鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化研究與應用

彭頻，陳恩湖，薛志全，李明堅

（1.江西理工大學經(jīng)濟管理學院，江西贛州341000；2.中南大學商學院，長沙410083；3.福建省南平鋁業(yè)有限公司電解鋁分廠，福建南平353000）

鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化研究與應用

彭頻1，2，陳恩湖1，薛志全3，李明堅1

（1.江西理工大學經(jīng)濟管理學院，江西贛州341000；2.中南大學商學院，長沙410083；3.福建省南平鋁業(yè)有限公司電解鋁分廠，福建南平353000）

針對鋁企業(yè)生產(chǎn)流程的特點，分析了鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的基本特征，闡述了鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度的優(yōu)化目標和約束條件，提出了鋁企業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的功能體系結構，給出了基于MES的鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化策略.

鋁企業(yè)；生產(chǎn)調(diào)度問題；制造執(zhí)行系統(tǒng)

0 引言

在復雜多變的市場環(huán)境下，如何滿足多品種、小批量和客戶個性化的需求，如何合理配置和有效利用企業(yè)關鍵資源，如何通過信息集成來推動生產(chǎn)流程優(yōu)化，需要企業(yè)將經(jīng)營計劃系統(tǒng)(BPS)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、過程控制系統(tǒng)(PCS)作為一個整體進行優(yōu)化運行、優(yōu)化控制與優(yōu)化管理[1].生產(chǎn)調(diào)度是現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)(CIMS)的一個重要組成部分，連接著管理層和控制層，是生產(chǎn)管理的核心和關鍵技術.

鋁企業(yè)的生產(chǎn)過程比較獨特，介于離散型生產(chǎn)和連續(xù)型生產(chǎn)之間，各工序間呈現(xiàn)順序加工的關系，且前后工序緊密銜接，不僅存在物流平衡和資源平衡問題，同時存在能力平衡和時間平衡問題.鋁企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度問題，不能單純照搬離散型制造企業(yè)如機械加工的生產(chǎn)管理經(jīng)驗，也不能簡單套用連續(xù)型生產(chǎn)企業(yè)如化工企業(yè)的生產(chǎn)管理方法，必須分析其生產(chǎn)環(huán)境、優(yōu)化目標和約束條件，探討企業(yè)范圍內(nèi)信息的集成，編制系統(tǒng)、全面、合理地生產(chǎn)調(diào)度，實現(xiàn)鋁企業(yè)生產(chǎn)流程的整體優(yōu)化.

1 鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的基本特征

1.1 鋁企業(yè)生產(chǎn)流程及其特點

鋁的生產(chǎn)過程主要包括電解、熔煉、鑄造、噴涂以及氧化等工序，介于離散型生產(chǎn)和連續(xù)型生產(chǎn)之間，屬混合型生產(chǎn).電解階段是將氧化鋁等通過電化學反應，生成鋁水和二氧化物.熔煉階段則是將電解過程后的鋁水注入熔爐，根據(jù)訂單的屬性添加各種添加劑，從而得到需要的化學成分.熔煉過后，鋁水經(jīng)過保溫爐除氣后通過一系列轉(zhuǎn)注工具澆入到一定形狀的鑄模中冷卻，得到一定形狀和尺寸鑄錠.鋁企業(yè)的生產(chǎn)流程如圖1所示.

圖1 鋁企業(yè)生產(chǎn)工藝流程圖

鋁企業(yè)生產(chǎn)物流和生產(chǎn)方式比較獨特，主要表現(xiàn)在：首先，生產(chǎn)階段性顯著.在熔煉階段，主要以化學變化為主，需嚴格控制鋁液的化學成分；在鑄造階段，主要以物理變化為主，需按照客戶訂單要求控制產(chǎn)品的外形尺寸.其次，生產(chǎn)能力體現(xiàn)集中性.一般情況下，整個鋁企業(yè)生產(chǎn)能力的瓶頸主要體現(xiàn)在熔煉與鑄造階段的關鍵設備上.第三，生產(chǎn)階段具有連續(xù)性.從熔煉到鑄造，整個高耗能階段以一種連續(xù)的生產(chǎn)方式進行，各操作之間的緩沖有限，前后工序要求銜接匹配.第四，生產(chǎn)過程屬持續(xù)高溫作業(yè)，能耗大，加強能源管理有助于降低成本和減少環(huán)境污染.

1.2 鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度的復雜性

鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度通過對訂單優(yōu)化組批和排序來滿足產(chǎn)品成分、鑄造形狀、交貨期、優(yōu)先權等訂單屬性要求，通過液態(tài)鋁水供給、熔煉、鑄造和擠壓之間的平衡實現(xiàn)一體化生產(chǎn)目標，以及通過合理配置關鍵設備和關鍵資源，盡可能減少設備調(diào)整準備成本和資源浪費，實現(xiàn)縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本、準時交貨和提高產(chǎn)品質(zhì)量等目的.

鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度的基本特征表現(xiàn)為：①干擾多、識別困難.不確定的生產(chǎn)時間、偶發(fā)性的設備故障、不合格的鋁水成分等使得生產(chǎn)調(diào)度問題成為隨機優(yōu)化問題；②工序多且相互銜接.電解、熔煉、保溫、澆鑄、擠壓等各個環(huán)節(jié)在物流及工藝上聯(lián)系緊密，前后工序存在銜接匹配問題.③約束多且關系復雜.生產(chǎn)工藝流程、產(chǎn)品交貨期及優(yōu)先權、設備生產(chǎn)能力、庫存、物流平衡等都是調(diào)度中應綜合考慮的約束條件；④優(yōu)化目標較多.提高設備利用率、降低生產(chǎn)成本、最大化成材率、顧客交貨期承諾等都是生產(chǎn)管理追求的優(yōu)化目標，且目標之間可能存在沖突；⑤優(yōu)化準則的復雜性.從問題的優(yōu)化準則來看，同時有基于代價的優(yōu)化準則及基于性能的優(yōu)化準則；⑥求解的困難性.鋁生產(chǎn)過程存在大量離散變量和連續(xù)變量，涉及優(yōu)化目標和約束條件眾多，生產(chǎn)調(diào)度問題是混雜系統(tǒng)調(diào)度問題，是NP(Non-Polynomial)完全問題，隨著調(diào)度問題處理對象的增加，求解時間呈指數(shù)性增加.

2 鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化目標

（1）提高設備利用率.鋁企業(yè)生產(chǎn)設備投資大，能耗高，提高設備利用率是降低生產(chǎn)成本，挖掘企業(yè)利潤空間的重要手段.減少設備調(diào)整次數(shù)及空閑等待時間，消除設備沖突，注重設備保養(yǎng)和管理，減少設備故障是生產(chǎn)調(diào)度的重要目的.

（2）最大化成材率.產(chǎn)品質(zhì)量是否符合客戶訂單要求以及生產(chǎn)過程形成的無委材及幾何廢料重量的多少是影響成材率的兩個因素.企業(yè)基于訂單組織生產(chǎn)，由于訂單的屬性不一，體現(xiàn)多品種小批量特點，存在訂單屬性的滿足與實際生產(chǎn)規(guī)程的適應問題.通過訂單合理組批和設備指派優(yōu)化，持續(xù)推進全面質(zhì)量管理，降低無委材和幾何廢料重量以及保證產(chǎn)品質(zhì)量是最大成材率的主要手段.

（3）減少等待時間.等待時間分為在制品等待時間及設備空閑時間.如鋁水在熔煉爐前的等待時間、鋁液在保溫爐中的等待時間、熔煉爐空閑時間及澆鑄機空閑時間.在制品等待時間造成能源浪費，降低能源利用率；設備空閑時間造成能源浪費，降低設備的有效產(chǎn)能.一般通過生產(chǎn)過程的信息共享及各個工序的協(xié)調(diào)來實現(xiàn)一體化生產(chǎn)，降低生產(chǎn)過程的各種等待時間.

（4）保證準時交貨.準時交貨是保證顧客滿意度及提高企業(yè)競爭力的主要因素.交貨期越短，準時交貨則越難.由此，在已有生產(chǎn)能力基礎上做出準確的訂單承諾，考慮不同產(chǎn)品交貨期下合理的生產(chǎn)安排，在保證產(chǎn)品質(zhì)量基礎上實現(xiàn)工序能力充分利用是影響準時交貨的重要因素.

此外，生產(chǎn)調(diào)度還有諸如加工周期、總完工時間、最大拖期，總誤工數(shù)，最小加工成本等優(yōu)化目標.鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化目標是相互關聯(lián)的，科學合理的生產(chǎn)調(diào)度應基于整體優(yōu)化目標的實現(xiàn)，而不是簡單片面追求單個目標的優(yōu)化.

3 鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度約束條件

（1）工藝約束.工藝約束指在生產(chǎn)過程中為保證生產(chǎn)正常進行和產(chǎn)品質(zhì)量符合客戶要求所應遵循和滿足的生產(chǎn)規(guī)程.主要工藝約束條件有：①同一熔煉爐中，若前后兩個爐次成分存在沖突，如后一爐次不允許含有前者的任何合金成分，則需對爐子進行清洗[2]；②為避免化學成分變化或溫度下降造成的鑄件質(zhì)量下降和能源消耗，鋁水在各個工序之間的等待時間應嚴格控制，盡量實現(xiàn)零等待或等待較短時間；③真空抬包從電解槽內(nèi)抽出鋁液后，在熔煉爐前的等待時間有限，抬包內(nèi)的鋁液必須一次傾倒完畢；④熔煉爐連續(xù)工作一定時間后，為清除爐內(nèi)的殘渣，需要對爐子進行清洗.

（2）設備約束.設備約束指在生產(chǎn)過程中為實現(xiàn)設備的合理利用及生產(chǎn)順暢、保證產(chǎn)品質(zhì)量等目的，設備所應遵循的使用規(guī)程.如果設備使用不當，特別是關鍵設備如熔爐和澆鑄機，會影響整個企業(yè)的生產(chǎn)成本及生產(chǎn)能力.主要設備約束條件有：①某個具體環(huán)節(jié)每個訂單只能指派給一個設備，且訂單的總重量小于該設備的生產(chǎn)能力；②生產(chǎn)流程的連續(xù)性要求2臺或3臺熔爐為一個澆鑄機提供鋁水，避免澆鑄機因饑餓而等待[3]；③澆鑄機有若干個尺寸不一的鑄模決定著鑄件的外形尺寸、鑄模不經(jīng)常更換，且僅當整個澆鑄生產(chǎn)過程停止時可更換；④澆鑄機必須能完全消耗熔爐之后的鋁水；⑤由于多臺熔爐在鋁液傾倒操作中使用同一過濾設備，則不能同時對來自多臺熔爐不同成分的鋁液進行加工處理.

（3）訂單屬性約束.訂單屬性約束指客戶訂單對產(chǎn)品屬性，如成分、尺寸、重量和交貨期等方面的要求.主要訂單屬性約束條件有：①交貨期約束.在調(diào)度中應努力保證訂單在客戶交貨期內(nèi)實現(xiàn)準時交貨；②成分約束.成分約束主要體現(xiàn)在產(chǎn)品應滿足訂單對產(chǎn)品合金成分(如硅、鎂、銅等)的要求；③外形尺寸約束.外形尺寸約束表現(xiàn)為在如澆鑄和擠壓等成型環(huán)節(jié)滿足訂單外形尺寸（寬、厚、直徑或長度等）的要求；④優(yōu)先權約束.根據(jù)不同的產(chǎn)品經(jīng)濟效益和客戶關系，訂單有不同的優(yōu)先權，調(diào)度時應充分考慮訂單的優(yōu)先權約束，合理安排優(yōu)先訂單的生產(chǎn).

（4）物流平衡約束.物流平衡約束指在整個生產(chǎn)過程需要保證物流高效運作、前后工序協(xié)調(diào)匹配，實現(xiàn)生產(chǎn)批量在時間和數(shù)量上匹配.主要的物流平衡約束有：①熔爐熔煉能力應大于電解車間電解能力，保證從電解車間過來的鋁液無等待或等待時間短；②因鋁液儲存困難，熔煉完后的鋁水必須在規(guī)定時間內(nèi)送到鑄造階段進行澆鑄，同時澆鑄階段必須能完全且及時消耗掉熔煉階段的鋁水；③保證各個階段在制品庫存平衡及最終產(chǎn)品庫存平衡，如在制品和最終產(chǎn)品庫存均不能超過企業(yè)庫存能力，按訂單生產(chǎn)時必須考慮已有庫存和訂單的匹配情況等.

4 基于MES系統(tǒng)的鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化

4.1 鋁企業(yè)MES的功能結構

圖2 鋁企業(yè)MES體系構成

制造執(zhí)行系統(tǒng)作為連接ERP、CRM、SCM等企業(yè)級業(yè)務計劃系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)的橋梁，不僅是工廠內(nèi)部的管理系統(tǒng)，而且在企業(yè)范圍的信息集成中起著承上啟下的重要作用.鋁企業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)的功能結構如圖2所示，主要包括生產(chǎn)調(diào)度、設備管理、質(zhì)量管理、物料跟蹤、庫存管理等功能模塊，側(cè)重解決企業(yè)資源計劃與底層生產(chǎn)過程控制信息之間出現(xiàn)的脫節(jié)問題，使下層生產(chǎn)過程的實時信息和上層企業(yè)資源管理的各類信息融合與貫通，實現(xiàn)鋁企業(yè)生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制、優(yōu)化運行和優(yōu)化管理的信息集成[4].在鋁企業(yè)的生產(chǎn)過程中，從進廠的原材料到最終成品的形成，經(jīng)過多段生產(chǎn)、多段運輸、多地存儲，涉及到訂單、工藝、質(zhì)量、設備和生產(chǎn)等各種信息，以生產(chǎn)計劃與調(diào)度為主要內(nèi)容的協(xié)同過程，不僅在鋁企業(yè)內(nèi)部各過程之間的組織，而且在企業(yè)與外部系統(tǒng)協(xié)調(diào)中起到核心作用.

4.2 基于MES系統(tǒng)的鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度

（1）鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度的建模技術.鋁企業(yè)的特點使得其生產(chǎn)調(diào)度問題非常復雜，主要的建模方法有：分解模型，將調(diào)度問題分解為若干個規(guī)模較小的子問題，包括基于時間分解、基于機器（設備）分解、基于工件（訂單）分解[5]；混合整數(shù)規(guī)劃方法、混合模型、混合整數(shù)非線性模型等；基于敏捷性的建模方法；基于模糊理論的建模方法.鋁生產(chǎn)調(diào)度用得較多的主要有基于時間分解、混合整數(shù)模型等.建模策略主要包含約束處理策略以及目標選擇策略.約束處理方面，包括正確區(qū)分軟約束和硬約束，科學評定約束優(yōu)先權及訂單優(yōu)先權，準確抽象動態(tài)環(huán)境下的生產(chǎn)條件，以及對生產(chǎn)實際如加工期交貨期等的模糊處理等.目標選擇方面，力爭調(diào)度目標吻合企業(yè)MES體系，進而吻合包含MES在內(nèi)的企業(yè)整個生產(chǎn)系統(tǒng)，避免優(yōu)化目標的簡單化和不全面.對鋁企業(yè)而言，優(yōu)化目標應保證生產(chǎn)的安全、平穩(wěn)，通過合理安排盡量完成計劃并盡量減少不同生產(chǎn)狀態(tài)的切換以生產(chǎn)更多高附加值產(chǎn)品.

（2）鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度問題的求解算法.由于約束條件的繁多和復雜性，調(diào)度模型算法應顧全生產(chǎn)約束和求解效率，能理想運用于實際生產(chǎn)，其主要有：啟發(fā)式方法，求解時間短，但不易確定近似程度；數(shù)學規(guī)劃方法，可得到全局最優(yōu)解及對調(diào)度方案進行評價，但求解時間長；遺傳算法，容易解決調(diào)度的多目標復雜目標問題，但局部收斂較慢[6]；模擬退火法，突破局部搜索的限制，收斂快，但參數(shù)選擇比較困難；模糊邏輯，適用于知識表達，有較強的邏輯功能，但模糊規(guī)則的確定比較困難.已有的鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度模型求解主要采用雙環(huán)遺傳算法、啟發(fā)式算法、蟻群算法以及啟發(fā)式算法和遺傳算法相結合的算法[7].智能優(yōu)化算法通過模擬或揭示自然界的某些現(xiàn)象和過程得到發(fā)展，以其獨特的優(yōu)點和集中在解決大規(guī)模生產(chǎn)調(diào)度領域得到廣泛應用.

（3）鋁生產(chǎn)調(diào)度模型的工程應用.由于生產(chǎn)調(diào)度的重要性及其復雜性，鋁企業(yè)的調(diào)度支持系統(tǒng)應結合其自身特點，應突出生產(chǎn)過程中調(diào)度功能的作用，調(diào)度信息與其它信息的集成及動態(tài)環(huán)境下的適應性[8]：首先在生產(chǎn)實際的基礎上綜合調(diào)度算法的精準性和人工經(jīng)驗的實用性建立人機交互機制；其次開發(fā)能反映多種目標、能靈活處理各種約束、能快速響應動態(tài)變化的生產(chǎn)調(diào)度算法；最后努力實現(xiàn)調(diào)度功能與MES中的其他功能集的融合，融入冶金企業(yè)及流程行業(yè)的專有關鍵技術，如一體化計劃、全面質(zhì)量管理技術、動態(tài)成本控制技術、設備故障監(jiān)測與分析等，以解決生產(chǎn)現(xiàn)場各種復雜問題[9].針對鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度，已有的工程應用主要有：Broner公司的金屬解決方案，SAP公司的金屬解決方案，PSI公司的制造執(zhí)行解決方案，Honeywell公司的包含生產(chǎn)調(diào)度在內(nèi)的多模塊集成的Busiess，HIS公司的H/SCHED調(diào)度系統(tǒng)，國內(nèi)有冶金自動化研究設計院的Aripps生產(chǎn)計劃和調(diào)度系統(tǒng).

5 結束語

通過對鋁企業(yè)生產(chǎn)流程特點的概括，闡述其生產(chǎn)調(diào)度的多約束多目標特征，分析鋁生產(chǎn)調(diào)度問題的復雜性，同時構建鋁企業(yè)制造執(zhí)行系統(tǒng)的功能框架，探討了鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度的建模策略、求解算法及工程應用，為鋁企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度進一步的理論研究及實際應用提供方法論的指導.

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On the production scheduling optimization of aluminum enterprises

PENG Pin1,2,CHEN En-hu1,XUE Zhi-quan3,LI Ming-jian1
（1.School of Economies and Management，Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China;2.Business School,Central South University,Changsha 410083,China;3.Nanping Aluminum Co.Ltd.,Nanping 353000，China）

This paper analyzes the basic characteristics of production scheduling and elaborates objectives and constraints of production scheduling optimization.Manufacturing execution system(MES)functional architecture and optimization strategy are put forward.

aluminum enterprises;production scheduling;MES

TF821；F407.3

A

1674-9669（2012）01-0023-04

2011-11-28

湖南省第十五批博士后科研資助專項計劃項目（2011RS4071）；中南大學第十八批博士后科學基金

彭頻（1969-），男，教授，博士，主要從事生產(chǎn)運作方向研究，E-mail:pengpin@126.com.