流程工業(yè)擬實優(yōu)化調度系統(tǒng)研究

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1 引 言

流程工業(yè)的綜合信息化是提高企業(yè)核心競爭力的重要策略和必由之路。生產(chǎn)調度作為連接管理與生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，關系到從企業(yè)資源計劃（ERP）到生產(chǎn)控制的整體優(yōu)化實現(xiàn)，是流程工業(yè)綜合信息化的核心組成部分。對有效地提高流程工業(yè)綜合自動化和信息化水平，有機集成生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)和經(jīng)營管理信息系統(tǒng)，快速、有效、低成本地建立流程企業(yè)生產(chǎn)調度系統(tǒng)，以提高產(chǎn)品質量、降低生產(chǎn)成本、節(jié)約能源、減少環(huán)境污染和資源消耗、提高生產(chǎn)效率、實現(xiàn)流程工業(yè)的綠色生產(chǎn)，提高企業(yè)對市場的快速應變和調控能力，增強企業(yè)市場競爭力，有著非常重要的現(xiàn)實意義。

由于流程工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)具有多品種、大批量、周期短、運行復雜（包括設備故障、檢修，物料-中間品-產(chǎn)品關聯(lián)等）等特點，并包含大量復雜的資源約束、工藝約束和能源約束，對生產(chǎn)調度的實時性、協(xié)調性要求很高。生產(chǎn)優(yōu)化調度系統(tǒng)建模、調度、驗證等十分繁雜、對用戶要求極高，建立有效的優(yōu)化調度系統(tǒng)非常困難。在流程工業(yè)生產(chǎn)計劃的數(shù)學規(guī)劃模型、調度算法、約束理論、仿真方法，以及人工智能方法等方面都取得了許多研究和應用的成果。然而，如何有效地結合流程工業(yè)實際生產(chǎn)過程，建立有效的擬實調度方法，并在現(xiàn)場實施，仍是MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）所面臨的一個關鍵問題。

2 調度建模

流程工業(yè)的生產(chǎn)調度是指在滿足裝置設備和工藝要求的條件下，對多種可行產(chǎn)品的生產(chǎn)在時間和設備上進行規(guī)劃，從而確定出生產(chǎn)過程的產(chǎn)品結構、資源分配和流程路線。在用戶定義的時間長度內，滿足生產(chǎn)約束（包括物流平衡、資源限制和庫存控制、定單要求）的調度為可行調度。優(yōu)化調度即相對于評判函數(shù)最好的調度方案。

Rich S.et al，Kondili E.et al，Ku H. M.（1988），Wellons M.C.et al（1991），王朝暉等先后根據(jù)不同的流程工業(yè)生產(chǎn)過程探討了混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）模型的建立方法，他們對時間段的劃分均采用統(tǒng)一時間長度方式（UDM）。Kondili E. etal以狀態(tài)-任務網(wǎng)絡圖（STN）抽象形式描述化工處理過程，以UDM 方式建立了生產(chǎn)調度問題的混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）一般模型，能夠處理廣泛的流程工業(yè)生產(chǎn)過程調度問題，如間歇/ 半連續(xù)生產(chǎn)過程，各種中間存貯方式，Multi-product / Multi-propose 等情形，奠定了化工生產(chǎn)調度問題數(shù)學建模的基礎。

狀態(tài)-任務網(wǎng)絡圖（STN）是一種表示化工工藝的有向圖，它由兩種節(jié)點組成：狀態(tài)節(jié)點和操作（任務）節(jié)點。狀態(tài)節(jié)點表示輸入原料、中間產(chǎn)品或最終產(chǎn)品；操作節(jié)點表示處理任務，該處理任務將一種或多種輸入狀態(tài)轉化為一種或多種輸出狀態(tài)。有向線上的小數(shù)表示投料比例/ 產(chǎn)出比例系數(shù)。

1）STN實例：某化工過程生產(chǎn)兩種產(chǎn)品P1和P2，需要三種原料FA，F(xiàn)B和FC，生產(chǎn)中有三種中間產(chǎn)品IAB，IBC，IE。生產(chǎn)工藝的STN如圖1所示。

圖1 STN實例

2）調度問題的表述假設化工生產(chǎn)過程調度問題為P，給定：生產(chǎn)過程的工藝描述（STN）及全部相關信息；一個感興趣的時間段H；用戶訂單信息及原料到貨信息。求：每臺設備的生產(chǎn)任務安排，即各操作的開始時間及相應批量。使得：目標函數(shù)（如生產(chǎn)效益）最優(yōu)。

為了便于調度問題的求解，特作以下假設：

①非搶占式，即任何操作不能搶占正在執(zhí)行另一個操作的設備；②對于間歇生產(chǎn)裝置，操作處理時間固定，不受生產(chǎn)批量影響；對于連續(xù)生產(chǎn)裝置，操作的生產(chǎn)效率保持恒定；③物料從狀態(tài)到操作或操作到狀態(tài)都是瞬時完成的；④所有可決策的數(shù)據(jù)最后固定在感興趣的時間段上。

3 擬實優(yōu)化調度系統(tǒng)

根據(jù)調度建模問題分析，并結合典型流程工業(yè)生產(chǎn)過程實際需求調研，本文提出擬實優(yōu)化調度系統(tǒng)框架：①通過可視化生產(chǎn)工藝描述，有機銜接需求鏈管理 DCM（Demand Chain Management）、供應鏈管理SCM（Supply Chain Management）、企業(yè)資源計劃ERP（Enterprise Resource Planning）以及生產(chǎn)自動化系統(tǒng)，快速建立生產(chǎn)系統(tǒng)模型（包括生產(chǎn)過程的內在聯(lián)系及其演化規(guī)則）；②采用調度數(shù)學規(guī)劃模型生成算法及高效的尋優(yōu)算法，生成有效、經(jīng)濟的生產(chǎn)調度計劃，并利用甘特圖、棒狀圖、趨勢圖等直觀顯示；③利用連續(xù)Petri 網(wǎng)技術模擬生產(chǎn)，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集比較，實現(xiàn)調度計劃的動態(tài)監(jiān)控；④監(jiān)控發(fā)現(xiàn)偏離，以及異常生產(chǎn)工況、緊急訂單、物料短缺等情況下，可進行動態(tài)再調度。

1）系統(tǒng)整體構架：優(yōu)化調度系統(tǒng)整體構架，主要由靜態(tài)調度、動態(tài)調度、動態(tài)監(jiān)控和統(tǒng)計報告4大功能模塊組成。

靜態(tài)調度模塊對計劃、供應、銷售等部門生成的綜合計劃進行分解、優(yōu)化，生成計劃方案并將計劃指令下達給動態(tài)調度模塊；動態(tài)調度模塊根據(jù)計劃指令并結合由動態(tài)監(jiān)控模塊提供的生產(chǎn)工況反饋信息進行優(yōu)化，生成調度方案，并將調度指令傳達給動態(tài)監(jiān)控模塊，同時，對生產(chǎn)計劃方案進行修正。動態(tài)監(jiān)控模塊根據(jù)調度指令生成控制指令下達給生產(chǎn)過程，從而實現(xiàn)生產(chǎn)的調度、控制。統(tǒng)計報告模塊根據(jù)實際工況以及各種生產(chǎn)信息，生成統(tǒng)計報告，反饋給靜態(tài)調度模塊和綜合計劃模塊，以指導生產(chǎn)計劃方案和調度方案。如圖2所示。

圖2 優(yōu)化調度總體構架

2）系統(tǒng)組成及方案設計系統(tǒng)模塊主要包括：系統(tǒng)建模、優(yōu)化調度、過程模擬、過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計分析等。系統(tǒng)功能結構如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能結構圖

①系統(tǒng)建模該模塊完成生產(chǎn)優(yōu)化調度系統(tǒng)的生產(chǎn)模型有效描述，包括生產(chǎn)過程的內在聯(lián)系及演化規(guī)則，能夠處理較廣泛的生產(chǎn)過程調度問題，如間歇/半連續(xù)生產(chǎn)過程，各種中間存貯方式（UIS/FIS/NIS/MIS），Multi-product/Multi-propose等情形。

根據(jù)2節(jié)“調度建模”原理，通過STN圖可視化描述生產(chǎn)系統(tǒng)中的生產(chǎn)工藝，定義其工藝名稱、生產(chǎn)路徑、物料清單、主次設備、處理速率、緩存類型、庫存水平、需求定單等內容，建立生產(chǎn)任務、資源、設備等要素的內部邏輯關系，充分表征生產(chǎn)系統(tǒng)。

②優(yōu)化調度該模塊完成優(yōu)化調度中優(yōu)化模型的生成和優(yōu)化調度方案的求解。

模型生成：根據(jù)生產(chǎn)工藝信息、產(chǎn)品銷售計劃、原料采購計劃、設備維修計劃、產(chǎn)品（中間體、原料）庫存信息和設備生產(chǎn)能力，生產(chǎn)資源占用、消耗、生產(chǎn)成本等生產(chǎn)約束信息，生成基于OPL模型語言描述的優(yōu)化模型的數(shù)據(jù)文件。

優(yōu)化求解：根據(jù)選擇優(yōu)化目標：最大生產(chǎn)能力、最大利潤、滿足銷售訂單（零庫存銷售），確定其對應的優(yōu)化模型的模型文件。將優(yōu)化模型的模型文件和數(shù)據(jù)文件提交給ILOG OPL Studio，通過CPLEX和Solver求解器自動求解其最優(yōu)解，并將其結果自動存入到數(shù)據(jù)庫中。優(yōu)化調度結果提供通用、直觀的Gantt圖顯示，并提供調度方案人工修改。

③過程模擬：利用連續(xù)Petri網(wǎng)簡化動態(tài)模型，模擬生產(chǎn)過程，得到大量過程數(shù)據(jù)，用來驗證調度方案。以物料為中心，隨調度時間變化，以圖形的方式動態(tài)顯示某個物料的變化趨勢以及某時刻與某物料生產(chǎn)消耗相關的設備運行狀況。物料變化包括：采購、銷售、生產(chǎn)（產(chǎn)出及消耗）。某時刻與物料消耗相關的生產(chǎn)設備的分布狀況：分車間、工段顯示。移動觀察點時間游標，即可瀏覽某時刻的物料動態(tài)變化信息以及該時刻的物料生產(chǎn)消耗或產(chǎn)出情況。

④過程監(jiān)控：根據(jù)實際采購到貨、銷售、生產(chǎn)等信息，監(jiān)控生產(chǎn)計劃的執(zhí)行，并根據(jù)預先設定的監(jiān)控敏感數(shù)據(jù)，監(jiān)視生產(chǎn)進度和機器工況。調度方案經(jīng)模型仿真得到的中間結果，如截止每天或每班應完成的產(chǎn)品規(guī)格的產(chǎn)量、完成合同估計值等，以3δ正態(tài)分布設置監(jiān)視區(qū)域，監(jiān)視生產(chǎn)進度，越限則報警，同時顯示實際合同完成情況的評估。若遇到機器故障或合同完成情況相差過大，則提示重新調度。

⑤數(shù)據(jù)采集：該模塊實現(xiàn)與經(jīng)營管理信息系統(tǒng)（DCM、SCM、ERP等）無縫銜接，通過接口函數(shù)自動采集庫存信息、采購計劃、銷售計劃、設備檢修計劃等，為生產(chǎn)調度提供基礎數(shù)據(jù)。

⑥統(tǒng)計分析：提供調度計劃、物料平衡日報表、銷售計劃、采購計劃、設備維修計劃、庫存信息、調度基礎數(shù)據(jù)的多條件的隨意組合查詢、統(tǒng)計分析。

4 應用實例

某藥業(yè)集團卡馬西平系列產(chǎn)品有10多種版本，產(chǎn)品90%出口，市場需求變化快，其生產(chǎn)過程具有典型的多品種、間歇式、混流生產(chǎn)調度特性（生產(chǎn)車間擁有46個反應釜），其生產(chǎn)流程如圖4所示。

圖4 卡馬西平生產(chǎn)流程圖

其對應的生產(chǎn)工藝STN描述如圖5所示。

圖5 卡馬西平STN圖生產(chǎn)工藝

原企業(yè)在未實施該系統(tǒng)前，完全由人工排產(chǎn)，通過粗放型采購、生產(chǎn)，以積壓原材料、中間體和產(chǎn)品，占用資金的代價來滿足市場銷售變化。通過集成采購、銷售、庫存、生產(chǎn)等系統(tǒng)，建立其生產(chǎn)優(yōu)化調度系統(tǒng)，取得了顯著效益。生產(chǎn)計劃與調度更便捷、效率大大提高。原生產(chǎn)周計劃人工調度需要編制2天，現(xiàn)在還不足20 min，其方案優(yōu)于人工調度方案。根據(jù)銷售計劃安全生產(chǎn)、適時采購原料，減少原料過剩、產(chǎn)品積壓，加快資金周轉，此項節(jié)約資金約200萬元/年。調度方案合理，支持混流生產(chǎn)，大大提高生產(chǎn)設備利用率，以此提高了生產(chǎn)能力。同時調度方案仿真、生產(chǎn)過程動態(tài)監(jiān)控，生產(chǎn)異常情況下的動態(tài)調度，提高了生產(chǎn)的調控能力。

5 結 語

本文針對流程工業(yè)生產(chǎn)典型調度問題，提出了擬實優(yōu)化調度系統(tǒng)框架，建立了基于可視化生產(chǎn)系統(tǒng)建模、優(yōu)化求解、過程模擬、過程監(jiān)控為一體的優(yōu)化調度系統(tǒng)，將復雜的生產(chǎn)系統(tǒng)描述轉變?yōu)楹唵?、直觀的生產(chǎn)工藝流程的描述，優(yōu)化模型自動生成，可視化過程模擬、可視化過程監(jiān)控，使抽象、復雜的優(yōu)化調度工作變得極其直觀、簡單。有效解決了流程工業(yè)實際生產(chǎn)中的生產(chǎn)計劃和動態(tài)調度問題，大大提高生產(chǎn)調度的效率和準確性，減少原材料、產(chǎn)品積壓，提高設備的效率，并在實際應用中取得很好的經(jīng)濟效益。（萬方數(shù)據(jù)）