高压绝缘电缆生产工序的能碳协同调度优化方法及系统与流程

本发明涉及电缆生产调度与能效优化，具体涉及一种高压绝缘电缆生产工序的能碳协同调度优化方法及系统。

背景技术：

1、高压绝缘电缆广泛应用于电力输配电工程，其生产过程通常包括导体加工、绝缘挤出、屏蔽加工、成缆、铠装、护套挤出、冷却定型及收线检测等多个连续生产工序。由于各生产工序之间具有固定的工艺顺序，并且不同生产设备之间存在生产节拍匹配、物料连续流转以及设备协同运行等要求，因此高压绝缘电缆生产属于典型的连续制造过程。

2、随着能源价格波动及节能降碳要求不断提高，高压绝缘电缆生产企业在满足订单交付要求的同时，还需要综合考虑生产过程中的用电成本、设备运行效率以及能源利用水平，对生产计划进行合理安排，以降低生产成本，提高生产效率。因此，生产调度已成为影响高压绝缘电缆制造经济性和生产稳定性的重要因素。

3、目前，高压绝缘电缆生产线通常依据生产订单及设备能力制定生产计划，并按照预先设定的生产节拍组织各生产设备运行。当生产过程中出现分时电价变化、设备运行状态变化或者生产任务调整时，通常采用人工经验调整生产顺序、设备启停时刻及生产速度，或者仅针对部分生产设备进行局部优化。上述调度方式虽然能够满足基本生产需求，但不同生产工序之间的生产节拍协调、设备启停安排及物料流转关系通常分别进行考虑，缺少面向整条生产线的统一调度机制。

4、此外，现有生产调度方法通常主要关注生产效率或生产成本，对于生产过程中能源消耗、碳排放成本、设备启停影响、生产速度变化以及不同工序之间物料衔接关系等因素缺乏统一协调，在生产计划调整过程中容易出现设备频繁启停、生产速度波动较大、上下游工序节拍不匹配以及中间物料积压等情况，不仅影响生产线连续稳定运行，而且难以兼顾生产成本、能源利用效率及生产组织效率。

5、因此，亟需提供一种新的高压绝缘电缆生产工序调度方法，解决现有生产调度过程中生产组织协调性不足、综合运行成本较高以及难以兼顾生产效率和能源利用效率的问题。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种高压绝缘电缆生产工序的能碳协同调度优化方法及系统，以实现对不同工序物料衔接关系、生产节点运行状态及能碳成本的统一建模与协同优化，在满足生产工艺约束的前提下降低生产线综合运行代价，并提高生产调度结果的可执行性和生产控制自动化水平。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、一种高压绝缘电缆生产工序的能碳协同调度优化方法，包括：

4、s1，获取高压绝缘电缆生产线的连续生产工序信息，构建以各连续生产工序为生产节点、以相邻生产工序之间的物料衔接关系为连接边的有向生产拓扑，并根据相邻生产工序间的物理特性，将各连接边进行分类；

5、s2，按照预设调度周期构建离散时间框架，并为每一生产节点和连接边定义决策变量；

6、s3，根据用于表征单位用电成本与单位碳排放成本叠加关系的综合用能成本及各决策变量，构建用于表征生产线在调度周期内综合运行代价的目标函数；

7、s4，根据各连接边的类型分别建立物料衔接约束，并结合生产节点的生产协同约束，形成能碳协同调度约束；

8、s5，以所述目标函数最小为优化目标，在所述能碳协同调度约束下对各生产节点和各连接边的决策变量进行求解，得到生产线在调度周期内的调度优化结果，并根据所述调度优化结果生成对应生产设备的启停控制指令和变频调速指令。

9、进一步地，步骤s1中，根据相邻生产工序间的物理特性，将各连接边进行分类，具体包括：

10、根据相邻生产工序之间是否要求同一调度时段直接衔接、是否需要经过工艺驻留时间后释放以及是否允许通过中间缓存进行跨时段解耦，将各连接边划分为直接连续边、可缓存解耦边和必须延迟边，并通过连接边类型参数表示连接边类型，表达式为：

11、

12、上式中，e表示连接边编号，表示连接边e的类型参数，分别为三个取值不同的连接边类型参数；

13、其中，高压绝缘电缆生产线的连续生产工序信息依次包括导体绞制、绝缘挤出、导体屏蔽、成缆与填充、金属铠装、外护套挤出、中间冷却和收线检测；根据各相邻生产工序之间的对应关系，分别为相邻生产工序之间的连接边赋予对应的连接边类型参数：导体绞制工序与绝缘挤出工序之间、导体屏蔽工序与成缆与填充工序之间、成缆与填充工序与金属铠装工序之间以及金属铠装工序与外护套挤出工序之间对应的连接边类型参数表示可缓存解耦边；绝缘挤出工序与导体屏蔽工序之间对应的连接边类型参数表示必须延迟边；外护套挤出工序与中间冷却工序之间以及中间冷却工序与收线检测工序之间对应的连接边类型参数表示直接连续边。

14、进一步地，步骤s2中，生产节点的决策变量包括：用于表征生产节点运行或停机状态的运行状态变量、用于表征生产节点所选速度档位的速度档位选择变量、用于表征生产节点由停机状态切换为运行状态的启动变量、用于表征生产节点由运行状态切换为停机状态的停机变量、用于表征生产节点在对应调度时段完成加工量的加工长度变量以及用于表征相邻调度时段速度变化幅度的调速幅度辅助变量中的一种或多种；

15、连接边的决策变量包括：用于表征上游生产节点产出物料直接进入下游生产节点的直接流量变量、用于表征上游生产节点产出物料进入缓存区或延迟区的入缓存或入延迟区流量变量、用于表征下游生产节点从缓存区或延迟区取料加工的出缓存或出延迟区流量变量以及用于表征连接边在对应调度时段结束后库存量的缓存或延迟区库存变量中的一种或多种。

16、进一步地，步骤s3中，所述目标函数根据电费成本、碳排放成本、设备启停成本、速度偏差惩罚成本、调速平滑惩罚成本、缓存使用成本以及直接流协调成本构建得到，表达式为：

17、

18、上式中，为目标函数，分别表示电费成本、碳排放成本、设备启停成本、速度偏差惩罚成本、调速平滑惩罚成本、缓存使用成本以及直接流协调成本；

19、其中，所述电费成本通过将各工序在各时段、各速度档位下的能耗与对应时段的分时电价相乘，并在所有工序、时段和速度档位上累加得到；

20、所述碳排放成本通过将各工序在各时段、各速度档位下的用电量与对应时段的电力碳排放因子、碳价格相乘，并在所有工序、时段和速度档位上累加得到；

21、所述设备启停成本通过将生产节点的启动变量和停机变量分别统计设备由停机切换为运行、由运行切换为停机时产生的代价相加，并在所有工序、时段上累加得到；

22、所述速度偏差惩罚成本通过计算实际选择速度档位与额定速度之间的平方偏差并与偏离额定运行速度的调度方案施加的惩罚相乘，并在所有工序、时段和速度档位上累加得到；

23、所述调速平滑惩罚成本通过调速幅度辅助变量与速度变化幅度的惩罚相乘，并在所有工序、时段上累加得到；

24、所述缓存使用成本包括物料进出缓存或延迟区的处理成本以及半成品在缓存或延迟区中占用库存的持有成本；

25、所述直接流协调成本包括可缓存边或必须延迟边中物料直接从上游工序流向下游工序时产生的协调成本。

26、进一步地，所述电费成本的表达式为：

27、

28、上式中，t表示调度时段集合；i表示工序集合；k表示速度档位集合；表示工序i在速度档位k下的运行功率；表示单个调度时段的时长；表示时段t的分时电价；表示工序i在调度时段t是否选择速度档位k；

29、所述碳排放成本的表达式为：

30、

31、上式中，表示时段t的电力碳排放因子，表示碳排放价格；

32、所述设备启停成本的表达式为：

33、

34、上式中，表示工序i的一次启动成本；表示工序i的一次停机成本；表示工序i在调度时段t的启动变量，表示工序i在调度时段t的停机变量；

35、所述速度偏差惩罚成本的表达式为：

36、

37、上式中，表示工序i的速度偏差惩罚系数；表示速度档位k对应的生产速度；表示工序i的额定速度；

38、所述调速平滑惩罚成本的表达式为：

39、

40、上式中，为工序i的调速平滑惩罚系数，为工序i在时段t的调速幅度辅助变量；

41、所述缓存使用成本的表达式为：

42、

43、上式中，e表示连接边集合；e表示连接边编号；表示连接边e的类型参数；表示单位物料进出缓存或延迟区的处理成本；表示连接边e在时段t的入缓存或入延迟区流量；表示连接边e在时段t的出缓存或出延迟区流量；表示单位库存持有成本；表示连接边e在时段t结束后的缓存或延迟区库存；

44、所述直接流协调成本的表达式为：

45、

46、上式中，表示单位直接流协调成本，表示连接边e在时段t的直接流量。

47、进一步地，步骤s4中，根据各连接边的类型分别建立物料衔接约束之前，先建立相邻生产工序之间的物料平衡约束；所述物料平衡约束用于将上游生产节点的加工长度分配为直接进入下游生产节点的直接流量以及进入缓存区或延迟区的入区流量，并将下游生产节点的加工长度表示为直接流量和出区流量之和，表达式为：

48、

49、

50、

51、上式中，e表示连接边编号，t表示调度时段编号，分别表示连接边e对应的上游生产节点及下游生产节点在调度时段t的加工长度，表示连接边e在时段t的直接流量，表示连接边e在时段t的入缓存或入延迟区流量，表示连接边e在时段t的出缓存或出延迟区流量。

52、进一步地，步骤s4中，根据各连接边的类型分别建立物料衔接约束具体包括：

53、对于直接连续边，建立禁止缓存和禁止延迟的直接衔接约束；对于可缓存解耦边，建立缓存动态约束、出库约束和缓存容量约束；对于必须延迟边，建立禁止直接流约束、延迟区动态约束、延迟释放约束和延迟区容量约束；

54、其中，所述直接衔接约束用于使上游生产节点的输出物料在同一调度时段内直接进入下游生产节点，并使该连接边不产生缓存库存或延迟库存，表达式为：

55、

56、

57、上式中，表示连接边e在时段t的直接流量，表示连接边e在时段t的入缓存或入延迟区流量，表示连接边e在时段t的出缓存或出延迟区流量，表示连接边e在时段t结束后的缓存或延迟区库存，分别表示连接边e对应的上游生产节点及下游生产节点在调度时段t的加工长度；

58、所述缓存动态约束用于根据上一调度时段库存、当前调度时段入缓存流量和当前调度时段出缓存流量确定当前调度时段结束后的缓存库存，表达式为：

59、

60、上式中，表示连接边e在调度时段t-1结束后的缓存库存；

61、所述出库约束用于避免当前调度时段进入缓存区的物料在同一调度时段被作为历史缓存物料释放，表达式为：

62、

63、所述缓存容量约束用于限制缓存库存不超过预设缓存容量，表达式为：

64、

65、上式中，表示连接边e的最大缓存容量；

66、所述禁止直接流约束用于使上游生产节点的输出物料不能在同一调度时段直接进入下游生产节点，表达式为：

67、

68、所述延迟区动态约束用于根据上一调度时段延迟区库存、当前调度时段入延迟区流量和当前调度时段出延迟区流量确定当前调度时段结束后的延迟区库存，表达式为：

69、

70、所述延迟释放约束用于使出延迟区流量仅来自满足最小工艺延迟时长的历史库存，表达式为：

71、

72、

73、上式中，表示连接边e的初始缓存库存，表示连接边e在当前调度时段之前至少经过个调度时段的历史库存，表示连接边e的最小延迟时段数。

74、进一步地，所述生产协同约束包括档位选择约束、加工长度约束、强耦合工序同步约束、启停逻辑约束、最小连续运行约束、最小连续停机约束、最大连续停机约束、订单产量约束、日终库存清零约束以及调速连续约束中的一种或多种，其中：

75、档位选择约束用于使每一生产节点在运行状态下仅选择一个速度档位、在停机状态下不选择速度档位；

76、加工长度约束用于使生产节点在各调度时段的加工长度由所选速度档位和调度时段长度确定；

77、强耦合同步约束用于使存在强耦合关系的生产节点在同一调度时段保持相同运行档位；

78、日终库存清零约束用于使调度周期末的缓存或延迟区库存为零；

79、成品产量约束用于使最终生产节点在调度周期内的累计加工长度满足订单需求产量；

80、启停逻辑约束用于使启动变量和停机变量由相邻调度时段的运行状态变化确定，且同一生产节点在同一调度时段不同时启动和停机；

81、最小连续运行时间约束用于使生产节点启动后保持不少于预设时长的连续运行；

82、最小连续停机时间约束用于使生产节点停机后保持不少于预设时长的连续停机；

83、最大连续停机时间约束用于使任一预设停机窗口内至少存在一个运行调度时段；

84、调速平滑约束用于使调速幅度辅助变量表征相邻调度时段等效运行速度变化的绝对值。

85、一种高压绝缘电缆生产工序的能碳协同调度优化系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行高压绝缘电缆生产工序的能碳协同调度优化方法的步骤。

86、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序/指令，所述计算机程序/指令被编程或配置以通过处理器执行高压绝缘电缆生产工序的能碳协同调度优化方法的步骤。

87、与现有技术相比，本发明的优点在于：

88、本发明通过将高压绝缘电缆的连续生产工序及相邻工序间的物料衔接关系统一构建为有向生产拓扑，并依据相邻生产工序间的物理特性对连接边进行分类，可使调度模型能够更准确地表征生产工序之间不同的物料衔接关系；通过在离散时间框架下统一定义生产节点和连接边的决策变量，可实现生产设备运行与工序间物料流转的协同描述；通过将单位用电成本与单位碳排放成本相结合构建综合运行代价目标函数，可使生产调度能够同时兼顾用电经济性与碳排放成本；通过针对不同连接边建立物料衔接约束，并结合生产节点的生产协同约束，可保证调度优化结果符合工序物料衔接及生产协同要求；最终在约束下联合求解各决策变量，并将调度优化结果转化为生产设备的启停控制指令和变频调速指令，可提高调度结果的可执行性和生产控制自动化水平，实现高压绝缘电缆生产线综合运行代价的优化。