1.本发明属于工程调度技术领域，更具体地，涉及一种基于混合算法的工业间歇生产与公用工程集成调度方法。
背景技术：2.传统的间歇过程调度只注重生产系统的调度，事实上，除生产系统之外，流程企业一般都存在着复杂的公用工程系统以提供生产过程中所需的各种公用工程(如水、电和不同等级的蒸汽等)。在流程工业间歇生产过程中公用工程的供需必须时刻保持平衡，否则，如供给大于需求将造成能量的严重浪费，反之，将影响生产。因此，从整体而言，流程工业间歇过程的调度必须同步考虑生产系统的调度与公用工程系统的调度。
3.一直以来，在流程工业间歇过程中，生产系统与公用工程系统的关系类似于主—从关系，生产系统是排在第一位的，公用工程系统只是作为辅助系统。传统上解决生产与公用工程系统调度问题的方法，又称为序贯方法(sequential approach)，如下图所示，包括以下三步：
4.(1)生产系统根据得到的产品需求信息，以生产完成时间为目标(或其他目标)，对整个生产系统进行优化调度，以此得到在调度期内，原材料的使用量、各台设备的加工顺序和加工时间等优化调度方案；
5.(2)根据得到的最优调度方案，来计算或者估计公用工程的需求量；
6.(3)公用工程系统按照公用工程的需求量，以能源成本最少(或其他目标)为目标，对公用工程系统进行优化；
7.这种模式先不考虑公用工程的供给能力制定出生产计划与产品加工批次安排，预估生产过程中各阶段的公用工量需求量。然后，在生产过程中通过人工经验调节公用工程供给设备的运行状态及负荷分配，以满足公用工程需求。实际上，在企业生产过程中，生产子系统和公用工程子系统一般都存在多种可满足生产条件的调度方案。如何将两个子系统中所有调度方案进行有效的整合，使得给定的目标(如全厂总利润)到达最优，将是一个非常复杂的组合优化问题。因此在此背景下，思考将间歇生产调度子系统与公用工程子系统调度进行集成，最大限度地发挥间歇生产的优越性，同时又能有效减少能源成本。
技术实现要素：8.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于混合算法的工业间歇生产与公用工程集成调度方法，通过将流程工业间歇过程中生产与公用工程看成一个整体，进行集成调度；通过建立集成调度模型和序贯调度模型，采用混合算法对其求解，求解结果证明序贯模型虽然求解困难，但具有较好的目标函数，证明了集成调度模型的优越性和可行性；本发明将间歇生产调度子系统与公用工程子系统调度进行集成，使得总利润最优化，最大限度地发挥间歇生产的优越性，同时又能有效减少能源成本；本发明的集成方法与序贯方法相比，在节约企业总成本的同时，还能减少污染物的排放，能够有效解决流程工
业生产与公用工程集成调度问题的有效性。
9.为了实现上述目的，本发明提供一种基于混合算法的工业间歇生产与公用工程集成调度方法，其特征在于，包括如下步骤：
10.s1：在调度前明确生产子系统和公用工程子系统的已知输入条件，通过集成调度确定生产子系统和公用工程子系统的输出指标；
11.s2：集成调度数学优化模型的建立；包括目标函数的模型建立和约束条件的模型建立；
12.s3：序贯调度数学优化模型建立；包括如下步骤：
13.s31：以投资量最小为目标，以步骤s2建立的约束条件模型对生产系统进行优化调度；
14.s32：在步骤s31生产系统优化调度的基础上，计算生产所需公用工程的消耗量；
15.s33：根据步骤s32获得的生产所需公用工程的消耗量，对公用工程系统进行优化操作，获得序贯调度数学优化模型；
16.s4：通过列队竞争算法和线性规划的混合算法对序贯调度后的数学优化模型进行求解，获得调度期总利润的优化控制方案，实现间歇生产调度子系统与公用工程子系统调度的有效集成，进而最大限度地发挥间歇生产的优越性。
17.进一步地，步骤s2中目标函数的模型建立通过式(1)实现：
[0018][0019]
其中，min cost表示调度期内的总成本最小值；cfm表示燃料的价格；i
n,k,m
表示在事件点n，设备k消耗燃料的量；elpn表示事件点n的买电量；cel表示买电单价；xsox
n,k
表示在事件点n，设备k的氧化硫气体排放量；psox表示氧化硫气体的排放单价；xghg
n,k
表示在事件点n，设备k产生的温室气体的量；pghg表示温室气体的排放单价；k1表示锅炉集合；m表示燃料；m表示燃料集合。
[0020]
进一步地，步骤s4包括：
[0021]
s41：随机产生k组0-1变量，由k个家族得到k组线性规划问题，通过线性规划分别计算k个家族的目标函数值；
[0022]
s42：按照目标函数值的大小，对k个家族进行排列，若为最大化问题，则目标函数值最大的排在最前，目标函数值最小的排在最后；反之，则相反；
[0023]
s43：根据每个家族在列队中的位置，确定若干组0-1变量的变异次数；通过变异，由k组父代得到k组子代；通过线性规划计算k组子代的目标函数值；
[0024]
s44：比较每个家族子代与父代，保留优秀的个体，并作为下一代的父代；
[0025]
s45：重复步骤s42～s44直到达到预先设定的终止条件。
[0026]
进一步地，步骤s2中约束条件的模型建立包括物料资源平衡的约束、设备加工能力的约束、存储容量的约束、加工顺序的约束、调度期时长的约束、锅炉燃料消耗与高压蒸汽产生的约束、锅炉在运行过程中的启动和停止的约束、污染物排放的约束、汽轮机物料平
衡的约束、汽轮机能量平衡的约束、汽轮机进汽量的约束、汽轮机损失蒸汽量的约束、不同等级蒸汽量和电量的约束以及公用工程消耗量的约束模型建立。
[0027]
进一步地，锅炉燃料消耗与高压蒸汽产生的约束模型通过式(12)表示：
[0028][0029]
其中，k1表示锅炉集合；q表示分段效率曲线；xhp
n,k,m
表示锅炉燃烧燃料产生的高压蒸汽的量；a
q,n,k,m
表示在事件点n,设备k燃烧燃料m的第q条产汽系数；表示在事件点n，设备k的第q-1条产汽量；x
q,n,k,m
表示在事件点n，设备k燃烧燃料m的第q条产汽效率；表示在事件点n，设备k的第q段产汽量。
[0030]
进一步地，对汽轮机能量平衡的约束模型通过式(21)实现，
[0031][0032][0033]
其中，xel
n,k
表示在事件点n汽轮机的发电量；ηk表示汽轮机的效率；txhp
n,k
表示在事件点n进入汽轮机的高压蒸汽量；hb表示沸水的焓值；hm表示中压蒸汽的焓值；xmp
n,k
表示在事件点n，汽轮机通过抽汽得到的中压蒸汽的量；h
l
表示低压蒸汽的焓值；he表示高压蒸汽的焓值；n表示事件点集合；k2表示汽轮机集合。
[0034]
进一步地，步骤s31中的约束条件包括物料资源平衡的约束、设备加工能力的约束、存储容量的约束、加工顺序的约束、调度期时长的约束、锅炉燃料消耗与高压蒸汽产生的约束、锅炉在运行过程中的启动和停止的约束、以及污染物排放的约束；
[0035]
步骤s33中对公用工程系统进行优化操作的目标函数通过式(1)实现，对公用工程系统进行优化操作的约束条件包括汽轮机物料平衡的约束、汽轮机能量平衡的约束、汽轮机进汽量的约束、汽轮机损失蒸汽量的约束、不同等级蒸汽量和电量的约束以及公用工程消耗量的约束。
[0036]
进一步地，步骤s31中整个调度期物料资源的投资量通过式(29)计算，
[0037][0038]
其中，cr表示整个调度期物料资源的投资量；lr表示物料资源任务集合；e
r,n
表示在事件点n，可以得到物料资源r的量；n表示事件点集合；r表示物料资源。
[0039]
进一步地，步骤s32中生产所需公用工程消耗量根据式(28)计算，
[0040][0041]
其中，dem
v,n
表示在事件点n，公用工程v的消耗量；cop
v,i
表示任务i公用工程的消耗量；b
i,n
表示在事件点n，任务i处理的物料资源的量；n表示事件点集合；v表示公用工程；v表示公用工程集合。
[0042]
进一步地，步骤s1中生产子系统和公用工程子系统的已知输入条件包括调度期总时长，间歇过程的资源任务网描述，任务的加工时长系数，每个设备的最大加工能力，每种
物料资源的最大存储量，基于热电联产的公用工程系统的流程图，公用工程子系统中每台锅炉的煤耗方程，公用工程子系统中每台汽轮机的特性方程，生产子系统中每个任务的单位时间单位质量所消耗的公用工程的量，所用燃料的价格，所用燃料的燃烧值，所用燃料在燃烧时氧化硫气体的排放系数，以及所用燃料在燃烧时温室气体的排放系数；
[0043]
生产子系统和公用工程子系统的输出指标包括生产子系统中每个任务的加工批量、每台设备上各任务的开始时间、每台设备上各任务的加工顺序、每台设备上各任务的加工时间，公用工程子系统中锅炉的运行状态、汽轮机的运行状态，以及通过减温减压阀的蒸汽量。
[0044]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0045]
(1)本发明的基于混合算法的工业间歇生产与公用工程集成调度方法，通过建立集成调度模型和序贯调度模型，采用通过列队竞争算法(lca)和线性规划(lp)的混合算法对序贯调度后的数学优化模型进行求解，求解结果证明序贯模型虽然求解困难，但具有较好的目标函数，证明了集成调度模型的优越性和可行性；通过将流程工业间歇过程中生产与公用工程看成一个整体，进行集成调度，能够解决现有的间歇过程生产与公用工程系统调度只注重生产系统的调度，造成生产供需不平衡，影响正常生产的问题。
[0046]
(2)本发明的基于混合算法的工业间歇生产与公用工程集成调度方法，通过列队竞争算法(lca)和线性规划(lp)的混合算法对序贯调度后的数学优化模型进行求解；混合算法列队中的第一位变异较少的次数，有利于局部搜索，能够快速的找到最优解，而列队中的最后一位变异较多的次数，则有利于全局搜索；在搜索的过程中，这种对变异次数的处理的方法能平衡局部搜索和全局搜索；利用列队竞争算法收敛速度快的优点在外层搜索0-1变量组合，而内层采用线性规划进行求解，通过这两种方法的交替求解实现最优解的获取。
[0047]
(3)本发明的基于混合算法的工业间歇生产与公用工程集成调度方法，将间歇生产调度子系统与公用工程子系统调度进行集成，使得总利润最优化，最大限度地发挥间歇生产的优越性，同时又能有效减少能源成本。
附图说明
[0048]
图1为现有的生产与公用工程系统调度的序贯方法的流程示意图；
[0049]
图2为本发明实施例基于混合算法的工业间歇生产与公用工程集成调度方法的流程示意图；
[0050]
图3为本发明实施例基于混合算法的工业间歇生产与公用工程集成调度方法的序贯调度数学优化模型建立的流程示意图；
[0051]
图4为本发明实施例基于混合算法的工业间歇生产与公用工程集成调度方法的列队竞争算法(lca)和线性规划(lp)的混合算法的流程示意图。
具体实施方式
[0052]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼
此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0053]
如图1-图4所示，本发明提供一种基于混合算法的工业间歇生产与公用工程集成调度方法，包括如下步骤：
[0054]
s1：在调度前明确生产子系统和公用工程子系统的已知输入条件，通过集成调度确定生产子系统和公用工程子系统的输出指标；其中生产子系统和公用工程子系统的已知输入条件包括调度期总时长h，间歇过程的资源任务网(rtn)描述，任务的加工时长系数，每个设备的最大加工能力，每种物料资源的最大存储量，基于热电联产(chp)的公用工程系统的流程图，公用工程子系统中每台锅炉的煤耗方程，公用工程子系统中每台汽轮机的特性方程，生产子系统中每个任务的单位时间单位质量所消耗的公用工程的量，所用燃料的价格，所用燃料的燃烧值，所用燃料在燃烧时氧化硫气体的排放系数，以及所用燃料在燃烧时温室气体的排放系数；生产子系统和公用工程子系统的输出指标包括生产子系统中每个任务的加工批量、每台设备上各任务的开始时间、每台设备上各任务的加工顺序、每台设备上各任务的加工时间，公用工程子系统中锅炉的运行状态、汽轮机的运行状态，以及通过减温减压阀的蒸汽量；
[0055]
s2：集成调度数学优化模型的建立；包括目标函数的模型建立和约束条件的模型建立；具体包括：
[0056]
s21：目标函数的模型建立；在调度期内，控制总成本并实现总成本最小化；具体通过式(1)实现：
[0057][0058]
其中，min cost表示调度期内的总成本最小值；表示燃料成本；cfm表示燃料m的价格，单位：元；i
n,k,m
表示在事件点n，设备k消耗燃料m的量，单位：kg；表示买电成本；elpn表示事件点n的买电量，mw；cel表示买电单价，单位：元；表示氧化硫气体的排放成本；xsox
n,k
表示在事件点n，设备k的氧化硫气体排放量，单位：ton；psox表示氧化硫气体的排放单价，单位：元；表示温室气体的排放成本；xghg
n,k
表示在事件点n，设备k产生的温室气体的量，ton/h；pghg表示温室气体的排放单价，单位：元；n表示事件点；k表示设备；k1表示锅炉集合；m表示燃料；m表示燃料集合；
[0059]
s22：约束条件的模型建立，包括物料资源平衡的约束、设备加工能力的约束、存储容量的约束、加工顺序的约束、调度期时长的约束、锅炉燃料消耗与高压蒸汽产生的约束、锅炉在运行过程中的启动和停止的约束、污染物排放的约束、汽轮机物料平衡的约束、汽轮
机能量平衡的约束、汽轮机进汽量的约束、汽轮机损失蒸汽量的约束、不同等级蒸汽量和电量的约束以及公用工程消耗量的约束；
[0060]
s221：对物料资源平衡进行约束，使得任一事件点资源的存储量为该事件点资源的产出量减去消耗量与前一事件点资源存储量的和；物料资源平衡的约束通过式(2)和式(3)实现；包括
[0061][0062][0063]
其中，式(2)表示n＝1的情况下，物料资源的平衡；式(3)表示n＞1的情况下，物料资源的平衡；n表示事件点；r表示资源集合；n表示事件点集合；r表示物料资源；i表示任务集合；ir表示物料资源任务集合；e
r,n
表示在事件点n，可以得到物料资源r的量，kg；e
0r
表示物料资源的初始量，kg；任务i消耗设备资源的系数；ω
i,n
表示在事件点n，任务i是否开始的0-1变量；表示任务i消耗物料资源的系数；b
i,n
表示在事件点n，任务i处理的物料资源的量，kg；e
r,n-1
表示在事件点n-1，可以得到物料资源r的量；表示任务i产生设备资源的系数；ω
i,n-1
表示在事件点n-1，任务i是否开始的0-1变量；表示任务i产生物料资源的系数；b
i,n-1
表示在事件点n-1，任务i处理的物料资源的量，kg；
[0064]
s222：对设备加工能力进行约束，使得加工量保持在最大加工能力与最小加工能力之间；设备加工能力的约束通过式(4)实现；包括
[0065][0066]
其中，b
i,n
表示在事件点n，任务i处理的物料资源的量，kg；ω
i,n
表示在事件点n，任务i是否开始的0-1变量；表示任务i处理的物料资源的最小量；表示任务i处理的物料资源的最大量；i表示任务集合；n表示事件点；n表示事件点集合；i表示任务；
[0067]
s223：对存储容量进行约束，使得任一事件点物料资源的存储量不超过其最大存储容量，不小于其最小存储量；存储容量的约束通过式(5)实现；包括
[0068][0069]
其中，e
r,n
表示在事件点n，可以得到物料资源r的量，kg；表示物料资源的最小存储量；表示物料资源的最大存储量；r表示物料资源；n表示事件点；r表示资源集合；n表示事件点集合；
[0070]
s224：对加工顺序进行约束，包括对同一任务在同一设备上进行约束使得后一事件点的开始时间必须大于当前事件点的完成时间；对不同任务在同一设备上进行约束，使
得后一事件点的开始时间必须大于当前事件点的完成时间；以及对不同任务在不同设备上进行约束，使得后一事件点的开始时间必须大于当前事件点的完成时间；其中，
[0071]
同一任务在同一设备上的约束通过式(6)实现，
[0072][0073]
其中，t
si,n+1
表示任务i在事件点n+1的开始时间，单位为小时；t
si,n
表示任务i在事件点n的开始时间，单位为小时；αi、βi均表示任务i的持续时间系数，为常数；ω
i,n
表示在事件点n，任务i是否开始的0-1变量；b
i,n
表示在事件点n，任务i处理的物料资源的量，kg；i表示任务集合；n表示事件点；n表示事件点集合；i表示任务；r表示物料资源；
[0074]
不同任务在同一设备上的约束通过式(7)实现，
[0075][0076]
其中，t
si,n+1
表示任务i在事件点n+1的开始时间，单位为小时；t
si
′
,n
表示任务i
′
在事件点n的开始时间，单位为小时；αi′
、βi′
均表示任务i
′
的持续时间系数，为常数；ωi′
,n
表示在事件点n，任务i
′
是否开始的0-1变量；bi′
,n
表示在事件点n，任务i
′
处理的物料资源的量，kg；rj表示设备资源集合；i表示任务集合；n表示事件点；n表示事件点集合；i表示任务；r表示物料资源；i表示任务集合；ir表示物料资源任务集合；i
′
表示不同于i的任务；
[0077]
不同任务在不同设备上的约束通过式(8)实现，
[0078][0079]
其中，t
si,n+1
表示任务i在事件点n+1的开始时间，单位为小时；t
si
′
,n
表示任务i
′
在事件点n的开始时间，单位为小时；αi′
、βi′
均表示任务i
′
的持续时间系数，为常数；ωi′
,n
表示在事件点n，任务i
′
是否开始的0-1变量；bi′
,n
表示在事件点n，任务i
′
处理的物料资源的量，kg；h表示调度期；r表示资源集合；rs表示物料资源集合；i表示任务集合；n表示事件点；n表示事件点集合；i表示任务；i
′
表示不同于i的任务；表示任务i
′
产生物料资源的系数；表示任务i
′
消耗物料资源的系数；i表示任务集合；r表示物料资源；ir表示物料资源任务集合；
[0080]
s225：对调度期时长进行约束，使得所有任务的开始时间和结束时间必须在整个调度期内；调度期时长的约束通过式(9)和式(10)实现，
[0081][0082][0083]
其中，t
si,n
表示任务i在事件点n的开始时间，单位为小时；h表示调度期，单位小时；i表示任务集合；n表示事件点；n表示事件点集合；i表示任务；t
si,n
表示任务i在事件点集合n的开始时间，单位为小时；ω
i,n
表示在事件点集合n，任务i是否开始的0-1变量；b
i,n
表示在事件点集合n，任务i处理的物料资源的量，kg；αi、βi均表示任务i的持续时间系数，为常数；
[0084]
s226：对锅炉燃料消耗与高压蒸汽产生进行约束，使得锅炉工作时，其消耗的燃料的量与水的焓变(由液态水变为水蒸汽)和产生高压蒸汽的量成正比，与燃料的燃烧值和锅炉的效率成反比；对于锅炉k，在水和空气充足并连续供应的情况下，燃料m被运送到锅炉中并产生高压蒸汽。锅炉的模型可分为以下三个部分；锅炉燃料的消耗与高压蒸汽的产生的约束通过式(11)实现，
[0085][0086]
其中，
[0087][0088]
其中，表示在分段效率曲线q,燃料m的消耗量，单位：kg；hb表示沸水的焓值，单位：mj/kg；h
fw
表示常温常压下水的焓值，单位：mj/kg；表示在事件点n，设备k的第q条产汽量,单位：kg；ccm表示燃料m的燃烧值，mj/kg；η
q,k,m
表示设备k的效率曲线为q，使用燃料m时的效率；xhp表示高压蒸汽的产生量；q表示分段效率曲线；q表示分段效率曲线集合；k1表示锅炉集合；m表示燃料集合；k表示设备；m表示燃料；表示在事件点n，设备k的第0条产汽量,单位：kg；xhpmink表示设备k的最小产汽量，ton/h；表示在事件点n，设备k的第1条产汽量,单位：kg；xhpmaxk表示设备k的最大产汽量，ton/h；表示在事件点n，设备k的第2条产汽量,单位：kg；表示在事件点n，设备k的第3条产汽量,单位：kg；可见锅炉的效率与高压蒸汽的产生量之间为复杂的非线性关系；为了降低模型的求解难度，将锅炉的效率与燃料的消耗量表述为分段线性关系(本章将该分段线性关系表述为4段，分别是q＝0,1,2,3)；
[0089]
在事件点n，锅炉设备通过燃烧燃料m产生的高压蒸汽的量通过式(12)表示：
[0090][0091]
其中，xhp
n,k,m
表示锅炉燃烧燃料产生的高压蒸汽的量；a
q,n,k,m
表示在事件点n,设备k燃烧燃料m的第q条产汽系数；表示在事件点n，设备k的第q-1条产汽量,单位：kg；x
q,n,k,m
表示在事件点n，设备k燃烧燃料m的第q条产汽效率；表示在事件点n，设备k的第q段产汽量,单位：kg；k1表示锅炉集合；m表示燃料集合；k表示设备；m表示燃料；n表示事件点；n表示事件点集合；q表示分段效率曲线；
[0092]
在事件点n，锅炉生产高压蒸汽所消耗的燃料m的量通过式(13)表示：
[0093][0094]
其中，i
n,k,m
表示锅炉生产高压蒸汽所消耗的燃料的量；a
q,n,k,m
表示在事件点n,设备k燃烧燃料m的第q条产汽系数；表示在分段效率曲线q,燃料m的消耗量，单位kg；
x
q,n,k,m
表示在事件点n，设备k燃烧燃料m的第q条产汽效率；表示在分段效率曲线q-1,燃料m的消耗量，单位kg；k表示设备；k1表示锅炉集合；i表示任务集合；n表示事件点；n表示事件点集合；m表示燃料集合；m表示燃料；q表示分段效率曲线；
[0095]
式(12)和式(13)中的0-1变量a
q,n,k,m
所需的约束条件通过式(14)实现，
[0096][0097]
其中，a
q,n,k,m
表示在事件点n,设备k燃烧燃料m的第q条产汽系数；q表示分段效率曲线；q表示分段效率曲线集合；n表示事件点；n表示事件点集合；k表示设备；k1表示锅炉集合m表示燃料；m表示燃料集合；
[0098]
式(12)和式(13)中的连续变量x
q,n,k,m
所需要的约束条件通过式(15)实现，
[0099][0100]
其中，x
q,n,k,m
表示在事件点n，设备k燃烧燃料m的第q条产汽效率；q表示分段效率曲线；q表示分段效率曲线集合；n表示事件点；n表示事件点集合；k表示设备；k1表示锅炉集合；m表示燃料；m表示燃料集合；
[0101]
s227：对锅炉在运行过程中的启动和停止进行约束，锅炉在运行过程中的启动约束通过式(16)实现，
[0102][0103]
其中，sub
n,k,m
表示设备在事件点n是否产生启动成本的0-1变量；sb
n,k,m
表示设备k在事件点n是否消耗燃料m的0-1变量；sb
n-1,k,m
表示设备k在事件点n-1是否消耗燃料m的0-1变量；sb
0,k,m
表示设备k在事件点0是否消耗燃料m的0-1变量；n表示事件点；n表示事件点集合；k表示设备；k1表示锅炉集合；m表示燃料；m表示燃料集合；
[0104]
锅炉在运行过程中的停止约束通过式(17)实现，
[0105][0106]
其中，sdb
n,k,m
表示设备在事件点n是否产生停运成本的0-1变量；sb
n,k,m
表示设备在事件点n是否消耗燃料m的0-1变量；sb
n+1,k,m
表示设备在事件点n+1是否消耗燃料m的0-1变量；sb
n+1,x,m
表示设备k在事件点n+1是否消耗燃料m的0-1变量；n表示事件点；n表示事件点集合；k表示设备；k1表示锅炉集合；m表示燃料；m表示燃料集合；
[0107]
s228：对锅炉在运行过程中污染物的排放进行约束，包括氧化硫排放量的约束和温室气体排放量的约束；锅炉在运行过程中氧化硫的排放量约束通过式(18)实现，
[0108][0109]
其中，xsox
n,k
表示在事件点n，设备产生的氧化硫气体的量，ton/h；soxm表示锅炉燃烧燃料m后，氧化硫气体的排放系数；i
n,k,m
表示在事件点n，设备消耗燃料的量，kg；n表示事件点；n表示事件点集合；k表示设备；k1表示锅炉集合；m表示燃料；m表示燃料集合；i表示任务集合；
[0110]
锅炉在运行过程中温室气体排放量的约束通过式(19)实现，
[0111][0112]
其中，xghg
n,k
表示在事件点n，锅炉产生的温室气体的量，ton/h；ghgm表示设备燃烧燃料m后，温室气体的排放系数；i
n,k,m
表示在事件点n，设备消耗燃料的量，kg；n表示事件点；n表示事件点集合；k表示设备；k1表示锅炉集合；m表示燃料；m表示燃料集合；i表示任务集合；
[0113]
s229：对汽轮机物料平衡进行约束，使得汽轮机的进汽量等于其中压抽汽量、低压抽汽量与损失的蒸汽量之和；对汽轮机物料平衡的约束通过式(20)实现，
[0114][0115]
其中，txhp
n,k
表示在事件点n进入汽轮机的高压蒸汽量，ton/h；等于汽轮机的中压抽汽量、低压抽汽量与损失的蒸汽量之和；xmp
n,k
表示在事件点n，汽轮机通过抽汽得到的中压蒸汽的量，ton/h；xlp
n,k
表示在事件点n，汽轮机通过抽汽得到的低压蒸汽的量，ton/h；xehst
n,k
表示在事件点n，汽轮机损失的蒸汽的量，ton/h；n表示事件点；n表示事件点集合；k表示设备；k2表示汽轮机集合；
[0116]
s230：对汽轮机能量平衡的约束通过式(21)实现，
[0117][0118]
其中，xel
n,k
表示在事件点n汽轮机的发电量,单位：mw；ηk表示汽轮机的效率；txhp
n,k
表示在事件点n进入汽轮机的高压蒸汽量，ton/h；hb表示沸水的焓值，单位：mj/kg；hm表示中压蒸汽的焓值，单位：mj/kg；xmp
n,k
表示在事件点n，汽轮机通过抽汽得到的中压蒸汽的量，ton/h；h
l
表示低压蒸汽的焓值，单位：mj/kg；he表示高压蒸汽的焓值，单位：mj/kg；n表示事件点；n表示事件点集合；k表示设备；k2表示汽轮机集合；
[0119]
s231：对汽轮机的进汽量进行约束，使其保持在最小进汽量与最大进汽量之间；对汽轮机的进汽量约束通过式(22)实现，
[0120][0121]
其中，txhp
n,k
表示在事件点n进入汽轮机的高压蒸汽量，ton/h；txhpmin
n,k
表示在事件点n，汽轮机的最小进汽量，ton/h；txhpmax
n,k
表示在事件点n，汽轮机的最大进汽量，ton/h；n表示事件点；n表示事件点集合；k表示设备；k2表示汽轮机集合；
[0122]
s232：对汽轮机损失的蒸汽量进行约束，汽轮机损失的蒸汽量的约束通过式(23)实现，
[0123][0124]
其中，xehst
n,k
表示在事件点n，汽轮机损失的蒸汽的量，ton/h；ehstk表示汽轮机蒸汽的损失系数；txhp
n,k
表示在事件点n进入汽轮机的高压蒸汽量，ton/h；n表示事件点；n表示事件点集合；k表示设备；k2表示汽轮机集合；
[0125]
s233：对不同压力等级的蒸汽和电力的需求量进行约束；其中，对高压蒸汽的需求量的约束通过式(24)实现，
[0126][0127]
其中，xhp
n,k,m
表示在事件点n，锅炉通过燃烧燃料m产生的高压蒸汽量，ton/h；lxhpn表示在事件点n，蒸汽从高压蒸汽混合器到中压蒸汽混合器，通过减温减压阀的量，ton/h；txhp
n,k
表示在事件点n进入汽轮机的高压蒸汽量，ton/h；demhpn表示在事件点n，高压蒸汽的需求量，ton/h；n表示事件点；n表示事件点集合；m表示燃料；m表示燃料集合；
[0128]
对中压蒸汽的需求量的约束通过式(25)实现，
[0129][0130]
其中，lxhpn表示在事件点n，蒸汽从高压蒸汽混合器到中压蒸汽混合器，通过减温减压阀的量，ton/h；xmp
n,k
表示在事件点n，汽轮机通过抽汽得到的中压蒸汽的量，ton/h；lxmpn表示在事件点n，蒸汽从中压蒸汽混合器到低压蒸汽混合器，通过减温减压阀的量，ton/h；demmpn表示事件点n，中压蒸汽的需求量，ton/h；n表示事件点；n表示事件点集合；k表示设备；k2表示汽轮机集合；
[0131]
对低压蒸汽的需求量的约束通过式(26)实现，
[0132][0133]
其中，lxmpn表示在事件点n，蒸汽从高压蒸汽混合器到中压蒸汽混合器，通过减温减压阀的量，ton/h；xlp
n,k
表示在事件点n，汽轮机通过抽汽得到的低压蒸汽的量，ton/h；demlpn表示事件点n，低压蒸汽的需求量，ton/h；n表示事件点；n表示事件点集合；k表示设备；k2表示汽轮机集合；
[0134]
对电力的需求量的约束通过式(27)实现，
[0135][0136]
其中，xel
n,k
表示在事件点n汽轮机的发电量，单位：mw；elpn表示事件点n的买电量，mw；demeln表示事件点n，电力的需求量，mw；n表示事件点；n表示事件点集合；k表示设备；k2表示汽轮机集合；
[0137]
s234：对公用工程的消耗量进行约束，公用工程的消耗量的约束通过式(28)实现，
[0138][0139]
其中，dem
v,n
表示在事件点n，公用工程v的消耗量；cop
v,i
表示任务i公用工程的消耗量，蒸汽的单位为ton/(h
·
kg)，电力的单位为mw/kg；b
i,n
表示在事件点n，任务i处理的物料资源的量，kg；i表示任务；i表示任务集合；n表示事件点；n表示事件点集合；v表示公用工程；v表示公用工程集合；
[0140]
s3：序贯调度数学优化模型建立，包括如下步骤：
[0141]
s31：以投资量最小为目标，以式(2)～式(10)为约束条件对生产系统进行优化调度；整个调度期物料资源的投资量通过式(29)计算，
[0142][0143]
其中，cr表示整个调度期物料资源的投资量；lr表示物料资源任务集合；e
r,n
表示在
事件点n，可以得到物料资源r的量，kg；
[0144]
s32：在步骤s31生产系统优化调度的基础上，根据式(28)计算生产所需公用工程的消耗量；
[0145]
s33：根据步骤s32获得的生产所需公用工程的消耗量，对公用工程系统进行优化操作；其中优化的目标函数如式(1)所示，约束条件为式(11)～式(27)；
[0146]
s4：通过列队竞争算法(lca)和线性规划(lp)的混合算法对序贯调度后的数学优化模型进行求解，获得调度期总利润的优化控制方案，实现间歇生产调度子系统与公用工程子系统调度的有效集成，进而最大限度地发挥间歇生产的优越性；该混合算法的基本思想是利用列队竞争算法收敛速度快的优点在外层搜索0-1变量组合，而内层采用线性规划进行求解，通过这两种方法的交替求解来逼近最优解；该混合算法包括如下步骤：
[0147]
s41：随机产生k组0-1变量，构成k个家族，即k组父代；由k个家族得到k组线性规划问题；通过线性规划分别计算k个家族的目标函数值；
[0148]
s42：按照目标函数值的大小，对k个家族进行排列，形成一个列队；若为最大化问题，则目标函数值最大的排在最前，目标函数值最小的排在最后；反之，则相反；
[0149]
s43：根据每个家族在列队中的位置，来确定k组0-1变量的变异次数；排在列队中最前的家族拥有最少的变异次数，而排在最后的则拥有最多的变异次数；通过变异，由k组父代得到k组子代；通过线性规划计算k组子代的目标函数值；
[0150]
s44：比较每个家族子代与父代，保留优秀的个体，并作为下一代的父代；
[0151]
s45：重复步骤s42～s44直到达到预先设定的终止条件。
[0152]
步骤s43作为整个混合算法的核心，列队中的第一位变异较少的次数，有利于局部搜索，能够快速的找到最优解，而列队中的最后一位变异较多的次数，则有利于全局搜索；在搜索的过程中，这种对变异次数的处理的方法能平衡局部搜索和全局搜索。
[0153]
本发明提供的基于混合算法的工业间歇生产与公用工程集成调度方法的工作原理：通过建立集成调度模型和序贯调度模型，采用通过列队竞争算法(lca)和线性规划(lp)的混合算法对序贯调度后的数学优化模型进行求解，求解结果证明序贯模型虽然求解困难，但具有较好的目标函数，证明了集成调度模型的优越性和可行性；通过将流程工业间歇过程中生产与公用工程看成一个整体，进行集成调度，能够解决现有的间歇过程生产与公用工程系统调度只注重生产系统的调度，造成生产供需不平衡，影响正常生产的问题；通过列队竞争算法(lca)和线性规划(lp)的混合算法对序贯调度后的数学优化模型进行求解；利用列队竞争算法收敛速度快的优点在外层搜索0-1变量组合，而内层采用线性规划进行求解，通过这两种方法的交替求解实现最优解的获取；本发明将间歇生产调度子系统与公用工程子系统调度进行集成，使得总利润最优化，最大限度地发挥间歇生产的优越性，同时又能有效减少能源成本；将本发明提出的序贯调度模型与集成调度模型的建模方法应用到山东某化工企业三套生产系统，对每个实例，考虑调度时长h＝24和h＝40两种情况，并考虑生产能力分别为最大生产能力的70％、90％、100％几种情况，实例的求解结果表明：集成方法与序贯方法相比，在节约企业总成本的同时，还能减少污染物的排放；能够有效解决流程工业生产与公用工程集成调度问题。
[0154]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种基于混合算法的工业间歇生产与公用工程集成调度方法，其特征在于，包括如下步骤：s1：在调度前明确生产子系统和公用工程子系统的已知输入条件，通过集成调度确定生产子系统和公用工程子系统的输出指标；s2：集成调度数学优化模型的建立；包括目标函数的模型建立和约束条件的模型建立；s3：序贯调度数学优化模型建立；包括如下步骤：s31：以投资量最小为目标，以步骤s2建立的约束条件模型对生产系统进行优化调度；s32：在步骤s31生产系统优化调度的基础上，计算生产所需公用工程的消耗量；s33：根据步骤s32获得的生产所需公用工程的消耗量，对公用工程系统进行优化操作，获得序贯调度数学优化模型；s4：通过列队竞争算法和线性规划的混合算法对序贯调度后的数学优化模型进行求解，获得调度期总利润的优化控制方案，实现间歇生产调度子系统与公用工程子系统调度的有效集成，进而最大限度地发挥间歇生产的优越性。2.根据权利要求1所述的基于混合算法的工业间歇生产与公用工程集成调度方法，其特征在于：步骤s2中目标函数的模型建立通过式(1)实现：其中，mincost表示调度期内的总成本最小值；cf
m
表示燃料的价格；i
n,k,m
表示在事件点n，设备k消耗燃料的量；elp
n
表示事件点n的买电量；cel表示买电单价；xsox
n,k
表示在事件点n，设备k的氧化硫气体排放量；psox表示氧化硫气体的排放单价；xghg
n,k
表示在事件点n，设备k产生的温室气体的量；pghg表示温室气体的排放单价；k1表示锅炉集合；m表示燃料；m表示燃料集合。3.根据权利要求2所述的基于混合算法的工业间歇生产与公用工程集成调度方法，其特征在于：步骤s4包括：s41：随机产生k组0-1变量，由k个家族得到k组线性规划问题，通过线性规划分别计算k个家族的目标函数值；s42：按照目标函数值的大小，对k个家族进行排列，若为最大化问题，则目标函数值最大的排在最前，目标函数值最小的排在最后；反之，则相反；s43：根据每个家族在列队中的位置，确定若干组0-1变量的变异次数；通过变异，由k组父代得到k组子代；通过线性规划计算k组子代的目标函数值；s44：比较每个家族子代与父代，保留优秀的个体，并作为下一代的父代；s45：重复步骤s42～s44直到达到预先设定的终止条件。4.根据权利要求3所述的基于混合算法的工业间歇生产与公用工程集成调度方法，其特征在于：步骤s2中约束条件的模型建立包括物料资源平衡的约束、设备加工能力的约束、存储容量的约束、加工顺序的约束、调度期时长的约束、锅炉燃料消耗与高压蒸汽产生的约束、锅炉在运行过程中的启动和停止的约束、污染物排放的约束、汽轮机物料平衡的约束、
汽轮机能量平衡的约束、汽轮机进汽量的约束、汽轮机损失蒸汽量的约束、不同等级蒸汽量和电量的约束以及公用工程消耗量的约束模型建立。5.根据权利要求4所述的基于混合算法的工业间歇生产与公用工程集成调度方法，其特征在于：锅炉燃料消耗与高压蒸汽产生的约束模型通过式(12)表示：其中，k1表示锅炉集合；q表示分段效率曲线；xhp
n,k,m
表示锅炉燃烧燃料产生的高压蒸汽的量；a
q,n,k,m
表示在事件点n,设备k燃烧燃料m的第q条产汽系数；表示在事件点n，设备k的第q-1条产汽量；x
q,n,k,m
表示在事件点n，设备k燃烧燃料m的第q条产汽效率；表示在事件点n，设备k的第q段产汽量。6.根据权利要求5所述的基于混合算法的工业间歇生产与公用工程集成调度方法，其特征在于：对汽轮机能量平衡的约束模型通过式(21)实现，其中，xel
n,k
表示在事件点n汽轮机的发电量；η
k
表示汽轮机的效率；txhp
n,k
表示在事件点n进入汽轮机的高压蒸汽量；h
b
表示沸水的焓值；h
m
表示中压蒸汽的焓值；xmp
n,k
表示在事件点n，汽轮机通过抽汽得到的中压蒸汽的量；h
l
表示低压蒸汽的焓值；h
e
表示高压蒸汽的焓值；n表示事件点集合；k2表示汽轮机集合。7.根据权利要求6所述的基于混合算法的工业间歇生产与公用工程集成调度方法，其特征在于：步骤s31中的约束条件包括物料资源平衡的约束、设备加工能力的约束、存储容量的约束、加工顺序的约束、调度期时长的约束、锅炉燃料消耗与高压蒸汽产生的约束、锅炉在运行过程中的启动和停止的约束、以及污染物排放的约束；步骤s33中对公用工程系统进行优化操作的目标函数通过式(1)实现，对公用工程系统进行优化操作的约束条件包括汽轮机物料平衡的约束、汽轮机能量平衡的约束、汽轮机进汽量的约束、汽轮机损失蒸汽量的约束、不同等级蒸汽量和电量的约束以及公用工程消耗量的约束。8.根据权利要求7所述的基于混合算法的工业间歇生产与公用工程集成调度方法，其特征在于：步骤s31中整个调度期物料资源的投资量通过式(29)计算，其中，c
r
表示整个调度期物料资源的投资量；l
r
表示物料资源任务集合；e
r,n
表示在事件点n，可以得到物料资源r的量，单位kg；n表示事件点集合；r表示物料资源。9.根据权利要求6所述的基于混合算法的工业间歇生产与公用工程集成调度方法，其特征在于：步骤s32中生产所需公用工程消耗量根据式(28)计算，
其中，dem
v,n
表示在事件点n，公用工程v的消耗量；cop
v,i
表示任务i公用工程的消耗量；b
i,n
表示在事件点n，任务i处理的物料资源的量；n表示事件点集合；v表示公用工程；v表示公用工程集合。10.根据权利要求1-9中任一项所述的基于混合算法的工业间歇生产与公用工程集成调度方法，其特征在于：步骤s1中生产子系统和公用工程子系统的已知输入条件包括调度期总时长，间歇过程的资源任务网描述，任务的加工时长系数，每个设备的最大加工能力，每种物料资源的最大存储量，基于热电联产的公用工程系统的流程图，公用工程子系统中每台锅炉的煤耗方程，公用工程子系统中每台汽轮机的特性方程，生产子系统中每个任务的单位时间单位质量所消耗的公用工程的量，所用燃料的价格，所用燃料的燃烧值，所用燃料在燃烧时氧化硫气体的排放系数，以及所用燃料在燃烧时温室气体的排放系数；生产子系统和公用工程子系统的输出指标包括生产子系统中每个任务的加工批量、每台设备上各任务的开始时间、每台设备上各任务的加工顺序、每台设备上各任务的加工时间，公用工程子系统中锅炉的运行状态、汽轮机的运行状态，以及通过减温减压阀的蒸汽量。
技术总结本发明公开了一种基于混合算法的工业间歇生产与公用工程集成调度方法，包括：在调度前明确生产子系统和公用工程子系统的已知输入条件，通过集成调度确定生产子系统和公用工程子系统的输出指标；集成调度数学优化模型的建立；包括目标函数的模型建立和约束条件的模型建立；序贯调度数学优化模型建立；通过列队竞争算法和线性规划的混合算法对序贯调度后的数学优化模型进行求解，获得调度期总利润的优化控制方案，实现间歇生产调度子系统与公用工程子系统调度的有效集成，进而最大限度地发挥间歇生产的优越性。挥间歇生产的优越性。挥间歇生产的优越性。
技术研发人员：陈超 陈国辉 鄢烈祥 周力
受保护的技术使用者：汉谷云智（武汉）科技有限公司
技术研发日：2022.06.27
技术公布日：2022/11/1
