郭同柱　喬偉　宋秀崎　葛盼盼　趙金勇　刁麗淼 羅思亮

摘要：多工序資源平衡系統(tǒng)針對(duì)如何解決鋼鐵多工序間的供料平衡進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種適合絕大多數(shù)鋼廠(chǎng)的多工序資源平衡決策方案，該方案充分利用了人在決策方面的靈活性以及計(jì)算機(jī)在信息整合與特定場(chǎng)景建模運(yùn)算的高效率，為實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃產(chǎn)銷(xiāo)平衡提供了有效的支撐。

關(guān)鍵詞：資源計(jì)劃；APS；多目標(biāo)決策；甘特圖

0 前言

鋼鐵行業(yè)一直以來(lái)都面對(duì)個(gè)性化需求和大規(guī)模生產(chǎn)之間的大規(guī)模定制是實(shí)現(xiàn)鋼鐵智能制造的重要組成部分，制定具有柔性的生產(chǎn)計(jì)劃是鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制的核心和關(guān)鍵。在制定生產(chǎn)計(jì)劃時(shí)，如何以一種相對(duì)優(yōu)的方案，解決鋼鐵企業(yè)的緊湊、高效、快節(jié)奏生產(chǎn)流程與多品種、小批量的客戶(hù)需求之間的產(chǎn)銷(xiāo)一體化銜接問(wèn)題［1］，成為了鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)管理的核心與難點(diǎn)之一。將各工序能力合理匹配，以達(dá)到全流程有序、順暢和高效是鋼鐵企業(yè)所面臨和思考的問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，APS［2］系統(tǒng)在離散制造業(yè)給出了較佳的解決方案，其通常包含了工廠(chǎng)模型［3］、能力計(jì)劃［4］、訂單計(jì)劃［5］、批量計(jì)劃［6］等核心內(nèi)容。但在鋼鐵行業(yè)，APS系統(tǒng)的引入?yún)s鮮有成功的先例，尤其是在全工序的資源平衡方面，由于鋼鐵行業(yè)工藝流程的特點(diǎn)，除了問(wèn)題規(guī)模龐大復(fù)雜以外，同時(shí)也難以將業(yè)務(wù)知識(shí)與人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行有效的系統(tǒng)化，因此，相關(guān)問(wèn)題的系統(tǒng)化一直沒(méi)有得到很好的解決。

文獻(xiàn)［7］采用有限能力排程模型編制基于有限產(chǎn)能約束的主生產(chǎn)計(jì)劃，并根據(jù)主生產(chǎn)計(jì)劃提出物料需求計(jì)劃。文獻(xiàn)［8］對(duì)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)資源優(yōu)化配置支持系統(tǒng)進(jìn)行了研究，在考慮生產(chǎn)資源優(yōu)化配置問(wèn)題時(shí)，同時(shí)考慮如何響應(yīng)市場(chǎng)需求變化和如何有效分配產(chǎn)能，從資源平衡及產(chǎn)銷(xiāo)統(tǒng)籌的視角出發(fā)，基于企業(yè)效益最大化原則來(lái)優(yōu)化產(chǎn)品組合及資源配置。文獻(xiàn)［9］ 針對(duì)鋼鐵企業(yè)基于“產(chǎn)銷(xiāo)一體化” 策略的生產(chǎn)能力計(jì)劃管理的實(shí)際需求，建立數(shù)學(xué)模型以及UML系統(tǒng)模型，輔助決策人員合理地對(duì)生產(chǎn)和銷(xiāo)售過(guò)程進(jìn)行指導(dǎo)，提升企業(yè)的經(jīng)營(yíng)管理水平。

本文以某大型鋼鐵企業(yè)S為背景，利用APS系統(tǒng)思維，針對(duì)鋼鐵企業(yè)的能力計(jì)劃決策問(wèn)題，構(gòu)建了一套在多工序資源平衡方面，靈活、高效的解決方案，使得各工序能力合理匹配，以達(dá)到全流程有序、順暢和高效［10］。該方案對(duì)解決鋼廠(chǎng)大規(guī)模制造與個(gè)性化需求的矛盾，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)銷(xiāo)協(xié)同，提供有益的幫助。

1 問(wèn)題描述

鋼鐵企業(yè)S除了擁有多條煉鋼、熱軋產(chǎn)線(xiàn)以外，同時(shí)還擁有平整、酸洗、硅鋼、汽車(chē)板等多種后加工產(chǎn)線(xiàn)（機(jī)組）。其制造流程長(zhǎng)、工序間銜接緊湊，制造周期不一致等問(wèn)題尤其突出，再疊加多品種、多規(guī)格、小批量等個(gè)性化的訂單需求，使得煉鋼和熱軋產(chǎn)線(xiàn)的原料供給平衡問(wèn)題變得十分復(fù)雜，既要考慮工序自身的工藝生產(chǎn)條件及制造成本問(wèn)題，又要考慮后工序用料周期的匹配，同時(shí)還要避免中間工序的庫(kù)存過(guò)度積壓。因此，為了合理的制定多工序的能力計(jì)劃，需要站在全流程的角度進(jìn)行多工序的集成優(yōu)化和協(xié)同運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的全流程生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化，因此如何能夠快速合理的制定出能力計(jì)劃，以既滿(mǎn)足市場(chǎng)的訂貨需求，又對(duì)產(chǎn)線(xiàn)的產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)合理的利用，成為企業(yè)S解決產(chǎn)銷(xiāo)銜接的首要問(wèn)題。

市場(chǎng)上常見(jiàn)的關(guān)于能力計(jì)劃、資源平衡方面的解決方案一般分為兩種，一是商業(yè)化程度較高的國(guó)外的軟件產(chǎn)品，此方案供應(yīng)商一般只提供套裝軟件和標(biāo)準(zhǔn)算法，但不同企業(yè)自身在管理、設(shè)備、產(chǎn)品、銷(xiāo)售等方面存在較大差異，而國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品一般很難進(jìn)行客戶(hù)化改造，普遍存在“水土不服”的情況；二是由高校、科研院所提供的定制化算法，雖然在某些特定場(chǎng)景能夠起到一定作用，但由于算法所考慮的因素與現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)情況還存在很大差距，實(shí)際應(yīng)用存在較大的局限性。

因此，對(duì)于中大型鋼鐵企業(yè)，尤其是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝路線(xiàn)多的鋼鐵企業(yè)，如何使用信息化、智能化方法，快速合理的制定好資源平衡計(jì)劃，為產(chǎn)銷(xiāo)平衡找到好的解決方案，是鋼鐵多工序資源平衡系統(tǒng)要解決的重點(diǎn)問(wèn)題。

2 解決思路

2.1 問(wèn)題解耦

從鋼鐵行業(yè)的業(yè)務(wù)角度分析，除了存在產(chǎn)銷(xiāo)協(xié)同間的根本性矛盾外，在智能化算法的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方面，由于實(shí)際場(chǎng)景規(guī)則和干擾因素繁多，算法在計(jì)算時(shí)間及多目標(biāo)決策方面也存在著較大瓶頸。一方面，多樣化的冷熱軋產(chǎn)品、產(chǎn)線(xiàn)構(gòu)成，很難通過(guò)一套標(biāo)準(zhǔn)方案解決產(chǎn)銷(xiāo)協(xié)同問(wèn)題；另一方面，復(fù)雜多變的現(xiàn)場(chǎng)條件（訂單結(jié)構(gòu)、設(shè)備狀態(tài)、庫(kù)存結(jié)構(gòu)等），使得基于實(shí)驗(yàn)室中假設(shè)的客觀(guān)環(huán)境構(gòu)造的數(shù)學(xué)模型和算法，無(wú)法適用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件下的運(yùn)算。

針對(duì)以上問(wèn)題，將復(fù)雜的全局多目標(biāo)決策優(yōu)化問(wèn)題，分解為局部算法優(yōu)化+人工決策+系統(tǒng)仿真模擬三部分。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種局部算法優(yōu)化+人工決策的多工序資源平衡系統(tǒng)，針對(duì)不同產(chǎn)線(xiàn)布局，有針對(duì)性的在相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的制造流程中采用局部的算法優(yōu)化，在全流程資源平衡決策過(guò)程中仍舊發(fā)揮人工決策的靈活性的優(yōu)勢(shì)，對(duì)沖突資源進(jìn)行合理決策。

2.2 方案概述

資源平衡的本質(zhì)是對(duì)工廠(chǎng)內(nèi)的所有設(shè)備資源在時(shí)間維度進(jìn)行合理調(diào)度，使其在發(fā)揮最大產(chǎn)能的同時(shí)，盡可能的滿(mǎn)足訂單的交期要求。因此，針對(duì)鋼鐵制造流程的特點(diǎn)，煉鋼+熱軋為包括：平整、拉矯、酸洗、酸軋、連退、鍍鋅等在內(nèi)的后工序提供原料，資源平衡過(guò)程要解決的重點(diǎn)問(wèn)題是為后工序分配煉鋼、熱軋資源生產(chǎn)資源的問(wèn)題。尤其是煉鋼資源的分配，為了滿(mǎn)足后工序的用料需求及自身作業(yè)的各類(lèi)工藝限制，決策過(guò)程中要考慮的平衡內(nèi)容繁多，使用算法完成一是規(guī)則極為復(fù)雜，可行的解空間龐大，無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)找到較優(yōu)解；二是求解目標(biāo)多，很難量化出每個(gè)目標(biāo)間的關(guān)系。因此，這部分工作由人工來(lái)完成決策，需要決策的內(nèi)容由系統(tǒng)通過(guò)啟發(fā)式算法先行計(jì)算完成，提供給計(jì)劃員進(jìn)行參考。問(wèn)題的具體解決步驟如下：

首先，從“縱”向看，鋼鐵生產(chǎn)需要經(jīng)過(guò)煉鋼、熱軋、酸洗、冷軋等后工序，從縱向上將其分為上游工序：“煉鋼、熱軋”，下游工序：平整、拉矯、酸洗、酸軋、連退、鍍鋅兩部分，從業(yè)務(wù)角度預(yù)先為下游工序分配好未來(lái)的上游工序原料配給能力。

然后，針對(duì)下游工序，從產(chǎn)品類(lèi)別角度對(duì)下游工序進(jìn)行橫向區(qū)分。針對(duì)規(guī)則相對(duì)簡(jiǎn)單的工序建立模型和算法進(jìn)行求解；對(duì)于規(guī)則復(fù)雜，優(yōu)化目標(biāo)眾多的工序，依舊采用人工排產(chǎn)模式。通過(guò)兩種方式，結(jié)合前一步的原料配給量，計(jì)算出詳細(xì)的品種原料需求量和需求時(shí)間，并推送給上游。

最后，上游工序接收到下游工序的品種原料需求后，需要按需對(duì)煉鋼熱軋資源進(jìn)行合理分配，這個(gè)決策過(guò)程由計(jì)劃員完成。

3 系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)

多工序資源平衡系統(tǒng)包括工廠(chǎng)日歷管理、產(chǎn)能任務(wù)管理、資源平衡管理、合同計(jì)劃測(cè)算、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理共5個(gè)模塊。

3.1 工廠(chǎng)日歷管理

工廠(chǎng)日歷對(duì)每一天工廠(chǎng)內(nèi)關(guān)鍵資源（設(shè)備機(jī)組）的可用能力進(jìn)行詳細(xì)描述，相應(yīng)的按照預(yù)定的檢修計(jì)劃及影響機(jī)組每天產(chǎn)能的時(shí)間在日歷中進(jìn)行明確標(biāo)識(shí)。

3.2 產(chǎn)能任務(wù)管理

通過(guò)產(chǎn)能任務(wù)管理，將訂單的生產(chǎn)任務(wù)按照下游工序涉及到的“流向-品種”進(jìn)行分類(lèi)，明確每個(gè)下游工序每個(gè)品種的總生產(chǎn)任務(wù)量，作為整個(gè)資源平衡的核心輸入。

3.3 資源平衡管理

資源平衡管理主要負(fù)責(zé)制定一定周期內(nèi)從煉鋼階段到軋制各工序的全流程產(chǎn)能分配方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)各機(jī)組瓶頸資源的充分利用，煉鋼資源的合理分配，并在一定程度上起到指導(dǎo)合同計(jì)劃的編制的作用。為了讓計(jì)劃員能夠直觀(guān)的了解每次決策結(jié)果對(duì)全廠(chǎng)所有工序的具體影響，本模塊完全在甘特圖上進(jìn)行圖形化操作。

資源平衡管理核心功能包括：

1）瓶頸工序集批排產(chǎn)

分流向按瓶頸機(jī)組分別將各自流向的生產(chǎn)任務(wù)，按照集批規(guī)則，對(duì)機(jī)組進(jìn)行集批排產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)瓶頸機(jī)組的資源初排。主要功能有：產(chǎn)能任務(wù)瀏覽、任務(wù)排產(chǎn)、任務(wù)調(diào)整等。

2）中間工序排產(chǎn)

在各流向初步排定瓶頸工序任務(wù)后，系統(tǒng)按照各任務(wù)可識(shí)別的工藝路徑、制造周期、機(jī)時(shí)產(chǎn)能、成材率等基礎(chǔ)信息，自動(dòng)向前推算出各工序每天預(yù)計(jì)投料量、產(chǎn)量以及庫(kù)存量，直到推算出各流向?qū)掍撡Y源的每天需求量。

3）煉鋼工序平衡

煉鋼工序?qū)Ω髁飨虻拿刻斓男枨筮M(jìn)行匯總后，系統(tǒng)結(jié)合由各流向任務(wù)可識(shí)別的所需的煉鋼瓶頸資源可用量，對(duì)煉鋼資源進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)于沖突的流向任務(wù)，由人進(jìn)行決策后，確定分配給各流向的最終資源。系統(tǒng)按照平衡后的煉鋼資源分配結(jié)果，正向推導(dǎo)各流向生產(chǎn)路徑上各機(jī)組的生產(chǎn)安排（原料量、產(chǎn)量、庫(kù)存量），直至瓶頸工序機(jī)組。

4）瓶頸工序調(diào)整

計(jì)劃員按照煉鋼最終分配的資源結(jié)果，對(duì)瓶頸工序計(jì)劃作出調(diào)整，以適應(yīng)煉鋼資源分配。

3.4 合同計(jì)劃測(cè)算

全流程的產(chǎn)能結(jié)果計(jì)算完成后，通過(guò)帶出品率再結(jié)合結(jié)轉(zhuǎn)合同、探頭合同測(cè)算出次月的合同計(jì)劃。

3.5 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理

管理資源平衡過(guò)程中所需的各類(lèi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括：

·機(jī)組基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如：日產(chǎn)量、成材率、帶出品率等；

·檢修主數(shù)據(jù)：定義工廠(chǎng)日歷中維護(hù)的各類(lèi)檢修；

·安全庫(kù)存主數(shù)據(jù)：定義核心庫(kù)存的安全庫(kù)存上下限；

·工序時(shí)間間隔主數(shù)據(jù)：定義物料在各工序間周轉(zhuǎn)的物流周期。

4 數(shù)學(xué)建模

4.1 模型描述：

本方案在工序集批排產(chǎn)模塊中針對(duì)酸洗流向業(yè)務(wù)規(guī)則相對(duì)穩(wěn)定且可量化的特點(diǎn)，對(duì)酸洗流向的產(chǎn)能及訂單需求進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模并求解。

求解目標(biāo)：酸洗流向各個(gè)機(jī)組的產(chǎn)能最大化；限定時(shí)間范圍內(nèi)的總產(chǎn)能任務(wù)偏差最小；每天生產(chǎn)的產(chǎn)品類(lèi)型切換次數(shù)最少；酸洗個(gè)原料庫(kù)存量總量保持穩(wěn)定。

決策變量：酸洗流向每天每道工序中每個(gè)機(jī)組的產(chǎn)能量。

約束條件：庫(kù)存平衡約束；機(jī)組間的供料關(guān)系；檢修計(jì)劃；酸洗滿(mǎn)產(chǎn)優(yōu)先級(jí)；帶有優(yōu)先級(jí)的工藝路徑產(chǎn)量。

求解算法：

根據(jù)問(wèn)題特征選擇設(shè)計(jì)超啟發(fā)式算法：

1）初始解啟發(fā)式：夠充分挖掘問(wèn)題本身的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，保證初始解的質(zhì)量，每個(gè)機(jī)組可生產(chǎn)的產(chǎn)能。

2）個(gè)體編碼：在多個(gè)約束條件構(gòu)成的可行域內(nèi)，進(jìn)行多次迭代，逐漸減少與每個(gè)機(jī)組最優(yōu)產(chǎn)能之間的間隙。

3）個(gè)體評(píng)價(jià)：總目標(biāo)函數(shù)值不再發(fā)生變化時(shí)，說(shuō)明通過(guò)算法計(jì)算得出的解已經(jīng)是最優(yōu)解。

4 實(shí)際應(yīng)用效果

鋼鐵多工序資源平衡系統(tǒng)已經(jīng)在某鋼廠(chǎng)的冷熱軋各類(lèi)產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行了應(yīng)用，覆蓋了從煉鋼、熱軋、冷軋、后加工各鋼后主要生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，可依據(jù)不同機(jī)組資源計(jì)劃編制的復(fù)雜度不同為機(jī)組單獨(dú)建立模型算法，并與整個(gè)平衡系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，在酸洗流向機(jī)組通過(guò)數(shù)學(xué)建模并求解獲取的結(jié)果在保證完成品種產(chǎn)能任務(wù)的基礎(chǔ)上，可以最大化各機(jī)組的產(chǎn)量，同時(shí)減少品種類(lèi)型以及生產(chǎn)與停機(jī)的切換。通過(guò)實(shí)踐應(yīng)用可以看出，使用工序資源平衡系統(tǒng)制定計(jì)劃，不僅編制計(jì)劃的時(shí)間得到了極大地縮短，更可以通過(guò)甘特圖快速的建立多版本計(jì)劃進(jìn)行對(duì)比，最終選擇相對(duì)較優(yōu)的方案。該系統(tǒng)的應(yīng)用有效提升了計(jì)劃員制定全廠(chǎng)資源計(jì)劃的效率及合理性。

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