楊建平，張江山，劉 青

1) 北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 2) 北京科技大學(xué)鋼鐵生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)教育部工程研究中心，北京100083

隨著制造、控制、信息等技術(shù)的發(fā)展，以德國(guó)“工業(yè)4.0”為代表的智能制造推動(dòng)著工業(yè)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型與升級(jí)[1].在此時(shí)代背景下，大力發(fā)展鋼鐵工業(yè)的智能制造，是完成我國(guó)從鋼鐵大國(guó)向鋼鐵強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵.煉鋼-連鑄作為鋼鐵制造流程的核心區(qū)段，是一個(gè)涉及多個(gè)復(fù)雜物理化學(xué)反應(yīng)的氣-液-固多相共存的高溫（1500～1700 ℃）、準(zhǔn)連續(xù)過(guò)程，相比鐵前與軋鋼區(qū)段，其生產(chǎn)運(yùn)行的智能化面臨更大挑戰(zhàn).殷瑞鈺院士指出實(shí)現(xiàn)煉鋼-連鑄過(guò)程的智能化，需實(shí)現(xiàn)工序功能集合的解析-優(yōu)化、工序關(guān)系集合的協(xié)同-優(yōu)化與流程工序集合的重構(gòu)-優(yōu)化，而工序界面技術(shù)不僅是解決工序關(guān)系集合，諸如傳遞-遺傳關(guān)系、時(shí)-空配置關(guān)系、銜接-匹配關(guān)系、緩沖-鏈接關(guān)系、信息-調(diào)控關(guān)系等協(xié)同-優(yōu)化的重要手段，對(duì)于工序功能集合的解析-優(yōu)化和流程工序集合的重構(gòu)-優(yōu)化也有著重要作用，是煉鋼-連鑄過(guò)程智能化的核心技術(shù)之一[2].

《冶金流程工程學(xué)》指出[3]，煉鋼-連鑄區(qū)段工序界面技術(shù)是指煉鋼、連鑄等主體工序之間的銜接-匹配、協(xié)調(diào)-緩沖技術(shù)及相應(yīng)的裝置，包括二次冶金（爐外精煉）工序及其裝置、鋼包、天車、中間包、車間平面布置和輸送能力配置以及各工序和裝置的數(shù)量（能力）以及對(duì)應(yīng)匹配的設(shè)計(jì)等.劉青等[4]提出鋼廠的運(yùn)行優(yōu)化應(yīng)包含系統(tǒng)產(chǎn)能核算、生產(chǎn)運(yùn)行模式優(yōu)化、鋼包/天車運(yùn)行控制等內(nèi)容，是對(duì)煉鋼-連鑄區(qū)段工序界面技術(shù)的進(jìn)一步闡述.隨著煉鋼-連鑄過(guò)程智能化技術(shù)發(fā)展的深入，國(guó)內(nèi)外冶金學(xué)者對(duì)影響煉鋼-連鑄區(qū)段上下游工序銜接的界面技術(shù)越發(fā)重視，主要包括爐外精煉、鋼包運(yùn)行控制、天車運(yùn)行控制、生產(chǎn)運(yùn)行模式優(yōu)化等技術(shù).Semura與Matsuura[5]綜述了近年來(lái)爐外精煉技術(shù)的發(fā)展；殷瑞鈺[3]總結(jié)了不同爐外精煉技術(shù)的冶金功能與適用性，并重點(diǎn)闡述了其對(duì)前后工序運(yùn)行節(jié)奏的協(xié)調(diào)緩沖作用.當(dāng)前，主要從精煉工序/裝置改進(jìn)[6]、精煉工序柔性作業(yè)時(shí)間控制[7-8]、精煉過(guò)程及終點(diǎn)鋼水溫度調(diào)控[9-11]等方面對(duì)精煉工序的協(xié)調(diào)緩沖作用進(jìn)行了大量研究.目前，已公開發(fā)表的文獻(xiàn)對(duì)鋼包運(yùn)行控制、天車運(yùn)行控制和生產(chǎn)運(yùn)行模式優(yōu)化3種工序界面技術(shù)也進(jìn)行了不同程度的研究，卻鮮有相關(guān)研究進(jìn)展的綜述報(bào)道.鑒于此，本文針對(duì)影響多工序銜接效率的鋼包運(yùn)行控制、天車運(yùn)行控制和生產(chǎn)運(yùn)行模式優(yōu)化3種典型工序界面技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，與此同時(shí)，鋼包、天車和生產(chǎn)運(yùn)行模式分別作為物質(zhì)流運(yùn)行的“盛載者”、“執(zhí)行者”和“驅(qū)動(dòng)者”，本文將3者在煉鋼廠運(yùn)行過(guò)程的行為與特征研究進(jìn)展進(jìn)行綜合討論，在煉鋼-連鑄智能化發(fā)展的大環(huán)境下具有較強(qiáng)的應(yīng)用前景與現(xiàn)實(shí)意義.此外，基于3種工序界面技術(shù)研究進(jìn)展的分析，并圍繞影響煉鋼-連鑄過(guò)程有序、穩(wěn)定、準(zhǔn)連續(xù)/連續(xù)運(yùn)行的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工序作業(yè)周期等因素，提出3種工序界面技術(shù)的協(xié)同機(jī)制與協(xié)同方案，為實(shí)現(xiàn)鋼廠各工序之間或鋼鐵制造流程各區(qū)段之間物質(zhì)流的高效銜接提供參考.

1 鋼包運(yùn)行控制

作為煉鋼-連鑄區(qū)段物質(zhì)流運(yùn)行的“盛載者”，鋼包不僅是盛載、運(yùn)輸鋼水的容器，同時(shí)也承擔(dān)著多種冶金功能，如鋼水的合金化、吹氬等操作均在鋼包中進(jìn)行；此外，鋼包在運(yùn)行過(guò)程中也起到協(xié)調(diào)前后工序運(yùn)行節(jié)奏的作用.圖1所示為鋼包在煉鋼-連鑄區(qū)段運(yùn)行1周期的示意圖，包括滿包和空包運(yùn)行階段.鋼包在滿包運(yùn)行階段需完成鋼水盛接、運(yùn)輸、精煉、澆注等任務(wù)，空包運(yùn)行階段主要進(jìn)行倒渣、鋼包維修及烘烤作業(yè).而所謂鋼包運(yùn)行控制，是指鋼廠根據(jù)生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃與實(shí)際作業(yè)情況，計(jì)算所需的在線鋼包使用數(shù)量，并借助定位跟蹤、數(shù)值模擬等技術(shù)，確定各鋼包的位置和熱狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)鋼包運(yùn)行路徑的有效調(diào)控.鋼包運(yùn)行控制主要包括鋼包運(yùn)行過(guò)程熱狀態(tài)監(jiān)測(cè)、鋼包選配與鋼包調(diào)度3方面研究?jī)?nèi)容.

1.1 鋼包運(yùn)行過(guò)程熱狀態(tài)監(jiān)測(cè)

1.1.1 研究方法

鋼包運(yùn)行過(guò)程熱狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究方法主要包括鋼包/鋼水溫度實(shí)測(cè)法和數(shù)值模擬方法.文獻(xiàn)[12]分別對(duì)兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了論述，其中，實(shí)測(cè)法具有較高的可靠性，但操作困難，且投資較大；而數(shù)值模擬方法能夠研究各種復(fù)雜工況下的鋼包熱狀態(tài)，但運(yùn)算量較大，且結(jié)果準(zhǔn)確性難以檢驗(yàn).

在實(shí)測(cè)法方面，吳曉東等[13]通過(guò)在包襯內(nèi)嵌入熱電偶，直接測(cè)量寶鋼某鋼廠鋼包在各運(yùn)行階段的包襯溫度變化，指出新鋼包在前兩次運(yùn)行周期內(nèi)處于蓄熱狀態(tài)，應(yīng)適時(shí)提高轉(zhuǎn)爐出鋼溫度以補(bǔ)償鋼水溫降；當(dāng)包襯蓄熱飽和后，其工作層在空包運(yùn)行階段的溫降較為明顯，其余部位溫度較為穩(wěn)定.隨著測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展，Mazzetti-Succi[14]使用紅外熱成像儀監(jiān)測(cè)鋼包運(yùn)行過(guò)程的包襯溫度，研究了5種不同絕熱板對(duì)鋼包熱狀態(tài)的影響，最終確定成分為質(zhì)量分?jǐn)?shù)52% Al2O3+45% SiO2、并以SiO2為粘接劑的絕熱板保溫效果最優(yōu).除了測(cè)量包襯溫度，鋼水測(cè)溫也屬于實(shí)測(cè)法研究鋼包熱狀態(tài)的常用手段，Zhou等[15]設(shè)計(jì)了一種帶有真空層的新型鋼包，通過(guò)熱電偶對(duì)鋼包運(yùn)行過(guò)程中鋼水溫度變化的測(cè)量，得到當(dāng)真空層氣壓為50 Pa時(shí)，其保溫效果是一般絕熱層的11倍，但該新型鋼包是通過(guò)外焊不銹鋼板來(lái)構(gòu)造真空層，對(duì)其使用壽命尚需做進(jìn)一步評(píng)價(jià).

關(guān)于數(shù)值模擬方法，其一直是研究復(fù)雜多相系統(tǒng)傳熱-流動(dòng)行為的重要手段，先前由于計(jì)算機(jī)性能和模擬軟件功能的限制，通常構(gòu)建一維傳熱模型來(lái)研究鋼包運(yùn)行過(guò)程熱狀態(tài)，雖然計(jì)算效率高，但一維傳熱模型忽略了較多影響因素，計(jì)算結(jié)果的可信性較低[16].隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的大幅提高和模擬軟件的不斷升級(jí)，二/三維傳熱模型的高效求解成為可能.Zabadal等[17]基于有限差分法構(gòu)建了二維傳熱模型，研究新、舊兩類鋼包運(yùn)行過(guò)程包襯不同位置的溫度場(chǎng)分布和散熱情況，并通過(guò)實(shí)測(cè)包襯溫度驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可靠性.Lu等[18]考慮了鋼水熱分層和自然對(duì)流行為，應(yīng)用Fluent方法求解鋼包/鋼水傳熱的三維模型，結(jié)果表明鋼水熱分層和流動(dòng)對(duì)包襯傳熱和包殼散熱有顯著影響，但渣線以下包殼表面溫度和散熱較為均勻，如圖2所示.相比于一維傳熱模型，二維/三維傳熱模型因考慮更多的影響因素，計(jì)算結(jié)果的可靠性有了較大提高，但要實(shí)現(xiàn)鋼包運(yùn)行過(guò)程熱狀態(tài)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，仍需結(jié)合實(shí)測(cè)法來(lái)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)和校正.

圖2 鋼包包殼溫度與熱流量分布圖[18].（a）溫度分布；（b）熱流量分布Fig.2 Distributions of temperature and heat flux on ladle shell[18]: (a) temperature distribution; (b) heat flux distribution

通過(guò)包襯內(nèi)嵌熱電偶的實(shí)測(cè)法雖然能夠獲得較為準(zhǔn)確的鋼包熱狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果，但需要對(duì)鋼包進(jìn)行一定的改造，增加了實(shí)驗(yàn)成本，且內(nèi)嵌熱電偶僅能獲取鋼包特定部位的溫度，無(wú)法實(shí)現(xiàn)鋼包整體熱狀態(tài)的監(jiān)測(cè).而應(yīng)用數(shù)值模擬方法雖然能夠監(jiān)測(cè)到鋼包各個(gè)位置的熱狀態(tài)，但該方法在建模中通常對(duì)鋼包/鋼水的傳熱行為進(jìn)行一定假設(shè)，影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，且數(shù)值模擬方法較長(zhǎng)的求解時(shí)間一直是制約其應(yīng)用的主要因素，采用圖形處理器（GPU）等高性能運(yùn)算手段可顯著提高運(yùn)算效率，但對(duì)于復(fù)雜的三維傳熱模型，其求解時(shí)間仍較長(zhǎng).結(jié)合上述2種方法，僅在鋼包包壁1/2處、1/4處及包底等關(guān)鍵位置嵌入熱電偶或直接采用紅外測(cè)溫手段，一定程度上降低實(shí)驗(yàn)成本，并應(yīng)用實(shí)測(cè)值對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行修正，這對(duì)于鋼包熱狀態(tài)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和鋼水過(guò)程溫度的窄窗口控制具有重要意義.當(dāng)前，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，深度（卷積）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、極限學(xué)習(xí)機(jī)等機(jī)器學(xué)習(xí)方法因其建模的靈活性和求解的高效性而得到了廣泛的關(guān)注，并已逐漸應(yīng)用于煉鋼-連鑄生產(chǎn)過(guò)程[19-20].采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，如基于深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別技術(shù)[21]，對(duì)得到的大量鋼包熱狀態(tài)數(shù)值模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，包括文本結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、圖像等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，將為鋼包熱狀態(tài)的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)提供可能.

1.1.2 影響因素

實(shí)現(xiàn)鋼包熱狀態(tài)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，可靠的研究方法是基礎(chǔ)，鋼包熱狀態(tài)影響因素的掌握是關(guān)鍵.影響鋼包運(yùn)行過(guò)程熱狀態(tài)的因素有很多，內(nèi)在因素包括包襯材料特性和包襯結(jié)構(gòu)，外在因素包括包齡、空包時(shí)間、烘烤時(shí)間等.表1所示近20 a來(lái)研究鋼包熱狀態(tài)影響因素的部分代表性工作.

由表1可知，近年來(lái)冶金學(xué)者對(duì)影響鋼包熱狀態(tài)的內(nèi)/外在因素進(jìn)行了較為全面的研究，內(nèi)在因素和外在因素的研究分別為具有高保溫效果包襯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和鋼包運(yùn)行的優(yōu)化提供指導(dǎo)，這為鋼包熱狀態(tài)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)與控制奠定了基礎(chǔ).實(shí)際生產(chǎn)中鋼包一直在高溫狀態(tài)下運(yùn)行，滿包運(yùn)行階段需盛載少則幾十噸多則300 t的鋼水，且包襯與鋼水直接接觸，故包襯的熱機(jī)械性能、耐熱性、耐腐蝕性等也影響著鋼包運(yùn)行的穩(wěn)定性[34-36]，對(duì)于具有特殊成分鋼種的生產(chǎn)，需做到專包專用.因此，對(duì)于鋼包熱狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與控制，應(yīng)兼顧其熱機(jī)械性能、耐熱性、耐腐蝕性等性能.

1.2 鋼包選配與調(diào)度

目前，國(guó)外鮮有鋼包選配與調(diào)度方面的研究報(bào)道；國(guó)內(nèi)學(xué)者基于冶金流程工程學(xué)理論與方法，開展了相應(yīng)的研究工作，取得了一定進(jìn)展.而周轉(zhuǎn)鋼包數(shù)量的確定作為鋼包選配與調(diào)度前的一項(xiàng)重要工作，也得到了較多關(guān)注.因此，在論述鋼包選配和調(diào)度研究前，首先對(duì)周轉(zhuǎn)鋼包數(shù)量計(jì)算的相關(guān)研究進(jìn)行介紹.

1.2.1 周轉(zhuǎn)鋼包數(shù)量計(jì)算

計(jì)算周轉(zhuǎn)鋼包數(shù)量的前提是解析與鋼包運(yùn)行相關(guān)的時(shí)間參數(shù)，包括轉(zhuǎn)運(yùn)周期、連鑄機(jī)澆鑄周期等，基于此，劉青等[37]提出了周轉(zhuǎn)鋼包數(shù)量的基本計(jì)算方法，即時(shí)間計(jì)算法、產(chǎn)量計(jì)算法和周期匹配法，后續(xù)相關(guān)研究大多在此基礎(chǔ)上進(jìn)行.面對(duì)多品種、小批量、多規(guī)格的訂單要求，煉鋼-連鑄區(qū)段產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的多樣性是影響周轉(zhuǎn)鋼包數(shù)量的主要因素，Wang等[38]通過(guò)對(duì)某特殊鋼廠品種鋼和普碳鋼生產(chǎn)工藝的分析，建立了周轉(zhuǎn)鋼包個(gè)數(shù)與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的量化關(guān)系模型，模型應(yīng)用后，該廠周轉(zhuǎn)鋼包個(gè)數(shù)平均減少約2個(gè).此外，爐次/澆次作業(yè)計(jì)劃也影響著周轉(zhuǎn)鋼包數(shù)量，而相鄰澆次計(jì)劃的重疊時(shí)間決定著鋼包互用程度，互用程度越高，所需周轉(zhuǎn)鋼包個(gè)數(shù)也就越少.Huang等[39]研究了不同澆次計(jì)劃重疊時(shí)間與周轉(zhuǎn)鋼包個(gè)數(shù)的關(guān)系，并應(yīng)用甘特圖方法計(jì)算出雙澆次計(jì)劃下的最少周轉(zhuǎn)鋼包個(gè)數(shù)，同時(shí)，給出了滿足鋼包互用的澆次計(jì)劃重疊時(shí)間，縮短重疊時(shí)間雖然有利于提高鋼包互用程度，但在一定程度上降低了連鑄機(jī)的作業(yè)率，對(duì)于生產(chǎn)任務(wù)較重的鋼廠，需權(quán)衡彼此之間的利弊.以上研究主要考慮了滿包運(yùn)行階段的生產(chǎn)因素對(duì)周轉(zhuǎn)鋼包數(shù)量的影響，而空包運(yùn)行階段也存在諸多不確定因素，如空包時(shí)間、維修時(shí)間等，這些因素也會(huì)影響周轉(zhuǎn)鋼包數(shù)量.蔡峻等[40-41]應(yīng)用Plant Simulation軟件建立了鋼包周轉(zhuǎn)仿真模型，研究了包齡、熱修時(shí)間、空包時(shí)間等因素對(duì)周轉(zhuǎn)鋼包數(shù)和鋼包周轉(zhuǎn)率的影響，同時(shí)給出了提高鋼包紅包出鋼率的措施.

表1 鋼包熱狀態(tài)影響因素的研究Table 1 Study on influence factors on thermal state of ladles

由于鋼包的滿包和空包運(yùn)行效率均受到諸多因素的影響，周轉(zhuǎn)鋼包數(shù)量的計(jì)算應(yīng)全面考慮流程中各因素的影響，特別對(duì)于轉(zhuǎn)爐冶煉周期大于連鑄機(jī)澆鑄周期的情況，鋼包備包時(shí)間影響著鋼包使用個(gè)數(shù)；同時(shí)，備包過(guò)程鋼水溫降對(duì)最大連澆爐數(shù)的制約也不容忽視.此外，因生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃直接影響周轉(zhuǎn)鋼包數(shù)量，也可將其作為鋼包調(diào)度模型的優(yōu)化目標(biāo)來(lái)進(jìn)行求解，具體內(nèi)容將在下文闡述.除了周轉(zhuǎn)鋼包數(shù)量，所需離線鋼包數(shù)量的確定對(duì)優(yōu)化鋼包管控也有著重要意義.目前，本課題組正在深化相關(guān)研究工作，擬通過(guò)優(yōu)化煉鋼廠離線鋼包的配置，提高鋼包周轉(zhuǎn)率，并逐步完善離線鋼包烘烤制度，以降低能源消耗.

1.2.2 鋼包選配

所謂鋼包選配，是指根據(jù)當(dāng)前爐次冶煉的鋼種類型和備選鋼包類型、位置及其熱狀態(tài)等信息，選擇最佳的鋼包盛接該爐次鋼水.配包不合理可能導(dǎo)致鋼水澆鑄溫度偏離合理范圍，惡化鑄坯質(zhì)量，因而對(duì)于鋼包選配的研究至關(guān)重要.

鋼包選配的前提是準(zhǔn)確掌握備選鋼包的位置、包齡、包襯溫度與材質(zhì)等信息，這就要求鋼廠搭建鋼包定位跟蹤系統(tǒng)，常用的鋼包定位跟蹤方法包括射頻識(shí)別技術(shù)和激光測(cè)距技術(shù)[42].除了準(zhǔn)確掌握鋼包的實(shí)時(shí)信息，設(shè)計(jì)科學(xué)有效的建模與求解方法也是鋼包選配研究的重點(diǎn).劉建[43]將煉鋼-連鑄區(qū)段鋼包選配的專家經(jīng)驗(yàn)規(guī)則化，同時(shí)歸納了鋼包運(yùn)行過(guò)程的約束條件，建立了鋼包選配模型，顯著提高了目標(biāo)鋼廠的配包效率.劉煒與柴天佑[44]將鋼包包襯溫度、包齡、包襯材質(zhì)等輔助部件的使用次數(shù)設(shè)為約束，構(gòu)建了鋼包選配模型，并提出了基于規(guī)則優(yōu)先級(jí)的啟發(fā)式鋼包選配方法；此外，以最小化轉(zhuǎn)爐出鋼溫度、最大化鋼包壽命和在線周轉(zhuǎn)率為目標(biāo)，建立脫磷轉(zhuǎn)爐的鋼包選配模型，應(yīng)用分類一致性方法歸納了鋼包選配規(guī)則，通過(guò)規(guī)則推理的方法為各爐次選配鋼包[45].

目前，寶鋼、首鋼京唐、河鋼唐鋼不銹鋼公司等國(guó)內(nèi)大中型鋼鐵企業(yè)均配置了鋼包定位跟蹤系統(tǒng)，但通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)或文獻(xiàn)調(diào)研，多數(shù)鋼廠因缺少行之有效的鋼包選配模型，鋼包定位跟蹤系統(tǒng)僅發(fā)揮了鋼包運(yùn)行狀況的監(jiān)測(cè)作用.

1.2.3 鋼包調(diào)度

所謂鋼包調(diào)度，就是以最小化周轉(zhuǎn)鋼包數(shù)量等為目標(biāo)，以鋼包包齡、維修操作、鋼種類型等為約束條件，為生產(chǎn)計(jì)劃內(nèi)的多個(gè)爐次同時(shí)選配鋼包，如圖3所示.圖中，a/b/c表示空包運(yùn)行階段根據(jù)鋼包狀態(tài)而采取的不同維修操作；L1(1)、L1(2)······L1(n1)表示分配給鋼包L1的爐次集合.通常，鋼包調(diào)度是在生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃已知的基礎(chǔ)上進(jìn)行的.類似爐次計(jì)劃調(diào)度，鋼包調(diào)度的求解方法也包括啟發(fā)式算法、基于生物進(jìn)化的智能算法和仿真方法等.

譚園園等[46]將鋼包調(diào)度問(wèn)題抽象為帶有時(shí)間窗（滿包運(yùn)行階段）的車輛路徑問(wèn)題，以最小化周轉(zhuǎn)鋼包數(shù)量為目標(biāo)，鋼種類型、鋼包維修等因素作為約束條件，構(gòu)建鋼包調(diào)度模型，應(yīng)用分散搜索算法求解該模型，但該模型將滿包運(yùn)行階段作為黑箱處理，這對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性有一定影響.在其隨后的研究中[47]，考慮了滿包運(yùn)行階段工序作業(yè)周期的影響，除最小化周轉(zhuǎn)鋼包個(gè)數(shù)，最大化工序作業(yè)穩(wěn)定性（鋼包在各工序的作業(yè)時(shí)間處在合理作業(yè)周期范圍內(nèi)）也作為鋼包調(diào)度模型的優(yōu)化目標(biāo)，大大提高了模型的可用性.鄭忠課題組[48-49]先后采用動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)圖方法和統(tǒng)一建模語(yǔ)言（UML），構(gòu)建以工序間鋼包等待時(shí)間最小和周轉(zhuǎn)鋼包數(shù)最少為目標(biāo)的鋼包調(diào)度模型，采用Plant Simulation軟件對(duì)所得鋼包調(diào)度結(jié)果進(jìn)行仿真驗(yàn)證，同時(shí)，應(yīng)用軟件內(nèi)嵌的遺傳算法對(duì)調(diào)度方案進(jìn)行修正.以上研究均是在生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃已知的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，鋼包調(diào)度的靈活性受到一定限制.針對(duì)該問(wèn)題，張媛[50]將鋼包抽象為服務(wù)爐次的特定工序，將爐次計(jì)劃調(diào)度和鋼包調(diào)度集成為一個(gè)問(wèn)題，建立以生產(chǎn)計(jì)劃總完成時(shí)間、爐次工序間等待時(shí)間和設(shè)備待包時(shí)間最小化為目標(biāo)的煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度模型，采用改進(jìn)的分散搜索算法求解模型，并與遺傳算法進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該算法的有效性.

對(duì)比鋼包選配與鋼包調(diào)度的定義，不難看出傳統(tǒng)意義上的鋼包調(diào)度屬于靜態(tài)調(diào)度范疇，研究中通常將鋼包在煉鋼-連鑄區(qū)段各工序的作業(yè)時(shí)間以及工序間的運(yùn)輸時(shí)間作標(biāo)準(zhǔn)化處理；而鋼包選配則需考慮鋼包位置、熱狀態(tài)等實(shí)時(shí)信息，類似于動(dòng)態(tài)調(diào)度的研究.面對(duì)煉鋼廠復(fù)雜的生產(chǎn)作業(yè)狀況，要實(shí)現(xiàn)鋼包運(yùn)行的高效管控，需充分考慮鋼包選配與鋼包調(diào)度之間的關(guān)系，二者聯(lián)合建模技術(shù)的研發(fā)應(yīng)是今后鋼包運(yùn)行控制研究的重點(diǎn).近年來(lái)，5G通信技術(shù)和各種監(jiān)測(cè)手段的發(fā)展為開發(fā)集成鋼包狀態(tài)監(jiān)測(cè)、選配和調(diào)度等功能的鋼包運(yùn)行管控系統(tǒng)提供了重要的技術(shù)支撐，其技術(shù)架構(gòu)如圖4所示.以生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃中各爐次的工藝要求作為鋼包選配與調(diào)度的約束條件，結(jié)合鋼包定位跟蹤系統(tǒng)提供的鋼包位置、鋼包周轉(zhuǎn)次數(shù)、鋼包類型等信息，進(jìn)行鋼包的選配與調(diào)度，優(yōu)化鋼包周轉(zhuǎn)；此外，根據(jù)鋼包在滿包和空包運(yùn)行階段運(yùn)行狀況的監(jiān)測(cè)，結(jié)合包襯材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等信息，確定待接鋼水鋼包的熱狀態(tài)，為轉(zhuǎn)爐出鋼溫度的調(diào)控提供指導(dǎo).蔡峻等[51]在基于鋼包熱狀態(tài)的鋼水溫度補(bǔ)償方面已開展了大量研究工作，并開發(fā)了相應(yīng)的軟件系統(tǒng).

圖3 鋼包調(diào)度示意圖Fig.3 Schematic of ladle scheduling

圖4 鋼包運(yùn)行管控系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)圖Fig.4 Technical framework of the control system for ladles cycling

2 天車運(yùn)行控制

上文詳細(xì)介紹了煉鋼-連鑄區(qū)段物質(zhì)流運(yùn)行的“盛載者”—鋼包的運(yùn)行控制研究進(jìn)展，本章將對(duì)物質(zhì)流運(yùn)行的“執(zhí)行者”—天車（俗稱行車）的運(yùn)行控制研究進(jìn)展進(jìn)行概述.天車橫架于鋼廠車間各個(gè)作業(yè)跨，執(zhí)行滿包在工序間的吊運(yùn)和輔助空包完成倒渣、維修等作業(yè).因煉鋼-連鑄過(guò)程具有高溫（1500～1700 ℃）、多約束、準(zhǔn)連續(xù)的運(yùn)行特點(diǎn)，相比于一般離散制造車間或倉(cāng)庫(kù)、碼頭等，其天車運(yùn)行控制更為復(fù)雜.所謂天車運(yùn)行控制，是指根據(jù)煉鋼-連鑄區(qū)段各類吊運(yùn)任務(wù)的屬性和同跨（異跨）天車間的位置關(guān)系，對(duì)各部天車的運(yùn)行路徑進(jìn)行有效調(diào)控.對(duì)于大量存在的無(wú)精煉跨鋼廠，如圖5所示為國(guó)內(nèi)某中大型轉(zhuǎn)爐鋼廠的車間布置，因缺少精煉跨，在鋼水接收跨內(nèi)5部天車需承擔(dān)多種吊運(yùn)任務(wù)，運(yùn)行控制難度極大.目前，已公開報(bào)道的文獻(xiàn)中，國(guó)外鮮有對(duì)煉鋼-連鑄區(qū)段天車運(yùn)行控制問(wèn)題的研究，主要工作集中在中間坯庫(kù)[52]和成品庫(kù)[53]天車調(diào)度問(wèn)題的研究.國(guó)內(nèi)劉青等[54]較早地將物流學(xué)的裝卸搬運(yùn)理論用于研究鋼廠的天車運(yùn)行，分析了煉鋼-連鑄區(qū)段天車運(yùn)行的特點(diǎn)，討論了天車運(yùn)行對(duì)工序作業(yè)時(shí)間和鋼水溫度調(diào)控的重要性.近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者相繼開展了煉鋼-連鑄區(qū)段天車運(yùn)行控制的研究，主要集中在天車調(diào)度方面，表2所示為天車調(diào)度的代表性研究工作.

由表2可知，數(shù)學(xué)規(guī)劃是天車調(diào)度問(wèn)題建模的常用方法，基于經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的啟發(fā)式算法和以遺傳算法為代表的種群進(jìn)化算法是求解模型的主要方法.對(duì)比兩種求解方法，啟發(fā)式算法能在較短時(shí)間內(nèi)獲得可行性較高的天車調(diào)度方案，但方案質(zhì)量需作進(jìn)一步評(píng)估，而遺傳算法等其他種群進(jìn)化算法，對(duì)于復(fù)雜天車調(diào)度問(wèn)題求解具有高度的靈活性，但容易產(chǎn)生“早熟”問(wèn)題，得到局部最優(yōu)解，且運(yùn)算量較大.目前，在計(jì)算機(jī)強(qiáng)大運(yùn)算能力基礎(chǔ)上，多種算法聯(lián)合求解已成為研究熱點(diǎn).天車作為鋼包吊運(yùn)設(shè)備，而鋼包又直接盛載各爐次鋼水，因此，天車調(diào)度問(wèn)題的研究應(yīng)充分考慮與鋼包、爐次計(jì)劃的協(xié)同性.此外，對(duì)于新鋼廠設(shè)計(jì)，不僅要考慮車間內(nèi)主體工序與設(shè)備的平面布置，也要從多工序協(xié)同運(yùn)行角度研究天車等運(yùn)輸設(shè)備的配置優(yōu)化問(wèn)題.

3 生產(chǎn)運(yùn)行模式優(yōu)化

圖5 國(guó)內(nèi)某鋼廠車間布置和天車配置Fig.5 Workshop layout and crane configuration in steelmaking plant

表2 近年來(lái)關(guān)于天車調(diào)度的代表性研究工作Table 2 Study on crane scheduling in recent years

本章將重點(diǎn)闡述物質(zhì)流運(yùn)行的“驅(qū)動(dòng)者”—生產(chǎn)運(yùn)行模式優(yōu)化的研究進(jìn)展.所謂生產(chǎn)運(yùn)行模式優(yōu)化，是指基于車間布置與設(shè)備、原（輔）料等資源約束，為完成一定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與鋼產(chǎn)量的生產(chǎn)任務(wù)，所確立的單個(gè)工序/設(shè)備的作業(yè)制度及其與其它工序/設(shè)備之間的對(duì)應(yīng)-銜接關(guān)系，其主要用于解決工序/裝置的數(shù)量（能力）以及對(duì)應(yīng)匹配的設(shè)計(jì)等問(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)物質(zhì)流在不同工序之間高效銜接的基礎(chǔ)，因此，生產(chǎn)運(yùn)行模式優(yōu)化也是一種重要的工序界面技術(shù).劉青等[69-70]較早進(jìn)行了煉鋼-連鑄區(qū)段生產(chǎn)運(yùn)行模式優(yōu)化的研究，提出了煉鋼廠系統(tǒng)運(yùn)行原則[69]，即“爐機(jī)對(duì)應(yīng)”、“能耗最小”、“拉速?zèng)Q定流量”和“連澆”原則，并給出了具體的調(diào)控策略；同時(shí)，描述了生產(chǎn)模式（屬于生產(chǎn)運(yùn)行模式范疇）在鋼廠系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的地位及其邏輯關(guān)系，如圖6所示，并闡述了生產(chǎn)模式優(yōu)化對(duì)于車間平面布置、工序緩沖和工序運(yùn)行3方面的意義[70].

圖6 生產(chǎn)模式在鋼廠系統(tǒng)中的地位及其邏輯關(guān)系[70]Fig.6 Status of operation mode in steelmaking plant system[70]

“層流”是煉鋼-連鑄區(qū)段的理想生產(chǎn)運(yùn)行模式[2-3,71]，如圖7所示，該模式下，轉(zhuǎn)爐、精煉爐與連鑄機(jī)之間存在“一一對(duì)應(yīng)”的匹配關(guān)系.然而，由于實(shí)際生產(chǎn)中鋼種類型與連鑄坯斷面規(guī)格的多樣性，導(dǎo)致工序產(chǎn)能、作業(yè)周期的不匹配，無(wú)法實(shí)現(xiàn)爐、機(jī)之間“一一對(duì)應(yīng)”的匹配關(guān)系.針對(duì)此情況，劉青等[69]提出了“定爐對(duì)定機(jī)”的生產(chǎn)運(yùn)行模式.目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)鋼廠普遍存在工序產(chǎn)能、作業(yè)周期不匹配的問(wèn)題，因而，生產(chǎn)運(yùn)行模式優(yōu)化的研究主要集中在以“定爐對(duì)定機(jī)”為目標(biāo)的爐-機(jī)對(duì)應(yīng)模式優(yōu)化方面，考慮的影響因素包括產(chǎn)能、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工序作業(yè)周期等.

圖7 “層流”運(yùn)行模式Fig.7 “Laminar flow” operation mode

對(duì)于產(chǎn)能因素，通常以各工序產(chǎn)能匹配為切入點(diǎn)，劉青等[72]通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)某長(zhǎng)材型鋼廠工序產(chǎn)能的解析，指出連鑄工序?yàn)樵搹S產(chǎn)能提高的瓶頸工序，并提出增加連鑄機(jī)流數(shù)的產(chǎn)能匹配方案，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐、LF精煉爐和連鑄機(jī)“一一對(duì)應(yīng)”的匹配關(guān)系.寶鋼為實(shí)現(xiàn)專線化生產(chǎn)[73]，董金剛[74]基于轉(zhuǎn)爐、連鑄工序生產(chǎn)能力的比較，指出對(duì)于以產(chǎn)定銷和按訂單組織生產(chǎn)的鋼廠，應(yīng)分別以連鑄和轉(zhuǎn)爐為中心來(lái)設(shè)計(jì)生產(chǎn)運(yùn)行模式，目前該理念已用于指導(dǎo)寶鋼集團(tuán)多個(gè)鋼廠生產(chǎn).當(dāng)前多數(shù)鋼廠的生產(chǎn)訂單均呈現(xiàn)多品種、多規(guī)格的特點(diǎn)，故產(chǎn)品結(jié)構(gòu)因素的研究對(duì)于鋼廠生產(chǎn)組織具有重要現(xiàn)實(shí)意義.穆衍清等[75]以國(guó)內(nèi)某長(zhǎng)材型特殊鋼廠為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)不同鋼種工藝路徑的解析，構(gòu)建了爐-機(jī)對(duì)應(yīng)模式與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的定量化關(guān)系模型，并提出了煉鋼廠煉鋼爐與連鑄機(jī)之間對(duì)應(yīng)唯一性的量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，即爐→機(jī)匹配度和機(jī)→爐匹配度，計(jì)算方法如式（1）和式（2）所示：

圖8 模型應(yīng)用前后爐-機(jī)對(duì)應(yīng)關(guān)系[75].（a）應(yīng)用前；（b）應(yīng)用后Fig.8 Furnace-caster coordinating scenario[75]: (a) before application; (b) after application

因生產(chǎn)運(yùn)行模式影響因素的復(fù)雜性，多因素的影響研究更為重要.蘆永明等[77-78]以工序產(chǎn)能、作業(yè)周期的匹配為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建了棒線材和板帶型鋼廠爐-機(jī)匹配的數(shù)學(xué)模型，并采用改進(jìn)后的分層序列法求解模型，應(yīng)用該模型驗(yàn)證了首鋼京唐煉鋼車間設(shè)計(jì)的合理性.陳若冰與齊歡[79]以國(guó)內(nèi)某鋼廠為例，通過(guò)對(duì)煉鋼-連鑄區(qū)段各工序產(chǎn)能與作業(yè)周期的分析，確定了實(shí)現(xiàn)爐-機(jī)匹配各工序工藝參數(shù)的取值范圍，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)計(jì)算了各工序最佳作業(yè)周期和年產(chǎn)量.Liu等[80]從轉(zhuǎn)爐工序與LF精煉工序產(chǎn)能和生產(chǎn)節(jié)奏匹配的角度，提出了LF精煉爐數(shù)量配置的計(jì)算方法，確定了5家中小型轉(zhuǎn)爐鋼廠LF精煉爐的理論最優(yōu)配置數(shù)量，對(duì)于特殊鋼生產(chǎn)而言，一座轉(zhuǎn)爐往往與一座以上的LF精煉爐銜接對(duì)應(yīng).此外，通過(guò)生產(chǎn)運(yùn)行模式解析往往得到多個(gè)生產(chǎn)運(yùn)行模式備選方案，如何選取最優(yōu)方案，鄭忠等[81]應(yīng)用基于生產(chǎn)調(diào)度規(guī)則的元胞自動(dòng)機(jī)仿真方法，研究了不同生產(chǎn)運(yùn)行模式下物質(zhì)流的運(yùn)行特征，并應(yīng)用在線金屬量、工序等待時(shí)間和設(shè)備作業(yè)率等指標(biāo)對(duì)不同生產(chǎn)運(yùn)行模式進(jìn)行評(píng)價(jià)，指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)組織與調(diào)度.上述多因素研究中，各因素之間往往存在著密切關(guān)系，如工序作業(yè)周期決定著工序產(chǎn)能，工序產(chǎn)品結(jié)構(gòu)又決定著工序作業(yè)周期，而工序之間運(yùn)行節(jié)奏的協(xié)同性影響著工序產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的決策，同時(shí)也影響著煉鋼廠的系統(tǒng)產(chǎn)能.對(duì)于按訂單組織生產(chǎn)的鋼廠，應(yīng)充分考慮訂單產(chǎn)品結(jié)構(gòu)下各工序作業(yè)周期的匹配性問(wèn)題，以便為訂單的分解與組合提供決策依據(jù).

理論上來(lái)講，未考慮爐、機(jī)對(duì)應(yīng)關(guān)系的“見(jiàn)縫插針”式的生產(chǎn)調(diào)度雖然有利于實(shí)現(xiàn)計(jì)劃總完成時(shí)間、爐次總運(yùn)輸時(shí)間最短的目標(biāo)，但是使得物質(zhì)流呈現(xiàn)紊流運(yùn)行狀態(tài)，其實(shí)際調(diào)度結(jié)果往往不甚理想.開展生產(chǎn)運(yùn)行模式優(yōu)化研究的直接目的在于科學(xué)指導(dǎo)生產(chǎn)運(yùn)行及調(diào)度，通過(guò)生產(chǎn)運(yùn)行模式的優(yōu)化，明晰不同工況下工序作業(yè)周期、工序產(chǎn)能和工序產(chǎn)品結(jié)構(gòu)之間的量化關(guān)系，確定各工況下?tīng)t、機(jī)之間的銜接-匹配關(guān)系，并以此作為實(shí)際生產(chǎn)調(diào)度的優(yōu)化目標(biāo)、約束條件或求解策略，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)流的“層流/準(zhǔn)層流”運(yùn)行；但該種生產(chǎn)運(yùn)行模式可能會(huì)影響煉鋼廠的系統(tǒng)產(chǎn)能，需統(tǒng)籌考慮.王剛等[7]在文獻(xiàn)[75]的基礎(chǔ)上，建立以爐→機(jī)匹配度最高、爐次在工序之間等待時(shí)間最短等為目標(biāo)的生產(chǎn)調(diào)度模型，運(yùn)用精煉工序的柔性緩沖策略，得到不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)下的最優(yōu)調(diào)度方案.袁帥鵬等[82]同樣以爐→機(jī)匹配度作為優(yōu)化目標(biāo)構(gòu)建生產(chǎn)調(diào)度模型，并采用改進(jìn)帶精英策略的快速非支配排序遺傳算法求解模型.劉倩等[83]通過(guò)對(duì)煉鋼-連鑄區(qū)段生產(chǎn)運(yùn)行模式的優(yōu)化，構(gòu)建了基于爐-機(jī)對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)調(diào)度規(guī)則庫(kù)，并應(yīng)用于遺傳算法的初始種群生成過(guò)程，同時(shí)改進(jìn)個(gè)體的交叉、變異操作，大大提高了調(diào)度方案的可行性，該研究成果已初步應(yīng)用于國(guó)內(nèi)某中大型轉(zhuǎn)爐鋼廠.在生產(chǎn)調(diào)度問(wèn)題研究中，將優(yōu)化的生產(chǎn)運(yùn)行模式與人工智能算法相結(jié)合形成基于“規(guī)則”+“算法”的方法來(lái)求解生產(chǎn)調(diào)度模型[84]，是提高調(diào)度方案可行性的重要手段.

4 工序界面技術(shù)協(xié)同

目前多數(shù)鋼廠，特別在高品質(zhì)鋼生產(chǎn)過(guò)程中，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝路徑復(fù)雜，工序作業(yè)周期不匹配且缺乏科學(xué)的生產(chǎn)組織規(guī)則等原因，仍普遍存在周轉(zhuǎn)鋼包個(gè)數(shù)過(guò)多、天車有效作業(yè)率偏低以及工序間頻繁無(wú)序交叉供應(yīng)鋼水等問(wèn)題，不利于煉鋼-連鑄過(guò)程有序、穩(wěn)定、準(zhǔn)連續(xù)/連續(xù)運(yùn)行，制約了鋼廠智能化的進(jìn)程.而要解決上述問(wèn)題，工序功能集合的解析-優(yōu)化是前提，工序關(guān)系集合的協(xié)同-優(yōu)化是關(guān)鍵，即在單工序工藝控制的基礎(chǔ)上，著力開展多工序協(xié)同運(yùn)行的研究.但要實(shí)現(xiàn)煉鋼-連鑄區(qū)段多品種、多工藝、多擾動(dòng)、快節(jié)奏生產(chǎn)條件下的多工序協(xié)同運(yùn)行，首先需要解決各主體工序/設(shè)備與鋼包、天車等輔助設(shè)備的協(xié)同作業(yè)及控制問(wèn)題，在此情況下，單一的工序界面技術(shù)不足以支撐多個(gè)工序/設(shè)備的協(xié)同運(yùn)行，需要多種工序界面技術(shù)的協(xié)同來(lái)支撐多工序的協(xié)同運(yùn)行.

鋼包、天車與生產(chǎn)運(yùn)行模式作為煉鋼-連鑄區(qū)段物質(zhì)流運(yùn)行的“盛載者”、“實(shí)施者”與“驅(qū)動(dòng)者”，從三者的屬性特征來(lái)看，鋼包運(yùn)行控制、天車運(yùn)行控制與生產(chǎn)運(yùn)行模式優(yōu)化3種工序界面技術(shù)的協(xié)同對(duì)于物質(zhì)流在多工序之間的高效銜接具有重要意義，保證各爐次按計(jì)劃到達(dá)指定工序，同時(shí)滿足各工序裝置對(duì)鋼水溫度與成分的要求.通過(guò)對(duì)3種工序界面技術(shù)特征的分析，三者的協(xié)同機(jī)制歸納有三，如圖9所示.機(jī)制一（生產(chǎn)運(yùn)行模式優(yōu)化對(duì)鋼包、天車運(yùn)行控制的作用機(jī)制）：通過(guò)生產(chǎn)運(yùn)行模式優(yōu)化，確立各工序/設(shè)備的作業(yè)制度及其與其它工序/設(shè)備之間的對(duì)應(yīng)-銜接關(guān)系，為周轉(zhuǎn)鋼包數(shù)量的確定，天車作業(yè)區(qū)域與運(yùn)行路線的優(yōu)化，以及鋼包、天車調(diào)度等運(yùn)行控制問(wèn)題的求解提供決策支持.機(jī)制二（鋼包、天車運(yùn)行控制對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行模式優(yōu)化的作用機(jī)制）：鋼包、天車運(yùn)行結(jié)果的分析與評(píng)價(jià)為對(duì)應(yīng)生產(chǎn)運(yùn)行模式的可行性提供判定依據(jù)，并指導(dǎo)其進(jìn)一步優(yōu)化完善的方向及內(nèi)容.機(jī)制三（鋼包運(yùn)行控制與天車運(yùn)行控制的相互作用機(jī)制）：鋼包在工序之間的轉(zhuǎn)運(yùn)主要是依靠天車來(lái)完成的，而天車的作業(yè)路線主要是依據(jù)鋼包所盛載鋼水所要求的工藝路徑來(lái)確定的，因此，在明確鋼包、天車作業(yè)任務(wù)的基礎(chǔ)上，以“相互需要”的時(shí)段作為各自作業(yè)方案制定的基本依據(jù)（約束）.

上一段描述了3種工序界面技術(shù)的協(xié)同機(jī)制，本段簡(jiǎn)要討論如何實(shí)現(xiàn)3種工序界面技術(shù)的協(xié)同.筆者提出如下方案：生產(chǎn)運(yùn)行模式優(yōu)化是以時(shí)間參數(shù)的解析為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)時(shí)間參數(shù)的解析，厘清煉鋼-連鑄過(guò)程物質(zhì)流的運(yùn)行規(guī)律；在此基礎(chǔ)上，以“爐-機(jī)對(duì)應(yīng)”、“能耗最小”、“拉速?zèng)Q定流量”和“連澆”等煉鋼廠系統(tǒng)運(yùn)行原則進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)行模式的優(yōu)化，從生產(chǎn)運(yùn)行模式優(yōu)化過(guò)程中歸納凝煉鋼包、天車的運(yùn)行規(guī)則與調(diào)控策略，如鋼包選配規(guī)則、天車沖突消解策略等；在實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)工序/裝置的產(chǎn)能、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等要求以及諸工序作業(yè)周期、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息，選取與實(shí)際工況相對(duì)應(yīng)的鋼包、天車運(yùn)行規(guī)則，作為鋼包、天車運(yùn)行控制模型（如鋼包選配模型、天車調(diào)度模型）的優(yōu)化目標(biāo)或約束條件，同時(shí)，應(yīng)用對(duì)應(yīng)的調(diào)控策略改進(jìn)鋼包、天車運(yùn)行控制模型的求解算法；根據(jù)鋼包、天車的實(shí)際作業(yè)結(jié)果，或仿真運(yùn)行結(jié)果來(lái)評(píng)估并修正當(dāng)前鋼包、天車運(yùn)行規(guī)則和調(diào)控策略，不斷優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)行模式.

5 結(jié)論與展望

鋼廠智能化、綠色化的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)單工序工藝的精準(zhǔn)控制和多工序運(yùn)行的協(xié)同優(yōu)化提出了更高的要求.煉鋼-連鑄區(qū)段工序界面技術(shù)的不斷發(fā)展可為多工序協(xié)同運(yùn)行創(chuàng)造有利的條件.本文針對(duì)煉鋼-連鑄區(qū)段鋼包運(yùn)行控制、天車運(yùn)行控制和生產(chǎn)運(yùn)行模式優(yōu)化3種典型工序界面技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，主要結(jié)論與展望如下：

圖9 鋼包、天車運(yùn)行控制與生產(chǎn)運(yùn)行模式優(yōu)化的協(xié)同機(jī)制Fig.9 Collaboration mechanism among ladle cycling control, crane running control, and operation mode optimization

（1）隨著GPU等高性能運(yùn)算手段的應(yīng)用，鋼包熱狀態(tài)的數(shù)值模擬研究能夠在考慮更多影響因素的基礎(chǔ)上進(jìn)行三維傳熱模型的構(gòu)建與快速求解，但要實(shí)現(xiàn)鋼包熱狀態(tài)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和鋼水過(guò)程溫度的窄窗口控制，實(shí)測(cè)法與數(shù)值模擬方法相結(jié)合仍有必要，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法可為鋼包熱狀態(tài)的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)提供可能.

（2）先前鋼包選配模型與鋼包調(diào)度模型的研發(fā)通常分開進(jìn)行，如此構(gòu)建的模型其實(shí)際應(yīng)用效果并不理想，而以鋼包熱狀態(tài)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，將鋼包選配問(wèn)題和鋼包調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行聯(lián)合建模與求解，應(yīng)是未來(lái)鋼包運(yùn)行控制研究的重點(diǎn)；此外，考慮到鋼包運(yùn)行過(guò)程的多種因素對(duì)周轉(zhuǎn)鋼包數(shù)量的影響，可將周轉(zhuǎn)鋼包數(shù)量作為鋼包調(diào)度模型的優(yōu)化目標(biāo)來(lái)進(jìn)行求解.

（3）基于經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的啟發(fā)式算法和以遺傳算法為代表的種群進(jìn)化算法是天車調(diào)度問(wèn)題的主要求解方法，而將天車任務(wù)分配規(guī)則、運(yùn)行沖突消解規(guī)則與人工智能算法相結(jié)合求解天車調(diào)度問(wèn)題可提高調(diào)度方案的質(zhì)量和求解效率；此外，以Plant Simulation為代表的系統(tǒng)運(yùn)行仿真工具可實(shí)現(xiàn)天車、鋼包與爐次計(jì)劃調(diào)度問(wèn)題的統(tǒng)一建模，是探究工序/設(shè)備作業(yè)與天車、鋼包運(yùn)行協(xié)同性的重要手段，對(duì)于煉鋼廠生產(chǎn)系統(tǒng)的綜合優(yōu)化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

（4）對(duì)于新建或現(xiàn)存鋼廠，生產(chǎn)運(yùn)行模式優(yōu)化都具有重要的價(jià)值，通過(guò)爐-機(jī)對(duì)應(yīng)模式優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)煉鋼-連鑄區(qū)段物質(zhì)流的“層流”或“準(zhǔn)層流”運(yùn)行，優(yōu)化鋼包、天車運(yùn)行；在鋼廠調(diào)度問(wèn)題研究中，將生產(chǎn)運(yùn)行模式優(yōu)化結(jié)果與智能算法相結(jié)合，構(gòu)建基于“規(guī)則”+“算法”的生產(chǎn)調(diào)度模型求解方法，對(duì)于調(diào)度方案可行性的提高具有重要意義，而“規(guī)則”與“算法”聯(lián)合求解機(jī)制的研究則是該種方法能否有效應(yīng)用的關(guān)鍵所在.

（5）面對(duì)鋼廠復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境，多工序協(xié)同運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)需要工序界面技術(shù)的協(xié)同運(yùn)用，對(duì)于鋼包、天車運(yùn)行控制與生產(chǎn)運(yùn)行模式優(yōu)化的協(xié)同，生產(chǎn)運(yùn)行模式優(yōu)化是鋼包、天車運(yùn)行控制的基礎(chǔ)，而鋼包、天車的實(shí)際運(yùn)行也可為生產(chǎn)運(yùn)行模式的進(jìn)一步優(yōu)化提供指導(dǎo)，三者的協(xié)同應(yīng)成為煉鋼-連鑄區(qū)段工序界面技術(shù)實(shí)施的焦點(diǎn)，這既是煉鋼-連鑄過(guò)程有序、穩(wěn)定、準(zhǔn)連續(xù)/連續(xù)運(yùn)行的需要，又是煉鋼廠智能制造的必然要求.