鋼鐵企業(yè)板坯物流優(yōu)化與加熱調(diào)度研究.pdf

1、鋼鐵生產(chǎn)過程中，因物流高溫連續(xù)運(yùn)作使得生產(chǎn)過程能源消耗大、生產(chǎn)設(shè)備規(guī)模大，需要很高的運(yùn)行成本。在保證設(shè)備利用率和產(chǎn)能的同時(shí)，如何有效地節(jié)能降耗，成為生產(chǎn)上迫切需要解決的問題。鋼鐵工業(yè)一般從工藝與裝備、自動(dòng)化與控制系統(tǒng)、生產(chǎn)和物流作業(yè)管理的改進(jìn)等三個(gè)層面進(jìn)行節(jié)能。本文以熱軋加熱爐加熱這一典型高能耗工序及其供料物流環(huán)節(jié)為背景，從生產(chǎn)和物流作業(yè)管理層面，對(duì)加熱爐的供料環(huán)節(jié)——板坯庫(kù)的板坯物流調(diào)度和加熱爐自身的板坯加熱調(diào)度進(jìn)行了研究。其研究有助

2、于加熱爐及時(shí)供料、減少空燒，對(duì)于提高熱軋生產(chǎn)率和節(jié)能降耗具有重要意義。
　　當(dāng)軋制計(jì)劃執(zhí)行時(shí)，需要從板坯庫(kù)中選擇合適的板坯。由于板坯分布在板坯庫(kù)中不同的垛位及垛位中的不同位置，獲取板坯時(shí)將產(chǎn)生倒垛。本文針對(duì)板坯庫(kù)供料過程中對(duì)吊機(jī)負(fù)荷在時(shí)間和空間上的均衡性要求以及不同的板坯倒垛方式，分別研究了考慮板坯出庫(kù)時(shí)間約束和庫(kù)區(qū)吊機(jī)負(fù)荷均衡要求的兩類板坯倒垛問題的建模和優(yōu)化。由于板坯倒垛和供料中的搬運(yùn)作業(yè)都是由吊機(jī)完成的，因此本文針對(duì)板坯倒垛

3、和吊機(jī)調(diào)度的集成問題，建立了數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，并開發(fā)了有效的算法。針對(duì)加熱爐中的板坯調(diào)度問題，開發(fā)了智能優(yōu)化算法。主要工作概述如下:
　　1)對(duì)考慮板坯出庫(kù)時(shí)間的板坯倒垛問題的建模和優(yōu)化進(jìn)行了研究。與已有研究不同，問題要求各個(gè)目標(biāo)板坯對(duì)應(yīng)的吊機(jī)工作量必須在給定的出庫(kù)時(shí)間之前完成，并且倒垛板坯不需要再移回原垛位?？紤]上述特征和要求，以包括倒垛操作和出庫(kù)操作在內(nèi)的總吊機(jī)工作量最小為目標(biāo)，對(duì)問題建立了非線性整數(shù)規(guī)劃模型。并以各軋制項(xiàng)為階段變

4、量，設(shè)計(jì)了該問題的動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法，對(duì)小規(guī)模問題可以求得最優(yōu)解。對(duì)于大規(guī)模問題，利用實(shí)際生產(chǎn)中板坯軋制序列的局部相似性特征，提出了基于分段動(dòng)態(tài)規(guī)劃的啟發(fā)式算法。并基于對(duì)問題的最優(yōu)解性質(zhì)分析，提出了加速策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于小規(guī)模問題，基于分段動(dòng)態(tài)規(guī)劃的啟發(fā)式算法的求解質(zhì)量非常接近最優(yōu)解;對(duì)于中等規(guī)模問題，明顯優(yōu)于優(yōu)化軟件ILOGCP Optimizer;對(duì)于實(shí)際規(guī)模的問題，平均能夠節(jié)省10.76％的吊機(jī)工作量。
　　2)對(duì)考慮庫(kù)區(qū)吊

5、機(jī)負(fù)荷均衡的板坯倒垛問題的建模和優(yōu)化方法進(jìn)行了研究。為了克服以往倒垛問題沒有考慮吊機(jī)負(fù)荷均衡而影響吊機(jī)工作總體效率的缺點(diǎn)，本研究考慮了吊機(jī)負(fù)荷均衡約束。通過引入同垛板坯選擇方案概念，將實(shí)際問題的非線性特征表達(dá)成線性關(guān)系，從而建立了問題的線性整數(shù)規(guī)劃模型。該模型不僅適合于軋制項(xiàng)目間無共同可選板坯的情況，也適合于存在共同可選板坯的復(fù)雜情況。針對(duì)模型高維難于直接有效求解的缺點(diǎn)，分析了問題的結(jié)構(gòu)特征，提出了降維策略，有效地提高了求解效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)

6、果表明，對(duì)于實(shí)際的問題規(guī)模，該模型通過ILOGCplex優(yōu)化軟件求解，能夠獲得問題的最優(yōu)解。
　　3)對(duì)板坯倒垛和吊機(jī)調(diào)度集成問題的建模和優(yōu)化進(jìn)行了研究。集成問題是在滿足板坯提交時(shí)間要求下，需要同時(shí)確定板坯選擇、板坯倒垛位置以及吊機(jī)調(diào)度等決策，使得吊機(jī)總負(fù)荷最小化。針對(duì)集成問題，提出了基于整數(shù)線性規(guī)劃（Integer Linear Programming，ILP）的啟發(fā)式算法。該算法的基本思想是首先將原問題分解成一個(gè)決定板坯選擇的

7、主問題和一個(gè)包含倒垛位置決策的吊機(jī)調(diào)度子問題。對(duì)于主問題建立了ILP模型，而對(duì)于子問題設(shè)計(jì)了啟發(fā)式算法，將子問題求解構(gòu)造的“真割”或“偽割”加入到主問題中反復(fù)迭代直到產(chǎn)生一個(gè)原問題的可行解。為了表明提出的算法的有效性，通過實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果得出基于ILP的啟發(fā)式方法的平均求解間隙為3.16％;通過理論分析，給出了該算法一定條件下的最壞情況性能誤差;通過簡(jiǎn)化問題，能夠產(chǎn)生最優(yōu)解。
　　4)針對(duì)一類Job-Shop問題，提出了改進(jìn)的混合MI

8、LP/CP算法。為了克服現(xiàn)有的混合MILP/CP算法框架求解一類Job-Shop問題效率較低的缺點(diǎn)，基于關(guān)鍵工件分配和關(guān)鍵“割”的概念，提出了“多生成割”策略，能夠在預(yù)處理和每次迭代中同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)有效“割”。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提的改進(jìn)策略的有效性。
　　5)對(duì)熱軋加熱爐調(diào)度問題的建模和優(yōu)化進(jìn)行了研究。加熱爐調(diào)度問題需要決定軋制序列中板坯在多個(gè)加熱爐間的分配和各個(gè)板坯的入爐時(shí)間及在爐時(shí)間，在保證各自的出爐時(shí)間要求下，最優(yōu)化加熱質(zhì)量和能耗。