[发明专利]一种炼钢车间钢水加工节奏的控制方法

权利要求书

1.一种炼钢车间钢水加工节奏的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：获取生产过程原始工艺数据，包括：浇次信息、炉次信息、机器信息、工序信息；

步骤2：根据炼钢车间生产工艺和约束，建立炼钢车间钢水加工节奏的描述方式，以数学模型的形式描述工艺特征与钢水加工节奏的联系，具体如下：

步骤2.1：将生产数据和工艺参数映射为数学模型参数，包括：生产周期，记为T^span；待生产炉次，记为P；所有生产工序，记为Q＝{1，2，3，4，5}，其中1表示炼钢，2表示RH精炼，3表示LF精炼，4表示CAS精炼，5表示连铸；每个工序s包含的机器数目用表示，s∈Q；用P表示炉次集合，P＝{1，2，Λ，N}；炉次序号为i，i∈P；炉次i在个工序中的个机器上生产，用Q_i表示炉次i的工序集合，

步骤2.2：选取控制炼钢车间钢水加工节奏控制方案的数学模型决策变量，包括：

X_is：炉次i在工序s的开始时间，i∈P，对于炉次不经过的精炼工序，X_is等于上一工序的完成时间

步骤2.3：设定生产指标为钢水热能损失量最小，即在数学模型中将其映射为最小化炉次总等待时间，表示如下：

F=minΣi=1NΣl=1NiS-1(Xisil+1-Xisil-tisil-Σm=1NsilMΣn=1Nsil+1MWisilmsil+1nTsil,m,sil+1,n-TSsil+1-TRsil)]]>

其中，s_il表示炉次i经过的第l个工序，t_is表示炉次i在工序s上的处理时间，i∈P，s∈Q，对于炉次i没有经过的精炼工序，t_is＝0；T_{s1，m1，s2，m2}表示s1工序中第m1台机器到s2工序中第m2台机器之间的运输时间；s1，s2∈Q，表示炉次在工序s的机器上的setup时间，特别地，连铸阶段炉次的setup时间是指炉次在回转台上测温等操作的时间，区别于两个浇次之间的调整时间，表示工序s上炉次在机器上的remove时间，特别地，连铸机上炉次的remove时间为0，s∈{1，2，3，4，5}；

步骤2.4：确定数学模型约束条件，包括：

(1)一个炉次在其经过工序上必须且仅能被一台机器处理：

Σm=1NsMYism=1]]>s∈Q_i，i∈P

(2)一个工序上一个炉次后面至多有一个炉次与它相邻：

Σm=1NsMΣj∈PZijsm≤1]]>s∈Q_i，i∈P

(3)类似地，一个工序上一个炉次前面至多有一个炉次与它相邻：

Σm=1NsMΣj∈PZijsm≤1]]>s∈Q_j，j∈P

(4)同理对于同一炉次经过的前后工序的机器有：

Σs∈QΣm=1NsMWismqn≤1]]>q∈Q_i，n=1,2,Λ,NqM,]]>i∈P

Σq∈QΣn=1NqMWismqn≤1]]>s∈Q_i，m=1,2,Λ,NsM,]]>i∈P

(5)在同一工序中的同一机器上处理的相邻炉次，要等前一炉次处理结束，才能开始下一炉次，对于转炉，前一炉次处理完后，要等转炉倒渣结束后才可以处理下一个炉次：

Zij1m(Xj1-T1S-Xi1-ti1-T1R-T1CL)≥0,]]>m=1,2,L,N1M,]]>i，j∈P

其中，表示转炉的倒渣时间；

(6)对于其他工序：

Zijsm(Xjs-TsS-Xis-tis-TsR)≥0,]]>

s∈Q/{1}，m=1,2,Λ,NsM,]]>i，j∈P

(7)同一炉次的相邻工序要等前一工序处理结束才能开始下一工序：

Xisil+tisi,l+1+TRsi,l+Σm=1NsilMΣn=1Nsil+1MWisilmsil+1nTsil,m,sil+1,n≤Xisi,l+1-TSsi,l+1,]]>

i∈P，l=1,2,Λ,NiS-1]]>

(8)连铸机上同一浇次内炉次必须连浇批处理：

Xpmak,5+tpmak,5+T5R=Xpma,k+1,5-T5S,]]>

m=1,2,L,N5M,]]>a=1,2,Λ,NmC,]]>k＝1，2，Λ，|P_ma|-1

其中，P_ma表示第m台连铸机上的第a个浇次的炉次集合，|P_ma|表示集合P_ma里面元素个数，下同；

(9)同一连铸机上相邻浇次之间必须满足一定的时间间隔用于浇次调整：

Xpma|Pma|,5+tpma|Pma|,5+T5R+TC≤Xpm,a+1,1,5-T5S,]]>

m=1,2,L,N5M,]]>a=1,2,Λ,NmC-1]]>

(10)每台机器的上的任务的处理时间跨度范围不能超过生产周期：

Σi∈PZi0sm(Xis+tis+TsR)-Σj∈PZ0jsm(Xjs+TsS)≤Tspan,]]>

s∈Q，m=1,2,Λ,NsM]]>

(11)炼钢到精炼之间，炉次的等待时间不能超过上限：

Xisi2-Tsi2S-Σm=1NsilMΣn=1Nsi2MWisilmsi2nTsil,m,si2,n-T1R-ti1-Xi1≤F1max,i∈P]]>

其中，表示炼钢到精炼之间，炉次等待时间上限，对于双重精炼是指转炉到第一重精炼之间的等待时间上限，炉次等待时间如果超过这个上限，钢水将无法精炼；

(12)精炼到连铸之间，炉次的等待时间不能超过上限：

Xi5-T5S-Σm=1NsifMΣn=1Nsi5MWisifmsi5nTsif,m,si5,n-TsifR-ti,sif-Xisif≤F2max]]>

是炉次连铸前的精炼工序序号，i∈P

其中，表示精炼到连铸之间，炉次等待时间上限，对于双重精炼，是指第二重精炼到连铸之间的等待时间上限，炉次等待时间如果超过这个上限，钢水温度将达不到连铸需要最低温度，炉次需要返回精炼重新升温；

(13)对于双重精炼的炉次，炉次在精炼工序之间等待时间不能超过上限：

Xisi3-Tsi3S-Tsi2R-Σm=1Nsi2MΣn=1Nsi3MWisi2msi3nTsi2,m,si3,n-tisi2-Xisi2≤F3max]]>

i∈P且炉次i的精炼方式为RH+LF或LF+RH

其中，表示双重精炼之间，炉次等待时间上限，炉次等待时间如果超过这个上限，钢水将无法进行第二重精炼；

步骤3：以基本工艺约束为依据，制定炼钢车间钢水加工节奏的控制方案；

步骤3.1：设置所有连铸机上第一个浇次的开始浇铸时间为一个相等的定值，计算出各炉次的开始浇铸时间；

步骤3.2：对所有连铸机上的所有炉次的开始浇铸时间进行排序，得出初始炉次排列，从而制定出初始的炼钢车间钢水加工节奏控制方案，并记录炉次在各工序的开始加工时间；

记炉次排列为π＝{Y_ism，W_ismqn，Z_ijsm}，表示在数学模型中所有炉次的决策变量值除X_is外都已确定，定义初始炉次排列π⁰，将所有连铸机上的所有炉次按照其开始浇铸时间从小到大排序然后依次将炉次分配到炉次需要经过的精炼工序以及炼钢工序的最早可利用的机器上，最早可利用机器是指同一工序的并行机中，机器上已分配炉次处理时间之和最小的机器，此时得到炉次的初始排列π⁰后，求解线性规划问题f(π⁰)，就得到初始的钢水加工节奏控制方案；

步骤3.3：以步骤3.2制定的初始的炼钢车间钢水加工节奏控制方案为基础，利用步骤2中所建立的描述方式，采用禁忌搜索与线性规划混合算法，优化初始的控制方案，达到钢水的热能损失最小的生产目标。

2.根据权利要求1所述的炼钢车间钢水加工节奏的控制方法，其特征在于：步骤3.3中所述的禁忌搜索与线性规划混合算法，可以采用插入邻域与线性规划混合算法、限制邻域与线性规划混合算法或者基于交换移动的kick和限制邻域混合与线性规划混合算法，所述插入邻域与线性规划混合算法，按如下步骤进行：

第1步：初始化各参数，包括算法最大运行代数MaxIter、禁忌表长度TabuListLen，禁忌表T＝φ，历史最优目标值hisBestObj＝∞，历史最优排列π^HBST＝φ，当前排列π＝φ，当前迭代次数iter＝0，浇次、炉次信息以及机器之间的运输时间等；

第2步：判定各连铸机上的浇次是否超出连铸机的日可生产能力，连铸机的日可生产能力按连铸机的日可生产时间计算，如果连铸机上的浇次的总生产时间(即总处理时间加上浇次之间的必要调整时间)大于连铸机日可生产时间，则铸机上的浇次分配不合理，需要调整连铸批量计划(炉次计划与浇次计划)，算法终止，否则，进行第3步；

第3步：构造初始排列π⁰，求解线性规划f(π⁰)，π＝π⁰，π^HBST＝π⁰，π^HBST＝π^bst，hisBestObj＝f(π⁰)，记录炉次处理时刻表；

第4步：根据插入邻域策略求出的邻域N^ins(π)，在N^ins(π)中进行邻域搜索，找到邻域最优移动v^bst及其对应排列π^bst，π＝π^bst；

如果f(π^bst)＜hisBestObj，则hisBestObj＝f(π^bst)，π^HBST＝π^bst，记录对应的炉次各工序处理时刻表，然后将v^bst信息加入禁忌表，更新禁忌表；否则，直接将v^bst信息加入禁忌表，更新禁忌表，将v^bst相关信息加入到禁忌表中第一个元素中，禁忌表最后一个元素移出禁忌表；

第5步：iter＝iter+1，如果iter＝MaxIter，则停止，否则转第4步；

所述限制邻域与线性规划混合算法，具体步骤与插入邻域与线性规划混合算法相近，只是第4步是根据限制邻域策略求邻域，并进行邻域搜索，找到优移动v^bst及其对应排列π^bst，π＝π^bst；

所述基于交换移动的kick和限制邻域混合与线性规划混合算法，具体按如下步骤进行：

第1步：初始化各参数，包括算法最大运行代数MaxIter、禁忌表长度TabuListLen、限制邻域规模大小L，连续未改进代数invalidIter＝0，最大容忍未改进代数KickIter，禁忌表T＝φ，历史最优目标值hisBestObj＝∞，历史最优排列πH^BST＝φ，当前排列π＝φ，当前迭代次数iter＝0，以及浇次信息，炉次信息以及机器之间的运输时间等；

第2步：判定各连铸机上的浇次是否超出连铸机的日可生产能力，连铸机的日可生产能力按连铸机的日可生产时间计算，如果连铸机上的浇次的总生产时间(即总处理时间加上浇次之间的必要调整时间)大于连铸机日可生产时间，则铸机上的浇次分配不合理，需要调整连铸批量计划(炉次计划与浇次计划)，算法终止，否则，进行第3步；

第3步：构造初始排列π⁰，求解线性规划f(π⁰)，π＝π⁰，π^HBST＝π⁰，hisBestObj＝f(π⁰)，记录炉次处理时刻表；

第4步：判断是否invalidIter＞KickIter，如果是，则随机选取一个工序(LD、RH、LF、或CAS)上随机两台机器(可能相同)上的两个炉次交换位置，得到新排列π^kick，π＝π^kick，若f(π^kick)＜hisBestObj，则π^HBST＝π^kick，hisBestObj＝f(π^bst)，记录炉次处理时刻表；

第5步：根据基于交换移动的kick和限制邻域混合策略求出邻域N_L^ins(π)，在N_L^ins(π)进行邻域搜索，找到邻域最优移动v^bst及其对应排列π^bst，π＝π^bst，如果f(π^bst)＜hisBestObj，则hisBestObj＝f(π^bst)，π^HBST＝π^bst，记录对应的炉次各工序处理时刻表；

第6步：更新禁忌表，将v^bst相关信息加入禁忌表中第一个元素中，禁忌表最后一个元素移出禁忌表；

第7步：iter＝iter+1，invalidIter＝invalidIter+1，如果iter≤MaxIter，则转至第4步，否则，停止。