[論文レビュー] Optimal hot rolling production scheduling for economic load dispatch under time-of-use electricity pricing.

Mao Tan, Bin Duan+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2015

Scheduling and Optimization Algorithms被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、時間単価電力料金（TOU）における電力コストを最小限に抑えるために、熱延鋼鉄製造におけるマルチオブジェクティブ生産スケジューリングモデルを提案する。経済的負荷配分（ELD）とスケジューリングを統合し、ピーク電力期間を避けるために生産負荷をオフピーク期間にシフトさせる。NSGA-IIベースのアルゴリズムを用いてパレート最適解を生成し、TOPSISを用いて意思決定を行うことで、電力コストを削減する。

ABSTRACT

Time-of-Use (TOU) electricity pricing provides a new opportunity for industrial user to reduce their power costs and improve the efficiency of power energy. Although many methods for Economic Load Dispatch (ELD) under TOU pricing in continuous process industry have been proposed, there is difficulty in batch-type process industry because of that the power load units are not fixed but closely related with production planning and scheduling. In this paper, for hot rolling, a typical batch-type and energy intensive process in steel industry, a multi-objective production scheduling optimization model for ELD is proposed under TOU pricing, in which the objective is to minimize the power costs on the premise of ensuring the product quality. A NSGA-II based production scheduling algorithm is proposed to generate Pareto-optimal solutions, and then the TOPSIS based multi-criteria decision-making is performed to recommend an optimal solution to facilitate filed operation. Experimental results on practical production data show that the proposed method cut down the power costs by creating load units corresponding to electricity price and shifting loads to avoid on-peak time periods.

研究の動機と目的

• 動的な電力料金下におけるバッチ型でエネルギー集約的な鋼鉄生産における高いエネルギーコストの課題に対処すること。
• 負荷ユニットが固定でない（スケジューリング意思決定に依存する）熱延工程において、経済的負荷配分（ELD）と生産スケジューリングを統合すること。
• 時間単価電力料金（TOU）料金環境下で、製品品質を維持しつつ、総電力コストを最小限に抑えること。
• パレート最適解のトレードオフのセットから最適なスケジューリングソリューションを推薦する意思決定支援フレームワークを開発すること。
• 実際の鋼鉄プラントから得た生産データを用いて、手法の有効性を検証すること。

提案手法

• TOU料金下で電力コストを最小限に抑えつつ、製品品質制約を満たすマルチオブジェクティブ最適化モデルを構築し、熱延スケジューリングに適用する。
• NSGA-IIアルゴリズムを用いて、電力コストとスケジューリングの実現可能性の両方をバランスさせたパレート最適解の集合を生成する。
• TOPSIS（理想解に類似した順序による順位付け手法）を用いて、複数基準意思決定によりパレートフロントから最も適切なソリューションを選択する。
• 負荷ユニットを生産順序とタイミングに依存する可変量としてモデル化し、オフピーク期間への負荷シフトを可能にする。
• 生産スケジューリング意思決定を電力料金シグナルと統合し、生産タイミングを動的に調整する。
• 実際の生産データを用いてモデルのキャリブレーションと検証を行い、実用的適用性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バッチ型でエネルギー集約的なプロセス（例：熱延）において、経済的負荷配分（ELD）を効果的に生産スケジューリングと統合する方法は何か？
• RQ2 オフピーク電力期間への生産負荷のシフトが、総電力コスト削減に与える影響は何か？
• RQ3 複数目的最適化モデルは、コスト最小化と製品品質・スケジューリング制約の両立をどのようにバランスさせるか？
• RQ4 パレート最適解の中から、産業現場の実務運用を支援するのに最も適した意思決定手法は何か？
• RQ5 実際の熱延作業では、TOU料金に合わせて生産を調整することで、どの程度電力コストを削減できるか？

主な発見

• 提案手法により、電力料金が低い期間に生産負荷を戦略的に配置することで、電力コストの削減が成功裏に達成された。
• オフピーク時間帯への負荷シフトが、コスト削減に顕著に寄与し、TOU料金下でのスケジューリングの柔軟性の価値を示した。
• NSGA-IIベースのアプローチにより、コストとスケジューリングの実現可能性のトレードオフを分析可能な多様なパレート最適解が得られた。
• TOPSISは、パレートフロントから推奨されるソリューションを効果的に特定でき、産業現場での実装を容易にした。
• 実生産データを用いた実験結果から、負荷ユニットの最適化により測定可能なコスト削減が達成されたことが確認された。
• 負荷の可変性を明示的にモデル化することで、バッチプロセスにおけるELDとスケジューリングの統合は実現可能かつ有益であることが示された。