一种钢铁企业原料取料设备的优化作业控制方法

摘要

本发明一种钢铁企业原料取料设备的优化作业控制方法，属于钢铁原料生产物流技术领域，本发明通过数学模型科学定量的描述了钢铁原料取料设备控制过程中的工艺特征，并以此为基础，采用智能优化算法对取料设备进行作业控制，使得原料取料及传输生产系统处于最优的工作状态，从而在很大程度上避免因分配不合理而造成的原料供应中断等问题，保证设备稳定运行，均衡生产，提高设备利用率，缩短生产周期和提高生产效率。

主权项

1.一种钢铁企业原料取料设备的优化作业控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：确定原料场存储状态数据、取料设备作业现状数据和需求指令信息，具体包括：各原料在原料场的存储位置、各原料在原料场的存储量、取料设备作业状态、取料设备所在位置、待作业的原料需求指令以及最新原料需求指令，上述原料需求指令包括待作业原料批号、待作业原料的需求量、需求生产车间、各个待作业原料的开工允许时间和各个待作业原料的完工截止时间；步骤2：以取料作业过程的工艺限制和时限为约束条件，采用建立数学模型的方式描述取料设备优化作业控制过程；所述的数学模型，建立过程如下：步骤2-1：设置数学模型的参数：设定执行原料i的取料作业的取料设备集合为K_i，使用取料设备k执行其取料作业的原料集合为I_k；K为所有取料设备的集合，I为所有原料的集合；对于生产车间w所需求的原料集合为I_w；每个I_w中的全部原料到达对应生产车间的次序为r_ij，若原料i紧接着原料j到达同一生产车间，r_ij取值为1，否则为0；；步骤2-2：根据取料设备控制方案设置数学模型的决策变量：设定表达取料设备分配关系的0-1决策变量x_ki：即当x_ki=1时，表示使用取料设备k对原料i进行取料作业，当x_ki=0时，表示未使用取料设备k对原料i进行取料；设定表达取料设备控制方案的0-1决策变量y_ij：即当y_ij=1时，表示第j种原料紧接着第i种原料被执行取料作业，且均使用了同一作业设备，否则y_ij=0；设定表达取料设备取料作业方向的0-1决策变量z_ki：即当z_ki=1时，表示设备k从原料i的左端点开始对其进行取料作业，z_ki=0表示设备k从原料i的右端点开始对其进行取料作业；设定l_ij表达当y_ij=1时，取料设备从原料i的作业结束位置空走行到达原料j的作业开始位置所需的时间；设定t_i表达原料i的开工时间；设定C_i表达原料i的拖期时间；步骤2-3：根据取料设备作业过程的工艺要求设置数学模型约束条件：（1）对于任一取料设备k，完成上一个原料的取料作业之后，才能开始下一个原料的取料作业，同时满足原料到达次序r_ij要求,因此，取料设备作业约束如下：t_j-t_i≥p_i-M(1-y_ij)+l_ij      (1)其中，其中j∈I/{i}表示j是I中不同于原料i的一个原料，t_j表示原料j的开工时间，p_i表示原料i所需的作业时间，M为一个给定正数；t_j-t_i≥p_i-M(1-r_ij)       (2)（2）对于原料i，其取料作业需要在其最晚完工时间之前结束，否则会造成拖期，拖期时间C_i计算约束如下：C_i≥t_i+p_i-d_i         (3)其中，d_i表示原料i的最晚完工时间；（3）对于原料i，必有一个取料设备被分配来执行其取料作业，取料设备分配约束如下：$\underset{k\in K_i}{\Sigma }{x}_{\mathrm{ki}}=1---\left(4\right)$其中，$\forall i\in I;$（4）对于原料i，若占用取料设备k进行取料作业，且不是第一个被作业和不是最后一个被作业，则必有一个原料在原料i之前占用取料设备k进行作业，且必有另一个原料在原料i之后占用取料设备k进行作业，则取料作业顺序约束如下：$\underset{i\in I_k\cup \left\{a\right\}}{\Sigma }{y}_{\mathrm{ij}}=x_{\mathrm{kj}}---\left(5\right)$$\underset{j\in I_k\cup \left\{b\right\}}{\Sigma }{y}_{\mathrm{ij}}=x_{\mathrm{ki}}---\left(6\right)$式中，i∈I_k∪{a}，此时，原料i、原料j是集合I_k中不同的两个原料，a和b是两个虚拟原料，a表示虚拟的第一个被作业的原料，b表示虚拟的最后一个被作业的原料；并保证在每个取料设备处，原料a和原料b两个虚拟原料分别被第一个和最后一个作业；（5）当原料j紧接着原料i被执行取料作业时，取料设备的空走行时间l_ij取决于原料i和原料j的取料方向，空走行时间约束如下：$l_{\mathrm{ij}}+M·(1-y_{\mathrm{ij}})\ge L_{\mathrm{kij}}^0+L_{\mathrm{kij}}^1{z}_{\mathrm{ki}}+L_{\mathrm{kij}}^2{z}_{\mathrm{kj}}+L_{\mathrm{kij}}^3{z}_{\mathrm{kj}}{z}_{\mathrm{kj}}---\left(7\right)$式中，此时，原料i和原料j是集合I_k中不同的两个原料，原料i和原料j均为从右端开始取料时，取料设备的空走行时间为当原料i和原料j均为左端取料时，取料设备的空走行时间为当原料i为左端取料而原料j为右端取料时，取料设备的空走行时间为当原料i为右端取料而原料j为左端取料时，取料设备的空走行时间为步骤2-4：取料设备实时作业控制的目标是使各个原料的取料作业的拖期时间最小，取料设备空走行时间也尽可能小，同时使剩余的空场地尽可能连贯，即：$\min ,u\underset{i\in I}{\Sigma }\underset{j\in I/i}{\Sigma }{l}_{\mathrm{ij}}+\underset{i\in I}{\Sigma }{v}_i{C}_i+\underset{k\in K}{\Sigma }\underset{i\in I}{\Sigma }{w}_{\mathrm{kj}}{x}_{\mathrm{kj}}{z}_{\mathrm{kj}}---\left(8\right)$式中，此时，原料i和原料j是集合I中不同的两个原料，u为拖期的权重系数,v _i为空走行的权重系数，w_ki场地连贯性权重系数；步骤3、确定钢铁原料取料设备的作业控制过程，方法为：步骤3-1、建立一个新集合，该新集合为空集，并将所有原料以完工截止时间从小到大的顺序排列，得到次序；步骤3-2、选择次序中完工截止时间最早的原料，对于该原料，以约束公式(1)(2)(7)为依据，从可以执行该原料的取料作业的取料设备集合中选择使得空走行时间最小的取料设备；根据约束公式(1)(2)(7)更新该原料的作业设备控制方案，把原料从次序中删除，放入新集合中，并执行步骤3-3；步骤3-3、判断是否所有原料都已分配相应设备，若是，即得到此时所有取料设备的预控制方案，并执行步骤3-4；否则返回执行步骤3-2；步骤3-4、选择前一个迭代周期中的最优控制方案，并根据公式（8）计算该方案的目标值，根据目标值对该控制方案进行评估；采用邻域搜索策略找出与上述最优控制方案相近邻域的控制方案中的最优方案，对该方案进行评估，若该方案的目标值小于前一个迭代周期中的最优控制方案的目标值，则设定该方案为历史最优控制方案，并获得历史最优目标值，将连续未改进代数归零，并执行步骤3-6；否则将连续未改进代数加1，执行步骤3-5；步骤3-5、若连续未改进代数达到用户设定的上限，则算法停止，确定取料设备优化作业控制方案；否则，执行步骤3-7；步骤3-6、将历史最优控制方案所对应的搜索移动方式进行保存，下一次搜索中不允许使用；若所保存的搜索移动方式数目达到设置的上限，则对最先保存的搜索移动方式取消保存，即可在下一次搜索中使用；步骤3-7、判断迭代次数是否达到用户设定值，若是，则算法停止，确定取料设备优化作业控制方案；否则转到步骤3-4；步骤4：将优化后的取料设备优化作业控制方案转化为生产指令，发送至二级过程控制系统，过程控制系统按上述方案控制取料设备执行取料作业。