基于約束理論和遺傳算法的輪胎胎面膠生產排程系統設計

關鍵詞：胎面膠；生產計劃；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展，胎面膠企業的許多生產環節逐漸向數字化、自動化方向發展，越來越多的企業采用生產排程系統來提高自身的生產效率。雖然目前大部分企業的胎面膠高級生產排程系統能夠部分實現庫存與產能的協調統一，但距庫存與產能高效率的協調統一還有很長的路要走，不少環節還存在排程不合理問題，從而導致生產滯后、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合的方式，構建胎面膠高級生產排程規則算法，并基于該算法設計了一套胎面膠高級生成排程系統。

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，是在最優技術的基礎上發展演變而來的。約束理論與最優技術最大的區別在于強調首先解決生產制造中的關鍵問題，打破局部最優的傳統想法，提倡從全局出發，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流程的瓶頸問題。使用約束理論可以解決企業生產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化生產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 個步驟來解決企業生產中存在的問題：

（1） 發現瓶頸問題。通過實際調研和分析生產數據來找尋痛點問題，從而發現制約整個生產流程的瓶頸工序。由于添加其他非瓶頸的生產流程并不會提高生產效率，所以發現瓶頸問題并制定應對措施是首要的。以胎面膠企業為例，可以通過原料、工序時長和排班數量來發現瓶頸問題。

（2） 解決瓶頸問題。發現瓶頸問題后并非直接將其拋棄。由于在嚴格的生產序列中，減少其中一個環節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節必然會產生另一個瓶頸問題，所以應當通過現有資源對出現瓶頸問題的環節進行優化，充分挖掘其改善空間，制定相應的改進措施。

（3） 提升系統產能。通過判斷是否為瓶頸環節可以將生產流程中的所有環節分為關鍵環節和非關鍵環節，其中出現瓶頸問題的環節即為關鍵環節。為改善整體的生產效率，在改善關鍵環節時需要其他非關鍵環節盡可能多的支持，使得關鍵環節在資源上得到相應傾斜，從而保證系統產能的有效提升。

1. 2 遺傳算法

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

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，越優秀的個體就越有可能成為父母，并通過交換信息來創造后代。

（2） 交叉操作是從現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，從而保證群內的個體不是一成不變的，可以持續不斷地進行進化。

（3） 變異操作是在單個染色體的某些位置之間交換最優解的值，即在實際找尋最優解的過程中對某些最優解的值進行替換，從而導致“ 基因突變”，這種替換結果是隨機不可控的。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序列。在找到最優解之前，這個過程會不斷地迭代重復。

1. 3 胎面膠生產排程算法

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計劃列表、物料號去重匯總、重置計劃量和均衡排產量。整個算法有以下3個環節：

第1 個環節通過約束理論來構建排產規則。首先，獲取成型工序4 個班次的排產計劃作為基礎數據；其次，根據獲取的成型排產計劃基礎數據進行迭代遍歷；最后，根據高分子吸水樹脂（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 個環節中，為防止重復計算，會對經約束規則過濾后的排產序列進行檢查，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 個環節則是使用遺傳算法在所有的排產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總量趨于平衡；最后，根據遺傳算法的迭代進化原理在眾多的膠料排產計劃序列中找尋最佳的生產順序，從而實現胎面膠的生產排程。

2 排程系統設計

2. 1 系統架構

企業生產效率要提高，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］。根據企業的實際需求及胎面膠生產的具體步驟，系統總體架構以算法引擎、插單調序、自動排程3 個部分進行構建，以幫助企業快速確認符合各種生產約束的條件來滿足計劃目標與策略，制定詳細生產作業計劃，縮短制造期、削減庫存和提高交貨期的遵守率，進而有效地實現客戶的利益增長。

2. 2 功能設計

根據算法的設計思路及系統的總體架構設計，系統功能包含以下內容：胎面排程管理功能、胎面膠生產原料管理功能、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，以便于進行數據管理、更新等維護。其中，胎面膠參數管理功能有利于計劃員根據實際情況設置排程算法的參數，從而使排程結果更準確。具體的功能設計結構如圖1 所示。

3 試驗與結果

將所設計的排程算法在某胎面膠企業進行實際應用，對上線后的大量運行數據進行分析對比，得出的相關結果見表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的排程耗時。

4 結語

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