钢铁企业铁水运输调度优化与仿真

摘 要：

以钢铁企业铁水铁路运输为对象，通过鱼雷罐车运输（TPC）满足铁水在高炉与炼钢厂之间供需关系。以厂区铁路为网络， 在铁水运输路径选择及自动避碰算法基础上，根据铁水供需和网络点之间的距离以及道岔、信号等现场因素，提出了利用鱼雷罐车运行柔性时间和动态规划来优化铁水调度的方法，最终形成智能化的铁水调度仿真系统，辅助工作人员来对机车和铁水罐车（鱼雷罐车）实现较优调配。

关键词：铁水运输；避碰算法；运行柔性时间；动态规划；智能化的铁水调度仿真系统

0 引言

钢铁企业铁水运输工作流程包括从高炉出铁直至铁水运往炼钢厂翻完罐，空罐被运回高炉等待出铁水为止的全过程，需要铁水运输调度能够及时响应生产运行的瞬息变化，然而铁水调度工作因其工作强度异常大、所需掌控信息量繁多、业务流程复杂、生产波动性大等原因，一直是许多钢厂信息化工作的难点。目前国内外解决铁水调度这一运输问题的调度方法（包括智能调度）大多都是建立产销平衡运输[1]，以此模型建立总路径最短的目标函数；有些文献中只解决单一的路径问题[2]或鱼雷罐的运输[3]，还有的调度方法只考虑系统的运输能力[4]，但对铁水调度全流程进行管理没有多大改进。

现有系统未能同时考虑生产成本、能耗、现场等不定因素，如高炉出铁点规律性差、运输过程中的机车能力浪费、铁水罐车承载力浪费而造成罐车数量大，以及区间线路能力的考虑不够，造成机车碰撞等因素。同时，咽喉道岔、信号对运输调度的影响也不可忽视，在系统中也未得到考虑。所以，既有铁水调度系统无法适应现场多种因素的快速变化，只被当作信息管理系统使用，调度功能基本无法满足企业需求。以上这些都致使大多数钢铁企业铁水调度所采用的调度方法基本上还是人工调度，当然，调度员脑力劳动强度也较大，决策方式和水平也是因人而异。

本文将通过分析影响铁水运输调度的众多因素和铁水运输系统和高炉—转炉铁水区段运输过程，充分考虑运输过程中的柔性时间和设备占用等部分因素，在铁水运输规则的前提下，对铁水运输调度进行优化仿真。

1 问题的数学描述

2 算法设计

该问题是一多目标规划问题，且涉及的变量多而复杂，问题有大量的随机因素，直接解算的算法设计困难，故根据实际问题的特点及生产规律，将原问题分步优化，整体调整，设计适合于该实际问题的算法。其算法步骤主要为：

步骤1 厂区路径选择；

步骤2 机车避碰处理；

步骤3 优化调度，其中要包括对鱼雷罐车和机车运用的优化。

2.1 厂区路径选择

铁路路径选择问题通常是采用图论的理论和方法将铁路网络简化为边和顶点来解决。对企业厂区路网也通过网络来进行数学描述，考虑到鱼雷罐车运行路径受到路径起点、终点空间位置的影响，将区域划分为铁水生产、处理、运送、消耗的不同职能区，由此建立运输系统的路网模型，初始计划路径以Dijkstra算法找出铁水铁路运输系统的最短路径。

2.2 机车避碰

机车牵引鱼雷罐车在铁路上行驶，通常使用预约机制来确认前方路况，即在行驶的过程中，对其计划要行走的路径中的路段进行提前占有，其他列车不能在同一时间共占此路段。因此，在多列车按照其计划路径（最短路径）运行时，在预约时对此路段有可能产生矛盾。此时，必须具有较合理的依据来确定将此路段预约给其中一辆列车。

2.2.1 动态交叉检测

2.2.2 确定动态优先级别

动态优先级别是指在铁水罐车运行的过程中，赋予其重要度，即优先级，其可根据鱼雷罐车运输环境和状态的变化，对其优先级进行累加。其表达公式如下：

2.2.3 避碰方式

当确定优先级之后，先预约的罐车先通过预约路段，而预约失败的则采取以下两种方式避碰：1）等待通过；2）避开预约失败路径，重新计算次短路径。

设机车的最大可行速度为v′，记预约成功和失败的列车分别为Ph和Pl：在情况1）下：sh和sl应利用列车速度调节机制合理加快速度；在情况2）下，Tl应利用列车速度调节机制合理加快其速度。两种情况下，各机车速度必须小于等于 v′，这样，就可以使Pl减少耽误时间。

2.3 优化调度

2.3.1 鱼雷罐车运行的柔性

在现场，鱼雷罐车运行作业包括处理、传递、等待四个过程，其中处理和传递时间占的比例较小，绝大部分是等待时间。因此，必须对鱼雷罐的运行作业进行合理安排，缩短其运行周期来提高周转效率。现借鉴柔性时间概念[3]，对鱼雷罐的运行过程进行优化。

这里鱼雷罐运行作业的柔性时间是指鱼雷罐车在高炉和转炉之间运输过程中各工序之间衔接时等待作业所用的时间，主要有重罐等待配送预处理、空罐等待拉罐、空罐等待配送高炉等。从而也可以看出，在鱼雷罐运行过程中，肯定存在柔性时间。

设鱼雷罐需从m个高炉向炼钢厂运送铁水，则第i个（0

2.3.2 机车运行归并优化

在铁水运输过程中，前扒渣、预处理和后扒渣地点之间距离较近，机车在这些工位之间运行速度相同，故可将这三个工位合并为一个点， 即前处理工位，类似地，可将倒灌、清渣两工位合并成后处理工位[7]。所以高炉至炼钢厂的铁水运输过程可归并为机车牵引TPC 的循环运动，如图1所示。

设n为一组机车中的机车数目； 为机车牵引重罐由高炉到炼钢厂往返的平均行驶速度；往为机车牵引重罐由高炉到炼钢厂的平均行驶速度；返为机车牵引空罐由炼钢厂到高炉的平均行驶速度；m往为机车牵引重罐由高炉到炼钢厂途中停站次数；m返为机车牵引空罐由炼钢厂到高炉途中停站次数；T往为机车牵引重TPC运输时间；为有高炉到炼钢厂的平均加速度；′有炼钢厂返回高炉的平均加速度；T返为机车牵引空TPC的返回时间；T其他为包含挂车、卸车和避碰处理时间、道岔的平均延迟使用时间和信号指示的平均等待时间在内的其他损失时间；dc为道岔的平均延迟使用时间；xh为信号指示的平均等待时间；T挂为挂车时间，T卸为卸车时间，T避碰为避碰处理时间；β为干扰事件扩大系数。

可得公式：

3 算例仿真

利用自动调度作业图表对防城港基地铁水运输作业进行12h全过程的仿真铺画，以验证站场能力、机车数和运用车辆数。其数据为：高炉5500m3，年铁产量910万t，工作日355d，日产量25633t。每天出铁12次，每次出铁1068t。每罐280吨（取较不利情况），平均每次出铁3.8罐（考虑0.7～1.3的波动系数，每次铁出2.66～4.94罐），每天91.5个重罐。铁流速度大约10吨/min，每罐出铁时间计为30min，第一罐和最后一罐各加10min。对角出铁，大约一个月左右换场一次。其仿真结果局部放大图如图2～图4。

4 结语

综上所述， 铁水调度的优化一方面通过减少鱼雷罐的柔性时间，尽量减少鱼雷罐周转，同时需要提高鱼雷罐周转率和连续化程度；另一方面要求减少牵引机车数量，并且减少其非工作时间，对空罐尽量做到有罐就取来提高工序运行水平；另外，对路径选择也要有快速合理的决策方案，以减少延误时间，这样就能最大限度避免铁水温降而能耗损失过大。

参考文献：

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