连铸生产环境下混合智能调度方法研究

连铸生产环境下混合智能调度方法研究

连通性精炼和铸造生产过程是现代工业生产的核心过程，主要包括三个过程的综合计算：精炼、精炼和连通性。整个生产过程对钢水温度和时间都有极高的要求,需要在保证生产连续性的前提下,充分发挥设备的生产能力。该问题已受到国内外研究者的广泛关注。日本的IBM公司和日本钢管京滨钢铁厂使用人工智能和人机交互技术于1988年开发了协同生产调度计划系统Scheplan,包括知识库、调度机和用户接口,整个调度计划的可行性完全由人工来评价决定。文献提出了基于准时制调度思想的炼钢-连铸作业排序模型,并将非线性规划转化为线性规划,从而可以用标准软件进行求解。本文针对多设备、多工序、以及生产类型复杂的生产环境,建立了基于规则的专家调度方法、基于规划的两阶段调度方法和基于多级模糊综合评价方法的混合智能调度方法,并应用于国内某大型钢厂的生产调度,大大缩短了计划编制时间,减少了钢水等待时间,提高了设备利用率。1钢水生产工艺流程炼钢连铸生产调度是在保证连续浇铸的前提下,以炉次为最小计划单位,在追求某一评价函数(如最小等待时间、最小提前/拖期费用或最小最大完成时间)最佳的情况下的一类多工件、多阶段、多并行机的混合FlowShop调度问题。其最终结果是确定在何时、在何种设备上以何种顺序安排钢水从转炉(ConverterFurnace,CF)到精炼炉(RefiningFurnace,RF)、再到连铸机(ContinuousCaster,CC)的生产过程。其生产工艺流程如图1所示。为突出主要矛盾,只考虑如下3类主体生产设备:转炉、精炼炉、连铸机,对天车/行车中间运输工具不予考虑(认为其能力是足够的),但在安排作业时间表时,考虑其运输时间。精炼工序考虑1～4重精炼情况。炉次在连铸机上的作业顺序和连铸开浇时间均为已知,设备处理时间及设备之间的运输时间均为已知,需要为炉次在转炉工位、精炼工位选择作业设备,并确定其在各设备上的作业时间。在追求工序间等待时间最短、设备负荷尽量均衡的目标下,考虑炉次经过的工序顺序不变、机器没有冲突、连续浇铸等约束。2专家调度和两阶段调度方法并存本文建立了基于规则的专家调度方法、基于规划的两阶段调度方法和基于多级模糊综合评价方法的混合智能调度方法,如图2所示。基于规则的专家调度方法和基于规划的两阶段调度方法并行运行,两种方法均在工艺约束和设备约束下,根据各个浇次设定的开浇时间,为其中的每一个炉次指派转炉设备和精炼炉设备,并确定在各作业设备上的加工时间。最后两种方法编制得到的调度计划结果通过多级模糊综合评价模型,按照工位等待时间、设备利用率和工位等待队列数指标进行模糊综合评价,根据综合指标值的高低确定实际下发到生产过程的调度计划。2.1基于规则的专家规划方法2.1.1知识分类模式为了提高搜索效率,系统将知识库中的120多条规则进行了分类:①设备类规则:包括设备可用规则、设备故障处理规则等。②工艺类规则:包括扒渣规则、脱P规则、钢种判定规则、炉况限制规则等。③时间类规则:包括设备冲突解决规则、断浇解决规则、浇铸时间计算规则。④设备选择规则:转炉选择规则、精炼炉选择规则等。知识库分类模式如图3所示。并构建了基于关系数据库的知识库系统,主要由规则前件库、规则后件库、综合数据库、字典数据库和解释数据库组成。采用产生式方法对规则进行表示:if钢种需脱P处理and单联法then脱P、脱C均在一个转炉中进行。系统推理用到的规则主要有:保证连连浇;准时开浇;工序路径最短;工位等待时间最短;等待时间尽量远离连铸工位等。2.1.2混合推理机的解消过程推理机分为前向推理和反向推理。前向推理主要根据连铸开浇时间安排所有炉次计划在连铸机上的作业时刻表;反向推理主要根据每个炉次计划在连铸机上的作业时间,为炉次计划逆序选择精炼工序设备、转炉工序设备,并根据知识库中的规则对其间产生的设备冲突进行冲突解消,最终确定炉次计划在精炼工序设备、转炉工序设备上的作业时间。反向推理是整个推理机的核心部分。结合本调度系统的特点,采用Prolog智能语言实现了一个采用深度优先策略的混合推理机,整个推理机制为:(1)设备状况设定,炉次计划对象集选择;(2)起动前向推理,安排炉次计划对象集中计划在连铸机上的作业时刻;(3)起动反向推理,根据连铸作业时间,为炉次计划逆序选择精炼设备、转炉设备集;(4)若有冲突,则根据冲突解消规则进行冲突解消;否则直接到(5);(5)根据选择的精炼设备、转炉设备集,按照设备选择规则为炉次计划确定具体的作业设备,确定各过程的处理时间、各过程的运输时间;(6)根据炉次计划选择规则,确定炉次计划对象集中的一条计划为已编制完成;(7)若所有计划均编制完成,则到(8);否则转到(1);(8)推理结束。2.2设备选择及炉次排序本文提出两阶段调度方法:通过设备指派解决炉次的设备选择问题以及同一设备上的炉次排序问题;利用冲突解消模型进行冲突解消,确定各炉次最终的在各工序的作业时间。2.2.1不同步骤下的集成设备配置方法(1)设备形序的计算i为炉次序号,Ω为所有炉次的集合,i∈Ω,|Ω|为总炉次数;n为浇次号,N为浇次数,n=1,2,...,N;Ωn为第n浇次中的所有炉次的集合,有Ω1∩Ω2∩…∩ΩN=Φ且Ω1∪Ω2∪…∪ΩN=Ω;j为阶段序号,炼钢、精炼和连铸3个阶段分别对应j=1,2,3;Mj为第j段的设备数(整数),Mj≥1,j=1,2;k为设备序号,k≤Mj;pij为炉次i在第j阶段的处理时间;tij为炉次i在第j阶段的作业开始时间;cij为炉次i在第j阶段的作业结束时间;Tij,j+1j,j+1i为炉次i的第j阶段到第j+1阶段的运输时间;σ为已指派的炉次集,再记σjk为j阶段第k台设备上已指派的炉次集,σ=∪k∈{1,2,⋯,Mj}σjk,j=1,2σ=∪k∈{1,2,⋯,Μj}σjk,j=1,2。(2)浇铸次数的确定考虑设备间除正常运输时间外,工序间无等待:cij=tij+pij,ti,j+1=ci,j+Tij,j+1j,j+1i,∀i∈Ω,j=1,2(1)每个浇次内严格连续浇铸:ti+1,3=ti3+pi3,∀i,i+1∈Ωn,n=1,2,…,N.(2)(3)开浇约束下的炉次分配问题拟解决的问题可以描述为:在现有设备数为Mj(j=1,2)的资源约束下,根据各浇次设定的开浇时间,为Ω中的每一炉次i在阶段j(j=1,2)的处理指派设备,并确定同一设备上的炉次排序,问题的目标是尽量减少冲突。(4)基于分级启发式算法的设备选择炉次设备指派策略的核心是当一个设备上未指派的炉次q对应时段内有指派时,如何为炉次q选择设备。为了得到冲突最小的粗调度,需要计算可能的备冲突,并把q安排到使冲突最小的设备上。综合以上分析,对未指派炉次q∈Ω-σ,在阶段j的设备k上的总冲突值函数可定义为:Fj(q,σ,k)=∑i∈Ωfj(q,i,k)且Fj(q,φ,k)=0(3)Fj(q,σ,k)=∑i∈Ωfj(q,i,k)且Fj(q,φ,k)=0(3)其中fj(q,i,k)表示炉次q和炉次i在阶段j的设备k上的冲突值,具体计算方法如下:fj(q,i,k)=⎧⎩⎨⎪⎪min(cq,j,ci,j)−max(tq,jti,j),[tq,j,cq,j]∩[ti,j,ci,j]≠φ且i∈σjk0‚否则(4)fj(q,i,k)={min(cq,j,ci,j)-max(tq,jti,j),[tq,j,cq,j]∩[ti,j,ci,j]≠φ且i∈σjk0‚否则(4)考虑当多个设备具有相同的最小冲突值时的设备选择情况,本文最终采用如下的优先级启发式算法:冲突值最小、设备负荷最小、传搁时间最小、设备序号最小。2.2.2连铸断浇惩罚函数设备指派形成的粗调度会在某些设备上出现资源占有时间上的冲突,因此建立如下的冲突解消数学模型:其中:M为浇次数;Nj为设备j的可用时间段段数;ue001φk为浇次k的炉次集合,k=1,2,…,M;ue001φ0为开浇第一炉次的集合;Πk为第k个浇次的连铸设备集合;Ωi为炉次i的设备集合;SI(i,j)为炉次i在设备j上的紧后炉次;SP(i,j)为炉次i在设备j上的紧后设备;C1k为第k个浇次断浇惩罚系数;C2ij为炉次i在设备j上等待时间的惩罚系数;C3k为前于开浇时刻的惩罚系数;C4k为迟于开浇时刻的惩罚系数;ti,j为设备i到设备j的运输时间;Ti,j为炉次i在设备j上的处理时间;Jk为第k个浇次的开浇时间;Xi,j为炉次i在设备j上的开始处理时间。式(5)表示的目标函数是使得浇次中的连铸断浇的惩罚费用、所有炉次在所处理设备上的等待惩罚费用、每个浇次不满足准时开浇时间的惩罚费用总和最小。式(6)表示在同一个工位上相邻的两个炉次要等前一个炉次处理完后才能处理下一个炉次。式(7)表示在同一个炉次要等前一个工位处理完后才能进行下一个工位的处理。2.3调度计划目标的确定根据炼钢连铸调度的特点,建立了如图4所示的多级模糊综合评价-加权平均复合模型的评价体系,对基于规则的专家系统方法和基于设备指派的线性规划方法编制的调度计划结果分别进行快速评价,根据评价指标值的高低确定实际下发的计划。因素集U={U1,U2,U3}={工位等待时间,设备利用率,工位等待队列数},采用层次分析法(AHP)确定指标权重,评价集={好、较好、一般、较差、差}。工位等待时间为越小越优型指标、设备利用率为越大越优型指标、工位等待队列数为越小越优型指标。3工程应用3.1区域控制实现现状国内某大型钢厂拥有300吨转炉3座;钢包扒渣工位1个;精炼设备7台:3台RH、2台CAS、1台KIP、1台LF;连铸机3台:2台1930板坯宽(2流)连铸机,1台宽厚板坯连铸机(2流)。精炼工序分为无精炼、1～4重精炼,共计26种不同的精炼方式,钢种类型达200多种。正在使用的计算机系统有终端过程控制计算机系统(L2)和区域管理计算机系统(L3)。目前炼钢连铸区域调度只是实现了信息系统管理,对核心的调度计划排程仍以手工为主,排定的作业计划也只是指定了连铸开浇时刻和转炉出钢终了时刻,没有安排计划的精炼设备及其作业时间。研究实现计划编制方法的计算机化、快速生成调度作业时刻表,进一步提高生产效率,已成为该厂迫切需要解决的问题。3.2物质调度计划编制将本文提出的混合智能调度方法应用于该大型钢厂炼钢连铸生产调度,建立了专家子系统、规划子系统和模糊评价子系统。图5是3台转炉对3台连铸机、且每台连铸机均有10条炉次计划时编制得到的调度计划结果,包括了每个炉次计划的各个工序设备以及详细作业时间。计划编制所用时间为6s。按照原来手工编制模式,每天生产炉数在