炼钢厂行车实时调度系统研究及应用
摘要 ：针对钢铁企业炼钢厂行车调度问题，考虑到炼钢生产过程各个工序难以形成准确的标准工时以及各种突发问题较多，很难根据炉次计划和浇次计划分解出长时间行车需要执行的任务，而目前论文更多是通过炉次计划和浇次计划分解出行车作业任务再对任务分配进行行车调度的优化，难以实现工程的应用，而且没有考虑某一行车完成一系列作业任务的情况。本文将通过对比精益管理标准化调度规则方法和通过考虑复杂的系列动作的高效的启发式优化算法与仿真的方法实现行车明确任务的实时调度，最后将实时调度算法应用于炼钢行车调度并实现工程化应用。
关键词： 精益、标准化、天车调度、调度规则、输入输出
一、引言
炼钢厂作为钢铁企业生产的关键核心，长期处于凭经验、摸黑生产的状况，炼钢厂合理科学有效的物流搬送、天车调度等，对匹配钢厂生产节奏、均衡生产组织、保证生产调度的物流通畅具有重大意义。
目前炼钢生产管理主要分为自上而下的两个层次：工业互联网管控层制定出面向库存或者面向订单的炉次和浇次计划，管控层炼钢调度模型根据炉次和浇次计划生成炼钢调度计划，天车调度隶属于管控层智能模型模块，承担着工序间物料转运的职能。但由于炼钢生产面对着越来越多的偶发或随机因素影响，如设备故障、铁水供应不足等，或者如钢水冶炼时间、浇铸时间长度等，车间作业都在一定状态偏离了计划。当前天车调度都是靠人工进行的，准确性完全取决于工人经验，无法应用到工业互联网平台上的各种信息和数据。在天车调度研究方面，文献[1-3]针对不同类型钢厂物流系统的时间因素，绘制了各生产单元的作业甘特图，并建立起完全理想状态下的天车调度模型；文献[4-9]采用可变优先级的多重任务队列方法，解决了多辆天车在电泳柔性生产线上的实时动态调度问题，但未考虑天车在空间位置上的相互限制。王旭等[10]将作业跨划分成不同的天车作业区间，各天车负责执行起吊和卸载都发生在区间的吊运任务，同时为跨区间的吊运任务内建立了天车指派规则，设计Memetic算法进行求解。区间划分直接影响天车分配的合理性，但文章并没有介绍如何划分区间且这种划分区间方法难以有效地消解冲突。Takashi等[11]提出了一种元启发式算法，通过倒排和顺排两种求解，可以在短时间内求得大规模问题的次优解，并通过计算机实验证实了算法的可行性。Liang等[12]建立了一个耦合模型，考虑码头起重机的最优数量，设计了一种循环迭代方法来进行求解。Xie等[13]以最小化加工完成时间为优化目标建立了混合整数规划模型，设计了启发式算法，并在基于实际数据随机生成的实例上进行计算实验。结果表明，对于更大规模的问题，所提出的启发式算法可以快速生成鲁棒且可接受的解决方案。Li等[14]建立混合整数线性规划模型，并利用CPLEX进行求解，通过随机生成的实例证明了模型的可行性。
基于工业互联网平台建立炼钢厂数字化模型，炼铁的铁水信息、炼钢的废钢信息和钢水信息，都能在各个模块间实时的共享联通，形成了信息共享的闭环；基于格雷母线技术的天车定位系统，激光定位技术的台车定位系统，射频技术的RFID识别系统，全面数字化炼钢厂生产的各环节，为行车智能化调度提供了信息基础；分析了钢厂天车运行过程中的作业任务分类，通过精益管理总结行车调度形成行车调度标准化的规则，同时通过考虑符合实际动作的启发式优化算法与仿真的方法实现行车实时调度，最终选取效果较好的方法应用于炼钢行车调度并实现工程化应用。二
二、行车调度任务分类
炼钢车间主要工序设备包括转炉、精炼、连铸等，待吊运物料盛具为铁包、钢包、废钢槽等，这些盛具体积大、重量重，因此炼钢车间通常采用行车和过跨车配合完成物料搬运。根据炼钢车间生产工艺，行车任务主要包括炉次铁水准备、炉次废钢准备、空废钢槽准备、转炉准备空钢包、转炉吊重钢包、精炼吊重钢包、连铸吊空钢包等常规作业。行车除了完成常规作业，还需完成一些临时的非常规任务，如铁包折罐、铁包维修吊运、钢包维修吊运等。钢厂行车吊运任务分为非常规任务和常规任务，其中非常规任务需要任务开始之前，由人工通过界面输入到系统中，并加入待完成任务集合中。常规任务则是由系统自动生成的炉次吊运任务，根据各炉次在炼钢车间生产状态，系统可以预生成行车常规任务需求，例如，当炉次在转炉开始主吹时，系统可以提前生成钢包从转炉吊运到精炼的任务需求，任务信息包括任务类别、预计开始时间、预计结束时间、待吊运设备、任务起点工位、任务终点工位等基本信息。
以某钢厂炼钢生产车间为例，该车间包含加料跨天车调度和钢水接受跨天车调度。各跨天车所执行的任务不同，具体如图1、图2所示。
图1 加料跨天车任务分类
图2 钢水接受跨天车任务分类
加料跨天车任务分为加废钢、加铁水等两大类任务。每类任务都包含多个中间任务，如加铁水，包含3个子任务：（1）铁包起吊位→测温取样位；（2）测温取样位→转炉加料位；（3）转炉加料位→铁包放包位。同一系列作业则必须由同一天车任务来完成。
钢水接受跨天车任务包含空钢包吊运和重钢包吊运两大类，其中，空钢包吊运任务包括钢包热修位→转炉座包位、连铸受包位→钢包除余位→钢包热修位；重钢包吊运任务包括转炉座包位→精炼座包位、精炼座包位→连铸受包位。三
三、基于经验规则的调度模型
炼钢车间天车运输的钢水、铁水，一旦操作失误，如钢包高空倾覆，将会直接威胁车间现场工作人员生命安全。但随着工业数字化技术发展，炼钢厂的生产环节正逐步实现全面数字化，这为炼钢厂现场作业少人化提供了条件。某钢厂计划建立一套完备的炼钢行车调度管理信息系统，实现行车吊运任务的自动生成、调度指令的自动分配，以及指令传递信息化，以代替工序技术人员、调度人员、天车工之间传统的对讲机信息交互方式。通过信息化、智能化水平的提升，有效提高信息同步的效率和准确性，并辅助天车调度过程的管理，释放人力。
目视化管理：炼钢行车调度管理信息系统针对行车司机、调度协调员实现目视化。
（1）行车司机端可视化管理：每台行车配置一台显示屏，司机可以通过显示屏看到待完成任务的具体信息以及避让冲突行车的走行路径，司机只需确保在规定时间内完成吊运任务即可。当然，调度协调员也可通过对讲机临时分配任务给天车。
（2）调度协调员端可视化管理：系统能够呈现当前所有待完成行车吊运任务、任务的预分配方案、所有行车当前任务执行状态，以及干预任务分配、增删改任务等基本操作。
标准化管理：炼钢行车调度由工序技术员、地面调度人员、天车工之间协调完成。随着行车调度经验积累和精益管理推进，炼钢厂总结出了一套行车调度的精益标准化经验规则。某钢厂基于行车调度精益标准化经验规则，制定了行车调度任务的分配流程，如图3所示。这套精益标准化调度经验规则只针对常规任务，而非常规任务的分配则依赖地面调度员的临时分配。调度系统根据工艺和生产实时状态预生成天车任务，天车任务生成时则根据图3所示逻辑分配行车。
图3 基于精益化标准经验规则的调度逻辑
经过行车标准化作业，划定各个行车的作业范围和作业任务，形成了行车精益标准化作业规则，并将其集成到炼钢行车调度系统中。炼钢行车调度流程如图4所示。通常情况下，调度员重点关注非常规任务调度，可在系统中录入任务信息由规则推理进行任务分配，紧急情况下也可直接通过对讲机方式通知行车司机。行车司机重点关注显示屏接收到的吊运任务，同时也听从调度员通过对讲机给出的调度指令。
图4 炼钢行车调度系统中行车调度流程
四、实时调度算法
重构的打码系统完全满足多品规任务的打码处理，对一号工程工业打码软件的计划管理、件烟打码、后扫描管理等关键环节进行功能改造和优化，以实现对多品规打码计划的任务执行和结果校验处理，具有更好的扩展能力。
炼钢—连铸天车调度是为各种吊运任务安排合适的天车，并要求在规定的时间内将物料从起点工位吊运到终点工位，以保证整个生产过程的平稳运行。其中天车吊运过程主要分为三个部分：在起点工位吊起物料（钢包、铁包等）；将物料运输至终点工位；最后将物料放置到终点工位。但对于同一系列作业在吊运过程中可能会经历多个中间过程，例如，铁包吊运过程中，天车从铁包吊运工位吊起铁包，将铁包吊运至测温取样位，测温取样期间天车保持吊运静止状态；待测温取样合格后，天车继续吊运铁包至转炉工位，并将铁水倒入转炉设备，最后将空铁水包吊运至目的工位。这种中间过程约束增加了实时调度算法求解的复杂性。本文实时调度算法从工程实际应用角度重点考虑确定性的调运任务及调运过程这种连续任务序列的情况，实现炼钢行车的实时调度。
1.参数定义与说明
2.决策变量
3.目标函数
式（1）表示最小化所有任务的总运输时间，式（2）表示最小化所有任务实际开始时间与任务最早开始时间的差值。
4.约束条件
式（3）表示任意一个吊运任务只能分配给一台天车执行；式（4）表示任意一个任务起吊过程只能在一个时刻由一台天车执行；式（5）表示任意的任务卸载过程只能在一个时刻由一台天车执行；式（6）表示天车在执行起吊动作时，天车位置应处于任务起吊工位；式（7）表示天车在执行卸载动作时，天车位置应处于任务卸载工位；式（8）表示对于同一任务，天车执行卸载作业的时间应晚于起吊作业时间；式（9）表示天车的空间约束，即天车间的相对位置固定，且在天车运行过程中，两天车不可互相跨越，且天车本身的机械设备需要占据一定空间，天车之间应留有一定安全距离限制。式（10）表示属于同一个作业的任务只能分配给同一辆天车；式（11）表示任意时刻的天车的位置受天车运行速度的限制；式（12）表示任意吊运任务的起吊时间必须在其最早起吊时间和最晚起吊时间之间；式（13）表示任意吊运任务的卸载时间在最早卸载时间和最晚卸载时间之间。
5.天车任务分类及优先级
在天车调度过程中，天车负载 有3种状态：空载（S=1 ）、载空罐（S=2 ）和载重罐（S=3 ）。在执行任务过程中，天车执行任务 有5个阶段：当Skt=1时，天车未分配任务或者已分配任务但未到执行分配任务时间；当Skt=2时，天车前往吊运起点工位；当Skt=3时，天车在物料起吊阶段；当 Skt=4时，天车前往目的工位；当 Skt=5时，天车将物料放置在卸载位。本文采用的天车优先级如表1所示。
表1 天车任务分类及优先级
从表1中可以看到，当天车处于起吊或卸载物料阶段，其优先级最高，即天车间发生冲突时，其他任务的天车不能打断正在执行起吊或装卸任务的天车；当天车执行任务处于相同阶段时，吊有重包的天车优先级较高。
6.冲突消解策略
当同一跨间多台天车在执行任务中容易发生冲突，因此需要采用冲突消解策略来处理相关问题，则规则如下：①如表1所示，规定了天车在不同负载、不同阶段下的任务优先级，若天车在运行过程中发生冲突，则相邻天车在保证最小安全距离时，优先级低的天车需要给优先级高的天车让路，优先级低的天车则跟着被动运输。②）当两台天车的负载和所处的阶段相同时，则两天车任务的最早开始时间越早，其优先级越高。
7.天车调度算法流程
天车调度总体算法流程如图5所示。
图5 炼钢调度算法流程图
五、结果对比
本文分别采用基于经验规则的调度模型和实时调度算法模型对某炼钢车间一周内2000多条行车任务进行分配对比，其分配结果与实际情况的匹配情况如表2所示。从任务分配天车角度分析，1963条行车任务分配算法调度结果与实际匹配，而经验规则的方法只有1873条。调度结果中算法调度结果与实际匹配，但经验规则模型结果与实际不匹配的任务有89条，且主要集中在钢水跨，原因在于钢水接收跨任务多，天车之间冲突多。经验规则模型难实时动态考虑多个天车同区域协同作业情况，更适用于冲突少的场景，而且实时调度模型在行车任务分配时会仿真模拟行车间冲突消解过程，将任务分配给某个行车的同时，还可以生成天车走行路径（如图6所示），这个结果展示给调度员更有利于生产调度。
表2 炼钢行车调度结果对比
图5 钢水接受跨行车走形路径示例
六、总结
本文结合实际工程应用和炼钢车间数字化的基础，对炼钢行车实时调度的作业分类进行了总结。通过对比基于精益标准化经验规则的方法和实时调度算法模型，我们发现实时调度算法模型明显优于前者。并且，实时调度算法还考虑了复杂的系列行车调度的约束，实现了工程应用，此外，这种方法更容易复制到其他工程应用，从而显著提高了研发的经济效益。
参考文献:
[1]刘青,田乃媛,王英群,等.天车调度在优化钢厂物流管制中的重要作用[J].北京科技大学学报, 1998(01):36-40.
[2]熊红云,鲁五一.电泳柔性生产线基于多重任务队列的实时动态调度[J].冶金自动化,2003(6):30.
[3]陈开,郑忠,周超.面向炼钢厂多机多任务天车调度的仿真方法[J].重庆大学学报,2011,7(34):39.
[4]郑忠,徐乐,高小强.基于元胞自动机的车间天车调度仿真模型[J].系统工程理论与实践,2008, 28(2):137．
[5]佚名.时空约束下连铸车间天车调度的多目标建模与求解[J].系统工程理论与实践,2017,37(9)2373.
[6]何明,唐秋华,王盛龙.炼钢—连铸天车调度规则设计与评价[J].机械设计与制造,2012,259(9):257.
[7]郑忠,周超,陈开.基于免疫遗传算法的车间天车调度仿真模型[J].系统工程理论与实践,2013,33(1):223.
[8]刘设,王世杰,臧鹏飞,任会之.重型机械加工车间天车调度问题过程仿真与优化[J].机械设计与制2016,306(8):266.
[9]蒋胜龙,郑忠.考虑不确定加工时间的炼钢—连铸过程柔性调度方法[J].计算机集成制造系统,2019,25(1):103.
[10]王旭,刘诗新,王佳.求解具有时空约束的天车调度问题Memetic算法[J].东北大学学报（自然科学版）,2014,35(2):190．
[11]Tanizaki,Takashi,H.Katagiri,and António Oliveira Nzinga René."Scheduling Algorithms Using Metaheuristics for Production Processes with Crane Interference."International Journal of Automation Technology 12.3(2018):297-307.
[12] Liang,Chengji,et al."Research on coupling scheduling of quay crane dispatch and configuration in the container terminal." Computers & Industrial Engineeing (2018):649-657.
[13] Xie,Xie ,et al."Multiple Crane Scheduling in a Batch Annealing Process with No-delay Constraints for Machine Unloading." Applied Mathematical Modelling 49.sep.(2017):470-486.
[14] Li,Xin,and R.Y.K.Fung."Optimal Multi-Degree Cyclic Solution of Multi-Hoist Scheduling Without Overlapping." IEEE Transactions on Automation Science & Engineering PP.2(2017):1-11.
科学与工程的区别（二）
科学与工程，是推动人类社会发展的两大重要领域，尽管它们紧密相连、相互依存，但在本质上却存在显著差异。科学是探索世界本质和规律的知识体系，而工程则是应用这些科学理论和技术解决实际问题的实践活动。
一、科学的定义与特点
科学，作为人类探索研究宇宙万物变化规律的知识体系，其核心在于运用定理、定律等思维形式反映现实世界各种现象的本质和规律。科学家们致力于研究自然界的本质，通过观察、实验和理论推导，揭示宇宙的奥秘。科学研究的目的是为了增加人类对世界的理解，拓展知识的边界。科学具有理论性和抽象性，它追求真理和普遍性，关注的是事物的本质和原理。科学具有以下几个主要特点：
1.系统性 ：科学是一个建立在可检验的解释和对客观事物的形式、组织等进行预测的有序的知识系统。它涵盖了自然科学、思维科学、形式科学和交叉学科等多个领域。
2.抽象性 ：科学注重抽象和规律的挖掘，通过逻辑推理和实验验证，揭示事物之间的内在联系和规律。科学理论不仅具有普遍性，还能够在相同条件下重现和验证。
3.指导性 ：科学理论能够用于指导实践，为工程、技术等领域提供坚实的理论基础。科学发现是推动技术进步和社会发展的重要动力。
二、工程的定义与特点
工程则是运用科学和技术去解决实际问题的某种范围的应用单元。工程师们运用科学原理和技术手段，设计、建造和创新各种产品、系统和基础设施。工程注重的是实践和应用，它要将理论转化为现实，满足人们的实际需求。工程具有很强的目的性和实用性，它需要考虑各种实际因素，如成本、效率、安全性等。工程是科学理论转化为实际生产力的桥梁。工程的特点包括：
1.实践性 ：工程是解决实际问题的实践活动，它需要将科学理论转化为可操作的设计、制造和施工方案。工程师在工程中需要具备扎实的理论基础和丰富的实践经验。
2.集成性 ：工程往往涉及多个学科领域的知识和技术，需要集成多项技术而提出或发明一整套解决方案。工程师需要具备跨学科的综合能力，以应对复杂的工程问题。
3.创新性 ：工程不仅是科学技术的应用，更是创新的过程。工程师在解决工程问题的过程中，需要不断提出新的思路和方法，推动技术的进步和工程的发展。
三、科学与工程的区别
1. 理论与实践的区别
科学是系统理论知识，侧重于发现自然规律、提出理论、认识世界和解释世界。它属于认识范畴，是人类对自然界本质和规律的系统探索。而工程则是运用科学和技术进行的一种实践活动，它侧重于将科学知识应用于实践，解决实际问题，满足人类需求。工程属于实践范畴，是人类改造世界的过程。
2. 目的与过程的区别
科学的研究对象是未知领域，其研究周期较长，需要科研人员具有更宽大的耐心和更宽广的知识组成。科学研究的立题来源于人类的好奇心与兴趣及对生产生活的需求，是一个主动且自由探索的过程。而工程则是社会发展的直接需求，其目的简单而明确，是在已有科学理论的基础上进行的更为深入而复杂的应用。工程的推进周期相对较短，需要快速取得应用效果。
3. 思维方式的区别
科学思维强调严密的逻辑性、辩证地分析和综合两种思维方法，以及在体系上实现逻辑与历史的一致。科学思维注重拓展横向思维和工程思维，实验数据是获得结论的重要依据。而工程思维则更侧重于严谨性和实用性，工程师需要在已有的知识与技术上进行深度挖掘，提出切实可行的解决方案。
科学与工程密不可分，但在本质上存在显著差异。科学是探索世界本质和规律的知识体系，而工程则是运用科学和技术解决实际问题的实践活动。科学是发现和理解，而工程是创造和实现。科学为工程提供理论基础和技术支持，而工程则为科学的发展提供动力和验证。科学的进步往往会推动工程的创新，而工程的需求也会促使科学的进一步深入研究。（李志民，图片源自网络）
相关问答
【原创】如何处理 理论与实践 的关系?_作业帮[最佳回答]理论与实践的关系应该是一个哲学问题,从哲学的角度我唯恐无法做到清楚的论述.我只是试图从生活体验的角度尝试说说我的感受.谁都无法否认人类文明的...
关于 理论与实践 的名言警句并谈谈你对其中一则名言的看法_作业帮[最佳回答]一寸光阴一寸金,寸金难买寸光阴把学问过于用作装饰是虚假;完全依学问上的规则而断事是书生的怪癖.——培根聪明的人有长的耳朵和短的舌头.——弗...
计算机科学和 软件工程 有什么区别? 申请方你去标签广场下的专业库里搜计算机科学,讲得很详细。区别1、计算机科学与技术就相当于工科里的偏理的一面,是为了研究与解决算法问题而出现的科学。...
如何用一个最好的例子说明 理论与实践 的差异性和重要性?简单来说,一个用脑,一个用手。手脑并用,能够解决很多的问题。远古时期的人类,还没有形成理论之前,主要是用手实践来做事情,反复练习形成规律存于脑中,这...瞬息...
教师在教学中怎样注重 理论与实践 的结合?要努力培养学生掌握理论与实践相结合的方法在生物课堂教学中,当学生理解了生物学基本概念,切实掌握了生物学的知识体系后,还应注重引导学生灵活运用知识,解...
理论 和 实践 是一样的吗?理论和实践可以是一样的吗?我以为应该基本是一致的。像地图上的坐标,必须要精准,否则是会造成很多问题的。还有工程的设计方案,机械部件的设计方案,就要求更...
软件工程 学一些什么内容? 申请方软件工程专业学些什么内容,对于这个问题。每个学校的培养方案都是不一样的,但是整体上是类似的。基本是在学科基础课程上和专业核心课程上对于一些...
什么叫“知行合一”，与 理论 和 实践 有什么关系?“知”就是知识,理论;“行”指行为,也就是实践,知行合一,就是要将理论转化为实践,而且实践是理论的具体体现。知行合一,是指客体顺应主体,知是指科学知...
运用 实践 是认识的基础这一原理说明参加 社会实践 与读书的关系...[最佳回答](1)实践是认识基础的原理:实践是认识的来源,实践是认识的目的;实践是检验认识的真理性的唯一标准;实践是认识发展的根本动力。(2)学习阶段很重要,这...
大学生应该注重 实践 还是注重课本?没有理论的指导,你在实践过程中就可能成为无头的苍蝇;没有实践的检验,你所学再多的理论都会成为传说中的纸上谈兵。理论和实践,并非两条永不相见的平行线,...可...