钢铁行业具有高物耗、高能耗和高污染的典型特征,绿色化与智能化是我国钢铁行业必然的发展方向。钢铁企业面临节能减排、降本增效等可持续发展目标的迫切要求,面向钢铁制造流程物质流能量流协同的生产运行优化技术,将成为提高物质流能量流协同效率,实现生产高效、节能降耗的流程运行优化的重要手段。针对高炉-转炉的长流程钢铁企业,转炉炼钢厂是钢铁产品制造品种、规格、质量形成的关键;铁素物质流运行从离散到连续,同时伴随能源需求约束与温度管控要求等,综合考虑物质流能量流协同的生产调度是保障钢铁制造流程运行优化的核心技术手段。为此,提出了“面向物质流能量流协同的转炉炼钢厂生产调度优化研究”的课题。随着钢铁企业信息化水平的提升和相关生产运行优化理论技术的发展,钢铁生产调度问题受到了企业和学者的广泛关注,相关建模理论和求解技术等方面取得了显著进展。然而,对复杂的物质流能量流耦合关系和协同目标的认识、举措的局限,以及对生产过程物质流运行时间不确定性因素处理方法的局限,导致钢厂生产调度理论研究成果与现实需求之间仍存在较明显差距。因此,本文以转炉炼钢厂生产流程为对象,考虑生产组织与节能降耗多目标协同下的多工序多约束运行优化的调控需求,探索面向物质流能量流协同的炼钢厂生产调度优化方法。基于对钢铁制造流程物质流与能量流耦合关系分析,研究了炼钢厂物质流及其温降管控的生产调度优化问题、物质流与氧气能源消耗模式协同的生产调度优化问题,并在此基础上考虑了现实制造过程的时间不确定性因素及其对生产调度的影响,研究了时间不确定条件下面向物质流能量流协同的炼钢厂生产调度优化问题,以期实现炼钢厂物质流与能量流协同目标下的生产物质流运行优化,为生产组织决策提供指导。主要研究结论如下:针对物质流及其温降管控的生产调度优化问题,建立了考虑铁素物质流温降的炼钢厂生产调度优化模型及其求解算法。通过对炼钢厂生产管控对象物质流高温运行特征的分析,在常规调度模型基础上引入了最小浇铸过热度约束和工序目标出钢温度约束,建立了该问题的多目标数学规划模型。基于问题特征提出了一种结合增强进化策略的多目标遗传进化算法（MOHGALS）。通过案例测试,表明MOHGALS方法能够得到优化的多目标Pareto方案集,生产决策人员可根据目标偏好动态选择相应的优化调度方案;并且以物质流温降相关惩罚最低原则相比以开浇时间偏差惩罚最低原则选择的调度方案能够进一步降低19.71%的平均物质流运行温降。此外,通过随机生成的不同案例对算法性能进行了测试分析。结果表明提出的增强进化策略能够有效提升MOHGALS算法性能;并且MOHGALS比NSGA-II和SPEA2算法在多目标评价指标上具有更好的性能表现。针对物质流与氧气能源消耗模式协同的生产调度优化问题,研究了考虑用氧优化的炼钢厂生产调度模型及其求解算法。以最小化转炉工序用氧波动和开浇时间偏差为目标建立了炼钢厂生产调度优化模型,并基于问题特征设计了结合变邻域搜索技术的混合遗传算法（HGA-VNS）以实现对模型的快速有效求解。与标准遗传算法（SGA）和变邻域搜索算法（VNS）的对比结果表明HGA-VNS在测试案例中具有更优的求解性能;并通过仿真实验分析了模型参数对转炉工序用氧模式的影响,实验结果表明:开浇时间偏差惩罚和用氧波动惩罚随模型系数增长呈相反变化趋势;更高的铁水供应强度和脱磷炉次比例总体上将增加转炉工序用氧波动。此外,基于实绩案例的应用测试表明所提模型及算法能够有效优化转炉工序氧气消耗模式。针对两个实绩生产案例,模型最多分别可降低49.32%和51.32%的转炉工序用氧波动,为炼钢生产过程的氧气供应保障和减少放散提供了方法支撑。在面向物质流能量流协同背景下,研究了时间不确定条件下的炼钢厂生产主动式调度优化问题。以最小化物质流温降、转炉工序用氧波动和连铸断浇时间惩罚期望值为目标,建立了随机规划期望值模型,并提出了基于混合仿真-改进变邻域搜索的（h-Sim-MVNS）仿真优化算法。案例测试结果表明算法能够事先考虑时间不确定性因素带来的潜在影响,并通过仿真评估与迭代优化得到具有优化目标期望值的预测性调度方案。此外,针对测试案例的实验结果表明h-Sim-MVNS的PRI性能指标低于h-Sim-VNS和h-Sim-ILS算法,显示出新算法具有更好的优化性能。灵敏度分析实验还得到了目标函数权重系数和铁水供应强度等不同参数对物质流能量流协同效果的影响规律,提供了模型应用的前景。开发了面向物质流能量流协同的炼钢厂生产调度仿真优化系统。该系统可分别完成考虑物质流温降和用氧优化的炼钢厂生产确定性调度功能。可编制优化的生产调度方案,并通过展示界面直观呈现调度优化对物质流温降、转炉工序用氧波动等指标的影响。同时,系统实现了时间不确定条件下的炼钢厂生产调度仿真优化功能。可基于元胞自动机模型实现在随机环境下对调度方案的仿真与优化,并且系统具有流程建模、仿真参数自定义配置、仿真分析、物质流运行及能量流协同效果评价等功能。综上所述,面向物质流能量流协同的转炉炼钢厂生产调度优化问题,论文所建立的考虑物质流温降和考虑用氧优化的炼钢厂生产调度模型、时间不确定条件下炼钢厂生产调度优化模型为实现物质流能量流协同优化目标下的生产管控提供了新的技术手段,所开发的调度仿真优化系统为生产组织调控提供仿真实验手段和辅助决策工具。