（管理科学与工程专业论文）虚拟企业生产计划与调度模型优化研究.pdf

摘要 当前，制造业面临着全球范围的市场、资源、技术等方面的竞争， 同时也面临着消费者个性化、及时性的需求。市场环境和消费需求的 变化，使得传统制造模式已经不能很好地适应制造业市场的竞争。敏 捷制造的出现为解决制造企业的发展带来了新的活力。虚拟企业作为 敏捷制造的主要形式已经跨越了概念阶段，步入了实际运作阶段。 生产计划与调度是虚拟企业生产运作的核心内容之一。在虚拟企 业的实际运作中，需要相应的生产计划与调度理论和方法为其提供指 导。本文从虚拟企业生产计划的特点出发，研究了虚拟企业生产计划 的层次模型；并以此为基础研究了基于时间一成本的生产计划，以及 全局时间优化的生产计划；之后，讨论了虚拟企业中成员企业的生产 调度问题，重点研究了柔性作业车间调度和动态调度。具体而言，论 文的主要工作及成果如下： ( 1 ) 针对虚拟企业上层生产计划，建立了基于时间一成本的生产 计划模型，并利用启发式算法进行求解。然后，以虚拟企业全局时间 最小为目标建立了优化模型，综合应用模拟退火算法和遗传算法，提 出了多种群退火遗传算法并对模型进行了求解。 ( 2 ) 针对虚拟企业下层生产计划，研究了两类较为复杂的调度 问题。一类是多目标柔性作业车间调度问题，针对此类问题的特点， 采用分解策略对问题进行求解，并通过运用混合蚁群遗传算法实现了 求解。另一类是动态作业车间调度问题，采用了集成事件驱动再调度 和周期性再调度策略，利用混合蚁群遗传算法，对生产中出现的突发 性事件进行了动态调度仿真。 ( 3 ) 通过一个案例的分析，初步探讨了虚拟企业车间调度的应 用问题。 关键词虚拟企业，生产计划与调度，多种群退火遗传算法，混合蚁 群遗传算法 a bs t r a c t n o w a d a y s ，t h em a n u f a c t u r i n g i n d u s t r y i s f a c i n g t h e g l o b a l c o m p e t i t i o no nm a r k e t ，r e s o u r c e ，t e c h n o l o g y a tt h es a m et i m e ，i ti si h c i n g w i t hp e r s o n a l i z e da n dt i m e l i n e s sr e q u i r e m e n t so ft h ec o n s u m e r s t h e t r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n gm o d eh a sn o tw e l la d a p t e dt ot h ec o m p e t i t i v e m a n u f a c t u r i n gm a r k e tb e c a u s eo ft h ec h a n g e so fm a r k e tc o n d i t i o n sa n d c o n s u m e r s d e m a n d t h i sa g i l em a n u f a c t u r i n gh a sb r o u g h ta n e ww a yt o d e v e l o pt h em a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s v i r t u a le n t e r p r i s ea s t h em a i n f o r mo fa g i l em a n u f a c t u r i n g ，h a sa c r o s s e dt h ec o n c e p ts t a g ea n de n t e r e d i nt h ep h a s eo ft h eo p e r a t i o n p r o d u c t i o np l a n n i n ga n ds c h e d u l i n go fv i r t u a le n t e r p r i s ei st h ec o r e o ft h eo p e r a t i o n i nt h ea c t u a lo p e r a t i o n ，t h ev i r t u a le n t e r p r i s en e e d s p r o d u c t i o np l a n n i n g ，s c h e d u l i n gt h e o r ya n dm e t h o d s t op r o v i d eg u i d a n c e f o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o d u c t i o np l a n n i n g ，t h i sp a p e rs t u d i e st h e l e v e lm o d e lo fp r o d u c t i o np l a n n i n ga n ds c h e d u l i n go fv i r t u a le n t e r p r i s e b a s e do ni t ，t h et i m e c o s tp r o d u c t i o np l a n n i n gm o d e la n dg l o b a l p r o d u c t i o np l a n n i n gh a v eb e e ns t u d i e d t h e n ，t h ep r o d u c t i o ns c h e d u l i n g p r o b l e mi nt h em e m b e r so f t h ev i r t u a le n t e r p r i s eh a sb e e nd i s c u s s e d t h e f l e x i b l e j o b s h o ps c h e d u l i n g a n d d y n a m i cs c h e d u l i n g h a sb e e n s t u d i e d t h ec o n t e n to ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： ( 1 ) f o rt h eu p p e rp r o d u c t i o np l a n n i n gi n t h ev i r t u a le n t e r p r i s e ，a p r o d u c t i o np l a n n i n gm o d e lb a s e do nt h et i m e c o s t i sp r o p o s e di nt h i s p a p e r a n di ti sr e s o l v e db yt h eh e u r i s t i cm e t h o d t h e na n o t h e ro p t i m i z e d m o d e lb a s e do ng l o b a lp r o d u c t i o np l a no fm i n i m u mt i m e h a s b e e n d e v e l o p e d t h i sm o d e lh a sb e e nr e s o l v e db yt h em u l t i - g r o u pa n n e a l i n g g e n e t i ca l g o r i t h m ( m a g a ) ，w h i c hh a s m i x e da n n e a l i n ga l g o r i t h ma n d g e n e t i ca l g o r i t h m ( 2 ) f o rt h el o w e rp r o d u c t i o np l a n n i n gi nt h ev i r t u a le n t e r p r i s e ，t h i s p a p e rs t u d i e dt w ot y p e so fm o r ec o m p l i c a t e ds c h e d u l i n gp r o b l e m s o n e w a st h em u l t i o b je c t i v ef l e x i b l ejo b s h o ps c h e d u l i n gp r o b l e m t h eh y b r i d o fa n tc o l o n ya n dg e n e t i ca l g o r i t h m ( h a c g a ) h a sb e e np r o p o s e dt o s o l v et h ep r o b l e m t h eo t h e rw a st h ed y n a m i cj o b s h o ps c h e d u l i n g p r o b l e m t h i sp a p e ra d a p t e di n t e g r a t i o ns t r a t e g y o fe v e n t d r i v e na n d p e r i o d i cr e s c h e d u l i n g t h e ns i m u l a t e d t h ed y n a m i cs c h e d u l i n gc a u s e db y i n c i d e n t ( 3 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i so fac a s e ，t h ea p p l i c a t i o no ft h ej o b - s h o p s c h e d u l i n gi nt h ev i r t u a le n t e r p r i s eh a sb e e ns t u d i e d k e yw o r d s ：v i r t u a le n t e r p r i s e ，p r o d u c t i o np l a n n i n ga n ds c h e d u l i n g ， m u l t i - g r o u pa n n e a l i n gg e n e t i ca l g o r i t h m ，h y b r i do fa n tc o l o n ya n dg e n e t i c a l g o r i t h m 1 1 1 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：军生 日期：堕年月旦日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 硕i ：学位论文第l 章导论 1 1 引言 1 1 1 研究背景 第1 章导论 现代制造业是一个国家的支柱产业，也是一个国家综合实力的显著标志。同 时，它也是吸纳劳动力就业和扩大出口的关键产业，是高技术产业化的载体，是 实现现代化的重要基石，是科技创新的主要舞台，是国家安全的重要保障。各国 出于增强国家经济实力、促进可持续发展等国家目标的需要，都在努力提升本国 制造业的实力，加强本国制造业的竞争力。随着制造技术、科学和社会需求的发 展，制造业面临的挑战更为严峻：一方面是在全球范围内制造业内部的竞争加剧； 另一方面是消费者对制造业提出了更高的要求快速高品质地为客户提供所 需要的产品。 我国虽然已经成为制造大国，但与美国、日本、德国等发达国家相比，我国 制造业还有不小的差距【。在全球范围内，我国堪称数量上的“世界制造工厂”， 然而大部分输出都是低附加值、高消耗和基于人力资源优势的产品。要使我国完 成从“制造工厂向“制造强国”的转型，不仅要加强技术创新，同时还要提高 制造企业的管理水平。在这个过程中，亟需一种新的生产运作模式来促进我国制 造业的发展。 虚拟企业作为敏捷制造的核心组织模式，以其快速识别市场机遇、面向任务、 强强联合、共享资源、分担成本和灵活动态的优势，成为快速实现订单产品和服 务功能最敏捷的组织形式【2 】。由于虚拟企业可以根据市场的急剧变化适时调整战 略，利用全球范围的资源和技术，整合多个企业的核心资源，以达到“多赢”， 所以其理念一经提出即备受推崇。虚拟企业这种生产运作模式，为制造企业提供 了一种如何快速应对市场变化，培育竞争优势的新思路。虚拟企业已经成为了一 种极具发展潜力的组织与运作新模式。 伴随着国内外学者对虚拟企业的关注，其研究内容不再停留在定义界定、组 织形式和运作模式上，而是进入到机会识别，伙伴选择，任务分配，生产计划， 利益分配以及绩效监督等深层7 欠【2 羽。生产计划与控制是企业管理的首要职能， 它统一指导企业的各项生产经营活动。在虚拟企业中，生产计划的编制是虚拟企 业以低成本、高效率的方式实现市场机遇的有效途径。高效的调度是实现虚拟企 业生产计划总体目标的保证。所以说，虚拟企业的生产计划与调度针对虚拟企业 而言具有举足轻重的作用。正是基于此，本文着眼于虚拟企业生产计划与调度， 硕上学位论文第l 帝导论 结合导师已获资助的自然科学基金项目( 编号7 0 5 7 2 0 6 0 ) 实现多级供货 能力承诺的虚拟企业生产计划协调优化研究，展丌针对虚拟企业生产计划与调 度模型和求解方法的研究。 1 1 2 研究目的和意义 1 研究目的 本文致力于虚拟企业生产计划与调度的研究，考虑了虚拟企业全局层次上的 生产计划问题，以及成员企业的车间调度问题。研究的主要目的在于： ( 1 ) 通过对虚拟企业生产计划与调度相关文献的阅读，综述已有企业生产 计划与调度的方法，为进一步研究虚拟企业环境下的生产计划与调度提供有效手 段。 ( 2 ) 构建虚拟企业的生产计划模型，同时针对虚拟企业复杂环境下的车间 调度问题建立模型，并对模型求解方法进行研究，为虚拟企业实际运作提供理论 和方法。 2 研究意义 上述目标的实现，不仅可将虚拟企业的理论研究引向实际操作层次，还将为 虚拟企业生产运作管理乃至企业管理丌辟一个新的研究领域。因此，本文的研究 具有一定的理论和现实意义。 ( 1 ) 理论意义：有利于完善虚拟企业理论体系。从虚拟企业的组建和运作 到解体，很多学者都从不同角度进行了研究。本文着眼于虚拟企业生产计划问题， 文中对虚拟企业生产计划进行分解，分别对虚拟企业全局生产计划和企业内的车 间调度进行研究，建立了相应的数学模型，并提出相应的求解算法。 ( 2 ) 现实意义：有利于虚拟企业理论的实际应用。针对我国制造业的情况， 许多制造企业小而散，整体实力较弱，在一定程度上限制了他们的发展。但是， 国际、国内严峻的竞争形势，要求他们能够应对并参与市场竞争。通过与其他相 关企业联手组建虚拟企业，集中各自优势资源与核心竞争力参与市场竞争，将是 国内许多制造企业提高竞争力，应对国际挑战的一条有效途径，也制造业发展的 一个趋势。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 虚拟企业生产计划 自从k e n n e t hp r e i s s 与s t e v e nl g o l d m a n 、r o g e rn n a g e l 在( 21 世纪制造企 业战略：一个工业主导的观点报告中首次提出了虚拟企业的概念以来川，虚拟 2 硕：l ：学位论文第1 章导论 企业的概念定义、运作模式、伙伴选择、敏捷性评价、生产计划、风险管理及其 利益分配等成为了国内外学者研究的焦点。不少学者对虚拟企业环境下的生产计 划进行了研究。周水银、陈荣秋提出了基于i n t e r n e t 的虚拟企业资源计划( v - e r p ) 【8 】。v - e r p 由顾客需求推动，可以集成不同计划方法来制定虚拟企业中所有合作 伙伴的计划。周水银等分析了v - e r p 的特点，并讨论了其构成，遗憾的是没有 对计划的运行过程做出详细的探讨。钱碧波等对虚拟企业的生产计划与控制 ( p r o d u c t i o np l a n n i n ga n dc o n t r o l ，p p c ) 进行了研究 9 1 ，认为虚拟企业的控制结 构是一种分形的层次控制结构，从上到下可分为五层，依次为敏捷虚拟企业层、 外部项目组层、内部项目组层、基本组织元层和设备资源层。这种控制结构既保 留了一部分递阶控制的特点，同时又具有部分分形与自治的特点，强调各级组织 元之间的相互协作，具有较强的分布式控制和自适应能力。汪定伟等设计丌发了 一个实验性的面向敏捷制造的企业资源计划系统i l o l ，该系统包括伙伴选择、供 需链计划、分销网络计划和风险防范等若干优化模块。文献 1 1 】和文献 1 2 研究 了项目驱动的虚拟企业协商规划与控制的过程。苏志龙等针对项目驱动的虚拟企 业生产信息部分共享、成员企业间约束力弱的特点i l ，提出了一种基于协商的虚 拟企业生产计划与控制四层模型，即项目粗规划、项目协商规划、生产详细规划 和生产作业控制。高阳、曾小青等l l3 】针对虚拟企业生产计划特点和难点，提出 了项目驱动的虚拟企业生产计划系统模型。该模型分为三个层次资源规划、项目 粗规划和成员企业内详细生产计划。文献【1 4 】从实现多级供货能力承诺的角度出 发，研究了虚拟企业实现多级供货承的生产计划模型。江资斌提出一个基于多智 能体的虚拟企业协同生产高级计划系统模型l i5 。，模型总体分为三个层次虚拟企 业资源规划层、虚拟企业全局生产计划层和成员企业内详细生产计划层。 由于整子制造系统( h o l o n i cm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，h m s ) 具有递阶系统的 稳定性、可预测性、系统性等特点和非递阶系统的动态性、柔性和分布性等优点 【1 6 】，与虚拟企业制造系统的需求比较吻合。因此，部分学者在这方面展开了研 究。m c f a r l a n e 等研究了基于h m s 模型的虚拟企业生产计划模型1 7 】。这些模型 主要是研究虚拟企业生产计划的层次概念，并未涉及具体的生产系统。h u a n g 等 人从企业层7 欠【埽】，将虚拟企业分成虚拟企业h o l o n 和成员企业h o l o n ，在成员企 业h o l o n 中再细分计划、调度、任务、资源等h o l o n 。文献【1 9 】描述了h m s 的参 考模型p r o s a ，但是并非专门面向虚拟企业。尽管h m s 模型可进一步转换为 p e t r i 网模型，但随着系统所包括的变迁和库所的数目的增多，图的规模急剧增 大，确定最优的计划方案，需要花费非常多的时间，甚至无法实现【2 u 。 多智能体系统( m u l t i a g e n ts y s t e m ，m a s ) 具有自主性、分布性、动态性和 协调性等特点，并能通过多智能体协作进行分布式问题合作求解和优化资源配 硕一卜学位论文第l 章导论 置，这正好与虚拟企业运作和管理的实际需求相吻合。于是，不少学者将多a g e n t 技术引入到企业的相关研究中来，获得了丰富的成果，这也为虚拟企业的研究提 供了一个新的方向。江资斌研究了基于多智能体的生产计划与调度、订单能力评 价和招投标协商机制【1 5 】。单洲源运用分布式人工智能、协同学自组织原理1 2 ， 对协同生产中制造资源的选择与评价、协同生产实现模式与协调生产运作机制等 问题进行了探讨，设计构造出一种“竞争一协调一合作”的自组织生产运行机制。 王晓芳，杨家本提出了一个基于自适应a g e n t 的模型2 2 1 ，研究了制造系统中最常 见的任务在加工资源上的分配问题。设计了在多智能体系统中分别代表加工资 源、任务和协调者的三类a g e n t ，采用了局部与全局的双层强化学习机制，以保 证整个系统的行为朝着预期的优化方向演化，适应环境的改变。d a n g y 和 f r a n k o v i c 给出一种从众多a g e n t 提出的初始方案中通过有序的谈判协商的合作 机制【2 3 1 ，以任务的执行成本、流通时问和结束时间为决策依据，最终得出一个 理想的任务分配方案。刘海龙，吴铁军基于集合覆盖理论提出了一种解决子任务 分配的严格启发式搜索算法【2 4 1 。该算法具有分布性，搜索空间缩减快，适合于 中小型的多a g e n t 系统的子任务分配。文献【2 5 】综述了a g e n t 技术在制造作业车 间调度中的应用研究概况，提出了一种基于合同网协议投标机制的多a g e n t 分布 式动态作业车间调度方案。各工作单元a g e n t 根据自身的能力和状态来选择合适 的分派规则，这比传统作业车间调度中对所有工作单元采用同一种分派规则要 好。 上述研究丰富了虚拟企业生产计划的理论和方法，对本文的研究提供了有益 的启示和参考。但多数研究侧重于生产计划与控制系统框架的确立，对于虚拟企 业生产计划模型和求解算法还需进行更深入的研究。 1 2 2 企业生产调度 生产计划确定了详细的生产任务( 如产品的种类、数量和开始加工时间等) ， 那么生产调度则需要在满足一定约束条件下( 如交货期和工艺路线等) 确定这些 生产任务如何加工，即产品在哪台设备上加工、什么时间开始加工。生产调度的 主要研究可以分为建模和调度算法设计两个方面。建模主要研究调度模型、调度 规则、目标函数等内容；算法主要研究算法设计、算法复杂性、算法收敛性和优 化质量等内容1 2 0 j 。 鞠全勇，朱剑英在研究双资源、多工艺路线作业车间调度的基础上1 2 ，从 实际作业车间调度系统存在大量不确定因素的情况出发，建立了模糊调度的数学 模型。以最小完工时间和平均满意度最大为优化目标，应用改进的遗传算法，求 解最优调度工序。郝文育等针对离散制造车间的特点【2 引，提出了一种启发式调 4 硕十学位论文第l 章导论 度算法，在保证交货期前提下，使得总的生产周期达到最短，并且设备的平均利 用率达到最大。陈义保等根据工件排序问题的特点1 2 9 1 ，建立了在不同种类的并 行机上加工一批不同种类工件的优化数学模型。李黎等根据优化生产技术的解决 车间调度问题的思想以及基于瓶颈转移的启发式算法1 3 0 1 ，提出了一种基于瓶颈 分析的优先权调度算法，用于解决制造执行系统中的动念实时调度问题。y o u n g 等研究了有交货期要求【3 l 】，并可以外包的高级计划与调度模型。雄禾根等研究 了一类考虑工序相关性的、工件批量到达的动态j o bs h o p 调度问题p 2 。c h i u n g 等研究了有多个加工工厂的柔性调度模型1 3 3 1 。文献【3 4 】结合多工厂模式的实际情 况，阐述了分布式车问作业计划与调度问题的求解策略和操作过程。包振强等通 过引入了部分全局优化调度的概念1 3 5 1 ，提出了将优化调度和分布式动态调度相 结合的混合调度控制方法。 上述研究给本文对虚拟企业中成员企业调度的研究提供参考和启示。已有的 研究关于调度优化的指标大多是性能的指标，涉及交货期、惩罚成本的多目标研 究还很少；同时对动态调度等较为复杂的，与生产实际紧密联系的调度研究还不 多，对这方面的研究还需加强。 1 2 3 求解生产调度的优化算法 由于生产调度问题属于一类典型的组合优化问题，且该类问题是n p h a r d 问 题【3 6 1 。对该类问题的求解，目前虽然提出了很多算法，如：动态规划算法【3 7 1 、 多项式近似求解方法【3 8 j 、分支定界方法 3 9 1 、启发式方法等【4 0 l ，但是只有极少数 特殊问题，可以给出多项式算法( p o l y n o m i a la l g o r i t h m s ) 进行求解。对于多数问 题，由于生产计划和调度问题本质上的复杂性，目前唯一可行的方法是使用近似 或启发式的方法( a p p r o x i m a t eo rh e u r i s t i cm e t h o d s ) 1 4 1 l ，近似算法包括迭代算法， 局部搜索启发式算法包括模拟退火算法1 4 2 1 、遗传算、法【4 3 1 、蚁群算法川等。 1 遗传算法 自d a v i s 首次将遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，g a ) 引入调度研究中以来1 4 列，遗 传算法在制造系统车间作业调度研究领域获得了广泛的应用，并取得了较好的优 化效果。d o m d o r f 等人用g a 进化工件分配的优先规则序列和s b ( s h i f t i n g b o t t l e n e c k ) 方法意义下的单机解序列【4 4 1 。h a j d 等提出了一种受控遗传算法【4 ”， 他们采用并行机编码，用启发方法产生初始种群，并利用多交叉操作，同时基于 模糊逻辑和置信来估计遗传操作的参数。随着遗传算法的深入研究，混合遗传算 法成为一个新的发展方向。c h e n g 等介绍了一些求解j s p 的混合算法1 4 6 ，包括自 适应遗传算子、基于启发式特征的遗传算子和混合遗传算法的设计。c a 等结合 局部搜索方法和g a 求解j s p 问题m 。w u 等提出了遗传算法和成组技术的混合 硕l ：学位论文第1 章导论 方法【4 8 1 ，成组技术的应用降低了问题的复杂性，在一定程度上转化为f l o ws h o p 问题。文献【4 9 】将遗传算法和模拟退火算法有机结合提出了g a s a 优化框架，有 效解决了一系列调度问题和光学仪器的设计问题。杨晓梅、曾建潮针对m a k e s p a n 指标1 5 0 1 ，在遗传算法设计中，采用两层编码方式，较好的解决了机器选择问题。 2 蚁群算法 自m d o r i g o 等提出蚁群算法( a n tc o l o n ya l g o r i t h m ，a c a ) 后1 5 ，蚁群算法丌 始应用于求解t s p 问题、分配问题、j o bs h o p 调度问题，并取得了一系列较好的 实验结果。1 9 9 9 年，吴庆洪等提出了具有变异特征的蚁群算法【5 2 1 ，通过采用逆 转变异方式，随机地进行变异，增大进化时所需的信息量，克服了基本蚁群算法 收敛较慢的问题。s t i i t z l e 和h o o s 提出的最大最小蚁群系统( m a xm i n a n t s y s t e m ，m m a s ) 在一定程度上防止了过早的搜索停滞1 5 引，避免了早熟。文献【5 4 】 采用信息熵控制的路径选择及随机扰动策略实现蚁群算法的自适应调节。蚁群算 法和其他智能算法的融合也是蚁群算法发展的一个方向。文献 5 5 1 提出一种主、 从递阶结构的蚁群遗传求解算法，主级为蚁群算法，从级为遗传算法。文献 5 6 】 将免疫算法和蚁群算法相结合，用免疫算法来求得蚁群算法中关键参数的较优组 合，增强蚁群算法的有效性。 已有的关于遗传算法和蚁群算法的研究，在很多方面都进行了探索给本文的 研究提供很好的借鉴。但是他们大多数使用单一的方法，存在算法的局限性，通 过多种方法的混合运用能够避免单纯使用一种方法的不足。 1 3 研究内容 本文的主要内容及组织结构如下： 第一章是导论。介绍了本文的研究背景，对虚拟企业生产计划、企业生产调 度和优化算法进行了文献综述，指出了本文的研究意义和研究思路，并简述各章 节的安排和基本内容。 第二章，介绍了虚拟企业生产计划与调度的相关理论和模型求解理论。首先， 概括了已有的虚拟企业生产计划的研究模式，简述了虚拟企业的生产流程；其次， 对生产调度进行了概述：最后，介绍了生产计划与调度的相关智能算法。 第三章，在上述研究的基础上，对虚拟企业生产计划模型进行了研究。首先 提出了虚拟企业生产计划的层次研究模型。随后，针对具有浮动开工时间的虚拟 企业生产计划问题，建立了基于时间成本的生产计划模型，并提出了启发式算 法。同时，针对虚拟企业生产周期的全局优化问题，建立了求解生产周期最短的 生产计划模型，并设计了一种多种群退火遗传算法，力求充分发挥遗传算法所具 有的全局搜索能力和模拟退火算法能避免陷入局部较优的优点，提高了算法的速 6 硕i 二学位论文第l 章导论 度和全局收敛性，最后通过数值仿真，验证了算法的收敛性和有效性。 第四章是虚拟企业中成员企业的调度模型研究。其中，包括静态柔性作业车 间调度和动态调度的研究。针对比较复杂的柔性作业车间调度问题，建立了模型， 提出了求解策略。根据柔性作业车间调度问题的特点，采用混合蚁群遗传算法求 解该模型。针对柔性作业车间调度中出现的随机性突发事件，提出了相关的再调 度策略，并采用混合蚁群遗传算法求解。最后，通过算例对几种经常出现的突发 性事件进行了再调度的模拟仿真。 第五章是虚拟企业作业车间调度的案例研究。首先，对一个有多层零部件的 产品进行了分解处理，降低了求解难度。其次，在每一层的求解过程中，引入了 虚工序的概念，减少了其他工序的影响，只注重对瓶颈设备和工件的调度。最后， 运用混合蚁群蚁群遗传算法对零件层和组件层的加工工件进行了优化调度的求 解。 最后是结束语。总结了本文的主要工作及取得的初步成果，并对有待进一步 深入和拓展的问题进行了展望，为后续研究指出了方向。 硕十学位论文第2 章相关理论分析 第2 章相关理论分析 本文主要研究虚拟企业生产计划与调度模型，其中涉及到虚拟企业生产计划 的模式，企业调度模型的研究，同时对建立的模型进行求解也是本文的主要内容 之一。下面把本文后续内容需要用到的相关基础理论进行简要介绍。 2 1 虚拟企业生产计划模式及主要流程 2 1 1 虚拟企业生产计划模式 虚拟企业是不同的企业借助信息网络的支持，为了快速响应市场机遇，对企 业技术、核心能力及资源进行整合而形成的暂时性联盟1 5 。7 1 。所以，虚拟企业不 仅具有单一企业所具有的相关生产计划功能，同时由于虚拟企业的构成方式和合 作方式的多样化，使得虚拟企业的生产计划模式更加复杂。 1 传统模式拓展的虚拟资源计划模式 为了消除计划的不同步性和信息传递的长鞭效应，提高虚拟企业的柔性和响 应性，文献 8 】提出了基于i n t e m e t 的虚拟企业资源计划( v - e r p ) ，该v - e r p 是 一种基于i n t e r n e t 的虚拟横向集成，如图2 1 所示。它根据顾客的需求对虚拟企 业的合作伙伴统一制定了生产、供应与合作计划，顾客需求、计划、计划的执行 情况以及其它必要的共享信息都置于i n t e m e t 上。在此计划系统中，v - e r p 包括 了c r m 、v e 构建、合作管理、计划制定和执行控制等模块。其中，顾客提出订 货时，c r m 能够及时地响应，包括现货承诺、能供承诺和满足承诺。v - e r p 将 关系管理与业务作业分开，着重建立合作企业的关系，提高工作效率，最终提高 响应性。计划的制定与调整，由于一个企业可以从属于多个虚拟企业，这就存在 着虚拟企业整体计划与每个企业内部计划的整合问题。需要虚拟企业与其中的每 个企业协商得到一个一致的计划。在执行控制环节，v - e r p 将敏捷制造技术集成 进来，提高了系统的柔性。在v - e r p 中信息共享包括两方面：一是各合作伙伴 的基本信息如生产能力、生产提前期等，二是实时数据如计划执行情况、各类订 单进度情况等。v - e r p 通过共同的信息管理，提高所有合作伙伴信息的透明性、 准确性与实时性。 2 基于分层控制的虚拟企业生产计划模式 文献【9 】对虚拟企业的生产计划与控制( p r o d u c t i o np l a n n i n ga n dc o n t r o l ，p p c ) 进行了研究，认为虚拟企业的控制结构是一种分形的层次控制结构，从上到下可 分为a v e ( 敏捷虚拟企业层) 、e t ( 外部项目组层) 、i t ( 内部项目组层) 、b o u 8 硕 ：学位论文第2 章相关理论分析 ( 基本组织元层) 和e r ( 设备资源层) ，如图2 2 所示。这种控制结构既保留了 一部分递阶控制的特点，同时又具有部分分形与自治的特点，强调各级组织元之 间的互相协作，具有较强的分布控制与自适应能力。 图2 - 1 基于v - e r p 的虚拟企业集成 由于虚拟企业p p c 的五层分形结构中b o u 层和e r 层主要是完成产品的加工 制造功能，它一般在联盟的伙伴企业内部来实现，为体现分布式控制的原则，在 虚拟企业p p c 系统中不进行集中的控制。所以虚拟企业p p c 系统的功能主要分布 在a v e 层、e t 层和i t 层这三层之中。在a v e 层，p p c 的主要功能是制定整个虚拟 企业的产品生产计划，并对外部项目组进行任务与资源分配及协调管理。e t 层 的主要功能是制定e t 级生产计划，把这些计划分配发送给相关的内部项目组， 并对外部项目组相互之间及其内部i t 在不同阶段的生产活动进行协调和控制，同 时与伙伴企业的原有生产过程进行协调。在i t 层，虚拟企业p p c 的主要功能是根 据外部项目组下达给各内部项目组的生产计划，制定i t 级零部件作业计划，并实 时地调度和协调内部项目组之间及其内部b o u 的生产活动。 图2 2 虚拟企业p p c 分形层次控制结构 9 硕i ：学位论文第2 章相关理论分析 3 基于项目扩展的虚拟企业生产计划模式 针对项目驱动的虚拟企业生产信息部分共享、成员企业间约束力弱的特点， 文献【l l 】提出了一种基于协商的虚拟企业生产计划与控制四层模型。模型自上而 下分为四层项目粗规划、项目协商规划、生产详细计划和生产作业控制。项目粗 规划是盟主进行定单决策、项目分解和粗规划的过程，粗规划的结果用于编制子 项目协作招标书，规定其工期范围。协商规划是盟主根据子项目的应标结果，与 合作伙伴协商合作方案，消除子项目之间工期冲突，优化项目生产方案的过程， 协商规划的结果是盟主为每个需要协作的子项目找到一个合作伙伴，组建虚拟企 业。合作伙伴在项目协商规划的结果约束下，结合企业生产情况，详细编制子项 目生产计划，这一过程称之为生产详细规划。规划的结果向盟主反馈，盟主汇总 各子项目详细规划的结果，如存在冲突，则需要与合作伙伴协商解决。虚拟企业 的生产作业控制由盟主和合作伙伴共同完成。 4 面向快速重构的虚拟企业制造资源计划模式 不少学者认为，虚拟企业构建的目的在于利用各成员企业的资源优势。这种 资源优势包括设备、技术、拥有技术和技能的人等。从产品开发的意义上说，虚 拟企业形成的过程就是资源重构的过程【5 引。 在制造系统的重构模式中，盟主首先将生产任务分解成若干子任务，然后通 过招标投标的方式获取合作伙伴，并与潜在的合作伙伴协商，并向其下达生产任 务。合作伙伴通过企业内部任务调度来完成指定的子任务，然后将生产状况反馈 给盟主，盟主监督生产状况，进行质量和成本控制，必要时进行再调度。通过上 述方式，编排出带有合作伙伴任务开始时间、完成时间等信息的整个虚拟企业生 产计划1 5 9 1 。 5 基于分布式多智能体的虚拟企业生产计划模式 虚拟企业环境下对企业生产计划与控制系统的要求具有自治性、分布性、开 放性和动态性、异构性、合作性、鲁棒性等功能。文献【6 0 】在虚拟企业生产计划 与控制的需求分析的基础上，给出了基于m u l t i a g e n t 的适应虚拟企业环境的企业 生产计划与控制系统的实现方法。该系统通过在企业原有生产计划与控制系统的 基础上，设计增加了销售a g e n t 、全局规划a g e n t 。销售a g e n t 负责接受客户订单， 并将客户订单需求的产品与本地数据库数据比较。如果是可以直接由自己生产的 产品，并且现有生产能力能够满足订单需求，则按照以往的历史记录直接生成报 价单，并送给客户：若自己不能单独完成订单，则将订单送给全局规划a g e n t ， 由全局规划a g e n t 经过评价来决定是否接受订单，若全局规划a g e n t 决定接受订 单，则给出相应的报价给销售a g e n t ，再由销售a g e n t 将此报价单送给客户。全局 规划a g e n t 具有以下四方面的功能：订单评价、订单分解、冲突解决和错误或故 l o 硕j 二学位论文 第2 章相关理论分析 障状态恢复。 多层生产计划模型和基于分布式智能体的虚拟企业生产计划可以相互融合， 并以多智能体为研究工具，以多层生产计划为逻辑结构，进行虚拟企业生产计划 的研究。文献【1 5 】正是在此基础上，研究了基于多智能体的虚拟企业协同生产高 级计划系统模型。该系统模型总体上分为虚拟企业资源规划层、虚拟企业全局生 产计划层和企业内详细生产计划三层。在资源规划层，盟主a g e n t 对机遇或订单 进行分析与评估决策，进行任务粗分解，确定协作任务和所需要的资源，选择合 作伙伴，与候选合作伙伴进行协商，完成任务分配。在虚拟企业全局生产计划层， 盟主a g e n t 对所有成员企业提交的子计划进行优化、整合和修改，并进行协商。 在企业内详细生产计划层中，任务a g e n t 将生产任务细分，再对分解的任务招标， 组建动态逻辑制造单元以完成任务的加工，同时，各级a g e n t 将生产计划向上反 馈。 2 1 2 虚拟企业生产计划的主要流程 一般来说，虚拟企业因市场机遇或订单的出现而组建，因市场机遇消失以及 订单的完成而自行解体。因此，虚拟企业的生命周期性非常明显。在虚拟企业中 存在着两种非常重要的角色：一个是盟主企业，或称核心企业；另一个是成员企 业或称伙伴企业。一般来说，在一个虚拟企业中只存在一个盟主企业，而拥有多 个成员企业。盟主企业是发现市场机遇或直接接受客户订单并直接面向客户为客 户提供产品或服务的企业，负责协调各成员企业的相关活动，并维护整个虚拟企 业的运行。成员企业在虚拟企业中通过与盟主企业发生信息交互，为其提供产品 或服务以合作完成虚拟企业的任务。 虚拟企业建立的目标是以最低的成本和最快的速度生产最好的产品以满足 客户个性化的需求。在整个虚拟企业的运作过程中，生产计划是其核心内容之一， 是虚拟企业正常运作的根本保证。盟主企业和成员企业只有通过生产计划的协调 与控制，才能协同地、顺利地和敏捷地完成订单或抓住市场机遇。本文将虚拟企 业的生产计划主要流程分为以下三 甲| 层【1 5 1 ，如图2 - 3 所示。 l 任务描述和分解、资源需求定义、任 i 务分配、建立动态联盟 寸千一 i 虚拟企业生产计划编制 寸千一 i 虚拟企业生产计划的协调与控制 图2 - 3 虚拟企业生产计划层次图 硕j ：学位论文第2 章相关理论分析 ( 1 ) 战略计划 盟主企业发现市场机遇或得到客户订单后，将总任务分解成若干个子任务， 然后分析各个子任务需要的制造资源，从而确定完成任务所需要的资源，通过招 投标查询关联企业总的可得能力是否能满足需求，并进行成本分析，确定是否能 够接受订单或实现市场机遇。接下来根据资源需求，确定合作伙伴，并分配任务， 组建虚拟企业，同时就有关协作协议达成一致意见。 ( 2 ) 战术计划 盟主企业根据任务分解或物料清单( b i l lo fm a t e r i a l ，b o m ) 计算得到标准 件采购和外协制造需求，并根据各个成员企业生产能力和负荷状况，确定虚拟企 业中各协作成员企业的协作制造任务计划，然后下达给成员企业。接下来，协作 成员企业根据盟主企业制造任务计划，考虑自身的在制品和物料情况，编制自身 详细的任务计划，并反馈给盟主企业。盟主企业分析各协作企业的计划，对所有 的成员企业提交的子计划进行整合、优化，并将修改后的结果反馈给成员企业。 协作企业得到盟主企业的反馈结果，确定是否接受修j 下后的任务计划。如果所有 协作成员都接受的话，协作任务计划过程结束，否则进行有限次调整。如果多次 调整都失败，则盟主需要重新进行虚拟企业重组。 ( 3 ) 作业控制 盟主企业通过网络查询，实时得到各个子任务的进展情况和产品库存情况， 确定过大、过小库存和超前或拖期任务，调整进度。 上述对虚拟企业生产计划模式以及虚拟企业流程的研究为本文探索虚拟企 业生产计划的制定和执行问题提供了思路和方法。本文将借鉴已有的生产计划模 式中关于分层的思想来对虚拟企业生产计划进行层次化的研究。 2 2 生产调度及作业车间调度模型 2 2 1 生产调度描述 虚拟企业作为2 l 世纪的先进制造模式，在这种模式下如何进行组织管理， 包括如何组织虚拟企业，如何重构生产单元、如何安排生产计划、如何进行作业 调度都是需要研究的问题。其中作业调度与控制技术是实现高生产率、高柔性和 高可靠性的关键，高效的调度方法和优化技术的研究与应用己成为先进制造技术 实践的基础。 车间调度就是对一个可用的制造资源集，对加工任务或加工工件集进行时间 上的分配，将作业均衡地安排到各机器上，并合理地安排作业的加工次序和开始 时间，同时优化一些性能指标如作业加工时间最小、各机器负载尽量平衡或产品 1 2 硕：j ：学位论文 第2 章相关理论分析 制造时间或成本最优等。在执行这些作业或者任务时需要满足某些约束条件，如 作业的到达时间、完工的限定时间、作业的加工顺序、资源对加工时间的影响等， 车间调度描述如图2 - 4 所示。 图2 - 4 作业车间调度描述图 生产调度的类型根据不同的角度，有不同的分类。根据需求的产生来源，可 分为开环车间和闭环车间：根据加工系统的复杂度，可分为单机、多台并行机、 f l o w s h o p 和i o b s h o p ；根据性能指