煉鋼連鑄動態調度專家系統設計與仿真

[摘 要] 針對煉鋼連鑄的生產特點，研究了煉鋼連鑄動態調度專家系統。系統通過混合知識表示形成知識網絡，構建樹狀層次結構實現知識庫模塊化管理，運用推理機實現動態調度策略實時推理，加強了系統的柔性和知識的重用性。系統能夠根據調度方案和生產數據實時監控生產過程，及時識別擾動，并實現重調度。仿真結果表明，系統具有很好的實時性和交互性，能夠保持生產的穩定運行。

[關鍵詞] 動態調度;專家系統;煉鋼連鑄;系統仿真

doi : 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2009 . 21 . 012

[中圖分類號]TP273;TF777 [文獻標識碼]A[文章編號]1673 - 0194(2009)21 - 0042 - 03

0引 言

煉鋼連鑄是鋼鐵生產的關鍵部分和瓶頸工序，在煉鋼連鑄生產過程中，必須能夠對各種突發事件做出快速應對，在異常情況下動態調整生產計劃，確保生產順利進行。因此，煉鋼連鑄動態調度的研究對鋼鐵生產具有重要意義[1]。專家系統作為人工智能的一種系統化方法，在動態調度研究中占有重要的地位[2][3]。將專家系統用于動態調度的研究，可以有效解決模糊的、非結構化和半結構化的問題。

本文對煉鋼連鑄動態調度專家系統進行研究和設計開發。該系統可以根據已知調度方案和車間生產實績，追蹤物流生產情況，在檢測到動態擾動時及時報警，并針對擾動特點選用適當的重調度方法生成新的調度方案，保證生產持續穩定進行。

1系統總體結構

煉鋼連鑄是鋼鐵生產的重要工序，包括煉鋼、精煉和連鑄3個階段，可以抽象為多階段、多作業、多并行機的混合流水車間調度問題(Hybrid Flow Shop Scheduling)。此外，煉鋼連鑄生產調度又具有特殊性，要求一定爐次范圍內必須連續澆鑄，且鋼水只允許在各工序間等待較短時間，這使得動態調度更具復雜性。

煉鋼連鑄動態調度系統的作用是在線監控爐次作業的物流加工情況，識別異常擾動事件，并實時決策是否重調度。煉鋼連鑄生產過程中常見的擾動主要有3類:時間類擾動，包括開始時間提前或延遲、加工時間縮短或延長等;設備故障類擾動，包括設備停機、設備速度異常等;產品質量類擾動，包括鋼水成分波動、鋼水溫度波動等。

專家系統能簡便地將各種事實及理論與通過經驗獲得的知識相結合，具有良好的柔性和可擴充性。煉鋼連鑄動態調度系統結合專家系統的理論知識，將動態調度知識和運用知識的推理機制相分離，實現生產過程實時監控和擾動事件重調度的功能。

煉鋼連鑄動態調度專家系統與靜態調度系統和過程控制系統這兩個外部系統連接，由知識庫、知識庫管理系統、推理機、解釋器和人機交互界面5部分組成，并在Gensym公司的G2實時專家系統平臺[4]上開發。

2知識表示與知識庫管理

2.1 混合知識表示

系統采用框架表示與產生式表示結合的方式，用框架描述結構性知識和陳述性知識，用產生式規則描述啟發式知識和過程性知識。這種混合知識表示很好地實現了各種不同類型的知識的結合，并有利于知識庫的進一步擴充和豐富。

2.1.1基于框架的對象知識表述

框架是一種結構化表示法，用來表示問題的對象或者自然關聯在一起的對象的類。一個框架可以是另一個框架的槽值，并且同一個框架可以作為幾個不同框架的槽值，這樣減少了知識冗余，節省了儲存空間。框架的一個重要特征是繼承，子框架可以繼承父框架的所有特性。框架也支持多重繼承，這樣可以從不同的角度描述對象[5]。

煉鋼連鑄動態調度系統的概念模型由框架及其繼承與關聯關系表示，如圖1所示。其中，Schedule(調度方案)、Ladle(爐次)、Machine(設備)、Monitor(監控功能)、Disturbance(擾動信息)是系統抽象出來的5個主要知識，這里作為頂層框架。其他框架通過繼承頂層框架的信息來構成動態調度知識網絡。其中:(1) Pre-Sch(初始調度方案)、ReSch(重調度方案)是Schedule的子框架;(2) Sch-Ladle繼承了Ladle和Monitor兩個框架，記錄作業的加工現狀和鋼水溫度的實時監測情況;(3) Sch-Mch繼承了Machine和Monitor框架，監視設備上作業加工情況和設備運轉情況。它的3個子框架:Converter(轉爐)、Finery(精煉爐)和Caster(連鑄機)分別定義了各個設備的特性和圖標;(4) Time-ReSch(時間擾動重調度)、Break-ReSch(故障擾動重調度)和Quality-ReSch(質量擾動重調度)是Disturbance的子框架，表示各類擾動的關鍵信息，以及重調度的過程數據。

2.2.2產生式的規則表述

產生式知識表示也稱為產生式規則，它用“IF [前提] THEN [結論]”的形式表示推理過程和行為，描述關系、策略和啟發等知識。規則通過各種方式相互聯系，當某一個規則的結論正好是另一條規則的前提時，這兩條規則是相互串聯的。規則之間形成復雜的知識推理網絡。

本系統采用的規則形式主要有兩種:數據驅動規則和事件驅動規則。

(1)數據驅動規則在框架槽值發生變化時檢測前提部分的條件，若條件為真，則執行結論部分的操作，例如:

IF Monitor的實際值-期望值> 閾值

THEN Monitor的狀態=“over-target”

(2)事件驅動規則實時響應實時事件，一旦檢測到前提部分中的事件發生，則執行結論部分的操作，實現知識推理。例如:

IF Sch-Ladle的狀態槽從外部系統接收到新數據

THEN 在動態仿真界面上移動Sch-Ladle

AND 更新Sch-Ladle和Sch-Mch的槽值

AND 開始累計工序加工時間

系統的主要規則集有:初始化規則集、生產指令生成規則集、監控與擾動識別規則集、動態仿真規則集、重調度規則集等。

2.2 知識庫管理

針對框架知識表示的繼承性特點，系統采用樹狀層次結構對知識庫進行模塊化管理，如圖2所示。知識庫有3個底層模塊:生產模塊、監控模塊和重調度模塊。這3個底層模塊不依賴于其他模塊而獨立運行。其中，生產模塊定義了煉鋼連鑄工藝對象的特性知識;監控模塊抽象定義了系統的監控功能;重調度模塊建立了針對不同擾動的重調度模型。頂層的動態調度模塊則集成了3個底層模塊，該模塊的運行需要運用到包含于底層模塊中的知識，對底層模塊知識的進行組織和協調，并提供交互界面，動態仿真生產現場，使調度員準確掌握實際生產情況，實現優化調度的目的。

通過知識庫的模塊化管理，可以實現知識的歸類，增強知識的重用性。

3實時推理策略

系統借助G2平臺實現基于規則的實時推理，包括正向推理和反向推理兩種控制策略，正向推理響應數據更新和實時事件，反向推理調用其他的規則、過程或方法。G2平臺的推理機具有并發式多線推理能力，可以在動態變化的環境下，通過對規則的控制，對對象進行靈活的監視與控制，保證了推理的實時性和靈活性[6]。

動態調度系統從過程控制系統和靜態調度系統采集和監控數據，通過規則之間的觸發關系實現知識推理，當數據異常時，根據異常種類和程度從程序庫中選擇重調度方法，生成新的生產指令。

4仿真實驗

某鋼鐵廠有轉爐3臺，精煉爐3臺，連鑄機3臺，對生產過程中的擾動因素，系統采用隨機函數進行仿真，仿真結果如圖3所示。

在實驗過程中，根據生產數據的不斷變化，動態仿真界面SCHEDULING-GUI能夠實時仿真生產現場，并在界面上標示出鋼水的爐次、加工時間、溫度，設備的作業狀態、工作時間等重要屬性的當前值。生產異常時，報警信息顯示在消息板MESSAGE-BOARD上，包括發生時間、異常代碼、情況描述等，如圖3(a)所示。

對于仿真實驗中出現的各類擾動，根據擾動情況生成相應的實例框架，并在重調度過程中將過程數據依次填至框架槽中，清晰解釋了新調度方案的生成過程。圖3(b)為接收到設備臨時檢修計劃時Break-ReSch實例MB的部分槽值，包括故障時間，故障設備，影響作業，以及重調度過程中生成的最小調度集和調度集處理結果。

5結束語

本文根據煉鋼連鑄生產特點，研究和設計了煉鋼連鑄動態調度專家系統。系統由知識庫、推理機、解釋器和人機界面組成，并采用樹狀層次結構對知識庫進行模塊化管理。系統的知識表示采用了框架表示和產生式表示相結合的方式，建立了復雜的煉鋼連鑄動態調度知識網絡和推理網絡。系統的仿真結果表明，該系統能有效地實現生產過程實時監控和車間生產動態仿真，出現異常情況時能夠及時重調度，保證了生產的穩定運行，具有良好的交互性、實時性和在線性，對一般的混合流水車間動態調度問題也具有通用性。

主要參考文獻

[1] 王秀英， 柴天佑， 鄭秉霖. 煉鋼連鑄智能調度軟件的開發及應用[J]. 計算機集成制造系統， 2006， 12(8): 1220-1226.

[2] 錢曉龍， 唐立新， 劉文新. 動態調度的研究方法綜述[J]. 控制與決策， 2001， 16(2): 141-145.

[3] 常春光， 胡琨元， 汪定偉， 等. 鋼鐵生產動態調度理論研究與工程應用綜述[J]. 信息與控制， 2003， 32(6): 531-537.

[4] Yao L， Postlethwaite I， et al. Design， Implementation and Testing of an Intelligent Knowledge-based System for the Supervisory Control of a Hot Rolling Mill[J]. Journal of Process Control， 2005， 15(6): 615-628.

[5] 宋新民， 龍楊喜， 等. 基于仿真的故障診斷專家系統應用研究[J]. 系統仿真學報， 2006， 18(4): 1038-1040.

[6] Gensym Corporation. G2 Application Development 1 Overhead Manual (Version 7.0 Rev. 0)[CP].2003.

Design and Simulation for Dynamic Scheduling Expert System of Steelmaking-Continuous Casting

WANG Bai-lin

(School of Economics and Management， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China)

Abstract: According to the production characteristics， a dynamic scheduling expert system of steelmaking-continuous casting is studied and designed. The system adopts a hybrid knowledge representation to form knowledge network， and builds up tree hierarchy architecture to manage knowledge base modularly. Real-time reasoning for dynamic scheduling strategy is implemented by inference mechanism. These techniques enhance the system flexibility and the knowledge reusability. The system can monitor production process in real time based on schedules and production data， and identify disturbances timely， then reschedule if needed. The simulation results demonstrate the well real-time and interactive features of this system which can maintain stable operation of production.

Key words: Dynamic Scheduling; Expert System; Steelmaking-Continuous Casting; System Simulation