鋼鐵供應鏈生產計劃與調度研究綜述
李建祥1，唐立新2
(1北京理工大學自動控制系，北京100081)
2東北大學信息科學與工程學院，遼寧沈陽1 10004
摘 要：在供應鏈管理及競爭的背景下，提出鋼鐵供應鏈的概念。該銅鐵供應鏈由礦山、
鋼鐵企業、分銷商和用戶組成，其管理核心是生產計劃與調度：分析了鋼鐵供應鏈的生產計劃與調度研究內容和特點，綜述了研究現狀，指出了存在的不足、最后，提出了鋼鐵供應鏈生產計劃與調度工作進一步研究的問題
關鍵詞：生產計劃與調度；供應鏈；鋼鐵生產；協調
中圖分類號：TP 27 文獻標識碼：A
1引言
鋼鐵工業是國民經濟的支柱產業，為國民經濟其他重要行業(如機械、建筑、汽車制造等)提供原料，在國民經濟的發展中發揮著重要的和基礎性的作用。
隨著全球經濟一體化和高新技術的迅猛發展，鋼鐵企業面臨著日益激烈的競爭，而且競爭規則發生了改變。傳統上是同行業中的單個企業間的競爭，現在已經變為整個供應鏈之間的競爭[1-2]。
供應鏈管理不僅成為了鋼鐵企業贏得競爭的重要手段，而且是當前的研究熱點之一：在整個供應鏈中，生產計劃與控制系統處于核心地位，其功能的強弱影響到供應鏈管理的成敗，關系到企業的效率與效益，因此研究鋼鐵供應鏈中的生產計劃與調度問題具有重要的理淪和實際意義。
2 鋼鐵供應鏈
一條完整的鋼鐵供應鏈，是以鋼鐵企業為核心，由礦山(包括選礦廠)、鋼鐵企業、分銷商、用戶組成的網絡，通過這個網絡，為用戶提供產品，實現價值鏈的增值。鋼鐵供應鏈的產品是各種鋼鐵產品，如型鋼、帶鋼、線材、管材等；主要原料是礦石，如鐵礦石、錳礦石、石灰石、白云石等。鋼鐵供應鏈的一般結構如圖1所示。
供原料一礦石。鋼鐵廠是制造商，生產鋼鐵產品。礦山分露天礦和地下礦兩種，鋼鐵供應鏈主要原料鐵礦石的供應商鐵礦山一般是露天礦。本文僅考慮露天礦的情況。
相對于一般供應鏈而言，鋼鐵供應鏈有2個特點：①作為供應商的礦山直接作用于大自然，因而沒有供應商(僅指原料供應商，實際上礦山仍然存在燃料、工具、設備等的供應商)，而在一般供應鏈中，供應商通常還有供應商。②作為制造商的鋼鐵企業其本身包含多個相對獨立的生產單元(以鋼管企業為例，包括煉鐵、煉鋼連鑄、熱軋、熱處理和管加工)，相鄰單元間是供應和需求的關系，因此鋼鐵企業內部電表現為明顯的供應鏈結構。為區別起見，本文稱鋼鐵企業內部各生產單元結成的供應鏈為鋼鐵企業內部供應鏈，稱鋼鐵企業與外部企業(礦山和／或分銷商)結成的供應鏈為鋼鐵企業外部供應鏈。
3鋼鐵供應鏈計劃與調度
供應鏈管理的范疇很廣，包括供應鏈合作伙伴選擇、供應鏈績效評價與激勵機制、采購與物流管理、庫存控制、生產計劃與控制等。其中，生產計劃與控制系統處于核心地位。這點在鋼鐵供應鏈中表現得尤其明顯。因為鋼鐵供應鏈上的礦山和鋼鐵企業均是資本和能源密集型的生產企業，只有制定合理嚴密的生產計劃與調度，企業的各項資源才能得到合理的配置，生產才能夠按比例協調地發展，從而降低生產成本、提高服務水平、快速響應市
場，達到以最少的投入獲得****的經濟效益的目的。
1)計劃與調度的特點 供應鏈環境下與非供應鏈環境下的計劃與調度，它們的區別就在于前者通常涉及供應鏈中的多個環節，甚至所有環節，多個企業的生產、采購和銷售計劃參與其中，而后者通常僅涉及一個環節，前者計劃與調度工作的關鍵在于協調，相對于后者的計劃與調度工作更復雜。
2)計劃與調度的層次按照計劃期的長短，生產汁劃通常分為長期、中期、短期和作業計劃4個層次。長期計劃是企業的戰略性綱領，確定企業的長期目標，諸如5年計劃、10年規劃等。中期計劃一般是未來1～3年的營運發展計劃。二者均屬于經營管理的范疇，是企業的戰略層計劃。短期計劃和作業計劃屬于生產管理的范疇。作業計劃通常又稱為調度，因此整個生產計劃工作通常習慣性地統稱為生產計劃與調度。
事實上各層次計劃問沒有嚴格的時間界限區分。即使目前存在著許多的層次劃分方法，劃分的各層計劃包含的內容不完全一樣，但表達的基本思想是一致的，即上層計劃約束下層計劃，計劃層次越高，決策越宏觀，周期越長；計劃層次越低，決策越具體，周期越短。
3)計劃與調度的結構可以從2個維度來考慮鋼鐵供應鏈計劃與調度的結構。第1維是供應鏈環節；第2維是計劃的層次。如果從第l維考慮，鋼鐵供應鏈包括礦山、鋼鐵企業、分銷商和用戶4個環節。從計劃與調度的角度，只須考慮前3個環節。如果從第2維考慮，鋼鐵供應鏈計劃與調度分為戰略層、戰術層和運作層3個層次。因此，如果同時從2個維考慮，則鋼鐵供應鏈計劃與調度包括9(=3×3)部分內容，如圖2所示。
供應鏈管理的關鍵在于協調，因此供應鏈計劃與調度的關鍵也在于協調。這種協調包括供應鏈相鄰2個環節之間、多個環節之間以及整條供應鏈的協調。具體到鋼鐵供應鏈，它包括鋼鐵企業與礦山之間、鋼鐵企業與分銷商之間以及整個鋼鐵供應鏈(3個環節之間)的協調生產計劃與調度，而且包括鋼鐵企業內部供應鏈多個環節的協調。
4鋼鐵供應鏈計劃與調度的研究現狀
由于鋼鐵供應鏈生產計劃與調度的復雜性，目前對于它的研究多是關于單個節點的，對于協調計劃與調度的研究，主要包括2個部分，一是關于鋼鐵企業與分銷商的協調計劃問題，二是關于鋼鐵企業內部多個環節之間的協調計劃與調度問題。下面分別綜述，同時會指出存在的問題、給出將來的發展方向。
1)露天礦生產計劃與調度問題露天礦生產計劃尋求的是在給定的技術和經濟條件下經濟效益****的開采方案。通俗地講，就是決定在哪開采及開采多少。它的關鍵是確定礦巖的開采順序，即先開采哪些礦巖后開采哪些礦巖。從這種意義上來說，露天礦生產計劃通常又稱為露天礦生產調度。本文將它們統稱為生產計劃與調度。
目前關于露天礦生產計劃與調度的研究文獻，大致分為3類：一類是計算機模擬或計算機輔助設計的方法，這類文獻多見于實際礦山應用系統[3-4]；一類是數學優化方法，包括線性規劃，(混合)整數規劃，動態規劃，圖論等、一類就是上述2種方法的?昆合方法。詳細綜述請參見文獻[12]。
2)鋼鐵企業生產計劃與調度問題鋼鐵企業
有復雜的生產工藝，這種復雜的生產工藝決定了其生產計劃與調度的復雜性。鋼鐵企業生產計劃與調度問題可細分為煉鐵、煉鋼、連鑄、熱軋等計劃與調度問題以它們之間的協調計劃與調度問題。
①煉鐵計劃問題煉鐵計劃問題又稱為高爐生產計劃問題，實質是一個復雜的物料(包括各種礦石、熔劑和燃料)配比問題。傳統上解決該問題的方法是根據經驗公式通過手工或計算機進行計算，無法保證****性。文獻[13]應用線性規劃求解該問題，將高爐的高溫物理化學過程和產品的質量要求作為一系列的約束，在保證高爐順利生產的前提下尋求****物料配比。文獻[14]根據高爐生產工藝的新進展及管理的新要求，對文獻[13]進行了完善。二者的不足是在考慮熱量平衡約束時假設溫度已知，事實上高爐內的溫度與配料有關，因此存在
誤差，盡管不是很大。構建更合理的熱量平衡約束是將來努力的一個方向。另外，高爐生產工藝會不斷變化，因此要求高爐生產計劃也隨之做出改變。
②煉鋼．連鑄調度問題煉鋼調度通常與連鑄調度一起考慮。文獻[15]基于準時制的思想建立了煉鋼-連鑄調度模型，在模型中考慮了機器沖突問題的解決，然后經過變換將非線性規劃問題轉化為線性規劃問題使之容易求解。熱軋調度問題通常被歸結為旅行商問題(TSP)或者多旅行商問題(MTsP)，并提出模擬退火[16]，遺傳算法[17]，禁忌搜索[18],Multi-Agent[19]等算法進行求解。文獻[20]研究了煉鋼一連鑄一熱軋西調生產調度問題，建立了統一模型并提出兩階段算法。相似的文獻還有文獻[21]等。文獻[22-23]對煉鋼、連鑄、熱軋階段的及它們之間的協調生產計劃與調度系統和方法進行了綜述，將所用的生產計劃與調度方法總結為4種：運籌學方法、人工智能方法、人機交互方法、A-teams方法，人工智能方法又細分為專家系統、智能搜索和約束滿足方法。
③熱軋無縫鋼管計劃與調度問題需要指出的是，鋼鐵企業的產品按照形狀來分，可分為管、板、型、卷、線5大類，不同形狀的產品劉生產計劃的方法影響很大[24]。鋼管作為重要的經濟鋼材之一，目前正以高于平均水平的速度增長。但是注意到在大量的鋼鐵生產計劃與調度文獻中，關于鋼管的很少。這可能與鋼管的特殊生產工藝有關。鋼管煉鋼連鑄階段與其他鋼材基本相同。但熱軋比其他鋼材熱軋具有更復雜的生產工序，因為相對于其他鋼材而言，鋼管具有更多的產品屬性，因此熱軋階段的生產計劃與調度也更加復雜。另外，鋼管在
經歷熱軋后，通常需要經過熱處理和加工才能成型，而一般鋼材則不必經歷這2個階段：因此管加工階段的計劃與調度問題也是鋼管生產計劃與調度研究范疇的一部分。
文獻[25_28]研究了鋼管熱軋調度問題。鋼管熱軋調度問題實質是一個批調度問題，這些文獻均采用將原問題分解成組批和排序2個子問題的方法，先解決組批問題，然后決定軋次之間的順序。其中，文獻[25]建立了組批的數學模型并設計了求解模型的遺傳算法；文獻[26]將其概括為調整時間與加工順序有關的單機調度問題，建立了相應的TsP模型并使用遺傳算法求解；文獻[27]使用基于知識的啟發式方法確定軋批的順序；文獻[28]采用人工智能方法確定軋批的順序。這些文獻的共同特點是沒有考慮交貨期的影響。事實上合同的交貨期對合同排序有著重要影響，因此考慮提前／拖期懲罰的鋼管熱軋調度是將來研究方向之一。
上述文獻僅研究了鋼管一個生產階段的調度問題。目前未見專門研究管加工階段的文獻。事實上，鋼管生產管加工階段具有豐富的問題可以研究：它的調度問題幾乎包含了所有調度問題的特點，例如并行流水車間、無等待、帶設置時間和運輸時間等：
3)供應鏈協調生產計劃與調度問題供應鏈協調生產計劃與調度包括完整供應鏈的協調生產計劃與調度[29](涉及供應商、制造商和分銷商)和部分供應鏈的協調生產計劃與調度[30](如制造商與供應商的協調以及制造商與分銷商的協調)。目前鋼鐵供應鏈協調生產計劃與調度的研究僅限于部分供應鏈的協調，而且僅涉及制造商(鋼鐵廠)與分銷商的協調，未發現制造商(鋼鐵廠)與供應商(礦山)的協調。
文獻[31]對服務于建筑業的鋼鐵行業(鋼筋制造)中的制造和銷售掰級供應鏈進行了分析和建模，重點是設定最小庫存。文獻[32]的研究是從汽車用鋼的三級供應網絡(銷售端)研究計劃衍生而來，研究的主要目的是指出供應鏈中的浪費活動，并指出供應鏈的第一層和第二層供應商的批調度是未來供應鏈動力學研究的一個關鍵問題區。文獻[33]關注了汽車用鋼的四級供應網絡內的需求擴大現象，并提出一種減小這種擴大的方法。顯然這些文獻的重點不在計劃與調度的協調上。文獻[34]盡管沒有提供應鏈的概念，但它實際描述的是一個煤炭供應鏈的結構，建立了這個結構的協調生產一銷售計劃模糊線性規劃模型，實例證明了模糊規劃存煤炭供應鏈計劃中還是比較適用的。該文對鋼鐵供應鏈中礦山與鋼鐵廠的協調生產計劃問題建模與求解有借鑒作用，主要表現在用模糊數表示原料成分上。
5結語
總結前文，鋼鐵供應鏈生產計劃與調度進一步研究的問題包括：
①選礦生產計劃與調度問題。對該問題有待深入研究，對問題建模與求解將開創一個全新的領域。
②管加工調度問題。該調度問題幾乎包含了所有調度問題的特點，例如并行流水車間、無等待、帶設置時間和運輸時間等，可以為許多調度問題提供實際應用背景。
⑧礦山與鋼鐵廠的協調生產計劃問題。
④鋼鐵供應鏈整體防調生產計劃與調度問題。
總之，鋼鐵供應鏈生產計劃與調度還有很多問題有待研究。共性的就是需要開發更多更有效的求解各種性質問題的精確算法、近似算法和智能優化算法。最終目的是將研究成果推向實際應用。
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