钢铁企业集成化生产调度模型的研究

    1 引言
   
    市场经济环境下，面对竞争激烈的外部市场，企业需要通过加强内部生产管理提高市场竞争力。与国外相比，国内钢铁行业的生产技术、装备和管理手段整体上比较落后，难以适应市场的需求变化。许多企业虽然引进了一些关键生产设备，但由于缺乏科学、合理的整体生产计划，导致这些关键设备的潜能并没有全部释放出来。信息技术和现代管理技术的发展为企业管理模式实现扁平化提供了手段和理论依据 ，通过构建生产调度系统，实现集中优化调度，可以改变由于过去人工编制生产计划，多层管理造成的不合理、效率低的状况。钢铁行业的生产调度已经被公认为是最复杂的工业调度问题之一，它包括多个复杂生产阶段的调度问题，细化的各个阶段又都具有多重生产实际的约束。对适合钢铁企业的生产调度模型进行研究具有十分重要的实际意义。
   
    2 钢铁企业生产特点
   
    通常制造业按照其生产工艺的特点可以分为三种类型:连续制造业、离散制造业和介于两者之间的混合企业。典型的钢铁企业包括原料处理、炼铁(钢)、模铸(连铸)、轧钢等加工阶段，介于离散生产阶段和连续生产阶段之间，属于混合型制造企业。钢铁企业生产有着自身的物流特点和生产方式:
   
    (1)生产阶段具有鲜明的阶段性:冶炼阶段以化学变化为主，控制产品的化学成分;浇铸、轧制阶段以物理变化为主，控制产品的相变和外形尺寸的大小。运用成组技术将制造标准、化学成分相同的产品合炉冶炼，轧制规格相同的产品集中轧制，成为钢铁生产计划调度的核心。
   
    (2) 生产能力具有集中性:企业生产能力的大小体现在企业的关键设备上，如轧机、炼钢炉等。这些设备的生产安排需要优先考虑。
   
    (3) 部分生产阶段具有连续性:从炼铁(钢)到浇铸成链(坯) ，整个阶段以一种流水线的生产方式进行，是高温、高能耗加工阶段。产品在前后工序之间具有连续性要求，不允许中断，否则会造成工序设备不必要的占用或者能源浪费。
   
    钢铁行业生产的关键原则是围绕关键设备、区分不同的生产阶段合理安排生产，确保生产安全、稳定、物流畅通，并最大限度的挖掘瓶颈设备的生产能力，实现企业满负荷、优质、高效的生产。以上需求即是钢铁企业生产调度目标模型的最终需求。
   
    3 钢铁企业生产调度模型研究
   
    调度是一类应用广泛的运筹学问题，从上个世纪五十年代以来，一直是国内外研究的焦点。人们采用了许多先进技术对调度问题进行研究和求解，其中包括数学规划( mathematical programming) 、专家系统(expert systems) 、神经网络(neural networks)、遗传算法(genetic algorithms) 和模糊逻辑(fuzzy logic) 。由于调度问题涉及面广、因素复杂，目前尚无一个能够对调度问题进行全面而有效求解的方法。实际生产当中，企业生产调度问题不只是针对某几台设备，而是生产全过程，需要构建起覆盖整个企业生产过程的、简单有效的全流程级动态调度模型。
   
    通常调度问题可以定义为:在满足某些约束(任务的先后关系、预定的完成时间和资源能力等)的条件下对操作(任务)的排序，按照排序的次序给它们分配资源和时间，并且使某个执行目标达到最优(如总的执行时间最短、拖期时间最短和生产费用最低等等)。
   
    3.1 问题描述
   
    以下采用Graham 等( 1979) 提出的三元组方法，结合钢铁企业的一般生产情况，对钢铁企业生产调度问题进行详细分析。三元组由三个域α/β/γ组成，每个域描述了生产调度需要考虑的一个方面。
   
    α: 表示处理机的数量、类型和环境。处理机包括设备资源、人力资源、技术资源和信息资源等生产当中使用的有限资源。为了降低问题的复杂度，通常只考虑设备资源制约车间生产能力的情况。
   
    β:表示任务的性质、加工要求等各种约束。钢铁生产的约束规则繁多，主要分为产品的优先级要求、不同生产阶段下的工序连续性要求以及设备的使用要求。

    (1) 产品的优先级要求约束
   
    产品按照性质不同分为正常品、新产品和军工产品，新产品和军工产品要求优先安排;同时不同钢种、不同规格的产品需要的生产周期不同;客户要求交货期早的产品需要优先安排。综合考虑各方面因素，设置总优先级系数，用于表示一个生产任务要求优先安排的程度。生产任务按照总优先级系数排序，构成任务序列。生产过程中，根据设备的特点、生产工艺的要求，生产任务通常进行重新排序。
   
    (2) 工序连续性要求约束

    任务的生产工艺路线有连续性要求时:例如从炼钢到浇铸，其前后的加工工序必须紧密衔接，不能被中断，采用先进先出即FIFO (First In First Out) 调度规则;任务生产工艺路线没有连续性要求时，例如退火、精整、磨光等，与通常的离散型制造业工序相似，采用最短加工时间优先即SPT ( Shortest Processing Time first) 调度原则，可以获得最短总完工时间。生产调度模型根据任务所在不同工序阶段的工艺要求，动态选用合造的调度规则。
   
    (3) 设备使用要求约束

    每台生产设备都具有自身的使用特点。钢铁企业生产当中，关键设备的生产安排不当，会对企业生产成本、生产能力造成相当大的影响。不同工序的设备使用要求为:炼钢生产必须合理安排冶炼顺序，避免频繁更换钢种;轧钢生产利用成组加工优化原则合理安排轧制辑期，将相同规格的产品进行集中轧制，减少轧机的轧辑调整次数。
   
    γ: 表示调度要优化的目标它可以是加工周期、(加权)总完工时间、最大拖期、(加权)总误工数及其组合等。钢铁生产的调度目标通常为最小加工周期。
   
    通过分析可见，钢铁企业的生产调度具有多阶段、多约束等特点。