铁水运输仿真系统的设计与实现罗首章1，刘峰2，崔建江3，周明

1铁水运输仿真系统的设计与实现罗首章1，刘峰2，崔建江3，周明1，周仁义1（1宝钢股份公司技术中心自动化所，2宝钢股份公司运输部,3东北大学控制仿真研究中心）摘要：分析了铁水运输系统的特点，针对其系统为混杂系统、不同于一般铁路运输、以及包含人的因素在内的特点建立了对应的仿真系统。通过一系列的关键技术的解决和使用，仿真系统实现了对现系统和未来待建系统的系统特性分析，其结论一方面可以作为辅助决策的依据，另一方面，也为现场进行铁水物流系统的优化提供了参数和方案。关键词：铁水运输系统；铁路运输系统；物流；仿真系统；混杂系统0引言仿真技术在工业的各个领域都得到广泛应用，面向系统的全过程仿真系统的出现为实际解决问题提供了可靠工具。宝钢股份公司目前有三座高炉，通过铁路向三个炼钢厂、二个铸铁和一个铸造车间，由机车牵引鱼雷铁水罐车（TPC）供应铁水[1-2]，如图1所示。根据规划将建设4号高炉，现有的铁水系统的物流平衡将重新调整，铁水输送能力和运输组织也将发生相应的变化。4号高炉建设后铁水物流会更加复杂。为确保铁水运输能满足今后炼铁、炼钢的生产要求，在4号高炉建设前，不仅要合理布置4号高炉区域的铁路，研究铁路运输和道路运输的交叉影响，而且要研究二炼钢区域铁路合理改造的方案。对铁水运输系统曾经开展过仿真研究[3-4]，但是由于研究的范围和方法的限制，还不能推广到对整个铁水运输系统的研究中去。为研究铁水运输系统的全过程，建立铁水运输计算机仿真系统，利用仿真系统的无风险、低成本、可再现等特点，对现铁水运输系统和未来铁水运输系统进行分析，进而可以科学、系统地研究铁水输送能力，根据系统仿真报告，优化铁路和道路设计、优化运输设备配置、优化生产组织、优化铁路运输方案；检验方案实施的可行性和系统能力，为系统设计的改善优化和方案决策提供依据。2一炼钢倒罐站后扒渣站倒渣站脱硫站前扒渣站二炼钢倒罐站后扒渣站预处理站前扒渣站倒渣站电炉倒罐站TPC车载设备机车车载设备图1铁水运输工艺过程示意图1铁水运输系统分析1.1铁水运输系统物流分析铁水运输系统是宝钢物流系统的重要组成部分。如果仅将铁水看作为此系统的物流，那物流的流动方向基本上是单方向的，路径是不可逆和不闭合的。如图2所示。1BF铁水运输网络2BF3BF4BF1SM2SM3SM1IC2ICCW源漏图2宝钢铁水物流系统原理框图其中：BF高炉代表，前面数字为序号,SM代表炼钢厂,铸铁车间和铸造车间分别用IC和CW表示。如果将铁水的载体——鱼雷铁水罐车看作为物流对象，则物流是循环的，路径是闭合的。如图3所示。物流对象的二重性无疑与一般物流问题存在本质差别。加之又是多源和多漏，互相交叉与覆盖，使问题的复杂程度成倍增加。3高炉运输受铁前扒脱硫后扒倒铁倒渣运输图3宝钢混铁车物流系统原理框图1.2铁水运输系统的状态特性分析铁路运输问题中路段的空闲与占用、列车的出发与到达等，都表现为系统状态变量的离散性。而另一类离散变量——事件变量（如信号灯等）的发生将直接触发系统状态的变化。这一类系统规模的急剧扩大和对运行性能要求的不断增加，必然使得有关离散事件系统的研究工作取得巨大的进展。当然也要看到，由于状态变量的离散性，也使得其理论研究工作遇到许多新的问题。目前，有关DEDS的实际应用领先于其理论方面的工作。混杂动态系统（HDS-HybridDynamicSystem）是将连续变量动态系统（CVDS-ContinuousVariableDynamicSystem）与离散事件动态系统的有机结合。显然混杂动态系统的方法更符合许多实际系统的运行规律。其实，铁水运输问题中列车运行过程、铁水的脱硫处理等过程亦应看作为CVDS。于是应用混杂动态系统理论处理相关问题才能得到理想的精度与效果。铁水运输系统是以离散事件为主的复杂连续－离散事件混合系统，不是一个单纯的离散事件动态系统。1.3铁水运输系统对比分析宝钢铁水运输系统的规划与运作属于铁路运输的计划与调度问题。但它与一般铁路运输问题存在以下不同点：(1)物流的运输过程中有加工过程，如进行脱硫等；(2)和铁路运输的定时性和周期性对应，铁水运输系统具有随机性或不确定性(需求的变化会波及整个系统，并使系统不稳定)、不呈现周期性。具有多目标、多因素、多层次特点；(3)从优先级别上，要分别考虑铁水需求的量、成分、时间以及温度的平衡问题；(4)运行区域小，铁路段线多、道岔多、复用线路多、机车多、罐车多，且受用钢计划的影响，使调度的难度远远高于一般铁路调度问题；(5)与汽车路线的平交叉道口多，铁路道口的被占用率高，给铁路运输能力的发挥增加4很大困难；(6)由于系统的复杂性，要进行建模、分析和优化，则必须采用诸多先进的建模与计算理论与方法，涉及诸多的学科领域。系统目标是如何在保证系统物流平衡、能量平衡、资源平衡、时间平衡和安全生产的前提下，实现铁路网络运输能力的最大化，并尽量降低物资与能量的消耗水平。2铁水运输仿真系统建模系统仿真的本质在于建立足以描述研究者所关心的运行的状态，从而找到系统运行的属性与规律。于是系统建模便成为系统仿真首要的和核心的问题。通过对铁水运输系统分析，将建模问题分为：(1)对于高炉出铁口，高炉出铁线，脱硫间，倒罐站，前、后扒渣间，倒渣间，电炉，锭模，铸铁机，炉窑等对象，由于具有并发性、异步性、分布式、非确定性、并行性等特点，使用Petri建模方法；(2)本研究集中于时间和铁水量，并不侧重于工艺过程，因此对于各个工位点的作业模型，采用统计表格进行建模；(3)对于连续变化的对象，如机车运行过程则采取一般的机理建模方法；(4)对于有人的因素介入的对象，如机车的走行等，采用嵌入专家系统，建立规则库模型。3仿真系统的阶段实施为了规避开发的风险，以及分阶段配合实际系统的设计论证工作，将仿真任务分为两个阶段实施。第一个阶段：集中于4高炉区域，考察建成4高炉后铁路线路和运输调度的衔接。形成的技术可以应用到下一个开发阶段；第二个阶段：在上面的基础上延拓至整个系统。4仿真系统总体框架宝钢铁水运输仿真系统的总体拓扑结构如图4所示，仿真系统由仿真计算机、数据库计算机和动画显示计算机三部分组成。仿真计算机运行仿真程序，将产生的数据写入数据库计算机，动画显示计算机通过访问数据库计算机获取仿真数据并在动画显示计算机的输出界面上显示仿真结果。系统总体逻辑结构图如图5所示。5数据库计算机动画显示铁水运输仿真系统Hub图4仿真系统总体拓扑结构仿真条件设定初始定位人工干预输入界面接口输出界面接口铁水运输仿真模型数据库仿真结果分析图5系统总体逻辑结构框图5仿真系统功能实现铁水运输系统是一大型的复杂系统。对复杂系统的建模可以采用模块分解的方法，模块分解的依据有：根据机理进行分解、根据功能进行分解。由于依据功能分解具有易于与实际相对应、相对易于实现、接口易于处理等优点，因此这种方法得到广泛使用。进行功能模块的分解不仅可以与现场对应，分别实现局部子系统的仿真，而且可将仿真的阶段性成果应用到实际系统中，缩短仿真结果的应用周期。根据上述设计思想，将仿真系统按功能划分为接口比较独立的模块，模块间的功能关系如图6所示。6仿真器状态演化模块调度模块避让处理模块列车运行模块径路选择模块铁路数据库接口系统管理层调度管理层运行管理层辅助服务层基础层DB指标统计仿真结果分析初始化初始化层图6仿真系统功能框图整个系统根据功能特点分为五层：系统管理层：实现对整个系统的总体控制和协调；调度管理层：实现对仿真系统中调度事件的管理；运行管理层：实现对仿真系统的列车运行管理；辅助服务层：实现仿真系统辅助功能；基础层：实现对仿真系统中铁路网络的管理。也可以把系统功能模块归为：为构建仿真系统平台的模块和与实际系统对象功能对应的模块。以下为主要的功能模块实现的功能：初始化模块：提供铁路布局方案、定修方案、高炉产量、铁水分流比等系统初始参数，并可根据物流平衡检验用户参数设置的合理性。仿真器模块：构建仿真环境。在仿真系统运行时根据仿真策略完成对各个模块的控制和调度，实现仿真系统的顺利运行。状态演化模块：对象从一个状态变化（转移）到另一个状态称为状态演化。对高炉、7中间作业点、倒罐站完成其状态的自动演化。调度模块：按功能将调度模块划分为物流平衡层、工艺决策层和运输作业调度层三个层次。物流平衡层用于设置初始工艺数据，并进行物流平衡检验；工艺决策层主要完成宏观协调和工艺环节决策；运输作业调度层根据相应制定的作业信息，将作业指令给选定的机车，机车在接收到该指令后进行运输作业。避让处理模块：解消机车在走行过程中的可能的路径冲突。在铁水运输仿真系统中，机车与机车之间是彼此独立的，通过避让处理模块使机车安全行驶。机车和TPC模块：根据机车和TPC的组合情况以及机车作业模型，按照仿真步长计算和更新机车、TPC位置；路径选择模块；向机车提供初始走行路径，机车避让等待时，向机车提供避让路径，机车避让重新选路时，向机车提供新的走行路径。铁路网络模块：抽象表示铁路网，记录铁路各种属性、状态及统计信息。另外，仿真系统还可以通过人工干预，实现人机交互。仿真系统的流程如图7所示。仿真运行过程的动画显示如图8所示。8用户界面初始参数输入参数合理性检验合理N将初始参数写入初始化数据库Y仿真器初始化，调用各对象缺省构造函数仿真器读入初始参数，设置各对象初始状态仿真器运行一个仿真步长将产生的记录写入动画显示数据库仿真结束时间到？指标统计、分析仿真结束Yes读入动画显示数据库当前记录No动画显示完？是否有人工干预？否将系统当前状态写入初始化数据库有用户通过动画显示界面修改系统状态图7仿真系统流程图9图8仿真系统运行过程图6结论根据仿真系统对六种情况进行了仿真，研究了铁水输送能力，分析了系统铁水产-运-用的动态性能，铁水调度、运输方式的合理性，以及铁路规划等。仿真系统的一次运行，只是对系统一次抽样的模拟。不是一种系统优化方法，也不能求解系统的最优解。但是，系统仿真可以让人们依据对系统的模型的动态运行的结果，多次修改参数，反复仿真。系统仿真是一种间接的系统优化方法。由于对于多目标、多因素、多层次的系统，并不存在绝对意义上的最优解，优化只是相对的，因此，仿真意义上的优化方法对于研究复杂系统，寻求改善系统行为的途径和方法具有实际意义。参考文献1王文瑞.宝钢铁水监控及管理系统[上][J].冶金自动化,2001,(4):22～24.2王文瑞.宝钢铁水监控及管理系统[下][J].冶金自动化,2001,(4):16～19.3徐冬,费炳铨.钢厂铁水运输系统的计算机控制研究[J].上海大学学报(自然科学版),1999,5(2):144～148.4张曙光,费炳铨.钢厂铁水运输集中区域列车控制模型的研究[J].上海大学学报(自然科学版),2000,6(1):47～51.作者简介：罗首章，男，1971年1月27日生，1991年7月本科毕业于东北大学，1998年3月在中南工业大学获得工学博士学位，1998至2000年作为宝钢与北京科技大学联合培养的博士后在宝钢生产部工作。2000年5月起至今在宝钢技术中心自动化所工作，高级工程师，研究员。作为主要参加人完成科研项目“宝钢料场智能化管理系统”，作为项目负责人完成科研项目“宝钢铁水运输计算机仿真系统研究”，目前正在主持开展公司重点科研项目10“一炼钢连铸调度模型研究与应用”。主要研究方向为建模与仿真、工业自动化、先进计划和调度技术。已公开发表论文20篇，获得技术秘密2项。通讯地址：上海市宝山区富锦路宝钢技术中心自动化所1306#电话：[phone]-2199