趙俊麗,冉文學(xué),馬 馨
(云南財(cái)經(jīng)大學(xué) 物流學(xué)院,云南 昆明 650221)
由于農(nóng)業(yè)供給側(cè)改革深化、國(guó)家扶持政策的取消以及化肥市場(chǎng)供大于求等原因,化肥企業(yè)的發(fā)展形勢(shì)很?chē)?yán)峻,要想在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中發(fā)展下去,降低成本,優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)勢(shì)在必行。而在企業(yè)的總成本中,生產(chǎn)成本占了很大一部分,如果一個(gè)企業(yè)想要降低成本,首先就應(yīng)該考慮降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本,降低生產(chǎn)過(guò)程的物流成本。
吳玲[1]、熊碧[2]、陳娟[3]認(rèn)為成本控制并不只是降低成本,更重要的是要將成本與收益的比率最小化,促進(jìn)企業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展;蔣彤濤[4]、趙愛(ài)華[5]認(rèn)為一定要強(qiáng)調(diào)成本控制的時(shí)效性,在確保產(chǎn)品品質(zhì)的同時(shí)最大限度的降低生產(chǎn)成本,可以有效的提高企業(yè)在同行中的競(jìng)爭(zhēng)力;趙洪波[6]、范群鵬[7]認(rèn)為降低化工企業(yè)生產(chǎn)耗費(fèi)、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的有效手段就是成本控制,是企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求;包江峰[8]、楊燕[9]認(rèn)為化工企業(yè)目前存在成本控制意識(shí)不強(qiáng)、成本控制手段單一、企業(yè)管理者對(duì)成本控制不夠重視等問(wèn)題,需要加強(qiáng)對(duì)成本控制的意識(shí);楊武[10]、廖偉志[11]通過(guò)對(duì)基本Petri網(wǎng)進(jìn)行擴(kuò)展,引入了位置類(lèi)型函數(shù)等概念;李現(xiàn)實(shí)[12]、趙秀麗[13]認(rèn)為生產(chǎn)環(huán)節(jié)是企業(yè)創(chuàng)造價(jià)值的主要過(guò)程,必須加強(qiáng)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)成本的控制。
我國(guó)的成本管理存在著成本管理機(jī)械化、缺少動(dòng)態(tài)反饋等問(wèn)題。目前,化工生產(chǎn)企業(yè)的成本控制只是停留在成本核算階段,并沒(méi)有對(duì)成本進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控,使得成本管理水平大大降低。在這樣的成本管理體系中,化工生產(chǎn)企業(yè)并不能真正了解即時(shí)的成本耗費(fèi)情況,因此,企業(yè)生產(chǎn)成本降低和合理化的實(shí)現(xiàn)變得十分困難。
本文主要針對(duì)流程化生產(chǎn)的企業(yè)提出了成本優(yōu)化控制方法—Petri網(wǎng)優(yōu)化模型,并根據(jù)企業(yè)成本即時(shí)控制的需求,采用Petri網(wǎng)根據(jù)成本即時(shí)控制優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)對(duì)模型進(jìn)行求解,從而實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程即時(shí)成本的優(yōu)化確定。本文采用Petri網(wǎng)模型對(duì)化肥生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化,可以對(duì)企業(yè)的降本增效起到積極作用。
其中,P=Pd?Pc,Pd是非連續(xù)的位置集,表示生產(chǎn)過(guò)程中的狀態(tài)信息,用空心三角形表示;Pc為連續(xù)的位置集為能源連續(xù)位置集,代表生產(chǎn)過(guò)程中的能耗,n表示能耗種類(lèi),用虛線(xiàn)雙圓圈表示;為物料連續(xù)位置集,表示生產(chǎn)過(guò)程中物料,用五邊形表示。
設(shè)T=Td?Tc,Td為時(shí)間變遷集,代表生產(chǎn)過(guò)程中不可靠響應(yīng)時(shí)間,用黑方框表示,?ti∈Td,其平均響應(yīng)時(shí)間為,λi為對(duì)應(yīng)的指數(shù)分布參數(shù)。T為c連續(xù)變遷集,表示化肥生產(chǎn)過(guò)程中耗能設(shè)備,用雙方框表示,能耗種類(lèi)數(shù)量為n,設(shè)備數(shù)量為N。
當(dāng) t∈Tc,p∈Pd時(shí),Ir(p,t)=Ia(p,t)。TP模型中的關(guān)聯(lián)矩陣為W(p,t)=Ia(p,t)-Ir(p,t),其中W(pd,tc)=0。W(pd,tc)可分為和
0表示設(shè)備由于不可靠事件的影響導(dǎo)致了停運(yùn),模型中的關(guān)聯(lián)矩陣為W(p,t)=Ia(p,t)-Ir(p,t),其中W(pd,tc)=0 。 ?ti∈Tc,投放物料pi∈Pm c的消耗速率為Ir(pi,ti)W(ti);產(chǎn)出中間產(chǎn)品或成品pj∈Pm c的生產(chǎn)速率為Ia(pj,ti)·W(ti)。
標(biāo)志S是一個(gè)函數(shù)表示化肥企業(yè)可測(cè)量的能耗,在每一個(gè)Pd上放置一個(gè)非負(fù)數(shù)托肯,代表設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),用小黑點(diǎn)表示;在每一個(gè)Pc上放置一個(gè)連續(xù)量,代表化肥生產(chǎn)中可測(cè)量的能耗、物料的轉(zhuǎn)換量以及成品量。用Si表示機(jī)臺(tái)位置Pi中的標(biāo)志,在某一時(shí)刻α,標(biāo)志值記為S(α),Pd集和Pc集中的標(biāo)志分別記為Sd和Sc。
其中關(guān)鍵的幾個(gè)參數(shù)定義見(jiàn)表1。
表1 關(guān)鍵參數(shù)定義表
化肥生產(chǎn)物流過(guò)程的成本即時(shí)控制混雜Petri網(wǎng)的優(yōu)化模型中,對(duì)于任意的生產(chǎn)設(shè)備ti∈Tc,其瞬間激活速率為Vi,設(shè)備加工的物料消耗速率和產(chǎn)出速率分別是統(tǒng)稱(chēng)為物流率,記為。
通常情況下產(chǎn)量和消耗的能源量是成正比的,因此按設(shè)備生產(chǎn)1t產(chǎn)品所需要的能源量計(jì)算,即為單批能耗(或者物耗),在編制計(jì)劃時(shí),應(yīng)該列出各類(lèi)的單位物耗和單位能耗,可得為第i臺(tái)設(shè)備的第j種單位損耗成本,定義為成本流率。
生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的即時(shí)成本有很多種,包括物耗、能耗等方面的成本,其各自的計(jì)量單位也不同。為了統(tǒng)一計(jì)算,生產(chǎn)過(guò)程的成本即時(shí)控制混雜Petri網(wǎng)的優(yōu)化模型中,統(tǒng)一換算用每噸的成本費(fèi)用來(lái)表示(其中用標(biāo)準(zhǔn)煤來(lái)?yè)Q算生產(chǎn)中能源的消耗量,換算可得消耗的能源總量,同時(shí)它也是綜合性的折合能源指標(biāo),單耗再乘以單位(t)標(biāo)準(zhǔn)煤的價(jià)格便得到單位能耗成本)?;噬a(chǎn)過(guò)程中的即時(shí)成本可以用成本計(jì)量矩陣來(lái)記錄,生產(chǎn)過(guò)程中的成本種類(lèi)數(shù)可以用m來(lái)表示,n為生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生運(yùn)行成本的設(shè)備數(shù),簡(jiǎn)記為Cn,其數(shù)值不是生產(chǎn)過(guò)程的計(jì)量矩陣,而是產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的每噸成本計(jì)量系數(shù)矩陣。
生產(chǎn)過(guò)程的成本即時(shí)控制混雜Petri網(wǎng)的優(yōu)化模型中,第i臺(tái)設(shè)備的即時(shí)成本總量為:
在一個(gè)宏觀周期內(nèi),生產(chǎn)過(guò)程的即時(shí)控制成本總量為:
生產(chǎn)過(guò)程的即時(shí)成本控制目標(biāo)函數(shù)為:
3.2.1 設(shè)備生產(chǎn)能力約束。運(yùn)用混雜Petri網(wǎng)對(duì)化肥生產(chǎn)過(guò)程的成本進(jìn)行即時(shí)控制的優(yōu)化模型含有n臺(tái)設(shè)備的連續(xù)變遷,其關(guān)聯(lián)矩陣為Y。設(shè)Tc(m)∈Tc,表示耗能機(jī)臺(tái)設(shè)備的連續(xù)變遷子集為m,TN(m)∈Tc,表示耗能機(jī)臺(tái)設(shè)備的連續(xù)變遷子集不是m,表示空物料連續(xù)位置子集,在任何瞬間激活向量在m狀態(tài)時(shí),具有下面線(xiàn)性集的可行解:
所有可行解的集合記為S(N,m),其約束總數(shù)為需要注意的是,這里的card{M} 表示基數(shù)是集合M的個(gè)數(shù),同樣,上述式(4)、(5)、(6)約束式遵循設(shè)備持續(xù)遷移的激發(fā)規(guī)律。
3.2.2 化肥生產(chǎn)調(diào)度對(duì)物流率的約束?;噬a(chǎn)調(diào)度科根據(jù)供求關(guān)系合理控制對(duì)半成品的儲(chǔ)存,盡量分解各個(gè)設(shè)備間相互沖突的目標(biāo)。根據(jù)供求關(guān)系的變化對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量進(jìn)行調(diào)整,即當(dāng)供過(guò)于求時(shí)降低產(chǎn)品的生產(chǎn)量,供不應(yīng)求時(shí)加大產(chǎn)品的生產(chǎn)量。供求關(guān)系約束著產(chǎn)品的生產(chǎn)量,而化肥企業(yè)倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)能力又影響著產(chǎn)品的儲(chǔ)存量。
化肥生產(chǎn)過(guò)程的成本即時(shí)控制混雜Petri網(wǎng)的優(yōu)化模型把這種調(diào)度策略轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)調(diào)度對(duì)物流率的不等式約束條件,將庫(kù)存能力的約束轉(zhuǎn)化為宏觀周期內(nèi)生產(chǎn)狀態(tài)改變的條件。
同理,對(duì)于任意的物料位置p∈pc(m),若產(chǎn)品供大于求,則以存儲(chǔ)該物料的倉(cāng)庫(kù)不低于VX的速率減少生產(chǎn),則,在設(shè)備狀態(tài)不激發(fā)的情況下,在第k個(gè)長(zhǎng)度為Δα=αk-αk-1的周期內(nèi),該倉(cāng)庫(kù)mp(α)的產(chǎn)品量持續(xù)不斷的減少,在αk時(shí)刻,當(dāng)狀態(tài)改變時(shí),滿(mǎn)足臨界狀態(tài):
上式中,( 或)為物料庫(kù)存的最大值(或最小值)。
3.2.3 化肥生產(chǎn)過(guò)程協(xié)同關(guān)系對(duì)物流率的約束。假設(shè)成本即時(shí)系統(tǒng)由很多個(gè)成本單元組成,這些成本單元本身就是具體化的即時(shí)成本控制系統(tǒng),或者說(shuō)是具有某一類(lèi)單一成本控制目的的即時(shí)成本控制系統(tǒng)。
化肥生產(chǎn)成本即時(shí)控制系統(tǒng)依賴(lài)于其生產(chǎn)系統(tǒng)存在,同時(shí)生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以由成本即時(shí)控制系統(tǒng)反映?;ぁ⒅扑幍鹊纳a(chǎn)過(guò)程都是連續(xù)的且工藝路線(xiàn)相對(duì)單一、穩(wěn)定,工序承上啟下,一環(huán)扣一環(huán),上游設(shè)備生產(chǎn)的物料是下游設(shè)備的生產(chǎn)原料,通過(guò)輸送設(shè)備連接生產(chǎn)設(shè)備間連續(xù)性的投料,且中間的緩存量有限,一條主要生產(chǎn)設(shè)備構(gòu)成的生產(chǎn)線(xiàn)就可以生產(chǎn)某一種類(lèi)型的產(chǎn)品,但中間有多個(gè)處理環(huán)節(jié),屬于簡(jiǎn)單的串聯(lián)生產(chǎn)工藝。
當(dāng)化肥生產(chǎn)原料充足時(shí),若虛擬位置為pˉ(pˉ表示半成品),則card{}pˉ=1,且在任意時(shí)刻α,有mpˉ(α)=0 。相反,若某連續(xù)位置pˉ在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)存在mpˉ(α)=0 ,則此時(shí)的pˉ不一定是虛擬位置,而可能是正處于設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)。對(duì)于連續(xù)變遷t,t∈pˉ′,pˉ′表示為pˉ的后集,則t所描述的設(shè)備為跟從設(shè)備。
據(jù)上述,關(guān)于生產(chǎn)過(guò)程成本控制的目標(biāo)函數(shù)為:
其中,v為n維列向量。
根據(jù)上述生產(chǎn)約束條件分析可知,存在可行域滿(mǎn)足:
本文求解生產(chǎn)過(guò)程即時(shí)成本控制目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值采用的是單純形法,尋優(yōu)的目標(biāo)集合在所有可行域頂點(diǎn)中尋找,基本思想是從初始可行解開(kāi)始,尋找滿(mǎn)足使得目標(biāo)函數(shù)值變小的另一個(gè)基本可行解,而且基本可行解的數(shù)量是可羅列的,通過(guò)一定次數(shù)的迭代計(jì)算,最后必能求得最佳解。尋優(yōu)的步驟如下:
(1)尋一個(gè)初始可行解。將a的列向量排列成兩個(gè)向量,即a=( )X·N,其中的X向量線(xiàn)性無(wú)關(guān);相應(yīng)的對(duì)應(yīng)的變量VX為基變量,VN為非基變量。所以有:
所以有:
由此推出:
令VN=0,求解得:
所以稱(chēng)(VX,VN)為基解。若在基解中的變量非負(fù),則稱(chēng)為基本可行解。
(2)判斷該基本可行解是否最佳,若是則停止迭代,此時(shí)的基本可行解已為最優(yōu)解;不然轉(zhuǎn)第三步。
若該解滿(mǎn)足CN-CXX-1N≥0,即CN≥CXX-1N,則對(duì)一切可行解v,必有Cf(V)≥CXX-1b,此時(shí)所得到基本可行解VN=(bX-1,0)r為最優(yōu)解。
(3)尋找另一個(gè)可以使目標(biāo)函數(shù)值變小的基本可行解,返回第二步。
化肥生產(chǎn)過(guò)程的即時(shí)控制混雜Petri網(wǎng)的優(yōu)化模型求解的是以化肥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工序成本為基礎(chǔ),即時(shí)控制各種能耗、各種原材料、輔料的損耗,實(shí)現(xiàn)每個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)生產(chǎn)過(guò)程即時(shí)成本的最小化。
設(shè)化肥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工序成本為,化肥生產(chǎn)過(guò)程的即時(shí)成本,優(yōu)化控制的目標(biāo)函數(shù)為:
時(shí)間段內(nèi)生產(chǎn)線(xiàn)的即時(shí)成本為:
本文以化肥廠的鈣鎂磷肥生產(chǎn)過(guò)程為例,如圖1所示,涉及原材料供給、爐料配制、配料破碎、過(guò)篩、高爐熔融、水淬、干燥、研磨、裝袋、成品入庫(kù)等工序。
爐料配制:涉及物料為磷礦石、硅鎂礦石和焦炭,能耗為電;
配料破碎:能耗為電;
過(guò)篩:能耗為電;
高溫熔融:能耗為電;
水淬、干燥、研磨:能耗為電;
裝袋:涉及物料為包裝袋、封口線(xiàn),能耗為電;
成品入庫(kù):能耗為電。
圖1 鈣鎂磷肥的工藝流程圖
計(jì)算過(guò)程中,以每噸機(jī)組為優(yōu)化單位,以每班8h為運(yùn)行周期;化肥生產(chǎn)機(jī)組的輔料供給狀態(tài)不一樣,本優(yōu)化假設(shè)生產(chǎn)過(guò)程中各種原材料以及能耗供應(yīng)充足;生產(chǎn)過(guò)程中所消耗的能源、物料的供應(yīng)關(guān)系如圖2所示。每一批鈣鎂磷肥生產(chǎn)中所需的原料按物料需求清單(BOM)比例供給;生產(chǎn)過(guò)程中的原材料以及能耗為了優(yōu)化的可行性,以每噸原材料的成本為核算單元,并且統(tǒng)一折算為貨幣單位表示。計(jì)算中,機(jī)組人員的人工成本以及機(jī)組清潔用水等成本,沒(méi)有考慮在本優(yōu)化模型之內(nèi)。
4.1.1 能耗數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)來(lái)源于GB2589-1990《綜合能耗計(jì)算通則》。
1kW·h=1度電=0.122 8kgce;
動(dòng)力電耗:電0.6元/度;
原料:1t水=0.242 9kgce;1t焦炭=0.971 4kgce;標(biāo)準(zhǔn)煤:5 000(kcal/kg)按580元/t計(jì)。
4.1.2 物耗數(shù)據(jù)[14]。已知在鈣鎂磷肥生產(chǎn)過(guò)程中物耗的基礎(chǔ)損耗數(shù)據(jù)如圖2所示。
圖2 某鈣鎂磷肥生產(chǎn)車(chē)間工藝流程(損耗)圖
某化肥廠生產(chǎn)能耗和物耗環(huán)節(jié)Petri圖如圖3所示。
(1)鈣鎂磷肥生產(chǎn)過(guò)程中能耗系數(shù)的計(jì)量矩陣WN為(單位折算為萬(wàn)元/t):
(2)鈣鎂磷肥生產(chǎn)過(guò)程中物料組分計(jì)量矩陣WM為(單位折算為萬(wàn)元/t):
圖3 鈣鎂磷肥生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化環(huán)節(jié)的Petri網(wǎng)模型圖
在上述矩陣中,列向量代表同一設(shè)備的生產(chǎn)物料清單,理論上各列向量之和等于0,如列,裝袋,供應(yīng)的輔料包括空袋、干燥后的成品等,按照產(chǎn)品BOM消耗,其列向量,生產(chǎn)后的包含了應(yīng)該有的成品、空袋等消耗,如果,則為設(shè)備造成的物料耗損量。而在物料組計(jì)量矩陣中的行向量則代表物料在輸送中的物料等效傳輸率η,即:η=輸入物料量/輸出物料量正常情況下,物料的損耗為0,η=100%。
以化肥廠一個(gè)宏觀的生產(chǎn)運(yùn)行周期為例,詳細(xì)說(shuō)明在化肥生產(chǎn)中如何控制設(shè)備在物料消耗和能源消耗過(guò)程的最佳激發(fā)速率,即設(shè)備運(yùn)行最佳的產(chǎn)出率。
首先明確10個(gè)關(guān)鍵工序?yàn)樵O(shè)備的激發(fā)率生產(chǎn)區(qū)間Vi(Vs,Vd),成品倉(cāng)庫(kù)的量預(yù)設(shè)為工廠緩存5d的正常工作量,中間緩存設(shè)施的量按設(shè)備的額定生產(chǎn)能力緩存。
設(shè)α=0時(shí),設(shè)備的離散狀態(tài)標(biāo)志為(1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0),這時(shí)設(shè)備全部處于生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài),于是通過(guò)以上描述,可以建立以下兩個(gè)線(xiàn)性方程:
(1)能耗系數(shù)的計(jì)量矩陣(單位折算為萬(wàn)元/t):
(2)物料組分計(jì)量矩陣(單位折算為萬(wàn)元/t):
關(guān)于生產(chǎn)設(shè)備能耗總成本的線(xiàn)性方程:
有:
再由設(shè)備激發(fā)速率得可行區(qū)域?yàn)?≤v1≤20,1≤v2,v3,v4≤10,2≤v5≤1 000,2≤v6≤10,5≤v7≤10,1≤v8≤20,2≤v9≤10,1≤v10≤20,從而可得10,10,20,10,20];依據(jù)對(duì)化肥生產(chǎn)過(guò)程的約束條件,在當(dāng)前生產(chǎn)調(diào)度策略下滿(mǎn)足5v1+4v1+6.5v1+40v1+1.4v1=49.78v2,從而可得b=[ ]20,30。
依據(jù)化肥生產(chǎn)調(diào)度對(duì)物流率的約束條件,將上述生產(chǎn)約束條件代入MATLAB線(xiàn)性尋優(yōu)指令中得到最優(yōu)解為:
從而得到鈣鎂磷肥生產(chǎn)過(guò)程的總成本為:
根據(jù)對(duì)鈣鎂磷肥的市場(chǎng)調(diào)查研究了解到該肥料每袋(50kg)的市場(chǎng)價(jià)格平均為700元,即1.4萬(wàn)元/t,而生產(chǎn)企業(yè)的利潤(rùn)一般在5%-10%之間,所以鈣鎂磷肥的成本約為1.26-1.33萬(wàn)元/t之間,而產(chǎn)品的生產(chǎn)成本大概占總成本的50%左右,即為0.63-0.665萬(wàn)元/t。
而上文所得到的模型優(yōu)化后的成本為0.576 3萬(wàn)元/t,顯然優(yōu)化后的成本要低于未經(jīng)優(yōu)化的生產(chǎn)系統(tǒng)的成本。所以,本文所探討的應(yīng)用Petri網(wǎng)對(duì)化肥廠生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)即時(shí)成本的控制是有現(xiàn)實(shí)意義的,計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際,研究大大降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本。
Petri網(wǎng)作為系統(tǒng)建模的重要方法之一,廣泛應(yīng)用在過(guò)程控制、生產(chǎn)調(diào)度、建模仿真等方面。本文以化肥廠某化肥生產(chǎn)過(guò)程中的物流為對(duì)象,以成本控制為主線(xiàn),將物流、信息流及價(jià)值鏈串為一體,通過(guò)Petri網(wǎng)模型對(duì)生產(chǎn)物流過(guò)程的實(shí)時(shí)控制,進(jìn)而對(duì)成本進(jìn)行即時(shí)控制。本文所研究的化肥廠生產(chǎn)過(guò)程屬于流程式生產(chǎn),故本文所研究的方法也同樣適用于其他類(lèi)型的流程式生產(chǎn)過(guò)程的物流成本即時(shí)控制。
本文根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)流程及成本控制需要,利用Petri網(wǎng)的優(yōu)化模型和對(duì)目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解求解,對(duì)化肥生產(chǎn)過(guò)程中的即時(shí)成本進(jìn)行優(yōu)化控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)成本的實(shí)時(shí)有效控制。最后根據(jù)所述模型進(jìn)行了實(shí)例優(yōu)化,對(duì)實(shí)時(shí)成本進(jìn)行了動(dòng)態(tài)反映。成本的即時(shí)控制對(duì)企業(yè)的降本增效有顯著的現(xiàn)實(shí)意義,能促進(jìn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,有益于提高生產(chǎn)效益,擴(kuò)大企業(yè)的利潤(rùn)空間,增加企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。