侯東亮 屈國(guó)強(qiáng) 于艷輝

［摘要］ 針對(duì)煉鋼連鑄生產(chǎn)過(guò)程受動(dòng)態(tài)擾動(dòng)因素的影響而使得初始調(diào)度不可行的情況，應(yīng)用系統(tǒng)分析方法，從擾動(dòng)因素、策略、方法以及性能評(píng)價(jià)4個(gè)層次提出了基于系統(tǒng)分析的煉鋼連鑄重調(diào)度框架，并對(duì)框架中的研究?jī)?nèi)容展開了深入分析和討論，以期為企業(yè)管理者決策時(shí)提供依據(jù)和參考。

［關(guān)鍵詞］ 煉鋼連鑄； 重調(diào)度； 框架； 系統(tǒng)分析

doi : 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2012 . 04. 032

［中圖分類號(hào)］TP273［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A［文章編號(hào)］1673 - 0194（2012）04- 0053- 03

0前言

煉鋼連鑄生產(chǎn)過(guò)程是現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)流程中的關(guān)鍵工序，主要涉及冶煉、精煉、連鑄三道工序。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)鋼水處理的時(shí)間和溫度都有極高的要求，需要在保證生產(chǎn)連續(xù)性的前提下，充分發(fā)揮設(shè)備的生產(chǎn)能力。煉鋼連鑄生產(chǎn)調(diào)度不僅要協(xié)調(diào)冶煉、精煉、連鑄各階段的生產(chǎn)節(jié)奏，而且要與熱軋階段工料需求相匹配。在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，由于系統(tǒng)受各種動(dòng)態(tài)擾動(dòng)因素的干擾而使得原有調(diào)度方案不可行，在滿足工藝約束的情況下需要對(duì)原有調(diào)度進(jìn)行在線調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性和平穩(wěn)性，這就是煉鋼連鑄重調(diào)度問(wèn)題。

目前，關(guān)于煉鋼連鑄重調(diào)度問(wèn)題的研究，大多集中在針對(duì)某類或幾類擾動(dòng)的影響建立模型并給出求解算法，而關(guān)于重調(diào)度框架方面的研究文獻(xiàn)則相對(duì)較少。Ｃｏｗｌｉｎｇ 等提出連鑄與熱軋集成的動(dòng)態(tài)調(diào)度多智能體體系架構(gòu)，考慮了不可行板坯和緊急訂單擾動(dòng)信息，給出調(diào)度修復(fù)和完全重調(diào)度策略，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)M分析。許劍 等提出了一種包括批量計(jì)劃層、作業(yè)調(diào)度層和動(dòng)態(tài)調(diào)度層的直接熱坯裝爐軋制和直接軋制模式的一體化計(jì)劃調(diào)度三層體系結(jié)構(gòu)總體框架，決策人員可利用框架中的動(dòng)態(tài)調(diào)度模塊針對(duì)車間常見(jiàn)擾動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線微調(diào)。龐新富 等提出了煉鋼連鑄動(dòng)態(tài)調(diào)度系統(tǒng)的軟件框架結(jié)構(gòu)，通過(guò)系統(tǒng)模擬對(duì)時(shí)間類和溫度類擾動(dòng)進(jìn)行了仿真分析。

上述研究從策略和方法層面，針對(duì)部分?jǐn)_動(dòng)因素對(duì)煉鋼連鑄生產(chǎn)系統(tǒng)的影響進(jìn)行了分析，沒(méi)有系統(tǒng)地分析生產(chǎn)實(shí)際中的各種擾動(dòng)及其對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的影響。在煉鋼連鑄實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，來(lái)自系統(tǒng)外部以及車間層的擾動(dòng)多種多樣且分散不確定，企業(yè)迫切需要以系統(tǒng)化的手段和方法切實(shí)提高生產(chǎn)調(diào)度方案的魯棒性。本文立足于煉鋼連鑄生產(chǎn)實(shí)際，從擾動(dòng)因素、策略、方法和性能評(píng)價(jià)4方面為企業(yè)提供一個(gè)系統(tǒng)化的煉鋼連鑄重調(diào)度框架，讓管理人員沿著這個(gè)框架的思路和理念去尋找適合自己企業(yè)特點(diǎn)的魯棒性調(diào)度方案和管理對(duì)策；同時(shí)，針對(duì)體系框架中的各子問(wèn)題，分別進(jìn)行深入分析與討論，旨在為企業(yè)管理者決策時(shí)提供依據(jù)和參考。

１基于系統(tǒng)分析的煉鋼連鑄重調(diào)度框架

在煉鋼連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，來(lái)自生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)外部的各種擾動(dòng)使得其表現(xiàn)出不穩(wěn)定特性，進(jìn)而使初始調(diào)度變得不可行。如何判別是否需要進(jìn)行重調(diào)度、在何時(shí)采取什么方法進(jìn)行重調(diào)度以及重調(diào)度方案的優(yōu)劣評(píng)價(jià)，這是重調(diào)度問(wèn)題研究的關(guān)鍵所在。

在調(diào)研的基礎(chǔ)上，筆者應(yīng)用系統(tǒng)分析的方法，針對(duì)煉鋼連鑄生產(chǎn)系統(tǒng)，提出基于系統(tǒng)分析的煉鋼連鑄重調(diào)度框架，如圖１所示。

其總體思想包括以下3方面：① 當(dāng)生產(chǎn)系統(tǒng)受擾動(dòng)影響時(shí)，判斷是否對(duì)初始方案進(jìn)行重調(diào)度；② 若進(jìn)行重調(diào)度，應(yīng)何時(shí)、對(duì)哪些爐次以及采用什么方法進(jìn)行重調(diào)度；③ 生成重調(diào)度方案后，對(duì)方案的優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)價(jià)和選擇。以上3方面進(jìn)一步細(xì)化為4個(gè)層次，即重調(diào)度因素層、重調(diào)度策略層、重調(diào)度方法層以及重調(diào)度性能評(píng)價(jià)層。

重調(diào)度因素層主要是確定車間層的哪些因素可能引發(fā)重調(diào)度；重調(diào)度策略層主要是根據(jù)擾動(dòng)因素的影響程度判斷是否引發(fā)重調(diào)度以及何時(shí)引發(fā)重調(diào)度；重調(diào)度方法層的主要任務(wù)是用于生成具有優(yōu)化性能指標(biāo)的重調(diào)度方案；性能評(píng)價(jià)層主要是對(duì)方案的優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)價(jià)。

２煉鋼連鑄生產(chǎn)中的擾動(dòng)因素

煉鋼連鑄生產(chǎn)中的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)因素多種多樣，這些動(dòng)態(tài)因素常常會(huì)影響生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在重調(diào)度研究和實(shí)踐中，將引起生產(chǎn)環(huán)境變化從而導(dǎo)致對(duì)原有調(diào)度方案進(jìn)行重新調(diào)整的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)因素稱為重調(diào)度因素。在煉鋼連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，不僅其內(nèi)部各工序之間存在著物質(zhì)和信息的交換，而且作為一個(gè)整體，與外界環(huán)境也存在著物質(zhì)和信息的交換，因此生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行必然受內(nèi)、外部環(huán)境的制約。本文根據(jù)煉鋼連鑄生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，將擾動(dòng)因素分為外部事件擾動(dòng)和內(nèi)部因素?cái)_動(dòng)兩大類，并對(duì)各擾動(dòng)因素導(dǎo)致的后果、修復(fù)過(guò)程以及基本的修復(fù)操作進(jìn)行了分析，如表１所示。

經(jīng)表１中擾動(dòng)因素的分析，其基本的修復(fù)操作最終可歸結(jié)為以下4類：① 插入空閑時(shí)間段；② 插入調(diào)整時(shí)間；③ 插入工件工序（工件工序可以看作一個(gè)獨(dú)立的操作）；④ 刪除工件工序。

若將插入空閑時(shí)間段看成插入虛擬操作，插入調(diào)整時(shí)間段看成一個(gè)獨(dú)立的虛擬操作，則所有的調(diào)度修復(fù)都可用基本的“插入／刪除操作”來(lái)修復(fù)。由于生產(chǎn)過(guò)程中的任何擾動(dòng)都可將其在工件和加工設(shè)備的狀態(tài)上表現(xiàn)出來(lái)，因此對(duì)各類擾動(dòng)因素進(jìn)行修復(fù)時(shí)，都可將其轉(zhuǎn)化為工件和加工設(shè)備兩大類擾動(dòng)進(jìn)行修復(fù)。特別的，機(jī)器故障、工件延遲的修復(fù)可看作典型的插入操作修復(fù)，而新工件到達(dá)、緊急工件的加工以及工件加工時(shí)間變化的修復(fù)均可看作典型的刪除／插入操作修復(fù)。

３煉鋼連鑄重調(diào)度策略

重調(diào)度策略主要用于判斷是否引發(fā)重調(diào)度以及引發(fā)何種重調(diào)度。目前，常用的重調(diào)度策略有周期性、事件驅(qū)動(dòng)型以及二者的混合策略。

根據(jù)鋼鐵生產(chǎn)工藝及設(shè)備運(yùn)行的要求，生產(chǎn)鐵水的高爐必須在運(yùn)行期間持續(xù)不斷地向下游工序提供鐵水。因此，在煉鋼連鑄生產(chǎn)中，整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行比較平穩(wěn)，內(nèi)外部擾動(dòng)因素觸發(fā)的重調(diào)度策略主要以事件驅(qū)動(dòng)型策略為主。

針對(duì)外部事件擾動(dòng)，由表１分析可知，各類擾動(dòng)都可轉(zhuǎn)化為插入新訂單來(lái)分析。一般地，對(duì)于大批量的訂單，需要經(jīng)過(guò)批量計(jì)劃模塊進(jìn)行組爐后下放到預(yù)測(cè)調(diào)度模塊安排重調(diào)度。對(duì)于小批量訂單，當(dāng)插入的新訂單不夠一爐次或者小于插入該訂單的當(dāng)前爐容量，則采取調(diào)度修復(fù)方法進(jìn)行修復(fù)；否則，按照大批量的緊急訂單的處理方式進(jìn)行修復(fù)。

針對(duì)內(nèi)部因素?cái)_動(dòng)，不同的擾動(dòng)所對(duì)應(yīng)的重調(diào)度策略也不同。對(duì)于出鋼延遲情況，如果出鋼延遲的時(shí)間量小于在允許范圍內(nèi)降低連鑄機(jī)拉速延長(zhǎng)的澆鑄時(shí)間，則通過(guò)降低連鑄機(jī)拉速來(lái)保證連鑄機(jī)不斷澆；否則，降低連鑄機(jī)拉速延長(zhǎng)的澆鑄時(shí)間不能緩沖出鋼延遲時(shí)間，此時(shí)連鑄機(jī)會(huì)發(fā)生斷澆，需要運(yùn)用斷澆修復(fù)方法進(jìn)行修復(fù)。當(dāng)出現(xiàn)鋼種改判（冶煉鋼種質(zhì)量不合格）或鋼水返送（鋼水冶煉溫度不合格）時(shí)，通常采取的策略是調(diào)整精煉爐的精煉時(shí)間，以達(dá)到前后工序協(xié)調(diào)緩沖的作用。由于機(jī)器故障擾動(dòng)是煉鋼連鑄生產(chǎn)車間常見(jiàn)的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)，由第２節(jié)擾動(dòng)因素分析可知，內(nèi)部因素?cái)_動(dòng)一般可通過(guò)基本修復(fù)操作轉(zhuǎn)化為機(jī)器故障來(lái)分析。因此，本文以轉(zhuǎn)爐故障為例，給出轉(zhuǎn)爐故障下詳細(xì)的重調(diào)度策略分析流程，如圖２所示?？蔀楣芾砣藛T提供一定的決策依據(jù)。

當(dāng)轉(zhuǎn)爐發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)修復(fù)時(shí)間（指從轉(zhuǎn)爐發(fā)生故障時(shí)刻起，直到轉(zhuǎn)爐完全恢復(fù)正常加工狀態(tài)為止的時(shí)間間隔）的長(zhǎng)短可分為嚴(yán)重故障和輕微故障。由于高溫鐵水在等待過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生溫降，因此當(dāng)轉(zhuǎn)爐故障的修復(fù)時(shí)間小于等于同一階段相鄰爐次的等待時(shí)間Ｔｗ時(shí)，屬于輕微故障，等待轉(zhuǎn)爐恢復(fù)正常后繼續(xù)加工。若修復(fù)時(shí)間超過(guò)Ｔｗ，屬于嚴(yán)重故障，首先要尋找是否存在空閑并行機(jī)（空閑轉(zhuǎn)爐），若存在則分配當(dāng)前等待爐次，否則需要對(duì)原始方案進(jìn)行重調(diào)度。

４煉鋼連鑄重調(diào)度方法

目前，常用的重調(diào)度修復(fù)方法主要有3種，即右移重調(diào)度，局部重調(diào)度和完全重調(diào)度。右移重調(diào)度方法比較容易實(shí)現(xiàn)，但調(diào)度的穩(wěn)定性較差；局部修復(fù)方法能夠達(dá)到很好的調(diào)度穩(wěn)定性和時(shí)效性，是目前重調(diào)度中的主流方法；完全重調(diào)度能獲得比局部重調(diào)度方法更好的解，但是求解花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)造成車間層的物流不連續(xù)以及生產(chǎn)過(guò)程不穩(wěn)定。

在煉鋼連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，如果發(fā)生出鋼延遲到達(dá)等事件時(shí)，在保證連鑄機(jī)不斷澆的情況下，一般可采用右移重調(diào)度方法進(jìn)行修復(fù)。

如果在生產(chǎn)過(guò)程中由于鋼種質(zhì)量不合格、或者設(shè)備故障、或者新訂單插入等原因，直接或間接地對(duì)未開工爐次造成影響，可以采用局部修復(fù)方法進(jìn)行修復(fù)。根據(jù)煉鋼連鑄生產(chǎn)特點(diǎn)以及前后工序物料的匹配，該方法是目前調(diào)度修復(fù)最常用的方法。

在煉鋼連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，如果發(fā)生的動(dòng)態(tài)事件對(duì)生產(chǎn)過(guò)程造成極大的影響，例如大批量緊急訂單的插入，通常會(huì)影響板坯的組爐以及轉(zhuǎn)爐設(shè)備的分配，而且在進(jìn)行重新組爐時(shí)除了要考慮與預(yù)測(cè)調(diào)度具有相同的工藝約束外，還要盡可能地保證原預(yù)測(cè)調(diào)度中匹配程度較高的爐次不被打亂。如果不能滿足這些條件，就有必要對(duì)所有未開工的爐次進(jìn)行重新安排。顯而易見(jiàn)，完全重調(diào)度把原預(yù)測(cè)調(diào)度的結(jié)果打亂，是生產(chǎn)中最不希望出現(xiàn)的調(diào)度方案。

５煉鋼連鑄重調(diào)度性能評(píng)價(jià)

在煉鋼連鑄生產(chǎn)中，重調(diào)度的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)與初始調(diào)度的有所不同，除了初始調(diào)度本身的性能指標(biāo)（爐次平均延遲時(shí)間、設(shè)備的等待隊(duì)列數(shù)、相鄰爐次間的等待時(shí)間等）外，調(diào)度的時(shí)效性和穩(wěn)定性指標(biāo)的評(píng)價(jià)顯得尤為重要。一般地，為了避免高溫鋼水在等待調(diào)度修復(fù)時(shí)間段內(nèi)溫度降低而影響澆鑄板坯的質(zhì)量，調(diào)度修復(fù)應(yīng)盡可能在短時(shí)間內(nèi)完成，同時(shí)也應(yīng)該保證修復(fù)以后的調(diào)度方案與原始調(diào)度方案盡可能一致或偏差較小。下面主要討論調(diào)度時(shí)效性和穩(wěn)定性指標(biāo)。

5.１調(diào)度的時(shí)效性（Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）

調(diào)度的時(shí)效性也稱調(diào)度效率，主要用初始調(diào)度與重調(diào)度中ｍａｋｅｓｐａｎ前后變化的百分比來(lái)衡量。計(jì)算公式如式（１）：

式中，η ——調(diào)度效率（用來(lái)衡量時(shí)效性）；Ｍｎｅｗ——重調(diào)度的ｍａｋｅｓｐａｎ值；Ｍ０——初始調(diào)度ｍａｋｅｓｐａｎ值。

由式（１）可知，調(diào)度的時(shí)效性與重調(diào)度前后調(diào)度方案的ｍａｋｅｓｐａｎ值的差值有關(guān)，差值越小，重調(diào)度前后調(diào)度方案的時(shí)效性越好，調(diào)度的效率也就愈高。當(dāng)重調(diào)度前后調(diào)度方案的ｍａｋｅｓｐａｎ值相等時(shí)，調(diào)度效率為１００％，意味著重調(diào)度方案的性能達(dá)到了最佳狀態(tài)。

5.２調(diào)度的穩(wěn)定性（Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ）

在煉鋼連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，穩(wěn)定性不僅要考慮重調(diào)度相對(duì)于初始調(diào)度的工序開始時(shí)間的一致性，而且也要考慮加工機(jī)器指派的一致性問(wèn)題。這里引用相似度的概念來(lái)表示重調(diào)度前后時(shí)間安排一致性與機(jī)器指派一致性。

定義：δ１ｉｊ表示重調(diào)度前后操作Ｏｉｊ在時(shí)間安排上的相似度，即：

δ２ｉｊ表示重調(diào)度前后操作Ｏｉｊ在機(jī)器指派上的相似度，定義如下：

δ２ｉｊ ＝ １，ｉｆ ｍ′ｉｊ∈Ｍｉｊ；０，ｏｔｈｅｒｗｉｓｅ． （３）

式中，ｐｉｊ——操作Ｏｉｊ的加工時(shí)間；ｃｉｊ，ｃ′ｉｊ——分別指初始調(diào)度和重調(diào)度中操作Ｏｉｊ的完工時(shí)間；ｓｉｊ，ｓ′ｉｊ——分別指初始調(diào)度和重調(diào)度中操作Ｏｉｊ的開工時(shí)間；Ｍｉｊ——操作Ｏｉｊ的標(biāo)準(zhǔn)加工機(jī)器集合；ｍ′ｉｊ——重調(diào)度中處理操作Ｏｉｊ的機(jī)器。

如果一個(gè)重調(diào)度方案與初始調(diào)度方案的相似度越高，即偏差越小，則說(shuō)明這個(gè)調(diào)度的穩(wěn)定性越高。在進(jìn)行穩(wěn)定性指標(biāo)評(píng)價(jià)時(shí)，通常將調(diào)度的穩(wěn)定性作為重調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)，即以最大化調(diào)整前后調(diào)度方案的時(shí)間安排與機(jī)器指派總加權(quán)相似度為目標(biāo)函數(shù)來(lái)衡量調(diào)度方案的穩(wěn)定性。

６結(jié)論

本文提出的煉鋼連鑄重調(diào)度體系框架可為煉鋼連鑄重調(diào)度的理論分析提供一定的決策支持。該體系框架總體上概括了煉鋼連鑄重調(diào)度中所要研究的問(wèn)題，后續(xù)的工作將針對(duì)體系框架中提出的各種動(dòng)態(tài)擾動(dòng)因素，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，分別設(shè)計(jì)相應(yīng)的重調(diào)度策略，并開發(fā)具有問(wèn)題特征的修復(fù)算法去修復(fù)調(diào)度，最大化保證調(diào)度方案的時(shí)效性和穩(wěn)定性。

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