系统工程技术和企业生产管理-New

梁军浙江大学系统工程研究所系统工程技术与企业生产管理什么是系统工程？系统工程是从整体出发合理开发、设计、实施和运用系统的工程技术；系统工程是系统科学中直接改造世界的工程技术。关于系统工程技术的回顾系统工程的主要研究内容系统辨识与建模系统分析系统最优化系统评价系统综合与设计系统预测系统决策关于系统工程技术的回顾（续）系统工程的应用领域社会系统工程（社会发展、社会现象、社会构成、……）经济系统工程（国家经济发展战略、综合发展计划、产业结构分析、……）企业系统工程（市场战略、生产计划与调度、全面质量管理、……）城市管理系统工程（城市建设规划、物质与能源供应、城市交通管理、……）生态环境系统工程（生态保护、环境污染治理、……）教育系统工程（教育布局规划、人才结构分析、……）人口系统工程……关于系统工程技术的回顾（续）通过一个具体实例介绍系统工程技术在企业生产管理中的应用聚烯烃生产企业聚烯烃生产过程聚烯烃生产过程面临的挑战激烈竞争，要求石化企业：优化资源利用、提高生产效率、降低生产成本、改进产品质量、提高生产过程的柔性石化企业生产过程特征：高度复杂、强关联、非线性，往往伴随着物理变化、化学反应、相变过程及物质与能量的转换与传递，是一个十分复杂的工业大系统

石化企业生产要求：为保证整个企业生产的高效、平稳运行，十分强调过程的整体性和生产的实时性，面对各生产装置间存在复杂的耦合、制约关系，要求从全局的角度进行集成和协调

因此，为实现上述目的：需要系统工程中优化技术的支持，需要对最优化策略进行研究聚

烯

烃

生

产

过

程

的

管

理

、

优

化

与

控

制1、最优化生产计划问题

以整个企业的生产过程为优化对象，以最大经济效益、最小生产成本等为总体优化目标，以原料量、装置产能、订单计划等为优化约束条件，以各装置产量等为决策变量进行全厂最优化计划的求取，优化方案以多目标规划理论作为技术基础。

2、最优化生产调度问题

生产调度是对生产执行的规划。聚烯烃装置具有多线、多牌号和生产多阶段特征，优化问题可以从两个层次进行，一是多种生产牌号在多生产线上的负荷合理安排，目标是切换次数最少；二是多种生产牌号多阶段生产顺序的合理安排，目标是总切换损失最少（过渡料最少、过渡时间最少）。前者采用混合整数规划模型，后者采用动态规划模型。

一、聚烯烃生产过程的最优生产计划生产过程背景某石油化工股份有限公司塑料厂是该公司45万吨乙烯工程的主要生产厂之一，是以生产聚烯烃树脂为主的大型石油化工企业。现有6套生产装置，全部采用进口工艺，生产技术先进。现有生产装置14万吨/年（两条7万吨/年），HDPE，UCC14万吨/年，LDPE，荷兰STAMICARBON6万吨/年，LLDPE，UCC－Unipol7万吨/年，PP，HIMONT－Spheripol3.6万吨/年，PS，日本TEC，的TEC-MTC6万吨/年，SM，美国孟山都/鲁姆斯公司（Monstanto/Lummus）

生产特点分析

由HDPE、LDPE、LLDPE、PP、PS、SM等“五聚一苯”六大类生产装置构成了一个工艺流程复杂的大型聚烯烃生产企业；来自乙烯裂解生产的乙烯是HDPE、LDPE、LLDPE、SM和PP的共同原料，丙烯是PP、HDPE和LDPE的共同原料，丁烯是LLDPE和HDPE的原料，苯是SM的原料。其中，各乙烯用量担负着与45万吨乙烯裂解生产过程进行物料、生产平衡的任务；PS以来自SM的苯乙烯作为主原料；催化剂和生产辅助性材料基本是足量供应；作为生产经营企业，生产安排的主要目的自然是追求企业得到最大经济利益；生产的品种和产量首先要满足公司销售计划的订单要求，然后能自主安排一些畅销产品的生产；生产特点分析（续）由于生产工艺具有连续性流程特点，单位产品的生产成本与装置生产负荷的大小密切相关。若装置低负荷运行，除原材料消耗外的装置运行性成本对单位产品的摊销成本必然高。因此，尽可能小的装置运行性摊销成本也是安排生产的一个重要着眼点；由于库存容量有限，生产计划安排的另外一个重要目标是尽可能保持最佳库存，这样既能应变市场的波动，又不至于因高库存而积压过多的流动资金；各装置、各种牌号产品的生产既要满足最低的产量要求，又不能突破装置的生产能力；乙烯、丙烯、苯、丁烯等生产原料最终应满足物料平衡要求；水、电、气、蒸汽等公用工程的使用要满足定额要求；各牌号产品的最低销售量为订单计划的产量；生产计划的制定以月为周期单位。总的工艺流程乙烯丙稀丁烯己烯丙烷乙苯纯苯橡胶最优生产计划命题的确定确定用于表述生产目的的目标函数，并使得目标函数实现最大化或最小化；确定一组决策变量，通过对决策变量的控制保证生产目标的实现；确定决策变量可以有效变化的范围即约束条件，这是实现生产目标时不得不考虑和遵守的制约因素。

决策变量

各种牌号产品的产量和销量是主要的决策变量，通过安排不同牌号产品的生产对企业的利润、产品的单位成本和各产品的库存量都有直接的调节作用。－装置i上牌号（或产品）j的月产量；－装置i上牌号（或产品）j的月销量；，I为装置数（对于该企业来说，I=6），J为产品牌号最多的装置的牌号数（对于牌号不足J的装置，超出实际牌号数的产量和销量皆设为0）

目标函数

三个主要目标：尽量大产出，追求企业的最大经济利益尽量少投入，力争单位产品尽可能小的装置运行性摊销成本保持一定量的产品库存，以免供货中断而失信于用户目标函数（续）(1)

产值最大目标

－产品的单位市场价格系数(2)

运行性摊销成本最小目标

－装置i

的单位运行性摊销成本－装置i的摊销成本加权系数

目标函数（续）(3)

最佳库存量目标

－装置i上牌号j的月库存量－装置i上牌号j的最佳目标月库存量－装置i上牌号j的月库存加权系数总目标函数{，―，―}

形成典型的多目标优化问题约束条件

指令性计划约束：中石化的生产管理方式包括三个层次，总公司制定全公司的总生产计划并下达到各分公司，分公司将总公司任务分解后（订单计划）下达到所属各相关生产厂，生产厂按照下达的任务指标安排生产。聚烯烃企业就是这样的生产厂，订单计划是这类生产厂生产安排的主体。一般来说，当完成了订单计划以后，生产厂可自主安排一些适销对路、利润高的产品；物料平衡约束：大型联合石油化工企业的生产流程往往互相关联，前后衔接，以聚烯烃企业为例，其原料主要来自于45万吨乙烯裂解装置，其大部分产品通过储运厂直接供应市场，小部分产品作为后续的橡胶厂生产原料，因此必须达到高度的物料平衡，既不能出现乙烯裂解产品因后续聚烯烃装置消化不了，造成乙烯裂解生产能力被迫下降，也不能出现后道工序无料可用的吃不饱现象；装置生产能力约束：生产装置的生产能力是进行生产计划制定最主要、最基本的着眼点。就本文所讨论的聚烯烃企业，低压高密度聚乙烯装置（HDPE）年产14万吨、高压聚乙烯装置（LDPE）年产14万吨、线性低密度聚乙烯装置（LLDPE）年产6万吨、聚丙烯装置（PP）年产7万吨、聚苯乙烯装置（PS）年产3.6万吨、苯乙烯装置（SM）年产6万吨；约束条件（续）生产过程的稳态与动态约束：在以往的类似系统中，计划模型和调度模型多采用稳态平衡方程，而实际生产的过程因素如生产的周期、多牌号生产的切换顺序、持续稳定生产时间等对生产目标的实现都有至关重要的影响，因此应同时考虑稳态模型和动态模型约束，使计划与调度系统实现尽可能大的动态优化，增加调控弹性和应变能力，是解决问题的根本途径。在另外一章专门讨论这一问题。产品销量约束：各种产品的销量必须完成订单计划的销售量；库存、储量、运输约束：原料、产品的储存与运输是生产计划与调度中历来非常重要的一块，也是目前已经应用的调度系统中最成功的一块，已有许多典型方案；公用工程约束：石化企业是动力消耗大户，水、电、汽、蒸汽的生产和供应虽然不属主体生产工艺，但却是石化企业的生命线，因此考虑动力约束是必要的；其他约束：如产品质量约束、人力资源约束、非负约束等等约束条件（续）1.订单计划约束－装置i上牌号j的订单产量2.运行性摊销成本模型

－装置i的月基本运行费用3.物料平衡约束

、－原料k的最大、最小月消耗量，－装置i上牌号j的生产对原料k的单耗系数4.库存量模型

5.装置产能约束

、－维持装置i连续运行的最高、低月产量6.能源约束

－装置i上牌号j产品的单位耗油量，B－总燃油供应量7.公用工程用量约束

－装置i上牌号j产品的单位耗水量，R－水总供应量

－装置i上牌号j产品的单位耗电量，S－电总供应量

－装置i上牌号j产品的单位耗高压蒸汽量，T(h)－高压蒸汽总供应量

－装置i上牌号j产品的单位耗中压蒸汽量，T(m)－中压蒸汽总供应量

－装置i上牌号j产品的单位耗氮气量，Z－氮气总供应量基于实际生产数据的求解算例（产值最大化目标）装置牌号指令产量优化结果装置牌号指令产量优化结果HDPEDGDA609865006500LLDPEDFDA704255006127.6DMD7006A18001800DFDA7059300300DMD1158700700DNDB714900DGDB248013001300DND734200DMD7020300300PPT30S500500DMDA614514001400T36F20002000DMD614700EPS30R22002200DMD347900EPF30R6002373.6DGDA800700EPS30RA00QHJ-18003000EPC30R00LDPE2102TN2665006500F800002102TN3717001700EPX135F002100TN00800800QPR01002101TN00700700SMSM47005926.92102TN0017001700PSQG7535A230023002101TU6002319.1QH786000NC90100QG7555010002100TU6000

1922T0580.9

2602TH0000

2602TU4300

QLT03700700

2008XC0000

2008XC4100

基于实际生产数据的求解算例（库存最佳化目标）装置牌号优化后月产量优化后月销量指令产量HDPEDGDA60986702.165006500DMD7006A2032.918001800DMD1158955.7700700DGDB24801493.613001300DMD7020555.1300300DMDA61451593.414001400DMD6147206.800DMD3479212.400DGDA8007228.700QHJ-11019.3800800LDPE2102TN266728.1650065002102TN371889.7170017002100TN001019.88008002101TN009307007002102TN001902.8170017002101TU60187.300NC901194002100TU60230.1001922T189.7002602TH00210.3002602TU43213.100QLT03880.27007002008XC00225.1002008XC41199.800基于实际生产数据的求解算例（库存最佳化目标－续表）装置牌号优化后月产量优化后月销量指令产量LLDPEDFDA70425644.355005500DFDA7059464300300DNDB7149149.200DND7342111.500PPT30S696.5500500T36F2206.420002000EPS30R2391.822002200EPF30R773.4600600EPS30RA18300EPC30R188.200F800178.700EPX135F180.200QPR01191.300PSSM5926.947004700SMQG7535A260223002300QH786038700QG755531100基于实际生产数据的求解算例（产值最大化＋最佳库存目标）生产调度的内涵对生产过程执行的规划聚烯烃生产过程特点……

具有多线、多牌号和生产多阶段特征生产调度的两个主要任务：多种生产牌号在多生产线上的负荷合理安排，目标是切换次数最少－生产车间层次多种生产牌号多阶段生产顺序的合理安排，目标是总切换损失最少（过渡料最少、过渡时间最少）－生产线层次二、最优生产调度策略

最优生产调度命题思路：首先将多牌号生产按最少牌号切换次数原则分配到各条生产线上，然后对每条生产线按最佳切换原则进行多牌号产品的生产排序。两个子优化命题的提出：以牌号切换次数最少为优化目标的多生产线最佳负荷分配问题，优化方法为混合整数规划模型以总切换过渡料最少和总切换时间最短为目标的单线多牌号生产的最优排序问题，优化方法为动态规划模型…………………………………………牌号组1产量h1牌号组2产量h2牌号组m产量hm多线多牌号最佳负荷分配命题最优生产调度命题（续）目标函数：

约束条件：各生产线产能约束

各牌号产量约束

各牌号产量分割约束

决策变量属性约束

变量定义：切换过渡料和切换时间

牌号1牌号2

…牌号K过渡料切换时间过渡料切换时间

过渡料切换时间牌号1－－C12τ12

C1Kτ1K牌号2C21τ21－－

C2Kτ2K牌号3C31τ31C32τ32－C3Kτ3K……………

牌号KCK1τK1CK2τK2

－－单线多牌号最佳排序命题四产品牌号最佳排序优化过程单线多牌号最佳排序模型

动态规划方程

逆向求解算法计算实例1设有4条生产线，1－4号生产线的生产能力分别为50、55、75、100，计划生产8个产品，1－8产品的目标产量分别为16、22、25、27、30、40、53、57。（单位均为吨），要求进行将该8种产品对4条生产线进行最佳负荷分配。计算结果：1号生产线：产品2，产品4，即：22＋27<50 1号生产线剩余生产能力为：50-(22+27)=12号生产线：产品7，即：53<552号生产线剩余生产能力为：55-53=23号生产线：产品1，产品3，产品5，即：16+25+30<753号生产线剩余生产能力为：75-(16+25+30)=44号生产线：产品6，产品8，即：40+57<1004号生产线剩余生产能力为：100-(40+57)=3

计算实例2有2条生产线，生产能力均为8000。将该9种产品对2条生产线进行最佳负荷分配。计算结果：

1号生产线：DGDA6098，DMD7006A，即：5000＋1800<80001号生产线剩余生产能力为：8000-(5000+1800)=12002号生产线：DMD1158，DGDB2480，DMD7020，DMDA6145，DMD3479，QHJ-1

即：700+1300+300+1400+2000+1500+800＝80002号生产线剩余生产能力为：

8000-(7000+1300+300+1400+2000+1500+800)=0

牌号DGDA6098DMD7006ADMD1158DGDB2480DMD7020DMDA6145DMD6147DMD3479QHJ-1指令性计划产量(吨)

5,000

1,800

700

1,300

300

1,400

2,000

1,500

800计算实例36种产品的最小过渡料顺序切换问题，各产品间的切换过渡料如下表所示（单位：吨）

计算结果：各牌号最优生产顺序：DGM1725―>DGM1820―>DGM3450―>DGM1810―>DGM2580―>DGM4119生产完成后，总切换过渡最小损失为：41.53+46.25+46.58+40.899+42.87=218.129（吨）

DGM1820DGM1725DGM4119DGM1810DGM2580DGM3450DGM1820040.8252.6848.5845.3946.25DGM172541.53058.0857.2654.25