面向多目標(biāo)優(yōu)化的煙草制絲APS設(shè)計與實現(xiàn)

張海軍，羅 瑞，閆 瓊

（1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 機電工程學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191）

面向多目標(biāo)優(yōu)化的煙草制絲APS設(shè)計與實現(xiàn)

張海軍1，羅 瑞2，閆 瓊1

（1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 機電工程學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191）

為了提高煙草行業(yè)制絲計劃排產(chǎn)的合理性和實時性，提出了面向多目標(biāo)優(yōu)化的煙草制絲APS（MOTPAPS）。首先對制絲工藝建模，其次對系統(tǒng)進(jìn)行了功能模塊、排產(chǎn)流程、數(shù)據(jù)庫和優(yōu)化算法的設(shè)計和實現(xiàn)，解決了按時交貨、班次均衡、設(shè)備利用率、連批生產(chǎn)等多目標(biāo)優(yōu)化制絲排產(chǎn)問題，最后對MO-TPAPS進(jìn)行了測試，驗證了系統(tǒng)設(shè)計方案的可行性和可靠性。

多目標(biāo)優(yōu)化；高級計劃與排產(chǎn)系統(tǒng)；煙絲生產(chǎn)

1 引言

煙草產(chǎn)品具有雙重屬性，它既是商品，必須遵循市場經(jīng)濟(jì)的一般規(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[1]。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)大煙草企業(yè)的生產(chǎn)能力，成為我國煙草企業(yè)面臨解決的主要問題。

煙草生產(chǎn)過程分為制絲、卷接和包裝三個階段，其中制絲階段承擔(dān)著原料加工的任務(wù)，是煙草生產(chǎn)中工序最多、流程最長、加工方法和設(shè)備最為繁雜且工藝要求最高的階段。制絲階段是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，其計劃調(diào)度很大程度上決定了煙草的質(zhì)量和效益[2]。傳統(tǒng)ERP生產(chǎn)計劃模塊主要針對主生產(chǎn)計劃，而對制絲車間層計劃卻力不從心，眾多煙草企業(yè)仍然采用人工排產(chǎn)[3]。雖然制絲車間計劃跨度短，但關(guān)聯(lián)處理的信息量大，所以制絲排產(chǎn)嚴(yán)重依賴計劃員的個人經(jīng)驗和能力，采用風(fēng)險最小的原則。隨著制絲工藝研究不斷深入、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)常導(dǎo)致不必要的損失[4]。因此，設(shè)計合理、有效的制絲高級排產(chǎn)系統(tǒng)（Advanced Planning and Scheduling,APS），使得煙草企業(yè)能處理多目標(biāo)優(yōu)化制絲排產(chǎn)問題，盡可能實現(xiàn)生產(chǎn)效益的最大化，是整個煙草行業(yè)中亟待解決的關(guān)鍵問題。

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)量標(biāo)準(zhǔn)、適合煙支卷制工藝要求煙絲的加工過程。為了設(shè)計多目標(biāo)制絲APS(MO-TPAPS)，需要對制絲線工藝建模，明確煙草制絲的工藝要求。根據(jù)制絲工藝模型，多目標(biāo)制絲APS指定批次的生產(chǎn)設(shè)備，并計劃每個工藝段開始進(jìn)料時間，預(yù)測出料完畢時間，并達(dá)到保證交貨期要求、降低庫存積壓、均衡產(chǎn)線和班次、提高設(shè)備利用率等多目標(biāo)要求。目前，各卷煙企業(yè)的產(chǎn)品千差萬別，然而相應(yīng)的制絲工藝基本一致。不管實際制絲工序多么繁雜，制絲線從邏輯上按照工藝段主要分為：切葉段、切絲段和混絲段[5]。

以W卷煙廠為例，各工藝段中關(guān)鍵設(shè)備如圖1所示。

圖1 制絲典型工藝流程

從圖1中可看出，制絲線中包括預(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以下類別約束：

（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、切絲批次可以混合，但是葉絲到成絲是不能共同混合。

（2）時間約束。煙葉和煙絲在貯柜有最短存儲時間約束；制絲計劃完工時間不能超過期望完工時間；班次對批次計劃的約束；葉絲高架庫遵循先進(jìn)先出，最小化存儲時間以防煙絲質(zhì)量降低；制絲計劃需遵循工廠日歷以及設(shè)備輪保、停機維修等機臺工作日歷。

（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)量不能超過貯柜組的空間容積。

（5）數(shù)量約束。不同牌號物料的不同批次的數(shù)量必須是某個數(shù)量單位的整數(shù)倍。

3 MO-TPAPS設(shè)計

3.1 MO-TPAPS系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

多目標(biāo)制絲APS系統(tǒng)功能模塊主要分三類，如圖2所示。

（1）基礎(chǔ)功能模塊。包含系統(tǒng)用戶權(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)置。

（2）排產(chǎn)功能模塊。包含排產(chǎn)規(guī)則管理（包括優(yōu)化算法設(shè)置、優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置、多約束規(guī)則等）、卷包計劃管理、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）視圖功能模塊。包括排產(chǎn)甘特圖管理、數(shù)據(jù)報表管理、工藝路徑規(guī)劃、多目標(biāo)優(yōu)化效果圖等，該模塊為計劃員提供直觀、友好的視圖展示。

圖2 MO-TPAPS功能模塊設(shè)計

3.2 MO-TPAPS排產(chǎn)流程設(shè)計

多目標(biāo)制絲APS排產(chǎn)過程，是通過從下游（卷包作業(yè)計劃）向上游逐級的拉動式邏輯來進(jìn)行計算的。在創(chuàng)建每種批次時，都會核對下游需求的總量和庫存中已經(jīng)有的批次，從而保證創(chuàng)建出的批次即可以滿足生產(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)計劃，可以由計劃員進(jìn)行微調(diào)，以此作為制絲批次創(chuàng)建和優(yōu)化排產(chǎn)的計劃源頭。MO-TPAPS自動后臺MRP計算模塊，能夠自動根據(jù)下游產(chǎn)線的卷包作業(yè)計劃，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間，并且根據(jù)上游物料的庫存及排定的作業(yè)計劃，自動推算該物料的補充量及補充時間，從而最終得到準(zhǔn)確的物料計劃存量曲線。根據(jù)設(shè)置的多目標(biāo)優(yōu)化規(guī)則和多維度約束，多目標(biāo)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)結(jié)果。

圖3 MO-TPAPS排產(chǎn)流程設(shè)計

3.3 MO-TPAPS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

MO-TPAPS的數(shù)據(jù)庫設(shè)計首先必須進(jìn)行需求分析，即準(zhǔn)確了解與分析制絲排產(chǎn)業(yè)務(wù)邏輯和計劃員用戶需求；其次概念結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過對計劃排產(chǎn)需求進(jìn)行綜合、歸納與抽象，形成一個獨立于具體DBMS的概念模型；然后進(jìn)行邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計，將概念結(jié)構(gòu)設(shè)計轉(zhuǎn)換為SQL Server所支持的數(shù)據(jù)模型，并對其進(jìn)行優(yōu)化；進(jìn)而確定數(shù)據(jù)庫的物理結(jié)構(gòu)，組織數(shù)據(jù)的錄入和應(yīng)用程序的編碼和調(diào)試。多目標(biāo)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、計劃相關(guān)表、物料相關(guān)表、業(yè)務(wù)模型表和系統(tǒng)相關(guān)表，如圖4所示。

3.4 MO-TPAPS系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化算法設(shè)計

群體智能優(yōu)化算法是近年來算法與人工智能領(lǐng)域主要研究方向之一，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[6]。群體智能優(yōu)化算法同時對一組種群進(jìn)行操作，可以在算法的一次運行中并行搜索到多個解，本身是一種不依賴問題的通用方法，可處理傳統(tǒng)優(yōu)化方法難以解決的復(fù)雜優(yōu)化問題，特別是規(guī)模越來越龐大的多目標(biāo)組合優(yōu)化問題（如多批次制絲排產(chǎn)問題等）。多目標(biāo)制絲APS將優(yōu)化算法做成可配置的形式，計劃員在進(jìn)行排產(chǎn)時可以選擇不同算法得到最優(yōu)的排產(chǎn)方案。多目標(biāo)優(yōu)化算法流程圖如圖5所示，其中優(yōu)化目標(biāo)有：（1）換牌優(yōu)化目標(biāo)：（2）線 均 衡 優(yōu) 化 目 標(biāo) ：（3）交貨期優(yōu)化目標(biāo)：（4）庫 存 優(yōu) 化 目 標(biāo) ：；（5）班次均衡優(yōu)化目標(biāo)：

圖4 MO-TPAPS數(shù)據(jù)庫設(shè)計

4 MO-TPAPS的實現(xiàn)

多目標(biāo)制絲APS系統(tǒng)采綜合傳統(tǒng)C/S和B/S架構(gòu)的優(yōu)點，摒棄各自的缺點，采取折中的辦法。系統(tǒng)架構(gòu)為三層：用戶層，業(yè)務(wù)邏輯層，數(shù)據(jù)層，如圖6所示。制絲APS的核心—多目標(biāo)優(yōu)化算法部署在業(yè)務(wù)邏輯層，充分利用高性能服務(wù)器。在用戶層，通過Web Service與業(yè)務(wù)邏輯交互。此架構(gòu)大大降低了業(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，降低后期維護(hù)成本。

MO-TPAPS系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟾呒壵Z言C#和數(shù)據(jù)庫SQL Server開發(fā)。C#是微軟公司在2000年7月發(fā)布的一種全新且簡單、安全、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言,是專門為.NET的應(yīng)用而開發(fā)的語言。它吸收了C++、Visual Basic、Delphi、Java等語言的優(yōu)點,體現(xiàn)了當(dāng)今最新的程序設(shè)計技術(shù)的功能和精華。SQL Server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多目標(biāo)排產(chǎn)界面，圖8為制絲排產(chǎn)優(yōu)化結(jié)果及其甘特圖，圖9、圖10分別為多目標(biāo)制絲排產(chǎn)優(yōu)化目標(biāo)結(jié)果。

圖5 MO-TPAPS多目標(biāo)優(yōu)化算法設(shè)計

圖6 MO-TPAPS系統(tǒng)架構(gòu)

圖7 MO-TPAPS多目標(biāo)排產(chǎn)界面

5 結(jié)束語

制絲計劃排產(chǎn)是煙草企業(yè)合理調(diào)度資源安排生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。合理的生產(chǎn)計劃可以最大程度利用有限的生產(chǎn)資源，提高生產(chǎn)效率，同時降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)運作效率。針對制絲工藝生產(chǎn)流程和優(yōu)化目標(biāo)，本文設(shè)計和實現(xiàn)了面向多目標(biāo)優(yōu)化的制絲APS系統(tǒng)，充分考慮了煙草行業(yè)計劃排產(chǎn)中的多個優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計了多種群體智能優(yōu)化算法，提供合適的尋優(yōu)方法，為生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化理論研究與煙草行業(yè)實際應(yīng)用搭建了一座堅實的橋梁。

圖8 MO-TPAPS排產(chǎn)甘特圖

圖9 MO-TPAPS優(yōu)化目標(biāo)“設(shè)備利用率”

圖10 MO-TPAPS優(yōu)化目標(biāo)“班次均衡”

[1]劉鋁,常炳國.回溯算法在制絲生產(chǎn)線自動排產(chǎn)中的應(yīng)用[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用,2011,20(2):186-188.

[2]陳志剛,孫書情.卷煙廠制絲線自動排產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計[J].機械工程師,2009,(11):105-107.

[3]高寧.鄭煙生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)研究[D].鄭州:解放軍信息工程大學(xué),2008.

[4]劉福云,李志宏,陳建寧.柔性制絲線生產(chǎn)調(diào)度的仿真系統(tǒng)[J].物流技術(shù),2013,32(11):458-460.

[5]錢杰,金振訓(xùn),季琦,曹建宏.分組加工模式下制絲生產(chǎn)計劃和調(diào)度在生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)中的研究和應(yīng)用[J].科技通報,2015,31 (5):170-174.

[6]張海軍,閆瓊,張國輝,劉元朋.基于改進(jìn)離散差分進(jìn)化算法的多目標(biāo)第2類裝配線平衡問題研究[J].物流技術(shù),2016,35(3): 103-108.

Design and Realization of Tobacco Primary Processing APS Based on Multi-objective Optimization

Zhang Haijun1,Luo Rui2,Yan Qiong1
(1.School of Electrical&Mechanical Engineering,Zhengzhou University of Aeronautics,Zhengzhou 450046; 2.School of Automation Science&Electrical Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China)

In this paper,in order to render the tobacco primary processing schedule more reasonable and real-time,we proposed the tobacco primary processing APS oriented toward multi-objective optimization(MO-TPAPS).First,we modeled the workflow of primary processing,then designed and realized the functional modules,schedule and flow,database and optimization algorithm of the system,and at the end,tested the MO-TPAPS of its feasibility and reliability.

multi-objective optimization;advancedplanning and schedulingsystem;tobaccoprimaryprocessing

TP391.1

A

1005-152X(2017)01-0142-04

10.3969/j.issn.1005-152X.2017.01.031

2016-11-28

國家自然科學(xué)基金（5127548,U1404518）；航空科學(xué)基金（2015ZG55018）；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點項目（15A630050）；鄭州市科技發(fā)展計劃（20140583）；校青年科研基金項目(2016053001）

張海軍（1983－），男，博士，講師，研究方向：智能算法、資源優(yōu)化。