摘要针对印染过程中的主要耗水环节——染布清洗，运用过程优化思想，构建基于水资源消耗量最优的染布订单排序模型，并开发了基于动态生产的印染企业订单排序软件系统，在此基础上以某印染企业为对象进行了应用研究．结果表明：运用该系统对印染企业订单进行优化排序以后，在不对工艺和设备进行大量投资改造的情况下，印染企业可以在现有基础上节水20％一40％．

 

1引言

印染行业是我国主要工业行业之一，也是主要的水资源消耗和水污染物排放行业．据统计，印染行业每生产1 kg产品需要消耗0．2 0．5 ITl3的水，其废水排放昔约占我国工业废水排放总量的35％．同时，印染废水成分复杂，末端处理难度大且处理成本很高[1-2】．因此，研究印染行业节水减排技术对于实现印染行业可持续发展具有十分重要的意义．然而，目前印染行业还主要是通过废水处理实现达标排放，其处理成本高且效果不明显，虽然也有一些印染行业清洁生产技术方面的报道，但基本上都集中在环保型染料和助剂开发，节水设备和工艺改进等方面[3-5】．

 

印染过程中废水排放量最大的环节是染布清洗过程，即更换染色品种时需要清洗机器，清洗的废水中染料含量很高，是主要的污染物之一．染布清洗废水一般与染色工艺有关，可改变性很小．但通过有效的订单排序则可减少废水产生量，即同一色系订单由浅到深安排生产，只需要排空并清洗染缸，不需要对整条生产线进行清洗，从而每次减少机器清洗的废水．因此，如果能够在不影响交货的前提下，将同色系的待染布料从浅

 

到深安排在一条生产线上生产，或将不同时间接到的同色订单安排在一起生产，就可以直接减少机器清洗次数及时问，提高生产效率．同时还可以减少机器清洗废水总量以及报废的剩余染料量，减少后续污水处理负荷．

 

基于上述分析，本文从过程优化的角度出发【p71，针对印染企业过程优化中制约环境效益的一个主要因素——更换染色品种环节，提出了基于水资源节约的印染企业生产订单排序模型，在此基础上开发了基于动态优化算法的印染企业订单排序软件系统，并在某印染企业进行了应用研究．采用该方法可以在不对工艺和设备进行大量投资改造的情况下，至少节水20％一一40％；而且订单排序优化对大多数订单型印染企业具有普适性，有利于推广和普及．

 

2订单排序优化模型

2．1问题描述及基本假设

考虑—个有多条并行长车生产线的订单型印染企业，多个分属不同色系的订单在单条生产线上的染布清洗过程涉及如下模式(如图1)：

1)对于同种颜色的订单可以连续生产，中间不需要对生产线进行清洗；

2)对于不同颜色的订单生产又分两种情况：

A．订单属于同种色系，如果按照布料颜色由浅到深的顺序进行生产时，中间只需要对生产线进行简单的清洗；如果按照布料颜色由深到浅的顺序进行生产时，中间需要对生产线进行全面清洗．

B．属于不同色系的订单进行生产时，中间需要对生产线进行全面清洗．其订单生产的排序优化问题是一类重要的组合最优化问题，它包括如下优化决策：1)将订单分配到生产线；2)将分配到同一生产线的订单排序．

本文主要研究在满足订单的种类、相应数量和交货期的情况下，以所有生产线上的清洗时间最短(意味着洗清次数最少、水资源消耗量最少且废水产生量最少)为目标，对企业的订单生产进行整体优化．为简化问题，作如下假设：

1)多个色系批昔生产的印染企业的生产模式为订单驱动模式；

2)模型参数全都能被确定；

3)一个订单限定一个批量，且不能被分解；

4)一旦一个订单正在加工中，它就不能中断和被重新安排；

5)每个订单在任何一条生产线上均能生产；

6)生产线不需要准备时间、处理时间；

7)生产线生产不同颜色的布料时需要建立清洗时间；

8)所有同种清洗过程(简单清洗或全面清洗)所需时间一样．

 

2．2订单属性

订单的属性包括颜色属性和产品属性

O=(D，E)，式中D为订单的颜色属性，E为订单的产品属性．订单的颜色属性用以下两元组来定义：D=(z，可)，

式中z表示订单所属的色系，z为1一lo的整数；Y表示订单在所属色系中的深浅程度，用1—30的整数表示：Y越小，则说明其在该色系中的颜色越浅．

 

订单的产品属性E用以下四元组来定义：

E=(t，d，a，6)，

式中t，d，a，b分别为订单的交货期，订单长度，订单的布料及厚度．在订单的各个表征量中，订单的布料a及厚度b共同决定该订单的染色速度"．

 

2．3订单排序优化模型

(一)确定优化目标以所有生产线上的清洗时间最短为优化目标，由于同类型清洗每次所用的时间相同，因此清洗时间最优。即洗清次数最少、水资源消耗量最少且废水产生量最少，基f此目标，构建优化目标函数：

式中：&f是订单i在生产线歹上建立的清洗时间，它与前后生产的两种订单的颜色相关．J是所有生产线的集合，J是所有订单的集合．

(二)约束条件

1)生产线分配约束

对于每个分配给生产线的订单，须满足：

式中：场为一个二元变量(取值为0或1)，％=1表示订单i将被安排在生产线J上加工，即在每个分配序列中，每个订单有且只有一次分配到生产线上的机会[8-91．

2)订单交货时间约束

Q是订单i完成时间；ti是订单i交货时间；rij是生产线J被释放的时间，即还需多长时间生产线J才能完成正在加工的订单；&J是订单i在生产线J上建立的清洗时间，它与前后连续生产的两种订单的颜色相关：连续生产的清洗时间为0，简单清洗时间为≯，全面清洗时间为∈，其中≯、∈以各个企业实际清洗时间为准．

Ptf是订单i在加工单元歹上的印染时间，Vi为第i个订单在生产线上的染色速度，以米／分钟(m／rain)表示，其由订单的ai(订单的质地)以及bi(订单的厚度)所决定．

式(2)一(6)规定了订单交货时间的约束．

 

3)生产序列约束

对于安排在同一条生产线上印染的两个订单，生产序列约束在时间上限定只有当前一个订单被完成，后一个订单才能进行印染准备．对于两个都安排给生产线J的订单i和i7，它们在重排生产序列时必须满足的约束为

式中：Xii，是—个二元变量，表示当订单i和i7被安排在同一条生产线上印染时，i是(=1)否(=o)比i7先印染．M是一个足够大的正数．

 

3算法研究

3．1动态生产订单排序算法

印染企业多数采用人工排序，例如每周五统一安排下周一至周日的订单．订单排序方案确定后，为防止生产出现混乱，即便在下周接到与本周内生产计划中同色的订单，也不插入生产线．另外，在实际操作过程中，经常会有一些突发情况，如新的加急订单到达或老订单交货期改变、某批订单由于原材料的采购延迟等．对于这些紧急订单，企业来不及对原来的生产计划做出适当的调整，或者重新制定生产计划，只能对订单采取简单的插入生产或延后生产【11】

 

以上两种情况均增加了生产线不必要的清洗次数，进而导致资源的浪费．因此，考虑印染企业的订单生产动态性对于订单排序优化算法的研究是一个关键的因素．为了对企业订单排序过程进行实时动态优化，在对订单进行排产时，采用如图2所示的原则：将第一天之前(包括第一天)接到的订单安排在第二天以后的生产计划，第一二天需要用来为第三天的订单生产作原材料及生产的准备上作．这样既可以保证生产的稳定性，又可以将新接到的订单或青突发情况的订单及时安排，重新调整汀单生产计划，从而减少清洗次数，节约资源和生产时间．

 

根据以上订单生产排序原则，设计如图3所示算法．

设计动态生产汀单优化排序的程序运算步骤如下：

Step 1判定步骤．判断是否使用新订单数据．如足，则输入订单属性数据，创建新文件，生产线的初始状态钱为o；如不是，则读取并修改已有的订单生产序列储存文件，序列前移一天，即去掉前一天已经完成的订单，订单交货时间减24小时，并且记录下每条生产线的初始状态．初始状态指生产线在前一天结束时印染的颜色，以便于今天排序时进一步减少清洗时间．

Step 2判定步骤．使用旧数据后继续判断是否接到新订单，如是，则在已读取并且修改过的文件中添加新订单的属性数据；如不是则转至Step 3．

Step 3运行排序程序．关于此程序的算法步骤将在下面一节中详细叙述．

Step 4停止运算，输出新的生产序列．

Step 5程序运行结束．