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钢铁一体化生产计划与调度优化问题研究

於春月  
【摘要】: 钢铁工业是国民经济的支柱产业,在国民经济的发展中发挥着重要的作用。为了达到节能降耗的目的,自20世纪80年代起,国外钢铁企业开始广泛采用连铸坯热装热送技术,致力于开发炼钢—连铸—热轧—体化生产。一体化生产工艺复杂,连铸和热轧之间物流衔接紧密,生产计划与物流管理难度大,面向炼钢、连铸、热轧三大工序的一体化生产计划和调度问题,是钢铁企业一体化生产管理的核心。 本文综述了钢铁企业一体化生产的特点以及生产计划和调度研究的现状,在此基础上,以国内某钢铁企业的中厚板一体化生产线为研究背景,围绕“提高热装比”这个核心目标,分别在合同计划、生产批量计划和作业计划(生产调度)三个层次上,重点研究了四个具体的钢铁一体化生产计划与调度优化问题:一体化生产合同计划、连铸与热轧生产计划协调优化、板坯热装调度和热轧生产调度问题。 一体化生产合同计划优化问题。将炼钢—连铸—热轧一体化生产过程,化分为炼钢与热轧两大加工阶段,以板坯热装比最大、交货提前/拖期率和组炉余材率最小为优化目标,综合考虑炼钢与热轧的产能,以及钢种、板坯和成品规格等约束条件,建立了生产合同多目标优化模型,分别采用单目标优化和多目标优化方法进行求解。采用加权的方法,将一体化生产合同计划多目标优化问题转变成单目标问题,设计了双层染色体遗传算法进行求解,计算结果表明了模型的合理性与算法的有效性。运用改进的非支配排序遗传算法NSGA-Ⅱ(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-Ⅱ),求解钢铁一体化生产合同计划多目标优化问题。对NSGA-Ⅱ算法进行改进的方法是变异目标空间中的重合个体,以及在每一代增加若干个新个体。标准多目标数学测试问题、多目标背包问题和生产合同计划问题的计算结果表明,改进NSGA-Ⅱ算法的非劣解集,具有很高的相对覆盖度,证明了对算法的改进是有效的。 中厚板热轧生产调度问题。以轧机利用率最大化为优化目标,分别研究了同规格板坯交叉轧制调度问题和异规格板坯交叉轧制调度问题。分析了交叉轧制的工艺特点,归纳出三类交叉轧制模式:均匀交叉轧制模式、对称交叉轧制模式和成组交叉轧制模式,并给出这三种交叉轧制模式的特点、可行条件、最佳开轧间隔时间及轧机利用率计算公式。考虑了辊道长度约束,对计算公式中的相关参数进行了调整,给出了一种同规格板坯交叉轧制生产调度的启发式方法。计算结果说明,该启发式方法优于现有启发式方法。异规格板坯交叉轧制调度问题,是一个有优先约束、等待时间和缓冲容量有限的单机调度问题。用AON(Activity-On-Node)网络对问题进行描述,提出并证明了面向单机调度问题的AON网络平衡定理,根据平衡定理,建立了非线性约束优化数学模型。设计了一个邻域搜索算法,将非线性约束问题转变为可用标准软件求解的线性约束问题。计算结果表明,这个邻域搜索算法可以找到比启发式方法更好的调度方案。 板坯热装调度问题。连铸与热轧之间,板坯热装物流复杂,难以使用数学规划的方法,确定每块板坯的热装方式、出/入炉顺序和时间。本文采用基于仿真的方法,开发和利用物流仿真系统,确定每块板坯的热装方式、制定板坯的出/入库计划和每个加热炉的加热计划。 连铸—热轧生产计划协调优化问题。以“铸轧序差M_O”最小为优化目标之一,综合考虑热轧计划约束和连铸计划约束,建立多目标生产计划协调优化模型,设计基于邻域的NSGA-Ⅱ算法进行求解。仿真结果表明,本文提出的连铸—热轧生产计划协调优化方法可行,调整后的热轧计划和浇铸计划,热装比有所提高。 根据以上研究,本文开发了一体化生产计划与调度系统和板坯物流仿真系统,验证了本文提出的优化模型与算法。


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