基于模型預測和局部窮舉的混勻料倉自動供料的調度方法與流程
1.本發明屬于冶金自動化技術領域，更具體地，涉及一種基于模型預測和局部窮舉的混勻料倉自動供料的調度方法。
背景技術：
2.由于我國礦源的多樣性，鋼鐵企業原料場通常需要將十幾種甚至幾十種不同種類的原料通過一定比例均勻混合，來滿足燒結礦的質量需求。原料場混勻配料工藝包含兩個過程：第一個是一次料場的取料作業，在一次料場掘取對應的原料并通過皮帶運送到混勻配料槽暫存；第二個過程是混勻配料槽按照配方比例通過圓盤給料機設置不同的下料速度并將配料槽的原料下放至同一條皮帶上，由皮帶將礦石原料運輸至混勻料場的堆料機制成混勻料堆。其中混勻配料槽一般包含多個料倉，每個配料槽會裝配1～2個加料小車給各個料倉供料，每個加料小車則對應1～2個取料機。由于混勻配比不同，各個料倉原料的下料速度也不同，因此如何合理的調度各個加料小車和取料機，確保各個料倉不空倉的情況下盡量減少能耗是提高原料場運行效率的關鍵。
3.目前鋼鐵企業原料場多采用人工調度的方式來給各個料倉供料，這種方式依賴人工經驗，容易出現調度不及時，料倉空倉導致混勻成分與預期差別大的情況，且不易控制運行成本。近年來，也有通過自動化的方法計算加料時序，確保不出現空倉的方法，但是沒有考慮加料小車和取料機的運行成本問題，這個環節的運行效率還有很大的提升空間。
4.綜上所示，研發混勻料倉自動供料調度方法以避免料倉空倉，保證原料混勻質量，同時降低取料機和加料小車的運行成本是進一步提高混勻料場能效和生產水平的一個關鍵環節。
技術實現要素：
5.針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提出了一種基于模型預測和局部窮舉的混勻料倉自動供料的調度方法，可以解決原料場混勻配料工藝中料倉自動供料的調度問題，盡量降低加料小車和取料機運行成本的同時，避免混勻料倉空倉的情況發生。
6.為實現上述目的，本發明提供了一種基于模型預測和局部窮舉的混勻料倉自動供料的調度方法，包括：
7.獲取混勻料倉系統的參數信息和狀態信息，并根據實際設備狀態和參數建立對應的混勻料倉系統的數學模型；
8.根據料倉內原料重量和剩余下料時間將料倉劃分為若干類，將最近時刻需要加倉的料倉限制在第i類；
9.根據建立的數學模型窮舉加料小車和取料機的組合并預測預設時間段內各個不同組合帶來的料倉狀態；
10.使用滾動優化的思想選取符合約束條件中運行成本最低的組合得到下一任務需要調度加料小車和取料機。
11.在一些可選的實施方案中，所述混勻料倉系統的參數信息包括：混勻料倉數量，混勻料倉內原料重量的上限w
max
，料倉原料重量的下限w
min
，相鄰料倉之間的距離d，加料小車的數量nc，每個加料小車對應的取料機的數量mr，料倉和對應品種料堆之間的皮帶長度。
12.在一些可選的實施方案中，所述混勻料倉系統的狀態信息包括：料倉內原料品種，料倉內的原料重量w，料倉的下料流量f-，加料小車的移動速度vc，加料小車的加料流量f
+
，取料機的移動速度vr，加料小車的位置pc，取料機的位置pr。
13.在一些可選的實施方案中，根據實際設備狀態和參數建立對應的混勻料倉的數學模型，包括：
14.設x(i,j)表示第i個任務第j個料倉是否加料，0表示不加料，1表示加料，ts(i)表示第i個任務加料的起始時刻，te(i)表示加料的結束時刻，第j個料倉的初始重量為w(0,j)；
15.由w
ts
(k,j)＝w
te
(k-1,j)-f_(ts(k)-te(k-1))得到第k個任務加料起始時刻，第j個料倉內原料重量w
ts
(k,j)，其中，w
te
(k-1,j)表示第k-1個任務加料結束時刻，第j個料倉內原料重量，f
_
(ts(k)-te(k-1))表示第k-1個任務加料的結束時刻和第k個任務加料的起始時刻這段時間內料倉的下料量；
16.由w
te
(k,j)＝w
ts
(k,j)-f
_
(te(k)-ts(k))+f
+
(te(k)-ts(k))
·
x(k,j)得到第k個任務加料結束時刻，第j個料倉內原料重量w
te
(k,j)，其中，f-(te(k)-ts(k))表示第k個任務加料的結束時刻與第k個任務加料的起始時刻這段時間內料倉的下料量，f
+
(te(k)-ts(k))表示第k個任務加料的結束時刻與第k個任務加料的起始時刻這段時間內料倉的加料量，x(k,j)表示第k個任務第j個料倉是否加料，0表示不加料，1表示加料；
17.由得到tk時刻，第i個加料小車的位置pc(i,tk)，其中，pc(i,0)表示第i個加料小車的初始位置，vc表示加料小車的移動速度；
18.由得到tk時刻，第i個取料機的位置pr(i,tk)，其中，pr(i,0)表示第i個取料機的初始位置，vr表示取料機的移動速度；
19.根據每個料倉的品種、品種對應料堆位置以及皮帶速度計算原料從料堆運輸到料倉所需要的時間。
20.在一些可選的實施方案中，為了混勻過程中料倉不出現空倉的情況，設置對應的約束條件如下：n表示任務數量，l表示料倉數量。
21.在一些可選的實施方案中，所述方法還包括：
22.以取料機和加料小車移動成本的加權和最小為優化目標，建立性能指標函數：其中sr(i,j)和sc(i,j)分別表示第j號刮板取料機第i個任務移動成本，ω1和ω2分別代表兩種不同的設備運行成本的權重。
23.在一些可選的實施方案中，根據料倉內原料重量和剩余下料時間將料倉劃分為若
干類，包括：
24.根據各料倉內原料重量和料倉下料速度計算原料剩余時間，由原料剩余時間設置料倉原料重量的分割線w
l
和剩余時間的分割線t
l
，將料倉分為四類，第i類表示低重量和低剩余時間，即料倉原料重量小于w
l
且原料剩余時間小于t
l
；第ii類表示高重量和低剩余時間，即料倉原料重量不小于w
l
且原料剩余時間小于t
l
；第iii類表示低重量和高剩余時間，即料倉原料重量小于w
l
且原料剩余時間不小于t
l
；第iv類表示高重量和高剩余時間，即料倉原料重量不小于w
l
且原料剩余時間不小于t
l
。
25.在一些可選的實施方案中，將最近時刻需要加倉的料倉限制在第i類，包括：
26.設置調度周期為ts，每隔時間ts更新系統狀態，并查詢是否存在i類料倉，即料倉內原料重量少，且剩余下料時間短的料倉，如果不存在，則等待下一次調度，如果存在則進入下一步。
27.在一些可選的實施方案中，根據建立的數學模型窮舉加料小車和取料機的組合并預測預設時間段內各個不同組合帶來的料倉狀態，包括：
28.設置預測任務周期為m，根據當前狀態預測m個任務周期的狀態，使用窮舉法選加料小車和取料機，對當前i類料倉進行加料，并根據建立的數學模型，預測所有倉在任務周期m內的狀態，如果出現不滿足約束條件的情況，則排除不滿足約束條件的加料小車和取料機的組合，如果滿足約束條件，則根據性能指標函數計算并存儲滿足約束條件的加料小車和取料機的性能指標。
29.在一些可選的實施方案中，使用滾動優化的思想選取符合約束條件中運行成本最低的組合得到下一任務需要調度加料小車和取料機，包括：
30.如果所有的窮舉組合都不滿足約束條件，則修改料倉原料重量的分割線w
l
和剩余時間的分割線t
l
后，重新執行根據建立的數學模型窮舉加料小車和取料機的組合并預測預設時間段內各個不同組合帶來的料倉狀態的步驟；
31.如果出現滿足約束條件的加料小車和取料機的組合，則比較所有滿足約束條件的組合的性能指標函數，取加料小車和取料機移動成本的加權和最小的組合作為當前m周期內的最優解；
32.引入滾動優化的思想，在得到了一組m個任務周期內的最優解后，為了減少模型誤差以及后續狀態變化的影響，只選取第一個任務的加料小車和取料機的組合作為下一任務小車和取料機的調度；
33.重復上述步驟完成混勻料倉自動供料的實時調度，直到完成混勻造堆計劃。
34.總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：
35.通過料倉內原料的總量和料倉剩余下料時間的分割線的設置，將下一個任務需要加料的料場限制在局部小范圍內，并通過建立數學模型，預測后續多個任務周期的系統狀態來尋成本最優的加料小車和取料機的調度組合。可以解決原料場混勻配料工藝中料倉自動供料的調度問題，盡量降低加料小車和取料機運行成本的同時，避免混勻料倉空倉的情況發生。
附圖說明
36.圖1是本發明實施例提供的一種基于模型和局部窮舉的料倉調度方法的實施流程圖；
37.圖2是本發明實施例提供的一種根據料倉內原料重量和料倉下料速度分割的四類料倉示意圖；
38.圖3是本發明實施例提供的一種模型預測和滾動優化的示意圖；
39.圖4是本發明實施例提供的一種各個料倉內原料重量變化的曲線圖。
具體實施方式
40.為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
41.本實施例公開的是某鋼鐵企業原料場混勻料倉自動供料的調度方法，由于人工調度的方法依賴操作經驗，容易出現空倉的情況，影響混勻質量和效率，且不易控制生產能耗。如何合理調度取料機和加料小車完成混勻料倉的自動供料功能，保證不發生空倉斷料情況，并盡可能降低混勻過程中的損耗成為企業亟需解決的問題。
42.如圖1所示，本實施例提供的基于模型預測和局部窮舉的混勻料倉自動供料調度方法包含以下步驟：
43.s001：獲取系統的參數信息。本實例中混勻料槽包括12個混勻料倉，分別記為1#、2#...12#。料倉內原料重量的上限w
max
＝500t、料倉原料重量的下限w
min
＝50t、各個相鄰料倉中心之間的距離d＝10m，加料小車的數量nc＝2、每個加料小車對應取料機的數量mr＝2；
44.s002：讀取系統的狀態信息，狀態信息包括：料倉內原料品種，以向量記為c，料倉內的原料重量，w＝[66.8,209.8,553.4,141.1,150.2,136,116.1,446.8,278.5,457,296.5,241.8]，料倉的下料流量f-＝[50.9,37.4,91.8,89.5,50.8,86.8,51.9,0.3,93.2,106,96.9,95.3]t/h，加料小車的移動速度vc＝0.5m/s，加料小車的加料流量f
+
＝1200t/h，取料機的移動速度vr＝0.6m/s，加料小車的位置pc＝[114,25]m，取料機的位置pr＝[51,274,72,181]m；
[0045]
s003：設x(i,j)表示第i個任務第j個料倉是否加料，0表示不加料，1表示加料，ts(i)表示第i個任務加料的起始時刻，te(i)表示加料的結束時刻，第j個料倉的初始重量為w(0,j)，建立混勻料倉的數學模型，具體如下：
[0046]
步驟3.1)：第k個任務加料起始時刻，第j個料倉內原料重量：
[0047]wts
(k,j)＝w
te
(k-1,j)-f-(ts(k)-te(k-1))
??????????????
(1)
[0048]
步驟3.2)：第k個任務加料結束時刻，第j個料倉內原料重量：
[0049]wte
(k,j)＝w
ts
(k,j)-f-(te(k)-ts(k))+f
+
(te(k)-ts(k))
·
x(k,j)
????
(2)
[0050]
步驟3.3)：tk時刻，第i個加料小車的位置：
[0051][0052]
步驟3.4)：tk時刻，第i個取料小車的位置：
[0053][0054]
步驟3.5)：根據每個料倉的品種、品種對應料堆位置以及皮帶速度計算原料從料堆運輸到料倉所需要的時間。
[0055]
s004：設置約束條件：為了混勻過程中料倉補出現空倉的情況，設置對應的約束條件如下：
[0056][0057]
s005.設置性能指標函數：以取料機和加料小車移動成本的加權和最小為優化目標，建立性能指標函數如下：
[0058][0059]
其中，sr(i,j)和sc(i,j)分別表示第j號刮板取料機第i個任務移動成本，ω1＝0.75和ω2＝0.25分別代表兩種不同的設備運行成本的權重。
[0060]
s006：根據各料倉內原料重量和料倉下料速度計算原料剩余時間，設置料倉原料重量和剩余時間的分割線，如圖2所示，將料倉分為四類：i低重量，低剩余時間；ii高重量，低剩余時間；iii低重量，高剩余時間；iv高重量，高剩余時間。剩余時間的分割線t
l
＝1h,料倉內原料重量的分割線w
l
＝350t；
[0061]
s007：設置運行周期為ts＝10s，每隔時間ts更新系統狀態，并查詢是否存在i類料倉，即料倉內原料重量少，且剩余下料時間短的料倉，如果不存在，則等待下一次調度，如果存在則進入下一步；
[0062]
s008：設置預測任務周期m＝4，根據當前狀態預測m個任務周期的狀態，使用窮舉法選加料小車和取料機，對當前i類料倉進行加料，并根據步驟s003中建立的系統數學模型，預測所有倉在任務周期m內的狀態，如果出現不滿足步驟s004中的約束條件的情況，則排除該加料小車和取料機的組合，如果滿足步驟s004中的約束條件，則根據步驟s005計算并存儲對應的性能指標；
[0063]
s009：如果步驟s008中所有的窮舉組合都不滿足步驟s004中的約束條件，則修改步驟s006中的分割線重新執行步驟s008，如果出現滿足s004中的約束條件的加料小車和取料機的組合，則比較所有滿足條件的組合的性能指標函數，取加料小車和取料機移動成本的加權和最小的組合當做當前m周期內的最優解；
[0064]
s010：使用滾動優化的思想，步驟s009得到了一組m個任務周期內的最優解，為了減少模型誤差以及后續狀態變化的影響，只選取第一個任務的加料小車和取料機的組合作為下一任務小車和取料機的調度，滾動優化的思想如圖3所示。
[0065]
s011：如圖4所示，重復步驟s002～s010即可以完成混勻料倉自動供料的實時調度，直到完成混勻造堆計劃。
[0066]
需要指出，根據實施的需要，可將本技術中描述的各個步驟/部件拆分為更多步驟/部件，也可將兩個或多個步驟/部件或者步驟/部件的部分操作組合成新的步驟/部件，
以實現本發明的目的。
[0067]
本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
