（控制理论与控制工程专业论文）基于multiagent的连铸热轧一体化生产调度系统.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 生产计划与调度是i v i e s 的核心功能，在现代化工业生产中扮演着重要角色。生产 计划与调度是针对某一任务，在一定的技术与资源的约束条件下，对现有的生产活动进 行合理排序，确定某一时段所指派的任务，力求在设备可用的时间范围内，充分发挥其 生产效率，缩短生产周期，降低生产成本。 连铸热轧制造流程是钢铁生产的重要环节，该过程的生产计划与调度问题是影响钢 铁工业生产效率和经济效益的重要因素本文以上海宝钢连铸热轧生产过程的实际情况 为背景，对连铸热轧一体化生产流程工艺进行了阐述，从提升一体化优化性能和节约能 源的角度出发，针对连铸热轧一体化生产调度问题建立了按流程设备划分的m l 】l d a g 印t s y s t e m ( ms ) 模型，将整个连铸热轧一体化生产调度过程设计成由用户a g e n t 、连铸 a g e n t 、板坯库a g e n t 、保温坑a g e n t 、加热炉a g e n t 和热轧a g e n t 六个a g e n t 有机组成 的m u l t i - a g e n ts y s t e m ，详细论述了各a g e n t 的职能、任务以及各a g e n t 之间的协同工 作 本文结合a s p n e t 技术，设计开发了连铸热轧一体化生产调度系统。同时，基于 实际生产数据对该系统进行了测试，结果表明所提出的m u l t i - a g e n ts y s t e m 模型能够有 效提高连铸热轧一体化生产调度的热装比，节省了能源。 关键词；m e s ；m u i t i - a g e n ts y s t e r n ；协同工作；a s p b e t ；热装比 基于1 t i - a g t 的连铸热轧体化生产调度系统 i n t e g r a t e ds c h e d u l m gs y s t e mo fc o n t m u o u sc a s t i n g - h o tr o l l i n gb a s e d o nm u l t i a g e n t a b s t r a c t p r o d u c t i o ns c h e d u l i n gi st h ec o 他m o d u l eo fm 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 ( m e s ) t h a ti sp m ，i n ga l li m p o r t a n tr o l ei nm o d e mi n d l k q t r y t h eo b j e c t i v eo f p r o d u c t i o ns c h e d u l i n gi s t od e t e r m i n et h e 、p r o c e s so r d e fa n di t sl 陀l a t e d w o r k i n gt i m eu n d f f fs 咖eo 叫鸠虹a i n t so f t e c h n i q u e sa n d 旭踟q l r s ，w h i c hm a k ee f f o r t st op u r s u eah i g hp r o d 毗o ne f f i c i e n c y , l o w m 和1 l 】知t i l p t d o da n dl o wp r o d u c 6 0 nc o s t c o n 血u o u sc a s t i n g - h o tr o l l i n gi n t e g r a t e dp r o c e s si sa l li m p o r t a n tp r o d u c t i o nu n i ti n s t e e li n d u s t r y ，i t sp r o d u c t i o ns c h e d u l i n gp r o b l e m sm a k e sas i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h e n 珊e n f a e m r i n ge f f i c i e n c ya n de c o n o m i cp r o f i t so fw h o l es t e e l 既曲础t h ep r a c t i c a l p l o d u 甜o np r o c e s so fc o n t i n u o u sc a s t i n g - h o tr o l l i n gs t r i pi ns h a n g h a ib a n s t e e lc o ，l t d i s t a k e ni n t oa c c o u n ti nt h i sp a p e r , a n dt h ep r o d u c t i o np r o c e s so fc o n t i n u o u sc a s t i n g - h o tr o l l i n g s t r i pi sd e s c r i b e d am u l t i - a g e n ts y s t e m ( m a s ) m o d e lb a s e d0 np r o c e s se q u i p m e n t si s e s t a b l i s h e df o ri n t e g r a t e ds c h e d u l i n go f c o n t i n u o u sc a s t i n g - h o tr o l l i n gi no r d e rt oi n c r e a s et h e o p t i m a lp e r f o m m c eo fi n t e g r a t e ds c h e d u l i n ga n ds a v ee n e r g y 蚴u r c c s i nt h i sm o d e l ，t h e p r o d u c t i o np r o c e s sc o n s i s t so f6a g e n t s ，w h i c ha r eu s e ra g e n t , c o n t i n u o u sc a s t e ra g e n t ，s l a b y a r da g e n t , h e a tp r e s e r v a t i o np i ta g e n t ，h e a t i n gf u r n a c ea g e n ta n dh o ts t r i pm i l la g e n t t h ed e t a i lf i m e t i o u sa n dt a s k so fe a c ho ft h e s ea g e n t sa r ei l l u s t r a t e d ，a n dt h ec o o p e r a t i o n r e l a t i o n s h i p sb e t w e e n t h e6a g e n t sa r ed e m o n s t r a t e di nt h i sp a p e r i n t e g r a t e ds c h e d u l i n gs y s t e mo f c o n t i n u o u sc a s t i n g - h o tr o l l i n gi sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d w i 也t h et e c h n o l o g yo f a s p n e t t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o ne f f e c t sa r eb r i e f l ys h o w nt h a th o w t h i ss y s t e mr u n sb a s e do nt h ep r o d u c t i o nd a t a t h er e a lr e s u l ts h o w st h a tt h ep r o p o s e dm a s e f f e c t i v e l yi n e r e a s et h eh o tc h a r g er a t i oo f r o l l i n gp r o c e s sa n ds a v e st h ee n e r g yr 矗q o u r c e s k e yw o r d s ：i v i e s ；m u l t i a g e n ts y s t e m ；c o o p e r a t i o n ；a s p n e t ；h o tc h a r g er a t i o i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包舍其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包舍为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：盆! 垂! 韭日期：蔓：z ：三：竺 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。1 本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名： ! 三z 年湖型日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 受全球性供需趋紧和市场竞争日益激烈的影响，钢铁工业正面临一系列严峻的挑 战，突出体现在：激烈的市场竞争要求更大限度的降低生产成本；市场对钢材的品种、 规格需求更趋向多样化；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。 以网络科技和知识管理为特征的新经济下，生产制造集成化和信息化己成为企业变 革的焦点。钢铁企业为了提升综合竞争力和持续发展的后动力，利用现代信息技术、自 动化技术，在较为完善的基础自动化基础上，陆续建成了不同程度的计算机集成制造系 统( c h r i s ，c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ) ，在整个行业技术改造和管理创新 中起到良好效果，并造就了韩国的浦项、日本的新日铁、德国的蒂森、美国的美钢联和 伯力恒、奥地利的奥钢联、中国的宝钢集团等一批具有较强综合竞争力的企业【l , 2 1 。 以产销一体化为核心，以制造执行系统( m 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 ) 为突 破的钢铁企业信息化体系已经成为冶金自动化领域研究的热点。m e s 系统的功能是： 按照用户订单，编排、协调由炼钢连铸轧制涂镀组成的工艺路线，并根据质量制定的结 果，调整中间产品，使之均衡而经济的生产，最终把订单转化成作业指令p 4 】。 连铸热轧一体化工艺技术是8 0 年代在欧美一些大型钢铁企业提出的一种钢铁生产 新工艺，这一技术的开发成功与投入生产，被人们称为钢铁工艺技术发展的第三个黄金 时期的开始，对此后钢铁工业的结构和布局产生了重要的影响d ，6 j 。近年来，以提升一 体化优化性能和节能降耗为主要目标的一体化批量计划编制技术成为了研究的热点。 1 1钢铁企业生产计划和调度 1 2 1 生产计划和调度概述 生产计划是企业为实现一个生产目标所进行的一系列的预测和决策活动，主要任务 是确定企业在一定时期内要生产的产品和生产这些产品所需的资源【7 1 。生产调度是在一 定的时间内，进行可用共享资源的分配和加工任务的排序，以满足某个或某些特定的生 产指标哺】。生产计划主要关心资源的需求和粗分配，生产调度主要涉及作业的具体安排 和资源的详细分配。由于生产计划和生产调度问题密不可分，在实际生产管理中也没有 明显的界限区分，有不少学者将生产计划和生产调度问题统称为生产调度问题。 早期的生产调度中主要是调度人员凭大脑、纸、笔由手工产生生产计划、调度等。 近年来，随着c i m s 、企业资源规划( e r p ，e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n g ) 系统的发展，生 产调度越来越受到人们的关注，计算机的飞速发展也进一步推进了综合自动化水平的提 基于m u l t i - a g e n t 的连铸热轧一体化生产调度系统 高，现在数学规划方法在生产调度中的应用也得到了极大地发展，人工智能技术和可视 化技术在生产调度中也有了越来越多的应用。近几十年来，调度问题得到理论界和工程 界的普遍关注，但是由于理论研究和工程实际缺乏很好的沟通，调度理论与调度系统之 问仍有很大的差距。 1 2 2 钢铁企业生产计划和调度的发展与现状 生产计划和调度系统是钢铁企业的生产管理中非常重要的部分，同时又是c i m s 和 e r p 系统中着重研究的问题。钢铁企业生产计划与调度技术的研究是随着计算机技术在 钢铁企业不断应用和普及而不断发展、进步的，大致经历了如下几个阶尉9 】： ( 1 ) 初级阶段： 在2 0 世纪5 0 年代末期，国外就开始将计算机技术应用于企业的管理和经营上，此 时在钢铁企业里的应用还仅仅限于办公和日常事务的处理。 ( 2 ) 面向局部的管理系统开发初期阶段： 随着经济的发展，钢铁工业开始飞速发展，各大钢铁企业开始采用大型制造设备和 自动信息处理来提高生产能力。各大公司开始研制开发自动化计算机系统应用于生产管 理，提高生产效率和生产设备的利用率。 ( 3 ) 整体范围优化管理系统开发阶段： 随着计算机技术以及管理信息系统( m i s ，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 ) 的发展， 在企业基础自动化技术上建立的生产管理系统，进一步实现了生产和管理的一体化。随 着现代化钢铁企业设备的大型化，生产过程的连续化、高速化和自动化的发展需求，面 对当前市场需求的多品种、小批量、高质量和面向用户，钢铁企业面临日益严峻的考验， 钢铁企业c i m s 、e r p 开始迅速发展，一体化生产计划和调度作为其中一个重要组成部 分，许多企业单独开发基于c 订s 结构的整体优化下的一体化生产计划和调度子系统。 目前，国外先进的大型钢铁企业的一体化生产已经发展比较完善，一体化生产计划 和调度系统也已经有成功的开发和应用，基本上已经实现了钢铁生产的一体化管理，取 得了很好的应用效果，尤其是日本的各大钢铁公司在这方面处于领先地位。 从二十世纪八十年代开始国外的钢铁企业开始开发和研究一体化生产，目前大部分 实现了一体化管理，正向高炉铁水处理一炼钢一热轧一精整的一体化和销售一成本一能力一 体化方向发展l l 。日本的五大钢铁公司( 新日铁、川崎、住友、日本钢管、神钢) 的各钢 铁厂均建立了一体化计算机生产管理信息系统，并不断扩充其功能。在住友公司的鹿岛 钢铁厂，于1 9 8 3 年把3 号连铸机位置直接与热轧厂连接，当时由于连铸机生产能力与轧 机能力存在差异，从热轧的高生产性考虑，采用热坯装炉轧制( h c r ) 过程，其主要的保 大连理工大学硕士学位论文 证技术包括：浇铸生产性能提高技术：浇铸过程中板坯宽度可调技术；板坯质量 保证技术：混合轧制( 轧机能力与连铸机出坯能力不匹配) 计划的编制。其效果主要体 现在：o h c r 量每月超过2 2 万吨，作业畅通；热送比8 0 ，连铸比率扩大到9 7 9 6 。日 本加古川钢厂于1 9 9 3 年实现了从高炉至热轧的一体化管理，日本京滨钢铁厂于1 9 9 0 年 5 月，利用技术实现了从高炉一炼钢一热轧的一体化管理。 德国、法国、比利时、奥地利、美国等一些欧美国家的钢厂迅速发展连铸热轧技术 且已达到越来越完善的地步，参见表1 1 【l l 】 表1 _ 1 欧美部分国家连铸热轧技术应用情况 t a b 1 i a p p l i c a t i o no f c o n t i n u o u sc a s t i n g - h o tr o l l i n gt e c l m o l o g yi ns 翻c o i 址i i ne m o p e a d a m e r i c a s 欧美国家钢厂连铸热轧应用情况 德国克勒克纳公司不莱梅厂 法国索拉克公司佛罗伦季厂 比利时考克里尔公司c h e r t a l 厂 臭地利林茨厂 意大利塔兰托厂 美国钢公司大湖分厂 加拿大多法斯科厂 1 9 7 3 年投产，1 9 8 0 年改造后开始热装板坯，热装温 度平均5 0 0 。 1 9 8 1 年开始加装加热炉，1 9 8 3 年热装率达2 5 ，装温 度为5 0 0 - 6 0 0 ( 2 。1 9 9 8 年实现8 0 直接轧制，6 7 热装 1 9 9 8 年热装比超过8 5 热送温度9 0 0 c ，设有6 0 0 保温坑 实现1 0 的热直接轧制 连铸机与轧钢车间采用专用保温车厢，热装率达5 0 以上。 实现了8 0 热直接轧制 我国在钢铁一体化生产方面的研究起步较晚，目前还处于一体化生产计划和调度系 统开发的起步阶段，虽然理论研究已经取得一定的成果，然而真正要应用到实际中还有 许多工作要做，生产中实际应用的成功范例还很少。表1 2 1 1 1 1 列举出部分钢厂的连铸热 轧技术应用情况。 一3 一 基于m u l t i - a g e n t 的连铸热轧体化生产调度系统 表1 2 我国部分铜厂的连铸热轧技术应用情况 t a b 1 2 a p p l i c a t i o no f c o n t i n u o u sc a s t i n g h o tr o l l i n gt e c h n o l o g yi ns o r t i es t e e lf a c t o r i e so f c h i n a 国内钢厂连铸热轧应用情况 宝钢 武钢 邯钢 韶关钢厂 三名钢铁厂 目前连铸板坯热装比5 0 $ ，平均温度在6 5 0 0 ，直接热装率在1 5 1 以上 2 0 0 5 年连铸板坯热装比可达5 5 以上，平均温度可达5 5 0 以上 1 9 9 3 - 1 9 9 9 年总热装比2 9 9 5 ，热装温度在4 0 0 0 。 1 9 年连铸坯热装比为5 3 9 0 ，热装量3 5 9 3 万吨 1 9 9 9 年连铸坯热装比为5 1 2 0 1 2 课题的研究背景 本文研究工作的选题来源于国家“8 6 3 计划”重点课题“冶金工业m e s 中的一体 化计划调度技术”子课题“连铸热轧一体化生产调度系统” 课题的研究目的为建立钢铁行业m e s 的功能架构，制定钢铁业m e s 的实施标准， 研究钢铁行业m e s 的关键技术，以宝钢实际生产线为背景进行示范应用。并针对m e s 应用中遇到的新情况、新问题，就m e s 的关键技术从深度和广度上进一步研究，最终 形成完整的钢铁行业综合自动化整体解决方案。围绕钢铁行业m e s 的整体架构和核心 功能，课题组研究和开发了连铸热轧一体化生产计划调度等关键技术。本文涉及的主要 工作为钢铁行业m e s 中的连铸热轧一体化生产计划调度技术。 钢铁生产过程产线长、工序多、设备复杂，供需之间衔接紧凑，是一个连续和离散 混合的生产过程，由于各个工序都存在许多作业和管理等方面的约束条件，要编制出能 满足多方面约束条件的作业计划是一项难度很高的技术。钢铁企业多工序一体化计划编 制与调度一直是国际上相关研究机构研究的重点课题之一。尤其为了节能，在热装热送 情况下，实现连铸热轧的一体化计划编制与作业调度显得犹为重要。本文以国内钢铁生 产的实际情况为背景，研究了连铸热轧一体化生产计划体系下的各工序生产调度技术。 1 3 本文的主要工作 本文对钢铁生产批量计划的国内外研究和应用现状进行了综述，在分析钢铁企业的 生产流程与生产管理特点的基础上，针对钢铁生产一体化批量计划系统架构进行深入研 究，并从提升一体化协调性能和节能降耗的角度出发，针对连铸热轧一体化生产调度问 题建立了按流程设备划分的m u l t i - a g e n ts y s t e m 模型。本文的主要工作如下： 一4 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 阐述了连铸热轧一体化调度的生产工艺和生产流程以及一体化调度的研究方法 的综述。 ( 2 ) 针对连铸热轧一体化调度环节中协调能力差。轧制热装比低，能耗高的现状， 建立m u l f i a g e n ts y s t e m 模型。m a s 模型中用户a g e n t 制定、修改生产计划，热轧a g e n t 完成轧制计划编制，连铸a g e n t 和板坯库a g e n t 提供轧制板坯，保温坑a g e n t 提供热坯 保温缓冲环节，加热炉a g e n t 完成板坯轧制前加热。同时，各个a g e n t 之间保持紧密的 协同合作关系。其中，对热轧轧制计划编制这种多约束，多目标的组合优化问题。建立 车辆路径模型，并运用单亲遗传算法对模型进行求解。 ( 3 ) 结合a s p n e t 技术，设计开发了b s 架构的连铸热轧一体化生产调度系统。使 用实际生产数据进行了系统测试 一5 一 基于m u l t i - a g e n t 的连铸热轧一体化生产调度系统 2 连铸热轧一体化生产调度问题的研究 2 1问题描述 近代钢铁生产工艺有两次质的飞跃【1 2 】：连铸技术取代模铸技术和热送热装技术的应 用、普及。这两种技术的采用，使得钢铁生产流程更为紧凑，一般将采用这两种技术的 钢铁生产过程称为一体化生产。 起源于日本的热装热送技术在钢铁生产中普及应用以后，连铸与热轧工学之间的连 接更为紧密，进一步降低了钢铁生产中的能量消耗。本章详细描述连铸热轧一体化生产 调度问题产生的原因。 2 1 1 连铸热轧工艺连接方式 连铸一热轧工序是钢铁生产中非常重要的环节。连铸工序和热轧工序间的物流衔接， 根据铸坯送交热轧机的线路和铸坯达到热轧机的温度情况，形成不同的轧制方式，有冷 装轧制( c c c c r ) 、温装轧制( c c n c r ) 、热装轧制( c c - d h c 鼬、和直装热轧( c c - h d 对 等四种基本方式【1 3 1 ，如图2 1 所示 图2 1 连铸热轧工序流程 f i g 2 1o p e r a t i o n a lf l o w sf r o mc o n t i n u o u sc a s t e rt oh o tc h a r g er o l l i n g ( 1 ) c c c c r ( c o n t i n u o u sc a s t e r - c o l dc h a r g er o l l i n g ) ，连铸一冷坯装炉轧制，简称冷 装。连铸坯因种种原因无法在高温情况下送入热轧加热炉，只好送到板坯库堆放，根据 轧制计划的需要，一定时间后再由库中吊至炉前辊道，装炉加热。装炉温度低于4 0 0 2 的板坯均属此种方式。有些产品根据工艺要求只能放冷后再装炉也属于此种方式 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) c c h c r ( c o n t i n u o u sc a s t e r - h o tc h a r g er o l l i n g ) ，连铸一热坯装炉轧制，装炉温度 一般4 0 0 一7 0 0 ，可以称为温装。当连铸生产计划与热轧轧制计划的衔接上存在一段 时间差时，高温连铸坯也无法直接装入加热炉。为了减少热能损失，可以将热坯放到保 温坑中存放一段时间，需要时再吊出装炉，这样既使热能得到保存，又在时间上得以缓 冲。目前这种方式占有很大的比重。 ( 3 ) c c - d h c r ( c o n t i n u o u sc a s t e r - d i r e c th o tc h a r g er o l l i n g ) ，连铸一直接热坯装炉轧 制，简称热装。由于是通过输送辊道将连铸过来的高温坯直接送入加热炉，装炉温度都 在7 0 0 以上。无疑这是目前连铸与热轧间的最佳衔接方式。 ( 4 ) c c - h d r ( c o n t i n u o u sc a s t e r - h o td i r e c tr o l l i n g ) ，连铸一直接热轧。当连铸机可以 实现高温铸造，在板坯运输过程中采取必要的保温措施，针对板坯边角部温降大等问题 采取边部加热等措施，就可以将达到轧制温度( 1 1 5 0 - 1 2 0 0 【2 ) 铸坯不经加热炉而直接送 上轧线。显然这是最为理想的工艺路线，但它对各个环节都提出十分严格要求，包括板 带自由轧制工艺的实现。因此这一方式的实现尚需相当长一段时间。 以上四种连接方式板坯经过的工序和装炉温度可以归纳如表2 1 所示。表中“” 表示板坯需要经过此道工序，“”表示板坯不经过此工序 表2 1 不同连接方式通过路径及装炉温度 里堂：! ：! 卫! 型! 垫! 塑! 笆垫些盟! i 旦塑型堡! 堂堕些 连铸 板坯库保温坑加热炉热轧装炉温度( ) 由于各钢铁厂的连铸设备和热轧机的装备不同，以及它们之间的连接方式的设计也 不尽相同，构成的轧制方式也有可能是上述四种基本方式的混合。冷装( c c r ) 轧制工艺 根据轧制计划的需要将连铸热坯送到板坯库堆放、冷却，不能直接送入热轧加热炉，一 定时间后再由库中吊至炉前辊道，装炉加热，这个过程造成热能损失。温装( h c r ) 轧制 工艺将无法直接装炉加热的高温连铸坯放到保温坑中存放一段时间，需要时再吊出装 炉，这样使大量热能得到保存。热装( d h c r ) 轧制工艺将通过输送辊道从连铸过来的高 温坯直接送入加热炉，节省大量的能源。而热直s l ( h d r ) 工艺直接将从连铸机拉出的高 温铸坯，就可以将达到轧制温度( 11 5 0 1 2 0 0 ( 2 ) 的要求，这样，铸坯就可以不经过加热炉 基于m u l t i - a g e n t 的连铸热轧一体化生产调度系统 再加热而直接送上轧线轧制成材。显然热装( d h c r ) 和热直轧( 玎) r ) 是最为理想的工艺路 线，它简化了连铸和热轧间的连接工艺，更重要的是这一生产流程减少或消除了加热炉 的再加热过程，节省了大量的能源，是钢铁工业发展的必然方向。 2 1 2 连铸热轧工艺热装热送形式 根据钢铁企业现有设备、工艺流程和生产管理体制，可以有以下两种热送热装模式： 完全热装热送模式和混合热装热送模式。 ( 1 ) 完全热装热送模式 这种模式是基于直接热装为主，保温坑热装作为调节手段。由于在目前的生产条件 下，连铸的生产节奏慢于加热炉的出钢节奏( 轧制节奏) 。另外，连铸的板坯宽度序列与 轧制工艺所要求的宽度序列不协调，直接将全部热坯送入加热炉，在宽度序列衔接以及 时间节奏上都存在困难，所以需要将轧制计划的部分连铸热坯先装入保温坑作为缓冲， 然后再根据轧制计划的顺序和轧制时间装入加热炉。 这种模式的优势在于： 由于保温坑作为缓冲区，一体化生产计划在时间控制上具有一定的弹性，有利 于轧制计划的实施； 加热炉同步执行冷坯计划或者热坯计划，加热制度可以实现同步控制，在执行 热坯计划时，由于热坯加热时间短，所以既提高了加热炉利用率，又提高了轧机的生产 率。 不利因素： 因为需保温坑作为缓冲，保温坑的操作频繁，同时也影响热坯的温度。 这种热传送装模式可作为一体化生产计划的目标，既作为一体化生产计划的首 选模式，但是仍存在一些不足，主要存在灵活性差、缺乏实时调整与检测功能，计划编 制需要人工进行大量调整，造成轧制计划的不能很好搭配。 ( 2 ) 混合热装热送模式 这种模式采用直接热装，保温坑热装和冷装的混合装炉。采用混合式热送热装计划 模式时候，根据板坯的来源、温度不同，对板坯设定不同的加热时间，这样提高了加热 炉的热效率，节省能源。 这种模式优势在于： 充分利用加热炉的热效益，根据不同板坯，设定不同的加热时间； 基本上可以实现全部热坯直接装炉，也提高了加热炉的热效率； 工艺上可以完全匹配。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 这种模式的不足在于： 对装炉、出炉的顺序要求更加严格； 对板坯的装炉和时间限制更加严格，这样有可能对操作带来一定的困难： 选择上述两种模式的原则：模式1 作为追求的目标，在连铸和轧制节奏基本匹配时 候，优先选择；模式2 用于普通情况，比如，在连铸节奏明显慢于轧制节奏时候优先选 择这种模式，将板坯库库存板坯编制到一个轧制计划内 2 2 连铸热轧一体化生产研究方法 在过去的几十年里，基于实际的和理论上的考虑，人们不断地寻找新的调度算法， 其中一个重要的原因是产品制造界的市场竞争激烈程度在不断提高，好的调度方案能够 高资源的利用率和生产管理的水平、降低生产成本、生产出具有竞争力的产品。生产调 度因其在提高生产效率和降低成产成本等方面所起的重要作用，越来越受到学者们的关 注 在对计划与调度问题进行研究的方法上，最初是集中在整数规划、仿真和简单的规 则上，这些方法不是调度结果不理想就是难以解决复杂的问题。近年来，随着各种新的 相关学科与优化技术的建立与发展，在车间调度方面也出现了许多新的优化方法，比如 模拟退火法、遗传算法、禁忌搜索法、粒子群算法等车间调度问题的研究方法正在向 多元化方向发展。生产调度问题的研究方法主要有如下几类【1 4 】： ( 1 ) 启发式方法 启发式方法针对调度问题的n p 特性，并不企图在多项式时间内求得问题的最优解， 而是在计算时间和调度效果之间进行折中，以较小的计算量来得到近优或满意解。启发 式方法通常称为调度规则【b 】。 由于调度规则计算量小、效率高、实时性好，因而在生产调度研究中被广泛采用。 但由于它通常仅对一个目标提供可行解，并且缺乏对整体性能的有效把握和预见能力， 因而在实际应用中常将它与其它方法结合使用，利用其它方法根据具体情况选择合适的 调度规则。 ( 2 ) 离散事件仿真技术 仿真方法是生产调度研究中最常用的方法。该方法通过对实际生产环境的建模来模 拟实际生产环境，从而避开了对调度问题进行理论分析的困难。目前，仿真方法在生产 调度研究中主要有以下两方面内容： 研究各种仿真参数对仿真结果的影响，以便在进行仿真实验时能做出恰当选择， 从而使仿真所取得的结论更全面、更具说服力。 基于l l u l t i - a g e n t 的连铸热轧一体化生产调度系统 将某些方法应用于某个仿真环境，通过仿真评价现有方法之间或新方法与现有 方法之间的优劣，从而总结出各个方法的适用范围，或根据结论数据建立知识库或产生 神经网络的训练样本。 唐立新0 6 , 1 7 】在分析轧钢厂生产作业计划的结构的基础上，建立了热轧精轧工序轧制 批量调度的旅行商模型，这一模型能够适合与带钢、型钢和钢管的轧制生产批量调度问 题。调度仿真方法的优点是它能够将例如在分析模型中不会考虑到的政策改变等因素的 影响映射到模型中去。另一个优点是帮助使用者有机会对做出的调度进行探查性的测 试。仿真的实验本质是它的缺点。不过，仿真研究针对于具体实验设置而产生，所以对 生产调度的理论研究贡献很少。运用仿真来产生生产调度很浪费，这不仅仅来源于产生 调度所需要的计算时间浪费，而且来源于需要设计和运行仿真模型所作的人工脑力劳动 浪费。仿真的准确程度取决于程序员的判断和技能，甚至高精确度的模型化也不能保证 实验中一定能够发现优化调度或者好的调度。 ( 3 ) 专家系统 专家系统在生产调度研究中占有重要地位【堋，目前已有一些较成熟的调度专家系 统，例如i s i s 和o p i s 等。调度专家系统通常将领域知识和现场的各种约束表示成知识 库，然后按照现场实际情况从知识库中产生调度方案，并能对意外情况采取相应的对策。 有效的领域模型和知识表示对于生产调度专家系统的设计十分重要。此外，约束在 调度知识库中也占据重要地位，因为调度的好坏在很大程度上依赖于其对约束的满足程 度。生产调度的决策参数具有很强的不确定性，为了有效地表示这种不确定性，许多学 者选择了概率论，而应用模糊集理论则是一种更为有效的方法。在调度问题中应用模糊 方法的优点在于，可为不精确约束的表示和应用提供丰富的表述语言和系统的框架，并 且能对模糊目标进行评价。 “) 智能搜索算法 应用于调度问题的智能搜索方法包括模拟退火搠、禁忌搜索 2 0 l 、遗传算法【2 1 1 和粒 子群算法圆等。 应用遗传算法解决生产调度的文献较多，其中大多将遗传算法与其它方法结合使 用。j o n e s 等1 2 3 提出一种实时排序和调度算法，它集成了神经网络、实时仿真和遗传算法 等方法，其中遗传算法主要用于对几个备选的调度规则进行优选。粒子群算法与遗传算 法有很多相似之处，他们的基本点都是基于适合度的概率计算，但是也存在一定的区别， 根据国内外的研究表明，粒子群算法与遗传算法相比具有构造简单，不需要复杂编码的 优点，粒子群更不容易落入局部最优且能够更快的收敛于最优解。 ( 5 ) m u l t i - a g e n t 方法 大连理工大学硕士学位论文 m u l t i - a g e n t 通过在一系列分散的智能单元( a g e n t ) 问进行协调来解决问题。详细内 容在第三章介绍。 以上每一种方法或者策略都有自己的优点和缺点，在实际应用中应该具体问题具体 分析，选择一种或几种最适合的使用。 基于m u l t i - a g e n t 的连铸热轧一体化生产调度系统 3 m u l t i - a g e n t 技术 3 1 a g e n t 技术的发展及现状 a g e n t 技术的研究可以追溯到7 0 年代分布式人工智能的研究，主要分为两条线路： 一是从7 0 年代到现在，这条线路主要就a g e n t 理论、a g e n t 的体系结构、a g e n t 语言和多 a g e n t 模型等方面进行研究；另一条是从9 0 年代左右到现在，这条线路以应用研究为主， 内容主要包括a g e n t 的性质、范畴以及各范畴- o a g e n t 的具体性质和应用实例等等。 随着网络技术的发展，多个应用程序之间相互作用的模式正从单一的集成式系统向 分布式系统演化。一个在物理上和地理上分布的应用程序之间通信与合作的网络底层， 基础结构正逐渐建立起来。分布式对象技术则进一步使得分布且异构的应用程序之间能 以一种共同的方式提供和获得服务，实现了在分布式状态下的软集成。智能化和网络化 的发展给a g e n t 提供了一个大家认识它能力的机会，也成为d a i 领域甚至整个计算机领域 的研究热点。a g e n t 理论技术，特别是多a g e n t 理论技术，为分布开放系统的分析、设计 和实现提供了一条崭新的途径，被誉为“软件开发的又一重大突破”。许多专家信心十 足的称：a g e n t 技术将成蔓t j 2 1 世纪软件技术发展的又一次革命。 目前，a g e n t 技术已经被广泛应用到各个领域，包括用户界面、信息检索、信息过 滤、智能信息传递、工作流系统、智能通讯、网络管理等等。世界上许多国家和地区都 十分关心和支持a g e n t 的研究和开发，国内也从9 3 年开始广泛地开展了基于a g e n t 技术的 研究和应用系统的开发，并取得了较大的成果。 3 2 a g e n t 技术 3 2 1 a g e n t 定义 a g e n t 一词直译为“代理”，也有人将它翻译为“智能代理”，广义上它指具有智 能的任何实体，包括人类，智能硬件和智能软件。 a g e n 溉念来自于分布式人工智能( d a i ，d i s t r i b u t e d a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n t ) 领域，它是 分布式人工智能的一个基本术语，是人工智能的个原语。a g e n t 没有一个统一明确的 定义，总结国内外对a g e n t 的各种研究工作，我们发现，不同的研究人员都在自己的系 统中赋予a g e n t 不同的结构、内容和能力，以方便自己特定方向的深入研究。对a g e n t 给 出的典型定义有以下两种。 ( 1 ) a g e n t 是驻留于环境中的实体，它可以解释从环境中获得的反映环境中所发生事 件的数据，并执行对环境产生影响的行为。 大连理工大学硕士学位论文 这一定义出自于f i p a ( f o u n d a t i o nf o ri n t e l l i g e n tp h y s i c a la g e n t ) 。在这个定义中， a g e n t 被看作是一种环境中“生存”的实体，它既可以是硬件，也可以是软件。而软件 a g e n t 的研究者则对a g e n t 进行了如下定义： ( 2 ) 智能软件a g e n t 是能为用户执行特定的任务、具有一定程度的智能以允许自主执 行部分任务并以一种合适的方式与环境相互作用的软件程序。 在更多的应用领域中，研究者把凡是具有智能行为和交互特征的分布式实体都称为 a g e n t 。在这种假设下，人类、机器人、智能嵌入式设备、计算机或智能软件程序都可 以是a g e n t 。而对其他一些研究者来说，a g e n t 只代表具有自主性的分布式智能软件。 3 2 2a g e n t 的特性 a g e n t 是一个具有自治性、自适应性和智能性的内部驱动的实体，它能作用于自身 和环境，同时，a g e n t 是具有社会性的，下面对这些属性进行解释。 ( 1 ) 自主性：a g e n t 具有属于其自身的计算资源和局部于自身的行为控制机制，能够 在没有外界直接操纵的情况下，根据其内部状态和感知到的环境信息，决定和控制自身 的行为。 ( 2 ) 响应性：a g e n t 能够感知所处的环境( 可能是物理世界，操纵图形界面的用户， 或其他a g e n t 等) ，并对相关事件作出适时反应。 ( 3 ) 主动性面向目标：a g e n t 能够遵循承诺采取主动行动，表现出面向目标的行为。 ( 4 ) 学习推理自适应能力：a g e n t 的智能由三个重要部件完成，即内部知识库、学 习或自适应能力以及基于知识库内容的推理能力。 ( 5 ) 可移动性：一个a g e n t 在计算机网络中漫游的能力。 ( 6 ) 角色：a g e n t 在社会活动中对安全性、风险、信任等因素的考虑。 ( 7 ) 通信合作协调：这是a g e n t ) 直具有的社会属性。 3 2 3a g e n t 的结构 目前，人们己提出的a g e n t 的结构大致可分为以下三类。 ( 1 ) 审慎式结构( d e l i b e r a t i v ea r c h i t e c t u r e ) 该结构的特点是a g e n t q b 包含了显式表示的世界符号模型，a g e n t 的决策是通过基于 模板匹配和符号操作的逻辑( 或准逻辑) 推理作出的，如同人们通过“深思熟虑”后作出 决定一样，因此被称为审慎式的结构。该结构在分布式人工智能领域占主导地位。 ( 2 ) 反应式结构( r e a c t i v ea r c h i t e c t u r e ) 该结构的特点是a g e n t q b 包含了感知内外部状态变化的感知器、一组对相关事件作 出反应的过程，和一个依据感知器激活某过程执行的控制系统，a g e n t 的活动是由于受 基于m u l t i - a g e n t 的连铸热轧一体化生产调度系统 到内外部某种“刺激”而发生的，因此被称为反应式的结构。 ( 3 ) 混合式结构田：惭da r c h i t e c t u r e ) 该结构的特点是a g e n t q b 包含了审慎式和反应式两个子系统，通常这两个子系统是 分层次的，前者建立在后者的基础之上。这种结构的研究与实验目前在人工智能领域较 为活跃，有关成果将对分布式系统中a g e n t j 直用功能的增强产生直接影响。图3 1 描述了 组成a g e n t 的基本成分及其作用、各成分的联系与交互机制，以及如何通过感知到的内 外部状态确定a g e n t 应采取的不同行动的算法等等。 a _ e m t 感知器 臣互 四 a g m t 接口 厂爵1 寸弓1 效应器 图3 1a g e n t 基本结构 f i g 3 1 t h eb a s i cs t r u c t u r eo f a g e n t 3 3 多a g e n t 系统 a g e n t 按其应用分为单a g e n t 系统和多a g e n t 系统( m a s ，m u l t i - a g e n ts y s t e m ) 。单 a g e n t 系统主要用于实现本地的任务，也可以用于在网上进行信息搜索。多a g e n t 系统是 由一组独立的但又协同工作的a g e n t 构成的，a g e n t 是其基本的组成单元，又是独立运行 的实体。在多a g e n t 系统中，各a g e n t 相互协商和协作，以完成某一共同任务，其中每个 a g e n t 可以根据负载变化和其他a g e n t 的情况，来协调自身的行为，对实现目标和资源的 使用作合理的安排和调整。 多a g e n t 系统的思想源于h e r b e ts i m 佃的著作 a d m i n i s t r a t i v eb e h a v i o r 2 4 1 ，他认为： 一个大的机构把许多个体组织起来，可以弥补个体工作能力的有限：同样，劳动的分工 和每个个体负责一项专门的任务，可