（系统工程专业论文）炼钢精炼连铸生产调度与过程监控系统调度计划编制与实时监控.pdf

毒 1 囊 j ， 丐 戴 at h e s i si ns y s t e m s e n g i n e e r i n g s c h e d u l i n ga n dp r o c e s sm o n i t o r i n g s y s t e m o f s t e e l m a k i n g r e n n i n g c o n t i n u o u s c a s t i n gp r o d u c t i o n s c h e d u l e c o m p i l i n ga n dr e a l t i m e m o n i t o r i n g b yw r a n gs h u m i n g s u p e r v i s o r ：l i us h i x i n 3 u p e i v l s o r ：l i us h i x 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 l y2 0 0 9 -，一| 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意。 学位论文作者签名： 日期： 学位论文版权使用授权书 三乒_ 夕乃7 刁7 a 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： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者繇星嘉叫 导师繇 签字聃j ：冲岁协7 目7 口签字目期： 亘- ) 2 孰 w 7 7 7 东北大学硕士学位论文摘要 炼钢一精炼一连铸生产调度与过程监控系统 调度计划编制与实时监控 摘要 以国家8 6 3 项目“基于最佳工艺温度的炼钢一连铸流程能耗综合优化系统” 为背景，针对目前钢铁企业炼钢一精炼一连铸生产调度计划及生产过程实时监控 问题开展研究。主要研究内容包括： ( 1 ) 设计了带时间窗口的炼钢一精炼一连铸生产调度算法。算法以最小化 m a k e s p a l l 为目标，同时优化钢水在在工序之间的运输路径，保持设备利用率均 衡。算法分为两个部分：连铸机的分配和启发式时间逆推调度算法。连铸机的分 配采用分枝定界算法，每产生一个可行的分配方案，启发式时间逆推调度算法就 以这个可行的分配方案作为输入，生成一个调度计划，当搜索完成之后，能得到 一个其m a k e s p 锄接近最优的调度计划。启发式时间逆推调度算法基于时间约束 网络模型计算时间窗口，采用启发式规则分配设备。通过3 个问题案例对本文模 型和算法进行了验证，实验结果表明以上模型和算法有效，具有好的执行稳定性， 设备利用率均衡。 ( 2 ) 设计了带时间窗口的生产过程实时监控子系统。子系统通过与生产线 或仿真子系统实时通信获取事件消息，再根据事件消息中的事件发生时间和事件 类型，结合调度计划计算生产实时进度；并根据调度计划的时间窗口，将生产划 分为五种状态。子系统通过生产进度和状态的显示，使操作工监控实际生产能在 调度计划的时间窗口内顺利执行。 ( 3 ) 实现了生产调度计划编制子系统和生产过程实时监控子系统。系统使 用e c l i p s e 插件开发，选择s q ls e r v e r2 0 0 8 数据库，采用c s 体系结构。 关键字：炼钢一精炼一连铸；时间窗口；时间逆推；分枝定界；启发式调度 算法；生产过程实时监控系统 r q ， i i 7 屯 懈 ， ， s c h e d u l i n ga n dp r o c e s sm o n i t o r i n gs y s t e mo f s t e e l m a k i n g r e n n i n g c o n t i n u o u sc a s t i n g p r o d u c t i o n sc h e d u l ec o m p i l i n ga n dr e a l t i m e m o n i t o r i n g _ ， a bs t r a c t b a s i n go nn a t i o n a l8 6 3p r o j e c t “b 嬲e do nt 1 1 eo p t i m u mt e m p e r a t u r ei n t e 酉a t e d o p t i m i z a t i o ns y s t e m0 fs t e e l m a l ( i n g c o n t i n u o u sc a s t i n gp r o c e s s e st oo p t i m i z ee n e r g y c o n s u m p t i o n ”，t l l i sp a p e rs t u d y sp r o d u c t i o ns c h e d u l i n gp i o b l e ma n dr e a l t i m ep r o d u c e p r o c e s sm o n l t o r i n gp r o b l e mo fs t e e l l t l a 虹n g r e f i l l i n g c o n t i n u o u sc a s t i n gp r o d u c t i o no f i r o n s t e e le n t e 印r i s e s t 1 1 i sp a p e ri n c l u d e st 1 1 0 s ef o l l o 谢n gs e c t i o n ( 1 ) d e s i g l l i n gas t e e l m a k i n g r e f i m n g - c o n t i n u o u sc a s t i n gp r o d u c t i o ns c h e d u l i n g a l g o r i t l u l l 、v i t l lt i m e 、析n d o w a l g o r i m mm i n i m i z em a k e s p a no fm ep r o j e c t ，a tt 1 1 e s a m et i l n e ，t os o m ee x t e n t o p t i m i z e 仃a n s p o r tp a t ho fm o i t e ns t e e lb e t w e e nt v 旧 p r o c e s s e s a n da l g o r i m mm a i n t a i l l sb a l a n c e de q u i p m e n tu t i l i z a t i o n t h ea l g o r i t h mi s d l v l d e dt n t om op a r t s ：c o n t i n u o u s c a s t i n gm a c l l i n ea l s s i g n n l e n ta n dh e u r i s t i ct i m e b a c k s t e p p i n gs c h e d u l i n ga l g o r i 衄n s b r a i l c ha i l db o u i l da l g o r i t h ma s s i g l l sc o m i n u o u s c 弱t i n gm a c l l i n e h e u r i s t i ct i m eb a c l ( s t e p p i n gs c h e d u l i n g a l g o r i t l u l lg e n e r a t e sa s c h e d i l eu s i n gf e a s i b l ed i s t r i b “o no fc o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i l l e 嬲i n p u t o n eo fm e b 啪c hi nm es e a r c ht r e eo f b r a n c ha j l db o u i l da l g o r i t h m w h e nb r a n c ha n db o u l l di s c o m p l e t e ，a l g o r i t l l mc a ns e a r c has c h e d i l eh a v i n gm i i l i m w nm a k e s p a n b a s i n go nt 1 1 e t e m p o r a lc o n s 仃a i n tn e 撕o r k s m o d e l ，h e 嘶s t i ct h eb a c k s t e p p i n g s c h e d u l i n g a j g o n sc o m p u t e st i m ew i n d o w a n da s s i g l l sm a c h i n e su s i n gh e u r i s t i cr u l e s i i lt 1 1 i s p a p e r ，w eu s et h r e ec 嬲e st ot e s t “sa l g o 甜u na n dm o d e l c o n c l u s i o np r o v e st t l a tt h j s a l g o r i t a n dm o d e l i sv a l i d s c h e d i l et h a tm i sa l g o r i t h mg e n e r a t e si sp r a c t i c a j ，h a v e c o m p l e t e dh i g h e rr a t ei nm a k e s p a na n db a l a n c e de q u i p m e n tu t i l i z a t i o n ( 2 ) r e a l t i m ep r o d u c ep r o c e s sm o n i t o r i n gs u b s y s t e mb a s e do nt i m ew i n d o wi s d e s i g n e di nm ep a p e r b yc o m m u n i c a t i n gw i t hw o r k s h o po rs i m u l a t i o ns u b s y e t e m ， 1 1 1 r e a l 劬ep r o d u c ep r o c e s sm o 幽m gs u b s y s t e mr e c e i v e so c c 眦e n c em e s s a g e ，a n q a c c o r d i l l gt ot i m eo f o c c u r r e n c em e s s a g e ，f l g u r e s o u tt h ep r o 铲e s so 士r e a l t l m e p r o d c t i o n a c c o r d i n g t 0t i m ew o n d o w o fs c h e 眦e ，s u b s y s t e md i v i d e sp r o d u c t l o nm t o f i v es t a t e s s oo p e r a t o rc a nm o i l i t o r 吐l ea c t u 乏dp r o d u c t i o n t oc o m p l e t es m o o 蚰y 、1 t h l i l 也e 缸e 、杭n d o wb yv i e w m gp r o d u c t i o np r o 铲e s sa i l dg c a t e ( 3 ) 1 1 1 i sp a p e ri n l p l e m e n t ss c h e d u l ec o m p i l i n gs u b s y s t e ma 1 1 dr e a l t l m ep r o d u c e p r o c e s sm o i l i t o r i n gs u b s y s t e m t m ss y s t e mh a sm a d es q l s e r v e r2 0 0 8 嬲m eb a c k d a t a b a s e ，c h o s e nc sp r o 乎锄s 仇l c t u r e ，a r l db e e ni i n p l e m e m e do ne c l l p s ep l u g m d e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：s t e e l m a k i n g r e f i i l i n g c o n t i i l u o u sc a s t i i l g ；t i m ew i l l d o w ；t i m eb a c k s t e p p i n g a l g o r i 她；b 姗c ha 1 1 d b o 吼da l g o r i m m ；h e u r i s t i c s c h e d u l i n ga l g o r i t l n ；舢i m e p r o d u c ea 1 1 ds u p e r v i s o 巧c o 曲ls y s t e m v ，_ 东北大学硕士学位论文目录 目录 声明i 中文摘要 a b s 慨t 第1 章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 炼钢一精炼一连铸生产调度系统概述2 1 2 1 炼钢一精炼一连铸生产工艺流程概述2 1 2 2 炼钢一精炼一连铸生产调度系统开发现状3 1 2 3 生产调度系统在m e s 系统中的作用4 1 2 4 炼钢一精炼一连铸生产调度系统总体功能结构5 1 2 5 典型生产调度计划编制优化方法6 1 3 生产过程实时监控系统8 1 3 1 生产过程实时监控系统特点9 1 3 2 生产实时监控系统的架构9 1 4 主要研究内容及章节安排1 1 第2 章炼每i 耳一精炼一连铸生产调度与过程监控系统的分析与设计 1 2 2 1 系统开发环境1 2 2 1 1 系统体系结构的选择1 2 2 1 2 系统软、硬件环境及开发工具1 2 2 2 系统总体处理流程图1 3 2 3 数据流分析15 2 4 系统功能15 2 4 1 生产调度计划编制子系统16 2 4 2 生产过程实时监控子系统1 8 东北大学硕士学位论文 目录 2 5 系统数据库设计2 0 2 6 本章小结2 1 第3 章带时间窗口的炼钢一精炼一连铸生产调度算法2 2 3 1 混合流水车间调度问题算法综述2 2 3 1 1 流水车间作业调度问题及其启发式算法2 2 3 1 2 混合流水车间调度概述2 4 3 2 炼钢一精炼一连铸问题描述6 2 5 3 3 带时间窗口的炼钢一精炼一连铸生产调度算法2 6 3 3 1 算法设计思想2 6 3 3 2 时间约束网络图模型描述2 7 3 3 3 算法流程。2 8 3 3 4 分枝定界算法分配连铸机。3 0 3 3 5 启发式时间逆推调度算法关键技术3 2 3 4 算法分析3 5 3 4 1 算法实例及实验结果3 5 3 4 2 算法分析。3 9 3 5 本章小结4 1 第4 章生产过程实时监控子系统4 2 4 1 生产过程实时监控在姬s 系统中的作用4 2 4 2 生产过程实时监控子系统设计4 3 4 2 l 生产过程实时监控系统功能概述4 3 4 2 2 生产线与生产实时监控子系统的通信。4 4 4 2 3 调控策略方案。4 6 4 “生产进度和生产状态一4 7 4 3 本章小结5 0 第5 章调度计划编制子系统和生产过程实时监控子系统的实现5 l 5 1 系统的特点一5 l 5 2 调度计划编制子系统5 2 ， ，_ 东北大学硕士学位论文目录 5 2 1 连铸机的分配5 2 5 2 2 调度计划编制5 3 5 2 3 调度计划编制界面5 3 5 2 4 调度计划表维护界面5 3 5 3 生产过程实时监控子系统5 3 5 3 1 界面初始化5 3 5 3 2 事件消息接收与解析5 3 5 3 3 生产进度与状态显示5 3 5 3 4 生产过程实时监控子系统显示界面。5 3 5 4 本章小结5 3 第6 章结论与展望5 3 6 1 本文总结5 3 6 2 未来研究工作展望5 3 参考文献5 3 致谢。5 3 东北大学硕士学位论文笫l 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 钢铁企业多工序一体化调度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。钢铁生产过程产线长、工序多、设备复杂，是一个连续和离 散混合的生产过程。由于在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的、良好的调度计划是一项难度很高的技术。 钢铁企业调度计划与调度的理论研究与实际应用之间还存在着很大差距。实 际应用中的调度方法能够响应系统的动态变化，但不能保证得到好的调度；一些 理论上的最优化方法能提供最优调度，但由于计算复杂，简化了计算模型，离实 际应用还有较大距离。调度计划与调度研究的发展趋势是：寻求新的最优算法； 解决基于统计优化方法的计算时间复杂性问题；解决传统优化方法编制调度计划 过于脆弱，不具柔性等问题；探索新的近似调度算法，解决次优性的保障及定量 评估问题；探索计划与调度的集成求解方法；其他很多问题需进一步研究。总之， 计划与调度必然向着集成化、多目标化、动态实用化、高度次优化方向发展。同 时，对不同的新的工艺条件，不同材质材料的生产，不同的调度计划覆盖面，其 计划与调度需要研究的内容会呈现出很大的多样性，有必要对生产调度作进一步 的深化研究。尤其是要形成产品软件，还需要做大量的深化工作。 本论文基于国家8 6 3 重点项目基于最佳工艺温度的炼钢一连铸流程能 耗综合优化系统( 2 0 0 7 a a 0 4 2 1 9 4 ) ，针对目前钢铁企业调度计划安排存在的问题， 结合生产调度系统的发展趋势，对混合流水车间作业调度以及调度计划执行进行 了深入研究。基于研究成果开发了钢铁企业炼钢一精炼一连铸生产管理系统中的 生产调度计划编制子系统和生产过程实时监控子系统，改变钢铁企业生产调度计 划实时性差、调度效率不高等问题。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 炼钢一精炼一连铸生产调度系统概述 1 2 1 炼钢一精炼一连铸生产工艺流程概述 现代钢铁生产流程较为复杂，涉及的工序很多，其中，炼钢、精炼和连铸是 多数钢铁企业的典型生产工序。 ( 1 ) 炼钢过程。炼钢的主要任务就是按照所炼钢种的质量要求将炼钢原料 ( 生铁、废钢) 熔化，通过氧化作用及加入铁合金将其中的碳、锰、硫、磷及其 他元素含量调整到规定的范围并达到一定的出钢温度。 高炉铁水运输到炼钢炉后，和废钢一起倾倒入炼钢炉中。然后通过加热将炼 钢炉中的铁水和废钢加工成均匀的液态钢水，去除其中的杂质和所含的碳使其达 到希望的比例。钢铁生产一般用两类炼钢炉：转炉和电弧炉，其中转炉更为常见。 根据原料来源特点，炼钢炉必须保证能消化所有高炉生产出来的铁水。而在 炼钢炉的输出方面，每一炉生产的钢水都具有一个特定的钢级，炼钢炉每次加工 的钢水都是一个满容量。所以，对于主炼钢的生产调度来说，挑战就在于如何在 满足生产不同钢级的钢水的同时充分利用炼钢炉炼制出来的钢水。 ( 2 ) 精炼过程。根据订单对钢级和成份的要求，钢包中的钢水可选择不同 路径的炉外精炼，如：吹氨调温站，可对合金成份进行微调，并降低钢水中的硫 含量；真空处理装置，可减少钢水中气体( 尤其是氢气) 的含量；钢包精炼炉， 可调节和控制钢水温度和成份，为后续的浇铸过程做好充分的准备。炼钢过程是 一个以“炉次”( 转炉的容量) 为单位而进行的复杂的物理和化学变化的过程。 ( 3 ) 连铸过程。连铸过程是将钢水浇铸成预定规格的固态板坯的过程。当 装有钢水的钢包通过可旋转的回转台进入铸机位准备开始浇注时，首先打开钢包 底部的流钢孔，把钢水注入连铸机的中包内：然后打开中包的活动水口，让钢水 流入下面的结晶器中，钢水沿结晶器周边冷凝成坯壳，当坯壳有一定厚度时，铸 坯在拉坯机的驱动下，离开结晶器沿着弧形排列的枝撑辊下移；与此同时，铸坯 被二次冷却装置进一步冷却凝固；随后铸坯被切割成定尺长的板坯，并直接运送 到加热炉进行加热，以便进行轧制，或者板坯下线被暂时存放在保温坑或板坯库 中，需要时再送入加热炉加热。上述整个过程是连续进行的，不能断流，因为对 连铸机来说，每开启一次都需要更换中包和结晶器，断流就意味着增加了调整时 间和调整费用，因此为了提高生产率，减少生产费用，在中包寿命允许的范围内， 应尽可能地实现多炉连浇。浇铸过程是以“浇次”为批量单位来进行的。这三个工 序的生产过程如图1 1 所裂。 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 图1 1 钢铁生产工艺流程图 f i g 1 1s t lp r o d u c d o np m c e s s 髓 1 2 2 炼钢一精炼一连铸生产调度系统开发现状 随着中国加入w t o ，享受优惠待遇的时间越来越短，为了和国外的钢铁产 品竞争，国内钢铁企业不得不降低价格与之抗衡，还要抵制反倾销现象。钢铁企 业只有提高生产效率，才能降低生产成本，而提高效率要靠先进的信息化技术。 在钢铁企业的信息化进程中，必须开发适合自己生产流程的信息系统，优化流程。 现阶段企业迫切需要提高生产调度计划制定水平，因此很多学者都将研究重 点放在生产计划与调度系统开发上。c o w l i n g 【2 】阐述了在钢铁热轧过程中生产环 境高度不稳定，时常有未知事件来中断生产过程，在调度系统中设计了多目标的 模型、算法和界面，描述了该系统如何解决了生产过程不稳定的问题；v o o r h i s 等【3 】和h 枷s o n 钢铁厂合作开发了软件可以自动调度现有的流程，应用了启发式 算法来求解建立的整数规划模型，可以找到多个可行方案；唐洪华等【4 1 开发了唐 钢薄板坯连铸连轧流程物流仿真系统；李克铁等【5 】和李慧莹掣6 1 研究了钢铁企业 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 制造执行系统的体系结构和设计原则；刘晓强等【7 1 、汤洪博8 1 和陈展等【9 1 研究了 钢铁企业应用制造执行系统进行生产管理的情况；张涛【l o 】提出基于m t o 的钢铁 企业调度计划体系架构模型；李英锦掣1 1 】采用虚拟现实技术开发了钢铁企业炼钢 一连铸调度计划的调度系统；常春光等【1 2 】建立了基于嵌入调整模型的案例推理 系统，在求解过程中首先把非线性调整模型转化为线性调整模型，再用两阶段求 解算法提高效率；苏冬平等【1 3 】提出了一种图形化动态调整炼钢连铸调度计划的 人机交互方法。 1 2 3 生产调度系统在m e s 系统中的作用 m e s 是美国管理界上世纪九十年代提出的关于制造业企业信息化的新概 念，它通过计划监控、生产调度，实时传递生产过程数据，来对生产过程中出现 的各种复杂问题进行实时处理，在信息化中起到了核心关键作用。如果用一句话 来概括m e s 的核心功能的话，就是：计划、调度加实时处理。 作为企业信息建设的重要组成部分，m e s 系统包含多种不同的功能。功能 的取舍，取决于特定的工厂环境以及所期望的效益，但其中生产调度功能处于核 心层次，生产调度的任务是编制生产调度计划。 钢铁企业的m e s 功能层次如图1 2 所示。 图1 2 s 功能层次图 f i g 1 21 1 1 e 缸c 6 0 n o f 姬s 生产计划与调度模块属于m e s 系统的最核心的模块之一。在钢铁企业中， 生产调度的目标是为钢铁生产过程编制出三班生产调度计划。通过利用客户指定 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的交货日期，枝持以订单为依据的生产。调度计划的依据是当前订单池，以及补 充未来的低优先级的订单。该订单池可以包括库存产品的订单。根据该订单池， 作为m e s 重要部分的生产调度程序编制一个或多个连铸、连轧程序。包括双流 连铸机的调度计划程序、炉次、板坯等。 生产调度需要考虑许多工艺限制条件，除订单属性外，还考虑了钢种的分组、 轧制宽度、换辊等。只有生产调度程序生成的生产程序，才能够使得钢厂、连铸 机、轧钢机在最佳组合状态下运作。否则，对个别装置的单独调度计划将会导致 生产流程的实质的性能损失，而无法达到最佳的生产状态。 总之，生产调度是钢铁企业生产循环中的关键环节，生产调度模块由于直接 与经营计划系统和过程控制系统相关，成为m e s 中的核心功能。生产调度的制 定既要受企业长期计划的约束和引导，同时要根据生产执行过程中的实时信息及 时调整和更新。合理的生产计划还是保证企业长期规划顺利、顺畅实施和企业生 产能力充分发挥的基础，从而对于整个企业的成本控制、节能增效起到至关重要 的作用。特别是现代钢铁企业生产流程更为紧凑，通过提高计划调度水平促进各 工序之间的协调运转已经成为企业新的利润增长点。 1 2 4 炼钢一精炼一连铸生产调度系统总体功能结构 生产调度系统一般包括以下几个功能模块：系统管理、基础数据管理、调度 数据管理、算法设计、加工调度、人工调整、生产线信息显示、检测加工冲突和 调度结果输出，各模块的关系及详细功能划分如图1 3 所示。 主要功能模块说明如下： ( 1 ) 调度数据管理模块：该模块的主要功能是为每组加工任务建立一张调度 表，用以对排序计算所需的基本数据( 包括零件编号、工序编号、批量、加工时间、 所用机床等) 进行管理，在算法设计时将直接从选定的调度表中提取数据进行加 工排序； ( 2 ) 算法设计模块：系统中一般采取基于规则的启发式方法来解决一道工序 竞争一台机床时的工件排序问题和一道工序可在多台机床上加工时的机床选择 问题，该模块包含几个子模块，以对应不同的优化目标，根据相应的目标分别选择 优先分配规则并进行算法设计： ( 3 ) 加工调度模块：根据定单情况和实际生产需要选择调度目标，通过已设计 好的算法对工件进行加工排序，确定每台设备上不同工序的加工顺序和各道工序 的开工、完工时间，并将排序结果用甘特图的形式显示在屏幕上； ( 4 ) 人工调整模块：利用调度人员的经验对动态生产过程中的实际情况进行 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 分析和处理，通过人机交互( 一般为甘特图) ，对计算机排序结果进行手工拖动， 直至获得满意的结果： ( 5 ) 生产线信息显示模块：以甘特图的形式显示工件的工艺路线及每道工序 的加工状态，以直方图的形式显示每台机床的加工负荷，作为人工调整的依据； ( 6 ) 检测加工冲突模块：人工调整之后，检测每台机床上不同加工任务之间是 否存在时间重叠，即某道工序的开始时间是否在该机床前一加工任务的结束时间 之前；对于某些多工位允许有部分加工重叠时间的机床，则检测其加工重叠时间是 否在允许的时间冲突范围内； ( 7 ) 调度结果输出模块：保存最终调度结果，并以甘特图和数据表格两种方式 输出，甘特图使得各台设备上所安排的加工任务及其先后顺序一目了然，数据表格 为调度人员和操作人员提供工序开始时间、加工时间、结束时间等详细数据，此 结果即作为生产线生产的依据。 生产调度系统 系 统 管 理 系 统 用 户 管 理 基 础 数 据 管 理 调 度 数 据 管 理 工 序 基 本 信 息 加 工 调 度 驯眺 图1 3 生产调度系统功能模块 f i g 1 3n e c 6 m o d m eo f p r o d u c 6 0 ns c h e d u l i n gs y s t e m 1 2 5 典型生产调度计划编制优化方法 生产调度问题是n p 一难问题，也是最难的组合优化问题之一。迄今为止，人 们提出了多种方法用于解决这一问题，努力在可接受的时间范围内得到满意解。 其中包括数学规划方法、分枝定界法、启发式算法以及人工智能方法。 分枝定界法和动态规划方法尽管能保证获得最优解，但其计算时间随着问题 规模的增加以指数速度增加，不适合应用于大规模调度问题。这时，只能致力于 东北大学硕士学位论文笫l 章绪论 寻找可行解。启发式算法就是一种能在可接受的计算时间内寻找最好的解的方 法。所谓启发式方法，就是指从当前位置出发，根据决策点时刻装置、任务所处 的状况进行调度，保证了局部最优。但启发式算法不一定能保证所得解的可行性 和全局最优性，甚至在多数情况，无法分析所得解同最优解的近似程度。启发式 算法最大优点是求解的快速性，所以本身可以作为一个较好的调度算法。以下是 一些较常用的启发式算法。 ( 1 ) 基于优先权的调度方法【1 4 】 基于优先权的调度方法具有容易实现和较小的时间复杂性的优点，因而成为 实际生产调度中经常使用的方法。以下是一些常用的优先权调度方法。 l p t ( l o n g e s t p r o c e s s i n g t i m e 缸s t ) 算法，即最长处理时间优先。 s p t ( s h o m s tp r o c e s s i n g t h ef i r s t ) 算法，即最短处理时间优先。 l r p t ( l 0 n g e s tr 锄a i l l i n gp r o c e s s i n gt i m e ) 算法，即最长剩余处理时间优先。 s i 心t ( s h o r t e s tr 咖a i n i l l gp r o c e s s i n gt i i i l e ) 算法，即最短剩余处理时间优先。 e d d ( e a r l i e s td u ed a t e ) 算法，即优先选择完工期限紧的任务进行加工。 ( 2 ) 基于规则的调度方法【1 5 】 规则调度( i n l e - b a s e ds c h e d u l i n g ) 是指系统在运行时，根据一定的规则和策 略来决定下一步操作的调度方法。它是动态调度的典型代表，其优点是直观、简 单、适用，求解时间短，容易实现，因此在实际生产调度中获得了广泛应用。使 用该方法进行调度，一般要由有经验的决策管理人员和工程技术人员总结出来一 套行之有效的经验法则，因此符合人们利用经验处理问题的方法，能够较好的解 决一些复杂的实际问题。 ( 3 ) 拉格朗日松弛算法【1 6 】 拉格朗日松弛算法( l a 黟a i l g er e l a ) 【a t i o na l g o r i t l l i l l ) 由e v 盯e t t 提出，是用于 求解复杂优化问题的一种近似算法，它是将原问题中的某些约束吸收到目标函数 中，使松弛后新问题在多项式时间内求得最优解，这个最优解能够逼近原问题的 最优解。拉格朗日松弛算法能在较短的时间内获得高质量的次优解，并能进行性 能评价，因此受到学术界广泛重视，近年来己经成为解决车间调度问题的一种重 要的方法。 ( 4 ) 移动瓶颈启发式算法【1 7 】 移动瓶颈启发式方法( s h i n i n gb o t t l e i l e c kh e u r i s t i c s ) 是目前解决作业车间调 度问题最有效的启发式方法。其思路是机器一个接一个地逐次调度，每次调度时 都把机器看作未调度机器中的瓶颈，每次调度完一个机器后，都要将以前的所有 调度重新进行局部优化。其瓶颈的识别和重新局部优化过程都是基于求解一个单 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 机的调度问题【1 8 】。 ( 5 ) 约束规划算法 约束规划是以解决组合优化问题为目标的范式。通常情况下，解决组合优化 问题是通过将其描述为一个或多个约束满足问题实现的。通俗的说，一个c s p ( 约束满足问题) 可以描述为一组变量，每一变量的一组可能值，还有各个变量 之间的一组约束。某一变量的所有可能值被称为该变量的域，变量之间的某一约 束表明了变量可以取哪些值组合。约束可以明确的阐述，比如数学公式，也可以 模糊阐述，这时每一约束都表达为满足这一约束的数值组【1 9 刎。 现阶段人工智能方法引起了人们越来越多的关注。主要包括： ( 1 ) 专家系统 通过提取工厂技术人员和操作人员的经验知识和详细了解生产过程中的各 类约束，将这些知识转变为推理规则存储在知识库中，以推理机的形式产生生产 计划和调度策略。 ( 2 ) 智能搜索算法 主要包括遗传算法、模拟退火算法以及禁忌搜索算法、蚁群算法等。 ( 3 ) 约束松弛算法。由于现实问题中约束过于复杂，不同的约束对于不同 问题的重要性也不尽相同，通过对不同约束赋予不同的权重达到某种程度的约束 松弛的效果，从而获得一个可行满意解。 ( 4 ) 多a g e n t 方法 多a g e n t 是目前人工智能研究的热点，通过分布智能的方法来解决复杂问题， 首先根据对问题的分析建立反映不同方面特点或行为的模型，再通过模型间的协 调、综合来产生理想的可行方案。 ( 5 ) 人机交互方法 通过图形化的人机交互界面，生产调度人员和生产管理系统可以交互，从而 得到一个可行的生产计划安排。 以上所提到的方法往往不是单独应用，常见的是几种方法的混合应用。 1 3 生产过程实时监控系统 在复杂的经济环境和激烈的市场竞争条件下，越来越多的企业为了充分开发 利用信息资源，提高管理水平和竞争能力，建立了设备远程监控系统。对于一个企 业来说，生产设备的工作状况和历史数据是企业信息管理系统中需要了解的基础 数据之一【2 ，及时准确地采集生产设备工况等数据是保证整个企业正常运行的 关键。然而在大多数企业中，由于生产设备无法提供数据采集接口或是设备的种 3 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 类多、数量大、分布广，设备的运行状况需要人工监视【2 2 1 ，发生故障难以快速响应， 影响了企业的生产效率，因此需要给设备建立病历档案，供设备故障诊断或预测 【2 3 】 o 生产实时监控系统是通过计算机网络，连接各生产现场和控制系统的信息， 实现整个企业的监控系统信息的采集、分析、统计、存储，让管理层和全厂各部 门都能看到过去只有操作人员才能看到的生产现场的实时状况，通过局域网、广 域网，使企业内部、企业之间、坐落在不同地区的企业各部门之间交流生产信息， 使出差在外的人员能及时了解到生产情况，实现对生产现场的远程调度、指挥决 矗枣 束o 1 3 1 生产过程实时监控系统特点 生产过程实时监控系统可对生产过程中的信息完成采集、传输、加工、存储、 维护、检索和反馈，并在此基础上为企业中不同人员提供维护、管理以及决策等 枝持信息，使整个企业能稳定、可靠、有效地运行。 ( 1 ) 监控实时性。系统需要对设备进行实时地监控，以便在设备出现异常时 向设备负责人及时报警，如：设备停止工作、参数指标不正常等。 ( 2 ) 设备档案可管理性。设备档案管理主要包括设备档案建立、设备运行 记录、设备故障记录、设备保养记录、设备维修记录和设备总体状况的统计报表， 另外设备运行状况还要能够被动态地显示和查询。利用设备档案，企业可以对设 备进行合理的调度，充分利用资源。 ( 3 ) 管理系统多用户性。在日常生产管理中，往往有多个用户同时参与数据 的管理，如：车间主任每天要查询设备运行状况，定期查询设备运行历史数据，以便 进行设备质量评估；工人负责设备的配置、新设备的登记等；设备维护人员要填写 维护记录；设备故障维修人员要填写故障分析、故障处理过程及结果。因此系统 需要有多用户的枝持能力并允许多个用户同时进行数据的上报与查询。 ( 4 ) 系统安全性。首先要保证各个局域网的安全，防止未经许可的操作侵入 而造成损失；另外系统要将用户分为不同的等级，每个等级都有不同的操作权限， 如：查看设备的工作状况、对系统参数进行设置、对数据进行修改、对数据库进 行管理等。 1 3 2 生产实时监控系统的架构 从企业实际出发，全面考虑企业的中长期的发展规划，系统设计一方面要针对 企业现状和用户的需求，采用实用、合理的解决方案；另一方面要考虑企业在未来 发展过程中可能提出的新需求【2 4 1 。 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 以太网作为一种成熟的网络技术，具有成本低、稳定、可靠等诸多优点，已经 成为最受欢迎的通信网络方式之一【2 5 1 。另外，以太网技术在多种软件平台下均获 得很好的枝持，各软件平台都为以太网应用提供了良好和成熟的编程接口，使以太 网应用开发的难度降低了很多。国内外学者近年来对以太网的研究表明，随着新 技术的介入和具有实时功能的以太网协议的产生，以太网技术将逐步成为工业控 制网络的主流技术。b s ( b r o w s 酬s e r v 浏览器和服务器) 结构是c s ( c l i 训 s e r v e r ，客户机和服务器) 结构的重要补充，随着i n t 锄e t 技术而兴起。在这种结构 下，用户工作界面通过w w w 浏览器来实现，只有少部分事务逻辑在前端( b r o w s 盱) 实现，主要事务逻辑在服务器端( s e r v e r ) 实现，形成三层( 3 t i e r ) 结构，这种结构可以 大大减小客户端载荷，减少系统维护与升级的成本和工作量，降低用户的总成本。 监控系统的软件架构采用三层架构，此架构包含的3 个逻辑层为数据采集层、系 统管理层和数据库层。系统的软件架构图如图1 4 所示。 数据库层 数据库 j 工 系统管理层 w e b 服务通信管理程序 数据采集层 ， 显示终端服务器 生产线 设备l设备2 图1 4 生产过程实时监控系统软件架构图 f i g 1 4t h es o r w a eo f 北a l t i m ep 】- 0 d u c t i p c 嚣sm o n i t o r i n gs y s t 锄 生产线设备、智能监控模块、管理计算机浏览器端和子服务器属于数据采集 层；系统管理层由w 曲服务与通信管理程序组成；数据库层为底层系统数据库。 数据采集层采集的数据由系统管理层处理汇总后存入系统数据库中，系统管 理层与数据库层在系统管理主机上运行。数据采集层与系统管理层通过标准的通 信协议交换数据，当数据采集程序进行版本更新时，对系统管理层和数据库层不会 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 产生影响，有良好的升级空间。 三层架构的特点在于各逻辑层之间通过标准的通信协议连接，枝持网络传 递。另外，3 个逻辑层在物理上既可以分布在多台服务器上，也可以共用一台服务 器。 1 4 主要研究内容及章节安排 本文主要研究炼钢一精炼一连铸调度问题的建模与优化以及炼钢一连铸 连铸生产