基于多Agent的钢铁生产复杂物流系统建模与仿真研究

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在当前资源严重短缺,环境严重恶化,环保政策日益严格的情况下,钢铁生产企业要实现节能减排目标,进一步提高自身适应性和国际竞争能力,实现资源循环利用和本身可持续性发展,必须对企业生产物流系统进行研究、分析和优化。钢铁生产是一个多工序、多工位、空间跨度大、生产品种多的具有动态和不确定性的复杂物流系统。钢铁生产复杂物流系统是影响产品品种、质量和产量的关键因素,认识其生产物流规律,进行合理的生产计划及调度,是实现生产物流畅通的保障,是提高产品产量和降低生产成本的关键。Agent的自主性、社会性、反应性、主动性、移动性、理智性等特性可以用来实现动态的、不确定环境的、大规模的软件系统。多Agent系统把多个Agent有效组织起来,相互协作和交流,形成问题的求解环境,并根据环境和交流知识进行推理、学习等,能够有效实现系统整体性能的提高和适应系统的灵活性、柔性、开放性等要求。面向Agent的开发方法已经成为软件工程领域的新趋势,为复杂系统的理解、建模、开发提供了一种很自然的方法,它使分布式的结构变得更简单、智能化和具有鲁棒性。本文旨在利用多Agent技术探索一种既能描述钢铁生产过程复杂物流系统特性,又能反应物流系统的动态特征,并能对不同形式的钢铁生产流程具有广泛适应性的建模仿真方法和软件工程设计方法,在理论和实践方面均具有非常重要的意义。针对钢铁生产过程灵活性、柔性和适应性的要求及其物流系统的复杂性特点,根据Agent技术优势及多Agent系统优点,其应用在钢铁生产复杂物流仿真系统中时可有效克服已有建模方法的不足,提出了基于多Agent的钢铁生产复杂物流仿真系统建模方法,把钢铁生产过程复杂的物流系统抽象为一个多Agent系统,基于通用性原则对仿真系统模型进行软件工程的分析、设计与实现技术研究。首先在对钢铁生产物流系统复杂性充分认识和把握的基础上,把多Agent技术引入到钢铁生产复杂物流系统的建模过程中,实现对基于多Agent的钢铁生产复杂物流仿真系统的系统功能分层抽象和定义;其次,通过分析仿真系统中Agent类型及结构,在对Petri网结构和功能进行扩展和Agent行为理论及Agent间交互行为理论拓展的基础上,建立了仿真系统中Agent的行为及其之间的交互模型,并借助形式化描述工具Petri网实现Agent内部动作和外部动作及其之间交互的形式化建模;另外,由于钢铁生产过程中物流系统灵活性和柔性的特殊要求,致使钢铁生产过程中的运输系统在整个物流系统中具有举足轻重的地位,本文就运输系统中天车运行机制进行详细分析和研究的基础上,实现了运输系统和物流仿真系统的有机结合;最后,为确保基于多Agent的钢铁生产复杂物流仿真系统模型的有效性和正确性,在对多Agent系统工程建模方法扩展的基础上实现对复杂物流仿真系统的分析设计,建立了相应的复杂物流仿真系统模型,并进一步借助Agent建模工具实现对整个仿真系统模型的分析设计和模型验证。根据昆钢炼钢厂的生产实际,建立相应的基于多Agent的钢铁生产物流仿真模型,并将仿真结果和实际数据相对比,结果表明:①基于多Agent的钢铁生产复杂物流系统仿真模型是正确有效的,可以根据实际规模要求灵活搭建基于工序及工位的仿真模型。在相似的输入条件下,仿真结果与实际系统中转炉至连铸区间的物流平均流通时间进行对比分析进一步表明:基于多Agent的钢铁生产复杂物流系统仿真模型和实际系统没有明显差别,能正确反映炼钢厂的复杂物流实况。②基于多Agent的钢铁生产复杂物流系统仿真模型可以根据不同生产流程特点构建相应的仿真模型,仿真可揭示不同生产流程在不同生产条件下的生产瓶颈,脱硫工序在有混铁炉和取消混铁炉的炼钢生产流程中均为生产瓶颈,对于取消混铁炉的炼钢生产流程,当铁水进厂节奏较慢时(3罐/60min),脱硫工序为生产瓶颈,当铁水进厂节奏提高到一定程度(≥5罐/60min)后,转炉工序成为生产瓶颈。③利用仿真模型可为不同钢铁生产流程下制定提高生产效率、多台连铸机同时实现连浇的策略提供决策支持。比较有混铁炉和取消混铁炉的炼钢生产流程,当铁水进厂节奏比较慢时(3罐/60min),加快铁水进厂节奏或加快转炉冶炼周期有利于生产效率和连浇百分比的提高,而对于取消混铁炉的生产流程,此时较长的转炉冶炼周期反而有利于生产效率的提高;铁水进厂节奏达到一定程度后(≥5罐/60min),铁水进厂节奏或转炉冶炼周期的加快对提高生产效率和连浇百分比均没有明显效果,对于取消混铁炉的炼钢生产流程,加快转炉冶炼周期有利于提高系统生产效率。④基于多Agent的钢铁生产复杂物流系统仿真模型具有的通用性、实用性和灵活性,能正确模拟炼钢生产的复杂物流特性,可针对不同生产过程进行系统诊断和预演,根据仿真模型的仿真结果,可实现对钢铁生产组织和生产流程物流的优化管理,为全连铸生产管理及物流控制的改进提供决策支持。本文研究表明:基于多Agent的钢铁生产复杂物流系统仿真模型建模方法在表达炼钢生产物流特性、揭示复杂物流系统运行机制方面更有效,能更好的满足当前分布式复杂系统的建模需要,具有对各种炼钢生产物流系统进行灵活建模且仿真适应性较强。该建模方法的提出和实现为复杂制造流程的建模与物流仿真研究提供了新的手段和方法。
摘要第3-6页
ABSTRACT第6-9页
第一章 绪论第13-43页
    1.1 引言第13-15页
    1.2 钢铁生产物流系统概述第15-24页
        1.2.1 钢铁生产流程概述第15-16页
        1.2.2 钢铁生产流程特点及复杂性第16-18页
        1.2.3 钢铁生产复杂物流系统第18-19页
        1.2.4 复杂系统理论和研究方法第19-24页
    1.3 钢铁生产复杂物流系统研究现状第24-37页
        1.3.1 钢铁生产复杂物流与生产调度关系第24-25页
        1.3.2 钢铁生产调度问题主要研究方法第25-32页
        1.3.3 钢铁生产复杂物流系统研究方法第32-33页
        1.3.4 钢铁生产复杂物流系统及生产调度系统研究现状第33-37页
    1.4 本文主要研究内容及创新点第37-43页
        1.4.1 论文研究思路第37-39页
        1.4.2 论文主要研究内容第39-40页
        1.4.3 论文的创新点第40-43页
第二章 Agent建模理论与仿真方法第43-71页
    2.1 引言第43页
    2.2 多Agent系统概述第43-53页
        2.2.1 Agent技术第44-49页
        2.2.2 多Agent系统第49-53页
    2.3 多Agent系统建模与仿真第53-69页
        2.3.1 多Agent系统建模第53-54页
        2.3.2 多Agent系统仿真第54-69页
    2.4 小结第69-71页
第三章 钢铁生产复杂物流多Agent建模与仿真第71-127页
    3.1 钢铁生产流程分析第71-73页
    3.2 钢铁生产复杂物流系统多Agent仿真模型第73-85页
        3.2.1 钢铁生产复杂物流多Agent系统第74-77页
        3.2.2 钢铁生产复杂物流系统Agent类型和结构第77-85页
    3.3 钢铁生产复杂物流多Agent仿真模型关键技术第85-119页
        3.3.1 Agent关系描述第85-88页
        3.3.2 Agent通信描述第88-90页
        3.3.3 Agent行为Petri网建模第90-110页
        3.3.4 Agent交互行为Petri网建模第110-119页
    3.4 钢铁生产复杂物流多Agent运输系统第119-126页
        3.4.1 运输系统重要性分析第119页
        3.4.2 运输系统特点分析第119-120页
        3.4.3 运输系统中工序和工位关系描述第120-126页
    3.5 小结第126-127页
第四章 钢铁生产复杂物流多Agent仿真系统设计第127-141页
    4.1 MaSE方法和AgentTool工具介绍第127-130页
        4.1.1 MaSE方法简介第127-129页
        4.1.2 AgentTool工具简介第129-130页
    4.2 基于MaSE的钢铁生产复杂物流仿真系统设计第130-140页
        4.2.1 钢铁生产复杂物流仿真模型的系统目标获取第130-132页
        4.2.2 钢铁生产复杂物流仿真系统应用用例设计第132-133页
        4.2.3 钢铁生产复杂物流仿真系统中角色提炼第133-135页
        4.2.4 仿真系统中Agent类的创建第135-136页
        4.2.5 仿真系统中Agent间对话的构建第136-139页
        4.2.6 仿真系统中Agent类的设计与组装第139-140页
        4.2.7 系统设计第140页
    4.3 小结第140-141页
第五章 钢铁生产复杂物流多Agent仿真系统实现第141-179页
    5.1 系统开发平台第141-143页
        5.1.1 基于AnyLogic平台的Agent的建模方法第142-143页
        5.1.2 基于AnyLogic平台的Agent交互第143页
    5.2 系统设计概述第143-147页
        5.2.1 系统设计背景第143-146页
        5.2.2 系统设计目标第146-147页
    5.3 系统总体设计第147-149页
        5.3.1 仿真模型结构功能设计第147-148页
        5.3.2 数据库设计第148-149页
    5.4 系统软件实现第149-178页
        5.4.1 仿真模型的程序实现第149-175页
        5.4.2 参数设定与模型仿真界面第175-176页
        5.4.3 模型运行结果表达第176-178页
    5.5 小结第178-179页
第六章 钢铁生产复杂物流多Agent仿真模型检验与仿真实验第179-205页
    6.1 仿真模型检验第179-184页
        6.1.1 昆钢生产工艺数据统计分析第179-181页
        6.1.2 仿真条件第181-183页
        6.1.3 仿真结果第183-184页
    6.2 生产条件对生产过程的影响第184-203页
        6.2.1 仿真实验设计第184-188页
        6.2.2 生产模式Ⅰ仿真分析第188-195页
        6.2.3 生产模式Ⅱ仿真分析第195-203页
    6.3 小结第203-205页
第七章 总结与展望第205-209页
    7.1 论文工作总结第205-207页
    7.2 工作展望第207-209页
致谢第209-211页
参考文献第211-225页
附录A (攻读博士学位期间发表的论文专利)第225-227页
附录B第227-250页
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