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浙江工业大学硕士学位论文 化工企业生产计划优化模型研究与应用 摘要 现代企业竞争不仅靠先进的生产工艺和生产设备，还要靠先进的管理技术。生产计 划是化工企业c i m s 的核心部分，是其生产管理的重要内容，也是最为薄弱的环节。采 用合理的生产计划方案可以有效地降低生产成本、均衡资源利用率、提高生产效率，为 企业带来很好的经济效益。生产计划优化问题的研究一直受到运筹学、管理学、计算机 应用等学科的专家和企业管理者的关注，无论是理论研究，还是应用系统的开发都受到 学术界、企业界的关注。因此对化工行业生产计划问题的深入研究，有重要的理论意义 和工程应用价值。 本文系统阐述了微粒群算法及其在化工行业生产计划中的应用，研究了化工行业中 的多种计划模型，并在单层计划模型的基础上研究了两层的计划模型，并将微粒群算法 用于各种模型的求解。具体研究内容如下： 1 研究了化工行业中广泛存在的一类多级多产品多约束混合生产过程计划问题。针 对该问题建立了以产品利润最大化为目标，包含资源、生产工艺和能力等约束的基本计 划模型，并在该模型的基础上建立了考虑节能减排因素的混合生产过程计划模型和多目 标混合生产过程的计划模型。 2 针对多级多产品多约束混合生产过程计划问题存在的复杂约束条件，分析了智能 优化方法中的多种智能约束优化技术，提出了一种基于比例和动态上下限编码的微粒群 算法来处理该计划问题中的多种约束条件。 3 研究了化工行业带资源约束的单级多产品多周期连续生产两层计划问题，建立了 考虑库存费用非线性的混合整数非线性规划模型，并将其分解为适合微粒群算法编码的 两层模型。针对批量计划方法求解该问题易产生非法解的不足，提出了一种调节各时段 资源分配的修正策略，并探求了递阶方法求解两层计划模型有较好效果的原因。 4 在上述理论工作的基础上，结合化工企业实际生产情况，设计并开发了化工企业 浙江工业大学硕士学位论文 智能生产计划系统。 最后，对全文研究工作进行了总结，展望了化工企业生产计划模型和算法研究的前 景。 关键词：生产计划，集成化计划模型，比例和动态上下限编码，微粒群算法 浙江工业大学硕士学位论文 c h e m i c a lp r o d u c t i o np la n n i n gm o d e l r e s e a r c ha n di t sa p p l i c a t i o n a b s t r a c t a d v a l l c e dm 鲫【a g e r i a lt e c h i l i q u e sa r ei m p o r t 砌t om o d e me n t e r p r i s e sb e s i d e sp r o d u c t i o n t e c h i l i q u e sa n de q u i p i n e n t s p r o d u c t i o np l a i l 血gi sak e yt 0c h e m i c a lc i m s ag o o dp l a i l i 血g s c h e i l l em a k e sb e n e f i t st or e d u c et 王l ec o s t sa i l di n v e n t o r i e s ，r a i s e s 1 ep r o d l l c t i o ne f f i c i e n c y a n d 谊o r d e rt or e m a i l lc o m p e t i t i v ei nt l l eg l o b a jm 觚k e t p l a c e i ti sm e a n i n g 如la i l dv a l u 曲l ei n a c a d e m i cr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n st 0 毗s t u d yo nt l l ec l l e 血c a lp l 锄血n gp r o b l e m s ht h i sp a p e r ，i tm t i o d l l c e st 1 1 e 廿1 e o 巧o fp a r t i c l es 、砌o p t 抽1 豳t i o na l g o r i 皿m l di t s a p p l i c a r t i o n si 1 1 吐1 ec h e m i c a lp r o d u c t i o np l 狐m m g 。a n di tm a i l l l ys t u d i e st h ec h e 戚c a lp la i ：m i n g m o d e l sb a s e do nt 1 1 eo b j e c t i v et om a x i m i z en l et o t a jp r o f i t ，m 血i i l l i z et l l ee n e r g yc o n s u i 】叩t i o n a n dm u l t i o b j e c t i v e a ni n t e 伊a t e dp l a m d n gm o d e lf o rc o n t m u o u s 删- p r o d l l c tp l 觚t s 也a t c o n s i s to fas i n g l ep r o c e s s i n gu 血i sa l s o 咖d i e d 7 n l em a i nw o r k so ft h ep a p e ra sf o l l o 砒g ： 1 am u l t i s t a g e ，m u l t i p r o d u c t ，m u l t i c o n s 缸a j n t ，a n dm i 】( e dc o n t 妣u 怕a t c hp l 觚t s p l 跚血n gp r o b l e mi ss t u m e d ，a n d 也ep r o b l e mi sf o m m l a t e da sam a t l e l n a t i c0 p 向i l i z a t i o n m o d e lb a s e do nt h eo b j e c t i v et om a x i m i z e 廿1 et o t a lp r o f i t 嘶mc o n s 饥l i n t si n v o l v e dr e s o u r c e s ， 、o r km a n u f 犯t i 鹏p r o c e s s e sa n dp r o d u 而o nc a p a c 毋e t i c b a s e do nt 1 1 ea b o v en 1 0 d e l ，a m i l l i m i z i i 培e 玳i r 足：yc o n s u i n p t i o nm o d e la n d am m t i o b j e c t i v em o d e la r es t u d i e d 2 d u et 0t h ec o i n p l e xn l n l r eo fp l a n i l i i 培p r o b l e m si nr e m - w o r l da p p l i c a t i o l l s ， c o n 蛐缸n t - h a l l d l i n gt e c l l n i q u e si i le v 0 1 u t i o n 町o p t i m i z a t i o na l g o r i m m sa r eg t u d i e d 锄dap s o a l g o r i t l l m 谢mp e r c e n t - c o d i n ga n dd y n a n l i c - b o u n d sc o d i n gs c h e m ei sp r o p o s e dt 0s o l v e c o n 舶e do p t 砌z a t i o np r o b l e m s 3 t h ei n t e 黜dp l 砌n gp r o b l e mf o rc o n t i m l o u sm 幽- p r o d u c tp l a n t st h a tc o n s i s to fa s i n g l ep r o c e s s i l l g 吼i ti ss t u d i e d 1 1 1 ep r o b l e mi sf o 珊u l a t e d 懿am i ) 【e d - 缸e g e rn 0 i l l i n e a r p r o g r a 瑚m i n go p t i m i z a t i o nm o d e lt 1 1 a ti sb a s e do n ah y b r i dt i m er e p r e s e n t a t i o n t h em i n l p i i i 浙江工业大学硕士学位论文 m o d e li s d e c o m p o s e di i l 幻a nu p p e rl e v e lp r o b l e m a i l dal o w e r1 e v e lp r o b l e m a d e c o m p o s i t i o nm e t l l o db a s e do np s oa 1 9 0 r i t h mi sp r o p o s e df o rt h ep r o b l e m f 证甜l y ，也e r e a s o no fb e t t e rp e r f o m a n c eo f d e c o i n p o s i t i o nm e t h o db a s e do np s o i se x p l a i n e d 4 b a s e do nt h ea c a d e i i l i cr e s e a r c ha b o v e ，a i l dc o m b i n a t i o nb e t w e e nc h e i l l i c a lp r a c t i c e a n di n t e u i g e n c ea l g o r i m m s ，ac h e l n i c a lp l 枷n ga i l ds c h e d u l i n gs y s t e mi sd e v e l o p e d i ( e y w o r d s ： p r o ( h l c t i o np l a 】= 1 n i n g ，i n t e g r a t e dp r o d u c t i o np l a n 血gm o d e l ， p r o p o r t i o n c o d i n g a i l d d y n a m i c - b o u n d sc o d i n gs c h e m e ， p a r t i c l e s w a i m o p t i m i z a t i o n a l g o r i t l l m 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明 的法律责任。 作者签名： 箨砻勉 日期：d 2 年，2 月必日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文，将本人的学位论文委托研究生院向中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社的中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学 位论文全文数据库投稿，希望中国博士学位论文全文数据库、中国 优秀硕士学位论文全文数据库给予出版，并同意在中国博硕士学位论 文评价数据库和c n k i 系列数据库中使用，同意按章程规定享受相关权 j l 厶 盆。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密涮。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 胯懿拴 导师签名：a 7 沙 日期：秒铲年，2 月刃日 日期：p g 年月幻日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论帚一早 三百了匕 化工行业是我国的支柱产业，包括化肥、农药、氯碱、无机盐、有机原料、橡胶加 工、化工新材料等。据2 0 0 7 年中国统计年鉴，2 0 0 6 年化工行业生产总产值达2 4 万亿 元，实现利润总额1 2 0 8 2 2 亿元，分别占当年国内生产总值的7 5 和工业利润总额的 6 2 【l 】，是拉动国民经济发展的重要动力之一。目前我国化工行业普遍存在能耗大、污 染重、生产工艺落后、自动化水平低、管理水平低、综合竞争力弱等状况，在国际竞争 中面临着严峻的考验。因此，国内化工企业把注意力转移到加强企业管理、降低生产成 本、降低能耗，提高经济效益上来。 现代集成制造系统( c o n t e n l p o r a 巧i n t e 伊a t e dm a n l 而c n l n gs y s t e m s ，c i m s ) 是实现 我国企业信息化工程的最有效选择。c s 将信息技术、现代管理技术和制造技术结合， 并应用于企业产品全生命周期的各个阶段，通过信息集成、过程优化及资源优化，实现 物流、信息流、价值流的集成和优化运行，达到人、经营和技术三要素的集成，加强企 业新产品开发的时间、质量、成本、服务、环境，从而提高企业的市场应变能力和竞争 能力【2 】。从1 9 8 7 年开始实施至今，c i m s 已经在我国机械、电子、化工等各行业的多家 企业中得到应用，并取得了明显的经济效益和社会效益。 生产计划是化工企业c i m s 的核心部分，在c i m s 体系结构中，生产计划作为企业 生产与物料运作的总调度，统一指导企业的生产运作，直接涉及和影响企业的销售、采 购、财务等经营活动。生产计划是化工企业生产管理中的重要内容，也是最为薄弱的环 节。采用合理的生产计划方案可以有效地降低生产成本、均衡资源利用率、提高生产效 率，为企业带来很大的经济效益。虽然国内外学者对化工行业生产计划进行了大量的研 究，但是目前的研究仍没有建立十分成熟的模型和理论，在企业实际应用中也存在应用 软件中的模型过于简单没有考虑实际生产中的重要约束、目标函数单一、无法在不同行 业甚至相同行业的不同企业应用等缺点。生产计划优化问题的研究一直受到运筹学、管 浙江工业大学硕士学位论文 理学、数学、计算机应用等学科的专家和企业管理者的重视，无论是理论研究，还是应 用系统的开发都受到学术界、企业界的关注。因此对化工行业生产计划问题的深入研究， 有较高的理论意义和工程应用价值。 1 2 生产计划问题的研究现状 早期的生产计划工作主要由人工记录制定完成，依赖于个人经验。1 9 5 5 年，随着 h o l t 等人【3 】首次提出综合生产计划问题的研究模型并采用线性决策规则求解，人们逐渐 开始寻找各种优化生产计划的科学方法，出现了经济订货法( e c o n o i l l i co r d e rq u a i l t i t y ， e q q ) ，线性规划等；6 0 年代中期，产生了基于无限约束的物料需求计划( m a t 嘶a l r - e q u h m e n tp l a n 玎i n g ，m r p ) 、准时制生产的看板系统( j u s ti i ln m e ，j i t ) 、约束理论 ( n e o r yo fc o i l s 拉a i n t s ，i o c ) 、以及在1 o c 的基础上发展的最优生产技术( o p t i m a l p r o d u c t i o nt e c h n o l o g ) ，o p t ) ；此后，人们就一直探求更好的制造组织和管理模式，产 生了m r p 与财务系统结合的制造资源计划系统( m a n l 】臼c t i j r i n gr e s o u r c ep 1 卸血n g ， m r p i i ) ，以及囊括财务、生产、人力资源、供应商、分销等的企业资源计划系统( e 咖r i r e s o u r c ep l a l l i l i l l g ，e i 冲) 。在研究方法上，由最初的整数规划、系统仿真和简单的规则， 发展到模糊逻辑、遗传算法、模拟退火、神经网络、禁忌搜索、微粒群、蚁群、量子进 化、差分进化、多智能体等智能求解方法，并取得了许多研究成果。 1 2 1 生产计划问题的描述与组成要素 企业生产计划系统通常由长期计划、中期计划、短期计划三个层次组成。长期计划 属于战略性计划，存在众多不确定性因素，因此目前学术界研究的主要方向是中短期计 划，包括综合生产计划、主生产计划和生产作业计划。 综合生产计划根据企业内部生产能力和外部市场需求预测，在较长的计划期内，确 定生产、库存和劳动力水平，达到成本最小或利润最大。主生产计划是综合生产计划的 细分，在企业生产中起着承上启下的作用，主要任务是安排计划期内产品的生产数量和 生产时间，将综合生产计划转化为详细的可操作的产品出产进度计划。生产作业计划具 体落实主生产计划的安排，主要任务是在更短的时间内，安排生产活动，规定产品数量、 加工顺序、进度，以及与此有关的物料需求与供应、设备和人员的配备等，满足市场需 2 浙江工业大学硕士学位论文 求。 生产计划问题涉及企业的生产、销售、采购等活动，影响的因素很多。目前学者考 虑的因素主要有以下几个方面： 表1 1 生产计划问题组成要素 组成要素属性 计划期单时段多时段 生产方式批量，间歇式，连续间歇式与连续混合 生产工序 单极( s i n 酉e 1 e v e l ) 多级( m u l t i 1 e v e l ) 生产设备 多产品( m u l 6 - p r o d u c t ) 多用途( m u l t i p u 叩o s e ) 中间存储容量，有限存储策略无限存储策略等 资源人力，原料，预算等 产品种类单产品多产品，产品独立产品相关，产品腐似不腐化等 设备调整调整费用、调整时间、调整是否与次序相关等 仓库存储能力、存储费用 市场产品需求种类、需求量、价格、交货期、缺货费用等 优化目标 最大化利润、最大化耋棠蓑萎晶? 奎棠茬鋈裂墓粪；最大化客户满意度、 1 2 2 生产计划问题的模型综述 1 不同要素的生产计划问题 生产计划问题涉及到很多要素，根据学者的研究重点和企业实际情况的不同，考虑 不同的要素、要素的不同情况或者多种要素的组合，可以有各种不同的生产计划问题。 ( 1 ) 考虑能力因素的计划问题 根据能力因素的不同，有无能力约束的生产计划问题、能力约束的生产计划问题和 可变能力的生产计划问题。对于可变能力的生产计划问题，考虑在较长计划期内，设备 生产能力不是固定不变的。可以通过以下策略调节生产能力：聘用或解聘劳动力；加班 或减少工作时间；购买设备或关停部分设备；外协或转包。文献 4 】建立了一个考虑正常 班次、加班生产、外协加工三种不同生产能力以及不同生产成本情况下的生产计划模型。 3 浙江工业= 学硕士学位论文 文献1 5 】考虑企业具有一定能力的加班，以最小化库存成本与加班惩跖费用为优化目标， 建立生产批量计划模型，并采月 基丁遗传算法、参数线性规划方法和启发式方法的分数 混合算法求解。 ( 2 ) 分布式多工厂生产计划问题 随着企l k 规模的不断壮大，形成了制造工厂和销售点分布多个不同地点的大型企业， 立图1 1 。该类企业牛产训划问题把分布在各地的制造工厂和销售点联成个整体，考 虑产品需求来源于币h 地点咀及不同地点的产品运输时州和运输成本不同等因素，从企 业全局出发，寻求生产成本、运输费用以及提前拖期惩罚费用最小的生产计划方案。该 问题的重点是考虑各工厂节点的供需协作计划。文献6 1 描述了一个分布式多工厂的单件 制造企业生产计划问题，在模型中同时考虑了交货期下的提阿，拖期惩罚，以实现最小 化提前，拖期惩罚费用、生产成本阻及产品运输费用之和为目标，建立了个。一1 线性规 划模型，并利用分支定界法得到了生产计划方案。文献7 1 考虑了多工厂与多仓库环境下 的有限资源生产计划问题，当某工厂生产产品数量无法满足订单刚，可以通过其他仓 岸运输产品满足该订单，当所有仓库都无法满足产品订单时，可弘通过转包解决。 棚p 、 圃 幽i 1 分布式多t 厂生产计划阃题 ( 3 ) 虚拟企业生产计划问题 由于企、外部市场的快速变化以及顾客的需求趋向多样化和个性化，单个企业仅仅 依靠自身内部资源的整合已难以满足快速变化的市场需求问题，因此改变企业组织和管 理模式以适应市场变化显得十分重要。虚拟企业( v i n u a le n t e r p r l s e ) 正是为了迎合快速 夸o 母 浙江工业大学硕士学位论文 变化的市场机遇出现的一种新的企业组织和管理模式。虚拟企业是各个具有核心能力的 合作伙伴基于市场机遇临时组建的。在组建虚拟企业时，核心企业通常根据所需核心资 源情况粗略地将产品生产分解成若干个生产任务；然后通过招标方式为每个生产任务寻 找合适的合作伙伴，并签订协议，完成任务分配，当每项招标任务都找到合适的合作伙 伴后，就建立了虚拟企业【引。 虚拟企业生产计划问题涉及到以下几个方面：核心企业将初步制定的生产计划分解 为若干生产任务；合作伙伴通过招标方式获得生产任务，根据企业自身生产状况制定相 应的生产计划，然后反馈核心企业；核心企业再将各个任务的生产计划综合集成为虚拟 企业的总体生产计划。 ( 4 ) 考虑节能减排因素的生产计划问题 当前，国家对企业节能减排工作十分重视，企业也从单纯追求经济利益最大，逐步 综合考虑经济、社会、资源和环境的可持续发展。目前在节能减排方面的研究主要集中 在调整工艺流程和提高设备性能方面，通过优化企业生产计划与调度降低产品单位能耗 和减少三废排放的研究较少。文献 9 】提出了一种综合考虑经济、社会、资源和环境的可 持续发展的流程工业生产计划层次方法，采用目标规划法协调各目标间相互关联、甚至 相互冲突的关系，通过使各目标与期望值的偏差最小化来寻求各目标的最大满足程度。 文献【1 0 】在流程工业生产计划线性规划模型基础上，考虑了副产物、废渣以及废气排放 因素，形成了一个非线性优化模型，最后通过a s p e np l u s 模拟仿真系统求解。 2 不确定性生产计划问题 不确定性生产计划问题的研究是目前的一个研究热点。在企业的经营和生产过程中， 存在各种各样的不确定因素，如产品的产量、原材料的价格、劳动力因素、每一道生产 工序中产品的处理量、处理时间、中间存储单元的存储量、中间产品的稳定存放时间等 都可能发生变化；生产中原材料或能源的暂时短缺也是不确定因素：另外，生产过程中 往往会发生一些事先无法预料的突发事件，如生产设备的损坏、仪器仪表的故障、操作 工的误操作等【1 1 恫样是不确定因素。 对于生产计划问题中出现的不确定因素，主要有两种方法处理： ( 1 ) 采用一定的概率分布表示不确定信息，建立基于概率论理论的生产计划随机 优化模型，然后转换成确定型数学模型，用传统的优化方法求解【1 2 】【1 3 】。 ( 2 ) 采用模糊数表示模糊性信息，借助模糊集理论和模糊优化技术求解模糊生产 5 浙江工业大学硕士学位论文 计划模型【1 4 】【1 5 l 。 文献 1 6 】描述了一种产品需求服从正态分布的生产计划问题，文献【1 7 】- 【1 9 】研究了随 机产品需求的生产计划问题，文献【2 0 】建立了同时考虑随机生产和随机需求的生产计划 模型。文献【2 l 】建立了一个面向产能柔性的综合生产计划模型，产能柔性是指企业能否 按照市场需求的变化快速的从一种产品变换成另一种产品或者增加、减少产量的能力， 产能柔性提出的重要原因是针对产品需求的不确定。文献【2 2 】- 2 4 】研究了带交货期窗口 的生产计划问题。 3 集成化的生产计划与调度问题 在企业生产系统中，生产计划与调度相辅相成，紧密联系在一起。片面重视生产计 划而忽略生产调度，会使计划制定的生产任务无法在车间得到具体执行；片面重视生产 调度而忽略生产计划，也会使得企业对内部生产环境、外部市场情况以及企业发展目标 等缺少宏观把握。在研究领域，有很多学者将两者结合在一起进行研究。 生产计划与调度体系具有天然的层次性，在c i m s 生产体系中，企业计划系统一般 由综合生产计划、主生产计划、物料需求计划和生产作业计划四部分组成。如图1 2 所 示。 图1 - 2 企业生产计划体系 生产计划部门收到客户订单，根据客户订单、需求预测和历史数据，首先制定企业 的综合生产计划，主要包括一年中每月各种产品的生产、销售和库存水平。然后，在综 6 浙江工业大学硕士学位论文 合生产计划确定的生产和库存水平总体决策下，将计划分解为详细的主生产计划，制定 整个计划期间( 月) 某个特定时段( 周) 最终产品的生产数量和库存水平。最后，根据 主生产计划安排，进行调度，将每周的生产任务在各工序进行作业排序和机器指派，同 时对生产过程中的动态事件，如机器故障、订单变动、新订单到达、交货期改变，以及 原材料短缺等，进行动态调度。 企业生产计划系统具有的这种层次性，启发了学者研究生产计划与调度的方法。在 8 0 年代就有学者提出了层次化的生产计划( h i e e a r c l l i c a lp r o d u c t i o np l a i l n i n g ，h p p ) 模 型，并采用层次分解方法求解。这种方法将一个生产计划问题按照产品种类、时间、工 序等分解为一系列的子问题，然后分别求解这些子问题，最后再以某种协调方式将这些 子问题的结果综合为原问题的解。这种方法割裂了生产计划与调度的联系，主要存在两 个问题： ( 1 ) 由于在计划模型中忽略了生产过程中的一些瓶颈资源能力，以及设备的调整时 间、调整费用等因素，使得生产计划得到的最优结果不一定存在一个可行的调度方案； ( 2 ) 为了获得一个可行的调度解预留了部分资源，虽然生产计划得到的最优结果有 一个可行的调度方案，但该调度方案并不一定充分利用了资源以及设备的生产能力。 由于以上两个原因，层次分解方法很难实现计划的全局优化，因此众多学者考虑集 成化生产计划( i n t e 伊a t e dp r o d u 而o np l a n n i n g ，口p ) 的方法。有学者采用单个模型描述 整个集成化的计划与调度问题( m o n o l i t b i ca p p r o a c h ) ，m o c k u s 等【2 5 】针对一个小规模的 药剂实验室提出了一个生产计划与日常作业调度集成的单一模型；文献 2 6 】也提到了一 个生产计划与调度集成的单一模型。对于绝大多数实际问题，单个模型很难准确描述整 个计划与调度问题，或者即使可以描述，也因为存在大量的变量无法求解。 为了解决这些问题，有学者提出了递阶的方法( h i e r a r c m c a lm e 廿1 0 d ) 。递阶方法同 样以层次化的观点考虑生产计划与调度，与层次分解方法不同，该方法重视各层之间的 信息反馈。在分层求解计划与调度的基础上，将递阶优化的各个层次组成一个闭环，通 过循环迭代获得一个可行解。目前的研究有综合计划与作业计划的集成【2 7 】【2 引，主生产计 划与作业计划的集成【2 9 】，以及物料需求计划与作业计划集成【3 0 1 。 1 2 3 生产计划问题的求解方法综述 自五十年代以来，学术界广泛研究了生产计划与调度问题，提出了运筹学方法、人 7 浙江工业大学硕士学位论文 工智能理论、控制理论、启发式方法以及人工神经网络( a n i f i c i a ln e 删n e 咖r k ，姗、 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ，g a ) 、蚁群算法( a n t a l g o r i t h m ，a a ) 、微粒群算法( p a n i c l e s 眦咖o p t i i l l iz a _ t i o n ，p s o ) 和多智能体( m u l t i a g e n t ss y s t e m ，m a s ) 等智能求解方法。 目前取得了许多研究成果，但由于生产计划与调度问题本身的复杂性，至今尚未形成系 统的理论与方法。文献【3 l 】- 3 3 对生产计划与调度研究方法进行了综述，本节在此基础 上作简单的介绍。 1 运筹学方法 运筹学方法是将计划问题归结为线性规划( l i n e a rp r o g r a m m i n g ，l p ) 、混合整数线 性规划( m i x e di n t e g e rl i n e a rp r o 铲a m m i n g ，m i l p ) 或者混合整数非线性规划( m i x e d i n t e g e rn o i l l i i l e a rp r o g 阳m m i n g ，m n l p ) 等优化模型，采用各种数学规划方法包括单纯 形法、分枝定界法、动态规划法等求解。这类方法虽然从理论上能够求得问题的精确解， 但由于其计算复杂度大、搜索效率低下，只能用来求解小规模的问题，对较大规模的生 产计划与调度问题，求解时间过长，无法很好地满足实际应用的需要。 2 启发式方法 启发式方法是通过对过去经验的归纳推理以及实验分析来寻求解决问题的方法和策 略。它建立在经验和判断的基础上，要求决策者发挥人的主观能动性和创造力，从与研 究问题有关而比较基本的模型及算法中寻求其问的联系，从中得到启发，去发现适于解 决该问题的思路和途径。启发式方法解决问题时强调“满意 ，而不去一味的追求最优 性和探求最优解。对启发式方法的研究主要集中在调度规则和一些近似算法的研究上。 启发式方法具有计算步骤简单，计算量少，易于操作等特点，但是启发式规则具有全局 敏感性，利用不同的规则可产生不同的调度方案，而且规则在不同的场合所起的作用也 不同，调度系统的性能取决于规则的选择，因此，规则的选择成为基于规则调度方法的 主要障碍。 3 智能优化算法 精确求解方法在理论上能够获得最优解，但是随着问题规模的增大，求解难度急剧 增加，寻求最优解变得十分困难的，最有工程意义的求解方法是在合理、有限的时间内 寻找到一个近似的、可行的解。近年来在这方面已经取得了不少研究成果，特别是人工 神经网络、遗传算法、蚁群算法、微粒群算法和多智能体等智能求解方法，为解决较大 规模的优化问题提供了比较可行的方法。 8 浙江工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 人工神经网络 人工神经网络是一个用大量简单处理单元经广泛连接而组成的人工网络，具有大规 模并行处理能力和自适应、自组织、自学习能力以及分布存储等特点，已经成功应用于 诸多领域。在生产计划与调度领域的应用主要有两类：一类是将计划与调度问题看成组 合优化问题，利用神经网络的并行处理能力降低计算的复杂度。f o os y ：和做e m i 最 早提出的h o 面e l d 神经网络求解作业车间调度问题【3 4 1 ，是一个比较有影响的方法，但不 能保证神经网络稳态输出为可行的调度方案。王万良，吴启迪给出了包含j s p 所有约束 条件的计算能量函数和响应的神经网络参数计算公式，保证了神经网络稳态输出为可行 的调度方案【3 5 1 。徐新黎，王万良实现了基于神经计算机的神经网络调度方法【3 6 1 ，提高了 快速性。另一类方法是利用神经网络的学习和自适应能力获取计划与调度知识，以构造 计划与调度决策模型。 ( 2 ) 遗传算法 遗传算法是一种模仿生物群体进化过程的随机搜索算法，通过选择、交叉、变异等 遗传操作搜索最优解，具有较好的并行性、鲁棒性，以及易于与其它算法相结合的优点， 非常适用于复杂和非线性优化问题。王涛等在遗传算法中加入平衡的思想，在满足交付 期的前提下，保证各机床加工负荷平衡网。马佳等提出了一种免疫遗传算法求解单级多 资源约束生产批量计划问题【3 8 】；韩毅等将排斥算子引入g a 用于求解多级生产批量计划 问题【3 9 1 。 ( 3 ) 蚁群算法 蚁群算法来源于对自然界蚂蚁能够找到从蚁巢到食物源的最短路径并能够适应环境 的变化的情况的研究，是人们从生物进化的机理中受到启发提出的许多用以解决复杂优 化问题的方法之一。b e s t e n 等将蚁群算法应用于作业车间调度【4 们，刘士新等将单向插入 和2 o p t 局部搜索过程嵌入蚁群算法用于求解热轧带钢生产批量计划问题【4 ，陈知美和 顾幸生将蚁群算法用于不确定处理时间的j o bs h o p 调度问题【4 2 】，王常青等使用多种挥 发方式的双向收敛蚁群算法用于j o bs h o p 问题【4 3 】。 ( 4 ) 多智能体 a g e n t 的主要思想来源于分布式人工智能和分布式计算，2 0 世纪7 0 年代中期研究者 们发现，和独立的模块相比一些具有简单行为的实体之间进行的相互作用更容易产生智 能的行为。a g e n t 的含义是指“起作用的人或事物 ，用来模拟人类社会行为，即人类社 9 浙江工业大学硕士学位论文 会的组织形式、协作关系以及认知方式。多智能体( m u l t i a g e n t ) 方法通过在一系列分散 的智能体间进行协调来解决问题，非常接近实际调度过程，而且具有速度快、可靠性高、 可扩展性强等优点，受到广泛的关注。张宇等把基于多智能体技术的j o bs h o p 动态调度 方法与基于规则的调度策略相结合，提出了a g e n t 之间竞争与协作方式及投标计算方法 m 】，江资斌等针对虚拟企业生产计划的特点，采用多智能体对虚拟企业功能实体和物理 实体进行封装，提出了一种基于多智能体的虚拟企业协同生产计划系统模型1 4 ”。 1 3 化工行业生产计划 1 3 1 化工行业生产计划特点 生产计划是化工企业c i m s 的核心部分，居于c i m s 五个层次的中间，起着承上启 下的纽带作用，上面连接决策层，下面是生产过程的监督控制层，将企业决策和实际生 产联系起来。化工行业属于典型的流程工业，与离散工业不同，流程工业生产计划与调 度问题具有如下特点【4 6 】： ( 1 ) 流程工业工艺过程连续，工艺流程固定。一般不需要离散c m s 中的 c a d c a p p c a m 等一系列计算机辅助技术，生产过程主要通过调整工艺参数、控制设 定、选择适当的控制算法等达到安全、稳定、均衡、长周期、满负荷、优质、高产、低 耗和减少污染的目标。 ( 2 ) 流程工业生产过程复杂。包括了信息流、物质流、能量流，而且伴随着复杂的 物理化学反应、生化反应、相变反应等复杂过程，以及突变性和不确定性等因素，同时 生产数据复杂，处理量大，数据在线检测困难，是一个十分复杂的大系统。 ( 3 ) 物流特点：物流的传送、处理及存贮均以物流形式，生产装置间的连接有管道 约束。 ( 4 ) 存贮方式：由于化工过程的原料和中间产品的物理性质及化学性质与一般制造 业有明显不同，必须考虑在过程的连续步骤间的存储策略。 ( 5 ) 流程工业的生产强调生产过程的整体性。流程工业的生产是连续的，因而，要 求把不同装置和生产过程连接在一起成为一个整体。各个设备的优化不等于全厂处于最 优，因而在求取全局最优的过程中有时会得到相互冲突的结论。 l o 浙江工业大学硕士学位论文 ( 6 ) 流程工业中离散决策变量与连续决策变量共存。系统内既包括连续过程变量， 如生产过程；也包括离散过程变量，如生产方案的切换、调度指令的下达、随机事件的 引入、生产装置的切换等，所以连续过程的生产计划调度系统是混杂系统。 ( 7 ) 流程工业生产的安全性更重要。流程工业关键设备少而大，常常处于十分恶劣 的生产环境，因而生产的安全性被放在最重要的位置，为保证流程连续稳定安全生产， 故障诊断与设备维护在流程c m s 中也很重要。 化工行业生产计划除一般流程工业生产计划特点外，还具有如下特点： ( 1 ) 一些化工行业生产线除连续生产设备外，还存在少量间歇式生产设备，生产方 式有连续生产过程和间歇式生产过程并存，不同的生产阶段可能遵循不同的生产方式。 因此化工行业生产计划需要具有一定的柔性，能够协调不同生产方式之间的衔接。 ( 2 ) 化工行业生产线生产工艺复杂，生产过程涉及各种化学变化和物理变化。一般 除主产品外，还会产生大量副产品和中间产品，一些工序单股进料有多股出料，还有一 些工序多股进料只有单股出料等。 ( 3 ) 化工行业的产品有气态、液态、固态多种形式，一般具有有毒、危险等特性， 必须十分重视安全性，严格管理原料、中间物料和产品。各种产品还具有特定的产品特 性参数，当含有不同质量的水份或发气量时，产品规格也不同。 由于上述特点，化工行业的生产计划更加复杂，存在更多的约束因素，包括资源、 物质的量平衡、生产工艺、库存等多种复杂约束，对生产计划的制定提出了更高的要求。 1 3 2 间歇式和连续混合的生产计划 流程工业生产方式一般有三类：连续生产过程、间歇式生产过程以及间歇式和连续 混合的生产过程。化工行业存在大量的间歇式和连续混合的生产线，例如隔膜烧碱生产 线、离子膜烧碱生产线、p v c 生产线、氯化生产线等。有必要深入了解间歇式和连续混 合的化工生产计划的研究现状。 2 0 多年来，间歇式流程工业和连续流程工业的生产计划与调度问题得到了广泛的关 注，而间歇式和连续混合的流程工业生产计划与调度研究较少。在优化模型方面， d j a v d a l l 【4 7 】研究了同时存在间歇式和连续生产设备工厂的排序和调度问题，给出了一个 动态仿真模型，并考虑了生产能力和存储容量的限制。z h a i l g 和s a r g e n t 【4 8 】用r 1 附 ( r e s o u r c e 协kn e t w o r k ) 表示生产工艺流程，提出一个基于连续时间表示的间歇式和 浙江工业大学硕士学位论文 连续混合的流程工业生产调度模型，该模型形成了一个混合整数非线性规划问题，并通 过线性化技术消除一些非线性，转换为一个大规模混合整数线性规划问题。i e r a p e t r i t o u 和f l o u d a s l 4 9 j 提出了一个基于分离事件点的连续时间表示的生产调度模型，该模型能够 很好的描述同时存在间歇式和连续式生产设备工厂的生产过程。n 傩和l e e 【5 0 】提出了一 个基于离散时间表示带可变加工时间的调度模型，考虑了间歇式加工设备的批量虽然是 固定的但每个批次加工时间可以不同的情况，并将该加工时间作为决策变量纳入模型 中。c a s 仃d 等1 5 l j 提出了一个基于连续时间表示的生产调度模型，该模型用r 1 n 描述多 用途间歇式和连续式混合工厂的生产过程，形成了一个混合整数线性规划问题，在给定 一定数量事件点情况下，可以有效的求解调度优化问题。m 船a v e l i a s 【5 2 】认为在离散时间 表示方法中，相等的时间间隔并不一定要求加工时间也是相等的，提出了一种相等时间 间隔但加工时间可变的混合时间表示方法，该方法能够很好的表示间歇式、连续以及半 连续加工方式的生产调度，模型综合考虑了存储策略、交货期和公共资源因素，生产工 艺流程采用s t n 描述。b e h d a m 等【5 3 】在文献【4 9 】调度模型的基础上，采用s t n 描述同时 存在间歇式和连续生产设备工厂生产过程，重点考虑了公共资源( 蒸气、冷却水、电等) 供应和消耗的限制。g 血a e l i 等【5 4 】用混合赋时p e t r i 网( t i m e dh y b r i dp e t r in e t ) 来描述生 产工艺流程，能够更好的描述间歇、连续操作和存储过程，并以一个制糖企业案例来说 明该表示方法的有效性。k 0 l l y 和z y n 西e r 【”】提出了一种考虑维修因素的基于统一离散时 间的调度模型，模型中转换时间和费用与次序有关，并通过四个辅助变量来说明机器一 操作的状态，最后形成一个混合整数线性规划问题。 1 3 3 化工行业生产计划研究中的不足 尽管对化工行业生产计划的研究在模型和算法方面已有许多成果，但是由于该问题 涉及的因素众多，以及人们对生产计划需求的日益变化，仍有很多重要问题值得进一步 研究，这主要体现在： ( 1 ) 虽然目前研究的模型很多，但考虑的因素往往比较单一，与广泛的实际应用尚 有差距。化工企业实际生产过程中存在的约束因素很多，因此综合考虑生产工序、资源、 生产工艺和物质的量平衡等多种约束条件的计划问题有待进一步研究。 ( 2 ) 节能减排对化工行业发展循环经济十分重要。目前对节能减排的研究主要从设 备更新、生产工艺改进等角度入手，对通过制定合理的生产计划与调度方案降低能源消 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 耗，减少废弃物排放的研究较少。 ( 3 ) 在化工企业生产系统中，生产计划与调度相辅相成，紧密联系在一起。目前的 研究大都将计划与调度分开独立研究，对集成化的生产计划与调度问题的研究较少。 1 4 论文的主要研究内容 生产计划是化工企业c i m s 的核心部分，是生产管理中的重要内容，也是目前最为 薄弱的环节。虽然化工行业生产计划问题已有不少研究，但仍有大量问题有待解决。本 文的主要内容和章节安排如下： 第一章绪论。首先介绍了论文的研究背景和意义，给出了生产计划问题的一般描述 与各种组成要素，对计划问题的模型及求解算法的国内外研究现状进行了综述。并介绍 了化工行业生产计划的特点与不足，着重介绍了间歇式和连续混合的生产计划研究现 状。最后