Математические модели и методы автоматизированных систем планирования производства бумаги

Объектом диссертационного исследования служит задача согласования планирования производства и сбыта бумаги или картона крупного предприятия целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП). Эта задача изучалась сотрудниками кафедры прикладной математики и кибернетики (ПМиК) Петрозаводского государственного университета (ПетрГУ) с участием автора диссертации в рамках договора с целлюлозно-бумажным комбинатом (ЦБК) ОАО «Кондопога» на разработку автоматизированной системы распределения заказов на выпуск бумаги между бумагоделательными машинами (БДМ).

В основе разработанной системы оптимизационная модель задачи планирования работы группы БДМ с учетом основных технологических особенностей ЦБК.

Полученные в ходе исследования результаты — модели, оптимизационные задачи, методы и алгоритмы их решения, принципы реализации и внедрения представлены в данной работе.

Актуальность темы

.

Современное предприятие ЦБП выпускает в неделю до нескольких тысяч тонн бумаги различной плотности и марки. Бумага режется на рулоны разных форматов и диаметров, число которых в сутки доходит до двух и более десятков. Сроки и объемы выработки продукции определяются условиями договоров с заказчиками. В целях своевременного и наиболее полного выполнения заказов необходимы объемно-календарные планы производства бумаги, формирование которых является сложной, ежедневно решаемой задачей. На крупнейших целлюлозно-бумажных комбинатах России, таких как ОАО «Котласский ЦБК», ОАО «Кондопога», ОАО «Сегежский ЦБК», эти планы составляется чаще всего экспертом: технологом или мастером производства, а средства вычислительной техники применяются только для расчета объемных показателей выработки бумаги по каждому планируемому способу раскроя бумажного полотна, но не для поиска этих способов. Это обусловлено отсутствием соответствующих программных средств автоматизации процесса распределения заказов между бумагоделательными машинами с учетом основных технологических ограничений производства. На таких комбинатах, как Архангельский ЦБК, Выборгский ЦБК, расчет способов раскроя тамбуров БДМ автоматизирован. Однако полученные решения не всегда соответствуют требованиям производства. К примеру, до начала расчета оператором выбирается номер БДМ, плотность и объем выработки по каждому заказу, тогда как более эффективным представляется автоматизировать и этот процесс.

Экономическая ситуация в России заставляет предприятие работать в режиме жесткой экономии. Заказчики предъявляют высокие требования к качеству бумаги. Конкуренция на мировом рынке заставляет стремиться выпускать продукцию, отвечающую уровню стандартов качества, а средства на реорганизацию производства ограничены.

Кроме того, работа предприятия ЦБП может быть ограничена рядом обстоятельств, не связанных с основным производством: размерами запасов сырья и денежных средств, высокими транспортными расходами, электроэнергией. В связи с истощением наиболее продуктивных и транспортно доступных лесных ресурсов их расточительное использование недопустимо. Потребности рыночной экономики призывают быть более экономным в части расходов сырья, выбирать объемы и номенклатуру выпускаемых форматов. В этих условиях предприятие не должно производить бумагу, которую не удастся быстро реализовать и перегружать склад готовой продукцией.

Таким образом, имеются объективные предпосылки для повышения качества планирования основного производства на основе расчета различных вариантов выпуска продукции.

В настоящее время на всех предприятиях ЦБП уже созданы системы сбора, контроля и обработки информации. Однако имеющаяся информация не всегда используется наиболее эффективно. Главная задача автоматизации — максимально полное использование имеющейся информации при планировании и управлении работой предприятия. Автоматизация процесса планирования упростит выбор первоочередных для выполнения заказов и распределение их между БДМ, уменьшит отходы сырья, повысит выполняемость заказа в полном объеме и в заявленный срок, позволит сократить время простоя оборудования. Автоматизация поможет по-новому взглянуть на многие процессы, поставит перед предприятием новые задачи.

В итоге, эффективность работы предприятия ЦБП зависит от уровня использования математических методов при принятии решений. Созданные в настоящее время модели, алгоритмы и программы, не учитывают многие технологические ограничения выпуска продукции, особенности заказа. Получая хорошие результаты в частных случаях, они не всегда применимы для любого предприятия ЦБП.

Цели и задачи исследования.

Целью данной работы является исследование проблемы планирования производства бумаги или картона, итогом которого должен стать комплекс модельного, алгоритмического и программного обеспечения автоматизированной системы планирования распределения заказов между бумагоделательными машинами и расчета способов раскроя их тамбуров.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

• построение математической модели распределения заказов между БДМ крупного предприятия ЦБП с учетом спецификаций заказов, производственных возможностей оборудования, включая размеры тамбуров, производительность и ожидаемое качество продукции в различных режимах работы;

• постановка задач расчета оптимального объемного и объемно-календарного планов работы БДМ;

• разработка алгоритмов решения поставленных задач;

• написание комплекса программ, реализующих предложенные алгоритмы, их тестирование и внедрение.

В работе представлены результаты, полученные в ходе решения поставленной перед автором задачи автоматизации работы отдельных участков ЦБК, связанных с планированием распределения заказов на выработку бумаги между БДМ.

Основу рассматриваемой разработки составляет хорошо изученная многими авторами задача раскроя тамбура бумажного полотна [8]. Решение этой задачи средствами динамического программирования не представляет принципиальных или вычислительных трудностей. Однако, в вариантах, представленных в [8], [47], [65], [78] не учитывается множество технологических особенностей процесса производства и сбыта бумаги. Начиная от стандартной учебной задачи линейного раскроя [39], задача постепенно усложнялась, включая такие факторы, как выбор плотности, производительность и ожидаемое качество продукции Б ДМ в различных режимах работы. В итоге получена математическая модель задачи, которая связывает работу отдела сбыта, отслеживающего выполнение заказов, и производственного отдела предприятия ЦБП, обеспечивающего выработку необходимой продукции. При этом решается основной вопрос — загрузка оборудования и распределение работ между различными БДМ с учетом плотности, марки и качества продукции, объемов выработки и планов раскроя. Основная особенность данной работы — комплексный учет широкого ряда факторов, связанных с организацией производства бумаги: выбора БДМ, распределение заказов между различными машинами, их специализация по плотности и пр. Планирование осуществляется в условиях стохастического характера качества продукции. Увязка перечисленных факторов является важнейшей целью разработки.

Сложность задачи распределения заказов между БДМ с учетом их спецификаций, производственных возможностей оборудования размеров, тамбура и возможных планов раскроя обусловлена ее комбинаторными особенностями: планирование выработки десятка форматов на 3−4 машинах допускает тысячи вариантов планов раскроя и еще больше — их комбинаций, дающих нужные объемы продукции.

Разработаны методы и алгоритмы решения оптимизационных и нестандартных задач. Алгоритмы реализованы в виде комплекса программ. Предложены принципы внедрения задач на производстве, а так же схема принятия решений при планировании работы БДМ. В настоящем исследовании приведена общая модель процесса планирования исполнения заказов на ЦБК, важная своими приложениями как в полном объеме, так и в частных случаях.

Сформулированные задачи отличают: высокая размерность переменных, множество критериев оптимальности, наличие целочисленных переменных, барьерных ограничений и прочее. Предложенные методы решения задач основываются на методах декомпозиции, генерации столбцов, эвристиках. Приводятся алгоритмы решения задач и структуры данных программ.

Методы исследования.

В работе представлены несколько подходов к моделированию рассматриваемой технологической системы, рассмотрены несколько типов задач, отражающих отдельные аспекты функционирования производства. Для решения полученных экстремальных задач применяются методы исследования операций и математического программирования.

При разработке алгоритмов применяются линейное, динамическое и целочисленное программирование, метод генерации столбцов, теория двойственности, комбинаторика, анализ алгоритмов. Вероятностный фактор учитывается с использованием теории решения задач стохастического программирования.

При проектировании информационной системы была применена теория баз данных. При создании комплекса программ использованы средства программирования, такие как BorlandC±Ь, C++Builder — для написания программы и InterBase — для создания базы данных.

Научная новизна.

Научная новизна заключается в следующем:

1. построена математическая модель выпуска бумаги, в которой учитывается вероятностный характер ее качества;

2. построены математические модели распределения заказов между БДМ с учетом ограничений для каждого способа раскроя: максимального числа вхождений каждого форматаминимальной разницы между длинами форматовобщего числа форматовмаксимального числа разных форматовмаксимального числа форматов одного вида;

3. получено рекуррентное соотношение для решения задачи линейного раскроя, учитывающее произвольное подмножество представленных выше технологических ограничений;

4. построена математическая модель расчета объемно-календарного плана;

5. разработаны численные методы поставленных задач оптимизации, в основе которых: метод генерации столбцов с использованием рекуррентного соотношения для решения подзадач линейного раскрояприменение генератора столбцов, учитывающего описанные технологические ограниченияметод ветвей и границ, эвристики;

6. применены методы сокращения объема вычислений, позволяющие эффективно решать рассматриваемые задачи большой размерности;

7. предложено четыре новых метода определения порядка выполнения заказов: два метода приоритетного выполнения заказовдва метода равномерного выполнения заказов;

8. предложены два метода интерактивного построения плана с участием оператора;

9. разработаны программные комплексы и базы данных, реализующие предложенные модели, методы и алгоритмы;

10. программные системы апробированы на реальных данных и в настоящее время внедряются на производстве.

Практическая ценность работы (научная значимость).

Разработанные в диссертации методы и алгоритмы решения задач распределения заказов между БДМ предприятия ЦБП с учетом ряда технологический ограничений позволяют повысить эффективность работы предприятия в целом. Представленные математические модели планирования распределения заказов между БДМ практически реализованы, внедрены и позволяют экономить до 1,2% материала по сравнению с ранее применявшимися расчетами, а также сокращают время составления планов раскроя. Практическая ценность заключается в возможности внедрения результатов исследования, результаты расчетов используются в настоящее время на предприятии.

Реализация результатов работы.

Автор диссертации с 2000 года участвует в разработке АСУ предприятий ЦБП: ОАО «Кондопога» и ОАО «Сегежский ЦБК». Сотрудниками кафедры ПМиК совместно с отделами АСУ в рамках договорных работ была поставлена и решена задачи распределения заказов между БДМ, реализован и внедрен в производство программный комплекс, который позволил эффективно применить математические методы в управлении производством.

Предложенные модели и методы реализованы в разработанном автором программном комплексе выполнения оптимизационных расчетов. Проведено тестирование программ, подтверждающее их работоспособность. Подготовлены и обработаны базы исходных данных.

Апробация работы.

Результаты диссертационного исследования были представлены и обсуждались на Международных научно-технических конференциях «Новые информационные технологии в ЦБП и энергетике» (г.Петрозаводск) в 2000, 2002 гг, научно-практических конференциях ОАО «Кареллес-пром», научных семинарах ПетрГУ, института прикладных математических исследований Карельского научного центра РАН и Карельского научно-исследовательский института лесопромышленного комплекса (КарНИИЛПК).

Программа планирования работы БДМ используется на ОАО «Кондопога».

Публикации.

Результаты диссертации опубликованы в 5 печатных работах.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. предварительное исследование и постановка задач;

2. математические модели оптимизационных задач, связанных с планированием работы БДМ;

3. численные методы решения рассматриваемых задач;

4. комплекс программ, реализующих предложенные методы;

5. разработанные рекомендации автора по реализации, внедрению и практическому использованию созданной системы.

Структура и объем работы.

Основная часть диссертационной работы состоит из введения, пяти глав и заключения. Представлен библиографический список использованной литературы и два приложения.

Выводы.

Автором работы разработан программный комплекс, обеспечивающий поиск оптимального планирования производства и сбыта бумаги на краткосрочный период работы ЦБК с увязкой:

1. планирования сбыта продукции (по номенклатуре, объемам, а в дальнейшем, по срокам работы);

2. планирования производства на уровне распределения заказов между БДМ, выбора способа раскроя, плотности и, возможно, скорости работы машины;

3. управления запасами (прогнозирование поступления и отгрузки продукции различных форматов, плотностей и марок);

4. учета качества продукции.

Заключение

.

При моделировании распределения заказов между БДМ были получены следующие результаты:

1. Построена математическая модель объемного и объемно-календарного планирования выпуска бумаги, учитывающая вероятностный характер ее качества,.

2. В рамках математических моделей распределения заказов между БДМ учтен ряд технологических особенностей.

3. Для решения поставленных математических задач использованы методы динамического программирования, линейного программирования, генерации столбцов, ветвей и границ, отсечений.

4. Проведено исследование рассмотренных оптимизационных задач.

5. Разработаны численные методы поставленных задач оптимизации, с применением: метода генерации столбцов с использованием рекуррентного соотношениягенератора столбцов, учитывающего описанные технологические ограниченияослабления и ветвления задачи для учета нижних ограничений на объем выработки тамбура и минимизации числа применяемых планов раскроя.

6. Предложены методы определения порядка выполнения заказов.

7. Предложены методы интерактивного построения плана с участием оператора.

8. Разработаны программные комплексы и базы данных, реализующие предложенные модели, методы и алгоритмы.

Направления дальнейших исследований связаны со следующим:

1. Сбор и анализ статистических данных, уточняющих вид функции распределения качества бумаги в зависимости от скорости работы БДМ.

2. Разработка программы согласованного планирования планово-профилактических ремонтов и графика работы комплекса БДМ.