钢铁企业生产计划

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1、摘 要介绍了钢铁企业 CIMS下生产计划的研究内容 ,讨论了钢铁企业生产计划的研究进展 ,对生产计划中战术计划的研究理论和方法作了详细的说明 ,指出了生产计划进一步的研究方向。最后提出了一种结合运筹学、 人工智能、 人机交互和多智能体技术于一体的生产计划编制方法。 0 引言 生产计划在指导企业日常生产活动中起着十分重要的作用,其制定的好坏直接关系到企业的资源能否得到合理的利用 ,从而影响到企业的生产、 经营和管理效率。近年来 ,生产计划问题越来越受到企业界和学术界的关注。在企业界 ,随着产品和技术更新的速度大大加快 ,产品的生命周期和技术设备的使用寿命大为缩短 ,顾客对产品和服务的期望(低成本

2、、 高质量、 周到的服务)越来越高 ,众多企业先后引进了复杂的、 资金密集型的制造系统 ,如计算机集成制造系统 CIMS(C omputerIntegrated Manufacturing System) 、 柔性制造系统 FMS( Flexible Manufacturing System) 、 制造资源计划MRP2II(Manufacturing Res ources Planning)等 ,这为生产计划注入了新本论文由无忧论文网 aaa51lunwenaaa整理提供的内容 ,使得生产计划的研究范围超出了传统的生产管理范畴。在学术界 ,国内外学者和研究开发机构综合运用生产管理、 运筹学、

3、工业工程、 控制理论、 人工智能、 计算机科学、系统仿真等理论 ,在编制生产计划的理论方法及其应用软件系统等方面已取得了大量的研究成果 ,并在很多企业得到了实际应用 ,取得了明显成效。 然而 ,由于企业自身环境的不同 ,没有一个通用的生产计划软件可供使用 ,即使是同类型企业 ,也会因其需求不同而不同。Saygin1 指出现有的FMS生产计划软件存在以下缺点: (1)软件不能适应环境的动态变化; (2)模型简单 ,往往没有考虑那些有重要影响的约束 ,没有真实反映问题; (3)目标函数过于单一; ( 4) 很难同原计划系统集成 。 Ammons2 认为生产计划模型只是对现实环境的理想化表示,具有两

4、面性:一方面 ,简单的模型易于掌握 ,但不能准确地反映问题;另一方面 ,复杂的模型更接近实际 ,但不便用户理解。CIMS的生产计划软件研究亦然。因此 ,从本质上讲 ,一个有效的生产计划软件系统 ,应该协调这两方面的矛盾 ,保证计算机除了提供对模型的求解算法外 ,还应该提供有效的决策支持 ,便于用户决策。 1 钢铁企业生产特点 根据企业生产工艺的特点,CIMS大概可分为离散型、 连续型、 半连续型制造业 CIMS。钢铁企业的生产过程具有连续和离散的性质 ,它既有别于石油、 化工的连续生产过程 ,也有别于机械行业的离散制造过程 ,属于半连续型制造业 CIMS ,具有以下几个主要特点3 :生产过程是

5、分段连续、 带有间歇性的 ,因此 ,以往的生产计划研究往往是基于各个分厂单独进行编制;产品市场需求是多品种、 小批量的 ,而钢铁企业组织生产要求批量大;生产过程是多阶段的 ,其工艺路线基本是单一固定的 ,前后工序的物流要协调一致 ,时间节奏要匹配;生产主要集中在几台关键设备上 ,如炼钢、连铸、 热轧等 ,设备布置固定不变;生产计划的方法受工艺条件、 产品形状的制约很大。生产的连续性要求生产计划和调度是具有实时性的在线计划;生产的间歇性要求进行合理的库存管理 ,制定合理的本论文由无忧论文网 aaa51lunwenaaa整理提供批量。钢铁企业缺乏一个系统的计划方法 ,为了减少生产计划管理的复杂性

6、,生产计划管理通常表现为递阶体系的结构。陆大雄提出了我国钢铁工业 CIMS分级分层体系结构模型的建议4 ,分为 2层:管理层和控制层;6 级:部级生产管理级、 全厂生产经营管理级、 区域生产管理级、 过程控制级、设备控制级和检测驱动级。其中 ,前 3 级属于管理层 ,后 3 级属于控制层。生产计划位于管理层 ,按作用时间可分为:战略计划、 短期计划、 细计划和在线计划。短期计划和细计划也可统称为战术计划。战略计划由部级生产管理级制定 ,反映企业长期发展的经营目标和经营方针 ,结构化程度很低。短期计划由全厂生产经营管理级制定 ,反映了企业在计划年度内生产发展的具体方向和水平 ,规定了企业的产品大

7、类 ,按季度和年度统计应完成的产品品种、 数量、 交货期、 质量、 销售收入和利润 ,并使它们与战略计划的目标相符。为使短期计划切实可行 ,在编制过程中要同时编制粗能力计划。细计划则是对短期计划的展开和细化 ,从时间上看 ,指的是月和旬计划;从功能上看 ,是指对各分厂关键设备生产的产品品种、 数量、 交货期、 质量、 销售收入和利润等编制计划。在线计划为区域生产管理级的作业调度 ,反映车间本论文由无忧论文网 aaa51lunwenaaa整理提供的工艺加工顺序和时间。由于战略计划的结构化程度太低 ,而在线计划的研究已比较成熟 ,因此 ,本文主要针对战术计划进行研究。 2 生产计划主要研究内容及现

8、状 一般而言,生产计划的决策过程如图1所示。一般而言,生产计划的决策过程如图1所示。 开发者通过对生产计划理论的分析 ,结合现场调研 ,建立各种问题的数学模型;选择合适的算法对模型进行仿真实验 ,给出预定方案;将各种性能指标以可视化图表的形式表现出来 ,供用户比较其优劣并进行决策。如果用户不满意当前模型和方案 ,可重新调整目标和算法等。由此可见 ,生产计划研究的首要问题是 ,如何建立一个全面的、健壮的、 通用性强的数学模型 ,以尽可能适应外界环境的变化。其次 ,许多生产计划的求本论文由无忧论文网aaa51lunwenaaa整理提供解问题都能表示成离散最优化问题 ,这些本论文由无忧论文网 aaa

9、51lunwenaaa整理提供问题尤其是 NP(Non2P olynomial) - 完全问题本身所固有的计算复杂性 ,求其精确解的计算往往随问题规模的增大呈指数型增长 ,因此 ,精确算法只能求解小规模问题 ,而枚举法效率太低 ,可能达不到最优解。对于求解NP - 完全问题 ,许多研究者考虑了智能搜索方法。从最早的产生式系统 STRIPS5 的基于图搜索、 回溯控制进行计划求解 ,到集成了计划和机器学习的 PRODIGY系统6 ,在这几十年的研究中 ,AI(Artificial Intelligence) 计划形成了 3 大模块:经典计划、 层次任务网计划 HTN (Hierarchical

10、Task Net2work)问题和决策计划 ,其求解技术包括前向状态空间搜索法、 图搜索法、 MDP技术(Markov DecisionProcesses) 、 模拟退火、 禁忌搜索、 遗传算法等7 。 如何选择合适的算法求解模型 ? 如何设计有效的决策支持系统体系结构 ? 文献 8 指出了生产计划的研究主要涉及以下4方面知识:运筹学 ,研究计划的优化模型及求解;人工智能方法 ,包含如专家系统和智能搜索等方法;人机交互方法 ,研究如何利用计划员与计划系统合作编制计划;A2terms方法(多 Agent 方法) ,用于解决多级钢铁生产计划和调度 ,主要研究多个分布式智能体如何协作以满足复杂的工艺

11、约束、 获得满意解。钢铁生产计划研究的主要内容包括:钢铁分厂单独编制生产计划、 钢铁分厂集成编制生产计划以及不同环境下生产计划的研究等。 2.1 钢铁分厂单独编制生产计划 由于钢铁生产过程是分段连续、 带有间歇性的 ,因此 ,传统的钢铁企业生产计划研究往往是基于各个分厂单独进行编制 ,特别是对于那些关键工艺单独编制生产计划的研究较多。如关于连铸问题 ,T ong建立了一个混合整数规划模型 ,并利用启发式遗传算法本论文由无忧论文网 aaa51lunwenaaa整理提供进行求解9 。关于轧制问题 ,文献10 基于模拟退火技术和启发式算法建立了一种批量计划问题的数学模型。文献 3 通过对生产批量计划

12、的系统研究 ,基于 TSP理论 ,提出了适用于各类轧钢厂如板带生产、 钢管生产和型钢生产通用的结构模型 ,并用遗传算法求出了模型的近优解。Fukaya 设计了专家系统 ,并在无缝钢管热轧工艺生产计划中得到了应用11 。 2.2 钢铁分厂集成编制生产计划 随着计算机科学的发展和炼钢工艺水平的提高 ,炼钢、 连铸、 热轧的一体化管理是钢铁工业发展的必然趋势。Takahashi 运用三阶段法阐述了一个炼钢 - 连铸计划问题12 ,文献3 基于批量计划理论、 遗传算法等对炼钢 - 连铸问题进行了大量的研究。文献13 对炼钢 - 热轧生产计划编制问题进行了研究 ,并采用模糊专家系统和运筹学模型相结合的混

13、合算法 ,成功地处理了批量间的匹配问题。由于分厂集成的复杂性 ,大量学者将专家系统、 人机交互技术、 A2terms技术引入到生产计划中。在专家系统方面 ,Stohl 等建立了一个基于协作技术和专家系统的混杂模型 ,用于求解炼钢- 连铸调度问题14 ,Sato 首先利用专家系统对整个钢铁生产计划进行研究15 。在人机交互方面 ,上海宝钢实施了生产经营综合计划决策支持系统 ,该系统结合可视化技术和优化模型 ,实现了在线生产计划和离线生产计划 ,实践表明了其准确性、 灵活性和实时性16 。Zhang等提出了一种灵活的计划与动态集成方法 ,能够灵活地实现模型的连接与集成17 。为了提高模型求解的效率

14、 ,在 A2terms方面 ,Talukdar 首先提出了 A2terms 的结构模型 ,认为多Agent 程序协同工作 ,其效果比单Agent更佳18 。Lee 应用 A2terms 到LTV 公司的簇顺序问题 ,在这个系统中 ,包含有评估 Agent、 构造 A2gent、 改进 Agent 和析构 Agent19 。Carstensen 提出了利用 CSCW(C omputer Supported C ooperative Work)解决了 FMS中单机编制生产计划的不足20 。Shen等提出了一种基于合同网的竞标机制和基于协调结构的协作机制的多 Agent 调度和重本论文由无忧论文网

15、aaa51lunwenaaa整理提供调度方法21 。 2.3 不同环境下生产计划编制 也有许多学者针对不同环境下生产计划编制进行研究。G ardner等针对新工艺的实施等不确定因素 ,提出了将风险考虑到计划中 ,建立了一个结合生产工艺和不确定树的多周期随机规划模型 ,并设计了一个软件系统STEE LP LAN22 。文献23 认为设备闲置和加班、 超产和欠产的惩罚系数是不同的 ,并以此为基础 ,建立了线性约束非线性目标函数的生产计划模型。整理提出了一种按工艺过程分解和时间分解同车间组织结构有机结合在一起的新方法 ,并利用基于 K armarkar 算法的关联预测方法求得近优解。文献 24 描述

16、了分布式多工厂单件制造企业交货期下的提前/拖期生产计划 ,以实现最小化提前/拖期惩罚费用、 生产成本以及产品运输费用之和为目标 ,建立了021 规划数学模型 ,并利用分枝定界法得到了生产计划方案。文献25 认为传统的生产计划模型(线性成本模型和经验模型)难以调整 ,具有很大的主观性 ,提出了含信息反馈的生产计划优化模型 ,其反馈信息以约束形式引入模型中。综上所述 ,钢铁企业 CIMS下生产计划的研究内容主要包括(此处主要是指战术计划) :钢铁企业短本论文由无忧论文网aaa51lunwenaaa整理提供 om/论文由无忧论文网 aaa51lunwenaaa整理提供期计划模型及其算法;钢铁企业细计划模型及其算法;随机环境下生产计划的调整策略;决策支持系统中模型