王勁松，萬(wàn)年彬，江逸斐，李孝超，雷曉琪，李新建

（1.襄陽(yáng)卷煙廠，湖北 襄陽(yáng) 441000；2.華中科技大學(xué) 管理學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)煙草市場(chǎng)需求向著多品種、小批量變動(dòng)，我國(guó)卷煙工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)組織方式逐漸由過去的“生產(chǎn)推動(dòng)型”轉(zhuǎn)變?yōu)椤笆袌?chǎng)拉動(dòng)型”，即基于客戶訂單和銷售合同安排生產(chǎn)。在這種背景下，卷煙工業(yè)企業(yè)需要改變以批量生產(chǎn)為主流的生產(chǎn)模式，采用更加柔性的生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)車間的精細(xì)化管理，以適應(yīng)煙草市場(chǎng)多樣化的需求，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力[1-2]。這也對(duì)卷煙工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)計(jì)劃編制提出了更高的要求，要求企業(yè)能夠及時(shí)掌握客戶下達(dá)的訂單數(shù)據(jù)，及時(shí)了解生產(chǎn)部門反饋的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，快速準(zhǔn)確制訂科學(xué)合理的生產(chǎn)計(jì)劃，并及時(shí)對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行指揮控制。

雖然目前我國(guó)卷煙工業(yè)企業(yè)的信息化建設(shè)發(fā)展迅速，但是前期取得的成效并不突出，其主要原因在于企業(yè)在信息化過程中沒能實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享和統(tǒng)一管理[3]。制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）作為連接上層計(jì)劃管理系統(tǒng)與底層工業(yè)控制系統(tǒng)的中間樞紐，解決了企業(yè)內(nèi)部信息孤島問題，成為了目前卷煙工業(yè)企業(yè)信息化建設(shè)的熱點(diǎn)[4-8]。同時(shí)，為了提高企業(yè)作業(yè)排程和優(yōu)化調(diào)度的能力，高級(jí)計(jì)劃與排程系統(tǒng)（APS）被引入。APS作為MES系統(tǒng)中的一個(gè)核心集成模塊，采用基于供應(yīng)鏈管理和約束理論的方法，具有強(qiáng)大的優(yōu)化和計(jì)算能力，可加強(qiáng)MES系統(tǒng)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)計(jì)劃的控制能力、優(yōu)化能力與前瞻性[9-10]。

卷煙生產(chǎn)為混合型制造過程，其生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度問題具有多階段、復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)，采用分層建模方式能夠更好地解決這類復(fù)雜混合流程制造問題[11]。有學(xué)者采用遞階生產(chǎn)計(jì)劃（HPP）方法設(shè)計(jì)了卷煙生產(chǎn)計(jì)劃的分層優(yōu)化框架[12]。本文根據(jù)卷煙生產(chǎn)特點(diǎn)分析，構(gòu)建了一套基于生產(chǎn)訂單的卷煙廠自動(dòng)排產(chǎn)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)卷煙生產(chǎn)過程的逐步優(yōu)化。

1 卷煙生產(chǎn)特點(diǎn)分析

卷煙生產(chǎn)過程主要分為制絲生產(chǎn)和卷包生產(chǎn)兩個(gè)部分，是一種既具有流程型生產(chǎn)特征又具有離散型生產(chǎn)特征的混合型制造過程。制絲生產(chǎn)過程為流程型制造，卷包生產(chǎn)過程為離散型制造，兩種不同的生產(chǎn)過程通過儲(chǔ)絲柜作為緩沖空間進(jìn)行銜接。卷煙生產(chǎn)過程分為多個(gè)工段，其生產(chǎn)流程如圖1所示。卷煙生產(chǎn)各個(gè)工段上下連接，同一個(gè)生產(chǎn)訂單需要按照一定的工藝路線順序進(jìn)行生產(chǎn)，前一個(gè)工段完成之后才能開始下一個(gè)工段的生產(chǎn)。

圖1 卷煙生產(chǎn)流程圖—按工段劃分

制絲生產(chǎn)過程可分為絲線生產(chǎn)過程、梗線生產(chǎn)過程和香糖料配制過程。絲線生產(chǎn)過程包含原料投料、切片松散回潮、葉片加料、切絲干燥加香共四個(gè)工段；梗線生產(chǎn)過程包含一次潤(rùn)梗、二次潤(rùn)梗、梗絲共三個(gè)工段；香糖料配制過程分為香糖料備料工段和香糖料配置工段。制絲生產(chǎn)過程各個(gè)工段之間為串聯(lián)關(guān)系，且工段間包含具有存儲(chǔ)能力的柜類設(shè)備，可用于短時(shí)間存放煙梗絲。因此，制絲生產(chǎn)可以看作是緩存區(qū)有限的流水車間調(diào)度問題。

卷包生產(chǎn)過程可分為喂絲、卷接、包裝、封箱、濾棒發(fā)射和濾棒成型共六個(gè)工段，每個(gè)工段同一時(shí)間可生產(chǎn)多個(gè)牌號(hào)，有多臺(tái)設(shè)備用于生產(chǎn)。卷包設(shè)備之間存在一對(duì)多、多對(duì)多的柔性連接關(guān)系，即卷包設(shè)備連接關(guān)系可變動(dòng)。由于卷包機(jī)組產(chǎn)能受限，為整個(gè)卷煙生產(chǎn)流程中的瓶頸資源，因此卷包生產(chǎn)可以看作是有限產(chǎn)能下柔性流水車間調(diào)度問題。

一般情況下，制絲車間產(chǎn)能相對(duì)充足，其主要目標(biāo)是在保證卷包車間不待料和煙絲不過期的情況下，減少換牌次數(shù)且均衡每日生產(chǎn)量。卷包生產(chǎn)主要考慮的問題是如何對(duì)瓶頸資源進(jìn)行有效合理分配，以達(dá)到廠內(nèi)設(shè)定的目標(biāo)（如準(zhǔn)時(shí)交貨、均衡利用設(shè)備、換牌次數(shù)最少等）。由此可見，卷煙生產(chǎn)過程為一個(gè)多階段復(fù)雜混合型制造過程，每個(gè)階段有各自的問題特點(diǎn)。因此，建立一套分階段的決策框架體系用于解決卷煙自動(dòng)排產(chǎn)問題是有必有的。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 方案設(shè)計(jì)原則

（1）實(shí)用性與可操作性。自動(dòng)排產(chǎn)方案設(shè)計(jì)的第一個(gè)原則為實(shí)用性與可操作性。根據(jù)自動(dòng)排產(chǎn)得到的可行較優(yōu)解，即生成的生產(chǎn)計(jì)劃，該計(jì)劃應(yīng)符合卷煙廠的生產(chǎn)實(shí)際，能夠用于指導(dǎo)生產(chǎn)，即不能違背生產(chǎn)的科學(xué)性與便利性。經(jīng)過自動(dòng)排產(chǎn)得到的生產(chǎn)計(jì)劃，不僅要滿足卷包車間和制絲車間實(shí)際生產(chǎn)工藝要求，還應(yīng)滿足原輔料備料情況。

（2）自動(dòng)化與平衡性。自動(dòng)排產(chǎn)方案設(shè)計(jì)應(yīng)體現(xiàn)自動(dòng)化與平衡性。由于實(shí)際生產(chǎn)中不可控因素較多，一旦實(shí)際生產(chǎn)與預(yù)計(jì)生產(chǎn)出現(xiàn)了差異，自動(dòng)排產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)能夠及時(shí)對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃做出調(diào)整。另外，自動(dòng)排產(chǎn)得出的計(jì)劃應(yīng)該盡量保證每日工作量均衡，保證工人工作的積極性。

（3）“多解”原則與可干預(yù)原則。自動(dòng)排產(chǎn)系統(tǒng)得出的生產(chǎn)計(jì)劃不是唯一的。為了更好地服務(wù)于卷煙廠，自動(dòng)排產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)提供多個(gè)可行計(jì)劃，以便卷煙廠根據(jù)自身需求選擇更符合實(shí)際的生產(chǎn)計(jì)劃。另外，為了使排產(chǎn)系統(tǒng)可操作性更強(qiáng)，自動(dòng)排產(chǎn)應(yīng)預(yù)留人工干預(yù)的接口。

2.2 卷煙自動(dòng)排產(chǎn)決策框架

卷煙生產(chǎn)包含卷包和制絲兩大重要工序，卷煙自動(dòng)排產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化重點(diǎn)將放在卷包作業(yè)計(jì)劃和制絲作業(yè)計(jì)劃上。卷煙自動(dòng)排產(chǎn)決策框架如圖2所示，根據(jù)市場(chǎng)客戶下達(dá)的生產(chǎn)調(diào)度令，卷煙廠首先制訂出下月的卷包作業(yè)計(jì)劃，再由卷包作業(yè)計(jì)劃拉動(dòng)制絲作業(yè)計(jì)劃、輔料配送計(jì)劃、濾棒生產(chǎn)計(jì)劃和手包煙生產(chǎn)計(jì)劃等；制絲計(jì)劃拉動(dòng)原料備料計(jì)劃、梗絲作業(yè)計(jì)劃、香糖料備料計(jì)劃；梗絲作業(yè)計(jì)劃拉動(dòng)梗料備料計(jì)劃、香糖料備貨計(jì)劃。

圖2 卷煙自動(dòng)排產(chǎn)決策框架圖

2.3 卷煙自動(dòng)排產(chǎn)作業(yè)流程

針對(duì)卷煙工業(yè)企業(yè)“市場(chǎng)拉動(dòng)型”的生產(chǎn)模式，構(gòu)建“面向訂單生產(chǎn)”的滾動(dòng)、閉環(huán)作業(yè)流程，如圖3所示。

圖3 卷煙自動(dòng)排產(chǎn)作業(yè)流程圖

具體流程如下：

Step1：接收客戶下達(dá)的生產(chǎn)調(diào)度令。

Step2：在給定的約束條件下（訂單交貨期、資源約束等），依據(jù)自動(dòng)排產(chǎn)模型，自動(dòng)產(chǎn)生對(duì)各個(gè)生產(chǎn)單元的、最優(yōu)的、可執(zhí)行的生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃。

Step3：通過MES系統(tǒng)將生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃以及物料備貨計(jì)劃分別下發(fā)到生產(chǎn)車間（包括卷包車間、制絲車間、濾棒生產(chǎn)車間）以及物流部門，生產(chǎn)車間根據(jù)生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)調(diào)度，物流部門根據(jù)作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行備料、調(diào)度。

Step4：現(xiàn)場(chǎng)管控系統(tǒng)接受并執(zhí)行下達(dá)至各環(huán)節(jié)的工單，同時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)運(yùn)行狀況，反饋給MES系統(tǒng)，包括資源狀態(tài)、訂單執(zhí)行進(jìn)度等信息。然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的狀況調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃排程。

3 功能模塊

3.1 需求分析

（1）自動(dòng)排產(chǎn)，減少人工干預(yù)。由于煙廠的生產(chǎn)流程比較復(fù)雜，傳統(tǒng)由手工編制生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃的方式，工作強(qiáng)度太大，且精確度有待提高。結(jié)合襄陽(yáng)卷煙廠實(shí)際生產(chǎn)調(diào)度情況，建立一套完善的排產(chǎn)模型，集成MES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排產(chǎn)。自動(dòng)排產(chǎn)系統(tǒng)應(yīng)以自動(dòng)排產(chǎn)為主、人工干預(yù)為輔，而且隨著運(yùn)行時(shí)間的加長(zhǎng)，在大數(shù)據(jù)的支撐下實(shí)行自動(dòng)化，逐步取代人工干預(yù)，真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化排產(chǎn)。

（2）優(yōu)化排產(chǎn)，得到較優(yōu)的生產(chǎn)方案。人工排產(chǎn)多是基于一些簡(jiǎn)單的規(guī)則進(jìn)行，如正序排產(chǎn)和倒序排產(chǎn)，很難實(shí)現(xiàn)煙廠最小化或最大化排產(chǎn)目標(biāo)的需求。自動(dòng)排產(chǎn)系統(tǒng)需要在短時(shí)間內(nèi)找到滿足約束條件的可行且較優(yōu)的排產(chǎn)方案。

（3）多種策略自動(dòng)排產(chǎn)，提供多種備選方案。人工排產(chǎn)往往只能得到一種排產(chǎn)方案，選擇排產(chǎn)方案時(shí)比較受限。自動(dòng)排產(chǎn)系統(tǒng)需要根據(jù)多種策略進(jìn)行排產(chǎn)，為煙廠提供多種可選的排產(chǎn)方案，煙廠可根據(jù)自己的實(shí)際需求目標(biāo)選擇合適的排產(chǎn)方案。

（4）自動(dòng)修正生產(chǎn)參數(shù)數(shù)值，實(shí)現(xiàn)精確排產(chǎn)。自動(dòng)排產(chǎn)系統(tǒng)需要能夠自動(dòng)根據(jù)實(shí)際采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)其排產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)（如設(shè)備生產(chǎn)效率、換牌時(shí)間等）進(jìn)行優(yōu)化，使其更貼合實(shí)際生產(chǎn)情況，使得排產(chǎn)結(jié)果更加精確。

（5）為人工調(diào)整預(yù)留接口。自動(dòng)排產(chǎn)系統(tǒng)需要預(yù)留人工調(diào)整的接口，以方便煙廠根據(jù)實(shí)際情況的變動(dòng)及時(shí)進(jìn)行人工調(diào)整。如人工設(shè)置放假時(shí)長(zhǎng)和具體放假時(shí)間等。

（6）日常滾動(dòng)排產(chǎn)。在每天晚班結(jié)束或早班開始時(shí)進(jìn)行滾動(dòng)排產(chǎn)，固定鎖定期內(nèi)的生產(chǎn)計(jì)劃不變，對(duì)鎖定期外的生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行微調(diào)，日常滾動(dòng)排產(chǎn)主要調(diào)整的是每日每臺(tái)機(jī)臺(tái)上的生產(chǎn)量，使其更貼近每日實(shí)際生產(chǎn)量。

（7）突發(fā)情況時(shí)及時(shí)進(jìn)行重調(diào)度。當(dāng)出現(xiàn)插單、設(shè)備故障、輔料不能按照原計(jì)劃到達(dá)、煙絲不能及時(shí)供應(yīng)4種突發(fā)情況時(shí)，自動(dòng)排產(chǎn)系統(tǒng)能夠及時(shí)對(duì)計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整，生成新的生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃，指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

（8）降低原輔料和濾棒供應(yīng)不及時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。原輔料或?yàn)V棒配送由卷包車間（制絲車間）生產(chǎn)拉動(dòng)，所以原輔料或?yàn)V棒的排產(chǎn)應(yīng)該以上游車間計(jì)劃為依據(jù)，保證上游車間的生產(chǎn)不會(huì)因材料的供應(yīng)不及時(shí)而停工待料。當(dāng)上游生產(chǎn)出現(xiàn)插單、設(shè)備故障、人員變動(dòng)等情況導(dǎo)致與原計(jì)劃不一致時(shí)，原輔料或?yàn)V棒配送需相應(yīng)變化，即實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)排產(chǎn)。

（9）與MES進(jìn)行集成，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行計(jì)劃、監(jiān)督、協(xié)調(diào)和控制。自動(dòng)排產(chǎn)系統(tǒng)需要與MES系統(tǒng)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)和MES系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的交換，基于MES提供的數(shù)據(jù)對(duì)排產(chǎn)進(jìn)行優(yōu)化，再將結(jié)果導(dǎo)入MES系統(tǒng)中，用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，共同對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行計(jì)劃、監(jiān)督、協(xié)調(diào)和控制。

3.2 功能設(shè)計(jì)

（1）卷包車間自動(dòng)排產(chǎn)：①根據(jù)生產(chǎn)調(diào)度令，考慮卷包設(shè)備產(chǎn)能、工作日歷、原輔料供應(yīng)情況等，生成可執(zhí)行的基礎(chǔ)調(diào)度計(jì)劃；②根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)整單，更新訂單信息，重新生成調(diào)度計(jì)劃，靈活處理增單、減單和訂單交貨期變化等情況；③每日生產(chǎn)工作完成后，記錄每日實(shí)際產(chǎn)出，進(jìn)行每日滾動(dòng)排產(chǎn)；④當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)情況，如設(shè)備故障、原輔料供應(yīng)情況有變等，觸發(fā)卷包車間重調(diào)度，及時(shí)調(diào)整計(jì)劃。

（2）制絲車間自動(dòng)排產(chǎn)：①根據(jù)卷包車間生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃與外發(fā)訂單計(jì)劃，結(jié)合車間生產(chǎn)排產(chǎn)的相關(guān)信息，生成可執(zhí)行的基礎(chǔ)調(diào)度計(jì)劃；②當(dāng)卷包車間生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃發(fā)生變動(dòng)，或外發(fā)訂單出現(xiàn)增單、減單或交貨期變化時(shí)，根據(jù)更新后的卷包車間生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃與外發(fā)訂單，對(duì)制絲車間生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整；③每日生產(chǎn)工作完成后，記錄每日實(shí)際產(chǎn)出，進(jìn)行每日滾動(dòng)排產(chǎn)；④當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)情況，如設(shè)備故障、原料供應(yīng)不及時(shí)等，觸發(fā)制絲車間重調(diào)度，及時(shí)調(diào)整計(jì)劃。

（3）濾棒生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化：①根據(jù)卷包車間生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃，結(jié)合輔料-濾棒BOM表，生成濾棒發(fā)射計(jì)劃；②根據(jù)濾棒發(fā)射計(jì)劃，結(jié)合濾棒生產(chǎn)車間產(chǎn)能，產(chǎn)生可執(zhí)行的濾棒生產(chǎn)計(jì)劃；③每日生產(chǎn)工作完成后，記錄每日實(shí)際產(chǎn)出，進(jìn)行每日滾動(dòng)排產(chǎn)；④當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)情況，如卷包排產(chǎn)變化、濾棒成型設(shè)備故障、濾棒成型輔料保障情況變化時(shí)，及時(shí)修正濾棒生產(chǎn)計(jì)劃，以滿足卷包車間生產(chǎn)對(duì)濾棒的需求。

（4）輔料組盤計(jì)劃優(yōu)化：①根據(jù)卷包車間生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃拉動(dòng)，明確輔料組盤組合、數(shù)量以及輔料組盤時(shí)間；②當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)情況，如輔料到貨不及時(shí)、庫(kù)容不足等，及時(shí)調(diào)整計(jì)劃。

（5）原料配送計(jì)劃優(yōu)化：①根據(jù)制絲車間生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃拉動(dòng)，明確輔料配送數(shù)量和時(shí)間；②當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)情況，如原料到貨不及時(shí)、庫(kù)容不足等，及時(shí)調(diào)整計(jì)劃。

（6）香糖料配送計(jì)劃優(yōu)化：①根據(jù)制絲車間生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃拉動(dòng)，明確香糖料配送數(shù)量和時(shí)間；②當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)情況，如香糖料到貨不及時(shí)、庫(kù)容不足等，及時(shí)調(diào)整計(jì)劃。

4 結(jié)語(yǔ)

基于生產(chǎn)訂單的卷煙廠自動(dòng)排產(chǎn)系統(tǒng)，可作為MES系統(tǒng)集成模塊。采用由下游生產(chǎn)拉動(dòng)上游備料的方式，既符合“市場(chǎng)拉動(dòng)型”的生產(chǎn)模式，又能將生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化調(diào)度的重點(diǎn)放在生產(chǎn)流程過程中的瓶頸資源分配上。將原有的復(fù)雜卷煙廠自動(dòng)排產(chǎn)問題，分解為多階段進(jìn)行分析，既能降低優(yōu)化問題的復(fù)雜度，又可針對(duì)各個(gè)階段的問題和目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。這套系統(tǒng)中制絲環(huán)節(jié)已和MES系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)交互和共享。該系統(tǒng)作為MES系統(tǒng)的核心模塊和指揮中心，可加強(qiáng)MES系統(tǒng)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)計(jì)劃的控制能力、優(yōu)化能力與前瞻性。隨著系統(tǒng)運(yùn)用實(shí)踐的進(jìn)一步推廣，為精益生產(chǎn)、智能制造打下基礎(chǔ)，有利于加強(qiáng)企業(yè)的生產(chǎn)計(jì)劃與生產(chǎn)組織管理水平，形成核心競(jìng)爭(zhēng)力。