用于规划精炼厂的操作的建模工具的制作方法

专利名称：用于规划精炼厂的操作的建模工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于优化精炼厂和相关供应链的操作的方法。
背景技术：
规划工具被广泛地用在石油化学工业中以帮助精炼厂中的作业的规划。广泛地用在石油化学工业中的规划工具之一是艾斯本技术有限公司(AspenTech)的PMS、霍尼韦尔(Honeywell)的RPMS以及Haverly Systems的GRTMPS。用在这些工具中的模型通常由以下各项组成:(i)原料(例如原油)供应数据，包括数量和价格；(ii)原料表征数据；(iii)产品(例如汽油、柴油)需求数据，包括数量和价格；(iv)表示生产设施的过程模型；(V)表示混合设施和规范的产品混合模型；以及(vi)其它约束。这些规划工具可以被用作为用于原料采购、炼油操作、产品销售或其它规划决策的决策支持辅助工具。传统上，原料采购和产品销售决策在将时间层表示为其中平均条件被假定贯穿每个周期的一个周期的规划优化模型(即周期平均模型)的基础上进行。开发原料配送进度表和生产进度表的任务是主要单独作业，所述单独作业在针对原料采购和生产的周期平均计划已经被开发之后结束。考虑到这些采购和销售决策，更详细的生产规划和/或生产调度被作为后续步骤来执行。理论上，将开发与规划模型结果一致并且等效于规划模型结果的可行的生产进度表。然而，实际上，过程操作在时间层上不是均匀的，并且将这个假定为真的规划模型常常导致不能够被转换成等效进度表的规划结果。模拟模型可以被用来支持生产进度表的开发。生产进度表可以包括各种过程操作中的改变，所述各种过程操作被调度以在时间层期间的特定时间处开始和结束。原料配送和产品装运将被调度使得这些与生产进度表一致并且可行。常常，运输费用是显著的并且运输费用的最小化是重要的。每个周期内的库存动态不在生产规划作业中考虑，因为该计划被以生产的周期平均视角加 以执行。然而，在生产进度表中库存和物料库存水平在每个周期内的波动可能是重要的。通常，生产调度作业寻求发现和生产计划相匹配的可行的进度表,其中可行性包括在时间层期间始终使库存水平保持在所允许的范围(最小和最大水平)内。附加目标是最小化库存保持费用(即最小化资本费用)。调度工具可以被用来获得用于原料配送、生产以及产品装运的可行的进度表。此类生产调度工具的示例是艾斯本技术有限公司的0R10N、霍尼韦尔的ProductionScheduler^HaverIy Systems 的 H/SCHED 以及 M3Technology 的 SIMT0。期望规划模型和调度模型是一致的。即使如此，也不保证生产计划可以被转换成等效的生产进度表。这个方式的一个弱点是生产规划和生产调度被作为两个单独的顺序步骤来执行。用于原料评估和选择决策的优化模型不影响调度考虑事项。这能够限制从这个优化模型获得的解决方案的质量。当调度考虑事项对采购和销售决策具有显著影响时，这些因素在优化模型中的缺失能够导致非最佳总体解决方案。因此，需要将这些作业中的若干个或全部的组合优化为一个统一的作业。关于针对调度问题来开发模型的主题的著名公开包括如下:(I) R.Karuppiah, K.C.Furman 和 1.E.Grossmann 的“Global Optimization for Scheduling RefineryCrude Oil Operations”，Computers&Chemical Engineering32, 2745-2766 (2008)；
(2)S.Mouret, 1.E.Grossmann 和 P.Pestiaux 的 “A Novel Priority-Slot BasedContinuous-Time Formulation for Crude-Oil Scheduling Problems，，，Ind.Eng.Chem.Res.48，8515-8528(2009)。在这两个公开中，船只进度表(或运输进度表)和原料采购决策被作为输入给出。因此，这些方式不适用于原料选择、运输调度以及生产调度的同时的解决方案。

发明内容
本发明提供了用于规划(包括调度)一个或多个生产设施的操作的方法。所述生产设施能够包括下列中的一个或多个:石油精炼厂、石油化学精炼厂、化学工厂或其它制造工厂、或这些的任何组合以及它们的相关供应链。所述方法使用表示一个或多个生产设施的操作的建模方式，所述操作能够包括运输作业和库存。所述建模方式处理其中不同的生产实体可以根据异步进度表操作的情形。所述方法可以被用于各种应用，包括生产设施的优化或模拟。

各种规划作业可以通过本发明来建模和解决，包括:Ca)供给物料选择，包括数量和定时；(b)产品销售，包括数量和定时；(c)过程操作，包括过程条件和定时；(d)混合操作，包括过程条件和定时；(e)向和/或来自设施的运输，包括运输模式、数量以及定时；和/或(f)库存管理，包括库存移动和定时、库存极限以及随着时间的推移的库存量。在一个实施例中，所述方法可以被用来作为组合问题来优化:(i)供给物料选择，(ii)运输调度，以及(iii)生产规划(包括生产调度)。在一个方面，本发明提供了用于确定生产设施的操作的方法。所述方法使用该生产设施的基于计算机的数学模型，其中，所述数学模型包括两个或更多个无罐生产实体和与该无罐生产实体相关联(例如直接地或间接地连接到；或在其上游和/或下游)的一个或多个罐生产实体(即罐实体)的表示。例如,罐实体可能是通过直接的或间接的(经由中间设备)连接的无罐生产实体的下游；并且可能是通过直接的或间接的(经由中间设备)连接的另一无罐生产实体的上游。每个无罐生产实体由包括对无罐生产实体的行为建模的一组数学关系(作为等式给出)的对应子模型来表示。所述子模型表示无罐生产实体的每个操作时间间隔中的无罐生产实体。在一个实施例中，包含在无罐生产实体的子模型中的等式的数目与该无罐生产实体的操作时间间隔的数目相关(即与其具有数学关系，诸如与其成比例或与其相等)。用于每个无罐生产实体的操作时间间隔的数目可以作为输入数据被接收(例如直接地通过用户，或者从数据库、表或电子表格)，或者由建模工具使用其它输入数据来计算。针对每个无罐生产实体的子模型可以包括与无罐生产实体的操作有关的决策变量。这些决策变量可以包括与操作时间间隔的持续时间有关的决策变量。所述罐实体由包括对罐实体的行为建模的一组数学关系(作为等式给出)的对应子模型来表示。针对罐实体的子模型表示罐实体的每个操作时间间隔中的罐实体。在一个实施例中，包含在罐实体的子模型中的等式的数目与该罐实体的操作时间间隔的数目相关(即与其具有数学关系，诸如与其成比例或与其相等)。用于罐实体的操作时间间隔的数目使用与该罐实体相关联(例如连接到其)的无罐生产实体的操作时间间隔的数目来计算。这个计算可以以任何适当的方式来执行以反映罐实体的行为和/或操作如何受到它与所关联的无罐生产实体的关系影响。在某些情况下，所述计算可以产生将对于表示罐实体所需要的最大数目的操作时间间隔和所关联的无罐生产实体的操作时间间隔，如在下文进一步描述的那样。上述方法被用来对一个或多个生产设施建模。用于处理操作时间间隔的方式的一个优点是它能够减少或者最小化当随着时间而允许操作的优化时所考虑的时间间隔的数目。目标函数基于针对生产设施的一个或多个性能度量而被定义。结果得到的数学模型使用一个或多个计算机来求解以获得解决方案。求解结果被用来确定用于生产设施的操作计划，包括用于生产实体的操作进度表。在一些实施例中，所述方法还包括根据操作计划来操作生产设施(包括操作生产实体，并且可选地，操作所关联的供应链)。在某些实施例中，所述数学模型可以被公式化为优化模型，其包括用于生产设施的性能度量的一个或多个目标函数。该一个或多个目标函数可以包括来自子模型的项，诸如有助于性能度量的数量(例如供给物料消耗、生产等)和组成成分(性质、质量等)。求解该数学模型以用于最大化或者最小化性能度量。为了计算性能度量，该数学模型可以包括各种成本相关的参数，包括与供给物料的成本有关的参数和与保持库存的成本有关的参数。为了基于性能度量进行决策，该数学模型可以包括各种决策变量，包括与供给物料的选择相关的那些。在某些情况下，该数学模型还包括与运输选项的成本有关的参数和与运输调度有关的决策变量。所述模型可以包括与数量(例如要采购的每个供给的数量)、性质(例如产品流的物理性质)、速率(例如供给流的流量)和/或时间决策(例如针对供给物料的配送进度表)相关的决策变量。在一些实施例中，本发明的建模方法学处理其中用于两个或多个无罐生产实体的操作时间间隔是异步的情形。罐实体的角 色中的一个是处理无罐生产实体的异步操作时间间隔。例如，罐实体可以具有与所关联的无罐生产实体的时间间隔对准的时间间隔。为了定义罐实体的时间间隔如何与无罐生产实体的时间间隔对准，所述数学模型可以进一步包括二元变量、连续变量和/或表示罐实体的操作时间间隔与无罐生产实体的操作时间间隔之间的关系的数学关系。本发明还可以被实现为具有用于执行如本文所述的各种过程的可执行指令的计算机可读存储介质。存储介质可以为任何类型的计算机可读介质(即，能够被计算机读取的一个)，包括非暂时性存储介质，诸如磁或光磁带或盘(例如，硬盘或CD-ROM)、固态易失性或非易失性存储器，包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可编程存储器(EPR0M或EEPR0M)或闪速存储器。术语“非暂时性计算机可读存储介质”包括所有计算机可读存储媒体，唯一例外是暂时性传播信号。本发明还可以被实现为被编程为执行本文所述的各种过程的计算机系统。所述计算机系统可以包括用于执行这些过程的各种组件，包括处理器、存储器、输入装置和/或显示器。所述计算机系统可以为任何适当的计算装置，包括通用计算机、嵌入式计算机系统、网络装置或移动装置，诸如手持式计算机、膝上型计算机、笔记本计算机、平板计算机等。所述计算机系统可以为独立计算机或者可以在网络化环境中操作。


图1示出了具有异步时间间隔的精炼厂的两个过程单元的示例。图2示出了具有同步时间间隔的精炼厂的两个过程单元的示例。图3示出了具有异步时间间隔和组合时间间隔的精炼厂的两个过程单元的示例。图4示出了具有两个过程单元和罐在其间的示例。图5示出了针对两个异步过程单元的流流量的示例。图6示出了针对具有部分同步的时间间隔的两个异步过程单元的流流量的示例。图7示出了罐与生产实体相互作用的概念视图。图8示出了具有异步时间间隔的两个过程单元和用于所关联的罐的对应时间间隔的示例。图9示出了其中所关联的调度时间间隔基于供给实体时间间隔方法来计算的若干个过程单元和罐的示例。图10示出了基于供给实体时间间隔方法确定的时间间隔的示例。图11示出了其中所关联的调度时间间隔基于内部时间间隔方法来计算的若干个过程单元和罐的示例。图12示出了基于内部 时间间隔方法确定的时间间隔的示例。图13示出了本发明能够如何被用来解决包括供给物料到精炼厂中的运输调度、过程单元在精炼厂中的操作以及从精炼厂出来的产品的运输调度的问题。图14示出了用来表示在运输调度问题中保持在原料采购与消耗之间的库存的虚拟罐，图15是示出了针对理想和非理想混合罐内容物的组成成分如何随着时间的推移而改变的图。图16示出了简单的原油精炼厂的示例示意布局。图17示出了用于图16的炼油厂中的罐原油2的时间间隔。图18示出了异步间隔在被划分成均匀持续时间的离散时间间隔的时间层中的示例。图19示出了同步间隔在被划分成非均匀持续时间的连续时间间隔的时间层中的示例。图20示出了同步间隔在被划分成均匀持续时间的离散时间间隔的时间层中的示例。图21示出了库存水平随着时间的推移的图。
具体实施例方式在生产工厂，供给物料(包括诸如原油的原料以及中间物料)被作为期望产品的生产中的步骤供给到生产设备中。本发明的建模工具可以被用来帮助为生产工厂规划操作，包括确定过程操作和这些过程操作的调度。操作规划可以在任何给定的时间层上执行，并且可以涉及供给物料的选择、对生产实体的操作进行调度、确定生产实体的操作(包括产品混合)、对运输进行调度、进行产品销售决策和/或管理库存。建模工具可以将这些作业中的一个或多个认为统一问题以确定优化的操作计划。例如，建模工具可以将供给物料选择、生产调度以及运输调度作为统一问题来对待。在其它示例中，建模工具可以组合以下作业:-生广调度和运输调度；-生产调度和过程操作；-供给物料选择和运输调度；-供给物料选择、生产规划以及运输调度；-供给物料选择、生产规划以及生产调度；-供给物料选择、生产规划以及生产调度以及运输调度。替换地，这些中的一个或多个可以被视为单独的、顺序的作业。未被包括在总体模型中的作业可以在该模型中被作为给定决策来提供。例如，所述工具可以针对给定的一组供给物料和产品销售决策来优化生产调度和运输调度；或者针对给定的生产进度表和库存确定来优化供给物料选择和运输调度。本发明的建模工具可以被用于操作优化或者用于生产设施的模拟。当被用于优化时，建模工具可以根据各种性能度量中的任何一个来优化操作规划，所述各种性能度量包括生产度量(诸如工厂设备利用、生产量或生产时间)或经济度量(诸如运行费用或净利润)。建模工具是否将寻求最小化或者最大化性能度量将取决于正被量化的性能度量的类型。通常，对于物料成本和运行费用，建模工具将寻求最小化性能度量。通常，对于净利润或生产量的性能度量，建模工具将寻求最大化性能度量。每个生产设施都包括一个或多个生产实体，其可以是与生产、消耗、存储、变换(例如转换)、分离、组合或者运输正由生产设施所处理的物料的生产设施相关联的任何设备。在精炼厂的情况下，此 类物理生产实体的一些示例是过程单元(例如，原油蒸馏单元、催化裂化单元或加氢裂化单元)、罐、混合单元(或搅拌器)、反应器、分离单元、混合器以及分离器。生产实体还可以为在虚拟意义上表示向生产设施的供应、从生产设施出来的产品或正由生产设施所处理的物料的运输或移动的作业。此类作业的一些示例包括正由设施所处理的物料的采购、销售以及运输(例如，海上船运、轨道、卡车、管道等)。(生产实体还在本文中可以被称为“操作实体”。术语“生产实体”旨在与“操作实体”可交换地使用，但术语“生产实体”是优选的因为它可能不太令人困惑。例如，短语“操作实体的操作”因为词根“操作”的重复出现而可能是令人困惑的。)生产实体可以使用任何适当的建模技术来建模，包括照惯例用在周期平均模型中的那些。这些生产实体可以被表示为问题的总体模型公式化内的一个或多个子模型。此类生产实体子模型通常包括与针对生产实体的过程条件(例如炼油过程单元的温度、流量、数量等)、过程约束(包括极限或边界)有关的决策变量，以及对于表示过程行为所需要的其它变量和等式。每个生产设施还包括用于存储正由生产设施所处理的物料的一个或多个单元(例如罐)。这些存储罐在上游或在下游被连接到其它生产实体。罐处理生产实体之间的接口，并且可以经历相邻生产实体的异步过程进度表。罐还能够处理生产设施中的库存管理。建模工具能够对罐使用任何适当的模型，包括照惯例用来以周期平均计划模型对罐建模的那些。所述一个或多个罐可以被表示为问题的总体模型内的一个或多个子模型。此类罐子模型通常包括与物料的数量、物料的组成成分(例如性质或质量)或物料的流入/流出流动有关的决策变量，还包括对于物料平衡和组成成分平衡的约束(包括库存极限或边界)，以及对于表示罐行为所需要的其它变量和等式。模型中的罐实体可以对应于生产设施中的物理罐，或者可能是被该模型用来表示物料在生产设施中(例如在其它生产实体之间)的任何保持或存储的虚拟罐。操作规划照惯例使用周期平均模型在月滚动基础上被执行。在周期平均模型中，在时间段上变化的作业可以由在该时间段上的平均值来近似。周期平均模型通常假定所有作业同时地发生在该时间段期间，而不是表示发生在特定时间的不同操作块。因此，常规生产规划模型中的过程单元模型是与时间无关的，同时模型变量和约束表示操作在时间层期间的平均天。例如，考虑在其中特定过程单元停止运行15天的30天时间层(例如对于八月份来说)上使用的单周期规划模型。周期平均模型可以使用这件设备在30天期间的平均容量，而不是表示针对当设备在运行中或停止运行时的两个不同15天周期的设备的容量。例如，如果这个过程单元的标准容量是每天200个单位，则根据这个实践，过程单元容量按比例反映在该月份期间的平均容量，使得单元容量能够被定义为:200单位/天*((31-15)天/31天)=103.2单位/天。不像周期平均模型，本发明的建模工具将时间层划分成与生产实体在生产设施中的不同操作相对应的多个时间间隔。针对生产实体的过程操作的调度在特定于单独的生产实体的时间间隔的基础上被执行。诸如采购或销售的其它作业的调度也在特定于单独的生产实体的时间间隔的基础上被执行。罐中的库存水平计算提供了能够具有异步进度表的其它生产实体之间的接口。在每个时间间隔内，通过定义过程单元操作是恒定的。尽管在现实实践中，操作将在给定间隔期间变化因为维持完全恒定的操作通常是不可能的。但为了建模的目的，操作将被认为在每个间隔期间是恒定的。在每个时间间隔内，罐变量中的一些可以取周期平均值(例如进入罐或者从其出来的流量)，而其它罐变量的值(例如，物料的数量)可以贯穿时间间隔而改变。 采用这个框架，总体生产进度表可以被认为是一系列生产运行，其中每个生产运行表示生产实体的不同操作块。对于被考虑的每个生产运行，进度表可以设置开始时间和结束时间，以及在该时间段期间的一个或多个过程操作。同样地，数学模型包括与针对每个时间间隔的过程操作有关的决策变量。时间层可以包括多个生产运行，每个由模型来个别地处理。生产实体的不同生产运行可以通过将每个生产运行认为生产实体的单独模型来个别地表示。例如，每个生产实体子模型可以被包括在总体模型中N次，其中N是用于该生产实体的时间间隔的数目。因此，每个时间间隔都可以具有它自己的与针对该生产实体的过程条件(例如用于特定过程单元的操作条件自由度)、过程约束(包括极限或边界)有关的决策变量，以及对于表示过程行为所需要的其它变量和等式。为了允许每个生产实体具有如优选的不同时间间隔和不同的进度表，每个时间间隔可以具有与时间间隔的参数(例如间隔持续时间、间隔开始时间、间隔结束时间等)有关的决策变量。总体生产进度表可以被表示为确定生产运行的顺序和定时的任务。这个模型中的决策变量能够提供用于操作生产设施的一组具体指令，包括生产实体的操作。在制作生产进度表时，可以考虑原料、中间物料或成品的库存及其改变。可以在调度过程内考虑其它约束和限制。可以被包括在优化问题中的生产调度的附加要素是流排列、单元操作信号、单元边际容量经济学、罐库存、产品装运定时、混合配方、闭锁操作的定时、操作指令、物料配送、到达定时以及陆上库存。
在生产设施的操作期间，罐中的库存水平能够随着时间的推移而变化。然而常规的规划模型可以忽略罐中的这些库存动态，本发明的优化工具可以考虑对于库存管理和罐中的库存水平改变的需要以用于确定优化的生产进度表。库存水平可以进入由模型通过库存保持费用和用于未能满足库存管理标准的成本惩罚所做出的经济学计算。该模型还可以具有与库存水平有关的约束。例如，该模型可以包括最小和最大库存极限，其可以被定义为硬极限(其不应该被超过)，或者被定义为可以被按照特定成本或惩罚或两者超过的软极限。因此，在这些约束和成本因素情况下，优化工具可以被用来最小化总的资本费用(包括库存费用和库存水平惩罚)，同时将库存水平维持在期望的范围(例如对库存的最小和最大极限)内并且维持其它生产约束。除生产调度之外，也可能需要在由优化工具所执行的其它作业中考虑库存可行性，所述其它作业包括运输调度。例如，图21示出了罐(RSD_A)库存水平随着时间的推移的图。这个罐供给过程单元，所述过程单元具有两个操作模式。该图具有四个区(被垂直虚线分离)以表示针对罐的四个不同操作，如在图的底部所标记的那样。罐的前三个操作供给在第一模式下操作的过程单元，而罐的第四个操作供给在第二模式下操作的过程单元。库存在第一个操作中被消耗，并且然后在第二个操作中被再填满。在区三中，库存消耗随着物料被供给到过程单元中而继续。区四表示随着过程单元切换到第二操作模式时通过该过程单元切换到较快的消耗速率。因为流入或流出的流量在每个区内是恒定的，所以足以确定在每个区(或时间间隔)的开始和结束处的库存水平。如果开始和结束库存水平是已知的，则在该时间间隔内的任何点处的库存水平可以被确定。同样地，足以确保在每个时间间隔的开始和结束处的库存水平是在所允许的库存极限(例如最小和最大水平)内，因为该时间间隔内的每个时间点也将在所允许的极限内。本发明的工具可以考虑两个物料的混合(包括混合物)的组成成分(例如性质或质量)。经混合的物料的组成成分可以通过线性混合规则来确定，其中组成成分是与每个单独的物料的相对数量的线性关系；并且反之亦然，每个单独的物料在混合中的相对数量由与经混合的物料的组成成分的线性关系来确定。然而，常规的规划模型可以基于原料的给定的(即预先确定的)配方来确定设施操作计划，在确定优化的生产计划中本发明的优化工具可以包括供给物料的选择(包括类型和数量)。供给物料的选择可以进入由优化工具基于供给物料在生产过程中的货币评估所做出的经济学计算。供给物料的评估涉及确定供给物料的经济价值和供给物料的各种替代方案。可能存在可用于供给物料选择的选项，潜在地具有不同的采购价格、可用数量以及物料特性。针对供给物料选择的这些选项可以被表示为模型中的决策变量(例如，针对量、类型或组成成分、供给物料到不同生产流的分配、以及配送调度)。供给物料的评估可以是基于假定的采购价格、特定数量以及供给物料在生产设施中的使用。供给物料评估能够从属于在供给物料选择中所确定的数量(例如最佳数量)和针对各种供给物料替代方案的原料数量两者。取决于其类型，供给物料可以以各种方式来表征。例如，供给物料表征可以是针对给定供给物料的一组性质或质量的值。供给物料的经济 评估可以是基于运输调度、生产调度以及生产处理考虑事项(例如生产量、容量、约束等)的。为了在生产规划中在其评估的基础上确定供给物料选择，优化工具可以接收关于供给物料的各种输入数据，包括采购价格、最小和最大可用数量以及物理表征。可以确定供给物料的评估的其它因素包括诸如其质量和物理性质(其可以被作为输入来接收)的其组成成分特性、供给物料如何被处理以及诸如生产容量的其它因素。通常，供给物料的值也是所选择的数量的函数。此外，可能需要同样地确定与逐渐增长的量相关联的供给物料值。例如，考虑原料A的最佳量等于100个单位。数学编程模型的解决方案常常将包括边际值，所述边际值可以被解释为对于来自最佳量的小波动的经济价值。但边际值不必定表示对于量中的较大波动的经济价值。供给物料采购决策可以通过具有关于供给物料采购的特定量扰动的经济影响的信息而得到支持。供给物料评估为原料数量和各种替换的供给物料数量提供了经济价值。在其中供给物料选择作业与生产规划和调度作业分开的情形中，后续生产运行可能已经被忽略了。因此，对应的生产计划或近似的生产运行可能超过当特定的生产运行被考虑时能够实现的。例如，两个或更多个生产运行可能需要在实际生产期间顺序地发生，但模型近似可能假定这两个运行同时发生或者共享相同的设备。一旦供给物料选择被分别地做出，则生产调度步骤通常不如同时考虑两个问题那么复杂。一个实践是使供给物料采购决策保持恒定，并且然后执行生产运行规划。然后，在生产运行规划中，针对每个生产运行确定最佳生产操作。这个作业涉及生产运行的更严格的处理，并且对应的生产运行计划应该提供生产运行能力的可以接受的表示。通常，能够存在多个生产运行发生在考虑中的时间层期间。然而，分别地执行这些作业的一个缺点是当生产运行被考虑时已经被确定的供给物料选择可能不是最佳的。

生产设施可以与用于接收供给物料(例如原料和中间物料)和成品分发的运输作业对接。同样地，在某些实施例中，在确定优化的生产计划中优化工具可以包括针对进入罐和从罐出来的物料的运输调度。运输调度是用于将供给物料(包括原料和中间物料)移动到生产设施并且将产品物料(包括最终产品和中间物料)从设施中移出的作业的调度。对于水载船只，这能够包括用于装载和卸载货物的船只航线和进度表。可以考虑各种运输模式选项、运输船只的有效利用以及运输费用。运输进度表设置时间、量和/或旅程。运输费用能够影响原料的选择、产品销售等。同样地，与给定运输进度表相关联的运输费用可能完全不同于假定的运输费用。能够存在不同的运输模式选项(例如船、管道、轨道)并且在每个运输模式内，能够存在不同的运输交通工具选择(例如待使用的船的大小、哪些特定的船将用于特定的运输任务)。由建模工具所提供的解决方案可以包括运输费用(例如，总的运输费用或每单位量物料的运输费用)的最小化。可以被包括在优化问题中的运输作业的附加要素是货物大小、装载挂港顺序、卸载挂港顺序、装载定时、到达定时以及岸上库存。还可以包括分配作业，诸如零售客户的最佳供应终端选择和最佳供应。运输调度的各种要素(包括时间、量、旅程、运输模式、运输交通工具或航线)在模型中可以被表示为决策变量。建模方式在横跨感兴趣的时间层的多个时间间隔上用公式表示问题。建模工具可以使用用于确定和表示这些多个时间间隔的任何适当的方式。术语“时间间隔”和“时间段”在本文中可交换地使用。例如，建模工具可以使用离散时间表示，其中时间层被划分成固定持续时间的间隔(即，它们被提前定义)。例如，30天时间层可以通过使用三十个I天时间间隔或三个10天时间间隔来表示。固定持续时间的长度可以是均匀的，但这不是必须的。例如，30天时间层能够通过使用十五个I天时间间隔和一个15天时间间隔来表示。在另一示例中，如果时间层是八月份，则我们能够将八月细分成:本月的31天；或在本月的每一天中的从12:00am-8:00am、8:00am-4:00pm以及4:00pm-2:00am运行的8小时时间段；或在本月的前10天期间的8小时时间段和在本月的剩余21天期间的I天的周期；或本月中的31天中的每一个的I小时周期；或用来表示31天时间层的其它可能的方案。这个方式的一个缺点是需要较短的时间段来获得更细的时间分辨率，这导致待解决的较大数目的时间段和较大的尺寸的问题。在替换的实施例中，建模工具可以使用连续时间表示，其中时间层被划分成可变持续时间的间隔。在这个方式中，时间使用可变的时间段持续时间而不是固定的时间段持续时间来表示。通过使用连续时间建模方式，不需要预先确定的时间栅格来表示时间层。例如，30天时间层可以由可变持续时间的三个时间间隔来表示，其中三个时间间隔的和为该时间层的总的持续时间。在这个方式中，时间间隔的持续时间是模型中的决策变量。通常，时间间隔的长度是不同的，但这不是必要的要求。然而，使决策变量用于时间间隔不限制建模工具使用连续时间表示。例如，通过简单地固定这些决策变量的值，时间层被有效地划分成固定持续时间的间隔(即离散时间表示)。使用连续时间表示能够允许生产实体的操作调度使用较少数目的时间间隔来执行，这允许较大规模的问题被可行地解决。例如，在离散时间表示中，具有小时进度表分辨率的一个月(例如30天)时间层能够产生30*24=720个时间间隔。相比之下，通过使用连续时间表示，在一个月时间层期间给定的生产实体可能具有有限数目的过程操作(例如1-10)。虽然以成百个或成千个时间段来解决多周期生产规划模型是不切实际的，但是以显著较少的时间段来处理多周期模型是更加实际的。下文给出了将离散时间表示与连续时间表示相比较的示例。在本示例中，任务是对原料在八月期间的单个配送进行调度，其中调度决策是配送的小时和日期。使用离散时间表示，一种方式是将时间层划分成31*24或744个时间段以表示八月中的31天期间的小时。当应该进行配送时，对应模型可以被用来通过标识周期(I至744)来确定最佳配送进度表。假定这个原料将被配送到特定罐中，并且在八月份期间存在来自这个罐的恒定消耗速率使得罐内容物被以每小时I个单位的速率消耗。因此，在744个周期中的每一个中，罐内容物按每小时I个单位减少，并且在744个周期中的I个中，罐内容物随着原料配送而被再填满。对于每个周期(表示为周期t，t=l至744)，以下等式可以被用来对罐内容物建模:等式I。
权利要求
1.一种用于操作生产设施的方法，所述方法包括: (a)构建所述生产设施的数学模型，其中，所述数学模型包括第一无罐生产实体、第二无罐生产实体以及罐生产实体的表示； 其中，所述第一无罐生产实体由包含对所述第一无罐生产实体的行为建模的一组等式的子模型来表示，所述子模型中的等式的数目与用于所述第一无罐生产实体的操作时间间隔的数目相关； 其中，所述第二无罐生产实体由包含对所述第二无罐生产实体的行为建模的一组等式的子模型来表示，所述子模型中的等式的数目与用于所述第二无罐生产实体的操作时间间隔的数目相关； 其中，所述罐生产实体由包含对所述罐生产实体的行为建模的一组等式的子模型来表示，所述子模型中的等式的数目与用于所述第一无罐生产实体的操作时间间隔的数目和用于所述第二无罐生产实体的操作时间间隔的数目相关； (b)求解所述数学模型以获得针对所述第一无罐生产实体、所述第二无罐生产实体以及所述罐实体的求解结果； (C)使用所述求解结果来确定用于所述生产设施的操作计划；以及 Cd)根据所述操作计划来操作所述生产设施。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，针对所述第一无罐生产实体的子模型包括与所述第一无罐生产实体的操作有关的决策变量，并且针对所述第二无罐生产实体的子模型包括与所述第二无罐生产实体的操作有关的决策变量。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，用于所述第一无罐生产实体、所述第二无罐生产实体或两者的操作时间间隔的数目被作为输入给出。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一无罐生产实体表示供给物料的运输或采购。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二无罐生产实体表示产品的运输或销售。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述第一无罐生产实体或所述第二无罐生产实体中的至少一个表示作为中间物料的供给物料的运输、销售或采购。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述数学模型还包括变量或数学关系，所述数学关系表示所述罐实体的操作时间间隔与所述第一无罐生产实体和所述第二无罐生产实体的操作时间间隔之间的关系。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述数学模型还包括与所述第一无罐生产实体和所述第二无罐生产实体的操作时间间隔中的每一个的持续时间有关的决策变量。
9.根据权利要 求1-6中任一项所述的方法，其中，所述数学模型包括用于所述生产设施的性能度量的目标函数； 其中，所述目标函数包括有助于所述性能度量的来自针对所述第一无罐生产实体、所述第二无罐生产实体以及所述罐实体的子模型的项；以及 其中，所述数学模型被求解以用于最大化或者最小化所述性能度量。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述数学模型包括:与供给物料的成本有关的参数； 与保持在所述罐实体中的库存的成本有关的参数； 与供给物料的选择有关的决策变量。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述数学模型还包括: 与运输选项的成本有关的参数；以及 与运输调度有关的决策变量。
12.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，所述罐实体是第一罐实体，并且其中，所述数学模型还包括第二罐实体的表示；以及 其中，所述第二罐实体由包含对所述第二罐实体的行为建模的一组等式的子模型来表示，所述子模型中的等式的数目与用于所述第二无罐生产实体的操作时间间隔的数目相关。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，针对所述第二罐实体的子模型中的等式的数目还与用于所述第一罐实体的操作时间间隔的数目相关。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述数学模型还包括第三无罐生产实体的表示，所述第三无罐生产实体的表示由包含对所述第三无罐生产实体的行为建模的一组等式的子模型来表示，所述子模型中的等式的数目与用于所述第三无罐生产实体的操作时间间隔的数目相关； 其中，针对所述第二罐实体的子模型中的等式的数目还与用于所述第三无罐生产实体的操作时间间隔的数目相关。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，针对所述第一无罐生产实体的子模型中的等式的数目与用于所述第一无罐生产实体的操作时间间隔的数目成比例；以及 其中，针对所述第二无罐生产实体的子模型中的等式的数目与用于所述第二无罐生产实体的操作时间间隔的数目成比例。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括使用用于所述第一无罐生产实体的操作时间间隔的数目和用于所述第二无罐生产实体的操作时间间隔的数目来计算用于所述罐实体的操作时间间隔的数目。
17.一种计算机系统，所述计算机系统被编程为执行包括以下各项的步骤: (a)构建生产设施的数学模型，其中，所述数学模型包括第一无罐生产实体、第二无罐生产实体以及罐生产实体的表示； 其中，所述第一无罐生产实体由包含对所述第一无罐生产实体的行为建模的一组等式的子模型来表示，所述子模型中的等式的数目与用于所述第一无罐生产实体的操作时间间隔的数目相关； 其中，所述第二无罐生产实体由包含对所述第二无罐生产实体的行为建模的一组等式的子模型来表示，所述子模型中的等式的数目与用于所述第二无罐生产实体的操作时间间隔的数目相关； 其中，所述罐生产实体由包含对所述罐生产实体的行为建模的一组等式的子模型来表示，所述子模型中的等式的数目与用于所述第一无罐生产实体的操作时间间隔的数目和用于所述第二无罐生产实体的操作时间间隔的数目相关； (b)求解所述数学模型以获得针对所述第一无罐生产实体、所述第二无罐生产实体以及所述罐实体的求解结果。
18.根据权利要求17所述的计算机系统，其中，所述数学模型还包括与所述第一无罐生产实体和所述第二无罐生产实体的操作时间间隔中的每一个的持续时间有关的决策变量。
19.一种非暂时性计算机可读存储介质，所述非暂时性计算机可读存储介质包括指令以用于: (a)构建生产设施的数学模型，其中，所述数学模型包括第一无罐生产实体、第二无罐生产实体以及罐生产实体的表示； 其中，所述第一无罐生产实体由包含对所述第一无罐生产实体的行为建模的一组等式的子模型来表示，所述子模型中的等式的数目与用于所述第一无罐生产实体的操作时间间隔的数目相关； 其中，所述第二无罐生产实体由包含对所述第二无罐生产实体的行为建模的一组等式的子模型来表示，所述子模型中的等式的数目与用于所述第二无罐生产实体的操作时间间隔的数目相关； 其中，所述罐生产实体由包含对所述罐生产实体的行为建模的一组等式的子模型来表示，所述子模型中的等式的数目与用于所述第一无罐生产实体的操作时间间隔的数目和用于所述第二无罐生产实体的操作时间间隔的数目相关； (b)求解所述数学模型以获得针对所述第一无罐生产实体、所述第二无罐生产实体以及所述罐实体的求解结果。
20.根据权利要求19所述的计算机可读存储介质，其中，所述数学模型还包括与所述第一无罐生产实体和所述第二无罐生产实体的操作时间间隔中的每一个的持续时间有关的决策变量。
全文摘要
一种用于确定生产设施的操作的建模工具。各种不同作业可以通过本发明来建模，包括(a)供给物料选择，包括数量和定时；(b)产品销售，包括数量和定时；(c)过程操作，包括过程条件和定时；(d)混合操作，包括过程条件和定时；和/或(e)库存管理。所述建模工具可以使用连续时间、离散时间、异步时间段、同步时间段以及这些各种方式的组合来表示时间。
文档编号G05B17/02GK103229114SQ201180057354
公开日2013年7月31日 申请日期2011年10月3日 优先权日2010年10月5日
发明者加里·R·科奇什, 菲利普·H·沃里克, 维克多·P·狄波拉 申请人:埃克森美孚研究工程公司