（控制科学与工程专业论文）面向节能的流程工业系统动态调度建模及算法研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 流程工业是国民经济发展的重要支柱，并广泛存在于冶金、制药、化工等行 业。用先进的制造、控制和管理技术对流程工业生产系统进行改造，保持关系国 计民生的重点工业领域的又好又快发展，对于保障国家安全和增强国家经济竞争 力都非常重要。生产调度是流程企业生产过程控制的核心，提高生产调度的质量 和效率，实现资源的有效配置和生产设备的合理利用，是优化生产、节能降耗的 有效途径，不仅符合经济效益的目标，也符合可持续发展的要求。节约能源是全 人类的主题，是每个国家发展经济的一项长远的战略方针。流程工业是诸多工业 领域中的能耗巨头，节能降耗是保证流程企业可持续发展的关键。 本文以国家自然科学基金重点项目面向节能降耗的有色冶金过程控制若干 理论与方法研究( 项目编号：6 0 6 3 4 0 2 0 ) 的一个子项目：流程工业过程的模 式识别能耗寻优与优化调度方法研究作为背景开展研究，以冶金工业中的动态 调度问题为主要研究对象，主要做了以下工作： 1 、针对经典调度问题中的混合流水车间调度问题( h y b r i df l o w - s h o p s c h e d u l i n gp r o b l e m ，h f s p ) ，引入空闲时间窗口机制，分别以最大流程时间最小和 以能耗最小为主要目标的综合指标最小为目标，建立了数学规划模型。 2 、采用粒子群算法( p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ，p s o ) 求解上述问题；为了克 服基本p s o 算法的缺陷，引入变异算子增强全局搜索能力，并使惯性权重随着进 化代数的变化而变化以增强局部开发能力，构成混合p s o 算法( h y b r i dp s o ， h p s o ) ；仿真结果表明，h p s o 算法的求解效果优于基本p s o 算法。 3 、针对实际生产过程中的实时任务和随机机器故障问题，提出了实时任务动 态调度机制和处理机器故障的再调度机制，并采用h p s o 算法进行仿真实验，结 果表明了所提出的动态调度机制和算法求解动态调度问题的可行性、稳定性和最 优性。 4 、以铝工业生产系统为背景，将铝工业生产系统构成虚拟企业，并抽象为一 个h f s p 问题；按照本文介绍的理论与方法建立模型并求解动态调度问题，仿真实 验说明了方法的可行性。 最后，对全文进行了总结，并对流程工业生产调度问题建模及其求解算法的 下一步研究重点进行了展望。 主题词：节能，流程工业系统，动态调度，实时任务，机器故障，混合流水 车间，空闲时间窗口，h p s o 算法 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 r a c t p r o c e s si n d u s t r yi so n eo ft h ep i l l a ri n d u s t r i e so fn a t i o n a le c o n o m y a n di ti s w i d e s p r e a di nm e t a l l u r g i c a l i n d u s t r y p h a r m a c e u t i c a li n d u s t r y c h e m i c a li n d u s t r ya n ds o o n s o m ei n d u s t r i e so ft h ek e ya r e a sa r eo fv i t a li m p o r t a n c et ot h en a t i o n a le c o n o m ya n d p e o p l e sl i v e l i h o o d i ti ss i g n i f i c a n tt ok e e pt h e s ei n d u s t r i e sh a v eg o o df a s td e v e l o p m e n t f o rp r o t e c t i n gn a t i o n a ls e c u r i t ya n de r d a a n c i n gt h en a t i o n a le c o n o m i cc o m p e t i t i v e n e s sb y i m p r o v i n gt h ep r o c e s si n d u s t r ys y s t e m sw i t ha d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g ，c o n t r o la n d m a n a g e m e n tt h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e s p r o d u c t i o ns c h e d u l i n gi st h ec o r eo fap r o c e s s e n t e r p r i s e sp r o d u c t i o np r o c e s sc o n t r 0 1 i ti sa ne f f e c t i v ew a y t oi m p r o v et h eq u a l i t ya n d e m c i e n c yo fp r o d u c t i o ns c h e d u l i n ga n da c h i e v et h ee f f e c t i v ea l l o c a t i o no fr e s o u r c e s a n dr a t i o n a lu s eo fp r o d u c t i o ne q m p m e n t sf o ro p t i m i z i n gt h ep r o d u c t i o n , s a v i n ge n e r g y a n dr e d u c i n gc o n s u m p t i o n ，w h i c hm e e t st h ee c o n o m i cd e m a n d sa n dr e q u i r e m e n t so f s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t s a v i n ge n e r g yi st h et h e m eo fh u m a n i t ya n dal o n g - t e r m s t r a t e g i cp o l i c yf o rt h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n to fe a c hc o u n t r y p r o c e s si n d u s t r y c o n s u m e sal o to fe n e r g y ，s os a v i n ge n e r g ya n dr e d u c i n gc o n s u m p t i o ni sak e yt oe n s u r e t h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to ft h ep r o c e s se n t e r p r i s e s t 1 1 i sp a p e rh a sd o n es o m er e s e a r c h e sw i t ht h eb a c k g r o u n do ft h ep r o j e c tc a l l e dt h e r e s e a r c ho nt h em e t h o d so fp r o c e s si n d u s t r y sp a t t e r nr e c o g n i t i o n ，e n e r g yc o n s u m p t i o n o p t i m i z a t i o na n ds c h e d u l i n g ，w h i c hi sap a r to ft h ek e yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef u n d p r o j e c t ：t h er e s e a r c ho nt h e o r i e sa n dm e t h o d so ft h en o n - f e r r o u sm e t a l l u r g i c a lp r o c e s s c o n t r 0 1f o re n e r g ys a v i n ga n dc o n s u m p t i o nr e d u c i n g ( p r o j e c tn u m b e r ：6 0 6 3 4 0 2 0 ) t 1 1 i s p a p e rr e s e a r c h e so nt h ed y n a m i cs c h e d u l i n gp r o b l e m si nt h em e t a l l u r g i c a li n d u s t r y ，a n d t h em a i n l yw o r k sa r ea sf o l l o w s ： 1 h y b r i df l o w - s h o ps c h e d u l i n gp r o b l e mf h f s p ) i so n eo ft h et y p i c a ls c h e d u l i n g p r o b l e m s i n t r o d u c i n gt h em e c h a n i s mo fi d i et i m ew i n d o w , t h i sp a p e rs e t su pt h e m a t h e m a t i c a lm o d e l so fh f s pw i t ht h e o b j e c t i v ef u n c t i o n so fm i n i m i z i n gt h e m a k e - s p a na n dt h ec o m p o s i t ei n d i c a t o rc o n s i d e r i n ge n e r g yc o n s u m p t i o nr e s p e c t i v e l y 2 p a r t i c l es w a l i 1o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ( p s 0 1i se m p l o y e dt os o l v et 1 1 eh f s p i n o r d e rt oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so fb a s i cp s oa l g o r i t h m ，h y b r i dp s oa l g o r i t h m ( h p s 0 1i ss t r u c t u r e db yi n t r o d u c i n gt h em u t a t i o no p e r a t o rt oe n h a n c et h ea b i l i t yo f g l o b a le x p l o r a t i o na n dc h a n g i n gt h ei n e r t i aw e i g h tw i t ht h eg e n e r a t i o nt oe n h a n c et h e a b i l i t yo fl o c a le x p l o i t a t i o n t h i sp a p e rh a sd o n es o m es i m u l a t i o n sw h i c hi n d i c a t et h a t h p s oa l g o r i t h mi ss u p e r i o rt op s 0a l g o r i t h mi nt h es o l u t i o no fh f s p 3 t h ed y n a m i cs c h e d u l i n gm e c h a n i s mf a c i n gr e a l t i m et a s k sa n dr e s c h e d u l i n g m e c h a n i s mf a c i n gm a c h i n eb r e a k d o w n sb a s e do nt h em e c h a n i s mo fi d l et i m ew i n d o w a r ep r o p o s e dt od e a lw i t hs o m eu n c e r t a i n t i e si nt h er e a lp r o d u c t i o np r o c e s s t h e nh p s o a l g o r i t h mi se m p l o y e dt os o l v i n gt h ed y n a m i cs c h e d u l i n gp r o b l e m s a n dt h es i m u l a t i o n r e s u l t si n d i c a t et h a tt h em e c h a n i s m sa n dt h ea l g o r i t h m sa r ef e a s i b l e ，s t a b l ea n do p t i m a l i ns o l v i n gt h ed y n a m i cs c h e d u l i n gp r o b l e m s 4 w i t ht h eb a c k g r o u n do ft h ea l u m i n u mi n d u s t r y t h i sp a p e rb u i l d sa na l u m i n u m p r o d u c t i o ns y s t e ma sav i r t u a le n t e r p r i s e ，a n da b s t r a c t st h es c h e d u l i n gp r o b l e mo ft h e v i r t u a le n t e r p r i s ea sh f s p t h e nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h i sp r o b l e mi ss e tu pa n di t i ss o l v e db yt h et h e o r i e sa n dm e t h o d si n t r o d u c e da b o v e ，a n dt h es i m u l a t i o ni n d i c a t e st h e f e a s i b i l i t yo ft h et h e o r i e sa n d m e t h o d s a tl a s t ，t h ew o r k so ft h i sp a p e r r e s e a r c ho nm o d e l i n ga n da l g o r i t h m a r ec o n c l u d e da n dt h ep r o s p e c t i v eo ff u t u r e o fp r o c e s si n d u s t r y s s c h e d u l i n gp r o b l e m i s 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 d i s c u s s e d k e yw o r d s ：e n e r g ys a v i n g ，p r o c e s si n d u s t r ys y s t e m , d y n a m i cs c h e d u l i n g ， r e a l - t i m et a s k ，m a c h i n eb r e a k d o w n ，h y b r i df l o w - s h o p ，i d l et i m ew i n d o w , h y b r i d p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1h f s p 问题数学模型参数表1 5 表2 2 以能耗最小为主要目标的多目标h f s p 问题数学模型补充参数表1 7 表3 1 某流程工业系统工件加工时间表3 0 表3 2 某流程工业系统工件加工能耗表31 表3 3 某流程工业系统工件加工时间表( 续) 3 1 表3 4 某流程工业系统工件加工能耗表( 续) 3 2 表3 5 基于最大流程时间的单任务调度仿真结果统计表3 4 表3 6 多目标单任务h f s p 问题的仿真结果统计表3 5 表3 7 多目标单任务h f s p 问题的仿真结果统计表( 续) 3 5 表4 1 基于最大流程时间的实时任务调度仿真结果统计表5 l 表4 2 以能耗最小为主要目标的多目标实时任务调度仿真结果统计表5 3 表4 3 以能耗最小为主要目标的多目标实时任务调度仿真结果统计表( 续) 5 3 表5 1 各批量铝土矿的加工时间表5 9 表5 2 各批量铝土矿的加工能耗表6 0 表5 3 各并行机空转能耗表6 0 表5 4 铝工业生产系统多目标单任务问题的仿真结果统计表6 1 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 混合流水车间调度问题示意图3 图1 2 现代铝工业生产流程简图一4 图1 3 铝工业系统生产s t n 图5 图2 1 某机器k 的“忙”与“空闲时间表示1 2 图3 1 示例g a 嫩图1 。2 7 图3 2 示例g a n r 图2 。2 8 图3 3h p s o 算法流程图3 0 图3 4 各机器空闲时间窗口集示意图3 2 图3 5 基于最大流程时间的1 2 工件单任务h f s p 问题调度g a i l t t 图3 3 图3 6 基于最大流程时间的2 4 工件单任务h f s p 问题调度g a n 钍图3 3 图3 7 基于最大流程时间的2 4 工件单任务问题求解进化曲线图3 4 图3 8 多目标单任务h f s p 问题最大流程时间进化曲线图3 6 图3 9 多目标单任务邯s p 问题总能耗进化曲线图3 6 图3 1 0 多目标单任务h f s p 问题基于综合指标的适应度值进化曲线图3 6 图3 1 l 多目标1 2 工件单任务h f s p 问题调度g 锄t t 图一3 7 图3 1 2 多目标2 4 工件单任务h f s p 问题调度g 舢图3 7 图4 1 空闲时间窗口随初始时刻更新示例1 4 2 图4 2 空闲时间窗口随初始时刻更新示例2 4 2 图4 3 最小工件工序集选取示例1 一4 6 图4 4 最小工件工序集选取示例2 一4 6 图4 5 最小工件工序集选取示例3 4 6 图4 6 某任务的原始调度方案g a n 仕图4 7 图4 7 再调度工件工序集示例图4 7 图4 8 故障机器空闲时间窗口更新示例1 4 8 图4 9 故障机器空闲时间窗口更新示例2 4 8 图4 1 0 故障机器空闲时间窗口更新示例3 4 8 图4 1l 基于最大流程时间的6 工件实时任务调度g a n a 图5 0 图4 1 2 基于最大流程时间的1 2 工件实时任务调度g a n a 图5 1 图4 1 3 基于最大流程时间的实时任务调度进化曲线图5 1 图4 1 4 以能耗最小为主要目标的多目标6 工件实时任务调度g a n a 图5 2 图4 1 5 以能耗最小为主要目标的多目标1 2 工件实时任务调度图5 2 图4 1 6 以能耗最小为主要目标的多目标实时任务综合指标适应度进化曲线图5 3 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 1 7 以能耗最小为主要目标的1 2 工件实时任务调度进化曲线图5 4 图4 1 83 个实时任务的动态调度g a n t t 图5 5 图4 1 9 再调度工件工序集任务取消后的g a n t t 图5 6 图4 2 0 基于最大流程时间的再调度g a n t t 图5 6 图4 2 1 多目标h f s p 问题再调度g a n t t 图5 7 图5 1 每吨铝生产能耗分布图5 9 图5 2 铝工业生产系统多目标生产调度g a n t t 图6 1 图5 3 铝工业生产系统多目标单任务进化曲线图- 6 2 图5 4 铝工业生产系统再调度工件工序集任务取消后的g a n t t 图6 3 图5 5 铝工业生产系统多目标问题再调度g a n t t 图6 3 图5 6 铝工业生产系统多目标实时任务调度g a n t t 图6 4 第v i 页 独创性声明 本人声晚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，除了文孛特别加以标注和致谢昀地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含力获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书两使用过的材料与我一河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： 堑蜜堇毽塑逸蕉王冀壅蕴塑奎翅鏖建搓盈差鎏叠意 学位论文作者签名：夔笙! 耋 器期：扫吵年搿月岁疆 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，使用学位论文妁规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构遥交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阕和借阕；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 瘁进行捡索，可以采用影印，缩印或扫描等复割手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在髌密后适用本授权书) 学位论文作者签名：望丝 储精教师数：靶 日期：二曩矽年以月厂日 疆期：卅年，月7 日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 随着科学技术的进步和经济的集约式发展，生产规模的大型化和生产过程的 连续化已经成为各类生产过程的主要特征。企业的生产规模越来越大，复杂性越 来越高，这对企业的管理和对生产过程的监控都提出了更高的要求。研究表明， 单靠提高设备的技术含量和控制水平还远远不够。为了保证企业获得更大利益， 并在市场竞争中处于有利地位，原来简单的、仅仅依靠经验的管理和控制方法已 经不能满足现代企业的生产要求。提高生产资源的合理分配，最佳地安排与组织 生产过程，提高系统操作的最优性，即实现生产调度优化，对降低生产成本、实 现节能降耗、提高企业的核心竞争力，都将具有广阔的提升空间。因此，自1 9 7 3 年美国约瑟夫哈林顿( j o s e p hh a r r i n g t o n ) 博士提出计算机集成制造( c o m p u t e r i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ，c i m ) 的概念以来，借助于计算机硬件和软件，综合运用 现代管理技术、信息技术、自动化技术和系统工程技术的达成信息流、物流、价 值流有机集成并优化，以实现产品上市快、质量高、能耗低等目标的生产计划与 调度方法越来越受到重视。我国1 9 8 6 年成立了8 6 3 c i m s ( c i ms y s t e m ) 主题，提出 了c i m s 计划并取得重要进展，为提高企业的柔性、鲁棒性、敏捷性，使企业赢 得市场竞争发挥了重要作用。同年，欧共体提出流程工业c i m s ，即c i p s ( c o m p u t e r i n t e r g r a t e dp o r c e s s i n gs y s t e m s ) ，把c i m s 的概念延伸到了流程工业。 生产调度问题是非常复杂的问题，通常是多目标、多约束、非线性、不确定 性的组合优化问题，绝大多数生产调度问题已被证明是n p ( n o n d e t e r m i n i s t i c p o l y n o m i a l ) 完全问题l l 列。生产调度与优化问题一直是国内外学者研究的热点问 题之一。其中，c o n w a y 、m a x w e l l 和m i l l e 等人的研究为调度理论奠定了基础。自 上世纪5 0 年代以来，应用数学、运筹学和工程技术等领域的科学家对调度问题开 展了一系列的研究。首先是将数学规划的方法用于生产调度和优化【3 j 。由于生产调 度问题的复杂性，从7 0 年代开始人们开始研究人工智能的方法在生产调度和优化 中的应用并不断趋于成熟。 能源危机日益突出，节约能源已成为全人类的主题，是国家发展的重要战略 方针。以往的生产调度理论与方法往往只关注生产成本和生产利润等经济指标， 忽略了资源和能源消耗这一重要指标。特别是在能耗巨大的流程工业系统，研究 以降低能耗为目标的生产调度理论与方法，具有重大的现实意义【4 】。而冶金工业又 是流程工业中的耗能巨头，以铝工业为例，拜耳法生产氧化铝能耗约为4 1 4 9 g j t ( a 1 2 0 3 ) ( 约l1 5 2 5k w h t ) ，烧结法则达到4 8 3 1 g j t ( 约1 3 4 1 9 4 4k w - h t ) ，而 电解铝生产电能消耗( 美国) 约为5 5 4 7g j t ( 1 5 4 0 9 0 3 k w h t ( a 1 ) ) t 5 ，6 l 。如果在铝 工业系统科学合理地安排和组织生产过程，将能够节约大量的能源。 第l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 本文以国家自然科学基金重点项目面向节能降耗的有色冶金过程控制若干 理论与方法研究( 项目编号：6 0 6 3 4 0 2 0 ) 的一个子项目：流程工业过程的模 式识别能耗寻优与优化调度方法研究为背景，将研究面向节能的流程工业系统 的生产调度理论，并以铝工业生产系统为实例，对模型和算法进行验证。 1 1 基于虚拟企业的流程工业系统生产调度问题 1 1 1 虚拟企业概述 企业内部效率的单独提升对于提高企业竞争力的贡献是有限的，因此，依靠 企业外部效率的提升以达到自身竞争力的提升逐渐备受关注1 7 j 。虚拟企业( v i r t u a l e n t e r p r i s e ，v e ) 理论就应运而生。 虚拟企业是近年来发达国家和先进企业研制发明的一种新型的企业运行模 式。虚拟企业的概念由p r e i s s 、g o l d m a n 和n a g e l 于1 9 9 1 年在报告( 2 1 s tc e n t u r y m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e ss t r a t e g y ：a ni n d u s t r y l e dv i e w ) ) 中首次提出哺j 。此后，虚 拟企业的概念得到实业界人士的广泛重视，但至今仍然没有完全统一的定义。 t u l l u r i 和b a k e r l 9 j 、g r a i n e r 和m e t e s 1 0 l 、w a l t o n 和w h i c k e r 1 1 1 等人都曾对虚拟企业 作过定义。综合各种典型的定义，并进行推广，本文将虚拟企业定义为： 定义1 1 一些相互独立的企业或业务实体以本身为结点，组成一个生产供应 链联盟，在诸如设计、制造、分销等领域分别为该联盟贡献出自己的核心能力， 以实现技能共享和成本分担，提高企业自身市场竞争力。 构建虚拟企业的目的在于，突破企业组织形式的限制，对同一行业或领域的 相关企业进行资源有效整合，通过对整合后的生产供应链进行资源的优化和调度， 最大限度地节约资源能源和提高企业竞争力。 1 1 2 流程工业系统及其生产调度问题 流程工业主要通过对原材料进行混合、分离、加热等物理或化学反应，使原 材料增值，如冶金、制药、化工等。而流程工业系统则定义如下： 定义1 2 流程工业系统是指以生产某一类( 或某几类) 产品为主线，以承担生产 该类( 或该几类) 产品的主要加工工序的流程企业为主体的相关企业所构成的系统。 例如在冶金行业中，铝材生产从原料铝土矿开始，需要经过采矿配矿、氧化 铝生产、电解铝、铝加工等几个主要工序。其中，氧化铝生产、电解铝生产等均 属典型的流程工业。相应地，氧化铝厂( 或公司) 和电解铝厂( 或公司) 属于流程企业。 以氧化铝厂、电解铝厂为主体，包括采矿厂、铝加工厂在内的相关企业便构成了 铝工业生产的流程工业系统。流程工业具有生产过程连续性的特点，流程工业系 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 统的生产过程则是由几个连续的和( 或) 离散的生产过程所构成。如果把每个连续的 生产过程视为一道不可分割的工序，那么，流程工业系统的生产过程就类似于离 散制造业的生产过程，流程工业系统的生产调度问题就类似于离散制造业的生产 调度问题。 本文正是基于这种思路，将个流程工业系统构成一个虚拟企业，系统内的 各个相关企业作为虚拟企业内的各个结点，由于流程工业系统的生产调度问题类 似于离散制造业的生产调度问题，离散制造业的生产调度理论和方法便可以直接 运用到流程工业系统的生产调度问题上来。比如，构建虚拟企业的流程工业系统 类似于典型的流水车间调度问题( f l o w - s h o ps c h e d u l i n gp r o b l e m , f s p ) 或混合流水 车间调度问题( h y b r i df l o w s h o ps c h e d u l i n gp r o b l e m , h f s p ) ，则流水车间或混合 流水车间的调度理论与方法就可运用到该流程工业系统的生产调度中来。因此， 本文基于该思路首先研究混合流水车间的生产调度方法，然后以铝工业生产系统 作为流程工业系统实例，直接将所研究的方法运用到铝工业生产系统生产调度中 来。 h f s p 问题是s a l v a d o r f l 2 】于1 9 7 3 年提出的一类典型的离散生产调度问题，十 分具有代表性，广泛存在于机械制造、冶金等行业中，因此一直是生产调度研究 的热点之一1 1 3 q 8 ，对于研究流程工业系统调度问题具有很强的指导意义。 h f s p 问题是f s p 问题的一般化，相比f s p 问题，主要特征是在某些工序中 存在并行机器，因此h f s p 问题更为复杂。 如图1 1 所示，h f s p 问题可描述为l l j ：需要加工n 个同质工件，所有工件的 加工过程都相同，都需要依次通过m 道工序( 车间) ，在工序j ，有坞o = 1 ，2 ，m ) 台并行同质机器。需要解决的问题是，以一定的经济指标或性能指标为优化目标， 确定并行机器的分配情况以及同一台机器上工件的加工顺序。 n 个 工 件 m 道工序 图1 1 混合流水车间调度问题示意图 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 1 3 铝工业生产概述 现代铝工业有4 个主要生产环节i l 卅：( 1 ) 从铝土矿中提取纯氧化铝；( 2 ) 用冰晶 石氧化铝熔盐电解法生产金属铝；( 3 ) 铝加工；( 4 ) 铝的再生利用。现代铝工业生产 流程简图如图1 2 所裂1 9 。此外，还有两个重要的辅助环节：( 1 ) 炭素电极制造；( 2 ) 氟盐生产。 氧化铝工业主要采用碱法生产氧化铝工艺，其一般工艺原理为通过加入氢氧 化钠或碳酸钠来处理采选后的铝矿，得到铝酸钠溶液，该溶液经过净化处理后， 用降温或碳酸化方法进行强制分解得到氢氧化铝，然后经过焙烧脱水得到产品氧 化铝。碱法生产工艺又分为拜耳法、烧结法和联合法三种工艺流程【6 j 。 拜耳法生产氧化铝的工艺过程是用含有氢氧化铝的溶液在高温高压下溶出铝 土矿中的氧化铝得到铝酸钠溶液，而矿中的杂质则生成不溶的化合物入渣，铝酸 钠溶液在净化后，加入氢氧化铝晶种进行分解得到氢氧化铝，经焙烧后得到氧化 铝。 图1 2 现代铝工业生产流程简图 烧结法生产氧化铝是将铝土矿、碳酸钠和石灰制成料浆，进行烧结得到铝酸 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 钠熟料，然后用水或者稀碱溶液对铝酸钠熟料进行溶出，得到铝酸钠溶液，将此 溶液进行脱硅净化处理后，往溶液中通入二氧化碳进行碳酸化分解得到氢氧化铝 晶体，再经焙烧脱水得到氧化铝。 联合法就是将拜耳法和烧结法结合起来形成的工艺流程。根据联结方式的不 同可以分为串联法、并联法和混联法。目前，我国铝厂采用的联合工艺流程都是 混联法。混联法是使用拜耳法处理低铝土矿得到赤泥和铝酸钠溶液，将溶液送去 净化分解，赤泥则与高硅铝土矿混合烧结至熟料进入烧结生产流程。 现代金属铝的生产主要采用冰晶石一氧化铝融盐电解法1 2 u l 。直流电通入电解 槽，使溶解于电解质中的氧化铝在槽内发生化学反应，在阴极电解析出铝，在阳 极电解析出一氧化碳和二氧化碳气体。 铝加工主要是将铝液加工成重熔用铝锭、铝线锭、铸造铝合金锭和变形铝合 金锭等 2 0 1 。铸造的主要设备是混合炉和铸造机。浇铸重熔用铝锭和铸造铝合金锭 的铸造机有倾斜式和水平连续式铸造机；浇铸铝线锭和变形铝合金锭的铸造机主 要有立式半连续和横向水平连续铸造机。 1 1 4 以铝工业生产系统为背景构建的虚拟企业 由于原铝消费量的迅速增加，以及生产每吨铝的固定成本随着铝厂规模的扩 大而减少，因此现代铝厂的建设规模不断扩大i 例，构成大型铝生产基地，使得每 个铝生产基地能够构成一个从铝土矿到氧化铝，再从氧化铝电解到商品铝锭，甚 至生产铝型材、板材、线材等制品的，包括采矿厂、氧化铝厂、电解铝厂、铝加 工厂等的完备的铝工业生产系统。一个地区的铝工业生产系统构成了一个铝工业 生产的虚拟企业，各个相关的工厂或车间就是虚拟企业的各个结点。 现将铝工业生产系统的流程进行适当简化，用状态任务网络图( s t a t et a s k n e t w o r k ，s r n ) 表示，如图1 3 所示。 图1 3 铝工业系统生产s t n 图 采矿配矿、氧化铝生产、铝电解、铝加工可以看作是铝工业系统生产流程的4 道主要工序。若有某铝工业生产系统：假设在采矿配矿工序有旭个矿区，则可以 看作是尬台并行机：在氧化铝生产工序，假设有m 2 个氧化铝厂，则可以看作是m 2 台并行机；在电解铝工序，假设有m 3 个电解槽系列，构成地个电解铝车间，可以 看作是m 3 台并行机；在铝加工工序，假设有尬个加工厂，则并行机数为尥。因此， 该铝工业系统构成的铝生产虚拟企业生产调度问题可以看作是有4 道工序，各工 序并行机数分别为胍、m 2 、m 3 、尬的h f s p 问题。那么一定批量的原料就可以 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 看作是h f s p 问题中的“工件”。比如，在采矿配矿和氧化铝生产工序，待加工“工 件 为铝土矿；在电解铝工序，待加工“工件”为氧化铝原料；在铝加工工序， 待加工“工件 为原铝液。 1 2 动态调度问题的提出及其研究对象 1 2 1 动态调度问题的提出 生产调度可分为静态调度( s t a t i cs c h e d u l i n g ) 和动态调度( d y n a m i cs c h e d u l i n g ) 两大类。 静态调度是在调度环境确定和任务已知前提下的所谓事前调度方法。静态调 度通常建立在以下假设条件基础之上【2 l j ：( 1 ) j j l - l 任务是确定的，且在安排计划时 已下达；( 2 ) 所有加工工件的机器是连续可用的；( 3 ) 所有工件在每台机器上的加 工时间是确定的。近年来，研究者对静态调度已经有了比较深入的研究【i j 比啪j 。在 实际生产过程中，尽管在调度之前对系统进行了充分的估计，但是生产过程中的 诸多不确定性因素难以准确地预测。这些因素往往影响调度方案，使得实际生产 进度相对静态调度的方案发生偏离，需要进行动态的调整。比如，为了适应市场 需求，加工任务可能会随时到达；生产设备的状态也会随着时间发生改变，即生 产设备会随时发生故障；而加工时间也是一个随机过程。这些因素都可能使原来 的静态调度不符合实际的要求。因此，静态调度在实际中往往难以得到广泛应用 【2 7 】 o 为了适应实际生产过程中的不确定性和随机性，j a c k s o n l 2 8 1 于1 9 5 7 年就提出了 动态调度的概念，并与静态调度加以区分。动态调度是指在调度环境和任务存在 不确定性和随机性的条件下的调度，它不仅依赖于事前的调度环境和任务，而且 与当前状态有关。针对不同的因素，动态调度策略是不同的，可以分为事件驱动 型和周期驱动型两种。所谓事件驱动型动态调度是指定义一些关键事件，如实时 任务和机器故障等，当关键事件发生，原来的调度不再可行时所进行的调度修正， 又可称为被动调度( r e a c t i v es c h e d u l i n g ) 。而周期驱动型动态调度主要针对随机 加工时间，是指调度方案随着时间的推移周期性地动态进行生产调度，又称为滚 动调度( r o l l i n gs c h e d u l i n g ) 。被动调度是在原有的静态调度基础上进行的，其目 标是尽量维持原来的调度水平。而滚动调度既可在原来的静态调度基础上进行删j ， 也可以直接进行p o 】，其目标是使调度在当前优化区域内最优或近似最优u 】。 1 2 2 动态调度问题的研究对象 为了满足实际实际调度问题的实时性和动态性要求，动态调度就是基于生产 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 过程中的不确定性因素进行建模并求解的。动态调度从上个世纪8 0 年代才开始进 行研究，9 0 年代后开始深入。动态调度的研究对象就是生产过程中的那些不确定 性因素。刘琳j 、h a m i d z a d e b l 3 2 1 等人研究了实时任务的动态调度问题。所谓实时 任务，就是指到达时间不可预知的实时到达的任务。实时任务可能具有不同的优 先级，或者说存在紧急任务的随机插入，而且实时任务动态调度不仅要考虑任务 的添加，还要考虑某些已进行调度的任务的取消，因此研究内容较为广泛。 a l a i d e 3 3 】、x i a o q i a n gc a i l 3 4 】、w e n j u ny i n 3 5 1 、刘昶【3 6 1 、c h i ns o o nc h o n g p t 、m i k k e l t j e s e n t 3 引、g y u l ak u l c s l d 3 9 1 等人研究了处理机器故障的再调度问题。李素粉d o 、 d o n gc h e n t 4 、s a w a tp a r a r a c h 4 2 。、s o t s k o v l 4 3 1 等人还对具有随机加工时间的动态调 度问题进行了研究。这些研究有些是基于柔性制造系统，有些是基于作业车间生 产调度问题的，a l a i d e 幽j 、李素粉1 4 0 j 等人则是基于流水车间问题进行研究的。 但是，关于动态调度的理论与方法目前仍不成熟，迫切需要进一步的发展。 1 3 1 运筹学的方法 1 3 动态调度的研究方法 运筹学的方法是将生产调度问题简化为数学规划模型，在等式或不等式约束 下，对一个或多个目标进行优化。 运筹学方法主要包括数学规划方法( m a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n g ) 、分支定界法 ( b r a n c ha n db o u n d ) 和拉格朗日松弛法( l a g r a n g i a nr e l a x a t i o nm e t h o d ) 等。这类方法 通常基于某些简化的假设，并能产生一个最优调度方案。 运筹学方法对解空间搜索的全局性较好，但其效率较低，难以求解大规模的 实际问题。现已证明，绝大多数调度问题是n p 完全问题，随着调度问题规模的增 大，上述方法的求解难度将急剧增加