MES系統(tǒng)支持下高效卷煙生產(chǎn)調(diào)度方法研究

江逸斐　肖夢 張永進(jìn) 萬年彬

摘? ?要：為提高卷煙生產(chǎn)調(diào)度能力，提出基于MES系統(tǒng)支持的高效卷煙生產(chǎn)調(diào)度方法。構(gòu)建MES系統(tǒng)支持模型，在該模型中計(jì)算生產(chǎn)調(diào)度的輸出值。并以調(diào)度輸出值作為自適應(yīng)學(xué)習(xí)系數(shù)，建立卷煙生產(chǎn)調(diào)度的量化評價(jià)參數(shù)篩選模型，對其篩選，并輸出得到卷煙生產(chǎn)調(diào)度的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，構(gòu)建卷煙生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度函數(shù)，實(shí)現(xiàn)卷煙生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，采用該方法進(jìn)行卷煙生產(chǎn)調(diào)度的收斂性較好，產(chǎn)出效益高，適用于卷煙生產(chǎn)調(diào)度。

關(guān)鍵詞：MES系統(tǒng)支持;卷煙生產(chǎn);調(diào)度;過程控制

中圖分類號：TS48? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Research on High Efficient Cigarette Production

Dispatching Method Under Support of MES System

JIANG Yi-fei，XIAO Meng，ZHANG Yong-jin，WAN Nian-bin

（Xiangyang Cigarette Factory，China Tobacco Hubei Industrial Co.，Ltd.，Xiangyang，Hubei 441000，China）

Abstract：In order to improve the production scheduling ability of the cigarette，a high-efficiency cigarette production scheduling method based on the support of the MES system is put forward. The MES system support model is constructed，and the output value of the production schedule is calculated in the model. And taking the scheduling output value as an adaptive learning coefficient，establishing a quantitative evaluation parameter screening model of the cigarette production scheduling，screening the quantitative evaluation parameter of the cigarette production scheduling，and outputting the test statistic quantity of the cigarette production scheduling，and constructing an optimized dispatching function of the cigarette production so as to realize the optimization of the cigarette production scheduling. The simulation results show that the method is good in convergence and high in yield，and is suitable for cigarette production scheduling.

Key words：MES system support;cigarette production;scheduling;process control

對卷煙生產(chǎn)調(diào)度的優(yōu)化是提高煙草生產(chǎn)加工質(zhì)量的關(guān)鍵，對卷煙生產(chǎn)調(diào)度是建立在對卷煙生產(chǎn)流程的科學(xué)化管理和模式優(yōu)化識別基礎(chǔ)上，構(gòu)建精細(xì)的卷煙生產(chǎn)體系，提高卷煙生產(chǎn)流程的科學(xué)化管理水平[1-3]，實(shí)現(xiàn)卷煙生產(chǎn)的精細(xì)化管理，提高卷煙生產(chǎn)調(diào)度的自適應(yīng)性和管理水平。研究卷煙生產(chǎn)調(diào)度方法，在卷煙生產(chǎn)加工和企業(yè)發(fā)展中具有重要意義，相關(guān)的卷煙生產(chǎn)調(diào)度方法研究受到人們的極大關(guān)注[4-6]。

進(jìn)行卷煙生產(chǎn)流程的科學(xué)化管理和應(yīng)用傳統(tǒng)方法中，高效卷煙生產(chǎn)調(diào)度方法主要有統(tǒng)計(jì)分析方法、支持向量機(jī)分析方法和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方等[7-8]，結(jié)合對卷煙生產(chǎn)過程中的資源模塊化管理，構(gòu)建卷煙生產(chǎn)加工的流程化配置水平，提高卷煙生產(chǎn)的效益，然而，當(dāng)前方法對卷煙生產(chǎn)調(diào)度存在自適應(yīng)性不好和過程控制收斂性較差的問題[9-11]。

針對上述問題，提出了基于MES（Manufacturing Execution System）系統(tǒng)支持的高效卷煙生產(chǎn)調(diào)度方法，制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）是針對車間生產(chǎn)部門制造應(yīng)用技術(shù)的系統(tǒng)，是完成車間生產(chǎn)制造的基礎(chǔ)技術(shù)手段系統(tǒng)[12]。生產(chǎn)調(diào)配是整個(gè)制造執(zhí)行系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)，屬于整個(gè)系統(tǒng)中的核心系統(tǒng)。所以，制造企業(yè)期望采用信息技術(shù)建立一個(gè)生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)，以網(wǎng)絡(luò)為輔助手段，滿足制造執(zhí)行系統(tǒng)的總體要求，有效地規(guī)劃生產(chǎn)調(diào)度，符合制造企業(yè)的生產(chǎn)管理理念。最后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析，展示了本方法在提高卷煙生產(chǎn)調(diào)度能力方面的優(yōu)越性能[13-15]。

1? ?MES系統(tǒng)支持模型下卷煙生產(chǎn)輸出值

為實(shí)現(xiàn)MES系統(tǒng)支持下高效卷煙生產(chǎn)調(diào)度方法優(yōu)化，首先需構(gòu)建并分析MES系統(tǒng)支持模型，然后在MES系統(tǒng)支持下考慮并計(jì)算卷煙生產(chǎn)調(diào)度中約束參量，并根據(jù)約束參量獲取MES系統(tǒng)支持下卷煙生產(chǎn)調(diào)度輸出值，為優(yōu)化卷煙生產(chǎn)調(diào)度奠定理論基礎(chǔ)[16-18]。

1.1? ?MES系統(tǒng)支持模型

由于卷煙生產(chǎn)中，調(diào)度指令是指揮生產(chǎn)的前提條件，因此，需對調(diào)度指令的合理度進(jìn)行判斷，設(shè)調(diào)度指令合理度為p（a），使用MES系統(tǒng)對p（a）進(jìn)行判斷，判斷公式為：

p（a） = ∑（ga + La）? ? ? ? （1）

β = ■? ? ? ? ?（2）

式中，ga代表卷煙剩余工序數(shù);La代表設(shè)備運(yùn)行效率;β代表卷煙產(chǎn)量;Rc代表煙草續(xù)料量;Qa代表煙草損耗量;ti代表生產(chǎn)時(shí)長。當(dāng)0 < p（a） < β時(shí)，說明生產(chǎn)調(diào)度指令較為合理。

在生產(chǎn)調(diào)度指令合理的情況下根據(jù)卷煙生產(chǎn)企業(yè)的內(nèi)部資產(chǎn)結(jié)構(gòu)水平，進(jìn)行調(diào)度的過程尋優(yōu)，構(gòu)建統(tǒng)計(jì)特征分析模型，并進(jìn)行線性擬合控制，得到卷煙生產(chǎn)調(diào)度的擬合式為：

f（x） = ■k（ai + a*i） + b? ? ? ? ?（3）

式中，ai代表調(diào)度指令的二次控制項(xiàng);a*i代表卷煙生產(chǎn)映射轉(zhuǎn)移函數(shù);k代表設(shè)備運(yùn)行歸屬類型能量;b代表卷煙校驗(yàn)指數(shù)。

根據(jù)擬合結(jié)果分析高效卷煙生產(chǎn)控制的層次化結(jié)構(gòu)，采用模糊綜合評價(jià)的方法，進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度MES系統(tǒng)支持設(shè)計(jì)，得到MES系統(tǒng)支持模型表達(dá)如下：

f1（x） = ■■MCij? ? ? ? ?（4）

式中，M為卷煙生產(chǎn)的成本開銷，Cij為模糊矩陣。根據(jù)上述分析，完成MES系統(tǒng)支持模型的構(gòu)建。在該模型基礎(chǔ)上進(jìn)行卷煙生產(chǎn)調(diào)度的輸出計(jì)算，為優(yōu)化卷煙生產(chǎn)調(diào)度方法提供可行依據(jù)[19]。

1.2? ?生產(chǎn)調(diào)度的輸出值

在MES系統(tǒng)支持模型下構(gòu)建高效卷煙生產(chǎn)調(diào)度的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合數(shù)學(xué)模型的模糊信息集合，進(jìn)行卷煙生產(chǎn)的流水線控制決策函數(shù)初始值賦值，并采用局部尋優(yōu)方法得到關(guān)聯(lián)規(guī)則項(xiàng)的輸出值，實(shí)現(xiàn)MES系統(tǒng)支持下高效卷煙生產(chǎn)調(diào)度的輸出計(jì)算[20-22]。

對高效卷煙生產(chǎn)的調(diào)度是建立在對高效卷煙生產(chǎn)的過程控制和特征分析基礎(chǔ)上，結(jié)合決策和模糊控制方法，進(jìn)行高效卷煙生產(chǎn)的過程有效性評價(jià)，結(jié)合卷煙生產(chǎn)的資本投入和流水線優(yōu)化水平[23]。高效卷煙生產(chǎn)調(diào)度的數(shù)學(xué)模型建立如下：

Z（x） = f1（x）■■cij xij? ? ? ? ?（5）

其中，cij表示卷煙生產(chǎn)調(diào)度的生產(chǎn)價(jià)值水平的合理預(yù)期，xij為高效卷煙生產(chǎn)流水線的產(chǎn)出效率。采用模糊綜合決策方法，進(jìn)行卷煙生產(chǎn)調(diào)度過程的自適應(yīng)尋優(yōu)，構(gòu)建卷煙生產(chǎn)調(diào)度的模糊信息集合S，表示如下：

S = （U，A，V， f）? ? ? ? ?（6）

其中，式中U表示卷煙生產(chǎn)調(diào)度的統(tǒng)計(jì)特征量，A表示卷煙生產(chǎn)調(diào)度的屬性特征分布集，V為卷煙生產(chǎn)效益增長水平函數(shù)集，對卷煙生產(chǎn)過程進(jìn)行量化尋優(yōu)，得到卷煙生產(chǎn)的流水線控制決策函數(shù)f，對其進(jìn)行初始值賦值，表示為：

U × A→ V? ? ? ? ? （7）

采用關(guān)聯(lián)規(guī)則尋優(yōu)控制方法，進(jìn)行卷煙生產(chǎn)調(diào)度過程的屬性分布描述，采用局部尋優(yōu)方法，得到關(guān)聯(lián)規(guī)則項(xiàng)的輸出值為：

p（a） = X？哿U | Z（x），？坌R？哿A? ? ? ? ?（8）

其中，X表示卷煙生產(chǎn)調(diào)度的特征數(shù)據(jù)值，R表示卷煙生產(chǎn)調(diào)度的屬性分布數(shù)據(jù)值。當(dāng)X？哿U，R？哿A條件成立時(shí)，使用模糊控制方法，進(jìn)行高效卷煙生產(chǎn)調(diào)度的統(tǒng)計(jì)分析和模糊決策，優(yōu)化卷煙生產(chǎn)調(diào)度的自適應(yīng)水平。

2? ?卷煙生產(chǎn)調(diào)度方法優(yōu)化

為實(shí)現(xiàn)卷煙生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化，首先需以MES系統(tǒng)支持模型下卷煙生產(chǎn)的輸出值作為自適應(yīng)學(xué)習(xí)系數(shù)，據(jù)此構(gòu)建卷煙生產(chǎn)調(diào)度的量化評價(jià)參數(shù)模型，根據(jù)該模型對自適應(yīng)學(xué)習(xí)系數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，建立模糊參考評價(jià)集判斷該數(shù)據(jù)是否支持MES系統(tǒng)，并輸出得到卷煙生產(chǎn)調(diào)度的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，結(jié)合檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量分析控制過程，最后得到優(yōu)化后的卷煙生產(chǎn)調(diào)度函數(shù)。其具體流程如圖1所示。

基于該流程可知優(yōu)化過程可大致分為兩部分，首先需判斷卷煙生產(chǎn)調(diào)度的自適應(yīng)學(xué)習(xí)系數(shù)，然后將該數(shù)據(jù)作為卷煙生產(chǎn)調(diào)度控制過程分析的依據(jù)，最終得到卷煙生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化函數(shù)。

2.1? ?卷煙生產(chǎn)調(diào)度的可優(yōu)化判斷

在上述研究得到的高效卷煙生產(chǎn)調(diào)度MES系統(tǒng)支持模型和生產(chǎn)調(diào)度輸出值的基礎(chǔ)上，進(jìn)行卷煙生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化。提出了基于MES系統(tǒng)支持的高效卷煙生產(chǎn)調(diào)度方法，采用關(guān)聯(lián)規(guī)則調(diào)度方法對生產(chǎn)輸出值進(jìn)行高效卷煙生產(chǎn)自適應(yīng)調(diào)度，獲取自適應(yīng)學(xué)習(xí)系數(shù)，其計(jì)算過程如下：

D = （1 - B l（n） + B l（n）） × Wl（n）min，αn > 1p（a）Wl（n）min，0≤αn≤1? ? （9）

B l（n） = （1/（1 + Dn）） χ? ? ? ? ? （10）

αn = |Dn|/（■），■ ≠ 00，? ? ? ? ? ? ■ = 0? ? ? ? （11）

式中，αn為高效卷煙生產(chǎn)調(diào)度的迭代系數(shù)，B l（n）為高效卷煙生產(chǎn)調(diào)度的自適應(yīng)調(diào)整系數(shù)，Wl（n）min為自適應(yīng)學(xué)習(xí)動(dòng)量因子，Dn表示高效卷煙生產(chǎn)調(diào)度次數(shù)。采用DCC-MVGARCH模型構(gòu)建卷煙生產(chǎn)調(diào)度的量化評價(jià)參數(shù)模型，模型表達(dá)式為：

μ Bi = ■? ? ? ? ?（12）

式中，■代表高效卷煙生產(chǎn)平均自適應(yīng)學(xué)習(xí)系數(shù);A代表量化權(quán)重值。

在量化評價(jià)參數(shù)模型中篩選自適應(yīng)學(xué)習(xí)系數(shù)，通過模糊信息集合判斷該數(shù)據(jù)是否支持MES系統(tǒng)，判斷條件為：

■ > 1 - B l（n）? ? ? ? ?（13）

其中：

0 < （1 - B l（n））μ Bi < 1 - B l（n）? ? ? ? ?（14）

B l（n） < （1 - B l（n））μ Bi + B l（n） < 1? ? ? （15）

由上式可知，當(dāng)■ > 1 - B l（n）時(shí)，則表示自適應(yīng)學(xué)習(xí)系數(shù)支持MES系統(tǒng)，若■ ≤ 1 - B l（n）時(shí)，則表示自適應(yīng)學(xué)習(xí)系數(shù)無法支持MES系統(tǒng)。上述過程為卷煙生產(chǎn)調(diào)度的優(yōu)化提供可行性基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上需計(jì)算卷煙生產(chǎn)調(diào)度的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，實(shí)現(xiàn)卷煙生產(chǎn)調(diào)度的控制，進(jìn)行MES系統(tǒng)支持過程控制和生產(chǎn)流水線的均衡配置。

2.2? ?卷煙生產(chǎn)調(diào)度的優(yōu)化函數(shù)

采用過程控制方法實(shí)現(xiàn)卷煙生產(chǎn)調(diào)度的模糊自適應(yīng)控制，得到卷煙生產(chǎn)調(diào)度的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量：

Q = ■? ? ? ? ?（16）

其中，Ci為常量，wi表示高效卷煙生產(chǎn)調(diào)度的MES決策變量。采用F檢驗(yàn)方法，得到最優(yōu)卷煙生產(chǎn)調(diào)度中的標(biāo)準(zhǔn)誤差，記為：

S（i，j） = ■? ? ? ? （17）

式中，■表示總體檢驗(yàn)最優(yōu)系數(shù)，采用全成本控制方法進(jìn)行卷煙生產(chǎn)調(diào)度的過程自適應(yīng)控制，得到卷煙生產(chǎn)調(diào)度的模糊調(diào)度函數(shù)為：

A（ω） = ■Q +■S（i，j）? ? ? ? （18）

結(jié)合MES系統(tǒng)支持模型，分析適應(yīng)度函數(shù)對ω的控制過程，其控制過程為：

Sn = ■? ? ? ? （19）

式中，tij表示模型自適應(yīng)度，ni控制函數(shù)閾值，利用控制結(jié)果，構(gòu)建卷煙生產(chǎn)調(diào)度的卷煙生產(chǎn)調(diào)度的優(yōu)化函數(shù)，其表達(dá)式為：

G（k） = Sn■A（ω） + k? ? ? ? （20）

式中，k代表函數(shù)優(yōu)化系數(shù)。綜上，完成卷煙生產(chǎn)調(diào)度的優(yōu)化，需進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，檢測該方法的可行性及有效性。

3? ?仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為驗(yàn)證本方法在實(shí)現(xiàn)高效卷煙生產(chǎn)調(diào)度的應(yīng)用性能，采用Matlab進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，對高卷煙生產(chǎn)調(diào)度數(shù)據(jù)分析的軟件為SPSS19.0，全樣本回歸分析的個(gè)數(shù)為2000，樣本測試集為120，MES系統(tǒng)支持迭代次數(shù)為120，卷煙生產(chǎn)調(diào)度回歸分析結(jié)果見表1。

根據(jù)上述對卷煙生產(chǎn)調(diào)度的回歸分析結(jié)果，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，測試卷煙生產(chǎn)調(diào)度的產(chǎn)出效益，得到對比結(jié)果如圖2所示。

分析圖2得知，采用該方法進(jìn)行高效卷煙生產(chǎn)調(diào)度的產(chǎn)出效益較好。測試控制誤差，分別對F3（x1）、F4（x2）、F6（x3）、F7（x4）生產(chǎn)線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到結(jié)果如圖3所示。

分析圖3得知，采用本方法進(jìn)行卷煙生產(chǎn)調(diào)度的控制誤差較低，誤差控制在0-0.6之間，這是由于本方法對控制誤差采用全成本控制方法進(jìn)行卷煙生產(chǎn)調(diào)度的過程自適應(yīng)控制，降低誤差對方法的影響。

以控制誤差作為收斂性的檢測依據(jù)，進(jìn)行MES系統(tǒng)支持下高效卷煙生產(chǎn)調(diào)度的尋優(yōu)控制能力對比，對比結(jié)果如圖4所示。

分析圖4可知，采用本方法進(jìn)行卷煙生產(chǎn)調(diào)度的尋優(yōu)控制能力較好，即收斂誤差較低，更適用于卷煙生產(chǎn)線。

4? ?結(jié)? ?論

研究有效的卷煙生產(chǎn)調(diào)度模型，結(jié)合工業(yè)過程控制過程優(yōu)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)卷煙生產(chǎn)的精細(xì)化管理，提高卷煙生產(chǎn)調(diào)度的自適應(yīng)性和管理水平，提出了基于MES系統(tǒng)支持的高效卷煙生產(chǎn)調(diào)度方法，使用粗糙集模型和大數(shù)據(jù)挖掘方法構(gòu)建高效卷煙生產(chǎn)調(diào)度的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模型，構(gòu)建卷煙生產(chǎn)調(diào)度的MES系統(tǒng)支持模型，計(jì)算卷煙生產(chǎn)輸出值。采用模糊綜合評價(jià)的方法，進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度MES系統(tǒng)支持設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)卷煙生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化。研究得知，本方法能提高卷煙生產(chǎn)調(diào)度能力，提升生產(chǎn)效益，調(diào)度過程具有較好的收斂性。

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