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数据可视化技术在炼钢-连铸生产调度中的应用 |
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作者：施灿涛 王宁宁 李铁克 |
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引言
炼钢-连铸生产过程是现代钢铁企业的核心工序，其生产调度问题是钢铁企业生产管理的核心问题和难点所在。炼钢-连铸生产调度既要协调炼钢、精炼、连铸3个工序的生产节奏，又要考虑与后续的轧制工序之间的衔接，因此对调度系统的实时性和动态性有极高的要求。
近年来，针对炼钢-连铸生产调度应用系统方面的研究已有很多成果。由于种种原因，炼钢-连铸生产调度领域的理论研究成果往往与实际生产情况之间存在很大的差异。生产调度软件开发的难点在于算法的复杂程度和人机交互的频繁程度。目前存在的一些生产调度软件的缺陷大都是算法与实际生产相背离或者人机交互界面不够友好。为了满足炼钢-连铸生产调度领域这一需求，可视化技术逐渐成为研究热点。本文在上述研究基础上，使用Dundas数据可视化技术，实现了在炼钢-连铸生产管理中对调度计划以甘特图的形式进行展示、监控和调整的功能。
1 Dundas数据可视化技术
数据可视化，也称作计算机可视化，它是一种计算方法，能够将符号或数据转化为直观的几何图形，便于研究人员观察及模拟计算过程。可视化技术包括图像综合，这就是说可视化是用来解释输入到计算机中的图像技术，并从复杂的多维数据中生成图像的一种工具。数据可视化技术改变了传统的通过关系数据表来观察和分析数据信息的方式，使人们能够以更直观的方式看到数据及其结构关系，发现数据中隐含的信息。数据可视化技术具有交互性、多维性和视觉性等特点，一方面它可以加快数据处理的速度，使数据的使用者可以更快、更高效地获得有用的信息；另一方面通过人机之间的图像交互，挖掘出数据中所隐藏的潜在的有价值的信息。简言之，数据可视化技术能够给数据以形象，给信息以智能。
Dundas Software是数据可视化的专门工具，可以调整各种样式，连接大多数数据库，简化程序开发过程。Dundas Chart能够提供多达37种图表类型，除了常见的图表类型（如线形、柱形、饼形等）之外，还提供需要专业性的图表类型（如玫瑰图、Sparkline图、瀑布图、范围图等）。此外，用户还能通过Dundas强大的自定义图表类型功能创建各种各样的自定义图表，生成销售图表、财务图表、股票趋势图等。Dundas Chart支持高级数据分析和处理功能，应用内建公式计算数据，过滤数据点，处理丢失数据或空数据，分组数据点等，允许用户仅需数行代码即可在数秒内完成大量数据的分析。使用Dundas Chart制作的图表具有美观的视觉效果，不仅能够提供三维效果，还能支持Flash或者SVG格式的动画。Dundas Chart提供了全面的功能和完善的框架，开发者能够很方便地实现高级图表展示，使企业更加直观有效地管理和分析数据，提高工作效率。在炼钢-连铸生产调度中采用Dundas数据可视化技术，可将炼钢-连铸生产调度计划以甘特图的形式表现出来，以可视化的方式准确模拟现实中的炼钢-连铸调度，及时反馈调度信息，使用户能够更加直观地编制、监控和调整炼钢－连铸调度计划。
2 炼钢-连铸生产调度
炼钢-连铸生产过程是现代钢铁企业生产流程中的核心工序，主要涉及炼钢、精炼、连铸3个工序，如图1所示。来自高炉的铁水经冶炼加工后转变为钢水，通过精炼处理保证所需要的化学成分和温度，然后在连铸机上浇铸成预定规格的板坯供轧制工序使用。
图1 炼钢-连铸生产流程
炼钢-连铸生产调度是指在炉次和浇次计划的基础上，以炉次为最小单位，为炉次指定转炉设备、精炼设备和连铸机，并确定其在各设备上的生产时序和操作顺序，当生产受到随机事件干扰而不能按原计划执行时，要及时调整炉次的处理设备和生产时间，以保证生产物流畅通。
在炼钢-连铸生产过程中，合理地安排出钢计划是组织生产、保证物流畅通的关键。企业希望能够使用调度软件达到如下目的：按合同编制生产计划时能够选择较好的物流路径，使得加工时间最短，发现系统存在的瓶颈及堵塞，以便提高设备利用率和缩短生产周期，并能够模拟突发事件的发生，做到防患于未然。
3 基于Dundas的炼钢-连铸生产调度
炼钢-连铸生产计划调度系统是钢铁制造执行系统（MES）的重要组成模块，可以实现生产计划的实时控制，优化生产排程和集中调度，强化工序之间的衔接，进而提高生产调度的效率。而将数据可视化技术引入到炼钢-连铸生产调度系统中，以甘特图形式对炼钢-连铸生产调度计划进行展现和监控，并且增加手动调整功能应对生产过程中的动态扰动事件，则能为生产管理人员提供更加直观便捷的工作平台，大大提高生产和管理效率。
Dundas数据可视化技术在炼钢-连铸生产调度系统中的应用主要体现在3个方面：计划编制、计划监控和计划调整。
3.1 计划编制与展示
计划编制模块负责生成调度计划，并将炼钢-连铸生产调度结果用甘特图的形式展示出来。如图2所示，甘特图以时间为横坐标，以加工设备为纵坐标，反映出工件在各工序加工设备上的任务安排情况。计划编制模块由调度计划生成和绘制甘特图两部分组成，其中调度计划生成将调用优化引擎，结合生产约束等参数生成静态调度方案，并将调度方案写入数据库，在此基础上调用绘制甘特图方法将调度方案以甘特图形式展示。对于已编制完成的调度计划则只需调用绘制甘特图方法即可。
在Dundas中，绘制甘特图的关键在于Data Point类的使用。Data Point类用来存储与数据相关联的属性以及数据点值，例如，数据点具有值，但它也具有颜色属性、背景图像属性、背景渐变属性等。对于甘特图来说，每个数据点包含一个X值和两个Y值，X值指的是工件的加工设备，两个Y值分别为某一工件在特定设备中加工的开始时间和结束时间。此外，Data Point类既可以在设计或运行时添加数据，也可以在运行时使用数据绑定，给动态图表的绘制带来了极大便利。绘制甘特图的主要代码如下：
3.2 计划监控
炼钢-连铸生产调度系统应具有实时监控的功能，通过监控生产调度系统的运行情况，以便实时掌控加工生产过程中工件的加工状态，及时发现异常情况，并进行适当的干预指导，使整个生产流程有序、受控、按计划地进行，提高生产效率和计划兑现率。
随着生产过程的推进，已完成的生产任务在Dundas甘特图中相应位置应能够实时更新显示样式，这就需要Dundas与数据库进行实时交互。工件在某道工序上加工完成之后，现场操作人员执行“完工确认”操作，将数据库中“完工确认”字段置为“Y”，此时触发甘特图的更新操作，改变该工件在相应工序的显示样式。
3.3 计划调整
在炼钢-连铸生产过程中，常常会出现各种随机扰动事件，例如炉次延迟到达、炼钢和精炼机器故障、钢水成分不合格、钢水温度补偿等，这些都会给连铸机的生产带来不利影响，使得原浇铸方案无法按计划执行；而连铸出坯时间和出坯顺序的变化、铸坯温度和质量的不稳定又会造成热轧调度方案执行的困难，因此需要在短时间内对原调度方案进行调整以恢复生产的可行性，并使因扰动事件引起的生产损失达到最小。
在炼钢-连铸生产调度系统中，采用基于Dundas数据可视化技术的人机交互方法可以实现根据生产过程中遇到的动态事件，通过鼠标拖拽的方式对原调度计划进行手动调整的功能。调整方式有3种：调整加工时长、调整加工顺序和调整加工设备。调整过程包括3个步骤：首先根据操作记录修改信息由操作人员确认或更改，然后再调用优化引擎进行约束验证，最后保存并输出新的调度方案。
调度计划调整功能有效地克服了传统静态甘特图信息单向流动的不足，一方面可以将调整信息反馈到数据库中，另一方面使计划人员能够直观简便地修改炼钢-连铸生产调度计划，从而提高工作效率，满足生产实际中的实时性要求。
4 结论
炼钢-连铸生产调度系统作为钢铁企业制造执行系统的核心组成部分，一直是钢铁企业生产计划的重点和难点。本文采用Dundas数据可视化技术，以甘特图的形式对炼钢-连铸生产调度计划进行展示、监控和调整。载入生产实际数据运行表明，系统能够直观、实时、准确地反映生产现场的实时信息，确保生产安全、稳定和顺行，满足客户的需求，提高钢铁企业的生产效率。 (end)
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(2/17/2012) |
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