（管理科学与工程专业论文）成品油罐区实时调度优化模型研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 在炼油厂的生产活动中，成品油调度是一项重要内容。在成品油罐区中，各 生产设备的数量都是相对有限的，然而不同的生产活动往往会同时发生，这就要 求调度人员根据实际情况给出相应的方案来完成。生产任务的多样性和生产设备 的有限性是成品油调度工作中的主要矛盾。 本文针对当前大多数炼油厂成品油调度中存在的一些问题，围绕着如何辅助 调度人员科学、高效地完成其调度工作，首先，讨论了成品油罐区调度任务的需 求，总结了成品油罐区调度基本规则。在此基础之上，针对不同的调度任务分别 构造了混合整数规划模型，给出了四类调度模型的目标函数与约束条件。其次， 研究提出了改进的基于集总线路的可行解搜索方法，并在此基础之上设计了四类 调度模型的求解算法。再次，以某炼油厂汽油罐区为背景，在分析该汽油罐区的 岗位工艺流程的基础上，通过实例求解，对模型的效果进行了检验。最后，对在 i r s 3 和实时数据库环境下，开发成品油罐区实时调度系统的方案进行了设计，并 对潜在问题进行了分析。 本文的主要贡献与创新点有： 1 在对成品油罐区生产流程进行深入分析的基础上，系统总结了问题进行了成 品油罐区调度的基本规则； 2 研究建立了四类调度问题的成品油调度混合整数规划模型； 3 研究提出了改进的基于集总线路的可行解搜索方法和四类调度模型的求解 算法，并通过实例进行了验证； 4 设计了基于瓜s 3 的成品油罐区实时调度系统方案。 主题词：成品油，油品调度，调度基本规则，混合整数规划，集总线路 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t f a c t a m o n g t h er e f i n e r y sp r o d u c t i o na c t i v i t i e s t h es e b e d u l i n go fp r o d u c to i li so n eo f i t si m p o r t a n tc o n t e n t s i nt h ep r o d u c to i lt a n ky a r d , t h eq u a n t i t yo ft h ee q u i p m e n ti s r e l a t i v e l yl i m i t e d h o w e v e r , v a r i o u sp r o d u c t i o na c t i v i t i e sa l w a y st a k ep l a c ea tt h es a m e t i m e ，w h i c hr e q u i r e st h ep e r s o n sb e i n ge n g a g e di nt h es c h e d u l i n gw o r ko f p r o d u c to i l ，t o m a k ep r o j e c t sc o r r e s p o n d i n gt ot h ec i r c u m s t a n c e s t h em a i nc o n t r a d i c t o r yi nt h e p r o d u c to i ls c h e d u l i n gi st h ev a r i e t yo ft h ep r o d u c t i o nt a s k sa n dt h el i m i t a t i o no ft h e e q u i p m e n t a i m i n ga ts o m ep r o b l e m so f t h es c h e d u l i n gw o r ko f p r o d u c to i li nm o s tr e f i n e r ya t p r e s e n t ，s u r r o u n d i n gh o w t oa s s i s tt h ep e r s o n st os c i e n t i f i c a l l ya n de f f i c i e n t l yc o m p l e t e t h e i rs c h e d u l i n gt a s k s ，t h ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e st h em o d e l sa n ds o l v i n ga l g o r i t h m so f p r o d u c to i ls c h e d u l i n gp r o b l e m s f i r s t ，i td i s c u s s e st h er e q u i r e m e n tf o rt h es c h e d u l i n g t a s k so f t h ep r o d u c to i lt a n ky a r d , a n ds u m m a r i z e st h eb a s i cp r i n c i p l e sa b o u tt h ep r o d u c t o i lt a n ky a r ds c h e d u l i n g b a s e do nt h a ti tb u i l d st h em i l pm o d e l sa i m i n ga td i f f e r e n t s c h e d u l i n gt a s k s ，a n dp r e s e n t st h et a r g e tf u n c t i o na n dc o n s t r a i n e dc o n d i f i o no fe v e r y m o d e l s e c o n d l y ，i tp r e s e n t st h em o d i f i e df e a s i b l es o l u t i o ns e a r c h i n gm e t h o d sb a s e do n c o l l e c t i v ep a t h ，a n db a s e do nt h a td e s i g n st h es o l v i n ga l g o r i t h m so fe v e r ym o d e l t h i r d l y ，t a k i n gc e r t a i nr e f i n e r yo i lt a n ky a r df o re x a m p l e ，i ta n a l y z e si t st e c h n o l o g i c a l p r o c e s sa n dt e s t st h em o d e l s e f f i c i e n c y a tl a s t ，i td i s c u s s e st h er e a l t i m es c h e d u l i n g s y s t e md e s i g nb a s eo i li r s 3a n dp io ft h ep r o d u c to i lt a n ky a r d a n da n a l y z e st h e p o t e n t i a lp r o b l e m s t h em a i ni n n o v a t i v ep o i n t so f t h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s 1 i ta n a l y z e st h ep r o d u c to i lt a n ky a r d st e c h n o l o g i c a lp r o c e s s a n ds u m m a r i z e st h e b a s i cp r i n c i p l e sa b o u tt h ep r o d u c to i lt a n ky a r ds c h e d u l i n g 2 i tr e s e a r c h e sa n db u i l d st h em i l pm o d e l sa i m i n ga td i f f e r e n ts c h e d u l i n gt a s k s 3 i tp r e s e n t st h em o d i f i e df e a s i b l es o l u t i o ns e a r c h i n gm e t h o d sb a s e do nc o l l e c t i v e p a t h ，d e s i g n st h es o l v i n ga l g o r i t h m so fe v e r ym o d e l ，a n dt e s t st h em o d e l s e f f i c i e n c y 、玑t i la ne x a m p l e 4 i td e s i g n st h er e a l t i m es c h e d u l i n gs y s t e mb a s eo ni r s 3o f t h e p r o d u c to i l k e yw o r d s ：p r o d u c to i l ；o i ls c h e d u l i n g ；b a s i cs c h e d u l i n gp r i n c i p l e s ；m i l p ； c o l i c c t i v ep a t h 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表4 1 表4 2 表5 1 表5 2 表5 3 表5 4 表5 5 表5 6 表5 7 表5 8 表5 9 表5 1 0 表5 1 l 表5 1 2 表5 1 3 表5 1 4 表5 1 5 表5 1 6 表5 1 7 表5 1 8 表5 1 9 某成品油罐区邻接矩阵表a 某成品油罐区动态邻接矩阵表a 1 3 8 汽油岗位储油罐列表4 1 汽油岗位油泵列表4 1 汽油岗位组分油列表 汽油岗位成品汽油及其调合组分油列表4 2 汽油岗位输油线路与油泵的直接可达关系4 2 某成品油罐区付油线路与油泵之间的邻接矩阵表。4 4 某成品油罐区循环线路与油泵之间的邻接矩阵表。4 5 t a n k ( 储油罐) 类的主要属性4 6 o i l p u m p ( 油泵) 类的主要属性4 6 o i l p a t h ( 输油线路) 类的主要属性4 6 d i s t i l l a t e ( 组分油) 类的主要属性4 7 p r o d u c t s ( 成品油) 类的主要属性4 7 o i l s c h e d u l e ( 油品调度) 类的主要属性4 7 循环线付出线工艺属性表4 8 各牌号汽油价格及成本系数表4 8 各油泵成本系数表4 8 各组分油产量配比表4 9 收油调度方案表4 9 1 2 1 罐组存储情况表5 1 第1 l i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 计划、调度、控制三者之间的关系2 炼油企业生产活动流程1 1 成品油罐区概念模型1 1 收油调度概念模型 循环调度与倒油调度概念模型。1 5 出厂调度概念模型 成品油调度线路示意图。1 7 成品油调度线路的链表表示1 7 集总线路 集总线路之间的跳转 调度周期时间分割。2 1 油品进出油罐简易视图 油品进出管线简易视图。2 3 油泵工作简易视图2 3 不经跳转与一次跳转判定示意图。3 4 二次跳转判定示意图 三次跳转判定示意图 某成品油罐区岗位拓扑结构 某调度线路选择问题可行解 汽油岗位工艺流程。4 3 某成品油罐区付油线路与油泵之间的拓扑结构图。4 4 某成品油罐区循环线路与油泵之间的拓扑结构图。4 5 收油调度的输入输出4 9 循环调度的输入输出。5 0 倒油调度的输入输出 出厂调度的输入输出5 2 炼油厂成品油调度传统操作流程5 5 炼油厂成品油调度改进操作流程5 5 可视化界面更新机制5 6 系统的构成。5 7 系统体系结构图5 8 收油调度模块过程图5 9 第1 v 页 舶勉”“”拍猫”s”牝奶“。：硒甜眈“ 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图6 7 循环、倒油、出厂调度模块过程图5 9 图a 1 图a 2 图a 3 图a 4 收油调度优化问题求解算法流程图 循环调度优化问题求解算法流程图 6 8 倒油调度优化问题求解算法流程图7 2 出厂调度优化问题求解算法流程图，7 4 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 盛墨迪堡匡塞盟邂廑选丝搓型丑容 学位论文作者签名：丞塾：垒日期：驰年f 1 月；口日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 盛星迪焦匡塞吐通廑位丝搓型盈窒 学位论文作者签名：；k 选：垒 作者指导教师签名： 霉酬二 日期：即年i t 月而日 日期：沙彳年i1 月；d 日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 1 1 1 成品油调度在炼油厂生产活动中的重要性 石油炼制工业是石油工业的一个重要组成部分，是把原油通过石油炼制过程 加工为各种石油产品的工业，属于典型的流程工业。石油炼制工业和国民经济的 发展十分密切，无论工业、农业、交通运输和国防建设都离不开石油产品。在油 品供求矛盾日益突出的今天，其在国民经济中占有的重要位置不言而喻，是一个 国家的重要基础支柱产业之一。从1 9 7 3 年开始，原油国际市场价格上涨，并由于 世界很多油田开采已处于中后期，轻质原油开采量减少，重质原油产量相对增加。 此外，国际上对环境保护日益重视，对石油产品质量要求更高，这些因素促使近 年来石油炼制工业不断寻求技术上的变革。 随着现代科学技术尤其是计算机技术的重大发展，通过优化生产调度来节约 资源、降低成本、提高生产率，进而使企业效益增加，已经得到越来越多的重视。 据国外炼油企业估算，采用油品储运管理系统可降低综合油品损失的3 0 t ”，对油 品储运过程的优化已成为炼油企业综合优化的一个重要环节。炼油企业根据市场 的需求预测、原材料与能源的供给情况、生产加工能力与生产环境的要求，综合 考虑企业的管理成本以及生产过程中成品、半成品的成本等，利用物料流和能量 流等各种数据和信息进行平衡分析，运用各种有效方法对企业的生产经营进行优 化设计，提供相关预测和决策信息，协调企业各局部生产过程，从而达到企业总 体最优目标。 生产调度是生产活动中的重要内容，从决策计划层次一直贯穿到现场作业层 次，都起着关键的作用。在生产企业中，当今面临的一个重大问题是如何利用有 限资源来满足不断变化的市场需求。有限的资源包括生产装置、能源、原料以及 人力资源等等。生产调度的任务就是要优化现有资源配置，解决生产过程中对各 类资源需求在时间以及数量上的矛盾，确保企业的利润最大。生产调度还应在生 产过程中出现非预期状况时，如某设备出现故障时，能够正确地分析、解决矛盾。 生产调度是连接计划与生产的关键活动，起着承上启下的作用。最优控制是在线 实时寻求过程的最优操作条件，使生产过程处于最优工况附近，从而获得经济效 益；最优调度是借助合理调度一个大型企业的原料、中间产品、能源以及适当的 处理在连续工业过程中出现的故障，保持均衡生产以寻求最大的经济效益；最优 计划决策是根据市场情况、订货合同，编制生产计划，减少库存，谋求获取最大 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 优控制层上的生产调度。 最优计划决策 生产( 年度、季度、月) 计划决策 t l 计划 策层一- i 最优调度最优生产调度 t l ：田j 早+l 制层 生产装置实时调优( 协调) 最优控制 分布式控制系统 生产过程 图1 1 计划、调度、控制三者之间的关系 现阶段国内对成品油的需求逐步增加，扩大生产势在必行。然而，由于种种 原因，对现有的生产装置更新换代或是继续扩大生产装置的规模都是不可取的。 此时，需要通过合理的调度来提高现有生产装置的利用率使其实现最大功用。因 此，成品油的调度工作是炼油厂生产活动中的一项重要内容。 1 1 2 传统调度方法的缺陷 炼油企业的生产是由专门负责总调度的办公室来进行管理与控制的，依靠有 着丰富经验的调度员完成从原料进厂、生产方案排定、装置优化控制，到半成品、 成品的储运，以及综合考虑销售、经营等要素的管理、控制和协调全厂的生产计 划，实现生产的逐级优化。目前，国内大多数炼油厂的油品调度工作是凭借着调 度人员个人长期积累的实践经验，人工制定方案完成的。这种做法具有以下缺点： ( 1 ) 对调度人员的要求很高 能够从事调度工作的人员必须对现场生产工艺流程非常熟悉，要清楚的了解 市场的需求变化、油品的质量要求、生产设备的性能指标，并且要具备面对突发 事件的应变能力。这就要求调度人员必须具有多年从事调度工作的经历、善于学 习总结的能力和素质，甚至对个人的性格也有一定的要求。 ( 2 ) 调度效果不理想 由于人脑在处理复杂问题上的局限性，根据经验处理少量简单的调度任务完 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 全能够胜任，但在实时情况下处理多个复杂调度任务出错的可能性就会很大，很 容易发生由于线路安排错误使得生产效率低下甚至于使油品调合错误，使产品的 成本无谓的增加，使企业蒙受不必要的损失。 ( 3 ) 调度人员培训困难 由于对调度人员素质要求很高，并且工作的经验必不可少，因此，要培养一 名合格的调度人员往往要很长时间。目前，大多数炼油厂调度人员的培养主要是 通过传统的“师傅带徒弟”的方式培养。由于传统培养方式的种种弊端，使得培养 的效率非常低下，而且还可能由于担心失去技术权威，使得很多宝贵的技术经验 不能共享。 成品油罐区调度问题属于一个离散型的优化问题。其约束条件主要是资源的 限制，包括静态工艺上的约束和动态情况下设备是否被占用等方面的限制。资源 的有限性和工作任务多样性之间的矛盾是调度工作需要解决的主要问题。成品油 罐区调度问题的求解关键可归结为对可行线路调度的搜索和优劣评价问题。计算 机技术的发展为这一问题的解决提供了较好的解决途径。利用计算机，可以实现 调度方案的快速自动生成，并可根据相关指标判定各个方案之间的优劣。 1 2 1 国内情况 1 2 油品调度问题研究现状 炼油厂的油品调度问题，属于炼油厂生产调度中作业层次的调度问题。国内 对炼油厂生产调度方面的研究主要集中在决策计划层次。但近几年来，针对于底 层作业最优控制的研究文章逐渐增多，但大部分研究集中在原油储运调度上。 在炼油厂生产调度的决策计划层次方面，清华大学自动化系的杨家本 5 1 、丁锋 6 1 等人，从c i m s ( 计算机集成制造系统) 的角度，分析了连续过程c 讧s 中生产 计划调度系统的特征，提出了连续过程企业c i m s 的体系结构，给出了其生产计 划调度系统的原理性框架。并与福建炼油化工有限公司合作，基于英国k b c 公司 的p e t r o f i n e ( 石油精炼) 系统产品提供的过程仿真模型，将过程优化与系统优化相 结合，把线性规划运用于全流程优化，研制了一个5 日滚动作业计划系统。 华中理工大学的杜江订1 j 等人，在分析了炼油企业及其生产调度的特点的基础 之上，将优化技术与专家系统结合，研究了炼油厂生产调度专家系统的体系结构， 给出了与优化技术相结合的专家系统的面向对象的知识表达方法，并与湖南岳阳 长岭炼油化工总厂合作研制了一个计算机集成过程系统( c n s 。c o m p u t e r i n t e g r a t e dp r o c e s ss y s t e m ) 环境下的生产调度专家系统c l p s e s 。在此之后，华中 理工大学的姚建初一“习等人，又针对炼油厂智能优化生产调度问题，提出了包含 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 基于规则的归纳性知识、基于实例的样本性知识和基于数学规划的优化过程知识 的r b r c b r 混合智能优化模型。随后，又将基于复合知识的智能化优化设计方法 应用于c l p s e s 1 0 1 ，改进其优化模型部分，并通过实例验证其可行性。最后，还 提出了基于包括模型知识、专家经验知识、实例知识的全信息知识模型的智能优 化设计支持系统的结构和算法步骤【l “1 4 】，以支持企业最优计划决策到生产调度和 生产过程协调优化的全过程，并在此基础上结合湖南岳阳长岭炼油化工总厂的情 况开发了长岭炼油生产优化调度系统c l p o s s ，探索智能化的管控一体化的新模 式。华中理工大学的王志勇【1 2 】和姚建初还提出了一种面向石化行业原油储运调度 的多a g e n t 系统。在该系统中，将每个运输单元和港口码头单元用一个a g e n t 来表示。a g e n t 之间可以自主地通过相互交流实现下达的目标任务。各个a g e n t 可有自己相关属性，可以根据属性在执行任务时进行动态调整。并针对某炼油厂 的实际背景，采用j a v a 编程实现了一个基于互联网的原油储运调度系统。 北方工业大学的苏志刚”j 等人在总结某炼油厂调度员工作经验的基础上，提 出了一种“人工智能化思维”编制生产调度计划的方法，确定了有关的规则，并在计 算机上加以了实现。 广东工业大学的周岳松【l6 】等四人在其合作发表的论文中，从工业企业中生产 活动的组织和管理出发，概述了石化企业生产与输油作业计划调度系统的设计 方案，简要地介绍了系统功能构成及其动态调整设计，并在实验室进行了模拟运 行。 在炼油厂生产调度的作业层次方面，大多是针对原油储运调度进行的研究。 长岭炼化分公司的龙伟灿【1 。7 】在其硕士学位论文中对该厂原油罐区的调度问题，利 用g 2 实时专家系统工具进行了深入地探讨，并加以了实现，但未投入实际应用。 石油化工科学研究院的安艺、张慧、何银仁与广州石油化工总厂的廖中，在 其合作发表的论文【l g 】中，讨论了利用混合整数规划和多周期模型技术建立炼油厂 原油从码头储油罐到厂区储油罐以及从厂区储油罐到装置的混输和日调度数学模 型。 青岛科技大学的田文德【1 9 】、孙素莉提出了一种混合模拟退火算法，用以实现 炼油厂的原油库存调度优化。经实例计算结果表明，同传统的混合整数线性规划 方法相比，这种算法可以快速的给出优化解，以达到更好解决原油实际调度问题 的目的。 大连理工大学的孙海英【2 0 】等三人在其合作发表的论文中针对炼油企业的原油 储运调度优化问题，提出了一种线性规划与启发式规则相结合的解决方案，并利 用仿真结果证明了该方法的可行性和实效性。 近几年来，成品油储运调度的研究也逐渐引起了重视。国防科技大学的廖良 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 才【2 1 1 在其博士学位论文中研究给出了成品油调度优化问题的离散型优化模型及其 相关概念，应用实时专家系统工具g 2 开发了成品油调合调度系统软件，并在中石 化股份有限公司长岭分公司进行投用。 华东理工大学的双兵f 2 2 】在其硕士学位论文中研究了连续工业生产中考虑订单 交货期窗的生产调度，建立了相应的数学模型；并结合某大型炼油厂生产的实际， 设计了一种炼油企业生产调度系统体系结构。 中国科学技术大学的薛美盛1 2 3 1 、李祖奎等四人在其合作发表的论文中针对国 内炼油厂的现状，建立了成品油调合调度优化的混合整数非线性规划模型，根据 用户指定的产品需求计划优化调合调度和提货方案及调合配方，用于指导炼油厂 的实际调合操作。在通用建模优化平台g a m s 上，对某炼油厂的汽油调合调度进 行优化，取得了较好的调合调度方案和调合配方结果。李祖奎1 2 4 在其硕士学位论 文中又针对此问题进行了更加深入的探讨，并提出了一个求解该调度问题的分步 求解策略，有效地解决了油品调合调度优化问题。 浙江大学的宋洁蔚、荣冈瞄】在其合作发表的论文中根据成品油配送网络的结 构和特点，充分考虑了油品零售过程的随机性，提出了油品补充的时间窗问题和 运输任务的安排问题，建立了配送的整数规划模型，并用一种启发式方法对问题 进行了求解。宋洁蔚在其博士学位论文【3 】中，根据炼油行业的实际情况，分别就炼 油生产过程、原油存储过程、成品油存储过程、成品油流通过程的调度问题进行 了详细的研究，建立了各个问题的数学规划模型，并运用各种启发式规则对问题 进行了简化，使其能够真正在炼油企业c 疋s 及油品流通领域的管理中发挥作用， 为炼油厂的生产、销售、管理提供理论依据。浙江大学的赵小强1 2 6 】在其博士学位 论文中，基于供应链管理思想，以炼厂总利润为调度目标，通过建立炼厂全局的 调度模型，分解调度目标，根据分析实际建立一系列的约束条件，把炼厂生产过 程分解为产品调合、装置加工、原油储运过程，分别建立各部分的数学模型，并 运用启发式方法进行简化，通过解决各部分调度问题，从而为实现全局生产目标 获得全厂生产调度方案。 从一些研究文章可以看出，国内学术界对于炼油厂的生产调度问题有着很浓 厚的兴趣。目前主要是从c i m s 的角度展开研究，将从机械加工制造企业提出的 c i m s 概念模式向连续过程企业拓展，围绕生产调度计划的制定，侧重于全局优化， 从优化的手段方法上寻找较好的解决途径。这些成果无疑对企业的生产决策、计 划制定是有帮助的，但是底层调度的作业优化对于提高企业效益同样重要。 1 2 2 国外情况 国外对炼油生产调度的研究，与国内相比，更加全面而深入。采用的方法和 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 技术主要有数学规划、专家系统、最优控制、演化算法、开发专用系统等。在一 些文章中，分别提出运用混合整数线性规划模型、动态优化技术、非线性规划模 型、遗传算法、多目标适应性评价技术以及最优控制理论来解决炼油厂生产和计 划中的调度问题。还有一些文章从系统的应用进行了阐述。 美国j o h n s o 智能系统公司的j o h n s o b i l l 2 7 1 在其题为 e x p e r ts y s t e m i n t a n k f a r m a u t o m a t i o n 的论文中，介绍了专家系统在炼油厂罐区调度自动化中应用的技术并 说明了该方法的优点。 美国a b b 工业系统工程公司的a g r a w a ls u r e s h s 【2 s 】在其发表的论文中介绍了 一种专门用于炼油厂油品运输和存储的控制系统( o m & s ) 。该系统能够实现原 油、中间产品和最终产品在炼油厂传送和存储的自动化调度。文中还介绍了如何 将该系统有效地与油品的调合控制和炼油厂信息系统进行集成，以及通过分析 o m & s 操作数据计算其相关利润的方法。 英国过程系统工程中心的s h a h n 【2 9 l 在其发表的论文中，介绍了一种可用于原 油调度的数学规划模型。该模型能解决原油在港口的卸载和向炼油厂输送的顺序、 数量等问题。 韩国的l e eh e e m a n l 3 0 】等人在其合作发表的论文中介绍了利用混合整数线性规 划模型来解决炼油厂原油卸载的短期调度问题，并给出了一个涉及3 只油船、6 个 储油罐、4 个装料罐和3 套原油分馏装置的应用实例。 南非n a t r e f 炼油厂的b u r g e ra j 3 1 1 等人在其发表的文章中介绍了利用该厂一 个基于w e b 的炼油厂信息系统帮助解决生产调度问题的情况。 芬兰坦佩雷技术大学的x i o n gg a n g 和n y b e r gt i m or 在其合作发表的两篇论 文1 3 2 3 习中讨论了现代炼油厂的生产计划和调度问题，提出了一种利用c i m s 中 p u s h p u l l 生产模式进行生产调度的集成生产计划调度系统，并给出了求解过程和 集成框架及环境。 巴西的j m p i n t o 等人在其合作发表的论文】中讨论了采用非线性规划模型解 决炼油厂生产调度的方法，并在另一篇文章【”】中提出了用更高效的改进混合整数 规划模型解决管道输送调度问题。 美国炼油自动化研究所的b a r s a m i a na d 6 在发表的论文中讨论了遗传算法在 计划调度中的应用，运用该方法能够有效处理混合整数规划和高度非线性规划的 问题。 鲁特格斯大学( r u t g e r su n i v e r s i t y ) 的z h e n y aj i a 和m a r i a n t h ii e r a p e t r i t o u 在其 合作发表的论文t 3 7 1 提出建立一个叫作连续时间算法的数学规划模型，以有效的 解决炼油过程的调度问题。文中将炼油调度问题分为三个部分：原油卸载与混合、 油品单元操作和油品的混合输送，每个问题都可用文中提到的算法进行模型化处 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 理并得到有效地解决。 从以上资料可以看出，国外对炼油厂的生产调度问题也是非常关注的。围绕 着如何更好的解决炼油厂的生产调度问题，提出了各种各样的方法和系统，其更 多的是从算法和数学模型入手。与国内较类似的是，其中大部分研究是针对上层 整体优化的角度进行研究的，对成品油罐区的实时操作调度似乎很少有人研究。 1 2 3 生产调度问题建模方法 在用数学方法描述生产调度时，常见的有如下一些数学模型和方法【3 s 3 9 1 ： ( 1 ) 非线性规划( n l p ，n o n l i n e a rp r o g r a m m i n g ) 模型 目标函数是非线性或者约束中存在非线性的规划模型就是非线性规划，调度 问题就是典型的非线性规划。 ( 2 ) 混合整数规划( m i l p ，m i x e di n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n g ) 模型 在很多的优化模型中，目标函数和约束条件中，不仅含有连续变量，而且有 取值仅为整数的变量，即整数变量，这类模型被称为混合整数规划模型。很多的 应用问题可以描述为这类模型，包括设备定位和分配问题、调度问题和f i x e d c h a r g e 网络问题。常用的算法主要有：分支定界法、割平面法、分解法和基于逻辑的方 法。 ( 3 ) 动态规划( d p ，d y n a m i cp r o g r a m m i n g ) 模型 许多工程系统可以分解成前后多个有联系的阶段并逐段地选定控制量，这样 的系统称为多阶段决策过程系统。动态规划是解决多阶段决策过程最优化的一种 方法，它可以把一个复杂难解的问题分解成n 个简单易解的子问题逐个求解，其 计算结果也十分丰富。 ( 4 ) p e t r i 网模型 p e t r i 网是一种集图形和数学为一体的建模工具，它不仅能描述系统的静态特 性，还能描述系统的动态行为。对于具有并发、异步、并行、不确定性和随机性 的系统，p e t r i 网是一种强有力的描述和研究工具。因此，在调度领域p e t r i 网的应 用也比较广泛。 ( 5 ) 离散事件动态系统( d e d s ，d i s c r e t e e v e n t d y n a m i cs y s t e m ) 模型 系统的运行不是由微分方程决定的，而是由离散事件错综复杂的相互作用决 定的，并带有异步与并发的特性，这类系统就是离散事件动态系统，调度问题也 有这类系统的特性。该模型采用极大代数方法等对问题进行建模和求解，目前主 要用在理论分析方面。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 3 本文主要内容与组织结构 本文讨论了成品油罐区调度优化问题，对成品油罐区的生产情况进行了分析， 用数学方法表示了罐区调度的基本规则，针对四种调度任务分别建立了混合整数 规划模型，给出了目标函数与约束条件。随后进一步讨论成品油罐区调度问题的 可行解搜索，对其求解方法进行了研究。以某炼油厂汽油罐区为背景，以假设参 数和虚拟需求对模型的效果进行检验。最后对基于i r s 3 的成品油罐区实时调度系 统设计进行了研究，对可能遇到的问题作了简要分析。 全文共分六章，章节安排如下： 第一章介绍成品油罐区调度问题的背景，说明了成品油罐区调度工作的意义， 指出当前人工调度方法存在的弊端。全面介绍了油品调度方面的国内外研究现状 以及解决生产调度问题的建模方法。 第二章对炼油厂生产调度的特点进行了分析，简单介绍了炼油厂的生产流程， 并根据成品油罐区的调度任务，对成品油的储运流程进行详细描述，根据不同调 度任务的特点，对成品油罐区调度问题所涉及的对象进行了描述，并总结了成品 油罐区调度基本规则。 第三章根据上一章的问题描述，研究设定了罐区几个主要对象，油品、储油 罐、管线以及油泵的状态变量。并基于生产实际做了若干假设，对发生在成品油 罐区的几种调度任务分别构建了相应的调度模型，分析给出各调度模型的目标函 数及约束条件。 第四章明确了线路搜索为寻找可行解的关键，介绍了静态可行解和动态可行 解的含义，根据四类调度问题的需求特点，提出各类调度动态可行解成立的条件。 提出了改迸的基于集总线路的线路选择方法，并以一个简单的实例说明了如何利 用集总线路的跳转找到调度线路。把线路搜索结果应用于模型的求解，提出模型 的求解算法。 第五章根据前两章所构建的模型以及相应的求解算法，以某炼油厂汽油罐区 为背景，分析了该汽油罐区的岗位工艺流程，为模型应用设计一系列对象类，并 以假设参数和虚拟需求对模型的效果进行检验。 第六章对基于i r s 3 的成品油罐区实时调度系统设计进行了研究，简要介绍了 构建系统的两个基础工具：i r s 3 专家系统平台和p i 实时数据库系统，对系统的目 标、系统的构成以及系统的体系结构进行了初步研究，并对可能遇到的问题作了 简要分析。 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章成品油罐区调度优化问题研究 炼油企业生产与储运调度通常以“旬”、“周”、“五日”、“三日”或更 短时间为尺度，以市场需求为导向，以各类油品的库存状况为依据，在满足月生 产计划、装置生产能力和产品质量指标的前提下，基于有关物性数据，实现产品 结构优化，以此为依据编制滚动的生产作业计划，保证总体经济效益极大化目标 的实现。 本文只对成品油罐区的调度任务进行研究，在本章将对其过程展开讨论。 2 1 炼油厂生产调度特点分析 2 1 1 炼油厂生产特点 流程工业的生产过程是连续进行的，不能中断。劳动对象按照一定的工艺流 程连续不断地通过一系列设备和装置被加工成产品。作为典型的流程工业，炼油 厂生产具有以下特点吲： ( 1 ) 生产工艺流程基本稳定不变，生产过程连续且紧密关联，前一个生产装 置的产品一般是后续生产装置的原料，各工序先后次序紧凑、严格，生产批量大， 加工能力强，物料和能量的供给要求连续、及时、可靠，生产受装置加工能力所 限，是面向库存的少品种、大批量生产。 ( 2 ) 生产工艺复杂，工序繁多，生产流程长，整个生产过程是由许多相互联 结的生产环节组成，生产过程涉及各种化学变化与物理变化，并伴随着物质和能 量的转换与传递，生产控制技术要求高，由于生产过程中能量流交错使用、物流 的循环，使得生产装置耦合严重。 ( 3 ) 生产过程产生大量数据与信息，这些数据和信息实时性强，有些变量不 能实时检测得到，有些可测变量精度难以提高且滞后较大，故障诊断和处理比较 复杂。 ( 4 ) 自动化水平比较高，对自动化的依赖性比较强，绝大部分的物料属性依 靠仪表进行测量或通过分析仪表间接获得，只有少量人工计量。 ( 5 ) 产品结构复杂，除了主产品外，还会产生大量副产品和中间产品，产品 与产品间关联性较大，一套生产装置单股进料可以有多个出料，产品种类繁多， 性质规格各不相同，同一类产品根据规格可以分为不同的品种，不同规格的产品 相互混合能产生更多规格的产品，如油品调合。 ( 6 ) 对产品的存储和运输要求较高，大部分产品不允许混装，存储和运输过 程中需要保持一定的温度和压力。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ( 7 ) 生产加工过程需要消耗大量的能量，对公用工程要求较高，需要大量不 同形式的水、电、汽、风等能源的供应。 ( 8 ) 危险性高，如高温、高压、低温、低压、易燃、易爆和有毒等，加工过 程常伴有燃烧过程和三废排放，如果处理不当会对社会环境造成污染。故生产须 以安全、稳定、长周期、满负荷、优质、均衡、高产、低耗和减少污染为主要目 标，通过计划调度、优化操作、先进控制等手段使过程实现优化生产，以获得最 大的经济效益。 2 1 2 炼油厂生产调度的特点 炼油厂的生产过程具有连续性和生产量大等特性，其生产出的产品以质为重。 作为典型的流程工业，炼油厂的生产特点决定了在其生产调度过程中具有以下特 占【4 】 1 、良性结构问题与不良结构问题并存 炼油厂生产调度问题本身是不良结构问题，但其中包含有良性结构问题。例 如生产调度中的作业计划制定是一个规划问题，可以建立线性规划模型，用线性 优化方法求解。而对于实时调度问题，则用纯粹的数学方法很难求解。 2 、实时性 炼油厂的生产是连续不断进行的，市场的需求并不固定，随时可能产生新的 生产计划。调度问题也随着炼油生产的需求变化而变化，在时间上要求调度决策 迅速及时，与炼油生产同步，滞后时间有严格的要求范围。 3 、全局调度与局部控制相结合 调度管理在宏观上要把握整个生产的全过程，又必须对每一个车间和装置的 具体生产作出指导，以保证生产的高效、高质。 4 、处理突发事件，保证生产的平稳进行 实际生产中有许多非常规的生产情况，而连续不断的生产却不能因此而停滞， 要求在调度的过程中能够监控生产情况并作出分析，及时为决策提供有力的支持， 从而保证生产的正常运行。 2 2 成品油罐区调度任务分析 2 2 1 炼油企业生产流程 炼油生产与储运过程是典型的混合生产过程系统，系统物流以原油的加工为 主线，整个生产过程从原油的采购开始，经过原油的储运、原油的混合、装置的 加工、油品的调合、成品油的储运、最后到成品油的销售【柏】。主要过程可以描述 第l o 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 为如图2 1 所示。其中油品调合、成品油储运、成品油出厂发生在成品油罐区内。 广一一一一一一一一i 成 品 油 罐 区 l 一一1 图2 1 炼油企业生产活动流程 炼厂生产是通过各种加工装置，经过物理和化学变化把原油转化为系列成 品油和其它产品的过程。原油经过多种装置加工以后可以分离出包括气体、液体 和固体三种状态的许多产品。炼厂生产从原油进厂开始，经过原油罐区的存储和 混合，输送给生产装置，经生产装置加工处理后，经过在成品油罐区调合生成成 品油并存储，最后经过陆运和海运出厂。 根据炼油生产过程的特点，可以把炼油厂的生产调度分解为原油储运调度、 装置生产调度、成品油储运调度三个子问题。成品油储运过程包括产品的调合、 储运和运输，其中调合调度是成品油储运调度的重要内容。可建立炼油厂成品油 罐区的概念模型如图2 2 所示。 il ii r 组分油il i i 二ji ! 。_ 储油罐ll 【x 一 j l 垒坌垄! l l 吝。仁、 i 组分油ll ；r 刖7 赵 生产装置成品油罐区 图2 2 成品油罐区概念模型 在成品油罐区的生产活动中，各生产设备的数量都是相对有限的，然而不同 的生产活动往往会同时发生，这就要求调度人员根据实际情况给出相应的方案来 完成。生产任务的多样性和生产设备的有限性是调度工作中的主要矛盾。 2 2 2 成品油罐区调度任务 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 成品油罐区的主要生产任务有以下四项j ： l 、