第6卷第3期2023年6月
Vol.6 No.3
Jun. 2023
汽车与新动力
AUTOMOBILE AND NEW POWERTRAIN
生产排程系统设计
李建星，滕茂宾
（山东玲珑轮胎股份有限公司，山东烟台 265400）
摘要：针对轮胎胎面胶生产步骤繁琐、产品种类多、传统胎面胶生产排程系统流程不合
理，以及存在设备、资源、人员浪费等问题，提出了一种结合约束理论和遗传算法的胎面胶生产排程算法。通过约束理
论解决胎面胶生产多工序、多约束、工艺复杂的问题，采用遗传算法从大量的排程结果中获得排程计划最优解，并以该算法构建的排程规则引擎为核心，设计了一套胎面胶高级生产排程系统。结果表明：所设计的排程系统可以对胎面胶生产计划排程进行自动动态调整，使得胎面胶生产计划排程执行率更高、交期更准确，可有效减少轮胎生产企业的排程耗时。
关键词：胎面胶；生产计划；排程算法；约束理论；遗传算法
0 前言
充气橡胶轮胎是汽车不可或缺的部件，因此汽车市场对充气橡胶轮胎的需求始终存在［1］。随着信息技术的不断发展，胎面胶企业的许多生产环节逐渐向数字化、自动化方向发展，越来越多的企业采用生产排程系统来提高自身的生产效率。虽然目前大部分企业的胎面胶高级生产排程系统能够部分实现库存与产能的协调统一，但距库存与产能高效率的协调统一还有很长的路要走，不少环节还存在排程不合理问题，从而导致生产滞后、资源浪费。针对上述问题，本文使用约束理论和遗传算法相结合的方式，构建胎面胶高级生产排程规则算法，并基于该算法设计了一套胎面胶高级生成排程系统。
1 算法设计
1.1 约束理论
1984年，GOLDRATT［2］提出了约束理论。约束理论作为一种管理方法，是在最优技术的基础上发展演变而来的。约束理论与最优技术最大的区别在于强调首先解决生产制造中的关键问题，打破局部最优的传统想法，提倡从全局出发，将影响因素一一列举，并从中筛选出最主要的影响因素，再对主要因素进行改善，从而到并解决制约生产流程的瓶颈问题。使用约束理论可以解决企业生产制造所遇到的瓶颈问题，以提高制造操作性能。实践证明，约束理论可以通过优化生产流程来有效提升整体资源的利用效率［3］。约束理论通常通过以下3个步骤来解决企业生产中存在的问题：（1）发现瓶颈问题。通过实际调研和分析生产数据来寻痛点问题，从而发现制约整个生产流程的瓶颈工序。由于添加其他非瓶颈的生产流程并不会提高生产效率，所以发现瓶颈问题并制定应对措施是首要的。以胎面胶企业为例，可以通过原料、工序时长和排班数量来发现瓶颈问题。
（2）解决瓶颈问题。发现瓶颈问题后并非直接将其抛弃。由于在严格的生产序列中，减少其中一个环节并不能解决根本问题，而且为解决瓶颈问
作者简介：李建星（1979—），男，本科，主要研究方向为轮胎工艺研究与智能制造应用。设计开发
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题而抛弃一个关键环节必然会产生另一个瓶颈问题，所以应当通过现有资源对出现瓶颈问题的环节进行优化，充分挖掘其改善空间，制定相应的改进措施。
（3）提升系统产能。通过判断是否为瓶颈环节可以将生产流程中的所有环节分为关键环节和非关键环节，其中出现瓶颈问题的环节即为关键环节。为改善整体的生产效率，在改善关键环节时需要其他非关键环节尽可能多的支持，使得关键环节在资源上得到相应倾斜，从而保证系统产能的有效提升。
1.2 遗传算法
在20世纪60年代，密歇根大学的HOLLAND 教授根据自然界繁殖、杂交和突变现象提出一种具有优越性能的搜索算法，即遗传算法［3］。遗传算法是优化分析的重要工具，其具有2个优势：① 遗传算法不需要分析可能存在的所有生产序列，只需要分析现有序列，即可获得提高整体效率的较优解，遗传算法虽然不能保证每次都能到最优解，但是所到的解都足够接近最优解，因此在实践中不会产生显著差异；② 使用遗传算法不需要提前定义最佳生产序列的规则，由于这些规则无法用严格的数学形式或者代码来表达，而遗传算法的本质就是价值成本计算函数，不需要规则输入，因此能够直接计算出符合最高性价比的生产序列。
遗传算法通常运用类似于生物有机体染体中的编码机制来解决问题。每个染体编码代表一个解决方案，初始会生成一个随机解决方案池，然后通过选择、交叉和变异3个基本操作来实现智能搜索。具体操作如下：
（1）选择操作的组织类似于生物过程，越优秀的个体就越有可能成为父母，并通过交换信息来创造后代。
（2）交叉操作是从现有个体中生成一个新的个体。通过这种方式将不同个体染体的编码信息组合成一个新的个体，从而保证内的个体不是一成不变的，可以持续不断地进行进化。
（3）变异操作是在单个染体的某些位置之间交换最优解的值，即在实际寻最优解的过程中对某些最优解的值进行替换，从而导致“基因突变”，这种替换结果是随机不可控的。通过变异操作可以提高种的多样性，从而获取最佳的生产序列。在到最优解之前，这个过程会不断地迭代重复。
1.3 胎面胶生产排程算法
为解决胎面胶排工不合理的问题，本文提出了一种胎面胶排程算法。整个算法分为4个流程，分别为初始化胎面胶排产计划列表、物料号去重汇总、重置计划量和均衡排产量。整个算法有以下3个环节：玲珑轮胎
第1个环节通过约束理论来构建排产规则。首先，获取成型工序4个班次的排产计划作为基础数据；其次，根据获取的成型排产计划基础数据进行迭代遍历；最后，根据高分子吸水树脂（SAP）品号和施工信息解析成型计划，生成胎面胶计划列表。
第2个环节中，为防止重复计算，会对经约束规则过滤后的排产序列进行检查，并且对计划量进行平衡。首先，出胎面胶物料编号相同的记录，进行去重，然后重新计算计划量，每个班次计划量的计算公式为：（成型一班计划量+成型二班计划量）×单耗。
第3个环节则是使用遗传算法在所有的排产计划序列中出最佳的排程顺序。首先，对记录去重后的中班和夜班总量进行计算汇总；其次，对中班和夜班中库存供应时长超过12 h的进行拆分替换，使得中班与夜班的排产总量趋于平衡；最后，根据遗传算法的迭代进化原理在众多的胶料排产计划序列中寻最佳的生产顺序，从而实现胎面胶的生产排程。
2 排程系统设计
2.1 系统架构
企业生产效率要提高，关键在于降成本、降废品率，提高设备利用率，减少设备空闲时间［4］。根据企业的实际需求及胎面胶生产的具体步骤，系统总体架构以算法引擎、插单调序、自动排程3个部
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李建星，等：基于约束理论和遗传算法的轮胎胎面胶生产排程系统设计分进行构建，以帮助企业快速确认符合各种生产约束的条件来满足计划目标与策略，制定详细生产作业计划，缩短制造期、削减库存和提高交货期的遵守率，进而有效地实现客户的利益增长。2.2 功能设计
根据算法的设计思路及系统的总体架构设计，系统功能包含以下内容：胎面排程管理功能、胎面
胶生产原料管理功能、胎面机台管理功能、胎面胶损耗率管理功能、胎面胶参数设置功能和胎面胶日志管理功能。每个管理功能模块均包含增加、删除、修改和查询等功能，以便于进行数据管理、更新等维护。其中，胎面胶参数管理功能有利于计划员根据实际情况设置排程算法的参数，从而使排程结果更准确。具体的功能设计结构如图1所示。
3 试验与结果
将所设计的排程算法在某胎面胶企业进行实际应用，对上线后的大量运行数据进行分析对比，得出的相关结果见表1。由表1可以看出，采用所设计的算法可有效减少胎面胶生产的排程耗时。
4 结语
本文采用约束理论法解决轮胎生产企业多工序、多约束，工艺复杂的问题，同时结合遗传算法解
决大规模计算问题的全局搜索方法，从大量的排程结果可行解中得到一个排程计划最优解。基于约束理论和遗传算法所设计的胎面胶高级生产排程系统可以有效减少胎面胶生产排程耗时，对胎面胶高级生产排程的建设有促进作用。
参 考 文 献
［1］ 史一锋.我国轮胎行业的发展现状与展望[J].
轮胎工业,2022,42(11):643-649.
［2］ GOLDRATT E M. The haystack syndrome:
sifting information out of the data ocean[M]. New York: North River Press, 1991.
［3］ 杨立娟，郭艳婕，李晶，等.基于遗传算法的生
产排程优化仿真实验设计[J].中国现代教育装备,2022(11):5-7,10.
［4］ 罗小峰，胡莹，余翔.基于多目标多约束条件
下排产算法设计与应用[J].制造技术与机床,2022(4):159-
164.
图1 胎面胶生产排程系统功能架构
表1 胎面胶生产排程算法应用数据分析
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