PPT基于动态规划的铁水运输智能调度方法

关键词：动态规划；铁 水运输；避碰算法 ；仿真 验证

背景

目前国内外解决铁水运输问题的调度方 法大多都是建立产销平衡运输计划模 型，依据此模型建立的总路径最短的目 标函数没有考虑生产成本和能耗。
近年来，有许多专家学者和工程技术人 员将人工智能与优化算法应用于运输系 统，以解决调度的实时性和智能化问题 对钢铁企业铁水运输路径选择及自动避 碰算法进行了研究，但其提出的路段预 约机制有一定的局限性，因此，基于 碰撞检测模型的避碰算法在生产实际中 实用性不强。
3 .2 进程调度

高炉的生产过程是炼铁和出铁周期性循 环的过程，而高炉有停产和生产两种状 态，因此，高炉出铁和运输过程可近似 成按时间单元推进的进程，出铁和运输 是进程推进，高炉停产是进程挂起，炼 铁是进程临时挂起。

因此，铁水运输过程就是以高炉的出铁 时间间隔为周期， 按时间单元在高炉 之间循环推进的进程调度。


机车所作的环行圆周运动是非匀速运动，如 在起点、终点和中间经停站既有加速运动， 也有减速运动，故 可按式( 2 )进 行计算。

其中第一项为重 T P C运输时间，m为中间 经停站点数，a为加速度；第二项为空TP C 返回时间；第三项为包含挂车、卸车和避碰 处理时间在内的其他损失时间， 为挂车时间， 为卸车时间， 为避碰处理时间 ，1．2为时 间损失系数。
基于动态规划的铁水运 输智能调度方法
赵海霞 刘 梅

摘 要：以钢铁企业的铁水运输为背景，为运 输工具，依托厂区铁路网络，建立了路段预 约机制和碰撞检测模型，提出了近邻分配、 进程调度和分组优化的铁水优化调度方法， 并根据铁水需求和运输距离等因素，采用动 态规划确定车辆的最佳数量。在开发的两层c ／s【客户机/服务器网】分布式铁水智能调 度仿真系统上，应用现场采集的原始数据进 行仿真，结果表明智能调度方法具有先进性 和实用性的特点。
4、仿真验证

为研究铁水运 输系统智能调 度涉及的关键 技术，运用 COM组件技术， 开发了2层c／s 分布式铁水智 能调度仿真系 统，系统结构 和各组件之间 的相互关系如 图2所示。

以分布式铁水智能调度仿真系统为 实验平台，采用现场记录的原始数 据对铁水运输调度过程进行仿真验 证，铁水日产量为112罐(29759．8 吨)，铁水分流运量一炼钢为65罐 ( 分流58．04 )，二炼钢为43罐(分流 比38.39 )，电炉为4罐(分流比3．57 ％)时，采用智能调度关键技术前后 的铁水调度指标、机车TPC运行指 标见表1，
2 机车避碰
2.1路段预约机制 是指机车运行过程中，对其未来 行走路径中的前 k个路段( k一般 在 2到5之间取值) 先提前预定， 然后占用的使用方式。
2.2碰撞检测模型
碰撞检测模型是基于预约机制的路 段状态查询方法。 其功能是在机车行驶过程中能够预 先检测到未来可能发生碰撞的冲突 路段 。 方法是利用机车在行驶时预约和占 用路段的集合数组中路段元素是否 预约成功，判断机车运行前方是否 会发生碰撞
•机车利用率 •TPC平均周转率 •铁水平均温度损失 •铁水平均滞留时间 •避碰次数
•紧急次数
5 结 语

以钢铁企业的铁水运输过程为优化对象，对 铁水运输调度中涉及的铁路路径选择、机车 避碰和车辆组合优化的智能调度方法进行了 深入研究 ，建立了路段预约机制和碰撞检测 模型；提出了近邻分配、进程调度和分组优 化的铁水优化调度方法；根据铁水需求和运 输距离等因素、采用动态规划确定车辆的最 佳数量。仿真结果表明，采用智能调度关键 技术后的铁水调度、机车和TPC运行指标均 得到了不同程度的优化。
3 优化调度
3.1近邻分配 例厂区铁路网络物理分区中的铁水生产 区可进一步细分为一高炉区、 二高炉 区、 三高炉区和四高炉区，类似的， 炼钢区也可细分为一炼钢区、二炼钢区 和电炉区。在制订生产计划时，各高炉 铁水的分流都采用近邻分配的原则优先 向邻近的炼钢厂供应铁水。铁水智能调 度就是根据生产计划将四个高炉区的铁 水按需求优化调度到三个炼钢厂。
3．3 分组优化
•由于前扒、预处理和后扒工位相互之 间距离较近，机车在这些工位之间行 驶时，不会进行加减速，故可将这三 个工位合并为一个工位，即前处理工 位，类似地，可将倒灌、清渣和卸挡 三个工位合并成后处理工位。合并后 高炉至炼钢厂的铁水运输过程可抽象 地看成机车牵引 TPC作圆周运动

如图所示，圆周底部BF表示高炉 (Blast Furnace)，顶ss表示炼钢(Stee l making) ，FT表示前处理( Fore Treatment )，PT表示后处理( Post Treatment )。


假设铁路网络中所有路段的长度均相等为 。 (若长度不等，可进行等距离划分和标记) ， 为最大允许等待时间，机车的可行速度集合 为 ，n为一组机车中的机车数目， 为速度为 v，运输路段为x，x+1，… ，k的 平均环行运行时间，T( x， k， v ，n )为速 度为v的n辆机车运输x到k路段的运输时间， 为TPC的容量，Q( x,k )为从x到k路段运输的 总铁水量，则速度为v的n辆机车从x到k路段 的运输时间等于运输该路段的总铁水量Q(x， k)和平均环行运行时间 的乘积， 即 其中平均环行运行时间 包括机车 对空、重TP的挂车时间、卸车时间、避碰处 理时间等其他损失时间。



约束条件为 ： ( i )机车的分组数介于 1和 4之间的整数； ( i i )机车的速度受最小速度 V o限制 ， V o 为机车起动速度； ( i i i )每组机车数目向上取整数 ，且在出铁 期间至少有两辆机车在高炉下待命 ； ( i v ) Q(x,k)为对应到高炉出铁时间的炼钢厂 铁水需求量。
假设机车组1 ，2，…，n 牵引TP C经 过x,x+1，…，k路段速度不超过v时， 用 表示按最优方案所需的运输时间。 对于一辆机车运输TPC从x到k路段的情 形，有 (3) 其中 是机车在x，x +1 ， …， k 路 段行驶时， 机车速度满足下列 B e l l ma n最优化原理 ， 由式( 1 )和( 3 )可得到组机车的最优分组递推公式 :


根据高炉的日产量、每次出铁量、出铁时间、 出铁时间间隔、炼钢厂的铁水日需求量等参 数，并取铁水注满TPC所需时问为最大允许 等待时间 ，考虑以上4个约束条件和机车 速度的3个满足条件，对式(4)求动态规划的 最优解，即可得到以出铁时间间隔为周期的 机车分组数和每组的机车数目。 在高炉出铁期间不应等待空TPC，令 = 0， 取分组数为1，对式( 4 )求动态规划的最优解 可得到TPC的数目。实际生产中，由于每座 高炉有4 个出铁口，为保证生产安全 ， 在高 炉出铁期间，应至少有4辆空TPC在高炉下备 用，故实际需要的TPC数目是在最优解的基 础上加4。

要明确的两点
1、钢铁企业的铁水运输属于产销 平衡的运输问题，即高炉生产的铁 水总量等于炼钢厂消耗的铁水总量
2、铁水运输调度最基本、最重要的 两个要求是 运输成本最低 重TPC的运输时间最短
1 铁路路径选择

采用图论的理论和方法将铁路网络 简化为边和顶点两种图形元素。 进行数学描述，建立物理分区和逻 辑分级的铁路网络拓扑模型。 运用Dijkstra（迪杰斯特拉） 算法原 理进行路径静态选择。 根据实际运输情况适时地进行路径 动态调整 。