O 引言

　　炼钢连铸生产计划调度系统是钢铁企业制造执行系统(MES，Manufacture Execute System)的重要组成部分，在企业的生产管理中起着承上启下的作用。现代化的供应链管理对企业的生产组织提出了更高的要求，需求驱动要求一个好的调度计划能够在正确的时间、正确的地点实施正确的行为。

　　目前在炼钢连铸调度计划的编制上，一般是把它看作一类特殊的多工件、多工序、多机的车间作业排序(Job Shop Scheduling)问题，可行的方法包括线性规划、启发式算法、遗传算法、禁忌搜索、专家系统等等。采用规划方法解决此类问题具有实现某种最优评价指标的好处，但往往计算的时间复杂性大，不利于在工业领域中的快速实现，同时也无法有效地利用计划调度人员多年积累的领域知识。为此本文提出了一种动态调整炼钢连铸计划的人机交互方法，通过计划图形动态编辑器这样的工具软件加以实现，可以极大地提高计划编制的效率，同时保证计划的规范性。

　　l 炼钢连铸生产计划调度系统简介

　　从整个钢铁企业的生产计划层次(图1)来看，炼钢连铸生产计划调度系统处于生产作业计划这一层次，属于制造执行系统在炼钢区域的部分，负责安排炼钢厂的生产物流。它接收上一级的生产合同计划与物料计划，计算得出炼钢区域的生产作业计划，并下发到下一级形成生产指令，对整个生产管理和控制起到承上启下的作用。

　　炼钢连铸生产的工艺流程如图2所示，一个炼钢厂会有多台炼钢设备、精炼设备、浇铸设备以及相应的生产辅助设备，钢水一般要经过“炼钢-精炼-浇铸”这样3个大的工序铸造成坯，在炼钢和精炼的过程中还可能涉及多重处理。从现有的研究来看，一般是把炼钢连铸生产计划调度问题归结为在批量计划(炉次和浇次计划)的基础上，以炉次为最小计划单位，以某一目标函数(如最小等待时间、最小提前/拖期费用或最小总流程时间)最优为评价的一类多工件、多工序、多机的特殊车间作业排序问题。其最终结果是要确定在何时、在何种设备上以何种顺序安排钢水从炼钢到连铸的生产过程的各个工序[1]。

　　在线生产调度计划的编制与调整因其复杂性与重要性成为工业工程领域研究的热门课题，可以利用的方法包括线性规划、启发式算法、遗传算法、禁忌搜索、专家系统等等[1～5]，这些方法在一定的限制条件下可以编制出优化的生产调度计划。但由于在实际生产中编制计划的条件经常会发生变化，它们或多或少会在一些场合失效，从而影响使用。就我国钢铁企业计划调度系统的实际情况而言，大部分仍旧采用人工调度方法，计划编制效率较低，生产计划柔性较差，不能适应多变的生产情况，与国际先进水平相比尚有较大差距。

2 炼钢连铸计划的图形化展示

　　人机交互是研究人、计算机以及它们相互影响的技术。从早期的命令行方式到当今流行的图形用户界面，人机交互技术的发展促使计算机的应用进入了以用户为中心的新阶段。研究认为，在事务处理上，计算机与人互有优劣。计算机处理事务规范性强、速度快、不知疲劳;而人具备相对灵活、经验丰富的优势，应该让它们优势互补实现双赢。工业系统多年的运作使得计划调度人员积累了大量的领域知识，利用人机交互提供高效的工具促进其知识的应用，是在企业界提升计划调度系统应用水平的切实可行之路。

　　在计算机的信息展示方面，炼钢连铸生产计划可以以GANTF图的形式加以展现。GANTF图以时间为横坐标，以各个处理设备为纵坐标，反映出作业在各工序的处理设备间的执行情况。一个炼钢连铸生产计划在数据结构上可以表达为根据生产工艺经过相关设备的有开始、结束时间的序列，反映到GANTF图上，就是由一些代表设备处理时间的块与一些代表设备间传搁时间的线组成的图形，如图3所示。

　　采用GANTF图的形式展现炼钢连铸生产计划具有直观的优点，这比过去只能采用数据表单的形式是一个进步，但是GANTI图只能看不能动，造成信息只是从数据到图形的单向流动，没有得到充分的利用。在对炼钢连铸生产计划进行修改时，计划人员必须对数据库进行操作，工作量大，且不直观，影响了工作效率。因此本文提出利用人机交互的方法，是在GANTF图的基础上对炼钢连铸生产计划进行动态调整。

　　3 炼钢连铸计划图形化动态调整的有效模式

　　炼钢连铸计划的图形化动态调整就是使计划人员通过对人机界面图形元素的操作，达到修改计划的目的。它的关键在于确定调整的模式，因为并不是对GANTT图任意的图形化操作都是有效的。调度计划的改变经常是牵一发而动全身，调整模式必须保证在整体上对所有计划的有效性。这个有效性主要体现在要满足设备属性与时间的约束，例如对设备的调整只能在同一类设备之间进行，在某些设备的处理时间与设备间的传搁时间有合理的取值范围，必须保证一定的连浇炉数以提高连铸的生产效率等。这些约束可以通过规则的形式加以实现。

　　在确定有效模式的过程中，需要对GANTT图进行维度分解。前面介绍了GANTT图有两个维度——设备维和时间维，这两个维度上的信息既相关又具有一定的独立性。因此考虑把对计划的调整沿两个维度进行分解，分别在设备维与时间维进行单一维度的调整，这样比对图形单元直接进行两维的移动操作可以减少计算量，同时保证计划的有效性。

　　设备维的调整是在各工序内部进行的，主要是交换同一个工序中可以交换的设备，反映到GANTT图上，就是做垂直方向的移动。时间维的调整是更改计划在某个工序的特定设备上的开始结束时间，反映到GANTT图上，则是做水平方向的移动。

　　结合具体的工艺流程，提出以下6种炼钢连铸计划图形化动态调整的有效模式。

　　(1)变动计划在炼钢工序的处理设备。在GANTr图上表现为在垂直方向移动炼钢设备单元的位置，而在炼钢工序的开始结束时间不变。

　　(2)变动计划在精炼工序的处理设备。在GANTT图上表现为在垂直方向移动精炼设备单元的位置，而在精炼工序的开始结束时间不变。

　　(3)变动计划在浇铸工序的处理设备。在GANTT图上表现为在垂直方向移动浇铸设备单元的位置，而在浇铸工序的开始结束时间不变。

　　(4)平移整个计划。在GANTT图上表现为对整个计划(包括炼钢工序、精炼工序和浇铸工序)只进行水平方向移动。

　　(5)调整计划在某个设备上的处理时间。在GANTT图上表现为将代表计划在该设备处理时间的块延长或缩短，对后续设备进行相应的平移。

　　(6)调整计划在某两个设备之间的传搁时间。在GANTT图上表现为将代表计划在设备间传搁时间的线延长或缩短，对后续设备进行相应的平移。

　　以上调整只针对单个计划进行。前3种模式只是在同类的设备之间交换，例如在炼钢工序可以把1号炼钢炉上的计划交换到2号炼钢炉，在精炼工序可以把1号RH炉上的计划交换到2号RH炉等等，在调整设备时对时间保持不变。后3种模式在调整时间时对设备保持不变，计划租某个工序的特定设备上的开始结束时间变动的同时会重新计算它在其它设备上的开始结束时间，从而保证了该计划的有效性。

　　对一组计划的调整是通过多次对单个计划的调整来实现的。上面的6种模式虽然对单个计划都是有效的，但是有可能会导致不同计划之间的设备冲突。对此类冲突采用延迟解消的办法，即在图形化动态调整时对不同计划在同一设备上的冲突不做进一步的连锁调整，就在GANTT图上显示设备冲突的场景，只有到计划保存时才做冲突解消，保证数据库里的计划信息的有效性。这样做首先保证效率，同时也保证计划整体的有效性。

　　计划保存时优先提示用户以图形化动态调整的人工手段进行冲突解消，其次在强行保存时采用平移整个计划的模式(冲突设备位于计划的第1个工序)或调整计划在某两个设备之间的传搁时间的模式(冲突设备位于计划的第1个工序之后)，来延迟冲突设备上开始时间较晚的那个计划，使原来冲突的两个计划之间达到一种可行状态，并将这种逐个解消的方法沿时间轴向后传播，最终可以得到一组整体有效的可行计划。这种强行解消的方法可以保证计划整体的有效性，但是不追求在时间上的优化。

　　4 系统实现与应用效果

　　基于前文提出的方法，用VC++开发了计划图形动态编辑器(图4)，提供给计划调度人员一个可以交互调整炼钢连铸计划的工具。该工具除了实现前文所提出的动态调整炼钢连铸计划的人机交互方法以外，还具有提取计划、保存计划、添加计划、删除计划、设备管理等一系列实用功能。它首先从数据库中提取计划，以GANTT图的形式展现，计划调度人员可以通过鼠标移动相关单元，实现精确到分钟级的动态调整，对改动的结果可以在数据库里保存或者取消。

　　计划图形动态编辑器作为宝钢一炼钢智能调度系统的重要组成部分，与静态计划、动态调度、温度系统、钢包系统、天车台车系统等一起工作，目前整个系统已经进入整体联合调试阶段，预计2005年在宝钢一炼钢正式上线后，将大大缩短调度计划作业的编制时间和钢水等待时间，降低能源与材料消耗，产生显著的经济效益。

　　此外，该系统也可应用于炼钢连铸生产计划的离线仿真，为经营决策提科学依据。

5 结论

　　作为钢铁企业制造执行系统的重要组成部分，炼钢连铸生产计划调度系统一直是工业工程领域研究的热门课题。本文提出的动态调整炼钢连铸计划的人机交互方法把人的能动性与计算机系统的规范性有效地结合起来，可以极大地提高计划编制的效率，对复杂生产环境的各类事件做到快速响应，保证生产的稳定顺行。

　　[参 考 文 献]

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　　TANG Li-xin，YANG Zi-hou，WANG Meng-guang.study on steelmaking and continuous casting production scheduling [J].Iron and Steel，1996，3l(11)：27-30.

　　(6)：31.33.

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　　Tang Li-xin,YANG Zi-hou，WANG Meng-guang。Research on steelmaking and continuous casting production scheduling[J]. Acta automatica sinica，l998，24( 1)：9-l4.

　　[4]孙福权， 唐立新，郑秉霖.炼钢-连铸生产调度专家系统[J].冶金自动化，1998，22(6)：31-33.

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