關鍵詞：胎面膠；生產(chǎn)計劃；排程算法；約束理論；遺傳算法

0 前言

充氣橡膠輪胎是汽車不可或缺的部件，因此汽車市場對充氣橡膠輪胎的需求始終存在［1］。隨著信息技術的不斷發(fā)展，胎面膠企業(yè)的許多生產(chǎn)環(huán)節(jié)逐漸向數(shù)字化、自動化方向發(fā)展，越來越多的企業(yè)采用生產(chǎn)排程系統(tǒng)來提高自身的生產(chǎn)效率。雖然目前大部分企業(yè)的胎面膠高級生產(chǎn)排程系統(tǒng)能夠部分實現(xiàn)庫存與產(chǎn)能的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，但距庫存與產(chǎn)能高效率的協(xié)調(diào)統(tǒng)一還有很長的路要走，不少環(huán)節(jié)還存在排程不合理問題，從而導致生產(chǎn)滯后、資源浪費。針對上述問題，本文使用約束理論和遺傳算法相結(jié)合的方式，構(gòu)建胎面膠高級生產(chǎn)排程規(guī)則算法，并基于該算法設計了一套胎面膠高級生成排程系統(tǒng)。

1 算法設計

1. 1 約束理論

1984 年，GOLDRATT［2］提出了約束理論。約束理論作為一種管理方法，是在最優(yōu)技術的基礎上發(fā)展演變而來的。約束理論與最優(yōu)技術最大的區(qū)別在于強調(diào)首先解決生產(chǎn)制造中的關鍵問題，打破局部最優(yōu)的傳統(tǒng)想法，提倡從全局出發(fā)，將影響因素一一列舉，并從中篩選出最主要的影響因素，再對主要因素進行改善，從而找到并解決制約生產(chǎn)流程的瓶頸問題。使用約束理論可以解決企業(yè)生產(chǎn)制造所遇到的瓶頸問題，以提高制造操作性能。實踐證明，約束理論可以通過優(yōu)化生產(chǎn)流程來有效提升整體資源的利用效率［3］。約束理論通常通過以下3 個步驟來解決企業(yè)生產(chǎn)中存在的問題：

（1） 發(fā)現(xiàn)瓶頸問題。通過實際調(diào)研和分析生產(chǎn)數(shù)據(jù)來找尋痛點問題，從而發(fā)現(xiàn)制約整個生產(chǎn)流程的瓶頸工序。由于添加其他非瓶頸的生產(chǎn)流程并不會提高生產(chǎn)效率，所以發(fā)現(xiàn)瓶頸問題并制定應對措施是首要的。以胎面膠企業(yè)為例，可以通過原料、工序時長和排班數(shù)量來發(fā)現(xiàn)瓶頸問題。

（2） 解決瓶頸問題。發(fā)現(xiàn)瓶頸問題后并非直接將其拋棄。由于在嚴格的生產(chǎn)序列中，減少其中一個環(huán)節(jié)并不能解決根本問題，而且為解決瓶頸問題而拋棄一個關鍵環(huán)節(jié)必然會產(chǎn)生另一個瓶頸問題，所以應當通過現(xiàn)有資源對出現(xiàn)瓶頸問題的環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，充分挖掘其改善空間，制定相應的改進措施。

（3） 提升系統(tǒng)產(chǎn)能。通過判斷是否為瓶頸環(huán)節(jié)可以將生產(chǎn)流程中的所有環(huán)節(jié)分為關鍵環(huán)節(jié)和非關鍵環(huán)節(jié)，其中出現(xiàn)瓶頸問題的環(huán)節(jié)即為關鍵環(huán)節(jié)。為改善整體的生產(chǎn)效率，在改善關鍵環(huán)節(jié)時需要其他非關鍵環(huán)節(jié)盡可能多的支持，使得關鍵環(huán)節(jié)在資源上得到相應傾斜，從而保證系統(tǒng)產(chǎn)能的有效提升。

1. 2 遺傳算法

在20 世紀60 年代，密歇根大學的HOLLAND教授根據(jù)自然界繁殖、雜交和突變現(xiàn)象提出一種具有優(yōu)越性能的搜索算法，即遺傳算法［3］。遺傳算法是優(yōu)化分析的重要工具，其具有2 個優(yōu)勢：① 遺傳算法不需要分析可能存在的所有生產(chǎn)序列，只需要分析現(xiàn)有序列，即可獲得提高整體效率的較優(yōu)解，遺傳算法雖然不能保證每次都能找到最優(yōu)解，但是所找到的解都足夠接近最優(yōu)解，因此在實踐中不會產(chǎn)生顯著差異；② 使用遺傳算法不需要提前定義最佳生產(chǎn)序列的規(guī)則，由于這些規(guī)則無法用嚴格的數(shù)學形式或者代碼來表達，而遺傳算法的本質(zhì)就是價值成本計算函數(shù)，不需要規(guī)則輸入，因此能夠直接計算出符合最高性價比的生產(chǎn)序列。

遺傳算法通常運用類似于生物有機體染色體中的編碼機制來解決問題。每個染色體編碼代表一個解決方案，初始會生成一個隨機解決方案池，然后通過選擇、交叉和變異3 個基本操作來實現(xiàn)智能搜索。具體操作如下：

（1） 選擇操作的組織類似于生物過程，越優(yōu)秀的個體就越有可能成為父母，并通過交換信息來創(chuàng)造后代。

（2） 交叉操作是從現(xiàn)有個體中生成一個新的個體。通過這種方式將不同個體染色體的編碼信息組合成一個新的個體，從而保證群內(nèi)的個體不是一成不變的，可以持續(xù)不斷地進行進化。

（3） 變異操作是在單個染色體的某些位置之間交換最優(yōu)解的值，即在實際找尋最優(yōu)解的過程中對某些最優(yōu)解的值進行替換，從而導致“ 基因突變”，這種替換結(jié)果是隨機不可控的。通過變異操作可以提高種群的多樣性，從而獲取最佳的生產(chǎn)序列。在找到最優(yōu)解之前，這個過程會不斷地迭代重復。

1. 3 胎面膠生產(chǎn)排程算法

為解決胎面膠排工不合理的問題，本文提出了一種胎面膠排程算法。整個算法分為4 個流程，分別為初始化胎面膠排產(chǎn)計劃列表、物料號去重匯總、重置計劃量和均衡排產(chǎn)量。整個算法有以下3個環(huán)節(jié)：

第1 個環(huán)節(jié)通過約束理論來構(gòu)建排產(chǎn)規(guī)則。首先，獲取成型工序4 個班次的排產(chǎn)計劃作為基礎數(shù)據(jù)；其次，根據(jù)獲取的成型排產(chǎn)計劃基礎數(shù)據(jù)進行迭代遍歷；最后，根據(jù)高分子吸水樹脂（SAP）品號和施工信息解析成型計劃，生成胎面膠計劃列表。

第2 個環(huán)節(jié)中，為防止重復計算，會對經(jīng)約束規(guī)則過濾后的排產(chǎn)序列進行檢查，并且對計劃量進行平衡。首先，找出胎面膠物料編號相同的記錄，進行去重，然后重新計算計劃量，每個班次計劃量的計算公式為：（成型一班計劃量+成型二班計劃量）×單耗。

第3 個環(huán)節(jié)則是使用遺傳算法在所有的排產(chǎn)計劃序列中找出最佳的排程順序。首先，對記錄去重后的中班和夜班總量進行計算匯總；其次，對中班和夜班中庫存供應時長超過12 h 的進行拆分替換，使得中班與夜班的排產(chǎn)總量趨于平衡；最后，根據(jù)遺傳算法的迭代進化原理在眾多的膠料排產(chǎn)計劃序列中找尋最佳的生產(chǎn)順序，從而實現(xiàn)胎面膠的生產(chǎn)排程。

2 排程系統(tǒng)設計

2. 1 系統(tǒng)架構(gòu)

企業(yè)生產(chǎn)效率要提高，關鍵在于降成本、降廢品率，提高設備利用率，減少設備空閑時間［4］。根據(jù)企業(yè)的實際需求及胎面膠生產(chǎn)的具體步驟，系統(tǒng)總體架構(gòu)以算法引擎、插單調(diào)序、自動排程3 個部分進行構(gòu)建，以幫助企業(yè)快速確認符合各種生產(chǎn)約束的條件來滿足計劃目標與策略，制定詳細生產(chǎn)作業(yè)計劃，縮短制造期、削減庫存和提高交貨期的遵守率，進而有效地實現(xiàn)客戶的利益增長。

2. 2 功能設計

根據(jù)算法的設計思路及系統(tǒng)的總體架構(gòu)設計，系統(tǒng)功能包含以下內(nèi)容：胎面排程管理功能、胎面膠生產(chǎn)原料管理功能、胎面機臺管理功能、胎面膠損耗率管理功能、胎面膠參數(shù)設置功能和胎面膠日志管理功能。每個管理功能模塊均包含增加、刪除、修改和查詢等功能，以便于進行數(shù)據(jù)管理、更新等維護。其中，胎面膠參數(shù)管理功能有利于計劃員根據(jù)實際情況設置排程算法的參數(shù)，從而使排程結(jié)果更準確。具體的功能設計結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

3 試驗與結(jié)果

將所設計的排程算法在某胎面膠企業(yè)進行實際應用，對上線后的大量運行數(shù)據(jù)進行分析對比，得出的相關結(jié)果見表1。由表1 可以看出，采用所設計的算法可有效減少胎面膠生產(chǎn)的排程耗時。

4 結(jié)語

本文采用約束理論法解決輪胎生產(chǎn)企業(yè)多工序、多約束，工藝復雜的問題，同時結(jié)合遺傳算法解決大規(guī)模計算問題的全局搜索方法，從大量的排程結(jié)果可行解中得到一個排程計劃最優(yōu)解。基于約束理論和遺傳算法所設計的胎面膠高級生產(chǎn)排程系統(tǒng)可以有效減少胎面膠生產(chǎn)排程耗時，對胎面膠高級生產(chǎn)排程的建設有促進作用。