炼钢流程是钢铁生产的关键环节,生产作业计划是其生产运行控制的依据。合理的生产作业计划可以降低物耗与能耗成本、增加收益、稳定质量,并直接提升企业的核心竞争力。为此,通过对炼钢流程生产作业计划相关的连铸机开浇决策、生产运行稳定顺行高效等基础性问题的深入研究,以提升和发挥炼钢厂制造执行系统MES(Manufacturing Execution System,MES)的生产计划调度功能,最终实现以信息化为基础的生产运行优化控制模式取代传统的人工经验控制模式,成为钢铁企业广泛关注并亟待解决的重要课题。由于炼钢流程是一个由多阶段大型高温生产单元所构成的、离散与连续工序相混杂的系统,具有多目标、多约束、动态变化等复杂系统特征,而在不同的炼钢厂由于工艺流程方面的各自不同特点,致使建立统一且有效的生产作业计划模型难度较大,而经简化抽象建立的通用性模型或算法与炼钢厂的现实生产需求之间通常存在较大的差异。对炼钢流程生产作业计划编制相关问题的研究综述和炼钢厂制造执行系统应用情况的调研可见,已有研究对于连铸机开浇、连连浇决策问题、多目标要求下的连铸机组浇开浇优化问题,能动态反映炼钢厂现实生产稳定性特征的仿真方法问题等方面认识不足、手段有限;炼钢厂MES系统的生产计划调度功能与生产管理要求之间尚存在不适应性,影响了炼钢厂“有序、稳定、高效”的生产目标的实现。有鉴于此,以现实生产为背景,提出开展“炼钢流程生产作业计划编制相关基础性问题研究”的博士论文课题,主要围绕炼钢厂的连铸机开浇/连浇决策、连铸机组浇开浇多目标优化、生产运行的仿真优化手段等问题开展建模、优化求解算法与生产组织运行优化分析等研究工作,为炼钢流程生产作业计划已有研究成果的有效应用提供更可靠的前提条件,并为炼钢厂生产管控人员对生产稳定控制的认识提供一种新的仿真分析手段。论文的主要创新点及研究结论概述如下:1)建立了连铸机开浇决策的混合整数规划模型,并基于MATLAB软件的YALMIP优化工具进行模型求解。为了通过生产物流稳定顺行来降低生产成本,针对炼钢厂连铸机开浇时是否连浇及开浇时间确定问题,以控制积压液态金属量成本最小和连续浇铸的连续化程度收益最大为目标,在综合考虑进铁量、安全生产线液态金属量(简称安全在线金属量)、金属损耗、浇铸钢水量等涉及铁钢资源平衡的各因素之间的相互关系以及时间与生产线液态金属量(简称在线金属量)约束的条件下构建了连铸机开浇决策的混合整数规划模型,并设计相应的模型求解方法。2)构建了连铸机的开浇炉次与时间决策的多目标优化模型,并设计了改进的非支配排序遗传算法-INSGAII算法。针对现实连铸机开浇决策中需同时确定炉次选择、排序与开浇时间的多目标优化难题,以炼钢厂生产批量计划执行情况的总惩罚、生产线积压液态金属量、优质铁水非有效利用量最小为目标函数,构建了连铸机的开浇炉次与时间决策的多目标优化模型;基于非支配排序遗传算法设计了改进的NSGAII算法进行模型求解,以预选池内选择的炉次序号为基因的编码方式来减小模型解的无效搜索空间,采取调整传统精英解集计算顺序、限定计算拥挤距离个体数目的改进措施来减轻计算负荷,利用对pareto解进行模糊选优的方法来确定最终优化解。3)建立了炼钢厂生产线金属量控制的系统动力学仿真模型,并以某炼钢厂的实际生产数据对模型进行仿真分析,来动态反映炼钢厂现实生产的稳定性特征。基于系统工程的思想方法,在综合考虑生产作业计划需求流量、生产线金属量的目标库存、实际库存、库存偏差等信息,以及相关物质流影响的基础上,建立了以炼钢厂生产线金属量为控制水平变量的系统动力学仿真模型。4)以某炼钢厂生产条件为对象的优化模型应用测试表明:(1)炼钢厂连铸机的开浇时间决策优化模型可以实现连铸机浇次开浇时间的科学计算,有助于稳定各班次之间的生产条件,降低生产线上的积压液态金属量,编制出合理的炼钢厂生产作业计划;(2)连铸机开浇炉次与时间多目标决策模型有利于连铸机上各炉次浇铸周期的稳定控制,并有利于在炼钢流程切实推行计划管理,改进的非支配排序遗传算法的效率优于传统的非支配排序遗传算法与强度pareto进化算法。系统动力学模型仿真研究表明:(1)有生产作业计划指导下炼钢-连铸区域的运行状态明显较无作业计划指导的铁水预处理区更稳定,因此,炼钢厂应实行按全流程的生产作业计划的运行管控;(2)当加快生产节奏提高连铸机的拉速时,在线金属量应同步提高,否则会因为在线金属量的降低,而导致生产不稳定。5)为进一步检验所建立的多目标开浇决策与系统动力学模型的实用性,进行了联合仿真实验研究。通过将前者决策结果作为后者输入参数,并以实例炼钢厂的生产数据为依据,分别对连铸机的开浇时间、品种钢比例、连铸机数量等指标与炼钢厂各区域在线金属量的影响关系进行联合仿真实验,仿真研究表明:在进铁流量一定的情况下,(1)推迟开浇时间或者增大品种钢比例会使在线金属量增高;(2)增加连铸机数量会降低炼钢厂各区域在线金属量;(3)在进铁流量存在差异情况下,平稳进铁较随机进铁更有利于在线金属量的稳定控制。综上所述,本文所建立的炼钢厂连铸机开浇时间决策优化模型、连铸机开浇炉次与时间决策的多目标优化模型,为科学确定炼钢厂连铸机的开浇时间与开浇炉次提供了新的技术手段,为炼钢流程生产作业计划编制的假设条件问题提供了科学决策方法;所建炼钢厂生产线金属量控制的系统动力学模型,以及针对多目标开浇决策与系统动力学模型的联合仿真实验研究,为深入认识炼钢厂生产线上液态金属量动态变化特性提供了新方法,给炼钢厂生产运行的稳定控制提供了有效的仿真分析手段。