卷煙廠制絲車間自動排產問題研究

王勁松，萬年彬，袁海霞，范明喜，王 軼，鄭 茜，李 杰

（1.襄陽卷煙廠，湖北 襄陽 441000；2.華中科技大學 管理學院，湖北 武漢 430074）

1 引言

隨著煙草行業競爭的加劇，卷煙廠的生產組織方式已由“生產推動型”轉變為“市場需求拉動型”，即按客戶訂單和銷售合同安排生產。在該背景下，卷煙廠提升生產與組織管理能力將成為其制勝法寶，其中更高要求的生產調度和生產作業管理無疑是關鍵一環。卷煙廠的生產主要包含卷包生產和制絲生產，其中卷包生產為離散型，制絲生產為流線型（或多階段型），其生產過程具有隨機性、不確定性、非線性等特性。因此，卷煙廠的排產調度問題在數學上具有高度耦合性[1]，這為其生產調度帶來了很多的困擾和不確定性。以某卷煙廠為例，現行生產調度計劃主要由生產調度員憑借經驗手工完成，這并不能滿足靈活多變的實際生產需要，容易造成排產的誤差或資源的浪費等情況[2]。因此，智能排產系統的引進對卷煙廠落實降本增效、夯實基礎管理、推進精益生產具有重要意義，尤其是制約卷包車間生產的制絲車間自動排產系統的研發意義更大。

現存的關于制絲車間自動排產的研發主要有但不限于如下幾種：一是對生產過程進行建模與計劃仿真。利用該仿真系統，調度員可從幾種待選方案中選出最優方案[3]；二是利用優化算法生成制絲生產方案，如分支定界法[4]、回溯算法[5]等。以上智能排產方案對制絲車間自動排產研究具有重要意義，然而過于理想化，卷煙廠實際排產中仍需大量的人工干預，并沒有達到預想目的。現行制絲車間自動排產系統無法直接應用于實際生產過程，究其原因主要是構建的制絲排產模型與實際生產脫節，缺少對不確定因素的考慮，并且模型中簡化了不少環節；或者自動排產中忽略了制絲車間生產過程具有大量非線性與非結構化的問題。

為推進制絲車間自動排產問題的研究，本文以卷煙廠制絲車間實際生產為背景，構建了基于規則的啟發式算法。在算法設計過程中，考慮了各類型儲柜、各牌號換牌時間、原料、班次等所有車間生產約束，并將其嵌入算法設計過程中，以倒序排產為主要思路，以車間生產日均衡和工段生產均衡為目標，構建了制絲車間自動排產算法。

2 問題描述

2.1 卷煙廠制絲車間工藝簡介

卷煙廠制絲車間是卷包車間的上游車間，一般的生產流程如圖1所示。絲線生產線自備料、片煙解包開始，共有三個工段，分別是松散回潮工段、葉片加料工段、葉絲處理工段。松散回潮工段指煙葉經解包后，經歷切片、回潮，至完全進入預混柜的過程；葉片加料工段指煙葉開始出預混柜，依次經過光譜除雜、加料潤葉等操作，直至完全進入貯葉柜的過程；葉絲處理工段指煙葉開始出貯葉柜，經過切絲、烘絲、加香等操作，直至完全進入儲絲柜的過程。

圖1 卷煙廠制絲車間生產流程

2.2 卷煙廠制絲車間排產問題分析

2.2.1 制絲車間排產特點描述。制絲車間絲線生產線和梗線生產線呈現明顯的階段性，且其生產過程還具有隨機性、復雜性、多約束性、多目標性等特點。

（1）隨機性：在制絲車間實際生產過程中，隨機因素和不確定因素是無法回避的，如：原料或香糖料供應不及時、機器故障、外發訂單調整等突發事件均有發生的可能。

（2）復雜性：制絲車間的生產過程呈現嚴重的復雜性，主要體現在如下幾方面：一是產品與原料的多樣性，且原料與產品并非嚴格的一對一關系；二是香糖料配置的多樣性；三是同一牌號煙葉（絲）在不同類型儲柜儲存時間不定，并且不同牌號煙葉（絲）在同類型儲柜儲存時間也不定；四是每批次煙葉（絲）加工完畢后，下一批次進入之前，需要進行清洗或清掃，該段時間稱換牌時間。各批次之間的換牌時間均不相同等。

（3）多約束性：在制絲生產過程中，會面臨多種約束，具體如下：①煙絲的供應同時滿足卷包車間生產需求和外發訂單需求；②本批次煙葉（絲）出柜時間受上一批次、下一批次和儲存時間的約束；③本批煙葉（絲）在柜中存放時間約束；④同一批只能存放在一個儲柜中，且一個儲柜同一時間只能存放同一批；⑤各種類型儲柜的容量和數量有限；⑥制絲車間的排產會受到班次時刻表、工作日歷、計劃停機時刻的約束；⑦換牌時間的約束；⑧原料、香糖料等資源約束。

（4）多目標性：制絲車間的排產根據不同的需求會有不同的排產目標，如生產時間最少、總的換牌時間最少、煙葉（絲）在儲柜中存放時間之和最小、生產均衡性更強等。

2.2.2 制絲車間排產需求分析。本文研究的制絲車間排產問題，可滿足卷包車間生產需求和外發訂單需求，制絲車間總的排產需求為：（1）考慮到制絲車間排產多目標性的特點，文中從員工管理的角度出發，定義制絲排產的目標如下：生產線三個工段每日的工作量均衡，以及生產線每日工作量均衡（規定每日進入儲絲柜煙絲的總量作為當日的工作量）。（2）根據卷包生產計劃和外發訂單計劃，可生成制絲車間可執行的基礎調度計劃。（3）每日生產工作完成后，記錄每日實際產出信息以及資源消耗量。（4）當出現突發情況，如設備故障、卷包車間出現重調度等情況時，能夠調整計劃。

3 排產算法

制絲自動排產的目標是通過算法規則設定，以及相應的輸入，得出制絲線上的工藝段排產計劃[6]。鑒于實際生產需求，制絲排產細化到工藝段，即排產結果給出每個工藝段開始生產時刻、生產完成時刻、在制品煙絲流動起止點及相應的批次信息。已有文獻中，多采取以卷包車間的日進度計劃驅動制絲排產，本文采用喂絲工單驅動。相比日進度計劃驅動，以喂絲工單驅動可以精確到具體生產時間和具體的喂絲機生產卷煙量，更加符合實際生產的要求。制絲排產算法調度周期為月度計劃，即可以一次性生成月度制絲計劃；滾動周期為一天，即每日進行滾動，以應對生產的不確定性。

3.1 排產思路

排產算法的設計以充分滿足實際生產需求為目的，滿足各種實際約束，同時進行優化。排產時采用逆向排程的思想，先進行葉絲處理的排產，其次進行葉片加料的排產，最后進行切片回潮的排產。

（1）將喂絲工單計劃轉化為自用煙絲需求計劃。

（2）將外發煙絲任務轉化為外發煙絲需求計劃。

（3）自用煙絲需求計劃和外發煙絲需求計劃去掉相應牌號煙絲的成品庫存（儲絲柜成品煙絲量），得到自用煙絲生產計劃和外發煙絲生產計劃。

（4）根據儲絲柜的當前狀態（是否有煙絲）及儲絲柜和喂絲機的對應關系，為自用煙絲生產計劃選擇合適的儲絲柜，得到自用煙絲進儲絲柜計劃。在此基礎上，進行外發煙絲生產計劃排產。選擇儲絲柜的原則為：一個柜組包含兩個柜子，同一柜組只能儲存一種煙絲；一個柜子只能儲存一批煙絲。

（5）根據貯葉柜、預混柜當前狀態，依次進行貯葉柜和預混柜的調度。

（6）將進、出各柜的結果合并成葉絲處理、葉片加料、切片回潮的排產。

3.2 排產步驟

（1）獲取當前排產所需的生產實時數據。

（2）喂絲工單時間升序排列，根據煙絲BOM將使用同種牌號煙絲的喂絲工單合并處理，得到自用煙絲需求計劃。煙絲需求時間減去該牌號煙絲存儲時間和進入儲絲柜所需時間，得到煙絲最晚開始進入儲絲柜時間。外發煙絲各牌號煙絲需求總量除以各牌號單位批次量（kg/批）得到各牌號外發煙絲生產批次量，生成外發煙絲需求計劃。煙絲需求計劃去掉已有的成品庫存得到煙絲生產計劃，按照最晚開始進儲絲柜時間升序排列。

（3）根據制絲車間工作時間設置臨界點時刻。臨界點用于判斷煙絲在前一天生產還是當天生產。當前需要生產的煙絲總批次除以生產天數，得到日均生產批次。每批煙絲最晚開始進儲絲柜時間如果為臨界點之前，則安排在前一天進儲絲柜；如果在臨界點之后，則該批煙絲進行判斷，若前一天生產煙絲批次少于日均生產批次，則安排在前一天生產，否則安排在當天生產。綜合生產線可用時間和換牌時間，得到該批煙絲計劃開始生產時間。儲柜是否可用根據可用時刻進行判斷，可用時刻為該儲柜騰空時刻，即儲存煙絲轉移到下一道工藝結束的時刻。根據儲絲柜和喂絲機對應關系，選定最早空閑的儲柜，更新該儲柜可用時刻。依次處理完所有自用煙絲進儲絲柜計劃。

（4）獲取自用煙絲每日計劃生產批次數。外發煙絲按照交貨日期升序排列，在當前外發煙絲的生產時間區間（當前到交貨日期），檢索自用煙絲生產批次數最少的日期，安排生產一批外發煙絲，更新此日煙絲生產總批次數。重復本步驟直到外發煙絲全部安排完成，得到總的煙絲進儲絲柜計劃。

（5）參照步驟（3）生成自用煙絲進儲絲柜計劃的方式，根據總的煙絲進儲絲柜計劃，依次生成煙絲進貯葉柜計劃、煙絲進預混柜計劃。

（6）排產結束，輸出煙絲進儲絲柜計劃、煙絲進貯葉柜計劃、煙絲進預混柜計劃，檢查是否可以滿足喂絲和發貨。

4 排產算法在某卷煙廠的應用

該卷煙廠隸屬湖北中煙工業有限責任公司，自2012年開始研制、生產細支煙產品，制絲車間有一條絲線生產線，承擔自用煙絲和外發煙絲的加工。近年來，該卷煙廠實施了MES與APS系統，并在APS系統中引用了本文所設計的制絲排產算法。

4.1 數據輸入

目前卷煙廠初步實施了MES 與APS 系統，制絲排產算法針對MES 系統設計了數據輸入接口，直接從MES的數據庫中獲取排產所需的基礎數據及生產數據。

4.1.1 喂絲工單輸入。在該卷煙廠，信息系統中已有直接可以指導生產的喂絲工單信息，故采取以喂絲工單作為輸入數據的方式。喂絲工單格式見表1。

表1 喂絲工單

4.1.2 煙絲需求計劃。煙絲需求由兩部分組成：自用煙絲和外發煙絲。自用煙絲指卷煙廠生產并用于喂絲工單包含自用煙絲和外來煙絲。根據自用煙絲BOM，提取出喂絲工單中的使用自用煙絲的工單，并將其轉換成自用煙絲需求。轉換方法是：根據煙絲BOM 將使用同種牌號煙絲的工單合并，得到自用煙絲需求計劃。煙絲需求時間減去該牌號煙絲存儲時間和進入儲絲柜所需時間，得到煙絲最晚開始進入儲絲柜時間。

外發煙絲指卷煙廠生產，然后運往別廠的煙絲，生產優先級低于自用煙絲。外發煙絲生產任務由煙絲牌號、需求總量（kg）、需求時間組成。需求總量除以單位批次量（kg/批）得到各牌號外發煙絲生產批次量。

煙絲需求計劃格式見表2。

表2 煙絲需求計劃

4.1.3 儲柜當前信息。從數據庫中獲取當前各儲柜中存儲煙絲的信息，以便根據當前煙絲柜存量計算出煙絲可以供應喂絲時長，以便提前生產下一批煙絲，防止喂絲待料。儲柜信息格式見表3，若為0，則表示儲柜已經騰空。

表3 儲柜當前信息

4.1.4 輔料需求計劃。根據煙絲需求計劃制定相應的梗絲、膨脹煙絲、香料、糖料計劃，指導實際的生產。由于實際生產中只有較少煙絲需要摻兌梗絲，故本文不額外考慮梗絲生產計劃，而將其作為生產準備環節進行考慮。

4.2 排產結果

排產結果包括切片回潮、葉片加料、葉絲處理等工藝段的計劃生產日期、煙絲牌號、重量（kg）、起始柜、結束柜、計劃開始時間、計劃結束時間。排產結果格式見表4。

表4 排產結果

4.3 對比分析

該卷煙廠實際制絲計劃依靠調度員憑總的生產計劃預排，其制絲計劃只包括煙絲牌號、批次、各個工藝段估計開始生產時間和結束時間，存在的問題有：

（1）沒有給出具體使用哪個儲柜，這就導致在實際生產時經常出現儲柜仍被占用，不得不跳過該批煙絲的生產。

（2）沒有考慮不同煙絲間的換牌時間，部分低檔次煙絲換牌高檔次煙絲時，需要一定時間完成清潔，如果不考慮換牌時間，就會導致隨著時間推移，實際生產時間延誤越來越嚴重，導致煙絲不能及時生產完成，出現加班現象。

（3）制絲計劃只根據總的生產計劃預排，而非根據喂絲計劃進行排產，會導致部分喂絲工單不能滿足，或者多生產一批煙絲的情況。

本文提出的制絲排產方案，可以生成完全滿足喂絲計劃，同時兼顧每日生產量的均衡。與手工預排相比，提高了排產精確度和穩定性，避免人主觀意識導致的變動，可以為實際生產提供更好的指導。

5 結束語

本文對卷煙行業制絲車間生產作業的自動排產進行研究，對排產過程中的約束及排產需求進行分析，在此基礎上提出本文自動排產的思路及實施步驟，為今后進一步對自動排產進行研究提供了堅實基礎。