（计算机应用技术专业论文）生产计划排程算法和策略的研究与运用.pdf

毕 北电力大学 日七 京) 硕士学位论文 摘要 日前多数钢铁企业中的生产计划系统普遍采用人工计划，信息化水平低，管理 方式落后，造成了宏观生产的失控和实时监控系统紊乱。 论文对目前存在的问题进行了详细的分析，结合企业资源计划及准时化生产的 管理思想，提出了一种新型的钢铁企业生产管理模式。文中采用基于约束的知识库 系统及遗传算法对钢铁企业生产的合同归并、轧钢计划、连铸计划、转炉计划进行 数学建模，算法设计和实现。对钢铁企业一体化生产计划进行了优化。 按照论文的思路和方法，开发的生产计划系统应用于钢铁企业，最终使企业在 按时交货、提高产品质量、降低成本方面获得了明显的经济效益。 关键词:生产计划， 企业资源计划，准时化生产，遗传算法 abs tract p r o d u c t i o n p l a n s y s t e m o f m o s t s t e a l e n t e r p r i s e s a d o p t s m a n u a l w o r k . i n f o r m a t i o n d o e s n o t c i r c u l a t e , m a n a g e m e t h o d g e t s b e h i n d . i t h a s r e s u l t e d i n l o s i n g c o n t r o l o f m a c r o s c o p i c a l p r o d u c t i o n a n d i n o r d i n a n c e o f r e a l t i m e m o n i t o r s y s t e m t h i s t h e s i s c o mb i n e s t h e m a n a g e m e n t i d e a o f e n t e r p r i s e r e s o u r c e p l a n n i n g a n d j u s t i n t i m e p r o d u c t i o n , b r i n g s f o r w a r d a n e w p r o d u c t i o n ma n a g e me n t m o d e o f s t e a l e n t e r p r i s e . t h e t h e s i s a d o p t s r e p o s i t o r y s y s t e m b a s e d o n r e s tr i c t t h e o r y a n d g e n e t i c a r i t h m e t i c , m o d e l s , a r i t h m e t i c d e s i g n a n d i m p l e m e n t f o r o r d e r m e r g e r , r o l l p l a n , c a s t p l a n , c o n v e r t e r p l a n o f s t e a l e n t e r p r i s e . i t o p t i m i z e s i n t e g r a t i v e p r o d u c t i o n p l a n o f s t e a l e n t e r p r i s e . t h e a p p l i c a t i o n o f p r o d u c t i o n p l a n s y s t e m o n s t e a l e n t e r p r i s e , a c c o r d i n g t o t h e i d e a a n d m e t h o d i n t h e s i s , h a s o b t a i n e d o b v i o u s e c o n o m i c b e n e f i t o n d e l i v e r y i n t i m e , r i s i n g p r o d u c t i o n q u a l i t y , r e d u c i n g c o s t z h a n g l e l e ( c o m p u t e r a p p l i c a t i o n t e c h n o l o g y ) d i r e c t e d b y p r o f . ma s u x i a k e y wo r d s : p r o d u c t i o n p l a n n i n g ， e n t e r p r i s e r e s o u r c e p l a n n i n g , j u s t i n t i m e , g e n e t i c a l g o r i t h m 第 1 页 华北电力大学 ( 北京)硕 十 学位论文 第一章 概述 1 . 1 论文研究的背景 对于国内的制造企业来讲，由于各种复杂的历史原因，当前国情的限制，生产 管理思想和实际的生产管理应用系统与国外相比还有相当的差距，很多企业虽然采 用了极其先进的设备，基础自动化 ( l ll 和过程 自动化 ( l 2 )非常完善。但与之相 配套的管理模式也还是许多年来一直沿用的老办法，大多时候还主要依靠人在生产 过程中进行生产计划的制定，然后通过纸张下达到生产车间。 同时钢铁厂需要建立一个合理衔接，匹配炼钢一一连铸一一轧钢三大工序的一 体化生产管理模式，生产计划编制系统。 1 . 2 本人所作的工作及论文的意义 本人采用企业资源计划以及准时化生产等先进计划与排产的理论，用基于约束 的线性规划，遗传算法和启发式算法等数学方法，建立了大量的适合钢铁行业的数 学模型，对企业的生产计划进行了优化及模拟技术。在计划与排产的过程中，将企 业内外的资源与能力约束都囊括在考虑范围之内，用复杂的智能化运算法则，做生 产计划的计算。 开发的系统对提高企业经济效益方面的潜能是巨大的，它能及时响应客户要 求，快速同步计划，提供精确的交货日期，减少在制品与成品库存，并发考虑供应 链的所有约束，自动识别潜在瓶颈，提高资源利用率，从而改善企业的管理水平。 第 1 页 华北电力大学 ( 北京 硕 l 学位论文 第二章 钢铁企业生产计划系统 2 . 1 钢铁厂生产情况介绍 济南钢铁股份有限公司新建年产量 1 2 5万吨第三炼钢厂己 经投产。 其包含 k r 铁水预处理、1 2 0 t 顶底复吹转炉 1 座、精炼炉 ( c a s / l f / l f + v d ) 、板坯连铸机一台。 济南钢铁股份有限公司中厚板厂年产量 1 2 0万吨，包含有步进加热炉 1 座，推钢加 热炉2 座，粗轧机 1 台，精轧机 1 台，以及矫直、冷床、剪切、质检、入库等一条 线中厚板生产设备。三炼钢f-与中厚板厂采用高祸合性直接热装板坯工艺 ( d 1 i c r ) . 因此要求实行一条作业线生产管理。该条作业线将逐步过度到以品种钢生产为主 ( 小批量/ 多品种) ，因此要求生产管理实现高水平的定单生产管理。 2 . ， . 1 工艺流程介绍 钢铁厂的工艺流程是 图 1钢铁厂工艺流程图 铁水预处理: 铁水从用铁水罐车从一炼铁运过来， 进入混铁炉，经过kr 铁水预处理后到转 炉。铁水预处理主要是脱硫，对一于 含硫量比较低和温度较低的铁水，不经过铁水预 处理而直接进转炉。 转炉: 转炉的作用主要是调整钢水的物理性能，化学性能，除控制碳的含量和降低杂 质含量外， 还要加入各种合金元素使其含量达到钢种规格范围。 济钢的转炉是 1 2 0 7 顶底复吹炼转炉，就是在顶吹的同时从底部吹入少量气体，以增强金属熔池和炉渣 的搅拌并控制熔池内气相中c 0 的分压,因而克服了顶吹氧流搅拌能力不足的弱点。 脱氧合金化: 钢水从转炉出来后，要进行脱氧合金化，目的主要是脱氧，进行合金微r,除 去5 i ，m n . 第2 页 华北电力大学 日匕 京)硕上学位论文 精炼: 然后到精炼。目前济钢把c a s 和精炼分开。精炼的目的是进行成分的微调，包 括脱硫，脱磷，脱氧，控制开浇温度。包括l f , v d . l f :采用氢气搅拌，在大气压 下用石墨电极埋弧加热。v d :真空系统。c a s是吹氢系统，进行搅拌，使得钢水温 度，成分均匀。 连铸; 连铸:连铸的过程就是把钢水通过中间包注入结晶器，迅速冷却成具有一定截 面的铸坯。 三炼钢的连铸是一机一流。开浇前先检验化学成分( 即钢种) ， 浇注温度， 这二者和铸坯断面决定了拉坯速度。其中化学成分还是最终判定钢种是否合格的依 据。然后切割，一次切割是三倍定尺，二次切割再切成所需长度。 加热炉: 加热炉将连铸切割后的钢坯重新进行加热，并送轧机进行轧制。 轧机: 轧机对送来的钢坯进行压制，实际上发生的物理过程是将钢坯的厚度变成长 度，形成钢板。 2 . 1 . 2目前生产计划制定情况 1 、年计划制定 与规划部门座谈了解下一年的新上项日、预期投产情况、达效情况，预期设备 能力的增加和影响生产的情况; 与装备部门座谈了解下一年的设备检修情况 ( 日期、时间) ，预期影响生产的 增加情况; 与销售部门座谈了解下一年的大体品种、规格结构情况、预期的销售情况; 与技术部门座谈了解下 一 年生产指标的改善情况以及对生产可能的影响 c 9月 中下旬) 。 根据以上的情况，一般每年9 月份开始制定下一年的年计划情况，由生产部计 划科有关负责人员制定。 2 、季计划制定 根据设备下一季检修情况、新上 项日投产情况、年计划安排情况、销售部门规 格品种情况，一般每季最后一个月的上旬开始编制，下旬下发。山生产部计划科科 长制定，有关负责人员提出建议。 3 ，月计 一 划制定 月生产计划一般每月 1 5日左右开始编制，下旬一 发。由销售部制定月预测计 划。然后销售部和生产部一起讨论调整，有关负责人提出建议，然后调整计划。具 第3页 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 体步骤如一 下: 根据设备检修情况、 新上项目投产情况、 年和季计划安排情况、 坯料资源情况、 总公司的有关安排预测各生产厂的基本产量情况、 资源情况 钢、 坯、 材销售情况) ， 并结合可销售的资源，销售部门 ( 销售、国贸公司)提出初步的规格、品种情况， 制定月预测计划，提交给生产部计划科。 1 8日左右生产部和销售部共同商定， 对月预测计划进行调整， 包括产品的规格、 品种、数量情况，还包括原料采购、用水用电等。 然后把调整的月预测计划提交给生产部领导讨论。把生产部通过的月生产计划 提交总公司领导审核， 通过则由生产部下发给各个部门 ( 烧结厂、 焦化厂、 炼铁厂、 炼钢厂、轧钢厂、原料处) ，各部门接收月计划。 2 . 1 . 3目前生产中存在的问题 .计划兑现率低，原因有以下几点: 管理上的原因:目前济钢是以月产量考核各分厂，各分厂具体执行计划时，追 求产量的最大化，导致计划外的产品增多，造成计划兑现率低; 品种、规格多:目 前中厚板生产产品的品种有1 8 0 多种，日生产计划中规格多 达 2 0种，其中普碳钢占6 0 - 7 0 % 以上。对普碳钢:一方面，轧制普碳厚板，对z艺 要求相对较低;另一方面，轧制普碳厚板机时作业率高，能大大提高日作业产量。 而对一些品种钢，尤其是带有合金的钢种:一方面，冶炼难度比较大;另一方而， 不好改判。因此分厂具体作业时，将生产部下达的品种钢延期执行，等到设备达到 一个良好的状态时进行轧制，这些客观因素造成计划兑现率低; 批量小:目前济钢是面向订单生产，而有些订单量非常小，7吨、8吨的都很 常见。生产部也要将这些小批量的订单编制程日生产计划下发给各分厂，分厂编制 班作业计划时，也要考虑到机时作业率，以增大产量和降低成本为指导思想，优先 安排大批量的钢种和规格进行轧制，而将小批量的钢中和规格顺延，以期与后面的 同钢种、规格合并生产。这些客观因素也造成了计划兑现率低。 设备、操作水平因素:目前中厚板设备很不稳定，经常出现故障，这些不可预 料的现场异常情况也造成计划兑现率低;此外，操作工操作水平的差异也直接影响 到机时作业率，和产品的质量，这些也影响到计划兑现率。 .信息交流不通畅 目前生产部计划员对各分厂 只下达三日计划，计划精度到天，包括轧制规格， 品种，数量，用料锭型，数量，备注。分厂接到生产部的三日计划后，编制班作业 第 0 页 华北电力大学 北京) 硕士学位论文 计划，具体执行。 一方面，生产中出现异常情a a如工艺故障、设备故障，当班调度员根据现 场 情 况 ， 对 作 业 计 划 临 时 作出 调 整， 而 信 息 术 能 及 时 反 馈 到 生 产 部 计 划 员， 影 响 到 生产部整个生产计划的调整，造成生产部对销售公司建议计划实现的障碍，生产对 布 肖 售的脱节; 另一方面，分厂拿到生产部的生产计划，自己根据设备状况，追求当班生产产 量i临时改变生产部的计划，对作业计划作出调整，而信息不能及时反馈到生产部 计划员， 生产部计划员不能实时滚动修改生产计划， 造成对销售公司计划的不兑现卜 影响到销售公司合同的交付。 .信息传递不太准确 目 前生产部计划员每天通过电话跟分厂计划员联系，了解计划执行情况。即便 这样，生产部计划员也很难完全准确掌握现场的情况和分厂作业计划调整情况，这 样对他作全线生产计划的调整造成一定的难度，影响到他实时的准确的调整计划， 而造成他对销售公司建议计划的全面兑现，导致销售公司的合同不能按时交付。 2 . 2 生产计划系统概述 什么是生产计划，生产计划就是企业为了生产出符合市场需要或顾客要求的产 品，所确定的在什么时候生产，在哪个车间生产以及如何生产的总体计划。企业的 生产计划是根据销售计划制定的，它又是企业制定物资供应计划、设备管理计划和 生产作业计划的主要依据。 生产计划工作m主要内容包括:调查和预测社会对产品的需求、核定企业的生 产能力、确定目标、制定策略、选择计划方法、正确制定生产计划、库存计划、生 产进度计划和计划工作程序、以及计划的实施与控制工作。制定生产计划指标，是 企业生产计划的重要内容之一。 企业生产计划的主要指标有: 产品品种、 产品质量、 产品产量和产值。 生产计划，是关于工业企业生产系统总体方面的计划。它所反映的并非某凡个 生产岗位或某一条生产线的生产活动，也并非产品生产的细节问题，以及 些具体 的机器设备、人力和其他生产资源的使用安排问题，而是工业企业在计划期应达到 的产品品种、质量、产量和产值等生产方面的指标、生产进度及相应的布置，它是 指导工业企业计划期生产活动的纲领性方案。 生产计划工作， 是指生产计划的具体编制工作。 它将通过一系列综合平衡工作， 完成生产计划的确定。我们设计生产计划系统，就是要通过不断提高生产计划工作 水平， 为工业企业生产系统的运行提供一个优化的生产计划。 所谓优化的l t.: 产计划， 第5 页 华北电力大学 北京)硕_ l 学位论文 必须具备以下三个特征: 第一、利于充分利用销售机会，满足市场需求; 第二、利于充分利用盈利机会，并实现生产成本最低化; 第三、有利于充分利用生产资源，最大限度地减少生产资源的浪费和限制。 2 . 3 钢铁企业生产计划系统结构特点 钢铁市场竞争日益激烈，产品生产呈现多品种小批量的趋势，同时要求产品质 优价廉、准时交货、并提供优质的售后服务。钢铁企业要在竞争中获胜，必须保证 在向敏捷化、连续化、自动化生产发展的同时，实行实时高效的生产管理策略。我 国钢铁工业虽已形成较为完整的生产体系， 但技术、 装备和管理水平仍然比较落后， 尤为突出的是由于缺乏生产计划造成宏观生产失控，以及调度系统不完善导致实时 监控紊乱等方面的问题 。利用先进的企业生产管理理念，提出的将 mr p i t ( m a t e r i e i r e q u i r e m e n t p l a n n i n g ) 与j i t ( j u s t i n t i me ) 相结合的生产管理模式， 实现了企业管理层与生产底层的集成，达到了物流、资金流和信息流统一的目的; 以先进的科学技术 ( 计算机技术、通信技术)为手段，构造出生产计划和调度整体 优化的钢铁企业管理信息系统，为钢铁企业提供了面向经营管理和生产制造一体化 的先进生产计划和动态实时调度信息系统平台。 2 . 2 . 1 钢铁企业 e r p / m e s / p c s递阶系统结构 钢铁企业从高层领导的宏观决策到岗位工人的具体操作，其基本组织方式可分 为:决策级、管理级、车间调度级、过程控制级、设备控制级，相应地可以同样对 其信息化应用进行划分。参照国际标准化组织 i s o 技术报告，钢铁企业自动化系 统分为。 6 级结构，如图2 所示。其中，i 一5 级为钢铁企业信息化建设的主 要内容。这5 个层次的信息化中l i -l 3 面向生产过程控制，强调的是信息的时 效性和准确性，l4-l5 面向业务管理，强调的是信息的关联性和可管理性。 递阶系统中的第4 , 5 级为企业资源计划 e r p ( e n t e r p r i s e r e s o u r c e s p l a n n i n g )层。e r p是一个集合企业内部的所有资源，进行有效的计划和控制，以 达到最大效益的集成系统。它是对企业内部的物料、劳力、设备全部资源的全面计 划，还对资源进行全面控制，同时，制造业务的需求来源于销售订单和预测，制造 业务的后端与资金流集成。简单的说就是将企业的3大流:物流，资金流，信息流 进行全面一 体化管理的管理信息系统。递阶系统中的第 3 级为现代制造执行系统 m e s ( m a n u f a c t u r i n g e x c u t i o n s y s t e m ) 。它是为解决生产计划的适应性以及增加 底层生产过程的信息流动，提高计划的实时性和灵活性而提出的。其定义为 “ 位于 上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理信息系统” . m e s 为 第 6页 华北电乡 大学 ( 北京)m i 七学位论文 操作人员/ 管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源的当前状态，能够改善 企业的运营资本的投资回报率，改善物料的流动性能，还能够通过双向的直接通信 在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行为的关键任务信息。m i ll s在计划管 理层与底层控制之间架起了一座桥梁，填补了两者之间的空隙。 企业环境 订货及市场需求 企业 长期生产经营规划规则 frp 企业短期生产计划及业务管理 管理自动化 生产控制车间在线作业管理 m es 生产机组的过程控制 p cs 生产设备控制 p l c . d c s 数控装置等 钢 板 生产工艺参数检测与控制 装置驱动传感器、变送器、执行器、 机器人等 企业生产 艺流程设各 钢铁企业自动化系统构成和分级图 级级级级级级黔 俐四到，一川象比 策荆第第.第第.图 第7 页 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 2 . 2 . 2 m r p日、j i t , m r p 1 i / j i t 模式分析 企业管理模式是一种系统化的指导与控制方法，它把企业中的人、财、物和信 息等资源，高质量、低成本、快速及时地变换成市场需要的各种商品和服务。 制造资源计划m r p i i ( m a t e r i e l r e q u i r e m e n t p l a n n i n g )是在 m r p基础上发 展起来的一种企业管理模式。其哲理是以市场需求为导向，以生产计划、调度为手 段，以物料需求计划为核心，以车间作业计划为基础，扩展到生产管理的全过程， 构成一个有反馈的闭环系统。它是一种计划主导型的 “ 推式”( p u s h )生产管理方 法，后续阶段或环节的活动基本 r 依计划由先行阶段或环节的活动结果来推动。 其生产指令的下达如图 3所示， 从中可以看出 m r p i i模式中物流与信息流 方向是相同的，计划生产数量与实际产量由于生产过程的干扰因素而导致不一致。 m r p i i以计划驱动的集中控制，对企业全局宏观计划的制定和按成组技术组织生 产是一种有效的方法，但由于各工序严格按照既定计划进行生产，即使前后相关工 序在实际生产过程中出现变化或异常，本工序仍按原计划生产，其结果造成工序间 产量不平衡，库存量大，对突发事件的反应能力差 。 图3 m r p i i 模式的生产指令的下达 准时制生产 j i t ( j u s t i n t i m e )是继泰勒管理和福特系统之后又一个革命 性的企业管理模式。其基本思想是只在需要的时刻按需要的数量生产需要的产品。 它的概念很简单，即在正确的时ra l i正确地点、干正确的事情，以期达到零库存、 无缺陷、低成本的理想管理模式。j i t是种现场控制主导型的 “ 拉式”( p u l l ) 生产管理方法，生产过程中前一工序的活动是按后续工序的现场需求来确定的。它 的生产指令的下达如图4 所示， 可以看出。 j i t 模式中物流与信息流方向正好相反， 而计划生产数量与实际产量一致。j i t不容许生产线中存在能力瓶颈，也不作详细 的能力计划，它用增加设备的方法来消除生产线上的不平衡，但由于加t时间的波 动，不平衡总会出现。而且山于市场交易成本的存在，“ 处处时时”也不现实。 第a 页 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 图4j 工 t 模式的生产指令的下达 正是由于 m r p i i和 j i t 都存在明显的不足和局限，8。 年代末以来人们一直 在探索如何取长补短，将二者有机结合起来。可以看出，m r ph 侧重于管理的计 划职能，而 j i t 则基本上是一种生产控制方法即管理的控制职能;m r p i i 在哲理上 强调集成，在手段中重视计划; j i t在哲理上强调改善， 在手段上重视控制; m r p i i 的弱点是车间执行的控制，而这正是 j i t的强处;m r p i i的强处是中长期全面的 计划，而这正是 j i t的弱点。 m r p i 工 / j 工 t 集成将充分发挥各自的优势， 把 m r p i i 的有效计划功能和 j i t的控制、执行功能有机地结合起来，形成一个较为科学、合 理、实用的生产管理模式。通常的做法是以 m r p i i作为企业的计划系统，以 j i t 作为计划的执行系统。在生产计划和物料需求方面主要采用 m r p 工 工 ，以其为主线进 行生产计划的制定和控制;而生产过程和车间执行控制则主要采用j i t 方式。将生 产管理过程分为两个阶段:计划阶段和执行阶段，其接口是物料需求计划 m r p . 2 . 3 m r p日 与 j i t 相结合的钢铁生产计划和实时调度管理模式 典型的钢铁生产属于半流程半离散型，也称为混合型。钢铁生产是将几十吨的 钢水一步步地转换成要求各异的用户合同，它的制造过程是一个分解过程，是化整 全 冈 水)为零 ( 客户合同) ，而它的计划过程则是化零为整，即进行组炉和组批。 目前国内钢铁企业大多是粗放型的生产管理模式，以追求产值为目标，整个经济处 于投入多、消耗高、效益低的状态。存在资金短缺、积压严重、质量波动、效率低 下等问题。因此企业必须由粗放型管理方式向集约化方式转变。将 m r p i i和 j i t 相结合的生产管理模式就是一个很好的解决方案。 钢铁行业的生产主要采用面向订单 ( ma k e f o r o r d e r )兼顾面向库存 ( ma k e f o r s t o c k )的方式。当订单饱和时，采用前种生产方式;当订单不饱和时，采用面 向库存的生产方式， 解决由于生产任务不足造成的设备闲置的问题。 面向订单生产， 第 ，页 华北电力 大学 ( 北京) 硕 了 学位论文 要求企业生产具有良好的柔性，具有快速组织协调生产资源，完成指定生产任务的 能力， 要实现上述要求就要采用mr p i i的有效计划功能:同时在保证生产正常进 行的条件下， 尽量压缩库存， 减少资金占用， 应采用j i t的控制、 执行功能。 将 mr p i i 和 j i t推拉机制相结合， t _ 游工序通过计划采用 mr p i i 的推式驱动，下游工序 通过订单采用j i t的拉式控制。上游工序的推式驱动保证了投入生产线的原料尽快 地加工以满足需求，从而保证了机器的合理利用;下游工序的拉式控制可以防止过 多的原料投入生产线，从而有利于减小在制品量、在制品库存和库存费用。 m r p i i 与 j i t相结合的生产管理模式将充分利用 mr p i i 对外部环境不确定性的应变能 力和系统性以及 j i t在现场管理方面的严密性，严格控制物流，并对资金流与管理 控制信息流加以分析和控制。 2 . 3 . 1 集成化递阶生产管理系统结构 以生产普通钢材为主的普钢行业产量大，品种少，因此生产计划的制定相对简 单，能够较为顺畅的组织大批量生产，并保证产品质量。而特钢企业则以生产特殊 钢材为主， 产品品种繁多， 订货批量又较小， 具有典型的多品种小批量的生产特点。 如何组织好生产解决这一矛盾，既保证产量又减少库存，既满足客户的不同要求又 保证企业的利益，最终达到按时交货、提高质量、降低成本的目标。本文针对钢铁 企业 ， erp 采用多层递阶先进生产计划和动态实时调度策略，构建面向企业上层管理 和下层执行 me s的集成化生产管理系统二 系统构成及功能 上层 erp 系统主要包括总厂生产计划管理、总厂库存管理，质量管理，成 本管理、基础数据管理子系统等;t . 层 mes 系统主要包括分厂生产作业计划管 理、分厂库存管理， 质量管理，设备管理及劳资人事管理子系统等。 具体功能如下: .erp 层 实现企业经营功能，协调生产、销售和物供等部门的信息交流。 根据已往订货企业的信用情况，对订单的优先级进行排序。 通过对企业主要生产设备能力进行平衡，按照 m r p i i理论制定主生产计 戈 i ，并下达采购计划。 制定总厂及分厂 泪 入库计划对生产进行实际指导 。 进行质量判定和统计分析，处理售后质量异议 。 对总厂级库存进行管理，对分厂级库存进行调配，进行产品储运的计划和 管理等。 为下层系统提供生产所需的基础数据 ( 如工艺文件、生产标准等) 根据生产情况做出各生产统计数据，为经营决策提供可靠依据。 第 1 0页 华北电力大学 ( 北京)硕 卜 学位论文 .m es 层 mes 层将 erp 层与过程控制层连接起来。 根据上层制定的分厂月入库计划，各分厂制定每日作业计划，以j i t的模式 具体指导生产。 对生产过程进行监控，及时地对意外事件做出反应，进行实时调度。 对物料进行实时跟踪，实现物料进出库、安全库存、多仓库的管理，库存状 况的查询及统计分。 为上层质量管理提供原始的质量记录数据，并进行分厂内的统计分析。 帮助企业对固定资产进行管理。 通过双向直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关生产行为的关 键任务信息。 2 . 3 . 2 生产计划与调度系统模型 系统将采取 3 层计划与 3 层调度的策略， 具体生产计划与调度系统模型如图 5 所示。 第 页 华北电力大学 ( 北京 )4 10 1 卜 学位论文 图 5 钢铁企业生产管理系统的生产计划与调度系统模型 3 层计划方案: 主生产计划 m p s ( m a s t e r p r o d u c t i o n s c h e d u l e )一一表明成品的出产时 间和数量，是一个高层次的总体计划。经过粗能力平衡并考虑库存情况后将接受的 订单放入订单库，其中也包括为保证设备满负荷运转而面向库存生产的虚拟订单。 在考虑任务生产提前期、约束条件、成品库存、工艺文件、制造标准等情况下， 制 定出主生产计划。 物料需求计划 m r p , 根据主生产计划，计算出零部件 ( 相当于钢铁行业的半 成品，钢锭、钢坯、钢材等)的开工日期和完工日期以及原材料的提供时间。本系 统中的月入库计划和分厂月入库计划即为物料需求计划。具体制定过程为主生产计 第 1 2页 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 划经过细能力平衡并考虑各分 一 库存，进行生产调度，形成满足主要设备类型能力 的月入库计划，再按分厂设备资源及工艺文件等分配到各分厂，形成分厂月入库计 划。 车i n 层控制 ( s h o p f l o o r a c t i v i t y c o n t r o l ) 在 mr p计算的开工和完工期内决定车间加工顺序，即车间层的日作业计划。 根据上层下达的月入库计划，进行分厂级的生产调度，把各工序按时间序列细分， 确定每项生产任务的完成时间、数量、顺序等信息，把每一项生产任务分配到具体 设备上来完成，制定分厂的每日作业计划。 主生产计划和物料需求计划为企业计划层，应用 mr p i i理论;车间日作业计 划为分厂计划层， 体现的是 j i t思想。 上层计划从全厂整体利益出发实现全局优化， 下层则以企业计划为依据 ，组织实际生产，实现生产过程的局部最优 。 3 层调度算法和策略: 首先在企业管理层进行静态调度，制定月入库计划;然后根据各分厂的当前状 态参数，制定每日生产作业计划;最后根据生产中的扰动，做出动态的实时调度。 第 1 3页 华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文 第三章 钢铁企业一体化计划算法和策略 钢铁企业通过冶、铸、轧三大环节的合理衔接匹配， 使生产成为一体化的、有 机的生产系统。但是由于冶、铸、轧各工序又有其各自的工艺约束， 再加上为了适 应市场需求， 采取按合同组织生产的经营策略， 使得科学地编制生产计划非常困难。 生产调度是指在满足操作准则的前提下， 在一定时间范围内分配可得到的资 源。调度受很多因素的影响， 比如: 工件优先级， 交货期要求， 机器能力， 批量大小限 制， 操作次序， 资源限制等。调度方法主要有制造资源计划( m r p) 、准时制生产方式 ( j i t ) 、运筹学方法、随机优化方法， 离散事件仿真和人工智能方法等。 在市场经济条件下， 对于冶铸轧一体化生产系统的计划问题， 由于用户多品种、 小批量的要求， 需要从输入的用户合同开始， 形成满足各工序的工艺约束以及使三 大工序相匹配的生产批量来组成生产计划。炼钢和连铸部分受到冶炼、炉外精炼和 浇铸周期以及连铸机更换结晶器周期的约束， 轧制部分受支撑辊更换周期和工作辊 更换周期中对成品的宽度、厚度、硬度、温度等方面跳跃差的限制， 这些工艺约束 以知识型信息为主。而一般优化方法都是适合处理数值型信息， 难以建立知识模型， 因此采用人工智能中的启发式搜索方法可以帮助解决冶铸轧一体化生产计划调度 问题。人工智能方法是把调度问题描述成确定和满足调度范围内大量软硬件的约束; 人工智能中的启发式搜索方法采用启发式规则来引导搜索， 为找到好的调度提供高 效的搜索程序; 而离散事件仿真主要用于评价编制出的生产计划， 在生产计划下达 之前， 通过仿真， 可以预测拟采取的生产步骤的可行性、决策规则的合理性， 可对多 个方案进行比较， 选择较优的方案。 因此， 综合采用人工智能中的启发式搜索方法和离散事件仿真方法， 是解决实际生 产调度问题的一条有效途径。人工智能用于调度的突出优点在于启发式搜索的引入， 使 本来计算复杂性很高的问题， 也能求得有效的解决。而离散事件仿真用于调度的优点在 于可对多个方案进行比较， 选择较优的方案。 3 . 1 启发式搜索方法 一体化生产计划的编制实质上是一体化生产过程的作业排序， 作业排序属于 n p 一组合最优化问题， 处理这类问题的方法是针对实际问题的约束条件和目 标要求采 用适当的启发式搜索算法。启发式搜索方法适合处理知识型信息， 并且有利于避免 组合爆炸， 因此适用于冶金计划编制问题。 启发式搜索方法的应用包括两个主要环节: 1知识表示;: 2搜索求解。为了减小 启发式搜索的搜索范围， 需要提前对合同进行分类。 第 直 a页 华北电力大学 ( 北京) 硕 十 学位论文 . 知识表示 知识表示可以用状态空间表示法来表示生产计划编制所涉及的知识。状态空间 表示法包含以下三方面的内容: q 。 表示某个初始状态; q g 表示某个目 标状态; a 表示把 q s 变换成q g 的有限的操作序列。 生产计划编制的对象是生产合同， 生产作业计划编制的初始状态是用矢量形式 表示的合同各属性， q s = i 宽度， 厚度， 硬度， 温度， 表面级， 交货日期 。 生产计划编制的目标 q g描述为: 对于一个计划单元， q g是当本月中没有可排入 此计划单元的生产合同， 或此计划单元已达到规定的最大长度时， 此生产计划的编 制终止。生产计划编制问题的算子序列描述为编制生产作业计划时选择适当合同排 入生产作业计划的过程。一个算子包括条件和动作两部分生产作业计划编制问题的 难点就在于由工艺规程所规定的实现每个算子的条件极其复杂， 难以兼顾。 .搜索求解 图 6 搜索树 第 1 5页 华北电力大学 川七 京) 硕士学位论文 为了择优搜索， 需要提出一个估计函数h ( n ) 作为择优标准。 确定、一 个结点( 即指 某个合同) 的 h ( n ) 的具体方法是依次考虑以下因素: 成品宽度， 属性跳跃优先级， 表 面级， 交货期， 缓冲系数( 铸轧节奏匹配) 。 局部择优搜索法在生产计划编制问题的应用中， 每个状态列出合同的宽度、厚 度、 硬度组、 表面级4 项属性。为简单起见， 设供选择的有5 个炉次: q l , q 2 , , q 3 ( 2 炉) ， q 4 o ( 1 )找出5 炉中宽度最大者q l ， 作为主体材部分的开始， 即结点 l ; ( 2 )结点 1 可展开3 个结点， 需要根据估计函数 i t ( n ) 在三者中作出选择; ( 3 ) q 2 , q 3 , q 4中宽度最大的是 q 2 ， 而宽度因素是启发信息中最首要的因素， 因此 q 2的h ( n ) 被赋予最大值， 选中q 2 作为与 q l 相邻的下一个合同; ( 4 ) 因为局部择优搜索法只考察直接子结点， 当前选中的是 q 2 , 因此下面只考察 结点3 ( q 2 ) 所展开的子结点。 ( 5 ) q 4与 q 2的厚度差太大， 违背了厚度跳跃规程， 而 q 3各属性符合工艺规程， 被选中排入计划。 ( 6 ) 乘 ij 下的炉次是q 3 , q 4 ( 现在的结点8 是q 3 的第2 炉) ， 由于主体材部分宽度不 能反跳， 因此结点7 ( q 4 ) 被删除， 而结点8 被选中排入计划。 ( 7 ) 结点8的子结点为结点9 ( q 4 ) ， 由于不符合工艺规程， 结点9 ( q 4 ) 被删除。 本例的作业计划单元全部编制完毕， 得到的计划单元中的炉次顺序依次为 q 1 , q 2 , q 3 , q 3 , 而0 4 未被排入此计划单元， 留待编制下一计划单元时被选用。 3 . 2离散事件仿真方法 从生产管理和调度的角度看， 冶铸轧一体化生产系统属于离散事件动态系统。 其中， 一炉铁水的开始冶炼和冶炼结束， 一炉钢水的开始浇铸和浇铸结束， 一块铸坯 的产生， 铸坯的开始加热和加热结束以及铸坯的开始轧制和轧制结束， 都可以看作 是离散事件， 而系统状态的变化是由这些离散事件驰动的。 离散事件仿真方法是通过定义系统中的离散事件及其之间的逻辑结构关系， 并 据此用某种程序语言在计算机上动态地描述各类事件的产生、发展、演变和消失过 程， 从而实现真实系统在计算机上的 “ 再现” 。生产计划仿真的流程图如图7 所示。 离散事件仿真的关键是离散事件的确定， 根据工艺流程和软件设计需要， 要安 排多个事件和事件子程序。 第 1 6 页 华北电力人学 ( 北京)硕_ t 学位论文 通过生产计划的仿真， 可检验不同启发式规则的作用， 可以在生产计划下达生产之 前， 对计划编制系统生成的生产计划进行评价， 对多个调度方案进行比较， 从中选择 较优的方案， 从而辅助生产调度。同时该仿真软件可以用来优化系统运行参数， 使连 铸与连轧之1f u l 更好地衔接匹配。 图 了 生产计划仿真的控制流程图 3 . 3 模拟退火算法 模拟退火算法是近年发展起来的全局最优化算法，其主要优点是:不用求 目标 函数的偏导数及解大型矩阵方程组，即能找到一个全局最优解，百且易于加人约柬 条件，编写程序简单。 模拟退火算法 ( s a , s i m u l a t e d a n n e a l i n g )是一种启发式的蒙特卡罗 ( m o n t e 第 1 7页 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 c u r i e )方法。这种算法是在给定的模型空间内搜索同标函数达到全局极小值的最 优模型， 它p-用于备种最优化问题汁算。 常规的模拟退火法即k i r k p a t r i c k 筹( 1 9 8 3 ) 提出的m e t r o p o l i s 算法 ( m e t r o p 。 一hs s o，包括以下 步骤: ( 1 ) 给定模型每一参数变化范围，在这个范目内随机选择一个初始模烈 m a , 并计算相应的目 标函数值 e( m n ) ( 2 ) 对当前模型。 。 进行拢动产生一个新模型m ， 计算相应的臼 标函数值e ( m ) , 得到 ae 二e ( m)一e ( m , ) 。 ( 3 )若a e q ，则新模型m 按概率 p = e x p( 一 ae / t ) ( i ) 进行接收，t为温度。当模型被接收时，置。 。=m , e( 二 。 )二e( m ) , ( 4 )在温度t下，重复一定次数的拢动和接收过程，q重复步骤 i 2 ) .( 3 ) 。 ( 5 )缓慢地降低温度t a ( 6 )重复步骤 ( 2 ) ,( 5 ) ，:红 至收敛条件满足为止。 以 上的算法实际上分两步交替进行计算:随机拢动产生新模型并计算目 标 oi l 数 ( 或称能量)的变化:决定新模型是否被接收。由 于算法是在高温条件开始 进行的，因此使e 憎大的模型可能被接收，因而能舍去局部极小值。遁过缓慢地降 低温度，算法能收敛到全局最优点。 3 . 4遗传算法介绍 遗传算法 ( g e n e t i c a l g o r i t h m ,缩写为g a )是一种有效的解决最优化问题的 方法。 它最先是 j o h n h o l l a n d 于1 9 7 5 年提出的 4 从x以后，它逐渐发展成为一种通 过模拟自 然进化过程解决最优化问题的计算模型。 最优化问题通常可归结为极大化问题，利用数字公式描述就写作: 其中f ( x )为目 标函数，5 为可行域，它们是由工程实际问题的具休条件决定 的。 利用遗传算法解最优化问题，首先应对可行域中的点进行编码 ( 一般采用二进 制编码)，然后在可行域中随机挑选一些编码组成作为进化起点的第一代编0 11 组， 并计算每个解的目 标函数值，也就是编码的适应度。接着就像自 然界中一样，利用 选择机制从编码组中随机挑选编码作为繁殖过程前的编码样本。选择机制应保证适 应度较高的解能够保留较多的样本;而适应度较低的解则保留较少的样本，甚溉被 淘汰。在接下去的繁殖过程中，遗传算法提供了交叉和变异a种算子对挑选后的样 本进行交换。交叉算子交换随机挑选的两个编码的某些位，变异算子则直接对一个 第 i s 页 华北电力大学 ( 北京)硕士 学位论文 编码中的随机挑选的某一位进行 反转。 这样通过选择和繁殖就产生了下一代编码组。 重复上述选择和繁殖过程， 直到结束条件得到满足为止。进化过程最后一代中的最优解就是用遗传算法解最优 化问题所得到的最终结果。 遗传算法的基本原理如图8 所示: 随机产生一个初始群体 在当前群体wt 中计算和存储每个单个体的。 的目 标优劣度u ( m ) 对在m ( t ) 中 的 每个 单个体m定义被繁殖和概率选取 方 案，使得单个体m繁殖后被选取的概率与它的优劣度 成正比 ( 即优的单个体复制多，劣的单个体复制少) 从繁殖群体中随机产生一个系列单个体，并根据遗传 算子进行基脚突变 实际上是随机将二单个体中一段 编码进行交换)产生新的群体。 图8遗传算法原理图 从以上介绍可以看出，g a 算法具有下述特点: g a 是对问题参数的编码组进行进货，而不是直接对参数本身。 g a 的搜索是从问题解的编码组f始搜索，而不是从单个解开始。 g a 使用目 标函数值 ( 适应度)这一信息进行搜索，而不需导数等其他信息。 g a 算法使用的选择、交叉、变异这三个算子都是随机操作，而不是确定规则。 实践表明，遗传算法解最优化问题的计算效率比较高、适用范围相当广。为了 解释这一现象，h o l l a n d 给出了图式定理。所谓图式，就是某些码位取相同值的编 码的集合。 图式定理说明在进化过程的各代中，属于适应度高、阶数低且长度短的图式的 第 1 9页 华北 l 力大学 ( 北京)硕1 _ 学位论文 编码数量将随代数以指数形式增长。另外，h o l l a n d 还发现遗传算法具有隐含 的并行计算特性。最近的研究则表明，上述遗传算法经适当改进后对任意优化问题 以概率1 收敛于全局最优解 将遗传算法用于解决各种实际问题后，人们发现遣传算法也会由于各种原因过 早向目标函数的局部最优解收敛，从而很难找到全局最优解。其中有些是由于目标 函数的特性造成的，例如函数具有欺骗性，不满足构造模块假说等等;另外一些则 是由于算法设计不当。 为此， 不断有人对遗传算法提出各种各样的改进方案。