモリカード等を用いることができる。他方、上記プログラムの伝送媒体としては、プログラム情報を搬送波として伝搬させて供給するためのコンピュータネットワーク（ＬＡＮ、インターネットの等のＷＡＮ、無線通信ネットワーク等）システムにおける通信媒体（光ファイバ等の有線回線や無線回線等）を用いることができる。
また、コンピュータが供給されたプログラムを実行することにより上述した実施の形態における各機能が実現されるだけでなく、そのプログラムがコンピュータにおいて稼働しているＯＳ（オペレーティングシステム）或いは他のアプリケーションソフト等と共同して上述した実施の形態の各機能が実現される場合や、供給されたプログラムの処理の全て或いは一部がコンピュータの機能拡張ボードや機能拡張ユニットにより行われて上述した実施の形態における各機能が実現される場合も、かかるプログラムは本発明に含まれる。
本発明の一実施の形態である製造プロセスにおける処理計画作成装置の要部構成を示すブロック図である。 本実施の形態による処理計画作成装置によって行われる動作（本実施の形態による処理計画作成方法）を説明するための図である。 本実施の形態による処理計画作成装置の生産計画システム内での位置づけを示す図である。 本実施の形態による物流モデルの定式化を説明するための図である。
符号の説明
１０ 離散事象シミュレータ
１１ 論理式物流モデル構築装置
１２ 線形物流モデル構築装置
１３ 最適化計算装置
１４ 評価関数設定装置
１５ 線形物流モデル保持装置
１６ 実プラント
１７ 論理式物流モデル保持装置

Claims (13)

  1. 異なる複数工程経路で複数製品を製造する処理プロセスにおける処理計画を作成するための処理計画作成装置において、
    上記処理プロセスの処理フローや処理制約を離散事象モデルで表し、物流状態を変化させる離散事象が発生したときの処理状態及び処理制約を検出する離散事象系シミュレータと、
    上記処理計画の立案開始日時から予め設定された対象期間（指示算出期間）分を対象として、上記処理プロセスの上記指示算出期間に於ける処理状態と処理制約とのみから得られる線形式を論理演算子で結合した論理式物流モデルを保持する論理式物流モデル保持装置と、
    上記論理式物流モデルが内包する各線形物流モデルのうち、上記処理制約を満足する論理式物流モデルが内包する線形物流モデルのみを選択して保持する線形物流モデル保持装置と、
    上記線形物流モデルを評価するための評価関数を設定する評価関数設定装置と、
    上記線形物流モデルと、上記評価関数とを用いて最適化計算処理を行って上記離散事象系シミュレータに対する処理指示を算出する最適化計算装置とを有し、
    上記最適化計算装置により現時点から予め設定した期間（上記指示算出期間）分について処理指示を算出して上記離散事象系シミュレータに与えてシミュレーションを実行して、予め設定した期間（計画確定期間）分だけ処理計画を確定し、上記確定した期間の直後の日時を新たな立案開始日時として設定して処理計画を立案するという処理を繰り返すことにより得られた一連のシミュレーション結果を上記処理プロセスにおける処理計画として決定することを特徴とする処理計画作成装置。
  2. 上記線形物流モデル保持装置は、上記論理式物流モデルが持つ線形式の関係を解析し、各線形式が充足する条件を求め、その結果上記論理式物流モデルが内包する線形物流モデルから上記処理プロセスの処理制約を満たさない実行不可能な線形物流モデルを削除し、実行可能な線形物流モデルのみを構築して保持することを特徴とする請求項１に記載の処理計画作成装置。
  3. 上記評価関数は、望ましい処理方法及び装置の選択状況を表す量と、各事象の発生時刻から終了時刻までの時間差の２つの指標の重み付き和で表されることを特徴とする請求項１または２に記載の処理計画作成装置。
  4. 上記離散事象モデルは、ペトリネットモデルであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の処理計画作成装置。
  5. 異なる複数工程経路で複数製品を製造する処理プロセスにおける操業指示を作成するための操業制御装置であって、
    上記処理プロセスの処理フローや処理制約を離散事象モデルで表し、物流状態を変化させる離散事象が発生したときの処理状態及び処理制約を検出する離散事象系シミュレータと、
    上記処理計画の立案開始日時から予め設定された対象期間（指示算出期間）分を対象として、上記処理プロセスの上記指示算出期間に於ける処理状態と処理制約とのみから得られる線形式を論理演算子で結合した論理式物流モデルを保持する論理式物流モデル保持装置と、
    上記論理式物流モデルが内包する各線形物流モデルのうち、上記処理制約を満足する論理式物流モデルが内包する線形物流モデルのみを選択して保持する線形物流モデル保持装置と、
    上記線形物流モデルを評価するための評価関数を設定する評価関数設定装置と、
    上記線形物流モデルと、上記評価関数とを用いて最適化計算処理を行って上記離散事象系シミュレータに対する処理指示を算出する最適化計算装置とを有し、
    上記最適化計算装置により現時点から予め設定した期間（上記指示算出期間）分について処理指示を算出して上記離散事象系シミュレータに与えてシミュレーションを実行して、予め設定した期間（計画確定期間）分だけ処理計画を確定し、上記確定した期間の直後の日時を新たな立案開始日時として設定して処理計画を立案するという処理を繰り返すことにより得られた一連のシミュレーション結果を上記処理プロセスにおける操業指示として決定することを特徴とする操業制御装置。
  6. 異なる複数工程経路で複数製品を製造する処理プロセスにおける処理計画を作成するための処理計画作成方法において、
    上記処理プロセスの処理フローや処理制約を離散事象モデルで表し、物流状態を変化させる離散事象が発生したときの処理状態及び処理制約を検出する離散事象系シミュレータと、
    上記処理計画の立案開始日時から予め設定された対象期間（指示算出期間）分を対象として、上記処理プロセスの上記指示算出期間に於ける処理状態と処理制約とのみから得られる線形式を論理演算子で結合した論理式物流モデルを保持する論理式物流モデル保持装置と、
    上記論理式物流モデルが内包する各線形物流モデルのうち、上記処理制約を満足する論理式物流モデルが内包する線形物流モデルのみを選択して保持する線形物流モデル保持装置と、
    上記線形物流モデルを評価するための評価関数を設定する評価関数設定装置と、
    上記線形物流モデルと、上記評価関数とを用いて最適化計算処理を行って上記離散事象系シミュレータに対する処理指示を算出する最適化計算装置とを用いて、
    上記最適化計算装置により現時点から予め設定した期間（上記指示算出期間）分について処理指示を算出して上記離散事象系シミュレータに与えてシミュレーションを実行して、予め設定した期間（計画確定期間）分だけ処理計画を確定し、上記確定した期間の直後の日時を新たな立案開始日時として設定して処理計画を立案するという処理を繰り返すことにより得られた一連のシミュレーション結果を上記処理プロセスにおける処理計画として決定することを特徴とする処理計画作成方法。
  7. 上記線形物流モデル保持装置は、上記論理式物流モデルが持つ線形式の関係を解析し、各線形式が充足する条件を求め、その結果上記論理式物流モデルが内包する線形物流モデルから上記処理プロセスの処理制約を満たさない実行不可能な線形物流モデルを削除し、実行可能な線形物流モデルのみを構築して保持することを特徴とする請求項６に記載の処理計画作成方法。
  8. 上記評価関数は、望ましい処理方法及び装置の選択状況を表す量と、各事象の発生時刻から終了時刻までの時間差の２つの指標の重み付き和で表されることを特徴とする請求項６または７に記載の処理計画作成方法。
  9. 上記離散事象モデルは、ペトリネットモデルであることを特徴とする請求項６〜８の何れか１項に記載の処理計画作成方法。
  10. 異なる複数工程経路で複数製品を製造する処理プロセスにおける操業指示を作成するための操業制御方法であって、
    上記処理プロセスの処理フローや処理制約を離散事象モデルで表し、物流状態を変化させる離散事象が発生したときの処理状態及び処理制約を検出する離散事象系シミュレータと、
    上記処理計画の立案開始日時から予め設定された対象期間（指示算出期間）分を対象として、上記処理プロセスの上記指示算出期間に於ける処理状態と処理制約とのみから得られる線形式を論理演算子で結合した論理式物流モデルを保持する論理式物流モデル保持装置と、
    上記論理式物流モデルが内包する各線形物流モデルのうち、上記処理制約を満足する論理式物流モデルが内包する線形物流モデルのみを選択して保持する線形物流モデル保持装置と、
    上記線形物流モデルを評価するための評価関数を設定する評価関数設定装置と、
    上記線形物流モデルと、上記評価関数とを用いて最適化計算処理を行って上記離散事象系シミュレータに対する処理指示を算出する最適化計算装置とを用いて、
    上記最適化計算装置により現時点から予め設定した期間（上記指示算出期間）分について処理指示を算出して上記離散事象系シミュレータに与えてシミュレーションを実行して、予め設定した期間（計画確定期間）分だけ処理計画を確定し、上記確定した期間の直後の日時を新たな立案開始日時として設定して処理計画を立案するという処理を繰り返すことにより得られた一連のシミュレーション結果を上記処理プロセスにおける操業指示として決定することを特徴とする操業制御方法。
  11. 異なる複数工程経路で複数製品を製造する処理プロセスにおける処理計画を作成するための処理計画作成方法をコンピュータに実行させるプログラムにおいて、
    上記処理プロセスの処理フローや処理制約を離散事象モデルで表し、物流状態を変化させる離散事象が発生したときの処理状態及び処理制約を検出する離散事象系シミュレータと、
    上記処理計画の立案開始日時から予め設定された対象期間（指示算出期間）分を対象として、上記処理プロセスの上記指示算出期間に於ける処理状態と処理制約とのみから得られる線形式を論理演算子で結合した論理式物流モデルを保持する論理式物流モデル保持装置と、
    上記論理式物流モデルが内包する各線形物流モデルのうち、上記処理制約を満足する論理式物流モデルが内包する線形物流モデルのみを選択して保持する線形物流モデル保持装置と、
    上記線形物流モデルを評価するための評価関数を設定する評価関数設定装置と、
    上記線形物流モデルと、上記評価関数とを用いて最適化計算処理を行って上記離散事象系シミュレータに対する処理指示を算出する最適化計算装置とを用いて、
    上記最適化計算装置により現時点から予め設定した期間（上記指示算出期間）分について処理指示を算出して上記離散事象系シミュレータに与えてシミュレーションを実行して、予め設定した期間（計画確定期間）分だけ処理計画を確定し、上記確定した期間の直後の日時を新たな立案開始日時として設定して処理計画を立案するという処理を繰り返すことにより得られた一連のシミュレーション結果を上記処理プロセスにおける処理計画として決定する処理をコンピュータに実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。
  12. 異なる複数工程経路で複数製品を製造する処理プロセスにおける操業指示を作成するための操業制御方法をコンピュータに実行させるプログラムであって、
    上記処理プロセスの処理フローや処理制約を離散事象モデルで表し、物流状態を変化させる離散事象が発生したときの処理状態及び処理制約を検出する離散事象系シミュレータと、
    上記処理計画の立案開始日時から予め設定された対象期間（指示算出期間）分を対象として、上記処理プロセスの上記指示算出期間に於ける処理状態と処理制約とのみから得られる線形式を論理演算子で結合した論理式物流モデルを保持する論理式物流モデル保持装置と、
    上記論理式物流モデルが内包する各線形物流モデルのうち、上記処理制約を満足する論理式物流モデルが内包する線形物流モデルのみを選択して保持する線形物流モデル保持装置と、
    上記線形物流モデルを評価するための評価関数を設定する評価関数設定装置と、
    上記線形物流モデルと、上記評価関数とを用いて最適化計算処理を行って上記離散事象系シミュレータに対する処理指示を算出する最適化計算装置とを用いて、
    上記最適化計算装置により現時点から予め設定した期間（上記指示算出期間）分について処理指示を算出して上記離散事象系シミュレータに与えてシミュレーションを実行して、予め設定した期間（計画確定期間）分だけ処理計画を確定し、上記確定した期間の直後の日時を新たな立案開始日時として設定して処理計画を立案するという処理を繰り返すことにより得られた一連のシミュレーション結果を上記処理プロセスにおける操業指示として決定する処理をコンピュータに実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。
  13. 上記請求項１１または１２に記載のコンピュータプログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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