1 引 言
在離散型企業(yè)的車間作業(yè)計劃中常采用的方法有正排法、倒排法、平行排產(chǎn)法、偏置法、覆蓋法等,這些方法適用于先后工序確定、產(chǎn)品零部件分離性大的作業(yè)流程中。大型造紙企業(yè)是典型的流程企業(yè),具有訂單數(shù)量多、用戶要求的交貨期短等特點,所以落后的或不恰當(dāng)?shù)挠媱澤a(chǎn)方法不僅會造成造紙企業(yè)運作的瓶頸,而且造成資源、能源和人力的浪費。文中首先針對當(dāng)前的造紙生產(chǎn)特點,采用面向敏捷供需鏈的思路設(shè)計了系統(tǒng)的需求模型,并采用遺傳算法為紙卷切割優(yōu)化算法,利用高性能服務(wù)器端的快速運算完成最優(yōu)計劃產(chǎn)品切割表的求解。
2 造紙排產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2.1 需求模型
國外的先進(jìn)造紙企業(yè)自動化水平較高,通過生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)中普遍實現(xiàn)年度或者季度月份的生產(chǎn)計劃安排,如芬蘭的A.Ahlstr公司的Varkaus紙廠中的全廠計算機(jī)系統(tǒng)中有全廠的預(yù)算編制、生產(chǎn)任務(wù)的安排、生產(chǎn)計劃的制定和檢查等功能;而國內(nèi)的造紙生產(chǎn)大多數(shù)的做法是根據(jù)企業(yè)的訂單數(shù)量和交貨時間等先后順序來進(jìn)行人工安排生產(chǎn),很難適應(yīng)市場需求多變的特點和建立快速供貨系統(tǒng)。面向企業(yè)供需鏈管理的生產(chǎn)計劃設(shè)計思想,結(jié)合動態(tài)庫存控制,有利于提高造紙企業(yè)對市場需求變化的敏捷性和快速反應(yīng),使造紙企業(yè)生產(chǎn)組織更加有序,降低紙張產(chǎn)品成品化過程中的廢料量。通過對現(xiàn)行大型造紙企業(yè)的排產(chǎn)計劃進(jìn)行調(diào)查,采用面向供需鏈且基于訂單的動態(tài)排產(chǎn)系統(tǒng)計劃模型,如圖1所示。
在圖1中,整個造紙排產(chǎn)系統(tǒng)是以客戶的訂單為源頭的,能靈敏地反應(yīng)市場的需求變化,提高系統(tǒng)的動態(tài)敏捷性。面向供需鏈的造紙訂單包括紙產(chǎn)品、數(shù)量、價格、交貨地點、付款方式、雙方責(zé)任及義務(wù),分為確定型訂單和預(yù)測型訂單。確定型訂單是指訂單的上面這些項目需求確定,由于訂單內(nèi)容的變動性較小或沒有,訂單執(zhí)行的效率較高;預(yù)測型訂單是指這些需求項目不確定,跟一定的概率相關(guān),生產(chǎn)資源約束因為受到供方能力的影響也是類似訂單的情況。庫存信息是相對確定的,但是為了應(yīng)對訂單的變化,需要保持一定的庫存累積,所以生產(chǎn)計劃調(diào)度模型需要考慮到這些因素,也要考慮客戶市場和供貨市場能力的變化,保證計劃產(chǎn)品數(shù)量更好貼近市場實際需求。經(jīng)過計算機(jī)信息系統(tǒng)的調(diào)度算法后可以得到紙張生產(chǎn)的建議計劃表,可以經(jīng)計劃人員實時調(diào)整其中不同規(guī)格等級的紙產(chǎn)品數(shù)量,或者直接經(jīng)過生產(chǎn)主管的審批確認(rèn),得到各種規(guī)格產(chǎn)品的詳細(xì)產(chǎn)品配方表,進(jìn)入紙卷的切割算法流程。
2.2 生產(chǎn)調(diào)度模型
造紙生產(chǎn)計劃調(diào)度中采用周期計算和管理方法,首先將時間劃分為確定的周期長度,如月、半個月、旬、周等,在相應(yīng)的周期跨度內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的紙張產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)量計算,并采用動態(tài)的周期滾動方式,現(xiàn)引入幾個生產(chǎn)計劃調(diào)度中的計算變量如下。
(1)周期訂單數(shù)P(i,j)。指客戶要求交貨期為該周期內(nèi)的某個時間點,每種規(guī)格品種紙張確定型訂購數(shù)量,如果考慮市場對某種規(guī)格產(chǎn)品的需求量將增大,則第i+1個周期的訂單數(shù)中也可以適當(dāng)加上第i個周期的預(yù)測型訂單數(shù),這樣在安排實際生產(chǎn)時可以在低風(fēng)險條件下增加原料采購量。
(2)安全庫存量F1(i,j)、周期實際庫存量F2(i,j)和周期可用庫存量F3(i,j)。安全庫存量是指為了避免出現(xiàn)生產(chǎn)和經(jīng)營出現(xiàn)間斷而保持的一定庫存量,確定安全庫存量可以采用統(tǒng)計分析的方法;周期實際庫存量是指在第i周期期初的第j種規(guī)格實際紙產(chǎn)品存貨量;周期可用庫存量是指第i個周期期初庫存扣除第i-1個周期應(yīng)發(fā)未發(fā)的數(shù)量和扣除安全庫存量后的庫存量。
(3)上期未排計劃量Q(i,j)。第i-1個周期未能完成排產(chǎn)的數(shù)量Q(i,j)應(yīng)滾入第i個周期進(jìn)行安排新的生產(chǎn)計劃。
根據(jù)客戶的訂單要求,第j種規(guī)格的紙產(chǎn)品要求在第i個周期內(nèi)的時間點交貨,第i個周期的生產(chǎn)計劃任務(wù)為:Ｍ(i,j)=P(i,j)+Q(i,j)-F3(ij),采用該生產(chǎn)計算模型的調(diào)度方法對現(xiàn)有的訂單和庫存信息進(jìn)行處理后,還要考慮現(xiàn)有的供貨資源約束,若某種規(guī)格的產(chǎn)品無法組織生產(chǎn),需要從初步產(chǎn)品配方表減相應(yīng)的紙產(chǎn)品數(shù)量后進(jìn)行調(diào)整,產(chǎn)生預(yù)編制生產(chǎn)計劃。
3 基于遺傳算法的紙卷切割算法
3.1 問題描述與算法流程實際中的紙張生產(chǎn)尋優(yōu)問題可以描述為:根據(jù)調(diào)整后的正式生產(chǎn)計劃,要求生產(chǎn)寬度分別為Ｌｋ(ｋ=1,2,…,j-1,j)的j種不同規(guī)格的紙卷,其中每種規(guī)格紙卷需求數(shù)量為ｍｋ,生產(chǎn)該批紙卷需要切割ｎ個寬度為Ｌ(Ｌ在5.0～5.3ｍ之間)的原紙卷,這有多種組合切割方案,每一種切割方案中,可以構(gòu)造如下矩陣:
其中Pｎj表示在第ｎ個原紙卷中生產(chǎn)規(guī)格標(biāo)號為j的新紙卷數(shù)。該模型目標(biāo)是找到一種切割方法使得原總紙卷數(shù)ｎ→ｍiｎ,采用遺傳算法求解該模型的算法流程如圖2所示。
3.2 染色體編碼
在切割單卷紙時有多種切割方法,如切割新紙卷的規(guī)格變化,則切割的新卷數(shù)也會變化,所以一個切割方案由多個切割方法組成。將這種切割方法進(jìn)行編號為1…9,A…Z,A…Z等數(shù)字和字母,形成切割方法定義表,按照切割方法序號和該方法使用頻度來組成可變長編碼,如某編碼為AA8ｅｅｅ表示用方法A切割原紙卷2卷,用方法8切割原紙卷1卷,用方法ｅ切割原紙卷3卷。
3.3 初始群體選擇
初始群體的選擇需要隨機(jī)選擇一個初始方案來滿足生產(chǎn)的規(guī)格和數(shù)量要求,采用線性搜索方法:
�、侔凑胀耆懈钤瓌t選取某幾種規(guī)格組成一個原紙卷的切割;
�、谟嬎氵�需要切割的各種規(guī)格紙卷數(shù)量;
�、圻x擇剩下要生產(chǎn)的規(guī)格組成另外切割;
�、苋绻a(chǎn)的規(guī)格均已經(jīng)被選擇,則退出,否則返回①繼續(xù)循環(huán)。
在搜索結(jié)束后統(tǒng)計該初始方案所采用的切割方法并進(jìn)行相應(yīng)編碼。
3.4 適應(yīng)值函數(shù)
由于編碼的位數(shù)就是切割原紙卷的卷數(shù),所以在構(gòu)造適應(yīng)值函數(shù)時可在群體中選取最多位數(shù)的個體,設(shè)為ＬｍAｘ,L為某個體的位數(shù),則該個體適應(yīng)度函數(shù)就表示為:f(ｘ)=Lmax-L,跟目標(biāo)函數(shù)一致.
3.5 操作算子
①選擇:基于適應(yīng)度值按輪盤賭規(guī)則從當(dāng)前群體中選出新一代群體;②交叉:選用隨機(jī)選擇交叉點,在兩個個體間進(jìn)行切斷交叉拼接形成新個體;③變異:按一個極小概率Pｍ,按位變異,通過隨機(jī)選取一切割方法序號替代原有序號。
3.6 染色體解碼
在產(chǎn)生新個體過程中將產(chǎn)生許多無效碼,所以需要將無效碼轉(zhuǎn)化為有效碼,采用步驟:①先根據(jù)新個體編碼計算出各規(guī)格實際所切割新紙卷數(shù)量;②各規(guī)格生產(chǎn)數(shù)量同該規(guī)格所需的數(shù)量比較,計算出各規(guī)格的過剩數(shù)或缺少數(shù),若為過剩則去除并重新再計算;③補足各規(guī)格缺少數(shù),選取新的切割方法并使得總原卷數(shù)最少。
4 系統(tǒng)實施
在實際應(yīng)用中,該生產(chǎn)計劃信息系統(tǒng)是青山造紙有限公司(簡稱青紙)企業(yè)ERP系統(tǒng)的子系統(tǒng),全廠的綜合管理包括財務(wù)管理系統(tǒng)、木材管理系統(tǒng)、供應(yīng)管理系統(tǒng)、生產(chǎn)統(tǒng)計系統(tǒng)、銷售管理系統(tǒng)和生產(chǎn)計劃系統(tǒng),提供對造紙行業(yè)的供需鏈集成和接口。生產(chǎn)計劃系統(tǒng)包括生產(chǎn)計劃參數(shù)設(shè)置(包括計劃周期、產(chǎn)品規(guī)格、紙機(jī)寬度等設(shè)置)、訂單接收和選擇、完成訂單監(jiān)控、庫存檢驗與管理、建議編制計劃、計劃審批、紙卷切割、生產(chǎn)計劃完成監(jiān)控等模塊,見圖3。
系統(tǒng)采用三層的開發(fā)架構(gòu),同二層開發(fā)相比具有很大的優(yōu)勢,引入了應(yīng)用服務(wù)器,包含客戶端、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。其中,客戶端程序提供人機(jī)界面;應(yīng)用程序服務(wù)器封裝管理邏輯規(guī)則和算法模型;數(shù)據(jù)庫服務(wù)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)存取、維護(hù)。在應(yīng)用服務(wù)器端封裝了系統(tǒng)的生產(chǎn)調(diào)度算法、紙卷切割算法和監(jiān)控管理邏輯算法;客戶端人機(jī)界面和應(yīng)用服務(wù)器采用Delphi6開發(fā)環(huán)境,數(shù)據(jù)存儲和維護(hù)采用MicrosoftSQLServer7數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。三層結(jié)構(gòu)彌補了兩層結(jié)構(gòu)在效率、安全性能上的許多不足,并使得系統(tǒng)具有更大的柔性和延展性,例如算法模型的改進(jìn)或者管理規(guī)則的變動只需在應(yīng)用服務(wù)器修改相應(yīng)的代碼邏輯,所以系統(tǒng)的維護(hù)更加容易。系統(tǒng)在青紙投入運行近半年,很大部分取代了排產(chǎn)的人工繁雜計算,使得企業(yè)的生產(chǎn)管理更加趨于信息化和智能化。由于訂單信息、庫存信息和供應(yīng)資源約束信息采集與實際數(shù)據(jù)具有一定偏差,所以系統(tǒng)的計劃編制采用部分人工調(diào)整方式,使得生產(chǎn)計劃更符合實際需要。
5 結(jié)束語本文采用造紙企業(yè)面向供需鏈的設(shè)計思想建立了生產(chǎn)計劃系統(tǒng)的用戶需求模型,并采用滾動周期的方法設(shè)計了基于訂單的生產(chǎn)計劃調(diào)度算法以及采用在三層分布式技術(shù)設(shè)計了排產(chǎn)信息系統(tǒng),其中重點描述了該系統(tǒng)中運用遺傳算法解決紙張的切割問題,該問題實際上是非線性規(guī)劃問題,除了應(yīng)用遺傳算法之外,還可以運用整數(shù)規(guī)劃和禁忌搜索等算法,有待于進(jìn)一步的研究和應(yīng)用。
作者：江盛樹
