应用于卷烟工厂生产排程的两阶段排程优化方法与系统

摘要

本发明公开了应用于卷烟工厂生产排程的两阶段排程优化方法与系统，属于生产排程技术领域。包括：初始化卷包阶段参数和制丝阶段参数；假设制丝阶段具有无限产能，求解卷包阶段生产排程模型，得到卷包阶段月作业计划；将得到的卷包阶段月作业计划输入至制丝阶段生产排程模型，逆推制丝阶段的生产排程，确定制丝阶段日作业计划。本发明对离散型卷包阶段建立数学模型，通过卷烟牌号与喂丝机对应关系约束、各牌号烟丝必须在对应的储丝柜中醇化规则表示制丝阶段与卷包阶段的衔接性，基于卷包月作业计划逆推制丝阶段排程，保证卷包车间按计划连续生产，二者结合求得最优的混合制造模式生产排程方案，效率高于卷烟企业目前常用的排产方法。

说明书

技术领域

本发明属于生产排程技术领域，更具体地，涉及应用于卷烟工厂生产排程的两阶段排程优化方法与系统。

背景技术

卷烟生产过程一般由流程型制丝工艺和离散型卷包生产组成，是一种典型的混合制造模式。烟草的加工过程与一般的产品加工过程不同，由于其特殊工艺的需求，生产过程存在着许多规则与约束条件。储丝柜作为衔接制丝阶段和卷包阶段的关键环节，存在必须在柜内烟丝完全清空后才可以进入下一批烟丝的约束。而生产过程中烟丝牌号与制丝线、喂丝机、卷包机组等均存在对应关系。烟草加工过程中会出现由于生产计划不合理导致制丝线等柜或者停产等问题。

郝雨2010年公开的论文“烟草企业生产排程模型的建立与优化”，其主要思想是将生产过程分为两个相对独立的环节：制丝和卷接。在构建和求解模型中，对制丝环节和卷接环节分别建立数学模型并进行求解。其中，卷接环节优化模型是根据上一层模型分配到本生产点的需求计划，对卷接环节进行排产，得出优化结果；制丝环节优化模型是根据卷接环节优化结果，对制丝环节进行优化，制定出各个班时中制丝线的生产计划。

然而，该方法存在以下不足：对制丝阶段和卷接阶段建立了类似的数学模型，未充分考虑实际生产中的各阶段之间的衔接性和复杂约束，从而导致卷包无法连续生产，制丝线停产，烟丝等柜或过期。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了应用于卷烟工厂生产排程的两阶段排程优化方法和系统，其目的在于解决制丝——卷包衔接不流畅、生产效率低下问题，应用于连续——离散混合模式的生产排程。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种应用于卷烟工厂生产排程的两阶段排程优化方法，该方法包括：

S1.初始化卷包阶段参数和制丝阶段参数；

S2.假设制丝阶段具有无限产能，在初始化的参数下，求解卷包阶段生产排程模型，得到卷包阶段月作业计划；

S3.将得到的卷包阶段月作业计划输入至制丝阶段生产排程模型，在初始化的参数下，逆推制丝阶段的生产排程，确定制丝阶段日作业计划；

所述卷包阶段生产排程模型包括：目标函数和约束条件，其目标函数为minF＝α*f

所述制丝阶段生产排程模型包括多条规则，以满足卷包阶段的月作业计划；

规则1：各卷烟牌号烟丝的生产量必须满足卷包阶段的月作业计划中当天烟丝需求；

规则2：各卷烟牌号烟丝必须在对应的储丝柜中醇化；

规则3：各卷烟牌号烟丝必须在对应的制丝线体上生产；

规则4：烟丝排程应尽可能实现产能平衡；

规则5：烟丝排程尽可能满足经济批量；

规则6：储丝柜中满足醇化时间的烟丝根据卷包阶段的月作业计划进行批次消耗。

优选地，步骤S1中，卷包阶段参数包括：各卷烟牌号月计划生产量、卷烟牌号与卷包机组对应关系矩阵、卷烟牌号与喂丝机对应关系矩阵、卷包机组每日班时、月工作天数；制丝阶段参数包括：卷烟牌号与制丝线体对应关系矩阵、卷烟牌号与储丝柜对应关系矩阵、储丝柜的容量及数量、制丝线每日班时。

优选地，步骤S2中，

卷包机组的换牌时间f

其中，h

喂丝机的喂丝时间f

其中，WF

卷烟牌号月计划生产量约束为每个卷烟牌号在所有卷包机组上生产的数量之和等于该卷烟牌号的月计划生产量，表示如下：

其中，D

卷烟牌号与卷包机组对应关系约束为每个卷烟牌号的卷烟只能在特定的卷包机组上生产，表示如下：

卷烟牌号与喂丝机对应关系约束为每台喂丝机只能给特定的卷包机组喂丝，表示如下：

其中，z

卷包机组加工时间约束包含：1)每台卷包机组上生产第一个卷烟牌号的开始时间为非负数，表示如下：

其中，S

卷包机组与喂丝机同开同停约束为由同一喂丝机喂丝的多台卷包机组在生产同一牌号的卷烟时，喂丝机和多台卷包机组同时开始同时结束，表示如下：

其中，

优选地，步骤S3中，采用启发式算法逆推制丝阶段的生产排程。

优选地，步骤S3包括以下步骤：

步骤Z1根据制丝阶段的工艺特征对制丝阶段生产排程模型进行参数定义，设定制丝排产开始时间，令day＝1；

步骤Z2搜索序列中的第一个需要排程的卷烟牌号i，即在日期day需要生产的批次数大于0的牌号，若日期day已经没有需要排程的牌号，转到步骤Z7；

步骤Z3对批次数向上取整数，计算并记录牌号i在日期day需生产的烟丝重量及对应的储丝柜数目，根据牌号i对应的储丝柜的可用数目，更新需生产批次数和烟丝重量，若更新后的需生产批次数为0，转到步骤Z2，搜索下一个需要排程的牌号；

步骤Z4选择牌号i对应的制丝线体类型xianti进行排程，如果牌号i是用于调节线体平衡的类型，转到步骤Z5；否则转到步骤Z6；

步骤Z5如果有线体在日期day的加工牌号数目为0，则在该线体生产；否则选择加工烟丝牌号i后，总加工时间最短的线体进行生产；

步骤Z6计算牌号i在线体xianti上的生产时间，在线体xianti的生产批次集合中记录烟丝的牌号i与生产批次数目，更新线体xianti在日期day的总加工时间和加工批次数目，转到步骤Z2；

步骤Z7搜索第一个柜内烟丝未进行批量生产判断的储丝柜k，确定储丝柜k对应的牌号chanpai及线体pai_xianti，应满足以下条件：(1)牌号chanpai已排程的批次数小于所需总批次数；(2)线体在日期day的生产时间小于日班时的80％；(3)储丝柜剩余容量大于牌号chanpai的烟丝批次重量，若所有储丝柜已筛选完毕，转到步骤Z9；

步骤Z8牌号chanpai在日期day多生产一个批次，更新储丝柜存储烟丝重量，更新线体当日批次顺序、批次数量、加工时间，更新该牌号已生产数量，转到步骤Z7；

步骤Z9按照卷包作业计划顺序消耗当日所需烟丝量，首先消耗最早完成醇化的烟丝，，更新储丝柜存储状态，日期day当日所有牌号消耗完成后，令day＝day+1，转到步骤Z2；若所有牌号的烟丝量已完成排程，转到步骤Z10；

步骤Z10制丝阶段生产排程完成，得到制丝日作业计划。

优选地，卷包阶段的月作业计划包括一个月的周期内卷包机组上不同卷烟牌号的生产顺序、天数和数量以及对应的喂丝机。

优选地，制丝日作业计划包括各个烟丝牌号每天的投料批次、投料顺序和对应的制丝线、储丝柜、喂丝机。

为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种应用于卷烟工厂生产排程的两阶段排程优化系统，计算机可读存储介质和处理器；

所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；

所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行第一方面所述的应用于卷烟工厂生产排程的两阶段排程优化方法。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明提出一种两阶段的生产排程优化方法，对离散型卷包阶段建立数学模型，并通过卷烟牌号与喂丝机对应关系约束、各牌号烟丝必须在对应的储丝柜中醇化规则表示制丝阶段与卷包阶段的衔接性，基于卷包月作业计划逆推制丝阶段排程，保证卷包车间按计划连续生产，二者结合求得最优的混合制造模式生产排程方案，效率高于卷烟企业目前常用的排产方法。

(2)本发明提出使用喂丝机的喂丝时间最小化和卷包机组的换牌时间最小化作为卷包阶段的目标，更为合理、更加具有实际应用价值。

(3)本发明在卷包阶段考虑了各种约束条件，生产计划绝对可行且不会超出实际产能；在制丝阶段基于卷包月作业计划采用逆推的方式进行排产时，考虑了储丝柜的容量限制以及烟丝所需的醇化时间，所以在实际生产时可以保证制丝线不会出现成品烟丝等柜进行醇化的情况，保证了卷烟生产过程中制丝——卷包阶段的连续性和流畅性；充分地考虑了烟草行业的工艺流程特点，使其更符合实际生产过程，从而有效减少换牌时间，保证卷烟生产的连续性和流畅性。由于考虑到了储丝柜约束，所以第一阶段的半成品具有很强的时效性。

附图说明

图1为本发明提供的一种应用于卷烟工厂生产排程的两阶段排程优化方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明针对卷烟工厂的混合生产模式设计一种两阶段的生产排程优化方法，其中将卷包阶段的工艺流程抽象为数学模型，以喂丝时间最小化和换牌时间最小化为目标函数进行求解；制丝阶段将制丝的工艺约束嵌入启发式算法中，基于卷包月作业计划逆推得到制丝批次计划。

具体而言，如图1所示，本发明提出的优化方法包括：

阶段1、建立卷烟工厂实际生产系统排产问题的卷包阶段生产排程模型。

步骤J1根据实际生产系统的生产运作与工艺流程特征建立卷包阶段生产排程模型。

在步骤J1中，卷包阶段的设备为成套的通用设备，包含卷接机、包装机，其中卷接机和包装机一一对应，作为卷包机组整体考虑。

卷包阶段生产运作与工艺流程如下：将成品烟丝和滤棒进行卷接，经过包装、封箱等工序后存入成品高架库等待发货。

所述卷包阶段的生产排程模型是根据卷包车间生产流程、资源能力、约束条件等实际生产情况形成的生产排程模型，且生产参数(例如设备生产能力，资源数量等)也是依据实际情况设置。

步骤J2根据卷包阶段的工艺特征对卷包阶段生产排程模型进行参数定义和数据初始化。

在步骤J2中，具体地，所述卷包阶段生产排程模型的参数包括：卷包机组每日班时T，月工作天数M，卷烟牌号i，喂丝机序号w，卷包机组序号j，牌号月计划产量D＝{D

步骤J3根据步骤J2的参数定义，构建目标函数：喂丝机的喂丝时间最小化和卷包机组的换牌时间最小化。

在步骤J3中，所述的目标函数表达式如下：minF＝α*f

步骤J4根据步骤J2的参数定义，针对生产实际中的规则构建约束条件，包括卷烟牌号的生产时间约束、卷烟牌号月总量约束、卷包机组同开同停约束等。

在步骤J4中，具体地，所述卷包阶段生产排程模型的约束条件如下：

a)卷包生产牌号约束：

b)月总量约束，每个卷烟牌号在所有卷包机组上生产的数量之和等于该牌号的月计划生产量：

c)每台卷包机组上生产第一个牌号的开始时间为非负数：

d)每台卷包机组上生产各牌号的结束时间不早于开始时间加上该牌号在卷包机组上以最快的生产速度完成生产所花的时间：

e)每台卷包机组上除生产第一个牌号外，下一个牌号的生产开始时间不早于上一个牌号的生产结束时间加上换牌时间：

S

f)每台卷包机组上最后一个牌号的生产结束时间应早于该卷包机组当月的总班时：

g)同开同停约束，由同一喂丝机喂丝的多台卷包机组在生产同一牌号的卷烟时，喂丝机和多台卷包机组同时开始同时结束：

h)牌号与卷包机组的对应关系约束，每个牌号的卷烟只能在特定的卷包机组上生产：

若牌号i不可由卷包机组j生产，则计划量P

ify

i)喂丝机与卷包机组的对应关系约束，每台喂丝机只能给特定的卷包机组喂丝：

步骤J5求解卷包阶段生产排程模型，得到卷包阶段的月作业计划。

在步骤J5中，卷包阶段的月作业计划包括一个月的周期内卷包机组上不同牌号卷烟的生产顺序、天数和数量以及对应的喂丝机。

阶段2、建立卷烟工厂实际生产系统排产问题的制丝阶段生产排程模型。

步骤Z1根据制丝阶段的工艺特征对制丝阶段生产排程模型进行参数定义和数据初始化，设定制丝排产开始时间(提前卷包月作业计划一天生产)，令day＝1；

制丝阶段具体生产运作与工艺流程包括：切片、加料润叶、切叶丝、掺配、加香等工段，生产成品烟丝并按照牌号存储在相应的储丝柜中进行醇化，然后通过喂丝机传送到卷包车间的卷接设备。

步骤Z1中，所述制丝阶段生产排程模型的参数包括卷烟牌号数量，每种牌号对应的制丝线和所需批次数，制丝线的换牌时间和每日班时，储丝柜的数量和容量，喂丝机数量以及与卷烟牌号的对应关系，卷包月作业计划。

步骤Z2搜索序列中的第一个需要排程的卷烟牌号i，即牌号i在日期day需要生产的批次数大于0。若日期day已经没有需要排程的牌号，转到步骤Z7；

步骤Z3对批次数向上取整数，计算并记录牌号i在日期day需生产的烟丝重量及对应的储丝柜数目。根据牌号i对应的储丝柜的可用数目，更新需生产批次数和需生产烟丝重量。若更新后的需生产批次数pici(i)为0，转到步骤Z2，搜索下一个需要排程的牌号；

步骤Z4选择牌号i对应的制丝线体类型xianti进行排程。如果牌号i是用于调节线体平衡的类型(可在多条线体生产)，转到步骤Z5；否则转到步骤Z6；

步骤Z5如果有线体在日期day的加工牌号数目为0，则在该线体生产；否则选择加工烟丝牌号i后，总加工时间最短的线体进行生产；

步骤Z6计算牌号i在线体xianti上的生产时间，在线体xianti的生产批次集合中记录烟丝的牌号i与生产批次数目。更新线体xianti在日期day的总加工时间和加工批次数目，转到步骤Z2；

步骤Z7搜索第一个柜内烟丝未进行批量生产判断的储丝柜k，确定储丝柜k对应的牌号chanpai及线体pai_xianti，应满足以下条件：(1)牌号chanpai已排程的批次数小于所需总批次数；(2)线体在日期day的生产时间小于日班时的80％；(3)储丝柜剩余容量大于牌号chanpai的烟丝批次重量。若所有储丝柜已筛选完毕，转到步骤Z9；

步骤Z8牌号chanpai在日期day多生产一个批次，更新储丝柜存储烟丝重量，更新线体当日批次顺序、批次数量、加工时间，更新该牌号已生产数量，转到步骤Z7；

步骤Z9按照卷包作业计划顺序消耗当日所需烟丝量，首先消耗最早完成醇化的烟丝，更新储丝柜存储状态。日期day当日所有牌号消耗完成后，令day＝day+1，转到步骤Z2；若所有牌号的烟丝量已完成排程，转到步骤Z10；

步骤Z10制丝阶段生产排程完成，得到制丝日作业计划。

制丝日作业计划包括各个烟丝牌号每天的投料批次、投料顺序和对应的制丝线、储丝柜、喂丝机。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。