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面對(duì)多目的優(yōu)化的煙草制絲APS設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
作者:張海軍羅瑞閆瓊
來源:《物流技術(shù)》第01期
[摘要]為了提高煙草行業(yè)制絲計(jì)劃排產(chǎn)的合理性和實(shí)時(shí)性,提出了面對(duì)多目的優(yōu)化的煙草制絲APS(MO-TPAPS)。首先對(duì)制絲工藝建模,另首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了功效模塊、排產(chǎn)流程、數(shù)據(jù)庫和優(yōu)化算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),解決了準(zhǔn)時(shí)交貨、班次均衡、設(shè)備運(yùn)用率、連批生產(chǎn)等多目的優(yōu)化制絲排產(chǎn)問題,最后對(duì)MO-TPAPS進(jìn)行了測(cè)試,驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性和可靠性。
[核心詞]多目的優(yōu)化;高級(jí)計(jì)劃與排產(chǎn)系統(tǒng);煙絲生產(chǎn)
1引言
煙草產(chǎn)品含有雙重屬性,它既是商品,必須遵照市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的普通規(guī)律,又是專賣專營特殊商品,必須嚴(yán)格按國家宏觀規(guī)劃組織生產(chǎn)并由國家壟斷經(jīng)營。中國煙草行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱行業(yè),對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài),既給煙草業(yè)發(fā)展帶來了一定的機(jī)遇,也使煙草業(yè)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此,建立更優(yōu)化的煙草生產(chǎn)制造系統(tǒng),擴(kuò)大煙草公司的生產(chǎn)能力,成為我國煙草公司面臨解決的重要問題。
煙草生產(chǎn)過程分為制絲、卷接和包裝三個(gè)階段,其中制絲階段承當(dāng)著原料加工的任務(wù),是煙草生產(chǎn)中工序最多、流程最長、加工辦法和設(shè)備最為繁雜且工藝規(guī)定最高的階段。制絲階段是一種復(fù)雜的非線性系統(tǒng),其計(jì)劃調(diào)度很大程度上決定了煙草的質(zhì)量和效益。傳統(tǒng)ERP生產(chǎn)計(jì)劃模塊重要針對(duì)主生產(chǎn)計(jì)劃,而對(duì)制絲車間層計(jì)劃卻力不從心,眾多煙草公司仍然采用人工排產(chǎn)。即使制絲車間計(jì)劃跨度短,但關(guān)聯(lián)解決的信息量大,因此制絲排產(chǎn)嚴(yán)重依賴計(jì)劃員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和能力,采用風(fēng)險(xiǎn)最小的原則。隨著制絲工藝研究不停進(jìn)一步、先進(jìn)物流自動(dòng)化設(shè)備的廣泛采用,人工排產(chǎn)任務(wù)異常繁重,經(jīng)常造成不必要的損失。因此,設(shè)計(jì)合理、有效的制絲高級(jí)排產(chǎn)系統(tǒng)(AdvancedPlanningandScheduling,APS),使得煙草公司能解決多目的優(yōu)化制絲排產(chǎn)問題,盡量實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效益的最大化,是整個(gè)煙草行業(yè)中亟待解決的核心問題。
2制絲工藝建模
制絲工藝就是將煙葉制成符合產(chǎn)品煙香味質(zhì)量原則、適合煙支卷制工藝規(guī)定煙絲的加工過程。為了設(shè)計(jì)多目的制絲APS(MO-TPAPS),需要對(duì)制絲線工藝建模,明確煙草制絲的工藝規(guī)定。根據(jù)制絲工藝模型,多目的制絲APS指定批次的生產(chǎn)設(shè)備,并計(jì)劃每個(gè)工藝段開始進(jìn)料時(shí)間,預(yù)測(cè)出料完畢時(shí)間,并達(dá)成確保交貨期規(guī)定、減少庫存積壓、均衡產(chǎn)線和班次、提高設(shè)備運(yùn)用率等多目的規(guī)定。現(xiàn)在,各卷煙公司的產(chǎn)品千差萬別,然而對(duì)應(yīng)的制絲工藝基本一致。不管實(shí)際制絲工序多么繁雜,制絲線從邏輯上按照工藝段重要分為:切葉段、切絲段和混絲段。
以W卷煙廠為例,各工藝段中核心設(shè)備如圖1所不。
從圖1中可看出,制絲線中涉及預(yù)配柜、貯葉柜、貯絲柜等貯存設(shè)備。貯柜能摻配均勻的煙片,為后續(xù)工序提供穩(wěn)定的物料供應(yīng),調(diào)節(jié)和平衡工藝段之間的生產(chǎn)能力。制絲線工藝建模中存在下列類別約束:
(1)工藝約束。烘絲設(shè)備有不同的工藝屬性,如KLK烘絲、HDT烘絲、SH93烘絲等。貯柜中整批煙絲完全進(jìn)柜后方能出柜。全配方加工模式中,葉片、葉絲、混絲批次多是一對(duì)一的;分組加工模式中切葉、切絲批次能夠混合,但是葉絲到成絲是不能共同混合。
(2)時(shí)間約束。煙葉和煙絲在貯柜有最短存儲(chǔ)時(shí)間約束;制絲計(jì)劃竣工時(shí)間不能超出盼望竣工時(shí)間;班次對(duì)批次計(jì)劃的約束;葉絲高架庫遵照先進(jìn)先出,最小化存儲(chǔ)時(shí)間以防煙絲質(zhì)量減少;制絲計(jì)劃需遵照工廠日歷以及設(shè)備輪保、停機(jī)維修等機(jī)臺(tái)工作日歷。
(3)設(shè)備約束。切葉段設(shè)備與切絲段設(shè)備存在一對(duì)一“硬”連接約束。
(4)空間約束。制絲的批次產(chǎn)量不能超出貯柜組的空間容積。
(5)數(shù)量約束。不同牌號(hào)物料的不同批次的數(shù)量必須是某個(gè)數(shù)量單位的整數(shù)倍。
3MO-TPAPS設(shè)計(jì)
3.1MO-TPAPS系統(tǒng)功效模塊設(shè)計(jì)
多目的制絲APS系統(tǒng)功效模塊重要分三類,如圖2所示。
(1)基礎(chǔ)功效模塊。包含系統(tǒng)顧客權(quán)限管理、工廠(生產(chǎn)線)設(shè)備管理、物料管理、BOM管理和工藝管理等,該模塊是為制絲APS系統(tǒng)排產(chǎn)優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)權(quán)限設(shè)立。
(2)排產(chǎn)功效模塊。包含排產(chǎn)規(guī)則管理(涉及優(yōu)化算法設(shè)立、優(yōu)化目的設(shè)立、多約束規(guī)則等)、卷包計(jì)劃管理、制絲批次管理、制絲排產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度等,該模塊是制絲APS系統(tǒng)的核心。
(3)視圖功效模塊。涉及排產(chǎn)甘特圖管理、數(shù)據(jù)報(bào)表管理、工藝途徑規(guī)劃、多目的優(yōu)化效果圖等,該模塊為計(jì)劃員提供直觀、和諧的視圖展示。
3.2MO-TPAPS排產(chǎn)流程設(shè)計(jì)
多目的制絲APS排產(chǎn)過程,是通過從下游(卷包作業(yè)計(jì)劃)向上游逐級(jí)的拉動(dòng)式邏輯來進(jìn)行計(jì)算的。在創(chuàng)立每種批次時(shí),都會(huì)核對(duì)下游需求的總量和庫存中已有的批次,從而確保創(chuàng)立出的批次即能夠滿足生產(chǎn)的需要,又不會(huì)造成過高的庫存,如圖3所示。
在APS中,導(dǎo)入ERP卷包月/旬生產(chǎn)計(jì)劃,能夠由計(jì)劃員進(jìn)行微調(diào),以此作為制絲批次創(chuàng)立和優(yōu)化排產(chǎn)的計(jì)劃源頭。MO-TPAPS自動(dòng)后臺(tái)MRP計(jì)算模塊,能夠自動(dòng)根據(jù)下游產(chǎn)線的卷包作業(yè)計(jì)劃,以及該產(chǎn)品BOM和物料庫存,自動(dòng)推算對(duì)上游物料的消耗量及消耗時(shí)間,并且根據(jù)上游物料的庫存及排定的作業(yè)計(jì)劃,自動(dòng)推算該物料的補(bǔ)充量及補(bǔ)充時(shí)間,從而最后得到精確的物料計(jì)劃存量曲線。根據(jù)設(shè)立的多目的優(yōu)化規(guī)則和多維度約束,多目的制絲批次優(yōu)化排產(chǎn)模塊調(diào)用群體智能優(yōu)化算法進(jìn)行智能排產(chǎn),并輸出優(yōu)化排產(chǎn)成果。
3.3MO-TPAPS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)
MO-TPAPS的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)首先必須進(jìn)行需求分析,即精確理解與分析制絲排產(chǎn)業(yè)務(wù)邏輯和計(jì)劃員顧客需求;另首先概念構(gòu)造設(shè)計(jì),通過對(duì)計(jì)劃排產(chǎn)需求進(jìn)行綜合、歸納與抽象,形成一種獨(dú)立于具體DBMS的概念模型;然后進(jìn)行邏輯構(gòu)造設(shè)計(jì),將概念構(gòu)造設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為SQLServer所支持的數(shù)據(jù)模型,并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化;進(jìn)而擬定數(shù)據(jù)庫的物理構(gòu)造,組織數(shù)據(jù)的錄入和應(yīng)用程序的編碼和調(diào)試。多目的制絲APS的數(shù)據(jù)庫根據(jù)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)邏輯類型進(jìn)行分類:業(yè)務(wù)規(guī)則表、計(jì)劃有關(guān)表、物料有關(guān)表、業(yè)務(wù)模型表和系統(tǒng)有關(guān)表,如圖4所示。
3.4MO-TPAPS系統(tǒng)多目的優(yōu)化算法設(shè)計(jì)
群體智能優(yōu)化算法是近年來算法與人工智能領(lǐng)域重要研究方向之一,它是模擬生物在自然環(huán)境中的進(jìn)化過程而形成的一類自適應(yīng)全局優(yōu)化概率搜索算法。群體智能優(yōu)化算法同時(shí)對(duì)一組種群進(jìn)行操作,能夠在算法的一次運(yùn)行中并行搜索到多個(gè)解,本身是一種不依賴問題的通用辦法,可解決傳統(tǒng)優(yōu)化辦法難以解決的復(fù)雜優(yōu)化問題,特別是規(guī)模越來越龐大的多目的組合優(yōu)化問題(如多批次制絲排產(chǎn)問題等)。多目的制絲APS將優(yōu)化算法做成可配備的形式,計(jì)劃員在進(jìn)行排產(chǎn)時(shí)能夠選擇不同算法得到最優(yōu)的排產(chǎn)方案。多目的優(yōu)化算法流程圖如圖5所示,其中優(yōu)化目的有:(1)換牌優(yōu)化目的:
4MO-TPAPS的實(shí)現(xiàn)
多目的制絲APS系統(tǒng)采綜合傳統(tǒng)C/S和B/S架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),摒棄各自的缺點(diǎn),采用折中的方法。系統(tǒng)架構(gòu)為三層:顧客層,業(yè)務(wù)邏輯層,數(shù)據(jù)層,如圖6所示。制絲APS的核心一多目的優(yōu)化算法布署在業(yè)務(wù)邏輯層,充足運(yùn)用高性能服務(wù)器。在顧客層,通過WebService與業(yè)務(wù)邏輯交互。此架構(gòu)大大減少了業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)耦合性,制絲業(yè)務(wù)一旦發(fā)生變化,只需對(duì)業(yè)務(wù)邏輯端進(jìn)行系統(tǒng)更新,客戶端更新量較少,減少后期維護(hù)成本。
MO-TPAPS系統(tǒng)采用面對(duì)對(duì)象高級(jí)語言c#和數(shù)據(jù)庫SQLServer開發(fā)。c#是微軟公司在7月公布的一種全新且簡(jiǎn)樸、安全、面對(duì)對(duì)象的程序設(shè)計(jì)語言,是專門為NET的應(yīng)用而開發(fā)的語言。它吸取了c++、Vi-sualBasic、Delphi、Java等語言的優(yōu)點(diǎn),體現(xiàn)了當(dāng)今最新的程序設(shè)計(jì)技術(shù)的功效和精髓。SQLServer是一種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫,集成了微軟公司各類產(chǎn)品及資源(如.NET),提供了強(qiáng)大的可視化界面、高度集成的數(shù)據(jù)庫管理開發(fā)工具。圖7為MO-TPAPs多目的排產(chǎn)界面,圖8為制絲排產(chǎn)優(yōu)化成果及其甘特圖,圖9、圖10分別為多目的制絲排產(chǎn)優(yōu)化目的成果。
5結(jié)束語
制絲計(jì)劃排產(chǎn)是煙草公
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