專利名稱：異常工況下基于蟻群算法的焦爐作業優化調度方法
技術領域：
本發明涉及一種異常工況下基于蟻群算法的焦爐作業優化調度方法。
技術背景焦炭是冶金生產不可缺少的原料之一，焦炭質量的好壞直接影響到冶金 產品的質量，焦炭生產作為冶金生產過程的重要環節， 一直以來都受到了國 內外鋼鐵企業的廣泛重視。煉焦過程中，在合理的裝煤、平煤基礎上，焦炭成熟后，焦餅在炭化室內產生一定的收縮，其中心溫度達到950 1050'C，若 推焦過遲，則溫度過高，使焦炭易碎，從而會影響焦炭質量；若推焦過早， 則溫度達不到該溫度范圍，焦炭夾生，焦餅收縮不好，也會影響焦炭質量和 焦爐爐體壽命；因此，推焦必須要按照一定的順序合理進行，合理編排推焦 計劃，對于穩步提高焦炭產量，保證焦炭質量，提高鋼鐵企業經濟效益，增 強企業競爭力具有重要意義。焦爐推焦過程中，焦爐的炭化室與四大車(裝煤車、推焦車、攔焦車、 熄焦車)在數量上并不是一一對應的，多座焦爐需要共用這些機械設備，由 于每個機械設備在執行生產任務中都有一定的操作時間，并且具有間歇性， 使得資源難以達到優化配置。而且焦爐煉焦過程工況復雜，存在焦餅不熟收 縮不好需要延遲推焦、焦炭過火碎裂并倒塌、機械設備故障等異常工況，使 得推焦作業計劃要適合不同工況。所以優化調度問題是焦爐作業所面臨的主 要問題，也是充分發揮焦爐生產能力和實現資源優化利用的關鍵。目前，國 內的推焦計劃優化調度還停留在人工編制的水平上，人工方法存在著任務繁 瑣、效率低下、理論依據少、對異常情況難以及時反應等問題，容易導致疲 勞操作、機械過于損耗、焦爐加熱制度不穩定等現象，進而對焦炭質量和焦 爐壽命產生不良影響。 發明內容為了克服焦爐推焦作業計劃編排對異常情況難以及時反應，由工人手動 調整時，任務繁瑣、效率低下、機械過于損耗的技術問題，本發明提供一種 自動化程度高的焦爐作業優化調度方法，可針對兩座焦爐作業進行優化調度。本發明解決上述技術問題的技術方案包括以下步驟直接讀取生產數據，包括每個炭化室的實際裝煤時間和實際的推焦時間； 根據推焦專家規則建立異常工況下基于亂簽的優化調度懲罰模型； 用蟻群算法對異常工況下的作業計劃進行優化，形成焦爐作業計劃。 在焦爐作業優化調度過程中，推焦順序的編排是調度的關鍵，推焦的專 家規則如下1) 操作時間恰當。 一般每爐操作10 12min，但是具體操作時間的確定， 必須以保證各項操作為前提，以工作最緊張的車輛操作時間作為依據；2) —般檢修時間要至少lh。檢修時間應考慮到設備狀態及檢修能力；3) 相鄰炭化室結焦時間相差一半；4) 保證每個炭化室號都被推一遍，沒有漏爐的情況發生。 焦爐作業優化調度的主要目的是實現以下目標保證每天的生產任務，控制好結焦時間，提高焦炭質量，提高機械的操作效率，保證足夠的檢修時 間。在推焦生產中，推焦順序錯亂和結焦時間過長或過短引起的懲罰，反映 了推焦作業計劃調度的條件。低的懲罰將可以減少機械損耗，延長爐體壽命， 相應的提高焦炭的質量。因此本發明根據上述專家規則把影響生產費用的這2 個主要因素作為目標函數即最小化由推焦順序錯亂、結焦時間過長或過短 引起的總懲罰。懲罰模型為1)相鄰兩個推焦炭化室號順序錯亂引起的懲罰<formula>formula see original document page 5</formula>其中，《為相鄰兩個推焦炭化室號順序錯亂引起的懲罰占總目標函數的權值。2)結焦時間過長或過短引起的懲罰(3)<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，-反映延長結焦時間時爐體受損程度上升的快慢因子，t^和7^是規定 的最短和最長結焦時間。3)相鄰兩個炭化室推焦由推焦順序錯亂和結焦時間過長或過短引起的總懲罰<formula>formula see original document page 6</formula>總的目標函數為(5)(6)<formula>formula see original document page 6</formula>(7)(8)(9)(10)(11)其中，rp,為!'號炭化室計劃推焦時間，t;,為/號炭化室上周裝煤時間，"為炭化室數目，m為檢修時間段數，iV = " + m。目標函數(7)最小化由推焦順序 錯亂和結焦時間過長或過短引起的總懲罰；約束(8) 、 (9)保證了相鄰兩 個炭化室號推焦時間至少相差兩個小時，約束(10)保證了單次檢修時間大 于1個小時，約束(11)給出了結焦時間的計算公式。本發明將異常工況下推焦計劃的優化調度歸結為旅行商問題(TSP)來解 決，假設w個炭化室號和m個檢修時間段看作iV個城市，節點/和_/之間的 懲罰看作兩個城市之間的距離《。TSP問題的目標是最小化從起點出發經過 所有城市節點的路徑，這個最短路徑就相當于將每個炭化室推焦一次的一個 推焦循環的最優計劃，也就是由推焦順序錯亂和結焦時間過長或過短引起的 總懲罰也就是目標函數(7)最小。因此有"個炭化室和m個檢修時間段的推焦作業計劃編制模型描述如下-設C—c,，C2,K，cJ為7V個城市的集合，《表示城市/和城市y之間的距離， 其中，,=' ， 1<"" 炭化室號& — = 0，" < /《iV檢修時間段本發明中的1#、 2#焦爐總共115個炭化室，可以確定每個推焦循環的集 合c，使用蟻群算法來實現推焦計劃的優化調度。算法中公式介紹S>。〃。 (O] [7^/ ] (12)其中，；^)表示t時刻位于節點/上的第A只螞蟻轉移到節點/的概率，；^為節點/轉移到節點y上的啟發信息%=1/《 (13) 《為節點zV之間的懲罰，由式(5)求得。s(0表示在節點(zV')之間信息素 濃度r々+ l)"、(,) + (1-p)A《 (14)其中，P為一個取值范圍在0到1之間的常數，表示局部殘留信息素的相對重要 程度，p值越大說明信息素濃度揮發的越慢，反之越快。A《表示第&只螞蟻在時刻^到什i之間，節點冴q/之間的路徑上增加的信息素濃度。(15)其中，Q為一個常量，用來表示每只螞蟻所持有的信息素總量，參數m為螞蟻 數量，"用來控制信息素濃度的相對重要程度，々用來控制啟發式信息的相對 重要程度。全局更新規則當所有的螞蟻都完成一次循環后，只有生成了全 局最優解的螞蟻按(16)對所有路徑上的信息素進行全局更新，不屬于最優 螞蟻走過的路徑其信息素更新為O:+1) = a 4(0 + (1 - a)a、 ( 16 )其中，a為一個取值范圍在0到1之間的常數，表示全局殘留信息素的相對重要 程度，△ ^=2/^、 (17)本發明的技術效果在于本發明針對焦爐推焦過程的復雜工況，異常工 況下采用蟻群算法再結合專家經驗技術，實現了焦爐作業計劃的優化調度， 保證了焦炭質量，降低了生產成本，具有顯著的經濟效益。下面對本發明作進一步的說明。
具體實施方式
本發明中焦爐作業優化調度過程如下本發明中有1#、 2#焦爐，推焦過 程中存在很多的異常工況。當推焦時，如果發現焦餅不熟收縮不好，則應關 上爐門繼續加熱，待成熟后再推，這樣就造成推焦延遲。因各種原因而產生 一個或者幾個延遲推焦的爐號時，就會造成所謂的"亂簽"。推焦過程還經常會 發生一些事故，常見的有焦炭過火碎裂并倒塌、裝煤孔堵眼、爐門框夾焦、 爐墻集炭過厚、推焦桿變形、四車(裝煤車、熄焦車、攔焦車、推焦車)出 現機械故障等，這時應停止推焦，查明原因，待采取措施后方能繼續推焦。 如果事故時間比較長，事故影響的爐數較多，事故后先按正點時間推焦，同 時縮短操作時間，當縮短的時間足夠推一爐焦時就把因事故延遲的爐數趕回 一爐，依次類推趕回丟失的爐數，而在下次推焦循環中按亂簽處理。因此， 對于推焦過程中的各種異常工況都可按照亂簽的情況來處理。本發明中的2座焦爐1#焦爐是60孔JN-60型焦爐，2#焦爐是55孔的JN-60 型焦爐，2臺推焦車都是5爐距新型推焦車，推焦車采用五爐距一次對位操作， 可在一次對位后同時進行某一爐孔的推焦和上一爐孔的平煤。因此正常工況 下都是"5-2"推焦串序，即相鄰兩次推焦間隔5個炭化室號。檢測1#、 2#焦爐 115個炭化室的實際推焦時間、實際裝煤時間和推焦順序。如果采集到的推焦 順序不滿足"5-2"推焦串序，那么就可判斷為異常工況。在焦爐作業優化調度過程中，推焦順序的編排是調度的關鍵，推焦的專 家規則如下1) 操作時間恰當。 一般每爐操作10 12min，但是具體操作時間的確定， 必須以保證各項操作為前提，以工作最緊張的車輛操作時間作為依據；2) —般檢修時間要至少lh。檢修時間應考慮到設備狀態及檢修能力；3) 相鄰炭化室結焦時間相差一半；4) 保證每個炭化室號都被推一遍，沒有漏爐的情況發生。 焦爐作業優化調度的主要目的是實現以下目標保證每天的生產任務，控制好結焦時間，提高焦炭質量，提高機械的操作效率，保證足夠的檢修時間。在推焦生產中，推焦順序錯亂和結焦時間過長或過短引起的懲罰，反映 了推焦作業計劃調度的條件。低的懲罰將可以減少機械損耗，延長爐體壽命，相應的提高焦炭的質量。因此本發明根據上述專家規則把影響生產費用的這2 個主要因素作為目標函數即最小化由推焦順序錯亂、結焦時間過長或過短 引起的總懲罰。首先定義幾個變量1)相鄰兩個推焦炭化室號順序錯亂引起的懲罰<formula>formula see original document page 9</formula> (18) <formula>formula see original document page 9</formula>(19)<formula>formula see original document page 9</formula>否則<formula>formula see original document page 9</formula>其中，g為相鄰兩個推焦炭化室號順序錯亂引起的懲罰占總目標函數的權值。 2)結焦時間過長或過短引起的懲罰(20)<formula>formula see original document page 9</formula>(21)其中，P反映延長結焦時間時爐體受損程度上升的快慢因子，T^和7^是規定 的最短和最長結焦時間。3)相鄰兩個炭化室推焦由推焦順序錯亂和結焦時間過長或過短引起的總懲罰(22)<formula>formula see original document page 9</formula>y'點是炭化室號 ()<formula>formula see original document page 9</formula>點是檢修時間段總的目標函數為-(24)<formula>formula see original document page 9</formula>|7;—7;(,+1)|>120 "1，2，L，"一1 (25) |W"|>120 2,3,L," (26) 、"0 (27)(28)其中，？；為/號炭化室計劃推焦時間，7;,為/號炭化室上周裝煤時間，"為炭化室數目，附為檢修時間段數，iV = " + w。本發明中的1#、 2#焦爐總共115 個炭化室，w取115。周轉時間-所有炭化室的操作時間=總的檢修時間。周轉 時間指某一炭化室從本次推焦(或裝煤)至下次推焦(或裝煤)的時間間隔。 總的檢修時間按2h來分段，也就是說根據上述關系可以求出每個推焦循環的 m，進而能確定每個推焦循環的W。目標函數(24)最小化由推焦順序錯亂和 結焦時間過長或過短引起的總懲罰；約束(25) 、 (26)保證了相鄰兩個炭 化室號推焦時間至少相差兩個小時，約束(27)保證了單次檢修時間大于1 個小時，約束(28)給出了結焦時間的計算公式。本發明將異常工況下推焦計劃的優化調度歸結為旅行商問題(TSP)來解 決，假設w個炭化室號和m個檢修時間段看作W個城市，節點/和_/之間的 懲罰看作兩個城市之間的距離《。TSP問題的目標是最小化從起點出發經過 所有城市節點的路徑，這個最短路徑就相當于將每個炭化室推焦一次的一個 推焦循環的最優計劃，也就是由推焦順序錯亂和結焦時間過長或過短引起的 總懲罰也就是目標函數(24)最小。因此有"個炭化室和附個檢修時間段的 推焦作業計劃編制模型描述如下設C^c,，cT2，K，c^為7V個城市的集合，《表示城市/和城市y之間的距離， 其中，c =J/,=/， l<"w 炭化室號 。=|^-"=0,"<f^^檢修時間段本發明中的1#、 2#焦爐總共115個炭化室，可以確定每個推焦循環的集 合C，使用蟻群算法來實現推焦計劃的優化調度。算法中公式介紹7 e a//ow《乂印〃。附￡^其中，W(0表示t時刻位于節點z'上的第A只螞蟻轉移到節點7的概率，；^為節點/轉移到節4/上的啟發信息%=1/《 (30) 《為節點zV之間的懲罰，由式(22)求得。^(r)表示在節點(V)之間信息素 濃度t^+l)-p、(0+(l-P)厶《 (31)其中，P為一個取值范圍在0到1之間的常數，表示局部殘留信息素的相對重要 程度，/7值越大說明信息素濃度揮發的越慢，反之越快。A《表示第it只螞蟻在 時刻/到什l之間，節點/和/之間的路徑上增加的信息素濃度。△《=g/《 (32) 其中，g為一個常量，用來表示每只螞蟻所持有的信息素總量，參數m為螞蟻 數量，"用來控制信息素濃度的相對重要程度，々用來控制啟發式信息的相對 重要程度。全局更新規則當所有的螞蟻都完成一次循環后，只有生成了全局最優解的螞蟻按下式 (33)對所有路徑上的信息素進行全局更新，不屬于最優螞蟻走過的路徑其 信息素更新為0:r",+l) = /v^) + (l-A)A、 (33)其中，A為一個取值范圍在0到1之間的常數，表示全局殘留信息素的相對重要 程度，(34)《、為第"c次循環中最優解的懲罰之和。 TO算法實施步驟如下stepl:每只螞蟻A建立3個表，節點表《、禁忌表似^4和路徑表"http://0>^《， 節點表《包括JV個節點，節點編號與炭化室號和檢修時間段一一對應，禁忌表保存螞蟻H方問過的節點，路徑表"http://0>^《存放螞蟻A:下一步可以訪問的所 有節點；step 2:初始化各個參數，設迭代次數"c為0，最大迭代次數"cw^為500， 完成任務的螞蟻數1為0，每條路徑上^(0)為1， A、為0， a為0.5， / 為3， / 為0.8， p;為0.7， g為l，第wc次迭代的最優解為2^^全局最優解為Z^;step 3:將60只螞蟻都放在算法初始點上，定節點l也就是一號炭化室為初 始點；step4:將每個螞蟻所走過的節點集合to6",置空，下一節點集合"http://。>^《置空；step 5:確定第^只螞蟻的可移動的下一節點集合《//0>^《；step 6:根據式(29)計算出轉移概率，按照轉移概率確定下一轉移節點 S，將S節點添加到表to、，并將S節點從表a/Z(we《中刪除；step 7:當第A只螞蟻到達節點s后，按照式(31)的信息素更新規則對出 發節點r和到達節點s之間的路徑進行信息素的局部更新；step 8:如果表似6w中包含所有節點，也就是說第/t只螞蟻走完所有節點， 在表to6",中會獲得一個解也就是一個推焦計劃丄A:,如果/小于總螞蟻數時，轉 至!jstep5;step9:在所有生成的解中找出懲罰最小的一個解也就是本次"c循環的最 優解i^"c，則得出該解的螞蟻就是最優螞蟻；step 10:對最優螞蟻經過的每一條路徑，按照式(33)的全局更新原則進 行一次信息素的全局更新；st印lh轉到step3,重復執行直到迭代次數"c達到指定的最大迭代次數 "c;^或連續若干代內沒有更好的解出現為止。輸出全局最優解Zi)。Z6也就是下一推焦循環的最優的推焦作業計劃。基于本發明建立的焦爐作業計劃與優化調度系統，已經在湖南某鋼鐵有 限公司焦化廠的1#和2#焦爐中成功應用，實現了焦爐作業計劃在異常工況下 的自動編排，保證了焦炭質量，提高了企業自動化程度，取得了顯著的經濟 效益和社會效益。
權利要求
1.一種焦爐作業優化調度方法，其特征在于根據推焦專家規則和可調度條件，建立基于亂簽的推焦懲罰模型，用蟻群算法對亂簽的推焦順序進行優化，形成焦爐作業計劃；所述推焦專家規則為1)操作時間恰當，以工作最緊張的車輛操作時間作為依據，每爐操作10～12min；2)一般檢修時間要至少1h，檢修時間應考慮到設備狀態及檢修能力；3)相鄰炭化室結焦時間相差一半；4)保證每個炭化室號都被推一遍，沒有漏爐的情況發生；所述的懲罰模型為1)相鄰兩個推焦炭化室號順序錯亂引起的懲罰Qij＝Yijq (1)i，j＝0，1，2，L，N，i≠jq為相鄰兩個推焦炭化室號順序錯亂引起的懲罰占總目標函數的權值；2)結焦時間過長或過短引起的懲罰
全文摘要
本發明公開了一種異常工況下基于蟻群算法的焦爐作業優化調度方法，包括以下步驟1)根據推焦專家規則和可調度條件，建立基于亂簽的推焦懲罰模型；2)用蟻群算法對亂簽的推焦順序進行優化，形成焦爐作業計劃。本發明利用蟻群算法和推焦專家規則相結合的技術設計了焦爐作業優化調度算法，解決了焦爐推焦過程中異常工況下焦爐作業的優化調度問題，實現了多座焦爐作業優化調度。
文檔編號C10B41/00GK101235296SQ20081003041
公開日2008年8月6日 申請日期2008年1月2日 優先權日2008年1月2日
發明者劉建群, 敏 吳, 年 廖, 曹衛華, 朱華琦, 靜 楊 申請人:中南大學