带罐约束的多目标短期炼油调度优化研究_侯艳.pdf

第 卷 第 期 年 月江西师范大学学报（自然科学版）（）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（，）和广东省重点领域研发计划课题（）资助项目作者简介：侯 艳（），女，湖北公安人，副教授，博士，主要从事离散事件系统、生产计划与调度优化研究：侯艳，任丙飞，滕少华，等 带罐约束的多目标短期炼油调度优化研究 江西师范大学报（自然科学版），（）：，（），（）：文章编号：（）带罐约束的多目标短期炼油调度优化研究侯 艳，任丙飞，滕少华，朱清华（广东工业大学计算机学院，广东 广州）摘要：短期炼油调度问题不仅涉及多个优化目标，而且存在复杂的约束条件 由于带罐约束加剧了蒸馏塔对供油罐资源的争夺，所以这将导致调度解空间呈指数级膨胀，供油速度联调下协同优化效应急剧恶化基于此，为保证任意供油速率下调度决策的可靠性和效率，该文提出了一种带罐约束的短期炼油多目标调度优化算法 首先，任给一组炼油任务，在带罐约束下通过随机设置不同供油速度，使得算法能够获取在每种速度下可行调度方案、参数以及策略 其次，通过炼油成本计算与多目标评估，选择获取优化调度方案及策略 此外，该算法改进了交叉算子，通过优化交叉操作的父代选择策略，对父代种群进行快速非支配排序，支配等级高的父代赋予更高的被选中概率，使父代优良基因能更好地遗传到子代 因此，该算法综合考虑了供油罐使用成本与切换成本、原油在管道中的混合成本与在罐底的混合成本等多维炼油调度目标，在带罐约束下获取了可变供油速度下的炼油任务优化调度策略 最后，通过与 种经典多目标进化算法进行比较，对比结果表明：应用新算法以及策略在炼油成本上降低了.关键词：炼油；生产计划和调度；带罐约束；算法中图分类号：文献标志码：引言随着国家对环保问题的重视，相关部门对全国原油一次加工能力提出了进一步的限制 由于炼油厂的原油一次加工能力与其产能挂钩，所以在加工能力受限后，节约生产成本成为生产利润最大化的主要途径 有研究表明：优化后的炼油调度计划可以大大节省原油一次加工过程中产生的额外成本 但是原油一次加工过程是一个包含离散事件和连续过程的混合系统，不仅包含大量的操作约束、资源约束和时间约束，而且还具有装置多、生产规模庞大以及工艺复杂等特点，目前炼油短期调度问题已被证实为 问题 如何优化炼油短期调度计划成为近年来众多学者的研究热点之一大部分学者采用传统的数学规划方法对问题进行建模优化 等基于离散时间变量，构建了混合整数线性规划模型（，），在该模型中每个时间槽内只能存在一个离散事件，用决策变量来决定该离散事件是否发生，但是随着问题复杂程度的提升，需要更细致地划分时间，使得时间槽缩短，从而导致决策变量随之急剧增加 为了解决上述问题，等基于连续时间提出了一个 模型，利用该模型对炼油厂内的油罐调度问题进行了优化 等基于连续时间和状态任务网络（，）对原油调度问题建模，在该模型中原油脱盐操作被视为一个单独的任务，原油脱盐成本被视为其中一个优化目标 虽然上述基于连续时间的模型减少了决策变量的数量，但是随着调度周期的增大，以及解决问题的复杂性提升，引入连续时间变量将不可避免产生非线性约束，从而使得该问题的数学模型变为混合整数非线性规划模型（，）由于炼油短期调度问题具有 属性，所以很难在有限时间内求解一个关于此类问题的 模型 为了更高效地生成短期调度计划，一些学者提出了一种基于仿真建模的方法解决该问题 等将原油调度过程分为上下 层，在上层中采用线性规划方法以最大化生产利润为目标制定出每个蒸馏塔的炼油计划，在下层中则运用 相关理论对问题进行仿真建模，从而得出在不同情况下的可调度性条件，并基于这些可调度性条件生成可行的炼油短期详细调度计划来满足上层的生产安排 但是该方法只能保证获得调度计划的可行性，并没有对调度计划进行优化 目前已有大量研究表明进化算法在优化调度问题时有着优越的表现 为了获得优化的炼油短期详细调度计划，文献将炼油短期调度问题转换为一种资源指派问题，视供油罐为一种资源，并将其指派给蒸馏塔，从而使得该问题可以运用遗传算法进行优化求解 侯艳等在假设上层炼油计划已知的情况下，在下层中利用智能算法获得了优化的原油详细调度计划，但是以上优化过程均没有考虑带罐约束 文献在考虑带罐约束的前提下，分析了炼油短期调度问题的可调度性条件，但是并没有进一步对该问题进行优化 综上可知，目前仍没有相关研究对包含带罐约束炼油短期调度问题进行优化，而忽略带罐约束对问题进行优化将会导致获得的短期调度计划不能直接应用于实际生产 因此，本文首先基于文献的指派思想，分析带罐约束的特性，从保证调度决策可行的角度出发，提出了一种新的带罐约束处理策略，使其转换为可用多目标进化算法优化的多目标调度问题 为了提高进化算法在该问题上的优化性能，对（）算法进行改进，提出了 算法优化短期详细生产调度计划 原油一次加工和短期调度问题在介绍如何得到优化的短期详细生产调度计划之前，先简单介绍原油一次加工过程及其短期详细生产调度计划（见图）油轮储油罐管道供油罐蒸馏塔图 原油一次加工过程图 为炼油厂原油一次加工过程示意图，该过程可以分为 个阶段：）在装载原油的油轮到达港口后，在油轮中的原油被卸载到港口的储油罐中；）根据炼油厂内的炼油需求，以管道运输的方式将原油从港口储油罐转运至厂区供油罐中；）按照炼油计划，在供油罐中的原油被源源不断地输送到蒸馏塔内进行炼制 在以上过程中涉及以下优化目标：（）油轮卸载原油的成本；（）油轮的等待成本；（）储油罐的使用成本；（）最大化生产率；（）由于在供油罐供油时不能完全压出罐内原油，所以不同类型的原油会在供油罐的罐底混合，从而产生罐底混合成本；（）不同类型的原油在管道内的混合成本；（）在蒸馏塔更换供油罐时出现的供油罐切换成本；（）供油罐的使用成本 其中基于控制理论目标（）（）已经在上层中用线性规划方法进行了优化，本文将优化目标（）（）短期炼油调度问题如文献所述，生成详细的短期调度生产计划分 个阶段 首先利用线性规划方法在上层中生成蒸馏塔炼制计划，然后基于 模型得到的可调度性条件，在下层中生成详细的短期调度计划，从而实现上层的蒸馏塔炼油计划本文工作将基于上层得到的蒸馏塔炼制计划，在满足带罐约束的前提下，在下层中得到优化的短期详细调度生产计划 为了更方便地描述短期详细调度生产计划，首先给出原油调度决策的定义定义 原油调度决策用 元组，表示，其中表示调度决策需要操作的原油类型，和 分别表示在该调度决策中原油的来源与原油需要送往的目的地，表示在调度决策中需要处理的原油量，和 分别表示调度决策执行的起始时间和结束时间在原油转运过程中，调度决策一共分为 种类型：）代表原油从油轮卸载到港口储油罐的卸油决策；）代表原油从港口储油罐通过管道运输至江西师范大学学报（自然科学版）年炼油厂内供油罐的转运决策；）代表原油从炼油厂内供油罐到蒸馏塔的供油决策 详细调度计划就是要通过制定一系列的调度决策来实现给定的蒸馏塔炼油计划 因此一个短期详细原油调度计划 可以表示为 ，其中 、和 分别表示制定一个短期详细调度计划所需要 、和 的数量在实际生产中，炼油厂为了降低炼油成本，通常会在油价较低时大量购入足够用于生产的原油，因此本文假设在储油罐中原油足够，不考虑 ，只对 和 做优化 接下来给出该问题的优化目标以及在优化过程中需要满足的约束条件 约束条件与优化目标令和分别代表原油 和 ，原油类型集合为，为原油在管道内的混合成本系数矩阵，代表和在管道内的混合成本系数，代表在调度周期内和在管道内的混合次数；为原油在供油罐底部混合的成本系数矩阵，代表和在供油罐底部的混合成本系数，代表在调度周期内和在供油罐底部的混合次数；表示单个供油罐的使用成本系数，代表在调度期内使用的供油罐总个数；代表蒸馏塔单次切换供油罐的成本系数，代表在调度期内切换供油罐的次数 优化目标函数如下所示：，|其中 表示原油在管道中的混合成本，表示原油在罐底的混合成本，表示供油罐使用成本，表示供油罐切换成本令 代表蒸馏塔集合，为集合 中的元素个数，代表 中的第 个蒸馏塔，；令 代表供油罐集合，代表集合 中的元素个数，代表 中的第 个供油罐，；调度周期为 ；（，）代表在时刻 时设备 作为输入接口连接其他设备的数量；（，）代表在时刻 时设备 作为输出接口连接其他设备的数量；（，）代表在时刻 时设备 存储原油类型的数量；（）代表设备 停止接收原油的时间；（）代表设备 开始输出原油的时间整个调度周期涉及的约束如下：（，），（）（，），（）（，），（）（，）（，），（）（，），（）（）（），（）式（）表示在任何时刻时蒸馏塔只能从一个供油罐接收原油，且蒸馏塔都必须处于连续工作的状态；式（）表示在任何时刻时供油罐只能从一条管道接收原油；式（）表示在任何时刻时一个供油罐至多只能给一个蒸馏塔供油；式（）表示在任何时刻时任何一个供油罐都不可以同时被充油和供油；式（）表示在任何时刻时每个供油罐内最多只能存放一种原油；式（）表示在原油被转运至供油罐后，罐内原油在输送至蒸馏塔之前，必须在罐内驻留一段时间使得原油与盐水分离，这段时间为驻留约束时间，用 表示上述为在不含带罐约束条件下的短期炼油调度优化模型，本文将在上述约束条件的基础上，考虑带罐约束，同时优化上述多个目标 接下来将详细介绍带罐约束条件，并对带罐约束过程进行分析，给出合理的带罐约束处理方式 带罐约束原油优化调度 带罐约束条件假设蒸馏塔 的供油决策集合为，其中 代表在调度期内 的供油决策个数，代表 的供油决策集合中的第 个供油决策，令，和，分别代表，的开始时间和结束时间，和，分别代表，的开始时间和结束时间，带罐约束时长用 表示，则带罐约束描述为（，），（，），其他，（），（）其中，不难看出，在带罐约束条件引入后，约束（）同时需要做出调整，其中式（）代表在带罐约束期间内需要 个供油罐同时给蒸馏塔供油，也就是说当一个供油罐即将供油结束面临切换供油罐供油时，需要另一个供油罐与之同时向该蒸馏塔供油，这样做是为了更第 期侯 艳，等：带罐约束的多目标短期炼油调度优化研究加平稳地切换供油罐，避免因供油罐切换而使得蒸馏塔产生波动现象 带罐约束时长 一般设置为常量 带罐约束分析 等首先根据油罐初始存储状态对系统进行初始化得到初始状态，根据初始状态 生成空闲供油罐到蒸馏塔的指派，根据指派以及当前系统状态，获得决策的原油类型以及可以转运的原油量，从而得到对应的 和 ，到达下一个新的状态，重复以上步骤，直至所有蒸馏塔炼制计划完成 本文基于以上指派思想对问题进行转换如图 所示，图（）和图（）分别为不考虑带罐约束和考虑带罐约束的情况 当不考虑带罐约束时，令，表示，的结束时间，同时也是，的开始时间 在不考虑带罐约束的情况下执行决策，时，该决策的供油速率始终等于蒸馏塔 的炼油速率，因此只要确定了，的炼油量，时间点，就随之确定 当引入带罐约束时，从图（）不难看出在时间区间，内有 个供油决策同时执行，此时，的供油速率小于蒸馏塔 的炼油速率，且该供油速率从一个常量变为了在调度过程中的待优化变量，此时即使，的炼油量确定了，的开始时间和结束时间也难以确定Fl,iFl,i+1时间tl,i蒸馏塔dlFl,iFl,i+1蒸馏塔dl时间Fl，iFl，i+1（b）考虑带罐约束（a）不考虑带罐约束图 不考虑带罐约束与考虑带罐约束的对比图由带罐约束的描述可知：供油决策，对应的供油罐必须在时间点，之后才可以向其充油，对应的供油罐内的原油必须在时间点，之前完成驻留 也就是说，当考虑带罐约束时，由于，和，受供油速率影响，即使在时间区间，内，和，的供油速率满足了带罐约束，若供油速率选择不合适，则也会使得获得的调度违反其他约束条件 因此，在指派过程中优化带罐期间的供油速率，同时保证调度不违反其他约束条件为本研究的主要难点之一 带罐约束处理 系统初始化阶段在初始化过程以及后续的指派过程中供油决策 均会生成，首先介绍初始化过程 系统初始化过程也就是要将初始存储在供油罐中的原油分配给蒸馏塔的过程 由于蒸馏塔炼油计划以及在初始时供油罐存储原油信息均已知，所以根据供油罐内存储原油的型号可以找到需要炼制此