“一罐制”鐵水調(diào)度優(yōu)化模型的研究

范波，蔡樂(lè)才

（四川理工學(xué)院a.自動(dòng)化與電子信息學(xué)院；b.計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川自貢643000）

“一罐制”鐵水調(diào)度優(yōu)化模型的研究

范波a，蔡樂(lè)才b

（四川理工學(xué)院a.自動(dòng)化與電子信息學(xué)院；b.計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川自貢643000）

鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)是鋼鐵生產(chǎn)的一個(gè)關(guān)鍵銜接環(huán)節(jié)，對(duì)控制鋼鐵生產(chǎn)節(jié)奏、保證產(chǎn)品質(zhì)量起著極其重要的作用。鋼鐵生產(chǎn)新工藝的“一罐制”鐵水運(yùn)輸，縮短了鋼鐵界面流程，使生產(chǎn)的剛性和連貫性增強(qiáng)，對(duì)鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的要求更高，因此鋼鐵企業(yè)日益重視對(duì)鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)度的研究。在對(duì)行車起重機(jī)+鐵水車“一罐制”鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)和調(diào)度的研究基礎(chǔ)上，分析了新工藝流程中鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)鋼鐵生產(chǎn)的調(diào)度計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化，建立了基于“一罐制”鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)多目標(biāo)徑路優(yōu)化模型，并給出了模型算法。算法實(shí)現(xiàn)了新工藝下鐵水物流運(yùn)輸?shù)闹悄軆?yōu)化調(diào)度，使鐵水運(yùn)輸趨于準(zhǔn)點(diǎn)，降低生產(chǎn)能耗。

一罐制；鐵水運(yùn)輸調(diào)度；優(yōu)化模型

引言

近年來(lái)，鋼鐵生產(chǎn)計(jì)劃的調(diào)度問(wèn)題越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外專家的重視，建立了一些基于不同工藝流程的鐵水調(diào)度模型∶如文獻(xiàn)［1］基于魚雷罐車（Torpedo car，TPC）的鐵水調(diào)度模型仿真，對(duì)鐵水運(yùn)輸分區(qū)路徑的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)選擇算法進(jìn)行一定的研究；文獻(xiàn)［2］為寶鋼鐵水調(diào)度配置機(jī)車，以及機(jī)車任務(wù)配置建立了數(shù)學(xué)模型并求解；文獻(xiàn)［3］分析了鐵水物流過(guò)程中的擾動(dòng)情況，并開(kāi)發(fā)了基于可視化圖形化的鐵水調(diào)度仿真系統(tǒng)；文獻(xiàn)［4］建立了鐵水分配問(wèn)題的模型，在模型中由分配的鐵水重量代替鐵水重罐的數(shù)量，先通過(guò)枚舉法獲得鐵水重罐整數(shù)解，然后基于兩步驟的二進(jìn)制搜索算法獲得數(shù)量精確解。但這些模型并沒(méi)考慮鐵水重罐調(diào)度時(shí)間上的優(yōu)化，而在鋼鐵實(shí)際生產(chǎn)中，如果鐵水重罐運(yùn)輸不及時(shí)，會(huì)造成鐵水一定溫降，增大生產(chǎn)能耗。

現(xiàn)在關(guān)于鐵水運(yùn)輸調(diào)度的文獻(xiàn)絕大多數(shù)都是針對(duì)“TPC+機(jī)車”運(yùn)輸模型的分析和仿真，而關(guān)于“一罐制”鐵水調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題還鮮有研究。本文在分析了某鋼鐵廠起重機(jī)+過(guò)跨鐵水車“一罐制”鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)新工藝后，針對(duì)“一罐制”鐵水運(yùn)輸工藝，建立了多目標(biāo)調(diào)度優(yōu)化模型，并求解分析結(jié)論。

1 “一罐制”鐵水運(yùn)輸調(diào)度問(wèn)題的描述

某鋼鐵廠目前一期煉鐵區(qū)域建有2500 m3高爐三座，KR脫硫站3座，煉鋼區(qū)域配置210 t轉(zhuǎn)爐3座，如圖1所示。

鐵水運(yùn)輸采用國(guó)際鋼鐵業(yè)新近發(fā)展起來(lái)的“行車起重機(jī)+過(guò)跨鐵水車”的“一罐制”工藝［5］。這3座高爐各有3個(gè)出鐵口，高爐兩側(cè)同時(shí)出鐵。重罐轉(zhuǎn)運(yùn)流程如圖2所示，在正常生產(chǎn)情況下，鐵水罐在出鐵場(chǎng)受鐵。在受鐵的同時(shí)，軌道稱量，每罐鐵均裝鐵水190±2（稱此罐為重罐）方可進(jìn)入轉(zhuǎn)運(yùn)跨。起重機(jī)將重罐吊運(yùn)到脫硫站脫硫，脫硫結(jié)束后，重罐再經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)跨、起重機(jī)和鐵水通廊鐵水車轉(zhuǎn)運(yùn)至煉鋼車間加料跨內(nèi)等待。待轉(zhuǎn)爐兌鐵倒空后，鐵水空罐由鐵水通廊鐵水車運(yùn)回鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)跨，循環(huán)受鐵。不合格罐，離線檢修。

重罐和空罐的運(yùn)輸構(gòu)成了整個(gè)鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，這是一個(gè)環(huán)狀的動(dòng)態(tài)循環(huán)周期流程［6］。整個(gè)鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)從空罐接滿鐵水變成重罐開(kāi)始，重罐經(jīng)過(guò)相應(yīng)環(huán)節(jié)（扒渣、脫硫等）的轉(zhuǎn)運(yùn)處理，進(jìn)入煉鋼轉(zhuǎn)爐，最終生成空罐，然后空罐經(jīng)過(guò)相應(yīng)環(huán)節(jié)（如離線檢修）的處理，又去受鐵生成重罐，循環(huán)反復(fù)以上這過(guò)程，使得鐵水罐始終可以保持一個(gè)均衡狀態(tài)。若重罐流程或空罐流程存在堵塞或運(yùn)輸不暢，都會(huì)打亂這個(gè)平衡，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。算法，使轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間最少，每次用罐最少，起吊次數(shù)最少、重罐等待時(shí)間最少、轉(zhuǎn)運(yùn)周期時(shí)間最少、重罐均重最重，如圖3所示。

2 “一罐制”鐵水調(diào)度優(yōu)化模型的建立

該鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)是一個(gè)多環(huán)節(jié)、多運(yùn)輸方式的生產(chǎn)動(dòng)態(tài)運(yùn)輸過(guò)程，同時(shí)也是一個(gè)離散與連續(xù)相混合的動(dòng)態(tài)運(yùn)輸過(guò)程［6-7］。根據(jù)“一罐制”鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)，遵循從簡(jiǎn)到繁的原則，對(duì)模型中的部分問(wèn)題進(jìn)行假定∶

（1）每個(gè)中心環(huán)節(jié)所進(jìn)行的運(yùn)輸作業(yè)都滿足生產(chǎn)規(guī)程。

（2）所有環(huán)節(jié)的作業(yè)都是在準(zhǔn)備就緒后進(jìn)行。

（3）每個(gè)環(huán)節(jié)作業(yè)開(kāi)始以后就不允許中斷。

（4）鐵水重罐在運(yùn)輸中間等待時(shí)間不能太長(zhǎng)，因?yàn)榈却龝r(shí)間過(guò)長(zhǎng)，鐵水會(huì)降溫，不能直接送入煉鋼轉(zhuǎn)爐，則要將等待重罐放在車間就近重罐座重新加熱。本文假定用鐵水等待時(shí)間來(lái)衡量鐵水的溫降。

（5）鐵水的運(yùn)輸工具由過(guò)跨鐵水車和行車起重機(jī)組成，在模型中，我們只關(guān)心兩者時(shí)間是否會(huì)延遲，假定過(guò)跨車與行車的運(yùn)行時(shí)間只根據(jù)轉(zhuǎn)運(yùn)距離確定。

（6）不合格的空罐檢修屬于靜態(tài)過(guò)程，并且檢修時(shí)長(zhǎng)不確定，所以只能單獨(dú)作為一個(gè)模型來(lái)考慮。

（7）只考慮一次出鐵的重罐和空罐這兩個(gè)方面。

基于上述假定，給出模型優(yōu)化目標(biāo)∶確定一個(gè)調(diào)度

2.1 定義參數(shù)

tiz-d∶第i個(gè)重罐估計(jì)等待時(shí)間，其中i=1，2，3，…；μv∶因不同原因而等待的等待權(quán)重系數(shù)（根據(jù)生產(chǎn)情況確定）；tjk-d∶第j個(gè)空罐估計(jì)等待時(shí)間，其中j=1，2，3，…；tzdl∶重罐最長(zhǎng)一次等待時(shí)間；ωjh-i∶計(jì)劃安排鐵水罐裝載權(quán)重（根據(jù)生產(chǎn)時(shí)間計(jì)劃）；Mct∶計(jì)劃一次出鐵的總質(zhì)量；miz∶第i個(gè)重罐裝鐵水質(zhì)量；mzj∶鐵水罐最佳裝載量；Mst∶實(shí)際一次受鐵的總質(zhì)量；tict-ts∶第i個(gè)罐從出鐵場(chǎng)到脫硫站轉(zhuǎn)運(yùn)的時(shí)間；Tct-ts∶從出鐵場(chǎng)到脫硫站完畢的總時(shí)間；xct-ts∶從出鐵場(chǎng)到轉(zhuǎn)運(yùn)站的運(yùn)輸量；Cuts∶脫硫站的作業(yè)能力，其中u=1，2，3，…；tits-zl∶從脫硫站到煉鋼加料跨轉(zhuǎn)運(yùn)第i個(gè)重罐的時(shí)間；tzl∶煉鋼加料跨作業(yè)時(shí)間；Tts-zl∶脫硫站到煉鋼加料跨的轉(zhuǎn)運(yùn)總時(shí)間；xts-zl∶脫硫站到煉鋼加料的運(yùn)輸量；Tct-s∶一次轉(zhuǎn)運(yùn)計(jì)劃中受鐵實(shí)際時(shí)間。

鐵水罐平均裝載權(quán)重ˉω計(jì)算方法∶

出鐵場(chǎng)到脫硫站作業(yè)完畢的總時(shí)間Tct-ts為∶

脫硫站到煉鋼加料跨的轉(zhuǎn)運(yùn)總時(shí)間Tts-zl為∶所有罐等待的總時(shí)間Td按式計(jì)算∶

2.2 模型

以轉(zhuǎn)運(yùn)總時(shí)間Ttotal最小為目標(biāo)函數(shù)建立模型∶

其中，

3 “一罐制”鐵水調(diào)度優(yōu)化模型的算法

為了使算法快速收斂，先對(duì)徑路的安排進(jìn)行排序，設(shè)計(jì)排序過(guò)程算法A［8］∶計(jì)算各個(gè)鐵水罐的裝載權(quán)重；

Step2∶若ωa＞ωb，則Da＞Db，且μa＜μb（D為鐵水罐集合）。其中a，b∈［1，T］且a，b∈N。即有D=｛D1，D2，…，DT｝，其中Da≤Db，（1≤a≤b≤T）。

針對(duì)動(dòng)態(tài)調(diào)度最優(yōu)化模型，設(shè)計(jì)以下算法B∶

Step1∶調(diào)用算法A。設(shè)D，a，其中Pa為安排標(biāo)志；

Step2∶a=1；

Step3∶如果Da＞Da+1，則優(yōu)先安排Da，按煉鋼鐵水需求量修正轉(zhuǎn)運(yùn)；若調(diào)度作業(yè)能力Da=Da+1，則選擇Da以后裝載權(quán)重相等的鐵水罐，構(gòu)成新的轉(zhuǎn)運(yùn)鐵水罐集合D′，D′?D，在這樣的情況下則只需要從等裝載權(quán)重的鐵水罐中隨機(jī)選擇一個(gè)作為此次計(jì)算處理的對(duì)象，Pa=1，修正集合D，得到安排集合Dap，進(jìn)入煉鋼側(cè)；

Step4∶a=a+1，若a＜T，則轉(zhuǎn)至Step3，否則算法結(jié)束，輸出結(jié)果。

Step1∶根據(jù)鐵水罐平均裝載權(quán)重

4 算法的應(yīng)用及分析

鐵水運(yùn)輸調(diào)度系統(tǒng)為了滿足生產(chǎn)的剛性需求，必須適應(yīng)前后工序的銜接，從而對(duì)重罐和空罐的協(xié)調(diào)性要求會(huì)更高。在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程主要經(jīng)過(guò)脫硫工藝的處理每次將鐵水罐轉(zhuǎn)運(yùn)到煉鋼加料跨即可。在一次鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)全部送完的前提下，鐵水罐按生產(chǎn)計(jì)劃從高爐快速、高效地運(yùn)送到煉鋼側(cè)，至于鐵水罐到達(dá)煉鋼廠后的轉(zhuǎn)運(yùn)由煉鋼生產(chǎn)自行安排［9-10］。某鋼鐵廠現(xiàn)基于“一罐制”鐵水調(diào)度優(yōu)化模型，其運(yùn)轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)如圖4所示，鐵水罐經(jīng)高爐G（三座高爐G1，G2，G3），脫硫T，煉鋼加料跨L這三個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。各環(huán)節(jié)作業(yè)時(shí)間如下∶

（1）各高爐到脫硫站的運(yùn)輸時(shí)間∶

（2）脫硫站到煉鋼加料跨的運(yùn)輸時(shí)間∶

T→L∶12min

各高爐出鐵場(chǎng)鐵水罐集合D根據(jù)優(yōu)化算法中鐵水罐的平均裝載權(quán)重確定，具體表示為∶

由此則可以確定D1，D2，D3到達(dá)脫硫站的平均時(shí)間∶6 min，則知高爐到煉鋼加料跨運(yùn)輸全過(guò)程的平均時(shí)間為G→T∶18 min。

從分析得出的結(jié)果（表1）看，基于本模型優(yōu)化后的轉(zhuǎn)運(yùn)全過(guò)程的平均時(shí)間耗時(shí)18 min+Δt（Δt為鐵水罐進(jìn)出脫硫站的冗余時(shí)間，該時(shí)長(zhǎng)一般都較短，在本優(yōu)化模型研究中處于可忽略的部分），這比在某鋼鐵廠實(shí)際轉(zhuǎn)運(yùn)鐵水記錄中的最少時(shí)間23 min用時(shí)還少，這大大減少了重罐在各環(huán)節(jié)運(yùn)輸過(guò)程中的等待時(shí)間。由此可見(jiàn)，本文提出的優(yōu)化模型更加高效，能有效保證鐵水配罐和轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)度的準(zhǔn)時(shí)性，減少鐵水重罐的等待時(shí)間，提高鐵水罐的利用效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)鋼鐵生產(chǎn)鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)新工藝流程，分析了新工藝的特點(diǎn)和基于該工藝對(duì)鐵水調(diào)度的要求。在結(jié)合新工藝流程的特點(diǎn)及調(diào)度要求的基礎(chǔ)之上，建立了綜合考慮調(diào)度過(guò)程和作業(yè)時(shí)間的鐵水調(diào)度多目標(biāo)徑路優(yōu)化模型，并確立了算法。算法分析表明，基于本優(yōu)化模型的鐵水調(diào)度系統(tǒng)，大幅減少了鐵水的冗余等待時(shí)間，減少了溫降，提高了調(diào)度效率，能及時(shí)滿足煉鋼轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)間的配比要求，為鐵水調(diào)度的徑路優(yōu)化問(wèn)題提供了參考，從而進(jìn)一步推進(jìn)了基于“一罐制”工藝的鐵水運(yùn)輸調(diào)度模型的研究。鐵水運(yùn)輸?shù)臏?zhǔn)時(shí)制提高了生產(chǎn)效率，降低了能耗，具有在鋼鐵生產(chǎn)中應(yīng)用的價(jià)值。鐵水調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題勢(shì)必會(huì)提上日程，成為日后鋼鐵生產(chǎn)中節(jié)能減排的研究重點(diǎn)。

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Research on Scheduling Optim ization Modelof Hot Metal Can of System

FAN Boa，CAILecaib
（a.School of Automation and Electronic Information；b.School of Computer，Sichuan University of Science&Engineering，Zigong 643000，China）

The transportofmolten iron is a critical partof steel production and an importantmean to ensure steel product quality.It is the crumple zone between the ironworks and steelworks and plays a crucial role to control the rhythm of the transport ofmolten iron.With the applications of“hotmetal can of system”transport，the steel interface process is shortened，the rigidity and consistency of firm production are reinforced，and it demands a higher level of themolten steel transport system.So the iron and steel enterprises have begun to paymore attention on scheduling research ofmolten iron transport.Based on the scheduling research of crane and iron ladle of hotmetal can of system，the characteristics of the system are analysed，then the operation plan of steel production is optimized and the scheduling optimization model based on hotmetal can of system is established，finally，an algorithm of themodel is obtained.The algorithm achieves the intelligent optimization scheduling of hotmetal transportunder the new technical process，which leads the iron and steel production tend to be on time and reduces the production energy consumption.

hotmetal can of system；hotmelt transport and dispatch；optimization model

TF325.2；TP273+1

A

1673-1549（2014）01-0049-04

10.11863/j.suse.2014.01.13

2013-09-24

四川省科技廳青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)基金（2012Z068）；四川理工學(xué)院研究生創(chuàng)新基金（y2013017）

范波（1989-），男，四川達(dá)州人，碩士生，主要從事控制理論及人工智能方面的研究，（E-mail）xuxielikai2009@163.com