铁水运输系统是衔接炼铁和炼钢工序的中间环节，可谓之钢铁企业中最为重要的物流环节之一。铁水运输系统的运行效率对钢铁企业的生产顺行和整体效率有着重要的影响。为了适应国内外钢铁企业总图铁水运输方案设计的精细化和数字化需求，改进传统的经验型设计方法，中冶南方从2008年开始组织总图运输、炼铁工艺、物流、计算机和系统工程等多个专业的技术人员对此展开专项研究。目前，已形成了一整套完备的冶金工厂总图铁水运输物流仿真与优化技术方案，并在多项工程的投标和设计工作中得到成功应用。
1概述
运用计算机仿真技术对铁水运输物流系统的模拟和优化，不仅可以避免建立物理试验模拟系统的投资，降低投资成本，而且可以通过计算机技术进行精确的计算和分析，实现资源的合理和优化调配，提高系统方案的可行性。根据总图设计的铁水运输物流系统的工艺设备参数和工艺流程建立起来的计算机仿真系统，可以形成直观立体的三维仿真动画，获得铁水运输物流系统的相关数据，确定瓶颈位置，报告资源利用率。铁水运输物流系统仿真可以校验系统设计的合理性，通过对不同的物流策略进行仿真实验来找出最优解。同时，铁水运输物流系统仿真可以在线输入系统运转过程中的不确定因素，比如运输条件的变化，运输距离的变化，出铁倒罐的时间波动等，评估物流设备资源对整个系统的影响。最后，仿真运行结果可生成统计数据报告，显示各个物流设备的利用率、空闲率、阻塞率等数据。根据仿真报告提供的数据可以方便地对铁水运输物流系统的综合性能进行评判，做出科学决策。
与一些国内外研究人员在对铁水运输系统进行分析、仿真和优化时采用的方法不同，在离散事件仿真软件FlexSim的基本功能和工作原理的基础上，对软件进行丰富的二次开发，建立了适合钢铁企业铁路系统的专有功能模块，如机车模块、出铁模块和避碰模块等，并利用这些模块构建与设计方案一致的仿真模型；同时，在模型中导入大量的随机因素，力求与真实生产情况一致；而后用大量的仿真实验得到统计学结果，并用这些统计学结果评价设计方案，提出改进设计的优化建议。
2技术特点
根据总图专业的设计方案，铁水运输物流仿真模型需要实现如下循环往复的生产过程:配罐à出铁à等待à重车检查à走行à（过磅检查）à走行à倒罐à（摘钩换线) à拉空罐回空罐停放线à（倒渣）à等待à配罐。依据上述生产过程，我们对工艺流程进行了抽象和拆分，构建了包含下列主要功能模块的仿真模型，并通过二次开发在FlexSim仿真软件平台下实现了每个模块所具备的功能。
图1 铁水运输系统仿真模型主要功能模块构成
图2 铁水运输系统仿真的总布局图示例
2.1机车模块
机车模块模拟机车的走行、加速、减速、挂钩、摘钩等功能。同时，机车模块还能够完成与机车调度真实情况相一致的自动避碰功能。
2.2高炉区域模块
高炉区域模块用来模拟铁水运输物流系统的出铁和配罐功能。高炉区域模块的算法和程序控制逻辑如下:首先，程序根据高炉的产量、出铁次序、出铁时间分布函数等计算每个铁口的出铁起始时间。在出铁开始之后，计算当前出铁口摆动流嘴下罐车的出铁时间，如果当前罐车装满，控制摆动流嘴对下一罐受铁；如果未装满而出铁结束，记录当前罐为半罐车。同时，计算下一次出铁时间，计算配罐开始时间，并根据半罐车处理规则和配罐方式进行配罐。
图3铁水运输系统仿真中的出铁口配罐示意图一
图4 铁水运输系统仿真中的出铁口配罐示意图二
2.3其他工艺模块
其他工艺模块中主要包括一些控制倒罐站、空罐停放线以及清渣站的功能模块。利用3DMax或者其他三维绘图软件画出与真实设备相符的三维模型，导入Flexsim中进行演示，可以展现走行、过磅检查、倒罐、空罐停放、换线、清渣等所有铁水运输中出现的工艺过程。
2.4数据处理模块
数据处理模块记录和整理铁水运输物流系统在运行中所产生的数据，包括机车鱼雷罐车的利用率、机车鱼雷罐车在每个工作流程所用的时间、机车鱼雷罐车的平均运转周期、路线道岔利用率等。
借助于该数据处理模块提供的仿真数据，有助于分析铁水运输过程中各项运输设备的能力，诊断运输过程中的瓶颈和关键线路，优化机车调度方案，缩短铁水罐车的运转周期。在保证高炉安全生产的同时，最终实现运输设备的利用率提高、优化铁路线路布置、节能降耗的目标。
3机车自动避碰方法
机车避碰模块可以让机车在运行过程中自动的预测碰撞，并选择合理的方式躲避碰撞。因为在钢铁厂的实际生产过程中，机车调度是由人工完成的，机车的避碰行为完全取决于调度员的工作方式，所以要想建立与实际情况相一致的机车自动避碰模块，我们既要遵循机车信号调度的基本规则，又要从调度员的行为方式中总结一般的规律。
1）根据铁路信号机的位置，将铁路分成路段，每一路段内只能有一辆车在行驶。
2）机车临时停车只能停到信号灯的位置。
3）机车运行采用先预约再走行的原则，既先预约一定数量的路段，预约成功后，再走行。
4）机车预约的路段数为动态的，机车在不同的铁路区域，预约的路段数是不同的。比如，在高炉区域，倒罐区域等机车数量多、铁路道岔多、工作繁忙而且机车经常换向的区域，预约的路段数少；而在长距离走行、铁路道岔少、机车不换向的路段，预约的路段数多。
5）机车的避碰行为是由两辆车完成的，当一辆机车发现需要预约的某一路段被其他车预约，那么这两辆车将被设为碰撞对，并通过计算来决定应该采取的避碰行为。
6）避碰行为分为三种:①等待避碰，即本车停止，等到另外一辆车直接通过或改变路线之后，本车再通过；②换线避碰，即本车继续向前行驶，但是需要通过道岔的变换改走其他线路来绕过另外一辆车；③躲闪避碰，即本车不得不停下来并向当前行驶的反方向行走一些路段，以绕行来车或者等待来车通过后再通过。
1）有效的让仿真模型中行驶的机车自动预测碰撞并采取合理的避碰措施，避免了机车在仿真模型中的碰撞、穿越、单路段超车等与实际情况不符的错误。
2）机车的调度行为与钢铁场中调度员的调度行为类似，这样可以保证仿真结果的准确。
3）机车不会死板的遵循优先级低的机车一定要等待或绕行优先级高的机车的原则，程序在某些时刻，在特定的铁路路段条件下，优先级高的机车也会等待或绕行优先级低的机车。这是与现场调度员的灵活的调度方式相一致的。
4）设定了动态预定段，这样可以使机车能够更早的预测到碰撞，更早的决策避碰行为，极大的降低了躲闪避碰行为的发生，这也是与钢铁厂的实际调度情况相一致的。
4结语
中冶南方冶金工厂总图铁水运输物流仿真与优化技术已经在台塑河静钢铁兴业公司等多项工程的投标和设计工作中得到成功应用。除了投标和设计阶段之外，该技术成果还适用于后续的铁水运输系统生产运营阶段，可以为全厂铁水运输提供调度和运营指导。