（系统工程专业论文）基于鲁棒优化方法的一体化炼钢炉次批量计划研究.pdf

at h e s i si ns y s t e m s e n g i n e e r i n g i i l l l l l li i i ii l li l l l lt lu l y 18 4 2 9 9 0 i n t e g r a t e db a t c hp l a n n i n gr e s e a r c ho fs t e e l m a k i n g b a s e do nr o b u s t o p t i m i z a t i o nm e t h o d b yh a nz h i x i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rh u a n gm i n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 t 心e - = j ： 产 ，鹰 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 也 恧。 学位论文作者签名：旆矗雹 日 期：一口少牛7 目7 自 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校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。本人同意东北大学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、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年酉一年口一年半口两年。 学位论文作者签名：辫吞弓 签字日期： 叮耳、l 自7 目 导师签名： 签字日期： 影嗽 劢研7 - 7 ll卜r“ ， ， l ， ， r 、 一， 一 ? 0 东北大学硕士学位论文中文摘要 基于鲁棒优化方法的一体化炼钢炉次批量计划研究 摘要 在钢铁企业中，炼钢、连铸、热轧是钢铁生产的三大主要生产阶段，其计划编制好 坏直接影响到企业的经济效益。目前，炼钢一连铸一热轧一体化批量计划已经成为企业发 展的方向，对其进行研究具有重要的理论意义。炼钢批量计划作为生产计划中的上游工 序，其计划编制的结果对后序计划的编制具有重要的影响。如何编制出合理的炼钢批量 计划，对于企业降低生产成本、降低能耗、缩短生产周期、减少库存、提高企业生产效 率具有重要的意义。 本论文结合“9 8 5 工程”流程工业综合自动化科技创新平台暨流程工业综合自动化 教育部重点实验室开放课题“炼钢连铸热轧生产计划一体化仿真实验系统的研究，以 某钢厂生产过程为背景对炼钢批量计划研究。本文的主要研究工作： ( 1 ) 对国内外钢铁生产一体化批量计划研究现状和应用现状进行了综述；对炼钢 批量计划研究现状进行了综述，指出了当前炼钢批量计划编制方法中的一些问题。 ( 2 ) 对生产批量计划问题进行了概述；进而对钢铁生产一体化批量计划问题概述， 首先介绍了一体化批量计划要达到的目标和模型体系，然后分别从炼钢、连铸、热轧三 个生产阶段介绍了各个阶段的工艺流程、要达到的目标以及批量计划的编制策略；对鲁 棒优化方法的产生、发展、基本框架和机理以及鲁棒优化的几种基本类型进行了概述。 ( 3 ) 针对炼钢批量计划传统解决方案中出现的问题，提出了基于鲁棒优化方法的 炼钢炉次批量计划数学模型，并从实际应用角度分析了改进后模型的优点。 ( 4 ) 针对基于鲁棒优化方法的炼钢炉次批量计划数学模型，分别设计了启发式算 法和遗传算法，并以国内某大型钢铁企业实际生产数据作为实验数据，进行仿真实验， 验证了模型和算法的可行性。 关键词：炼钢批量计划；启发式算法；遗传算法；一体化计划 i i - 一 - - 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t i n t e g r a t e db a t c hp l a n n i n gr e s e a r c ho f s t e e l - m a k i n gb a s e do nr o b u s t o p t i m i z a t i o n m e t h o d a bs t r a c t i ni r o n & s t e e le n t e r p r i s e s ，s t e e l - m a k i n g ，c o n t i n u o u s - c a s t i n ga n dh o t r o l l i n ga r et h r e e c r i t i c a lp r o c e s s e s t h eb a t c hp l a n n i n gr e s u l to fe a c hp r o c e s sh a sd i r e c ti m p a c to np r o d u c t i v i t y o fe n t e r p r i s e s t h er e s e a r c ho ni n t e g r a t e dp r o d u c t i o nb a t c hp l a no fs t e e l - m a k i n g ，c o n t i n u o u s c a s t i n ga n dh o t - r o l l i n g ( s m - c c h r ) h a sb e c o m i n gt h ed i r e c t i o no fi r o n & s t e e le n t e r p r i s e s ， a n dh a sa ni m p o r t a n ta c a d e m i cs i g n i f i c a n c e t h eb a t c hp l a n n i n gr e s u l to fs t e e l m a k i n gh a sa n i m p o r t a n ti m p a c tt oa f t e rp r o c e s s sb a t c hp l a n n i n g ，a su p s t r e a mo fp r o d u c tp l a n s o ，h o wt o m a k ear e a s o n a b l es t e e l - m a k i n gp l a n ，h a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et oi r o n & s t e e le n t e r p r i s e s l o w e rp r o d u c t i o nc o s t s ，r e d u c ep o w e rc o n s u m p t i o na n ds h o r t e nt h ep r o d u c t i o nc y c l e ，r e d u c e i n v e n t o r y , i m p r o v ee n t e r p r i s ep r o d u c t i v i t y t h i st h e s i su n i t et h er e s e a r c ho nt h ep l a n n i n go fs t e e l m a k i n g ，c o n t i n u o u sc a s t i n ga n d h o t - r o l l i n gi n t e g r a t e ds i m u l a t i o ns y s t e mw h i c hi st h eo p e np r o b l e mo ft h ep r o c e s si n d u s t r y i n t e g r a t e da u t o m a t i z a t i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yi n n o v a t i o nf l a t & p r o c e s si n d u s t r y i n t e g r a t e da u t o m a t i z a t i o nm i n i s t r y o fe d u c a t i o n k e y s t o n e l a b 9 8 5p r o j e c t t h e s t e e l - m a k i n gb a t c hp l a n n i n gi sr e s e a r c h e di nt h eb a c k g r o u n do ft h ep r o d u c t i o np r o c e s so fo n e s t e e lc o m p a n y t h em a i n w o r ka n dr e s e a r c ha r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fi n t e g r a t e db a t c hp l a n n i n gf o rd o m e s t i ca n do v e r s e a s i ss t u d i e d ，t h er e s e a r c ho fs t e e l - m a k i n gb a t c hp l a ni ss t u d i e da n dp o i n to u ts o m ei s s u e so f s t e e l m a k i n gb a t c hp l a n ( 2 ) t h eo v e r v i e w so fp r o d u c tb a t c hp l a na r es t u d i e d a n d e x t e n dt oi r o n & s t e e l i n t e g r a t e db a t c hp l a nr e s e a r c h a tf i r s ti n t r o d u c et h et a r g e ta n dm o d e ls y s t e mo fi n t e g r a t e d b a t c h p l a n ，t h e nf r o ms t e e l - m a k i n g ，c o n t i n u o u sc a s t i n ga n dh o t r o l l i n gi n t r o d u c et h e p r o c e s s ，t h et a r g e t sa n ds t r a t e g i co fp l a n a l s o ，o ft h ee m e r g e n c eo fr o b u s to p t i m i z a t i o n ， d e v e l o p m e n t ，a n dt h eb a s i cf r a m e w o r ka n dm e c h a n i s ma sw e l la st h er o b u s t n e s so fs e v e r a l b a s i ct y p e so fo p t i m i z a t i o na r es t u d i e d ( 3 ) t ot h ep r o b l e m so fs t e e l m a k i n gb a t c hp l a n sm a t h e m a t i c a lm o d e l ，p r o v i d ean e w m a t h e m a t i c a lm o d e lb a s e do nr o b u s to p t i m i z a t i o nm e t h o d ，a n da n a l y s i so ft h ea d v a n t a g e so f i i i f - - ，1 - 型壁型丝墼_ 一 坐型 - 一 - u j u “、， t h ei m p r o v e dm o d e lf r o mp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ( 4 ) t ot h es t e e l m a k i n gb a t c hp l a n sm a t h e m a t i c a lm o d e lb a s e do nr o b u s t o p t i m i z a t i o n m e t h o d ，d e s i g n e dh e u r i s t i ca l g o r i t h ma n dg e n e t i ca l g o r i t h m a n di r o n & s t e e l e n t e 椰s e s p r o d u c t i o nd a t aa sa c t u a le x p e r i m e n t a ld a t a ，e x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o no ft h em o d e la n d a l g o r i t h me f f e c t i v e n e s s k e yw o r d s ：s t e e l 。m a k i n gb a t c hp l a n n i n g ；h e u r i s t i ca l g o r i t h m ；g e n e t i ca l g o r i t h m ；i n t e 伊a t e d p l a n n i n g i v ， 东北大学硕士学位论文 目录 目录 声明i 中文摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 引言1 1 2 一体化批量计划研究现状2 1 2 1 一体化批量计划出现2 1 2 2 一体化批量计划发展现状2 1 3 炼钢批量计划研究现状5 1 4 课题来源、选题依据及研究意义。6 1 4 1 课题来源一6 1 4 2 选题依据6 1 4 3 研究意义7 1 5 本文的工作7 第2 章相关理论研究9 2 1 生产批量计划问题研究9 2 1 1 生产批量计划问题的基本类型一9 2 1 2 几种典型的生产批量计划问题1 0 2 1 3 生产批量计划问题的研究方法1 0 2 2 一体化批量计划问题研究1 1 2 2 1 一体化批量计划总体目标1 1 2 2 2 一体化批量计划模型体系1 2 2 2 3 炼钢批量计划问题研究1 4 2 2 4 连铸批量计划问题研究16 2 2 5 热轧批量计划问题研究1 9 2 3 鲁棒优化方法研究2 2 2 3 1 鲁棒优化方法的产生及发展2 2 2 3 2 鲁棒优化方法的框架和机理2 3 2 3 3 鲁棒优化方法几种基本类型2 4 2 4 本章小结2 8 v 东北大学硕士学位论文目录 第3 章一体化柔性炉次批量计划数学建模2 9 3 1 传统炉次批量计划数学建模2 9 3 1 1 研究问题的背景2 9 3 1 2 问题描述2 9 3 1 3 问题建模3 0 3 2 基于鲁棒优化方法的一体化柔性炉次批量计划数学建模3 2 3 2 1 研究问题的背景。：3 2 3 2 2 问题描述3 2 3 2 3 问题建模3 3 3 3 一体化柔性炉次计划模型的优点3 7 3 4 本章小结3 8 第4 章一体化柔性炉次批量计划算法设计3 9 4 1 启发式算法3 9 4 1 1 启发式算法简介3 9 4 1 2 启发式算法设计3 9 4 1 3 实验结果与分析4 5 4 2 遗传算法4 9 4 2 1 遗传算法简介4 9 4 2 2 遗传算法设计5 0 4 2 3 实验结果与分析5 2 4 3 算法比较5 6 4 3 1 传统人工编制5 6 4 3 2 不同算法实验结果比较6 0 4 4 本章小结6 0 第5 章总结与展望6 1 参考文献6 3 致谢6 9 作者从事科学研究和学习经历的简历7 1 v i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 钢铁工业是国民经济的重要基础产业，是实现工业化的支撑产业，是技术、资金、 资源、能源密集型产业。 进入2 l 世纪以来，随着全球经济一体化进程的加快，钢铁企业直接面临着同国际 一流企业在技术、质量、管理、价格、服务等方面的全面竞争。一方面，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；另一方面，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。 面对产品品种、规格、数量的多样化，产品品种、规格生命周期的缩短，工艺革新速度 的加快，建造高效率、低能耗、低成本、低污染的现代化钢铁企业已经成为发展趋势。 因此，采用先进的管理理念，利用信息化、现代化技术改造传统的钢铁企业，是企业在 日益激烈的全球市场竞争中立于不败之地的发展方向。 二 近年来，在以网络科技和知识管理为特征的新形势下，生产制造集成化和信息化已 经成为企业变革的焦点，企业管理模式的变革已经成为企业管理中的重要方面。为了在 激烈的市场竞争中赢得竞争优势，许多企业都实施了m r p i i e r p 系统，以提高企业的 经营管理水平。然而，在传统的m i 冲i i e i 心体系结构下，位于上层以财务分析、决策 为核心的e r p 系统和底层以设备控制为核心的过程控制系统之间信息交互性差，使得 上层m r p i i e r p 系统对底层p c s 系统的决策管理效果大打折扣，甚至导致m r p i i e r p 系统实施失败。2 0 世纪9 0 年代，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 g r e s e a r c h ，称a m r ) 提出了制造执行系统( 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 ，简称m e s ) 【h 】，填补了信息化过程中上层m r p i i e r p 系统和底层的过程控制系统之间在生产执行 领域的空白，m e s 已经成为生产活动和管理的桥梁。1 9 9 2 年，a m r 又提出了三层企业 管理模型：企业级、生产级、过程级，如图1 1 所示。其中，m e s 主要完成生产计划的 调度与统计、生产过程成本控制、产品质量控制与管理、物流控制与管理、设备安全控 制与管理、生产数据采集与处理等功能，生产计划与调度是m e s 的核心功能。 钢铁企业为了提升综合竞争力和持续发展的后动力，纷纷采用先进的管理理念，利 用现代化信息技术、自动化技术，在较为完善的基础自动化基础上，陆续建立了不同程 度的计算机集成制造系统( 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 ，简称c i m s ) 。在 整个行业技术改造和管理创新中都起到良好效果，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【5 1 0 j 。 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 l e v e l 啦p 弋企业缀 l g f e l2 ：m z s 一生产锻 ；：雌，e i t 自动化筛控一是! 图1 1 三层企业模型 f i g 1 1t h r e e - l e v e le n t e r p r i s em o d e l 1 2 一体化批量计划研究现状 1 2 1 一体化批量计划出现 炼钢、连铸、热轧作为钢铁企业的三大主要工艺阶段，其生产过程是多阶段、半连 续的，这三个工序间呈现顺序加工关系，且前后工序紧密衔接，不仅存在着物流平衡和资 源平衡问题，同时在高温作业环境下，也存在能量平衡和时间平衡问题。而传统的生产 计划和调度的研究方法与模型、优化算法只是在各自的生产阶段寻求局部最优解。随着 市场经济的全球化和顾客需求的多样化，钢铁企业面临着生产动态性、实时性差，前一i 阶段生产计划和调度结果的好坏直接影响到后续生产阶段的生产计划和调度。那么，如 何制定出更加合理、有效的炼钢、连铸、热轧三个生产阶段的生产计划和调度，实现企 业的物流、资源、能量、时间的平衡，已经成为现代钢铁企业迫切需要解决的问题。 一体化，实际上就是生产流程的一体化，也就是统一计划、统一调度、统一制定“时 刻表，保证生产物流连续高效运作，使物流和信息流近可能同步，实现企业生产能力 的最大化。一体化批量计划，就是综合考虑炼钢、连铸、热轧三大生产阶段的特点，在 制定各个生产阶段的批量计划的同时，考虑其他生产阶段的工艺约束，从整体的角度编 制各个生产阶段的批量计划，达到批量计划的全局最优。白2 0 世纪8 0 年代起，国外大 型钢铁企业开始致力于开发炼钢连铸热轧一体化生产计划和调度【1 1 4 4 1 。国内各大钢铁 企业近年来也在大力发展炼钢一连铸热轧一体化生产，一体化生产计划管理已经成为一 个研究热点。 1 2 2 一体化批量计划发展现状 叫 本文主要从国外和国内两个方面阐述一体化批量计划的发展现状。 ( 1 ) 国外发展现状 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钢铁企业的一体化生产。 目前国外的大型钢铁企业，大部分已经实现了炼钢连铸一热轧一体化管理。其中，比较 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 成功的案例主要有： 日本：早在8 0 年代初期，日本五大钢铁公司( 新日铁、川崎、住友、日本钢管、 神钢) 的各钢铁厂就已经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， 取得了良好的应用效果1 1 5 。2 6 1 。新日铁大部分钢铁厂通过动态生产控制系统( d i a s ) 等 新技术实现了板坯直装轧制，并提出好的计划方案：( a ) 设计连铸批量与轧制批量为一 体的一体化批量计划( v l o t ) ，( b ) 以v l o t 的列车时刻表制定物流的调度计划；川i 铁水岛钢铁厂开发了炼钢至热轧的同步生产控制系统( p 2 系统) ，它由一体化计划系统 和作业控制系统组成：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，采用热装轧制( h c r ) 过程；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，其生产管理已经实现了炼钢作业管理和热轧炉前管理两种技术；日本京 滨钢铁厂于1 9 9 0 年5 月，利用a i 技术实现了从高炉一炼钢一热轧的一体化管理，运 行的效果实现了：增产；工期缩短；半成品库存减少；提高了成材率；管理 人员的省力化。 韩国：早在九十年代，韩国蒲项钢铁公司的光阳钢铁厂，开发了从铁水处理到轧制 成材的一体化计算机管理系统。系统投入运行后，取得了显著的效果，7 0 的钢产量由 h c r 完成且热轧钢卷能在炼钢后2 3 小时内轧成。从系统的递阶结构和系统的分层计划 上看，和日本的生产管理很相似，其核心是实时调度和控制系统，能根据主生产计划， 实时编制各工序的详细作业计划，通过在线跟踪系统，掌握实际生产动态，对生产异常 情况及时调整，确保计划顺利进行。 芬兰：芬兰r a u t a r a u k i o y 公司r a a h e 钢铁厂年产钢2 1 0 万吨。为缩短交货期，简化 生产流程，实现从原材料处理到热轧产品发送的连续化生产，开发了计算机生产管理信 息系统，大量板坯实现了热装，取得了明显的经济效果【3 3 】。 2 0 0 0 年初，由o r a c l e 公司、普华永道( p w c ) 公司及p o s d a t a 公司正式组成了 联合实施团队，开始启动对世界钢铁企业中规模最大的管理信息化项目进行实施，其应 用效果十分显著：平均生产周期已由原来3 0 天减少为1 4 天；客户库存存放时间由原来 的2 0 - - - 3 0 天减少为7 天、客户关系大为改善；企业预算时间从原来的1 1 0 天缩短到现 在的3 0 天，整整减少了8 0 天，从而使p o s c o 将年预算按季度进行调整，提高了管理 的灵活性；月报结算时间从6 天减少到了1 天，标准成本核算时间从1 5 天减少到了3 天； 通过对供应链优化，蒲项实现了全球冶金企业成本最优的目标：同时，通过对物料代码 及质量标准的统一管理，显著提高了企业的运行效率和企业管理的标准化程度【2 7 枷】。 国外的钢铁企业，大部分实现了炼钢一连铸一热轧一体化管理，正向：高炉铁水处 理一炼钢一热轧一精整的一体化；销售一成本一能力一体化方向发展。以合理库存、资 金占用少为核心进行管理，如日本的川崎千叶钢厂和住友金属公司的薄板厂建立了这样 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 的系统。 ( 2 ) 国内发展现状 我国在钢铁一体化生产方面的研究起步较晚，目前还处于炼钢连铸热轧一体化生 产管理开发或未开发阶段，明显落后于国外。炼钢连铸热轧一体化生产计划和调度系 统开发还处在起步阶段，虽然理论研究已经取得一定的成果，然而要真正应用到实际中 还有许多工作要做，生产中实际应用的成功范例还很少。 宝钢：宝钢的信息化建设通过一期工程、二期工程、三期工程以及目前仍在持续的 信息化建设使某宝钢的信息化达到了一个新的高度。宝钢的产、销、研综合管理信息系 统贯穿了以合同组织生产、以质量为核心、以财务为中心等先进管理思想。信息流同步 物流、资金流、业务流，体现了动态实时、全面整合、高度共享的特点。其功能作用范 围从产品开发开始、经过接收用户订单、合同处理、计划编制、生产指令下达、生产实 绩收集、质量控制、发货管理等环节，直至合同结算完成。现有的系统已经取得了以下 效果：缩短生产周期和成品出厂周期；提高产品质量、实物水平；降低成本，加快资金 周转；提高管理效率、管理进度和管理水平。 1 9 9 8 年宝钢内部称为“9 8 3 的产销一体化系统建成投产，具有创新精神的某大型 钢铁厂充分利用后发优势，在随后的几年中把这个系统的作用发挥得相当充分，一举使 得宝钢的生产运营管理水平大大超过国内其他企业，步入世界先进行列。这让大多数中 国钢铁企业开始意识到信息化的真正意义，并且逐步发现根据钢铁行业特点专门开发的 “产销一体化系统具有如此大的实用价值。随后，在钢铁冶炼技术上一直具有领先优 势的武钢开始步宝钢的后尘，以几乎同样的模式进行企业整体信息化建设，不但同样使 用“产销一体化系统”这个名称，而且选择的技术和业务咨询合作伙伴也同为i b m 和 中钢。具有悠久历史的鞍山钢铁同样不甘落后，直接选择了曾为中钢提供过大量生产运 营管理技术的美钢联作为合作方，以同样的模式进行信息系统的开发工作。 武钢：2 0 0 3 年1 月，投资2 亿元兴建的“武钢整体产销咨讯系统 正式上线。按照 整体优化原则，该系统对武钢进行了流程化重组，实现了武钢销售、生产、技术质量、 储运、财务管理和信息处理的一级管理，并配套改造了炼钢、热轧、冷轧等生产过程控 制和产线跟踪系统，形成了“炼钢一连铸一轧钢工序之间一体化生产计划安排和调度 控制。 从以上的论述可看出，我国目前还处于炼钢一连铸一热轧一体化计划系统研究与应 用的起步阶段，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。特别是c i m s 框架下基于三层结构( b p s m e s p c s ) 的提出，实现信息共 享、管理扁平化的思想，都对生产计划与调度及管理模式提出新的要求和目标。我国学 者和研究人员针对钢铁一体化计划进行了深入的研究，并且有些研究能够很好的和钢铁 4 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 企业生产相结合，促进了产学研一体化的发展。 节。 1 3 炼钢批量计划研究现状 炼钢生产过程是钢铁冶炼的主要生产流程之一，其主要作用是将铁水或者废钢铁经 过转炉、精炼炉的处理，冶炼成钢水。炉次( c h a r g e ，h e a t ) 是炼钢的最小基本单位， 一个炉次是指同时在一个电弧炉或者转炉内冶炼，从开始冶炼到浇铸或模铸为止的整个 过程。每一个炉次对应一个出钢记号( 钢级) 。炼钢批量计划是指计划编制人员根据合 同特征、冶炼工艺、设备能力以及与后序工艺的衔接关系等客观要求，对订单按照炉次 作为基本单位进行优化组合，达到总体生产成本最低、余材量最少，并基本保证后序工 艺要求。 目前，炼钢批量计划编制方法还存在一些问题，主要有如下几方面： ( 1 ) 通用性。目前应用于各大钢铁企业的计划调度系统都具有应用的单一性，只适 用于个别钢铁企业，难以复用和推广。这是因为各个钢铁企业的具体生产工艺流程不同以 及存在着生产管理上的各种差异，为复用和推广工作带来了极大的难度，因此大多钢铁企 业选择重新开发，造成了人力和财力的极大浪费，大大影响了钢铁企业的信息化进程。为 此，开发一种基于开放式架构的计划调度系统，满足多种生产工艺流程的要求，为钢铁企业 日常的生产计划调度问题提供通用的、可扩展的决策处理平台，成为一个重要的研究方移 向。 ( 2 ) 计划编制的最优性。j o b s h o p 计划编制问题是一个n p ( 非确定性多项式) 问 题，人们为了能够得到最优解，不但在g a n t t 图法、构造型方法、动态规划、分支定界法、 嚣 排队论方法、规则调度方法和仿真方法等传统方法上进行了大量的研究，而且运用统计式 全局搜索技术和人工智能的方法如模拟退火、遗传算法、禁忌搜索、进化规划、进化策 略、神经网络方法、拉格朗日松弛和混沌优化等进行了研究。在这些研究基础上，提出了 诸如最大完成时间、平均加工时间、平均延迟时间、生产成本和e t 指标等调度的优化 指标。 ( 3 ) 动态调度的实时性。当车间的设备发生异常、生产情况发生变化，或者人员、 物料出现短缺，由于钢铁行业工艺流程之间的强耦合性，因此要求系统能够尽快进行实时 调度，快速恢复稳定生产，并给车间管理人员一个自动或者半自动的动态调度决策方案。 随着管理水平不断的提高，一体化管理还存在一些问题： 如何协调好炼钢一连铸的生产计划与热轧生产计划之间的衔接问题，以便高效 组织生产，目前日本正在采用专家系统和线性规划相结合的方法进行研究； 对于特殊钢工厂，引进连铸、热轧生产线后，面对小批量、多品种的合同，如何组 织一体化批量生产； 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 如何解决连铸机、热轧机的能力匹配问题； 一些生产因素的扰动分析与对策； 作业异常的预测及异常发生时恢复时刻的预定； 低成本的m i s 生产与合同跟踪管理信息系统的开发； 大规模生产调度问题的求解方法。 1 4 课题来源、选题依据及研究意义 1 4 1 课题来源 本课题的研究工作是围绕“9 8 5 工程 流程工业综合自动化科技创新平台暨流程工 业综合自动化教育部重点实验室开放课题“炼钢连铸热轧生产计划一体化仿真实验系 统的研究 而展开的。本课题同时由国家自然科学基金资助项目( 7 0 6 7 1 0 2 0 ) 、新世纪优 秀人才支持计划( n c e t - 0 5 0 2 9 5 ) 和高等学校博士学科点专项科研基金( 2 0 0 7 0 1 4 5 0 1 7 ) 资 助，主要针对炼钢连铸热轧生产计划一体化生产批量计划问题。 1 4 2 选题依据 炼钢批量计划编制是钢铁生产管理中的一个重要环节，是一个多目标、大规模、约 束复杂多样的组合优化问题。过去，许多钢铁企业物流和信息流还不能同步，炼钢批量 计划主要是根据调度员经验进行手工编制，存在生产效率低、能耗大、前后工序衔接不 紧密等缺点。 目前，炼钢一连铸一热轧一体化批量计划研究方法主要有运筹学方法、人工智能方 法和综合集成方法。尽管每一种方法都取得了一定的效果，但是，与实际一体化需求还 存在着很大的差距，其主要原因是钢铁企业的生产过程约束过于复杂。一体化计划是大 规模复杂问题，如何对问题进行分解与协调是解决问题的关键。同时，与计划相关的许 多信息呈现模糊特性，如决策中的许多因素很大程度依赖于计划人员的经验、专家意见、 职责和年龄等，这些信息存在大量的模糊性，而传统数学方法，只能定性描述，难以定 量描述，因此难以得到有效的解决方案。因此，如何处理不精确、不确定、不完全乃至 部分不正确的信息是钢铁企业一体化批量计划面临的一个关键问题。而软计算方法就非 常适合于处理这类问题，对于难以获得精确信息描述的实际问题，软计算可以帮助我们 获得满意的解决方案。因此实际应用中复杂问题的解决常常需要将上述两种或两种以上 的方法结合起来使用，同时还可在上述算法中加入领域知识以加快问题的求解速度、提 高算法的有效性。本文正是从这一角度出发研究一体化炼钢炉次批量计划。 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 4 3 研究意义 ： 一体化炼钢炉次批量计划的研究，是将炼钢、连铸、热轧三个生产阶段看成一体化 的生产过程的前提下，综合考虑各个生产阶段的工艺约束，编制炼钢炉次批量计划。同 时，基于鲁棒优化方法将板坯的宽度、重量属性进行了柔性化处理，解决了传统炉次批 量计划编制中约束过硬的问题。炉次批量计划结果，不仅是炼钢生产阶段的最优解或者 近优解，而且由于柔性因素的影响，会给后序计划和调度的编制工作带来方便，降低了 企业的生产成本、减低能耗、缩短产品生产周期、最大化的提高了企业的生产效率。 1 5 本文的工作 本文是在对钢铁生产中一体化炼钢炉次批量计划国内外发展现状及应用进行综述， 分析炼钢批量计划中存在的问题基础之上，作了如下工作： 研究了一体化柔性炼钢批量计划问题； 基于鲁棒优化方法建立一体化柔性炼钢炉次批量计划模型； 采用启发式算法和遗传算法对问题进行求解； 以实际生产数据为例进行了仿真实验，并对实验结果进行对比、分析和评价， 验证了算法的可行性。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 东北大学硕士学位论文 第2 章相关理论研究 第2 章相关理论研究 2 1 生产批量计划问题研究 所谓生产批量计划问题，它研究的是在一定计划周期内，如何将产品的生产批量和 时间在加工项目( 零部件) 集上进行分配，以满足一定的性能指标集【3 2 1 。 从数学规划的角度来看，生产批量计划问题都可归结为一类混合整数规划问题，描 述为在等式或不等式的约束条件下，对目标函数的优化。典型的生产批量计划问题包括 要完成的项目集合及项目之间的相互需求关系，项目加工要用到的机床或其它资源，以 及机床或资源的可用生产能力。计划的目的是安排不同项目在各个计划周期内的加工批 量，使其在满足约束条件下，整个计划期内项目调整费用、库存费用以及生产加工费用 之和最小。 2 1 1 生产批量计划问题的基本类型 早在1 9 1 3 年h a r r i s 就提出了静态环境下定常需求的著名的经济订货批量公式 e o q ( e c o n o m i co r d e rq u a n t i t y ) 。1 9 5 8 年w a n g e r 和w h i t i n 对这一理论进行了进一步 的研究，提出动态环境下需求可变的动态批量计划模型d o q ( d y n a m i co r d e rq u a n t i t y ) 。 在此基础上，人们对生产批量计划的研究逐渐扩展和深入，并开始考虑多项目 ( m u l t i - i t e m ) 、多级产品结构( m u l t i - s t a g e ) 和有限能力( c a p a c i t e d ) 等更复杂的情况， 从而形成了生产批量计划的各类问题【3 2 】，如表2 1 所示。 表2 1 生产批量计划问题的基本类型 t a b l e2 1t h eb a s i ct y p e so fp r o d u c t i o nb a t c hp l a n n i n g 分类原则 生产批量计划问题类型 需求信息的确定性程度 外部需求形式 计划期长度 项目数量 服务策略和相关成本 资源约束情况 调整时间是否占用能力 生产阶段 确定性( d e t e r m i n i s t i c ) ；随机性( s t o c h a s t i c l 静态需求( s t a t i c ) ；动态需求( d y n a m i c ) 有限时期( l i m i t e dh o r i z o n ) ；无限时期( u n l i m i t e dh o r i z o n ) 单一项目( s i n g l e i t e m ) ；多项目( m u l t i i t e m ) 允许缺货( b a c k l o ga l l o w e d ) ；不允许缺货( b a c k l o gn o ta l l o w e d ) 有限能力( c a p a c t i a t e d ) 无限能力( u n c a p a c i t a t e d ) 考虑调整时f 司( s e t u pt i m e ) ；忽略调整时间( n os e t u pt i m e ) 单一生产阶段( s i n g l e s t a g e ) ；多级生产阶段( m u l t i s t a g e ) 此外，根据优化目标的不同还可将生产批量计划问题分为：目标是在一定时期内生 东北大学硕士学位论文 第2 章相关理论研究 产总费用最小；有些目标值是满足一定的服务水平，如平均周期最小；另外还有一些模 型的目标是优化能力的均衡利用率。 2 1 2 几种典型的生产批量计划问题 实际生产中一种批量计划问题可能同时包含上述多种基本类型。动态环境下，最简 单的问题就是无能力约束的单项目生产批量计划问题u l s p ( s i n g l ei t e mu n c a p a c i t d e l o t s i z i n gp r o b l e m ) ；如果在u l s p 的基础上加入能力约束，即构成了有能力约束的单 件生产批量计划问题；对于多项目生产计划问题，如果项目之间相互不存在需求联系， 则为多项目单级生产计划问题c l s p ( m u l t i s i n g l e - l e v e lc a p a c i t a t e dd y n a m i cl o t - s i z i n g p r o b l e m ) ，c l s p 问题一般考虑能力上的耦合，否则就变成n 个u l s p 问题；当项目 之间存在相关需求时，就构成多级生产计划问题；根据能力约束情况，多级生产计划问 题又分为多级无能力批量计划问题m l u l s