（冶金工程专业论文）基于仿真的炼钢车间生产调度优化技术研究.pdf

中文摘要 摘要 在钢铁生产中，炼钢生产是钢铁制造过程的关键工序，其生产调度问题是钢 铁企业生产管理的核心问题和难点所在。随着钢铁企业信息化的发展而出现的生 产制造执行系统打破了过程自动化与管理信息化之间存在的数字鸿沟，并具备了 一定的计划调度功能。因为炼钢车间的生产调度具有复杂、动态、多目标、多约 束、不确定性的n p 难问题的特点，目前生产制造执行系统中所包含的高级计划排 程系统大多仅停留在理论研究阶段，真正成熟的产品却并不多见。 针对这种状况，本文开发了一种在m e s 环境下基于仿真的炼钢车间调度优化 技术。采用了面向对象的仿真建模技术，根据炼钢生产物流的特点，建立层次化 仿真对象模型，并利用了先进的组件技术实现其在计算机平台上交互式建模过程； 结合当前软件工程的发展趋势，利用r a t i o n a l 统一过程指导炼钢物流仿真系统 的开发过程，用u m l 为软件开发提供良好的工具支持。在开发炼钢物流仿真系统 的基础上，根据炼钢生产调度的特点提出了一系列的优化评价指标，使用层次分 析法对基于仿真实验的调度方案进行优化决策。 研究开发工作表明：在仿真软件的开发过程中，先进的软件工程思想和技术 为仿真软件的开发提供良好的指导方向。通过对仿真的数据分析证明，在整个企 业信息化系统架构下，仿真系统内的各项数据流运行正常，能够实现仿真和生产 调度的功能。对于基于仿真的车间调度优化方法，仿真克服了对调度系统的形式 化数学描述的缺陷；而以优化评价指标基础的层次分析法可用于在仿真实验基础 上对炼钢车间调度方案进行优化。 关键词：炼钢，u m l ，组件技术，仿真，调度优化 英文摘要 a b s t r a c t i ns t e e lp r o d u c t i o nf i e l d ，s t c c i m a l d n gi sak e yp r o c e s si ns t e e lm a n u f a c t u r ef l o w ； w h o s e p r o d u c t i o ns c h e d u l i n gp r o b l e mi sc o r ea n dd i f f i c u l tp r o b l e mi ns t e e le n t e r p r i s e s p r o d u c t i o nm a n a g e m e n t e m e r g i n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es t e e le n t e r p r i s e s i n f o r m a t i z a t i o n , i v i e s ( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ) b r i d g e st h ed a t ag a pb e h v 嘲 p r o c e s sa u t o m a t i o na n dm a n a g e m e n ti n f o r m a t i z a t i o n , a n di sc a p a b l eo fp l a n n i n ga n d s c h e d u l i n g b e c a u s et h ep r o d u c t i o ns c h e d u l i n gi ns t e e l m a k i n gw o r k s h o pi san p h a r d p r o b l e mc h a r a c t e r i z e db yc o m p l e x , d y n a m i c , m u l t i - o b j e c t i v e ，m u l t i - c u n s t r a i n ta n d u n c e r t a i n n o w a d a y sa p s ( a d v a n c e dp l a n n i n ga n ds c h e d u l i n g ) c o n t a i n e di nm e so n l y s t a y sas t a g eo f t h e o r e t i c a ls t u d y , a n di ti sr a r eo f a m a t u r ep r o d u c t i no r d e rt or e s o l v et h i sp r o b l e m t h i sp a p e rd e v e l o p sa no p t m i z a t i o no f p r o d u c t i o n s c h e d u l i n g i ns t e e l m a k i n gw o r k s h o ps i m u l a t i o n - b a s e du n d e rm e se n v i r o n m e n t a c c o r d i n gt o t h e d e e pa n a l y s i s 0 1 1 s t e e l m a k i n gl o g i s t i c s ，t h i sp a p e ra d o p t s o b j c c t - o r i a n t e dm e t h o df o rs i m u l a t i o nm o d e l i n g , a n db u i l d sah i e r a r c h i c a lm o d e lf o r s i m u l a t i o no b j e c tm o d e l r e l a t i n gw i t ht h ed e v e l o p i n gt e n d e n c yo f s o f t w a r ee n g i n e e r i n g , t h et h e s i sd e v e l o p sv i s u a l - s t e e i m a k i n gg u i d e dw i t hr u p ( r a t i o n a lu n i f i e dp r o c e s s ) d u r i n gt h ew h o l ep r o d u c tl i f ec y c l e , t h eu m lo f f e r sag o o dt o o l f o rs y s t e m d e v e l o p m e n t a c c o r d i n g 幻t h ec h a r a c t e r so fs t e e l m a k i n gp r o d u c t i o ns c h e d u l i n g , i t p r o p o s e sas e r i e so fo p t i m a le v a l u a t i o ni n d e x e sb a s e do nt h ed e v e l o p m e n to f “s i m u l a t i o n s y s t e mf o rl o g i s t i c si ns t e e l m a k i n gp r o c e s s t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o v et h a t , w h i l ed e v e l o p i n go ft h es i m u l a t i o n s o f t w a r e ，t h ea d v a n c e ds o f t w a r ee n g i n e e r i n gi d e aa n dt e c h n o l o g ya c ta sag o o dg u i d e r o ns o f t w a r er e a l i z a t i o n t h es i m u l a t i o nd a t as h o w st h a t 9u n d e rt h ea r c h i t e c t u r eo ft h e e n t e r p r i s e si n f o r m a t i o ns y s t e m , t h ed a t af l o wi ns i m u l a t i o ns y s t e mr u n sn o r m a l l y , a n di t i s c a p a b l eo fp l a n n i n ga n ds c h e d u l i n g a st o t h em e t h o do fs h o ps c h e d u l i n g o p t i m i z a t i o nb a s e d0 1 1s i m u l a t i o n , s i m u l a t i o no v e r l 。l d l n e st h ed i s a d v a n t a g et h a td e s c r i b e w i t hf o r m a la n dm a t h e m a t i c a lm e t h o d b e s i d e s t h ea h pm e t h o dg u i d e d 、】l ，i t ho p t i m a l e v a l u a t i o ni n d e x e s , a v o i d st h eb l i n d n e s sc a u s e db ys i m u l a t i o n k e y w o r d s ：s t e e l l n a k i n g , u m l ，c o m p o n e n tt e c h n o l o g y , s i m u l a t i o n , s c h e d u l i n g o p t i m i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，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或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废盔堂 或其他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。 学位论文作者签名：菇0 中曷 l 签字日期：舟为日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权 重废太堂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() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：爵备忉 导师签名： 丞炒 1 签字日期：明年石月石日签字日期：沙7 年占月占日 1 绪论 1 绪论 1 1 钢铁企业信息化条件下的生产调度问题 1 1 1 钢铁企业信息化现状和特点 钢铁企业信息化的迫切需求 作为流程型工业的典型领域，我国的钢铁企业普遍具有流程长而复杂、工艺 类型多样、设备密集、产品种类繁多、组织架构复杂等鲜明的业务特点，与发达 国家相比，技术和管理相对落后。表现为技术薄弱，生产质量及组织不稳定，且 总体上管理流程不规范，企业执行力不强。我国加入w t o 以后，钢铁工业所面临 的是全球范围的竞争。在全球化竞争和快速多变的环境下，我国钢铁企业必将面 临更加严峻的挑战。这主要体现在： 1 ) 激烈的市场竞争导致产品价格不断降低，利润空间越来越小，从而迫使企 业必须增强内在素质，以降低生产成本； 客户对产品的质量要求越来越高，合同的交货期也越来越短； 3 ) 市场对产品品种规格数量的要求更趋多样化，企业必须具备灵活的调整计 划和调度生产的手段，实现敏捷制造； 4 1 产品品种规格的生命周期进一步缩短，工艺革新的速度也越来越快； 5 1 预计生产型与接收订货生产型相结合的生产方式可能产生产品积压的风 险。 这些挑战要求钢铁企业加快采用现代信息技术和网络技术及与之相适应的现 代管理方式来改造和提升传统钢铁企业的生产管理方式，从而推动钢铁产业的优 化和升级，走出一条科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力 资源优势得到充分发挥的新型工业化路子。 钢铁企业信息化的特点 “以信息化促进工业化”是制造业提高生产经营水平的必由之路。我国钢铁 工业在长期的信息化应用过程中，逐步实现了基础自动化和过程自动化；在管理 信息化方面也从初期简单的管理信息系统( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m , m i s ) 向企业资源计划( e n t e r p r i s er e s o u e ep l a n ，e r p ) 电子商务转变，信息化工作取得 了一定的成绩。我国的钢铁企业的信息化主要具有如下特点： 1 ) 基础自动化和过程自动化基础良好 钢铁行业成产流程长、环节多、工艺复杂，自动化技术应用十分广泛。进入 二十世纪9 0 年代以来，钢铁工业自动化应用范围不断扩大，应用水平不断提高、 数字化日趋明显。具体表现为：设备控制级大量采用分布式控制系统( d i s t r i b u t e d 重庆大学硕士学位论文 c o n t r o ls y s t e m s ，d c s ) 、可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，p l c ) ： 在检测驱动级，各种智能表、数字传感器以及全数字化的交直流传动装置已普遍 应用：过程控制广泛采用以小型机为主的自动控制系统。传统的“计、电、仪” 的分工界限已不再明显，计算机技术的应用已深入各个领域。如：在现代高炉控 制中，电控系统、仪控系统、通讯系统正被集回路调节、顺序控制，传动控制、 多媒体于一身的一体化系统所代替。一些大的p l c 制造商、d c s 制造商正纷纷将 各自的功能向对方的领域延伸，甚至连机器人、人工智能控制器等也被作为其中 的一个部分做到一体化系统中去。在人机界面上，各种不同功能用途的操作台也 被采用同一型号挂在同一网上的一体化的人机交互界面所代替。 2 ) 智能控制技术广泛应用 如高炉冶炼专家系统【旧、基于模糊控制的电弧炉电极调节系统 3 1 、采用神经 元网络的连铸漏钢预报系列4 捌、均热炉模糊控制系统【6 1 等，都在实践中得到应用 并取得了较好的应用成果。 虽然不同钢铁企业的具体自动化程度有所不同，但从整个行业看，基础自动 化、过程自动化在钢铁企业中得到广泛应用，并伴随自动化技术的发展而逐步加 深。 3 ) 企业越来越重视管理信息化的建设 钢铁行业在长期的信息化实践中逐步认识到，以单元设备或生产过程为对象 的过程自动化固然对企业生产十分重要，但对企业发展更为重要的是提高经营管 理水平。如何通过综合管理，充分发挥企业的生产能力，减少能源与原料的消耗， 合理调配人力资源与生产设备，使企业现有的人力资源和设备最大限度地发挥其 作用，是钢铁企业需要着重考虑的问题。钢铁企业已经认识到管理信息化的重大 作用，认识到实现企业信息化，最重要的是实现管理的信息化。管理信息化不仅 仅是企业资源计划、客户关系管理、供应链管理等管理软件的应用，更是促进企 业管理的重要手段。 钢铁企业信息化所面临的问题 钢铁工业虽己基本实现了基础自动化和过程自动化，但这些自动化系统都是 以单元生产设备为核心进行检测与控制的，生产设备之间形成诸多“自动化孤岛”。 这种“自动化孤岛”式的单机自动化缺乏信息资源的共享和生产过程的统一管理， 难以适应现代钢铁生产的要求。 m i s e r p 和其它管理信息系统本身难以与基础自动化系统进行接口，无法对 生产数据进行自动管理。而这些管理信息系统在进行生产管理计划与决策分析时， 大量依赖企业生产经营过程中产生的实际数据。如果没有实际生产中产生的数据 为基础，e r p 是难以通过运算与分析得出令人信服的结果的，e r p 等管理信息系 2 1 绪论 统的应用效果就会大打折扣。 为了方便e r p 系统运行，实际操作中不得不将大量的生产数据通过纸质报表 传递，再由相关使用人员录入到管理信息系统。从而形成这样的尴尬局面： 一方面，生产过程中产生了大量的控制与检测数据，可以以电子格式存放， 但不能自动传递到管理信息系统；另一方面，管理信息系统大量需要这些生产数 据，只好以报表等方式将这些数据抄录、打印，以纸介质方式进行信息传递，相 关部门收到纸质报表后，手工进行数据录入。 同样，管理信息系统的生产计划等数据是生产中迫切需要的，也不能自动传 递到生产控制系统中，而是通过纸质方式进行数据传递。 这种方式的弊端在于：大量的数据在传递、重新录入过程中，有可能因为操 作者无意或者有意的出错，导致数据不准确。由于数据通过人工方式进行传递， 效率比较低下，得到的数据滞后于实际生产情况，严重影响基础数据的实效性， 其后果是导致管理信息系统不能及时准确对生产经营进行相关处理和决策，严重 影响e r p 的使用效果，甚至导致应用人员对e r p 系统的不信任。这种状况表明， 企业信息化系统中，基础自动化与管理自动化之间还存在明显的数字鸿沟。 九十年代中期国际上逐步发展起来的生产制造执行系统( m a n u f a c t u r i n g e x e c u t i o ns y s t e m ，m e s ) ，可以实现企业生产活动与经营活动的有效集成，成为优 化运行、优化控制与优化管理的桥梁和纽带，是值得钢铁企业密切关注的高新技 术之一。 1 1 2 钢铁企业信息化的中的生产调度问题 制造执行系统的桥梁作用 图1 1a m r 的三层企业模型 f i 9 1 1t r i - l a y e re n t e r p r i s em o d e lo f a m r 美国先进制造研究机构( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gr e s e a r c h ，a m r ) 将m e s 定义为“位于上层计划管理系统与底层工业控制之间的、面向车间层的管理信息 系统”( 如图1 1 ) 。具体而言，m e s 以过程数学模型为核心，连接实时数据库或非 实时的关系数据库，对生产过程进行实时监视、诊断和控制，完成单元整合和系 3 重庆大学硕士学位论文 统优化，在生产过程层( 而不是管理层) 进行物料平衡，安排生产计划，实施调 度、排产及优化。进而对生产过程的物料流，能量流，质量流和资金流、数据流 统一监控，并对此四大元素进行完全监测、分析、控制和优化【7 1 。 从上述定义可以看出：m e s 的优化目标是整个生产过程。m e s 需要收 集生产过程中大量的实时数据，并且对实时事件能及时进行处理。m e s 需要同 时与计划层和控制层保持双向通信能力，从上、下两层接收相应数据并反馈处理 结果和生产指令。作为生产管理系统核心的m e s 是生产企业过程自动化系统与管 理信息系统之间的桥梁，同相关系统之间存在密切的数据交流关系( 如图1 2 ) 。 图1 2m e s 与其他系统的数据流关系 f i g1 2d a t af l o w sr e l a t i o n s h i pa n a o n gm e sa n do t h e rs y s t e m s 现行车间生产计划和调度方法分析 m e s 是面向车间级的先进生产管理系统，生产计划调度是其核心功能。m e s 中的计划调度系统，对应于生产管理的短期计划安排( 即实施层次) 。计划调度主 要进行资源优化和计划编排，并为计划的执行和控制提供指导。良好的调度能够 直接控制生产的稳定和有序执行；能够预先解决生产中的干扰，缩短产品在车间 的时间，减少成品库存，保证准时交货。 作为产品加工的具体执行部门，车间生产管理涉及到产品生产过程的方方面 面，如：生产过程监控、生产调度、现场设备管理、人员安排、消耗统计、工时 统计、动态成本核算、物料管理、在制品管理以及产品数据管理，等等。一个典 型的制造车间生产活动主要工作流程是：首先将接收到的主生产计划进行任务分 解，然后根据一定的规则，确定各予任务的加工设备，而任务单的开工时间则根 据定单下达日期、任务单计划入库e l 期、相关的工艺信息以及各加工单元的当前 4 l 绪论 加工计划来统一决定。在编制出理论计划以后，就形成了对各加工单元的负荷。 接着，要在各加工设备上进行加工能力与工作负荷的平衡，制订派工计划和相关 物料准备计划等。同时，根据物料、工装等条件及各加工单元的反馈信息，制订 出正式作业计划，并开始派工。计划下达后，在实际生产过程中，还要不断根据 各个参数的变化，进行实时的调度，确保主生产计划的顺利实现。 现行的传统生产管理系统中，生产决策层与车间执行层，计划层、调度层与 控制层是独立分开的，信息采集大多只能通过人工录入的方式进行，车间生产信 息的反馈周期较长。造成在生产调度与控制过程中缺乏必要的现场信息，不能及 时根据实际生产情况的变化进行重新调度，更谈不上实时修订生产计划了。并且 当实际生产情况无法实现原有生产计划时，传统的生产管理系统也往往不能及时 发现这些问题并加以解决，最终导致企业产品的交货期延误。 通过前面两部分的阐述可以发现，在比较复杂的车间生产活动中，m e s 系统 中的详细生产计划和生产调度模块的实时性、智能化程度有限，而且不能根据实 际生产情况的变化进行重新调度。 1 2 炼钢生产调度问题概述 1 2 1 炼钢生产工艺流程的特点 炼钢生产是钢铁生产中的重要环节。铁水通过转炉冶炼成钢水，经精炼工序 以保证钢水的化学成分和温度，然后送至连铸机浇铸成满足合同要求的不同钢种、 不同规格的钢坯( 如图1 3 ) 。在此期间，被加工对象在高温下，由液态钢水向固 态铸坯的转换过程对流的连续性、温降和流动性( 在各设备上的处理时间、工序 设备之间的运输等待时间) 都有严格要求，基本上是无等待时间的工艺流程。在 一般意义上，炼钢生产调度问题可以抽象成离散和连续混合的流程式生产过程， 其生产流程具有多元性、多层次、多尺度，以及开放性、非线性、远离平衡、动 态有序性等复杂系统的特征【引。此类问题已被证明是一个n p 难问题1 9 。 图1 3 炼钢生产工艺流程 f i 9 1 3d i a g r a m o f s t c e l m a k i n g 芦o _ 8 从生产的组织管理、生产工艺要求和信息构成等几个方面来看，上述炼钢生 5 重庆大学硕士学位论文 产过程具有如下特点。 混合流程式生产过程 转炉、精炼设备为间歇作业方式，为提高作业效率、降低机器设置次数和生 产成本，连铸机在其中间包寿命之内为连续作业方式。生产的总流程为炼钢精 炼一连铸，包括多个生产工序，各工序又存在着多个( 多种) 生产设备，生产过 程为多阶段混合流程式。实际生产必须协调冶炼、精炼和连铸三个作业工序的生 产节奏，使工序间物流传递满足正确成分、温度和时间的要求，保证生产的持续 性，并充分利用有限的设备资源。因此，炼钢连铸车间属于混合流水车间，但 不满足一般混合流水车间生产调度问题的工件独立和等待不受限制等假设。尽管 如此，混合流水车间调度问题的许多方法和理念仍值得借鉴【l o 】。 保证物流通畅，具有准时制要求 炼钢生产调度系统在以连铸为中心的生产组织的原则下，充分发挥连铸工序 的生产能力，根据连铸、二次冶炼、炼钢工序的约束的条件，合理组织生产，优 化生产钢种的生产工艺路径，确保系统连浇和各工序资源的可调度性，减少生产 过程中的温降等不良因素，合理的安排个工序的生产作业计划，实现各工序运行 的协调匹配，保证全连铸生产的顺行。 多重约束条件限制 如炉次计划要求钢种一致、规格一致、交货期接近等；浇次计划要求钢号接 近、板坯宽度变化不允许超过一定次数、不同宽度炉次组成一个浇次时按宽度非 增顺序排列，浇次中炉次数的大小受中间包寿命大小的影响l l o 】。另外，为保全连 铸工艺的顺行，要求同一浇次内，连铸机上的炉次是连续的。对同一连铸机上不 同浇次间的时间间隔有所限制。再则，受钢种冶炼工艺的限制，各钢种的所经过 的冶炼工序和顺序是确定的。 生产管理与的多种信息和功能的集成 炼钢生产过程调度管理要求实时监视各设备作业状态、跟踪各工序物流状态， 在此基础上在线编制和调整调度计划，实现整个生产过程的管理控制一体化。来 源于管理级、过程自动化级、基础自动化级的多种性质、频度、用途及响应时间 的不同信息在系统中有机集成，满足生产过程监视、调度计划编制、设备管理、 数据查询、统计报表等功能需求。 计划编制的快速性与在线重调度能力 实际生产情况的多变性和不稳定性决定了建模的困难性和不准确性，要求系 统能够准确构造适合现场情况的计划调度模型，快速编制生产计划，并具有在线 修改、重新生成新的调度计划的机制。 从上文的论述可知，炼钢连铸生产调度具有物流衔接紧密、随机性、动态 6 1 绪论 性和多目标性的特点。 1 2 2 炼钢生产调度系统的研究和开发综述 近年来，国内外对钢厂生产计划与调度问题予以了高度重视，相关研究和产 品开发已取得进展。国外开发的钢厂生产过程计划调度软件主要有v i s u a l8 的v 8 s t e e l t n 】、a i s 的s t e e lp l a n n e r 套件【1 2 】、s i m e n s 的s i m a t i c i t 1 3 1 、i l o g 的s c h e d u l e r 模块 1 4 l 、n k k 的炼钢过程调度系统【1 5 】、i n c o n t r o le n t e r p r i s ed y n a m i c 同德国s m s d e m a g 合作开发的用于钢厂快速建模的模拟机【1 6 垮。这些系统大多能进行炼钢、 连铸、热轧生产计划的编排和调度仿真。有关软件系统特点及应用情况列于表1 1 。 表1 1 国外的调度系统开发与应用情况 t a b l e1 1i n s t a n c eo f r e s e a r c ha l l dd e v e l o p m e n tf o rf o r e i g ns c h e d u l i n gs y s t e m 调度系统系统特点系统应用 美国钢铁公司大湖具有各种工艺路线的调度表格；炼钢生产的可编制2 4 3 6 小时的作业 钢厂计算机辅助调调度计划编制；周调度计划的形成；日调度计划；根据生产情况确定最 度系统【1 - q 计划的产生；实际生产过程的调控。佳的计划调度方案。 英国b r o n e r 有p p s 系统包括：有限能力计划、物料配置、 限集团公司的p p s 指令接受控制和生产调度等模块。 系统【1 8 l 德国内斯曼钢铁公 司的胡金根厂计算 机生产调度管理系 统【1 9 】 v m 1 8 公司 v 8 “1 1 1 a i s 的s t e e l p h n n e r 套件【1 2 】 自动采集生产过程的数据，根据生产历史、 现状、计划情况采用模糊优化理论优化计算 各工序时间、生产路径，辅助生产调度。 v 8 s t e e l 分为计划、调度两个模块。计划模 块在考虑钢种、炼铁能力、库存、设备、运 输等因素下，可编制l 1 2 周的最小时间刻 度为分钟的连铸、热轧同步计划；调度模块 用于计划执行仿真，产生操作性能报告 a i s 的s t e e lp l a n n e r 套件自动生成连铸计 划，操作人员通过图形界面指导，分析和修 改计划，同时给专家提供增加和配置连铸规 则的接口。 对炼钢连铸热轧过程制定3 级生产作业计划和调度方 案，有效控制炼钢到产品输 送的物流过程。 有效缩短工序过程时间、提 高生产效率。 有效减小库存量，提高热轧 能力，减小工作强度例， 广泛应用在北美、欧洲钢 厂。 2 7 个国家超过4 0 个钢厂装 配了该系统，进行供应链管 理，辅助制定生产计划和调 度决策，提高生产效率。 7 重庆大学硕士学位论文 g 2 软件口1 】 e x t e n d 软件【2 3 j 以基于规则的实时专家系统为基础，结合神 经网络、模糊逻辑、模式识别等技术，按现 场生产数据进行快速推理，根据知识匹配情 况从知识中进行智能决策。 根据模型逻辑结构，采用基于规则的路径选 择、多种排队策略进行仿真，可从成本角度 进行结果分析。 钢厂建模模拟机采用软件包e n 锄砸d ) m m i c s 进行快速 【蚓 建模，利用动态调度生成模块生成生产计 划。 日本的协同生产调根据上级系统的计划数据和标准数据， 度计划系统人工智能和人机交互技术，由知识库、 s c h c p l a n 鲫机和用户接口产生调度计划。 能进行过程设计及模拟，生 产故障分析、诊断报警、先 进控制、决策支持等。在国 内钢厂也有应用 2 2 1 。 研究复杂生产系统的产能、 利用率、负荷、成本、库存 等；，在宝钢的计划和调度 优化也有应用 2 4 1 。 分析生产过程、节奏变化对 生产的影响，研究产品生产 周期，制定调度计划。广泛 应用的商业软件。 采用根据生产情况制定高炉转 调度炉、转炉琏铸、连铸车l 机 s i d m a r 钢厂调度采用基于时间自动机的u p p a a l 工具对实 系统 时系统进行建模和分析，用时间p e l r i 网制 定生产调度计划。 的调度方案。在日本钢管京 滨钢铁厂应用，提高了生产 效率。 根据生产情况进行实时调 度和资源分配。自动产生钢 厂的可行调度计划，提高生 产效率。 除上表所列实例之外，还有日本五大钢铁公司( 新日铁、住友、川崎、日本 钢管、神户) 的钢铁厂建立的支持热装热送的集成化计算机生产管理系统【2 0 1 ，日 本住友公司和歌山钢铁厂合作开发的用于实现板坯连铸作业调度计划编制工作的 专家系统 2 7 1 ，韩国光阳钢厂开发的综合过程与调度系统h i p a s s 2 引，奥地利l i n z 钢铁厂开发的协同生产调度计划专家系统v a i s c h e d e x ( 2 9 ，澳大利亚b l i p 钢铁公 司开发的交互调度和实施生产监控智能支持系统i s a l 3 0 等。 国内对钢厂生产计划与调度系统的研究起步较晚，尚处于方法研究和尝试性应用阶段。 围绕钢厂的生产计划与调度系统及相关建模方法和仿真研究，近年来有比较明显的进展。近 年来已有宝钢、武钢、东北大学、北京科技大学、上海交通人学、重庆大学等单位进行炼钢 生产物流和调度管理方面的研究和开发工作，并针对具体钢厂建立了相应的生产调度系统见 表1 2 。 8 l 绪论 表1 2 国内调度系统的开发与研究状况 t a b l e l 2 i t g y t a l l c e o f r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t f o r d o m e s t i c s c h e d u l i n g s y s t e m 由上述分析可知，国外有关钢厂生产计划与调度系统一般都是商业化的软件， 在生产管理功能、软件成熟度、应用范围等方面有明显优势。国内在方法方面有 一定特色，但离商业化的应用还有距离。另外，国外开发的调度系统和软件产品 在国内应用还存在局限，主要是由于我国大多数钢厂的生产流程随着钢厂改建和 9 重庆大学硕士学位论文 扩建而不断改变，生产流程和约束条件更为复杂，现有的自动化水平尚未达到国 外的水平，即使能够满足软件应用条件，也不可能通过引进和运用其调度系统和 产品而掌握其核心技术。当工序作业规范或生产条件发生变化时，难以保证该产 品发挥相应的功效。因此针对中国钢铁企业特点，开发具有自主知识产权的钢厂 生产计划与调度产品具有重要意义。 1 3 炼钢生产调度优化的相关技术 炼钢生产调度问题的开发和研究，涉及到钢铁企业的生产运作管理、系统建 模和优化以及计算机信息产业技术，是一个跨学科的综合性研究领域。下面就其 系统建模、调度优化及r r 应用等技术和相关理论进行介绍。 1 3 1 炼钢生产物流系统建模方法 根据前面对炼钢生产工艺流程的分析，行车对物料的吊放以及大多数过程的 开始和终结等都属于离散事件，而转炉和精炼炉的生产、物料在加热炉内的加热、 轧件的轧制等都是连续过程。因此炼钢生产物流是一个以离散事件系统为主的的 混合系统，它可以采用离散事件系统的建模方法。 离散事件系统的建模方法包括形式化建模和非形式化建模【3 9 】。形式化建模是 指采用大量的数学工具通过状态方程对系统进行描述和分析，主要有排队网络法、 极大代数法、扰动分析法、p e t r i 网建模法、e u l e r 建模法等。非形式化建模方法是 指借助于计算机技术，通过人们易于接收并理解的图形表示对系统建模，然后转 化为计算机语言，通过程序对系统进行分析。主要有以下几种方：活动循环图， 又称a c d 法；流程图法；面向对象等建模技术等。其中p e t r i 网建模法和面向对 象建模法应用最为广泛。 p e t r i 网建模法 p e t r i 网模型是由c a p e t r i 于1 9 6 2 年在他的博士学位论文 k o m m u a i k a t i o n m i t a u t o m a t e n ”( 自动化通信) 中提出的。在p e t r i 网中，系统中发生变化所涉及的 与系统状态有关的因素，称为资源，包括原材料、半成品、产品、人员、工具、 设备等；资源按其在系统中的作用分类，每一类存放一处，则该处称为库所，表 示该处存放的资源；资源的消耗、使用及资源的变化，称为变迁。 从p e t r i 网的观点来看待一个系统，集中表现为两个基本的概念：事件和条件。 事件是系统中所发生的动作，动作的发生是由系统的状态来控制的，而这些状态 可以用一组条件来描述；条件是系统的状态属性或逻辑，描述一个条件可以是成 立的或不成立的。p e t t i 网对并发性、异步性、分布式、非确定性系统的有力描述， 使之成为复杂物流系统的有效建模工具【椰】。 面向对象的建模法 1 0 1 绪论 面向对象的建模方法最初是由面向对象的程序设计概念发展起来的。面向对 象技术是2 0 世纪9 0 年代软件开发的主流【4 】，它的基本思想是从现实世界中客观存 在的事物( 即对象) 出发来构造软件系统，并在系统中尽可能运用人类的自然思 维。 面向对象的方法与的结构化的方法有所不同，面向对象的方法首先识别出与 系统有关的对象，给对象定义属性、赋予操作( 方法或服务) ，抽象出该对象在系 统中的基本特征，然后通过消息反映对象与对象之间的关系，并且通过不断地传 递消息而使整个系统连续地运行【4 2 】。 在面向对象的模型中，每个对象都具有独立性，对象本身可以决定它所需要 执行的任务，并通过与其它对象之间发送消息来完成相互间的协调。消息可以触 发封装在对象内的操作，一个对象操作的执行又可能产生新的消息，从而触发其 它对象操作的执行，并由此导致整个系统的运行和执行全部的任务。面向对象的 建模方法大都是采用自底向上的归纳方法，较有代表性的有两种【4 3 】：c o a d 和 y o u r d o n 为代表的多层次建模和以r u m b a u g h 为代表的多视图分析建模。 面向对象建模方法具有显著的优点： 1 ) 多态性，容易适应系统动态变化； 2 ) 封装性，便于组织、活动和资源集成； 3 ) 继承性，模型的可重用性好。 相对于其他的建模方法，p e t r i 网虽然非常适合于建立系统动态模型，并且能 对系统的动态特性进行分析，它的图形表示也为其应用带来了很好的直观性但是， 当系统比较复杂时利用p e t r i 网进行建模和分析存在很大难度，因为此时p e t r i 网模 型将变得十分复杂并产生空间爆炸，从而给仿真分析带来极大困难。面向对象技 术，如分解、抽象、递阶等特性非常适用于复杂问题的求解；此外，面向对象的 技术可以对现实世界的描述更接近现实，它将系统的属性映射为一组数据结构， 将系统与外界的交互映射为一组操作更有利于系统的集成。 重庆大学硕士学位论文 1 3 2 基于仿真的生产调度优化方法 图1 4 调度优化的常用研究方法 f i 一4c o m m o nr e s e a r c hm e t h o do f s c h e d u l i n 2o v t i m i z a t i o n 用于炼钢车间生产调度优化问题研究的方法大致可分为三类( 如图1 4 所示) ： 一是基于经典的运筹学方法：其二是各智能计算的方法及其混合算法；另外还有 各种近似优化的方法。 经典的运筹学方法运用于生产调度优化问题时，其理论研究与实际应用之间 存在一定的差距【槔4 6 1 。智能计算的方法在组合优化领域，特别是生产调度领域得 到了相当广泛的研究和应用。这些方法一般来说各有所长，例如禁忌搜索比模拟 退火的速度快些，但广域搜索能力较差，模拟退火的编程较易实现。因此多种算 法结合起来使用已经成为一种发展趋势【4 7 】，如将启发式规则和遗传算法相结合提 高了遗传算法盲目随机操作的效率，加速了算法的收敛。但此类算法以合理地增 加计算时间为代价，并且判断解的最优性也很困难。 在近似优化的方法中，启发式规则与专家系统的方法在生产调度研究中占有 重要地位，并出现了一些成熟的调度专家系统【4 8 4 9 】，但是专家系统对复杂多变的 动态调度环境，适应性较差。大多数制造系统非常复杂，很难用一个精确的解析 模型来进行描述和分析，因此使用仿真的方法可以避免使用数学表达式来描述复 杂系统。基于仿真的方法建立的调度模型具有如下特点： 仿真建立的模型是对系统实际观测所获得的数据建立起来的动态模型，它 更贴近于实际，便于对系统进行分析； 由于仿真建立的模型是对实际系统的映像，因此它对各种复杂的系统具有 很好的适应性； 1 绪论 系统仿真所建立的是一个随机模型，系统的参数受随机因素影响所发生的 变化在模型中可以得到充分的体现； 系统仿真可以帮助优化。仿真方法虽然不是一种系统优化法，不能求系统 的最优解，但是仿真可以让人们依据对系统模型动态运行的效果，进行反复仿真， 实现间接的优化。对于一个多目标，多因素，多层次的物流系统来说，并不存在 真正意义上的最优解，仿真为寻求改善系统行为的途径和方法提供了有效的手段。 仿真调度的基本原理是，建立仿真调度模型，在调度决策规则的引导下，在 模型上试探性地经历整个生产作业过程，记录该过程中系统的状态变化，统计、 处理并产生调度方案和性能数据。因此仿真调度方法实际上是一种实验性和试探 性的方法，具有较强的适应性。 模型参数 仿真 调度方案 控制参数调度 系统 性能指标 规则决策 图1 5 仿真调度系统结构 f i g t 5a r c h i t e c t u r eo f s c h e d u l i n gs y s t f f b ls i m u l a t i o n - b a s e d 简单的仿真调度系统结构如图1 5 所示，输入数据分为模型参数、控制参数、 决策规则三类，其输出包括调度方案和性能参数。模型参数描述资源配置、订单 要求、加工计划等信息，用于调整和确定仿真调度模型；控制参数包括订单的开 始加工时间、批量等，对调度结果有较大影响；决策规则是仿真决策的依据，例 如排队规则、资源选择规则等，对调度有指导作用，是仿真向有利于调度目标的 方向运行。调度方案是针对设备、操作、原材料调度的指令序列；性能指标是一 系列反应调度效果的指标数据，包括订单的延迟、生产周期、工件加工等待运 送安装时间、平均队长和设备利用率等等。 近些年来，仿真技术在钢铁领域中的应用日益增多，几乎遍及钢铁领域的每 道工序。但其主要研究和应用都集中在炼钢连铸生产物流仿真上，见表1 3 。 1 3 重庆大学硕士学位论文 表1 3 我国钢铁行业生产仿真技术应用实例 t a b l e i 3a l y 0 1 i e a t i o no f t h es i m u l a t i o nt e c h n o l o p ：vi ns t e e l m a k i n oi n d u s t r vi nc h i n a 在仿真软件的应用上，除了国内自行研制和开发软件之外，国外的仿真软件 主要有：s i t m a n ，( 3 2 ，p r o c a s t t m ，i l o g ，a u t o s c h e d ，f a c t o r ，m a n s i m ，o n t i m e 等。表1 4 为国外仿真软件在钢铁生产中的应用。 1 4 1 绪论 表1 4 国外钢铁行业生产仿真技术麻用实例 t a b l e i 4a l i c a t i o no f s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi nf o r e i g ns t e e l m a k i n gi n d u s t r y 1 3 3 仿真与生产调度系统开发中的i t 技术 软件工程 软件工程是用科学知识和技术原理来定义、开发、维护软件的- - i 学科 4 1 1 。 它涉及到程序设计语言、数据库、软件开发工具、系统平台、标准、设计模式等 方面。它借鉴了传统工程的原则和方法，以求高效地开发高质量软件。其中应用 了计算机科学、数学和管理科学。计算机科学和数学用于构造模型与算法，工程 科学用于制定规范、设计范型、评估成本及确定权衡，管理科学用于计划、资源、 质量和成本的管理。 软件的质量因素很多，如正确性，性能、可靠性、容错性、易用性、灵活性、 可扩充性、可理解性、可维护性等等，有些因素相互重叠，有些则相抵。软件工 程的将开发过程分成以下几个主要环节：人员管理、项目管理、可行性与需求分 析、系统设计、程序设计、测试、维护等，如图1 5 所示。软件工程模型建议用一 定的流程将各个环节连接起来，并可用规范的方式操作全过程，如同工厂的生产 线。常见