卷烟厂制丝车间自动排产问题研究

王劲松，万年彬，袁海霞，范明喜，王 轶，郑 茜，李 杰

（1.襄阳卷烟厂，湖北 襄阳 441000；2.华中科技大学 管理学院，湖北 武汉 430074）

1 引言

随着烟草行业竞争的加剧，卷烟厂的生产组织方式已由“生产推动型”转变为“市场需求拉动型”，即按客户订单和销售合同安排生产。在该背景下，卷烟厂提升生产与组织管理能力将成为其制胜法宝，其中更高要求的生产调度和生产作业管理无疑是关键一环。卷烟厂的生产主要包含卷包生产和制丝生产，其中卷包生产为离散型，制丝生产为流线型（或多阶段型），其生产过程具有随机性、不确定性、非线性等特性。因此，卷烟厂的排产调度问题在数学上具有高度耦合性[1]，这为其生产调度带来了很多的困扰和不确定性。以某卷烟厂为例，现行生产调度计划主要由生产调度员凭借经验手工完成，这并不能满足灵活多变的实际生产需要，容易造成排产的误差或资源的浪费等情况[2]。因此，智能排产系统的引进对卷烟厂落实降本增效、夯实基础管理、推进精益生产具有重要意义，尤其是制约卷包车间生产的制丝车间自动排产系统的研发意义更大。

现存的关于制丝车间自动排产的研发主要有但不限于如下几种：一是对生产过程进行建模与计划仿真。利用该仿真系统，调度员可从几种待选方案中选出最优方案[3]；二是利用优化算法生成制丝生产方案，如分支定界法[4]、回溯算法[5]等。以上智能排产方案对制丝车间自动排产研究具有重要意义，然而过于理想化，卷烟厂实际排产中仍需大量的人工干预，并没有达到预想目的。现行制丝车间自动排产系统无法直接应用于实际生产过程，究其原因主要是构建的制丝排产模型与实际生产脱节，缺少对不确定因素的考虑，并且模型中简化了不少环节；或者自动排产中忽略了制丝车间生产过程具有大量非线性与非结构化的问题。

为推进制丝车间自动排产问题的研究，本文以卷烟厂制丝车间实际生产为背景，构建了基于规则的启发式算法。在算法设计过程中，考虑了各类型储柜、各牌号换牌时间、原料、班次等所有车间生产约束，并将其嵌入算法设计过程中，以倒序排产为主要思路，以车间生产日均衡和工段生产均衡为目标，构建了制丝车间自动排产算法。

2 问题描述

2.1 卷烟厂制丝车间工艺简介

卷烟厂制丝车间是卷包车间的上游车间，一般的生产流程如图1所示。丝线生产线自备料、片烟解包开始，共有三个工段，分别是松散回潮工段、叶片加料工段、叶丝处理工段。松散回潮工段指烟叶经解包后，经历切片、回潮，至完全进入预混柜的过程；叶片加料工段指烟叶开始出预混柜，依次经过光谱除杂、加料润叶等操作，直至完全进入贮叶柜的过程；叶丝处理工段指烟叶开始出贮叶柜，经过切丝、烘丝、加香等操作，直至完全进入储丝柜的过程。

图1 卷烟厂制丝车间生产流程

2.2 卷烟厂制丝车间排产问题分析

2.2.1 制丝车间排产特点描述。制丝车间丝线生产线和梗线生产线呈现明显的阶段性，且其生产过程还具有随机性、复杂性、多约束性、多目标性等特点。

（1）随机性：在制丝车间实际生产过程中，随机因素和不确定因素是无法回避的，如：原料或香糖料供应不及时、机器故障、外发订单调整等突发事件均有发生的可能。

（2）复杂性：制丝车间的生产过程呈现严重的复杂性，主要体现在如下几方面：一是产品与原料的多样性，且原料与产品并非严格的一对一关系；二是香糖料配置的多样性；三是同一牌号烟叶（丝）在不同类型储柜储存时间不定，并且不同牌号烟叶（丝）在同类型储柜储存时间也不定；四是每批次烟叶（丝）加工完毕后，下一批次进入之前，需要进行清洗或清扫，该段时间称换牌时间。各批次之间的换牌时间均不相同等。

（3）多约束性：在制丝生产过程中，会面临多种约束，具体如下：①烟丝的供应同时满足卷包车间生产需求和外发订单需求；②本批次烟叶（丝）出柜时间受上一批次、下一批次和储存时间的约束；③本批烟叶（丝）在柜中存放时间约束；④同一批只能存放在一个储柜中，且一个储柜同一时间只能存放同一批；⑤各种类型储柜的容量和数量有限；⑥制丝车间的排产会受到班次时刻表、工作日历、计划停机时刻的约束；⑦换牌时间的约束；⑧原料、香糖料等资源约束。

（4）多目标性：制丝车间的排产根据不同的需求会有不同的排产目标，如生产时间最少、总的换牌时间最少、烟叶（丝）在储柜中存放时间之和最小、生产均衡性更强等。

2.2.2 制丝车间排产需求分析。本文研究的制丝车间排产问题，可满足卷包车间生产需求和外发订单需求，制丝车间总的排产需求为：（1）考虑到制丝车间排产多目标性的特点，文中从员工管理的角度出发，定义制丝排产的目标如下：生产线三个工段每日的工作量均衡，以及生产线每日工作量均衡（规定每日进入储丝柜烟丝的总量作为当日的工作量）。（2）根据卷包生产计划和外发订单计划，可生成制丝车间可执行的基础调度计划。（3）每日生产工作完成后，记录每日实际产出信息以及资源消耗量。（4）当出现突发情况，如设备故障、卷包车间出现重调度等情况时，能够调整计划。

3 排产算法

制丝自动排产的目标是通过算法规则设定，以及相应的输入，得出制丝线上的工艺段排产计划[6]。鉴于实际生产需求，制丝排产细化到工艺段，即排产结果给出每个工艺段开始生产时刻、生产完成时刻、在制品烟丝流动起止点及相应的批次信息。已有文献中，多采取以卷包车间的日进度计划驱动制丝排产，本文采用喂丝工单驱动。相比日进度计划驱动，以喂丝工单驱动可以精确到具体生产时间和具体的喂丝机生产卷烟量，更加符合实际生产的要求。制丝排产算法调度周期为月度计划，即可以一次性生成月度制丝计划；滚动周期为一天，即每日进行滚动，以应对生产的不确定性。

3.1 排产思路

排产算法的设计以充分满足实际生产需求为目的，满足各种实际约束，同时进行优化。排产时采用逆向排程的思想，先进行叶丝处理的排产，其次进行叶片加料的排产，最后进行切片回潮的排产。

（1）将喂丝工单计划转化为自用烟丝需求计划。

（2）将外发烟丝任务转化为外发烟丝需求计划。

（3）自用烟丝需求计划和外发烟丝需求计划去掉相应牌号烟丝的成品库存（储丝柜成品烟丝量），得到自用烟丝生产计划和外发烟丝生产计划。

（4）根据储丝柜的当前状态（是否有烟丝）及储丝柜和喂丝机的对应关系，为自用烟丝生产计划选择合适的储丝柜，得到自用烟丝进储丝柜计划。在此基础上，进行外发烟丝生产计划排产。选择储丝柜的原则为：一个柜组包含两个柜子，同一柜组只能储存一种烟丝；一个柜子只能储存一批烟丝。

（5）根据贮叶柜、预混柜当前状态，依次进行贮叶柜和预混柜的调度。

（6）将进、出各柜的结果合并成叶丝处理、叶片加料、切片回潮的排产。

3.2 排产步骤

（1）获取当前排产所需的生产实时数据。

（2）喂丝工单时间升序排列，根据烟丝BOM将使用同种牌号烟丝的喂丝工单合并处理，得到自用烟丝需求计划。烟丝需求时间减去该牌号烟丝存储时间和进入储丝柜所需时间，得到烟丝最晚开始进入储丝柜时间。外发烟丝各牌号烟丝需求总量除以各牌号单位批次量（kg/批）得到各牌号外发烟丝生产批次量，生成外发烟丝需求计划。烟丝需求计划去掉已有的成品库存得到烟丝生产计划，按照最晚开始进储丝柜时间升序排列。

（3）根据制丝车间工作时间设置临界点时刻。临界点用于判断烟丝在前一天生产还是当天生产。当前需要生产的烟丝总批次除以生产天数，得到日均生产批次。每批烟丝最晚开始进储丝柜时间如果为临界点之前，则安排在前一天进储丝柜；如果在临界点之后，则该批烟丝进行判断，若前一天生产烟丝批次少于日均生产批次，则安排在前一天生产，否则安排在当天生产。综合生产线可用时间和换牌时间，得到该批烟丝计划开始生产时间。储柜是否可用根据可用时刻进行判断，可用时刻为该储柜腾空时刻，即储存烟丝转移到下一道工艺结束的时刻。根据储丝柜和喂丝机对应关系，选定最早空闲的储柜，更新该储柜可用时刻。依次处理完所有自用烟丝进储丝柜计划。

（4）获取自用烟丝每日计划生产批次数。外发烟丝按照交货日期升序排列，在当前外发烟丝的生产时间区间（当前到交货日期），检索自用烟丝生产批次数最少的日期，安排生产一批外发烟丝，更新此日烟丝生产总批次数。重复本步骤直到外发烟丝全部安排完成，得到总的烟丝进储丝柜计划。

（5）参照步骤（3）生成自用烟丝进储丝柜计划的方式，根据总的烟丝进储丝柜计划，依次生成烟丝进贮叶柜计划、烟丝进预混柜计划。

（6）排产结束，输出烟丝进储丝柜计划、烟丝进贮叶柜计划、烟丝进预混柜计划，检查是否可以满足喂丝和发货。

4 排产算法在某卷烟厂的应用

该卷烟厂隶属湖北中烟工业有限责任公司，自2012年开始研制、生产细支烟产品，制丝车间有一条丝线生产线，承担自用烟丝和外发烟丝的加工。近年来，该卷烟厂实施了MES与APS系统，并在APS系统中引用了本文所设计的制丝排产算法。

4.1 数据输入

目前卷烟厂初步实施了MES 与APS 系统，制丝排产算法针对MES 系统设计了数据输入接口，直接从MES的数据库中获取排产所需的基础数据及生产数据。

4.1.1 喂丝工单输入。在该卷烟厂，信息系统中已有直接可以指导生产的喂丝工单信息，故采取以喂丝工单作为输入数据的方式。喂丝工单格式见表1。

表1 喂丝工单

4.1.2 烟丝需求计划。烟丝需求由两部分组成：自用烟丝和外发烟丝。自用烟丝指卷烟厂生产并用于喂丝工单包含自用烟丝和外来烟丝。根据自用烟丝BOM，提取出喂丝工单中的使用自用烟丝的工单，并将其转换成自用烟丝需求。转换方法是：根据烟丝BOM 将使用同种牌号烟丝的工单合并，得到自用烟丝需求计划。烟丝需求时间减去该牌号烟丝存储时间和进入储丝柜所需时间，得到烟丝最晚开始进入储丝柜时间。

外发烟丝指卷烟厂生产，然后运往别厂的烟丝，生产优先级低于自用烟丝。外发烟丝生产任务由烟丝牌号、需求总量（kg）、需求时间组成。需求总量除以单位批次量（kg/批）得到各牌号外发烟丝生产批次量。

烟丝需求计划格式见表2。

表2 烟丝需求计划

4.1.3 储柜当前信息。从数据库中获取当前各储柜中存储烟丝的信息，以便根据当前烟丝柜存量计算出烟丝可以供应喂丝时长，以便提前生产下一批烟丝，防止喂丝待料。储柜信息格式见表3，若为0，则表示储柜已经腾空。

表3 储柜当前信息

4.1.4 辅料需求计划。根据烟丝需求计划制定相应的梗丝、膨胀烟丝、香料、糖料计划，指导实际的生产。由于实际生产中只有较少烟丝需要掺兑梗丝，故本文不额外考虑梗丝生产计划，而将其作为生产准备环节进行考虑。

4.2 排产结果

排产结果包括切片回潮、叶片加料、叶丝处理等工艺段的计划生产日期、烟丝牌号、重量（kg）、起始柜、结束柜、计划开始时间、计划结束时间。排产结果格式见表4。

表4 排产结果

4.3 对比分析

该卷烟厂实际制丝计划依靠调度员凭总的生产计划预排，其制丝计划只包括烟丝牌号、批次、各个工艺段估计开始生产时间和结束时间，存在的问题有：

（1）没有给出具体使用哪个储柜，这就导致在实际生产时经常出现储柜仍被占用，不得不跳过该批烟丝的生产。

（2）没有考虑不同烟丝间的换牌时间，部分低档次烟丝换牌高档次烟丝时，需要一定时间完成清洁，如果不考虑换牌时间，就会导致随着时间推移，实际生产时间延误越来越严重，导致烟丝不能及时生产完成，出现加班现象。

（3）制丝计划只根据总的生产计划预排，而非根据喂丝计划进行排产，会导致部分喂丝工单不能满足，或者多生产一批烟丝的情况。

本文提出的制丝排产方案，可以生成完全满足喂丝计划，同时兼顾每日生产量的均衡。与手工预排相比，提高了排产精确度和稳定性，避免人主观意识导致的变动，可以为实际生产提供更好的指导。

5 结束语

本文对卷烟行业制丝车间生产作业的自动排产进行研究，对排产过程中的约束及排产需求进行分析，在此基础上提出本文自动排产的思路及实施步骤，为今后进一步对自动排产进行研究提供了坚实基础。