面向多目標(biāo)優(yōu)化的煙草制絲APS設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

面對多目的優(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，提出了面對多目的優(yōu)化的煙草制絲APS（MO-TPAPS）。首先對制絲工藝建模，另首先對系統(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MO-TPAPS進(jìn)行了測試，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)劃模塊重要針對主生產(chǎn)計(jì)劃，而對制絲車間層計(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?，F(xiàn)在，各卷煙公司的產(chǎn)品千差萬別，然而對應(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）向上游逐級的拉動式邏輯來進(jìn)行計(jì)算的。在創(chuàng)立每種批次時(shí)，都會核對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自動后臺MRP計(jì)算模塊，能夠自動根據(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，自動推算對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)存儲耦合性，制絲業(yè)務(wù)一旦發(fā)生變化，只需對業(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)采用面對對象高級語言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樸、安全、面對對象的程序設(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