基于排队论和系统仿真的高炉-转炉区段调度系统建模方法

摘要

本发明公开了一种基于排队论和系统仿真的高炉-转炉区段调度系统建模方法，应用排队论方法，以数学解析和系统仿真为手段，将“兑铁包/受铁罐共用”界面模式的排队系统分解为预处理-转炉兑铁子系统、运输子系统和高炉出铁子系统，分别建立各子系统的排队仿真模型和运行费用函数，研究顾客到达模式、离开模式、排队规则和服务台休假策略变化对各子系统性能指标及运行费用的影响机制，优化各子系统的主要参数，应用矩阵几何解方法导出“兑铁包/受铁罐共用”界面模式整个排队系统的主要性能指标，建立系统的排队仿真模型和总运行费用函数，优化系统的关键参数，为“兑铁包/受铁罐共用”界面模式的动态有序运行奠定基础。

说明书

技术领域

本发明属于信息技术领域，涉及到数学解析与系统仿真，特别涉及到基于排队论的高炉-转炉区段调度系统建模与设计方法。

背景技术

高炉-转炉区段的工艺技术界面是钢铁生产过程中连接炼铁与炼钢两大工序的重要区段，起到了承上启下的作用，也是关系到钢铁生产流程整体优化的关键区段。由于“兑铁包/受铁罐共用”模式具有节能、环保、省时等优势，所以国内外不少钢铁企业均采用这种模式。日本JFE京滨厂采用300t铁水罐实现“兑铁包/受铁罐共用”模式，铁水入转炉平均温度达1350℃。我国鞍钢老区一炼钢厂由“受铁罐-混铁炉-兑铁包”模式改造为“兑铁包/受铁罐共用”模式后，铁水罐运行时间减少50分钟，铁水入转炉温度提高30℃。沙钢率先设计应用了以汽车为运输工具的“兑铁包/受铁罐共用”模式，铁水罐运行时间只有75分钟，铁水温降仅108℃。由于缺乏对该模式运行特性的深刻认识，导致实际生产中出现了不少问题。为了保证高炉和转炉的高生产率，实际生产中参与运行的铁水罐数量往往过多，造成运输线路拥堵，出现铁水运输“三长”现象(即待运时间长、倒调时间长、运输途中耽误时间长)，有时不得不临时启用混铁炉，将“兑铁包/受铁罐共用”模式改为“受铁罐-混铁炉-兑铁包”模式，最终导致铁水温度损失严重，整个生产流程能耗大幅增加。

为此，通过研究“兑铁包/受铁罐共用”界面模式下铁水罐周转过程中铁水的散热机理及铁水温度随时间的变化规律发现，导致铁水大幅温降的主要原因不是铁水罐本身的保温性能差，而是“兑铁包/受铁罐共用”界面模式运行不畅导致的铁水罐非正常等待时间过长。实质上，高炉-转炉区段“兑铁包/受铁罐共用”界面模式是一个典型的排队系统：铁水罐车作为顾客分别到高炉群、预处理站、调车场、检罐站和转炉群组成的串-并联服务台处进行排队。“兑铁包/受铁罐共用”界面模式的排队系统设计是否合理将直接影响铁水罐的周转时间节奏、铁水入转炉温度和高炉、转炉的生产效率，进而影响整个系统运行的总费用。由于该系统中服务台一般情况下是固定的，因此，到达过程、离开过程、排队规则和服务机制是该系统优化的重点。实践证明，该系统中到达过程的批量大小(即一车几罐)、到达时间间隔的概率分布，多队列还是单队列排队，服务台服务时间的概率分布和休假策略对铁水入转炉温度、相关设备生产率，运输费用影响极大。因此，该排队系统的优化对于节能、提高生产效率、降低运行费用具有重要意义。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提供一种基于排队论和系统仿真的高炉-转炉区段调度系统建模方法。

为实现以上目的，本发明专利采用的技术方案是：该方法采用排队论和系统仿真相结合的方法，实现对高炉-转炉区段调度系统的建模，建立模型步骤为：

第一步，通过对采用“兑铁包/受铁罐共用”界面模式典型钢铁企业的现场调研和相关数据测定，得到“兑铁包/受铁罐共用”界面模式的生产数据，用标准统计推断方法对企业实际数据按理论分布进行拟合，通过假设检验测定其拟合程度以对数据进行处理；

第二步，按功能不同将“兑铁包/受铁罐共用”界面模式的闭合式排队系统分解为三个开放式排队系统，判断各子系统是否为马尔可夫过程或可否转变为马尔可夫过程，确定用嵌入马尔可夫链方法还是矩阵几何解方法，推导各子系统的稳态性能指标，应用时间-事件混合步长法建立各子系统仿真模型，并应用企业实际生产数据进行验证和修正；

第三步，采用寻优算法优化各子系统主要参数：通过仿真，对各子系统中的主要参数进行敏感性分析，研究各参数对子系统性能指标及运行费用的影响机制，优化各子系统的主要系统参数；

第四步，推导整个系统稳态指标，应用时间-事件混合步长法建立整个系统的仿真模型，并应用实际生产数据进行验证和修正。

所述第二步中的三个开放式排队系统是：预处理-转炉兑铁子系统、运输子系统和高炉出铁子系统。

所述的第三步中子系统性能指标是指：队长、等待时间、忙期等。

应用数学解析与系统仿真相结合的方法，研究批量到达、单队列/多队列混合、闭合式多服务台可修排队网络模型的优化问题。

将高炉-转炉区段的“兑铁包/受铁罐共用”界面模式抽象为“多服务台可修排队网络模型”，采用分解-综合的方法研究复杂排队系统中各主要系统参数对系统稳态指标及运行费用的影响机制。

本发明专利基于排队论和系统仿真的高炉-转炉区段调度系统建模方法的优点在于：(1)利用排队论方法和系统仿真结合对高炉-转炉区段调度系统建模，可以合理、准确的优化高炉-转炉区段铁水罐由于等待时间长而造成的拥堵、铁水温降大等问题，对于节能、提高生产效率、降低运行费用都有明显的作用；(2)通过数学解析和系统仿真的结合，全面、准确的揭示系统运行规律，优化排队系统的到达过程、离开过程、排队规则和服务台休假策略中的重要参数，以期获得系统运行费用最小的优化方案，为“兑铁包/受铁罐共用”界面模式的动态有序运行奠定基础。

附图说明

下面结合附图以实例进一步说明本发明的实质内容，但本发明的内容并不限于此。

图1为本发明专利工艺路线框图。

具体实施方式

第一步，通过对采用“兑铁包/受铁罐共用”界面模式典型钢铁企业的现场调研和相关数据测定，掌握“兑铁包/受铁罐共用”界面模式的生产数据，并用标准统计推断方法对企业实际数据按一定形式的理论分布进行拟合，通过假设检验测定其拟合程度以对数据进行处理。

第二步，按功能不同将“兑铁包/受铁罐共用”界面模式的闭合式排队系统分解为三个开放式排队系统，判断各子系统是否为马尔可夫过程或可否转变为马尔可夫过程，确定用嵌入马尔可夫链方法还是矩阵几何解方法，推导各子系统的稳态性能指标。应用时间-事件混合步长法建立各子系统仿真模型，并应用企业实际生产数据进行验证和修正。

第三步，本项目采用寻优算法优化各子系统主要参数。

第四步，对“兑铁包/受铁罐共用”界面模式的复杂排队系统进行适当假设和简化，应用拟生灭过程方法导出“兑铁包/受铁罐共用”界面模式排队系统稳态分布存在条件；应用矩阵几何解方法推导其稳态指标；基于各服务台前铁水罐到达过程、排队等待及离开过程带来的铁水温降费用、铁水罐运输费用和主要设备休假费用构造系统总运行费用函数。应用时间-事件混合步长法建立整个系统的仿真模型，并应用实际生产数据进行验证和修正。

实施例1：

使用基于排队论和系统仿真的高炉-转炉区段调度系统建模方法，对于高炉-转炉区段调度系统来说，主要包括以下步骤：

(1)生产数据获取和处理

通过对采用“兑铁包/受铁罐共用”界面模式典型钢铁企业的现场调研和相关数据测定，掌握“兑铁包/受铁罐共用”界面模式高炉、转炉冶炼周期、检修周期、故障频率、小时产量、利用系数、出铁/兑铁时间节奏，铁水罐一车几罐到达/离开、到达/离开时间间隔的统计数据，各主要设备及检罐站、调车场前的铁水罐排队方式、等待时间，运输路线布置、距离、火车头空车/重车运行速度，车流密度，铁水罐运行过程中铁水温度随时间变化的统计数据等信息。用标准统计推断方法对企业实际数据按一定形式的理论分布进行拟合，并通过假设检验来测定其拟合程度，如拟合获得认可，即可在模拟中运用这种分布函数去生成随机变量以模拟各种随机过程。

(2)系统分解及子系统性能指标分析

按功能不同将“兑铁包/受铁罐共用”界面模式的闭合式排队系统分解为三个开放式排队系统，分别为：预处理-转炉兑铁子系统、运输子系统和高炉出铁子系统。其中，预处理-转炉兑铁子系统为批量到达、单队列排队、两个服务台串联、多个服务员并联的可修排队系统；运输子系统可以看作是批量到达、单队列排队、多服务台串联排队系统(认为调车场及检罐站不可修)；高炉出铁子系统是批量到达、多队列排队、多服务员并联可修排队系统。判断各子系统是否为马尔可夫过程或可否转变为马尔可夫过程，确定用嵌入马尔可夫方法还是矩阵几何解方法推导各子系统的稳态性能指标。基于到达过程、排队等待及离开过程带来的铁水温降费用、铁水罐运输费用和主要设备休假费用构造各子系统运行费用函数。

(3)子系统建模及优化

应用时间-事件混合步长法(以事件发生的时间为步长，并将这一步长用时间步长表示来推动仿真钟的演进)建立各子系统仿真模型，并对各子系统参数进行敏感性分析，应用企业实际生产数据进行验证和修正。

本项目采用以下寻优算法优化各子系统主要参数。

设子系统运行费用函数为F(M，N)，其最小值Min F取决于两个变量M和N。M的取值范围为(m1，m2…mk)，N的取值范围为(n1，n2…nk)，则供选择的输入组合有mk×nk个，则寻优的过程如下：

Step1：计算F(m₁，n₁)，并取Min F＝F(m₁，n₁)；

Step2：循环I  M＝m₁……m_k

Step3：循环II N＝n₁……n_k

Step4：计算F(m_i，n_j)；

如果F(m_i，n_j)＜Min F；

那么Min F＝F(m_i，n_j)；

Step5：结束循环II

Step6：结束循环I

只要M、N的取值间距足够小，就可确定运行费用最低的M值和N值，以上寻优算法可以保证在不确定运行费用函数单调性或拐点位置的情况下寻优的准确性。同时，由于不少系统参数是离散变量，取值范围有限，因此仿真优化计算量不会大幅增加。通过仿真，对各子系统中的主要参数进行敏感性分析，研究各参数对子系统性能指标(如队长、等待时间、忙期等)及运行费用的影响机制，优化各子系统的主要系统参数。

(4)整个系统稳态指标推导和仿真建模

对“兑铁包/受铁罐共用”界面模式的复杂排队系统进行适当假设和简化(如检罐站不作为服务台、到达和离开过程为泊松过程)，应用拟生灭过程方法导出“兑铁包/受铁罐共用”界面模式排队系统稳态分布存在条件；应用矩阵几何解方法推导其稳态指标；基于各服务台前铁水罐到达过程、排队等待及离开过程带来的铁水温降费用、铁水罐运输费用和主要设备休假费用构造系统总运行费用函数。基于调研的“兑铁包/受铁罐共用”界面模式，应用时间-事件混合步长法建立整个系统的仿真模型，并应用实际生产数据进行验证和修正。

(5)整个系统优化方案的确定

根据子系统优化确定的各项参数，缩小各参数的取值范围，确定“兑铁包/受铁罐共用”界面模式排队系统的优化预选方案；对各预选方案进行仿真，分析关键系统参数对总运行费用的影响规律，按(3)中所提寻优算法确定整个系统的优化方案。