煙草柔性制絲線排產(chǎn)算法的研究與應(yīng)用

徐永虎

摘要 提出利用不同的排產(chǎn)調(diào)度方法與技術(shù)有機(jī)地集成來解決煙草行業(yè)的排產(chǎn)問題。以某卷煙制造企業(yè)作為研究和應(yīng)用背景，對煙草排產(chǎn)中的工藝流程和約束規(guī)則進(jìn)行分析，構(gòu)建制絲車間排產(chǎn)雙層架構(gòu)模型，運(yùn)用雙向排產(chǎn)調(diào)度技術(shù)與產(chǎn)品優(yōu)化組合技術(shù)，將排產(chǎn)中的約束規(guī)則嵌入到算法設(shè)計過程中，給出算法設(shè)計方案，并通過實例說明此算法能夠很好地適應(yīng)企業(yè)制絲線排產(chǎn)的需要。

關(guān)鍵詞 煙草加工；柔性；生產(chǎn)調(diào)度；智能排產(chǎn)

中圖分類號 TS452+.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）07-0081-02

Research and Application of Scheduling Algorithm on Tobacco Flexible Processing Line

XU Yong-hu

（Quality Technology Section， Hefei Cigarette Factory of Anhui Tobacco Industry Co.， Ltd.， Hefei， Anhui 230601）

Abstract Rational integration of different scheduling methods and techniques for solving the scheduling problems of the tobacco industry was put forward.Taking a cigarette manufacturing company as the research and application background， the manufacturing and constraint rules during the scheduling process were analyzed to construct the double scheduling architecture in the silk shop.The scheduling of the constraint rules were embedded in the algorithm design process using the two-way scheduling dispatch technology as well as the product optimization and combination technology， giving the final algorithm design scheme.In addition， the practical application cases were used to show the proposed algorithm is suitable enough for adapting the entrepreneurship thread scheduling.

Key words Tobacco processing；Flexibility；Production scheduling；Smart scheduling

排產(chǎn)調(diào)度是制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)，排產(chǎn)調(diào)度技術(shù)對提高企業(yè)生產(chǎn)管理水平、節(jié)省成本、改進(jìn)服務(wù)質(zhì)量、提高企業(yè)競爭力以及獲得更高的經(jīng)濟(jì)收益有著十分重要的意義。卷煙企業(yè)作為混合流程行業(yè)（卷包車間為離散型，制絲車間為流程型）的典型代表，其生產(chǎn)特點決定了其生產(chǎn)過程具有非線性、隨機(jī)性、不確定性等多種特性，因而其排產(chǎn)調(diào)度問題在數(shù)學(xué)上呈現(xiàn)高度耦合性。隨著卷煙企業(yè)自動化水平的提升，很多企業(yè)都應(yīng)用了智能化排產(chǎn)技術(shù)軟件，為實際生產(chǎn)提供計劃安排與指導(dǎo)。目前的排產(chǎn)技術(shù)軟件算法主要分為2類：一是利用仿真的手段，對幾種排產(chǎn)策略進(jìn)行仿真，由生產(chǎn)調(diào)度人工選擇最優(yōu)的排產(chǎn)策略[1-2]；二是基于現(xiàn)代圖論的思想，對卷煙生產(chǎn)線的工藝流程進(jìn)行抽象建模，從而進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度[3-4]。但隨著“分組加工”特色工藝的廣泛應(yīng)用以及訂單化生產(chǎn)的要求，柔性的加工線路使得生產(chǎn)調(diào)度非常復(fù)雜。上述算法不能滿足靈活多變的排產(chǎn)目標(biāo)以及車間實時排產(chǎn)調(diào)度的需要，造成實際的生產(chǎn)調(diào)度計劃仍是靠人工憑經(jīng)驗完成。有限的人力難以保證協(xié)調(diào)和平衡的準(zhǔn)確性，從而影響了卷煙生產(chǎn)線的生產(chǎn)率，同時不利于企業(yè)生產(chǎn)成本的控制，因此迫切需要對煙草企業(yè)柔性制絲線排產(chǎn)調(diào)度問題進(jìn)行深入研究。

筆者提出了煙草柔性制絲線排產(chǎn)算法的新思路，即通過雙向排產(chǎn)調(diào)度技術(shù)與產(chǎn)品優(yōu)化組合技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，將排產(chǎn)中的約束規(guī)則嵌入到算法設(shè)計過程中，通過混合算法的應(yīng)用實現(xiàn)柔性制絲線的自動化排產(chǎn)，從而實現(xiàn)生產(chǎn)線的均衡加工與連續(xù)化生產(chǎn)，有效控制了生產(chǎn)成本。

1 制絲生產(chǎn)過程概述

1.1 制絲加工過程簡介

以某煙草企業(yè)為例，其中制絲車間主要由2條葉片處理線、3條葉絲干燥線和1條加香線組成。2條葉片處理線設(shè)備采用同質(zhì)化配置，煙葉原料經(jīng)松散回潮、加料潤葉后進(jìn)入貯葉柜；3條葉絲干燥線分別配置低、中、高3種不同強(qiáng)度干燥設(shè)備，干燥后葉絲經(jīng)混配后進(jìn)入混摻柜，煙絲加香后進(jìn)入箱式貯絲庫存貯待用。整個制絲車間的加工過程具備很高的柔性，2條葉片處理線可同時滿足2個葉組模塊的并行生產(chǎn)，通過順序加工可實現(xiàn)多模塊生產(chǎn)需求；葉絲干燥線可實現(xiàn)雙規(guī)格并行生產(chǎn)模式。加工單元柔性連接，貯絲采用箱貯形式，提高了制絲和卷接包生產(chǎn)的柔性。其工藝流程如圖1所示。

1.2 排產(chǎn)規(guī)則與約束條件

煙草的加工過程與一般的機(jī)械產(chǎn)品加工過程不同。在煙草的生產(chǎn)過程中，由于其特殊工藝的需求，生產(chǎn)過程存在著許多規(guī)則與約束條件，這些規(guī)則與約束有的必須遵循，有的盡量滿足，在進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度時，必須予以考慮。

煙絲存貯能力約束：所有牌名的煙絲庫存總量不能超過整個箱式貯絲庫的存儲能力。牌名加工優(yōu)先級約束：當(dāng)生產(chǎn)線從生產(chǎn)一種規(guī)格的產(chǎn)品切換到生產(chǎn)另一種規(guī)格的產(chǎn)品時，切換成本取決于切換的順序，從高規(guī)格的產(chǎn)品切換到低規(guī)格的產(chǎn)品時切換成本最低。設(shè)備加工能力約束：在工藝段生產(chǎn)設(shè)備的仿真模型中，每個生產(chǎn)設(shè)備都有一個額定加工能力，其日加工能力應(yīng)當(dāng)滿足工藝段的工作時間。并行生產(chǎn)線均衡生產(chǎn)約束：對于并行生產(chǎn)線，應(yīng)使其加工時間保持同步，以減少能源消耗。緩存能力約束：各工序各時段內(nèi)在制品緩存能力不能超過庫存能力限制。緩存時間約束：在制品緩存時間不能超過庫存時間限制。工藝加工路徑約束：對某些產(chǎn)品指定加工設(shè)備與路徑。先進(jìn)先出（FIFO）原則。

2 算法模型設(shè)計

2.1 排產(chǎn)建模

煙草制絲線生產(chǎn)加工過程具有復(fù)雜性、柔性程度高等特點，屬于間隙化批處理加工過程范疇。生產(chǎn)過程中離散決策變量和連續(xù)決策變量同時存在，系統(tǒng)內(nèi)既包括連續(xù)過程變量，如物料流的連續(xù)變化；也包括離散過程變量，如生產(chǎn)方案的切換、隨機(jī)事件的引入等，所以生產(chǎn)加工過程本質(zhì)上是一個混雜動態(tài)系統(tǒng)。其排產(chǎn)調(diào)度算法問題因存在眾多的約束，成為非常難解的非確定性問題。

柔性制絲線排產(chǎn)算法選用包含數(shù)學(xué)規(guī)劃、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法及啟發(fā)式規(guī)則算法的混合式優(yōu)化算法[5-8]。算法模型設(shè)計為雙層架構(gòu)，上層是由數(shù)學(xué)規(guī)劃算法為主體的調(diào)度優(yōu)化模型，嵌套入部分神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法；下層是遺傳算法為主體的仿真模擬模型，嵌套入部分啟發(fā)式規(guī)則。其模型架構(gòu)如圖2所示。

上層優(yōu)化模型主要對調(diào)度周期內(nèi)較宏觀的生產(chǎn)策略進(jìn)行決策，如生產(chǎn)牌名的集合、批次數(shù)量、牌名加工順序等。優(yōu)化模型控制的目標(biāo)是在滿足生產(chǎn)條件、原料供應(yīng)及產(chǎn)品規(guī)格要求與數(shù)量需求約束條件下降低生產(chǎn)過程的成本，上層模型并不刻畫批次產(chǎn)品在生產(chǎn)線上的加工細(xì)節(jié)，如分組模塊在并行生產(chǎn)線的分布、物料進(jìn)出貯柜等。其算法中嵌入部分神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，通過閾值激活函數(shù)執(zhí)行產(chǎn)品優(yōu)化組合生產(chǎn)策略，實現(xiàn)同牌名的連續(xù)化集約生產(chǎn)。下層的仿真模擬系統(tǒng)根據(jù)啟發(fā)式規(guī)則和各類約束條件通過遺傳算法尋優(yōu)來進(jìn)行詳細(xì)的產(chǎn)品加工方案規(guī)劃，如各模塊在生產(chǎn)線的分布及先后加工順序等。下層系統(tǒng)的產(chǎn)品加工方案規(guī)劃將會反饋到上層系統(tǒng)中，優(yōu)化模型將根據(jù)新的信息重新計算并將結(jié)果傳遞到下層系統(tǒng)，最終迭代結(jié)束后系統(tǒng)得出了加工執(zhí)行方案。

2.2 算法描述

制絲線排產(chǎn)設(shè)計以滿足卷包車間連續(xù)生產(chǎn)為首要目標(biāo)，根據(jù)卷包車間機(jī)臺工單、成品煙絲庫存情況，確定制絲批次作業(yè)需求計劃。同時需要重點關(guān)注批次的執(zhí)行順序，只有順序合理，才能保證卷接包生產(chǎn)的連續(xù)性，保證設(shè)備有效作業(yè)率的提高。在柔性制絲線排產(chǎn)算法設(shè)計過程中，“拉動”與“推動”2種方式并行：根據(jù)市場訂單需求拉動卷包作業(yè)計劃，卷包作業(yè)計劃拉動形成煙絲庫需求計劃，經(jīng)動態(tài)的庫存量算法設(shè)計拉動得出具體的制絲作業(yè)需求計劃集；制絲線作業(yè)計劃采用“推動”的方式進(jìn)行自動排產(chǎn)，遵循制造資源動態(tài)重構(gòu)、設(shè)備能力均衡等原則，按照生產(chǎn)工藝順序進(jìn)行統(tǒng)籌優(yōu)化組合。自動排產(chǎn)算法的流程步驟如下：

2.2.1 環(huán)境數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)備。

讀取并存儲有關(guān)的環(huán)境數(shù)據(jù)信息，包括設(shè)備、物料、時間、策略等相關(guān)場景數(shù)據(jù)，制絲和卷包排程周期對應(yīng)的工作日等排產(chǎn)參數(shù)設(shè)置信息。讀入當(dāng)日制絲線初始狀態(tài)空間，包括制絲線儲葉柜、混摻柜、煙絲庫當(dāng)前容量、工藝段-柜對應(yīng)關(guān)系、牌號-制絲線對應(yīng)關(guān)系等。

2.2.2 制絲作業(yè)需求計劃排程。首先，對卷包分組進(jìn)度計劃進(jìn)行計算，從而得出煙絲日需求計劃（Pi），定義P=（V，K，N），其中V為卷接機(jī)日產(chǎn)能，K為萬支耗絲率，N為開臺數(shù)。 從排產(chǎn)時刻開始，經(jīng)過T時刻到庫存煙絲消耗完畢，則有：∫T0+TT0K（t）dt=Q0式中，Q0為煙絲庫存量，從而對庫存維持時間T進(jìn)行排序，按照庫存維持時間越短，優(yōu)先級越高進(jìn)行優(yōu)先排產(chǎn)。

其次，對產(chǎn)品牌名組合進(jìn)行優(yōu)化。定義產(chǎn)品優(yōu)化組合函數(shù)C（t）=ψ[θ（t）]，判斷t時刻各牌名的當(dāng)前實際煙絲庫存量Qk，當(dāng)有牌名的當(dāng)前實際煙絲庫存量Qi達(dá)到閾值θi后，對生產(chǎn)牌名進(jìn)行合并優(yōu)化組合。

最后，確定作業(yè)需求計劃集合。設(shè)定各牌名的煙絲庫常規(guī)存量Qi，通過松弛變量（Qiu、Qid）來軟化牌名存量的剛性限制。定義Hi（t）=[Qiu（t） Qid（t）]，系統(tǒng)根據(jù)Hi（t）以及當(dāng)前實際煙絲庫存量Qk，得出制絲線作業(yè)需求計劃的集合R，R=（p，n），其中p為生產(chǎn)牌名，n為批次數(shù)量。

2.2.3 制絲作業(yè)計劃排程。

系統(tǒng)采用推動的方式按照片煙處理段-葉絲干燥段-加香段的順序進(jìn)行自動排產(chǎn)。首先讀取制絲線作業(yè)需求計劃的集合R，運(yùn)用牌名切換成本、資源成組、均衡生產(chǎn)、工時約束等規(guī)則進(jìn)行排產(chǎn)，從而得出片煙處理段排產(chǎn)計劃集∑Y1（p，n）；其次，讀取片煙處理段排產(chǎn)計劃集∑Y1（p，n），調(diào)用工藝路徑約束、并行生產(chǎn)線效率約束、工時約束、FIFO等原則進(jìn)行排產(chǎn)，從而得出葉絲干燥段排產(chǎn)計劃集∑Y2（p，n）；三是讀取葉絲干燥線排產(chǎn)計劃集∑Y2（p，n），按照工時約束、FIFO等原則進(jìn)行排產(chǎn)，從而得出加香段排產(chǎn)計劃集∑Y3（p，n）。最后根據(jù)生產(chǎn)成本極小化原則進(jìn)行尋優(yōu)，若不滿足目標(biāo)則進(jìn)行迭代重排，最終得出制絲線日作業(yè)計劃Y1（p，n）、 Y2（p，n）、 Y3（p，n）。

3 應(yīng)用舉例

以卷煙廠某天的卷包生產(chǎn)計劃為例，柔性制絲線為2條并行煙片處理線、3條并行葉絲干燥線（2條薄板干燥線、1條氣流干燥線）和1條煙絲加香線，其中牌名B、C、D均為分組產(chǎn)品。其排產(chǎn)運(yùn)行過程如下：牌名A計劃生產(chǎn)360箱；牌名B計劃生產(chǎn)720箱；牌名C計劃生產(chǎn)540箱；牌名D計劃生產(chǎn)450箱。

系統(tǒng)首先計算出各牌名的日煙絲需求量；其次對各牌名的當(dāng)前實際煙絲庫存量進(jìn)行判斷，發(fā)現(xiàn)D牌名的當(dāng)前實際煙絲庫存量達(dá)到閾值θd，本日生產(chǎn)牌名為A、B、C；最后結(jié)合動態(tài)的煙絲庫存量算法得出制絲線作業(yè)需求計劃的集合R，R=[（A，2-3） （B，5-6） （C，3-4）]。需求計劃確定后程序自動運(yùn)行分別得出各段的排產(chǎn)計劃集，按照生產(chǎn)成本極小化原則調(diào)用目標(biāo)函數(shù)F進(jìn)行尋優(yōu)，從而得出具體的制絲線日作業(yè)計劃：1#片煙處理線為A1Ba6Cb3，2#片煙處理線為A1Bb6Ca3，1#薄板干燥線為A2Ba1Ca1，2#薄板干燥線為Ba5Ca2，3#氣流干燥線為Bb6Cb3，煙絲加香線為A1B2A1B4C3。

實際運(yùn)行結(jié)果表明，所有批次均在需求時間內(nèi)完成，既滿足了卷包生產(chǎn)需求，同時又減少了換牌次數(shù)，生產(chǎn)線運(yùn)行高效低耗，排產(chǎn)算法具有良好的可行性。

4 結(jié)語

煙草企業(yè)柔性制絲線的自動排產(chǎn)是一個難點。該研究采用混合算法進(jìn)行調(diào)度排產(chǎn)研究與實踐，解決了一些單一技術(shù)方式的缺陷，實現(xiàn)了排產(chǎn)的智能化、排產(chǎn)結(jié)果的高效化與生產(chǎn)成本的節(jié)約化，為今后深入研究制絲線排產(chǎn)系統(tǒng)提供了新的思路。

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