卷煙廠制絲車間自動(dòng)排產(chǎn)問(wèn)題研究

王勁松，萬(wàn)年彬，袁海霞，范明喜，王 軼，鄭 茜，李 杰

（1.襄陽(yáng)卷煙廠，湖北 襄陽(yáng) 441000；2.華中科技大學(xué) 管理學(xué)院，湖北 武漢 430074）

1 引言

隨著煙草行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，卷煙廠的生產(chǎn)組織方式已由“生產(chǎn)推動(dòng)型”轉(zhuǎn)變?yōu)椤笆袌?chǎng)需求拉動(dòng)型”，即按客戶訂單和銷售合同安排生產(chǎn)。在該背景下，卷煙廠提升生產(chǎn)與組織管理能力將成為其制勝法寶，其中更高要求的生產(chǎn)調(diào)度和生產(chǎn)作業(yè)管理無(wú)疑是關(guān)鍵一環(huán)。卷煙廠的生產(chǎn)主要包含卷包生產(chǎn)和制絲生產(chǎn)，其中卷包生產(chǎn)為離散型，制絲生產(chǎn)為流線型（或多階段型），其生產(chǎn)過(guò)程具有隨機(jī)性、不確定性、非線性等特性。因此，卷煙廠的排產(chǎn)調(diào)度問(wèn)題在數(shù)學(xué)上具有高度耦合性[1]，這為其生產(chǎn)調(diào)度帶來(lái)了很多的困擾和不確定性。以某卷煙廠為例，現(xiàn)行生產(chǎn)調(diào)度計(jì)劃主要由生產(chǎn)調(diào)度員憑借經(jīng)驗(yàn)手工完成，這并不能滿足靈活多變的實(shí)際生產(chǎn)需要，容易造成排產(chǎn)的誤差或資源的浪費(fèi)等情況[2]。因此，智能排產(chǎn)系統(tǒng)的引進(jìn)對(duì)卷煙廠落實(shí)降本增效、夯實(shí)基礎(chǔ)管理、推進(jìn)精益生產(chǎn)具有重要意義，尤其是制約卷包車間生產(chǎn)的制絲車間自動(dòng)排產(chǎn)系統(tǒng)的研發(fā)意義更大。

現(xiàn)存的關(guān)于制絲車間自動(dòng)排產(chǎn)的研發(fā)主要有但不限于如下幾種：一是對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行建模與計(jì)劃仿真。利用該仿真系統(tǒng)，調(diào)度員可從幾種待選方案中選出最優(yōu)方案[3]；二是利用優(yōu)化算法生成制絲生產(chǎn)方案，如分支定界法[4]、回溯算法[5]等。以上智能排產(chǎn)方案對(duì)制絲車間自動(dòng)排產(chǎn)研究具有重要意義，然而過(guò)于理想化，卷煙廠實(shí)際排產(chǎn)中仍需大量的人工干預(yù)，并沒(méi)有達(dá)到預(yù)想目的?，F(xiàn)行制絲車間自動(dòng)排產(chǎn)系統(tǒng)無(wú)法直接應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，究其原因主要是構(gòu)建的制絲排產(chǎn)模型與實(shí)際生產(chǎn)脫節(jié)，缺少對(duì)不確定因素的考慮，并且模型中簡(jiǎn)化了不少環(huán)節(jié)；或者自動(dòng)排產(chǎn)中忽略了制絲車間生產(chǎn)過(guò)程具有大量非線性與非結(jié)構(gòu)化的問(wèn)題。

為推進(jìn)制絲車間自動(dòng)排產(chǎn)問(wèn)題的研究，本文以卷煙廠制絲車間實(shí)際生產(chǎn)為背景，構(gòu)建了基于規(guī)則的啟發(fā)式算法。在算法設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮了各類型儲(chǔ)柜、各牌號(hào)換牌時(shí)間、原料、班次等所有車間生產(chǎn)約束，并將其嵌入算法設(shè)計(jì)過(guò)程中，以倒序排產(chǎn)為主要思路，以車間生產(chǎn)日均衡和工段生產(chǎn)均衡為目標(biāo)，構(gòu)建了制絲車間自動(dòng)排產(chǎn)算法。

2 問(wèn)題描述

2.1 卷煙廠制絲車間工藝簡(jiǎn)介

卷煙廠制絲車間是卷包車間的上游車間，一般的生產(chǎn)流程如圖1所示。絲線生產(chǎn)線自備料、片煙解包開(kāi)始，共有三個(gè)工段，分別是松散回潮工段、葉片加料工段、葉絲處理工段。松散回潮工段指煙葉經(jīng)解包后，經(jīng)歷切片、回潮，至完全進(jìn)入預(yù)混柜的過(guò)程；葉片加料工段指煙葉開(kāi)始出預(yù)混柜，依次經(jīng)過(guò)光譜除雜、加料潤(rùn)葉等操作，直至完全進(jìn)入貯葉柜的過(guò)程；葉絲處理工段指煙葉開(kāi)始出貯葉柜，經(jīng)過(guò)切絲、烘絲、加香等操作，直至完全進(jìn)入儲(chǔ)絲柜的過(guò)程。

圖1 卷煙廠制絲車間生產(chǎn)流程

2.2 卷煙廠制絲車間排產(chǎn)問(wèn)題分析

2.2.1 制絲車間排產(chǎn)特點(diǎn)描述。制絲車間絲線生產(chǎn)線和梗線生產(chǎn)線呈現(xiàn)明顯的階段性，且其生產(chǎn)過(guò)程還具有隨機(jī)性、復(fù)雜性、多約束性、多目標(biāo)性等特點(diǎn)。

（1）隨機(jī)性：在制絲車間實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，隨機(jī)因素和不確定因素是無(wú)法回避的，如：原料或香糖料供應(yīng)不及時(shí)、機(jī)器故障、外發(fā)訂單調(diào)整等突發(fā)事件均有發(fā)生的可能。

（2）復(fù)雜性：制絲車間的生產(chǎn)過(guò)程呈現(xiàn)嚴(yán)重的復(fù)雜性，主要體現(xiàn)在如下幾方面：一是產(chǎn)品與原料的多樣性，且原料與產(chǎn)品并非嚴(yán)格的一對(duì)一關(guān)系；二是香糖料配置的多樣性；三是同一牌號(hào)煙葉（絲）在不同類型儲(chǔ)柜儲(chǔ)存時(shí)間不定，并且不同牌號(hào)煙葉（絲）在同類型儲(chǔ)柜儲(chǔ)存時(shí)間也不定；四是每批次煙葉（絲）加工完畢后，下一批次進(jìn)入之前，需要進(jìn)行清洗或清掃，該段時(shí)間稱換牌時(shí)間。各批次之間的換牌時(shí)間均不相同等。

（3）多約束性：在制絲生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)面臨多種約束，具體如下：①煙絲的供應(yīng)同時(shí)滿足卷包車間生產(chǎn)需求和外發(fā)訂單需求；②本批次煙葉（絲）出柜時(shí)間受上一批次、下一批次和儲(chǔ)存時(shí)間的約束；③本批煙葉（絲）在柜中存放時(shí)間約束；④同一批只能存放在一個(gè)儲(chǔ)柜中，且一個(gè)儲(chǔ)柜同一時(shí)間只能存放同一批；⑤各種類型儲(chǔ)柜的容量和數(shù)量有限；⑥制絲車間的排產(chǎn)會(huì)受到班次時(shí)刻表、工作日歷、計(jì)劃停機(jī)時(shí)刻的約束；⑦換牌時(shí)間的約束；⑧原料、香糖料等資源約束。

（4）多目標(biāo)性：制絲車間的排產(chǎn)根據(jù)不同的需求會(huì)有不同的排產(chǎn)目標(biāo)，如生產(chǎn)時(shí)間最少、總的換牌時(shí)間最少、煙葉（絲）在儲(chǔ)柜中存放時(shí)間之和最小、生產(chǎn)均衡性更強(qiáng)等。

2.2.2 制絲車間排產(chǎn)需求分析。本文研究的制絲車間排產(chǎn)問(wèn)題，可滿足卷包車間生產(chǎn)需求和外發(fā)訂單需求，制絲車間總的排產(chǎn)需求為：（1）考慮到制絲車間排產(chǎn)多目標(biāo)性的特點(diǎn)，文中從員工管理的角度出發(fā)，定義制絲排產(chǎn)的目標(biāo)如下：生產(chǎn)線三個(gè)工段每日的工作量均衡，以及生產(chǎn)線每日工作量均衡（規(guī)定每日進(jìn)入儲(chǔ)絲柜煙絲的總量作為當(dāng)日的工作量）。（2）根據(jù)卷包生產(chǎn)計(jì)劃和外發(fā)訂單計(jì)劃，可生成制絲車間可執(zhí)行的基礎(chǔ)調(diào)度計(jì)劃。（3）每日生產(chǎn)工作完成后，記錄每日實(shí)際產(chǎn)出信息以及資源消耗量。（4）當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)情況，如設(shè)備故障、卷包車間出現(xiàn)重調(diào)度等情況時(shí)，能夠調(diào)整計(jì)劃。

3 排產(chǎn)算法

制絲自動(dòng)排產(chǎn)的目標(biāo)是通過(guò)算法規(guī)則設(shè)定，以及相應(yīng)的輸入，得出制絲線上的工藝段排產(chǎn)計(jì)劃[6]。鑒于實(shí)際生產(chǎn)需求，制絲排產(chǎn)細(xì)化到工藝段，即排產(chǎn)結(jié)果給出每個(gè)工藝段開(kāi)始生產(chǎn)時(shí)刻、生產(chǎn)完成時(shí)刻、在制品煙絲流動(dòng)起止點(diǎn)及相應(yīng)的批次信息。已有文獻(xiàn)中，多采取以卷包車間的日進(jìn)度計(jì)劃驅(qū)動(dòng)制絲排產(chǎn)，本文采用喂絲工單驅(qū)動(dòng)。相比日進(jìn)度計(jì)劃驅(qū)動(dòng)，以喂絲工單驅(qū)動(dòng)可以精確到具體生產(chǎn)時(shí)間和具體的喂絲機(jī)生產(chǎn)卷煙量，更加符合實(shí)際生產(chǎn)的要求。制絲排產(chǎn)算法調(diào)度周期為月度計(jì)劃，即可以一次性生成月度制絲計(jì)劃；滾動(dòng)周期為一天，即每日進(jìn)行滾動(dòng)，以應(yīng)對(duì)生產(chǎn)的不確定性。

3.1 排產(chǎn)思路

排產(chǎn)算法的設(shè)計(jì)以充分滿足實(shí)際生產(chǎn)需求為目的，滿足各種實(shí)際約束，同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化。排產(chǎn)時(shí)采用逆向排程的思想，先進(jìn)行葉絲處理的排產(chǎn)，其次進(jìn)行葉片加料的排產(chǎn)，最后進(jìn)行切片回潮的排產(chǎn)。

（1）將喂絲工單計(jì)劃轉(zhuǎn)化為自用煙絲需求計(jì)劃。

（2）將外發(fā)煙絲任務(wù)轉(zhuǎn)化為外發(fā)煙絲需求計(jì)劃。

（3）自用煙絲需求計(jì)劃和外發(fā)煙絲需求計(jì)劃去掉相應(yīng)牌號(hào)煙絲的成品庫(kù)存（儲(chǔ)絲柜成品煙絲量），得到自用煙絲生產(chǎn)計(jì)劃和外發(fā)煙絲生產(chǎn)計(jì)劃。

（4）根據(jù)儲(chǔ)絲柜的當(dāng)前狀態(tài)（是否有煙絲）及儲(chǔ)絲柜和喂絲機(jī)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為自用煙絲生產(chǎn)計(jì)劃選擇合適的儲(chǔ)絲柜，得到自用煙絲進(jìn)儲(chǔ)絲柜計(jì)劃。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行外發(fā)煙絲生產(chǎn)計(jì)劃排產(chǎn)。選擇儲(chǔ)絲柜的原則為：一個(gè)柜組包含兩個(gè)柜子，同一柜組只能儲(chǔ)存一種煙絲；一個(gè)柜子只能儲(chǔ)存一批煙絲。

（5）根據(jù)貯葉柜、預(yù)混柜當(dāng)前狀態(tài)，依次進(jìn)行貯葉柜和預(yù)混柜的調(diào)度。

（6）將進(jìn)、出各柜的結(jié)果合并成葉絲處理、葉片加料、切片回潮的排產(chǎn)。

3.2 排產(chǎn)步驟

（1）獲取當(dāng)前排產(chǎn)所需的生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

（2）喂絲工單時(shí)間升序排列，根據(jù)煙絲BOM將使用同種牌號(hào)煙絲的喂絲工單合并處理，得到自用煙絲需求計(jì)劃。煙絲需求時(shí)間減去該牌號(hào)煙絲存儲(chǔ)時(shí)間和進(jìn)入儲(chǔ)絲柜所需時(shí)間，得到煙絲最晚開(kāi)始進(jìn)入儲(chǔ)絲柜時(shí)間。外發(fā)煙絲各牌號(hào)煙絲需求總量除以各牌號(hào)單位批次量（kg/批）得到各牌號(hào)外發(fā)煙絲生產(chǎn)批次量，生成外發(fā)煙絲需求計(jì)劃。煙絲需求計(jì)劃去掉已有的成品庫(kù)存得到煙絲生產(chǎn)計(jì)劃，按照最晚開(kāi)始進(jìn)儲(chǔ)絲柜時(shí)間升序排列。

（3）根據(jù)制絲車間工作時(shí)間設(shè)置臨界點(diǎn)時(shí)刻。臨界點(diǎn)用于判斷煙絲在前一天生產(chǎn)還是當(dāng)天生產(chǎn)。當(dāng)前需要生產(chǎn)的煙絲總批次除以生產(chǎn)天數(shù)，得到日均生產(chǎn)批次。每批煙絲最晚開(kāi)始進(jìn)儲(chǔ)絲柜時(shí)間如果為臨界點(diǎn)之前，則安排在前一天進(jìn)儲(chǔ)絲柜；如果在臨界點(diǎn)之后，則該批煙絲進(jìn)行判斷，若前一天生產(chǎn)煙絲批次少于日均生產(chǎn)批次，則安排在前一天生產(chǎn)，否則安排在當(dāng)天生產(chǎn)。綜合生產(chǎn)線可用時(shí)間和換牌時(shí)間，得到該批煙絲計(jì)劃開(kāi)始生產(chǎn)時(shí)間。儲(chǔ)柜是否可用根據(jù)可用時(shí)刻進(jìn)行判斷，可用時(shí)刻為該儲(chǔ)柜騰空時(shí)刻，即儲(chǔ)存煙絲轉(zhuǎn)移到下一道工藝結(jié)束的時(shí)刻。根據(jù)儲(chǔ)絲柜和喂絲機(jī)對(duì)應(yīng)關(guān)系，選定最早空閑的儲(chǔ)柜，更新該儲(chǔ)柜可用時(shí)刻。依次處理完所有自用煙絲進(jìn)儲(chǔ)絲柜計(jì)劃。

（4）獲取自用煙絲每日計(jì)劃生產(chǎn)批次數(shù)。外發(fā)煙絲按照交貨日期升序排列，在當(dāng)前外發(fā)煙絲的生產(chǎn)時(shí)間區(qū)間（當(dāng)前到交貨日期），檢索自用煙絲生產(chǎn)批次數(shù)最少的日期，安排生產(chǎn)一批外發(fā)煙絲，更新此日煙絲生產(chǎn)總批次數(shù)。重復(fù)本步驟直到外發(fā)煙絲全部安排完成，得到總的煙絲進(jìn)儲(chǔ)絲柜計(jì)劃。

（5）參照步驟（3）生成自用煙絲進(jìn)儲(chǔ)絲柜計(jì)劃的方式，根據(jù)總的煙絲進(jìn)儲(chǔ)絲柜計(jì)劃，依次生成煙絲進(jìn)貯葉柜計(jì)劃、煙絲進(jìn)預(yù)混柜計(jì)劃。

（6）排產(chǎn)結(jié)束，輸出煙絲進(jìn)儲(chǔ)絲柜計(jì)劃、煙絲進(jìn)貯葉柜計(jì)劃、煙絲進(jìn)預(yù)混柜計(jì)劃，檢查是否可以滿足喂絲和發(fā)貨。

4 排產(chǎn)算法在某卷煙廠的應(yīng)用

該卷煙廠隸屬湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，自2012年開(kāi)始研制、生產(chǎn)細(xì)支煙產(chǎn)品，制絲車間有一條絲線生產(chǎn)線，承擔(dān)自用煙絲和外發(fā)煙絲的加工。近年來(lái)，該卷煙廠實(shí)施了MES與APS系統(tǒng)，并在APS系統(tǒng)中引用了本文所設(shè)計(jì)的制絲排產(chǎn)算法。

4.1 數(shù)據(jù)輸入

目前卷煙廠初步實(shí)施了MES 與APS 系統(tǒng)，制絲排產(chǎn)算法針對(duì)MES 系統(tǒng)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)輸入接口，直接從MES的數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取排產(chǎn)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

4.1.1 喂絲工單輸入。在該卷煙廠，信息系統(tǒng)中已有直接可以指導(dǎo)生產(chǎn)的喂絲工單信息，故采取以喂絲工單作為輸入數(shù)據(jù)的方式。喂絲工單格式見(jiàn)表1。

表1 喂絲工單

4.1.2 煙絲需求計(jì)劃。煙絲需求由兩部分組成：自用煙絲和外發(fā)煙絲。自用煙絲指卷煙廠生產(chǎn)并用于喂絲工單包含自用煙絲和外來(lái)煙絲。根據(jù)自用煙絲BOM，提取出喂絲工單中的使用自用煙絲的工單，并將其轉(zhuǎn)換成自用煙絲需求。轉(zhuǎn)換方法是：根據(jù)煙絲BOM 將使用同種牌號(hào)煙絲的工單合并，得到自用煙絲需求計(jì)劃。煙絲需求時(shí)間減去該牌號(hào)煙絲存儲(chǔ)時(shí)間和進(jìn)入儲(chǔ)絲柜所需時(shí)間，得到煙絲最晚開(kāi)始進(jìn)入儲(chǔ)絲柜時(shí)間。

外發(fā)煙絲指卷煙廠生產(chǎn)，然后運(yùn)往別廠的煙絲，生產(chǎn)優(yōu)先級(jí)低于自用煙絲。外發(fā)煙絲生產(chǎn)任務(wù)由煙絲牌號(hào)、需求總量（kg）、需求時(shí)間組成。需求總量除以單位批次量（kg/批）得到各牌號(hào)外發(fā)煙絲生產(chǎn)批次量。

煙絲需求計(jì)劃格式見(jiàn)表2。

表2 煙絲需求計(jì)劃

4.1.3 儲(chǔ)柜當(dāng)前信息。從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取當(dāng)前各儲(chǔ)柜中存儲(chǔ)煙絲的信息，以便根據(jù)當(dāng)前煙絲柜存量計(jì)算出煙絲可以供應(yīng)喂絲時(shí)長(zhǎng)，以便提前生產(chǎn)下一批煙絲，防止喂絲待料。儲(chǔ)柜信息格式見(jiàn)表3，若為0，則表示儲(chǔ)柜已經(jīng)騰空。

表3 儲(chǔ)柜當(dāng)前信息

4.1.4 輔料需求計(jì)劃。根據(jù)煙絲需求計(jì)劃制定相應(yīng)的梗絲、膨脹煙絲、香料、糖料計(jì)劃，指導(dǎo)實(shí)際的生產(chǎn)。由于實(shí)際生產(chǎn)中只有較少煙絲需要摻兌梗絲，故本文不額外考慮梗絲生產(chǎn)計(jì)劃，而將其作為生產(chǎn)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)進(jìn)行考慮。

4.2 排產(chǎn)結(jié)果

排產(chǎn)結(jié)果包括切片回潮、葉片加料、葉絲處理等工藝段的計(jì)劃生產(chǎn)日期、煙絲牌號(hào)、重量（kg）、起始柜、結(jié)束柜、計(jì)劃開(kāi)始時(shí)間、計(jì)劃結(jié)束時(shí)間。排產(chǎn)結(jié)果格式見(jiàn)表4。

表4 排產(chǎn)結(jié)果

4.3 對(duì)比分析

該卷煙廠實(shí)際制絲計(jì)劃依靠調(diào)度員憑總的生產(chǎn)計(jì)劃預(yù)排，其制絲計(jì)劃只包括煙絲牌號(hào)、批次、各個(gè)工藝段估計(jì)開(kāi)始生產(chǎn)時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，存在的問(wèn)題有：

（1）沒(méi)有給出具體使用哪個(gè)儲(chǔ)柜，這就導(dǎo)致在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)儲(chǔ)柜仍被占用，不得不跳過(guò)該批煙絲的生產(chǎn)。

（2）沒(méi)有考慮不同煙絲間的換牌時(shí)間，部分低檔次煙絲換牌高檔次煙絲時(shí)，需要一定時(shí)間完成清潔，如果不考慮換牌時(shí)間，就會(huì)導(dǎo)致隨著時(shí)間推移，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間延誤越來(lái)越嚴(yán)重，導(dǎo)致煙絲不能及時(shí)生產(chǎn)完成，出現(xiàn)加班現(xiàn)象。

（3）制絲計(jì)劃只根據(jù)總的生產(chǎn)計(jì)劃預(yù)排，而非根據(jù)喂絲計(jì)劃進(jìn)行排產(chǎn)，會(huì)導(dǎo)致部分喂絲工單不能滿足，或者多生產(chǎn)一批煙絲的情況。

本文提出的制絲排產(chǎn)方案，可以生成完全滿足喂絲計(jì)劃，同時(shí)兼顧每日生產(chǎn)量的均衡。與手工預(yù)排相比，提高了排產(chǎn)精確度和穩(wěn)定性，避免人主觀意識(shí)導(dǎo)致的變動(dòng)，可以為實(shí)際生產(chǎn)提供更好的指導(dǎo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)卷煙行業(yè)制絲車間生產(chǎn)作業(yè)的自動(dòng)排產(chǎn)進(jìn)行研究，對(duì)排產(chǎn)過(guò)程中的約束及排產(chǎn)需求進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出本文自動(dòng)排產(chǎn)的思路及實(shí)施步驟，為今后進(jìn)一步對(duì)自動(dòng)排產(chǎn)進(jìn)行研究提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。