面向多目标优化的烟草制丝APS设计与实现

面对多目的优化的烟草制丝APS设计与实现

作者：张海军罗瑞闫琼

来源：《物流技术》第01期

[摘要]为了提高烟草行业制丝计划排产的合理性和实时性，提出了面对多目的优化的烟草制丝APS（MO-TPAPS）。首先对制丝工艺建模，另首先对系统进行了功效模块、排产流程、数据库和优化算法的设计和实现，解决了准时交货、班次均衡、设备运用率、连批生产等多目的优化制丝排产问题，最后对MO-TPAPS进行了测试，验证了系统设计方案的可行性和可靠性。

[核心词]多目的优化；高级计划与排产系统；烟丝生产

1引言

烟草产品含有双重属性，它既是商品，必须遵照市场经济的普通规律，又是专卖专营特殊商品，必须严格按国家宏观规划组织生产并由国家垄断经营。中国烟草行业是国民经济的重要支柱行业，对国民经济的发展起着至关重要的作用。我国经济发展进入新常态，既给烟草业发展带来了一定的机遇，也使烟草业面临着严峻的挑战。因此，建立更优化的烟草生产制造系统，扩大烟草公司的生产能力，成为我国烟草公司面临解决的重要问题。

烟草生产过程分为制丝、卷接和包装三个阶段，其中制丝阶段承当着原料加工的任务，是烟草生产中工序最多、流程最长、加工办法和设备最为繁杂且工艺规定最高的阶段。制丝阶段是一种复杂的非线性系统，其计划调度很大程度上决定了烟草的质量和效益。传统ERP生产计划模块重要针对主生产计划，而对制丝车间层计划却力不从心，众多烟草公司仍然采用人工排产。即使制丝车间计划跨度短，但关联解决的信息量大，因此制丝排产严重依赖计划员的个人经验和能力，采用风险最小的原则。随着制丝工艺研究不停进一步、先进物流自动化设备的广泛采用，人工排产任务异常繁重，经常造成不必要的损失。因此，设计合理、有效的制丝高级排产系统（AdvancedPlanningandScheduling，APS），使得烟草公司能解决多目的优化制丝排产问题，尽量实现生产效益的最大化，是整个烟草行业中亟待解决的核心问题。

2制丝工艺建模

制丝工艺就是将烟叶制成符合产品烟香味质量原则、适合烟支卷制工艺规定烟丝的加工过程。为了设计多目的制丝APS（MO-TPAPS），需要对制丝线工艺建模，明确烟草制丝的工艺规定。根据制丝工艺模型，多目的制丝APS指定批次的生产设备，并计划每个工艺段开始进料时间，预测出料完毕时间，并达成确保交货期规定、减少库存积压、均衡产线和班次、提高设备运用率等多目的规定。现在，各卷烟公司的产品千差万别，然而对应的制丝工艺基本一致。不管实际制丝工序多么繁杂，制丝线从逻辑上按照工艺段重要分为：切叶段、切丝段和混丝段。

以W卷烟厂为例，各工艺段中核心设备如图1所不。

从图1中可看出，制丝线中涉及预配柜、贮叶柜、贮丝柜等贮存设备。贮柜能掺配均匀的烟片，为后续工序提供稳定的物料供应，调节和平衡工艺段之间的生产能力。制丝线工艺建模中存在下列类别约束：

（1）工艺约束。烘丝设备有不同的工艺属性，如KLK烘丝、HDT烘丝、SH93烘丝等。贮柜中整批烟丝完全进柜后方能出柜。全配方加工模式中，叶片、叶丝、混丝批次多是一对一的；分组加工模式中切叶、切丝批次能够混合，但是叶丝到成丝是不能共同混合。

（2）时间约束。烟叶和烟丝在贮柜有最短存储时间约束；制丝计划竣工时间不能超出盼望竣工时间；班次对批次计划的约束；叶丝高架库遵照先进先出，最小化存储时间以防烟丝质量减少；制丝计划需遵照工厂日历以及设备轮保、停机维修等机台工作日历。

（3）设备约束。切叶段设备与切丝段设备存在一对一“硬”连接约束。

（4）空间约束。制丝的批次产量不能超出贮柜组的空间容积。

（5）数量约束。不同牌号物料的不同批次的数量必须是某个数量单位的整数倍。

3MO-TPAPS设计

3.1MO-TPAPS系统功效模块设计

多目的制丝APS系统功效模块重要分三类，如图2所示。

（1）基础功效模块。包含系统顾客权限管理、工厂（生产线）设备管理、物料管理、BOM管理和工艺管理等，该模块是为制丝APS系统排产优化提供基础数据和系统权限设立。

（2）排产功效模块。包含排产规则管理（涉及优化算法设立、优化目的设立、多约束规则等）、卷包计划管理、制丝批次管理、制丝排产优化调度等，该模块是制丝APS系统的核心。

（3）视图功效模块。涉及排产甘特图管理、数据报表管理、工艺途径规划、多目的优化效果图等，该模块为计划员提供直观、和谐的视图展示。

3.2MO-TPAPS排产流程设计

多目的制丝APS排产过程，是通过从下游（卷包作业计划）向上游逐级的拉动式逻辑来进行计算的。在创立每种批次时，都会核对下游需求的总量和库存中已有的批次，从而确保创立出的批次即能够满足生产的需要，又不会造成过高的库存，如图3所示。

在APS中，导入ERP卷包月/旬生产计划，能够由计划员进行微调，以此作为制丝批次创立和优化排产的计划源头。MO-TPAPS自动后台MRP计算模块，能够自动根据下游产线的卷包作业计划，以及该产品BOM和物料库存，自动推算对上游物料的消耗量及消耗时间，并且根据上游物料的库存及排定的作业计划，自动推算该物料的补充量及补充时间，从而最后得到精确的物料计划存量曲线。根据设立的多目的优化规则和多维度约束，多目的制丝批次优化排产模块调用群体智能优化算法进行智能排产，并输出优化排产成果。

3.3MO-TPAPS系统数据库设计

MO-TPAPS的数据库设计首先必须进行需求分析，即精确理解与分析制丝排产业务逻辑和计划员顾客需求；另首先概念构造设计，通过对计划排产需求进行综合、归纳与抽象，形成一种独立于具体DBMS的概念模型；然后进行逻辑构造设计，将概念构造设计转换为SQLServer所支持的数据模型，并对其进行优化；进而拟定数据库的物理构造，组织数据的录入和应用程序的编码和调试。多目的制丝APS的数据库根据数据业务逻辑类型进行分类：业务规则表、计划有关表、物料有关表、业务模型表和系统有关表，如图4所示。

3.4MO-TPAPS系统多目的优化算法设计

群体智能优化算法是近年来算法与人工智能领域重要研究方向之一，它是模拟生物在自然环境中的进化过程而形成的一类自适应全局优化概率搜索算法。群体智能优化算法同时对一组种群进行操作，能够在算法的一次运行中并行搜索到多个解，本身是一种不依赖问题的通用办法，可解决传统优化办法难以解决的复杂优化问题，特别是规模越来越庞大的多目的组合优化问题（如多批次制丝排产问题等）。多目的制丝APS将优化算法做成可配备的形式，计划员在进行排产时能够选择不同算法得到最优的排产方案。多目的优化算法流程图如图5所示，其中优化目的有：（1）换牌优化目的：

4MO-TPAPS的实现

多目的制丝APS系统采综合传统C/S和B/S架构的优点，摒弃各自的缺点，采用折中的方法。系统架构为三层：顾客层，业务逻辑层，数据层，如图6所示。制丝APS的核心一多目的优化算法布署在业务逻辑层，充足运用高性能服务器。在顾客层，通过WebService与业务逻辑交互。此架构大大减少了业务逻辑和数据存储耦合性，制丝业务一旦发生变化，只需对业务逻辑端进行系统更新，客户端更新量较少，减少后期维护成本。

MO-TPAPS系统采用面对对象高级语言c#和数据库SQLServer开发。c#是微软公司在7月公布的一种全新且简朴、安全、面对对象的程序设计语言，是专门为NET的应用而开发的语言。它吸取了c++、Vi-sualBasic、Delphi、Java等语言的优点，体现了当今最新的程序设计技术的功效和精髓。SQLServer是一种关系型数据库，集成了微软公司各类产品及资源（如.NET），提供了强大的可视化界面、高度集成的数据库管理开发工具。图7为MO-TPAPs多目的排产界面，图8为制丝排产优化成果及其甘特图，图9、图10分别为多目的制丝排产优化目的成果。

5结束语

制丝计划排产是烟草公