（机械制造及其自动化专业论文）微型汽车厂flow+shop计划调度系统的设计与实现.pdf

捅姜 随着经济与科技的快速发展，汽车制造业所面临的市场环境发生了巨大的 变化从卖方市场到买方市场的演变以及多样化和个性化愈来愈高的客户需 求，这无形中给汽车制造企业带来了很大的挑战。 生产计划调度是企业生产管理中最重要的环节之一，良好的生产计划调度 是企业能够充分合理的利用制造资源、提高物流运作效率、减少在制品库存量、 高效低成本生产从而提高市场竞争力的关键。 虽然关于生产计划和调度系统的理论研究、新模型和求解方法不断出现， 但是由于制造过程的复杂性和随机性，理论与实际应用存在较大差距，实际应 用效果欠佳。目前，某企业车身和总装车间的人工计划编排方式对制造系统和 物流运作带来了很大的风险，导致了计划编制费时、计划调整频繁、对专业计 划人员依赖度高、信息传递不及时而延误生产等弊端的出现。所以，针对各车 间面临的内外实际情况，借助于计算机技术，应用人工智能、进化策略等技术 建立生产计划与调度系统，对企业生产起到宏观调控和指导的作用，是管理现 代化的需要和企业持续发展的前提，也是一个很值得进行科学研究的问题。 本文首先分析了生产计划调度系统和计划调度方法的国内外发展现状、发 展趋势，接着阐述了本文的研究内容，方法和目标。 其次，介绍了几种主要的生产计划方式，根据企业实际对工厂的计划调度 现状进行了具体的分析，提出了基于e r p 和t o c 理论的计划调度系统模式。 接着，对整车制造厂的几大工艺车间进行了均衡生产分析，总结出了计划 调度面临的主要“瓶颈”，并根据车间主要“瓶颈”的特殊性提出了基于人工经 验的规则调度方法。在此基础上，完成了周入库计划、车身冻结期计划、总装 冻结期计划和日计划调整的建模和求解过程。 最后，结合前文的所有研究成果，开发了一套以n e t 为开发平台的计划调 度系统。 该系统大大缩减了企业计划编制人员的工作量，在很大程度上缓解了车间 物料短缺导致的在制品库存量过大、车身在转运过程中的质量和成本损失较大 等现象，提高了计划编制的效率和准确性，并实现了信息的及时沟通，计划的 权威性和指导性得到了很大的提高。 关键词：规则调度方法，生产计划与作业调度，计划调度系统 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt e c h n o l o g y , g r e a tc h a n g e sh a v e t a k e np l a c ei na u t o m o b i l em a n u f a c t u r i n g sm a r k e te n v i r o n m e n t - e v o l u t i o nf r o ma s e l l e rt oab u y e r sm a r k e t ，a sw e l la st h eh i g h e ra n dh i g h e rd i v e r s i f i c a t i o na n d i i l d i v i d 删i o no fc u s t o m e rd e m a n d ，w h i c hi sv i r t u a l l yag r e a tc h a l l e n g eo fa u t o m o b i l e m a n u f a c t u r i n g 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 gi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta s p e c to f e n t e r p r i s e ，sp r o d u c t i o nm a n a g e m e n t ，弱w e l la st h ek e y f a c t o rf o re n t e r p r i s et om a k e s u m c i e n ta i l dr e a s o n a b l eu s eo fm a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e s ，t oi m p r o v em a t e r i a l o p e r a t i o ne f f i c i e n c y , t or e d u c ei n p r o c e s sp r o d u c t i o ns t o r a g e ，t op r e p a r ef o re f f i c i e n t a n dl o w - c o s tp r o d u c t i o na n dt oe n h a n c em a r k e tc o m p e t i t i v e n e s s h o w e v e r , t h e r ei sab i gg a pb e t w e e n t h et h e o r ya n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nb e c a u s e o ft h ec o m p l i c a c ya n dr a n d o m i c i t yo ft h em a n u f a c t u r ep r o c e s s ，w h i c hl e a d sal o w e r e f f i c i e n c y o fm o s tt h e o r yo 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 g ，t h o u g h t h e t h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，n e wm o d e la n ds o l u t i o nm e t h o d so fp r o d u c t i o np l a n n i n ga n d s c h e d u l i n gs y s t e mc o n t i n u o u se m e r g e n c e 。a tp r e s e n t ，t h em a n u a ls c h e d u l i n g i nb o d y a n dg e n e r a la s s e m b l ys h o po fa ne n t e r p r i s eb r i n g sab 追r i s kf o rm a n u f a c t u r i n g s y s t e r n sa n d m a t e r i a lo p e r a t i o n ，w h i c hr e s u l t i n gi nal o to fp r o b l e m ss u c ha sc o s t i n g l o n gt i m e ，p l a na d j u s t i n gf r e q u e n t l y , r e l y i n g o np r o f e s s i o n a lp l a n n e r s ，d e l a y i n gi n p r o d u c t i o nb e c a u s eo fl i n g e r i n gi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r y t ob u i l dp 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 gs y s t e mb yt h e a i do fc o m p u t e r t e c h n o l o g y , a p p l i c a t i o no fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，e v o l u t i o n a r ys t r a t e g i e st e c h n o l o g y , a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o nf a c e db yv a r i o u sw o r k s h o p s ，w h i c hi s n o to n l yt h e n e e do fm o d 碱z 2 l t i o no fm a n a g e m e n ta n dt h ep r e r e q u i s i t ef o re n t e r p r i s e sp e r s i s t e n t d e v e l o p m e n t ，b u ta l s oa w o r t h w h i l es c i e n c er e s e a r c h i n gp r o b l e m f i r s t l y , t h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ld e v e l o p m e n to f t h es t a t u sq u oa n dt r e n do f 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 gs y s t e ma n dm e t h o d si sa n a l y z e d a c c o r d i n gt o t h a t ，t h ec o n t e n t ，m e t h o da n dp u r p o s eo f t h ep a p e ra r eb r o u g h tu p s e c o n d l y , s e v e r a lm e a n s o fm a j o rp r o d u c t i o np l a n sa l ei n t r o d u c e d a f t e r a n a l y z i n gt h ep 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 gm o d e lo ff a c t o r y a c c o r d i n g t ot h e l l a c t u a lb u s i n e s so fa ne n t e r p r i s e ，t h ep a p e rp u tf o r w a r dam o d e lo fp r o d u c t i o np l a i n r i n g a n ds c h e d u l i n gb a s eo nt h et h e o r yo fe r pa n dt o c t h e n , t h em a i n b o t t l e n e c k i ss u m m a r i z e da c c o r d i n gt ot h eb a l a n c e da n a l y s i st o s e v e r a lp l a n t s ，b a s e do nt h ep a r t i c u l a r i t yo ft h e m ，ar u l eo fa r t i f i c i a le x p e r i e n c e - b a s e d s c h e d u l i n gm e t h o di sp r o p o s e d a f t e rt h a tt h ep a p e rp u tf o r w a r dt h em o d e la n d s o l u t i o np r o c e s so fw e e ks t o r a g ep l a n ，b o d yf r o z e np l a n ，g af r o z e np l a na n dp l a n a d j u s t i n g f i n a l l y , c o m b i n i n ga l l t h ep r e v i o u sr e s e a r c hr e s u l t s ，t h ep a p e rd e v e l o p sa p l a n n i n ga n ds c h e d u l i n gs y s t e mb a s e do n n e tp l a t f o r m t h es y s t e ms i g n i f i c a n t l y a l l e v i a t e st h ew o r k l o a do fp l a n n e r s ，i n - p r o c e s sp r o d u c t i o ns t o r a g ec a u s e db yt h e s h o r t a g eo fm a t e r i a l ，q u a l i t ya n dc o s tl o s s ，i m p r o v e st h ee f f i c i e n c ya n da c c u r a c yo f p l a n n i n g ，a n da c h i e v e s t h et i m e l yc o m m u n i c a t i o no fi n f o r m a t i o n ，w h i c hg r e a t l y i m p r o v e st h ea u t h o r i t ya n dg u i d a n c eo fp l a n k e yw o r d s ：r u l es c h e d u l i n gm e t h o d ，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 ，p r o d u c t i o n p l a n n i n ga n ds c h e d u l i n gs y s t e m 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的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 含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名：糖日期：皇z ：! 兰：! 量 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研：落易翩c ：胁期研陪| f g 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 经济与科技的发展使得汽车制造业所面临的市场环境发生了巨大的变化， 一是从卖方市场到买方市场的转变，二是客户需求的多样化和个性化，这促使 汽车产品的改型换代越来越快，其品种系列也越来越多。因此，汽车整车制造 厂不得不面临多品种小批量生产的新格局，在生产资源有限的情况下，为保证 企业以较低的制造成本、较高的生产效率、较短的制造周期生产出满足市场需 求的产品、获取最大的经济效益、提高产品的市场占有率，高效合理的计划调 度模式是必不可少的。 1 2 问题的提出 在现代化的汽车制造企业之中，作业车间呈现为j o bs h o p ( 零工型生产车 间) 和f l o ws h o p ( 流水型生产车间) 两种形式。j o bs h o p 表征为一种制造 型态，专门生产特殊或依照客户指定规格的产品，产品种类较多，但数量一般 不大。j o bs h o p 生产线的布置是以相似的机器依照功能分别排列，各类工件的 加工工序都不尽相同，加工路径呈现多样化的特征。f l o ws h o p 表征为一种制 造的组织型态，其所生产产品的规格虽然有所变化，但加工工序基本相同，加 工路径均一致。f l o ws h o p 生产线按照产品的加工工艺以方便产品流动为重点 进行流水式布置，并以相对固定的节拍进行产品的生产，一般生产的数量较大。 基于汽车市场环境的巨大变化，f l o ws h o p 一般采取混合流水线的生产方 式。混合流水线比较适合多品种小批量的生产，它是一种在基本保持现有的生 产条件、生产手段与生产能力的前提下，通过生产组织的变更，在同一条流水 线上进行多品种混合搭配并有序地生产多种产品的生产方式。 受限于各品种产品的配置和生产工艺的差异，混合流水线上各工位及工序 都不尽相同，所以生产计划与调度必须考虑混合流水线上的排产问题，保证各 品种按照合理的批次和批量有节奏的进行混合连续生产，从而使得产品品种、 产量、工人和设备负荷、物流配送等达到全面均衡。 混合流水线生产需要具备一定的、比较严格的条件：( 1 ) 产品标准化、 武汉理工大学硕士学位论文 系列化和通用化；( 2 ) 生产设备工装夹具更换快速；( 3 ) 生产计划准 确、可执行性强；( 4 ) 人员柔性多产品平台的操作技能；( 5 ) 生产管理一 敬高素质的车间生产管理人员。 可见，良好的车间生产计划与作业调度是保证混流顺利生产的基础。受限 于汽车产品生产工艺的复杂性，汽车企业的生产效率和产能的发挥直接决定了 其利润。汽车产品的规格较多，其生产成本和售价的不同导致其利润差别也较 大，且汽车产品具有多品种、小批量的生产特点，所以如何针对企业面临的内 外实际情况，将市场预测和企业生产实际相结合，制定汽车制造企业在各生产 方式下的计划模型，进一步编排出高质量的年、月、日或周生产作业计划，达 到均衡企业内外生产资源，提高生产效率、生产质量，降低生产成本的目的， 是一个异常复杂的问题【l 】。可以说，生产计划与调度系统的好坏是企业及时准确 的制造出符合用户所需产品的重要前提，是现代化管理的需要，是企业赢得竞 争、取得效益、生存和发展壮大的关键，也是一个很值得进行科学研究的问题1 2 1 。 某微型汽车厂的四大工艺车间呈现j o bs h o p 和f l o ws h o p 的特性，其 中冲压车间属于j o bs h o p 形式，车身、涂装和总装车间属于f l o ws h o p 生 产形式。车间生产形式的不同导致其作业计划调度模式存在较大的差别，所以 本文旨在对具有f l o ws h o p 特性的车身、涂装和总装车间进行计划调度系统 的设计与实现。 1 3 生产计划与调度 1 3 1 计划与调度概述 生产计划与生产调度都是对生产过程的规划与控制。对制造系统而言，计 划调度是针对某项生产工艺可分解的制造任务，探讨在尽可能满足各种生产约 束的条件下，通过下达生产指令，安排各个工艺环节的加工顺序、资源使用， 以获得生产效率、制造质量和制造成本的最优化。 生产计划是服务于生产目标的系列预测和决策活动，其重点是生产相关产 品所需资源的粗分配和总体规划，在具体的生产约束( 如资源分配、加工路线、 加工批次) 问题上考虑较少。生产计划侧重于工厂层，它总体考虑市场预测、 企业订单、企业产能、供应商供货能力等因素，通过合理安排各生产线的的生 产班次、产品品种搭配、加工数量和加工时间等，静态编制出企业在固定生产 2 武汉理工大学硕士学位论文 周期( 如年、季、月、周) 内的生产计划。 生产调度是服务于可用资源分配和加工任务排序的决策活动，其重点是在 现有的可用资源状况下，对作业、资源进行合理、具体的安排和分配。生产调 度侧重于车间作业层，它通过均衡工人负荷、生产资源分配、物料供应、加工 班次、生产线产能等详细的生产约束，为企业制定生产周期相对较短( 如日或 单生产班次) 的作业计划。生产调度是连接工厂计划层和车间作业层的桥梁， 它一方面将计划层下达的生产计划分解为车间作业层可执行的调度指令，另一 方面根据车间作业层的实际生产情况及时调整调度指令，并将之反馈到计划层。 因此，生产调度对生产管理、生产效率和生产成本有直接的影响。 在生产实践中，生产计划和生产调度往往是密不可分的，在企业的生产管 理中通常将两者放在一起，统称为生产计划与调度。 1 3 2 计划调度系统国内外现状 生产计划与调度系统在不同时期有不同的发展与变化，如表1 1 所示【3 ，4 1 ： 表1 - 1 计划调度系统发展历程 时间 计划调度系统特点 2 0 世 没有考虑独立需 纪6 0 求和相关需求的 年代 安全库存法，订货点法，经济生产批量法等 差别，并未取得 以前期望的成果 2 0 世 大大提高了生产 纪6 0 物料需求计划( m a t e r i a lr e q u i r e m e n tp l a n n i n g ，m r p ) 、准时制 的准确性与应变 年代生产方式( j u s ti nt i m e ，j i t ) 性 中期 2 0 世 在信息上沟通了 纪7 0闭环m r p供应商和作业现 年代场 2 0 世 企业资源计划( e n t e r p r i s er e s o u r c e sp l a n n i n g ，e r p ) 、准时制生 生产计划与控制 纪8 0产方式( j u s ti nt i m e 。j i t ) 、最优生产技术( o p t i m i z e dp r o d u c t i o n 系统发展渐趋成 年代 t e c h n o l o g y , o p t ) 、高级计划与排程( a d v a n c e dp l a n n i n ga n d 熟 后 s c h e d u l i n g ，a p s ) 、约束理论( t h e o r yo fc o n s t r a i n t s ，t o c ) 等 下面介绍几种比较有代表性的计划调度系统： ( 1 ) 企业资源计划( e n t e r p r i s er e s o u r c e sp l a n n i n g ，e r p ) e r p 是一种计划主导型管理模式，计划层次从宏观到微观、从战略到战术、 由粗到细逐层优化，是一种较为成熟的技术。在e r p 系统中，生产计划管理是 3 武汉理工大学硕士学位论文 整个系统的核心业务模块，生产计划的编排采取无限能力排产法【5 】。 e r p 适合于宏观调控和长期规划，在企业级发挥着很好的作用，但是其对 车间层的控制相对薄弱：对生产信息要求太精确，需要预设提前期、批量等参 数，无法消除关键资源的瓶颈问题，制造周期长，生产计划与控制相分离砸l 。 在国外，e r p 系统从雏形到发展成熟历时大半个世纪，主要可概括为如下 阶段：m r p ( m a t e r i a lr e q u i r e m e n t sp l a n n i n g ) 阶段、闭环m r p ( c l o s e d - l o o pm r p ) 阶段、m r pi i ( m a n u f a c t u r er e s o u r c ep l a n n i n g ) 阶段、e r p ( e n t e r p r i s er e s o u r c e p l 锄i n g ) 阶斟7 一。如今，在计算机、网络技术高速发展的背景下，人们又提出 了动态企业建模( d y n a m i ce n t e r p r i s em o d e l i n g ) 、智能资源计划i r p ( i n t e l l i g e n t r e s o u r c ep l a n n i n g ) 等全新概念，时间和实践证明e r p 系统是一套先进的、成熟 的、实用的管理系统1 9 1 。1 9 9 0 年前后，e r p 逐渐取代了m r p i i ，成为主流企业 的管理软件系统【l o j 。 在国内，e r p 主要经历了引入期、传播期和扩散期三个阶段【1 1 1 。自2 0 世纪 8 0 年代，以沈阳第一机床厂、北京第一机床厂等机械制造类的企业开始了对 m p r i i 的引进、实施及部分应用，但实际应用效果有限。1 9 9 0 年到1 9 9 6 年，e r p 的应用扩展到航天航空、制药化工、电子与家电等行业，并取得了较好的成绩。 1 9 9 7 年至今，e r p 在我国被大量引入，其应用渐趋成熟，应用范围也扩展到所 有产业。此阶段e r p 的功能更加完备，应用效果也得以大大提高。 ( 2 ) 准时制生产方式( j u s ti nt u n e ，j i t ) j i t 的基本原则是在正确的时间、正确的地点，生产正确数量的零件或产品， 即准时化生产【1 2 j 。j i t 依靠看板管理方式实施，擅长于计划执行和成本控制，其 拉式生产在克服e r p 固有的缺陷、缩短生产提前期、简化物流路线、保证较少 的在制品库存等方面有着一定的优势，但是j i t 整体计划性弱，缺少中长期计划 指导，不允许生产“瓶颈”现象，对人员柔性要求较高，成功实施耗时长i l3 1 。 j i t 在国外的应用情况大致为：在1 9 7 3 年爆发石油危机中，丰田依靠j i t 避 免亏损；2 0 世纪8 0 年代，美国萨达汽车公司应用j i t 生产方式于9 0 年代恢复 经营业绩；进入9 0 年代，n u m m i 、肯塔基汽车公司、北美汽车制造公司、丰 田印第安纳汽车制造公司( t m m i ) 等纷纷投产。此外，在欧洲汽车市场方面有 德国大众、美国福特、欧宝及法国标致、雷诺、意大利的菲亚特等汽车厂商【1 2 1 。 j i t 在国内的应用情况有：早在1 9 7 8 年和1 9 8 1 年，丰田生产方式的创始人 大野耐一在长春一汽专门介绍过丰田生产方式。8 0 年代初，长春一汽派出专团 考察并最终在各厂推行丰田生产方式( t o y o t ap r o d u c t i o ns y s t e m ，t p s ) ，效果显 4 武汉理工大学硕士学位论文 著【1 4 1 。2 0 0 0 年东风汽车公司的车架厂、北汽福田汽车公司开始全面推行t p s 生 产方式。此外，我国制造行业的一些公司也积极学习推进j 1 t 生产方式。 ( 3 ) 约束理论( t h e o r yo f c o n s t r a i n t s ，t o c ) t o c 是在o p t 的基础上发展起来的，是以能力负荷为导向的生产管理技术。 t o c 主要体现了注重分清主次，找到“瓶颈 ，集中精力解决主要矛盾，追求物 流平衡，而非能力平衡等原则，比较适合于面向个性化订单的多品种、小批量 生产方式的生产计划l l ”。但是t o c 依据瓶颈漂移来优化生产管理，也为生产管 理增加难度，其着重短期内的瓶颈最优化，在长期决策能力上没有突出优点， 所以在单件生产车间中应用不佳。 t o c 的典型研究案例有：陈杰等人提出了基于t o c 的混流生产调度研究， 确定瓶颈资源和非瓶颈资源排程【l 卅；韩文民等探讨了在敏捷供应链条件下，基 于t o c 的存货生产牛鞭效应的控制方法【l 7 j ；王军强运用t o c 理论对产品组合 优化进行了深入研究【l s l ；林魁提出一种基于t o c 的混流生产线上的详细排产模 型【1 9 1 ；崔南方等运用“聚焦五步法 总结出t o c 模式下的分销系统的库存控制 模型伫o l 。 ( 4 ) 高级计划与排程( a d v a n c e dp l a n n i n ga n ds c h e d u l i n g ，a p s ) a p s 是一套基于规则库和模型库的计划与排产决策支持系统，侧重于生产 计划排程和生产调度方面，擅长于优化产品的制造时间或成本，它能为车间生 成一个详细的短期作业批次计划，保证生产效率或制造成本达到最优化，但过 于详细的计划不一定完全适用于车间【2 l 】。 随着计算机技术的发展、硬件设备成本的降低，目前a p s 的主要产品有 t r a d e m a r t i x 。j d e d w a r d s 公司的o n e w o r l d a d v a n c e dp l a n n i n g 、i 2 公司的 r h y t h m 、s a p 公司的a d v a n c e dp l a n n e ra n do p t i m i z e r , a p o 和o r a c l e 公司的 o r a c l ea p s 2 2 2 3 1 。 a p s 的典型研究案例有：h a n sog 等基于各种工业应用，给出了a p s 的 各种算法及模型【2 4 】；齐二石等基于企业生产排程中的应用方法探讨了a p s 系统 集成的体系架构和关键技术【2 5 】；孙妮用数学模型分析离散型制造业在没有外包 和有外包情况下用e x c e l 建立的a p s 生产计划排产模型1 2 6 。 由于以上的计划方式各有优缺点，因此国内外许多学者提出了不同的混合 生产计划与控制模式，如t o c m r pi i ( e i 诤) 的集成、o p t m r pi i ( e r p ) 的 集成、m r pi i t o c j i t 的集成等。 典型的案例有：吴莺提出在生产中以m r p i i 为主线，结合t o c 进行生产计 武汉理工大学硕士学位论文 划的制定和控制的观点 2 7 1 ；夏锐等人提出瓶颈环节上作业调度的动态优先级方 案，归纳总结了不同的绩效衡量指标【2 8 】；曹振新提出了基于t o c 和m r pi i 的集 成计划与调度系统框架【2 9 】。 1 3 3 计划调度方法国内外现状 作为一类广泛应用的运筹学问题，生产计划调度一直是国内外研究的焦点， 从2 0 世纪8 0 年代前的组合优化、整数规划等数学规划方法和简单规则的仿真， 到后来的排队论、控制理论等分析方法，再到时下基于各种新的相关学科与优 化技术而建立与发展起来的现代方法，计划调度方法经历了从简单到复杂、从 单一到多元的发展过程，逐步发展形成一套成熟的理论，每年在各个领域内， 计划调度方法均不断有大量的研究文献和研究成果出现。 目前计划调度问题主要呈现复杂性、动态随机性、多目标性和多约束性的 特点，为求解各种计划调度问题，仿真方法以及综合实际生产经验和理论分析 的启发式搜索方法得到了重视，出现了基于人工智能、计算智能和实时智能的 各种新的优化方法，比如遗传算法、蚁群算法、禁忌算法、模拟退火算法、进 化算法等。 ( 1 ) 数学规划方法 数学规划是运筹学的一个重要分支，包括各种不同类型规划存在最优解的 必要条件和充分条件、对偶定理和有效算法等基本内容。经典的数学规划方法 主要包括线性规划( l i n e a rp r o g r a m m i n g ，l p ) 、动态规划方法( d y n a m i c p r o g r a m m i n g ，d p ) 、混合整数线性规划( m u l t i i n t e g e rl i n e a r , m i l p ) 、非线性规 划( n o n l i n e a rp r o g r a m m i n g ，n l p ) 和混合整数非线性规划( m u l t i i n t e g e rn o n l i n e a r p r o g r a m m i n g ，n m i l p ) 。 数学规划方法在求解产品品种较少、工艺相对简单和固定的计划调度问题 上比较有优势，但是难以适用于多目标性、多约束性和随机性较强的生产系统， 因为此类系统的多约束性致使其模型建立比较困难、求解空间大、计算耗时。 数学规划方法的典型应用有：l u n d g r e n 等利用m i l p 方式处理了炼油厂的 调度问题【3 0 】；赵红艳以最低成本为目的，运用线性规划方法求解客户服务中心 每个班次的上班人数【3 l j ；h e r b e r tj o d l b a u e r 研究了基于非线性规划建模的一类计 划和调度问题p 引。 ( 2 ) 调度规则 6 武汉理工大学硕士学位论文 调度规则是对生产加工任务进行调度的传统方法，包括简单规则、复合规 则和启发式规则三类。调度规则因其简单易行、可简化求解解析模型等优点而 较多地被应用于动态实时调度系统中。虽然调度规则的应用比较广泛，但它们 一般不具有全局最优的特点。 调度规则的典型应用有：王国新等通过仿真获得不同调度规则组合下的方 案集合，导出了最优的调度规则组合【3 3 1 ；郭庆强等针对调度中的多决策属性并 存问题，提出了基于粗集的生产调度规则获取过程f 3 4 】；李莉等提出了同时考虑 将到来工件与下游设备负载情况的半导体生产线批加工设备的调度规则【3 5 】。 ( 3 ) 现代优化算法 现代优化算法是2 0 世纪8 0 年代兴起的启发式算法，包括禁忌搜索、遗传 算法、模拟退火、人工神经网络等。目前，现代优化算法在理论和实际应用方 面有了很大的发展，主要用于解决大量的实际应用问题。 1 ) 禁忌搜索( t a b us e a r c h 或t a b o os e a r e h 。t s ) t s 是一种全局逐步寻优算法，是对局部领域搜索的一种扩展和人类智力过 程的一种模拟。目前，t s 已在组合优化、生产调度、神经网络等领域取得很大 的成功。禁忌搜索算法涉及到初始解、禁忌表、禁忌长度、邻域等的设置，这 些因素的选取直接影响到优化结果。传统的t s 在解决生产调度问题时往往局限 于单一邻域，容易出现搜索耗时长、最优解易丢失、易于陷入局部最优等问题。 典型案例有：s o l i m a n p u r 等提出了一种神经元禁忌搜索，用于求解f l o w s h o p 的作业调度问题【3 6 ；g r a b o w s k i 和w o d e c k i 提出一种非常快的禁忌搜索方法，采 用周期性的扰动来避免算法陷入局部最优【3 刀；f e r m i na l f r e d ot a n gm o n t a n 6 等利 用禁忌搜索算法优化同时收发货的车辆路径排序问题【3 8 1 。 2 ) 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，g a ) g a 建立在生物为适应环境而表现出的群体遗传和进化机理的基础之上，算 法模拟生物在成长过程中代的更迭以及代间的知识传递过程，具有很好的收敛 性、计算耗时少、鲁棒性高等优点，但其对于生物间通过分工协同进化的多层 次和多样性考虑不足，局部搜索能力差，易陷入“早熟 。 典型案例有：陈雪峰等将一种借助于对链表进行灵活运用的遗传算法应用 于车间作业排序【3 9 】；r u i z 等使用g a 对p f s p ( p e r m u t a t i o nf l o w s h o ps c h e d u l i n g p r o b l e m ，生产调度问题) 作了研究d o ；g e n 和s y a r i f 用混合遗传算法对车间作 业排序进行了研究，给出了算法模型【4 。z o uy 和z h u a n gz 针对基本调度块图 的软硬件划分模型，提出了一个基于量子遗传算法的软硬件划分算法【4 2 1 。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 组合调度方法 鉴于各种调度算法都存在不同程度的优缺点，除了传统的启发式组合规则 外，各种调度算法的组合应用研究成为了新的热点，不同调度算法的组合能够 综合各自的优势并相互弥补各自的缺点，达到高度次优化的目标，在解决优化 调度问题上具有广阔的应用前景。 典型的应用有：王淑玲提出一种优化神经网络结构的遗传禁忌混合算法， 实现了网络结构和权值的同时优化【4 3 1 ；k a ia n dg e n k e 提出一种把模拟退火算法 和粒子群算法进行结合的方法；吴畅等通过研究机器的“添加卸除 规则， 建立了布局的连续表达形式和基于动态规划的模拟退火启发算法f 4 5 1 。 1 4 研究内容、方法与目标 在一家以制造微型商用车为主的汽车企业中，存在三大整车制造的分工厂， 拥有多条车身线、涂装线和总装线，生产近十个品种系列多配置的汽车产品， 客户需求的多样化和企业自身的生产环境使得车间内部的生产线面临混流生产 的格局。企业制造部生产计划的制定完全依赖手工，计划制定的缓慢、不合理、 计划调整的不及时使得计划的可执行性不高，在较大程度上延误了生产。为解 决工厂手工计划调度模式存在的诸多弊端，本文的研究内容为： ( 1 ) 通过对比不同计划调度系统的生产管理模式，选择符合工厂实际的管 理方法构架f l o ws h o p 的计划调度系统； ( 2 ) 研究车间的主要“瓶颈”，为计划调度模型的建立提供基础； ( 3 ) 建立车间生产计划调度模型； ( 4 ) 研究f l o ws h o p 计划调度系统各模块的现状，搭建系统平台，并完 成软件系统的编制工作。 本文的研究方法为： ( 1 ) 将企业资源计划( e i 冲) 与约束理论( t o c ) 的思想进行集成，搭建 f l o ws h o p 的计划调度系统平台； ( 2 ) 利用有限能力计算方法编制主生产计划； ( 3 ) 采用基于人工经验的规则调度方法实现各车间车辆的合理排序。 本文的研究目标为： ( 1 ) 设计f l o ws h o p 的生产计划调度系统和排产模型； ( 2 ) 开发模拟人工计划编制过程的f l o ws h o p 生产计划调度系统。一 8 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 通过系统开发，简化计划编制人员的重复劳动，使其能够将更多的精 力投入到产品投产结构的安排上，最终降低因物料短缺而造成的停线率、平衡 生产线工人的作业负荷、实现可调冻结期的生产计划以增强计划的灵活性和稳 定性、实现信息共享等。 1 5 本文的组织 本文的内容安排如下： 第一章为本文的绪论，对计划与调度的概念作了综述，介绍了计划调度系 统与求解方法的现状，并提出了本文的研究内容、方法和目标。 第二章介绍了生产计划的方式和车间计划调度模式的现状。 第三章详细分析了车间计划调度所面临的内外实际情况，对车间计划调度 系统所用方法的进行了选择，并论述了各种计划方式的建模和求解过程。 第四章搭建了车间生产计划调度系统的总体架构，并对系统的各个组成模 块进行了具体的功能说明。 第五章阐述了车间生产计划调度系统的实现过程，给出了系统的运行实例， 并指出了系统的运行效果。 第六章总结全文，并对车间生产计划调度系统的未来工作进行了展望。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章计划调度模式现状 2 1 生产计划的方式 生产计划是保证生产制造得以有序并按时按量完成的重要保证，然而传统 的计划制定方式往往会导致计划的盲目性大、计划的可执行性差、计划失去权 威性等问题，现在各企业主要通过以下方式来保证计划制定的准确性和可执行 性。 ( 1 ) 主生产计划 主生产计划是企业销售计划和车间作业调度计划的过渡环节，其主要职责 是将企业的销售计划转化为工厂生产的实际需求，并为车间作业调度计划提供 具体的参考和指导。 对于大批量流水线生产的企业来说，其主生产计划的制定通常采用有限能 力排产法，即计划制定时估算并均衡各生产车间的实际生产能力，其排产依据 包括生产线产能、加工班次、产品加工周期等。 ( 2 ) 日生产计划 日生产计划是主生产计划的进一步细化，是企业内各生产车间在各个加工 班次内作业批次计划的反映，它更为细化的均衡了车间内生产线的产能分配、 资源调度、物料供应等，其排产依据为：生产线产能、生产线产品平台、供应 商物料供应能力、工人负荷等。 ( 3 ) 物料需求计划 产品的顺利生产和按期交货离不开及时、有序的物料供应，为保证生产与 采购有条不紊的进行，需要将产品的日生产计划分解为物料需求计划。 在主生产计划、日生产计划和物料需求计划的制定过程中，常采取以下两 种计划编制模式： ( 1 ) 固定周期计划 固定周期计划是很多企业常采取的一种主生产计划模式。生产计划一般被 分为许多个连续的固定周期，且在上一个周期内制定下一个周期内的生产计划。 固定周期计划的计划周期大多为年、季度或月，随着市场的不断细分和客户需 求的多变，现代企业大多采取月度计划或周计划的计划方式来提高其计划的柔 性。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 滚动计划 滚动计划是在近年才发展成形的，它将长期计划与短期计划相结合，提高 了生产计划的长期决策能力和适应客观环境的柔性，其中长期计划跟随时间的 推移和客观条件的变动而调整，短期计划则以长期计划为客观目标。 对于产品工艺较复杂或生产周期较长的企业来说，滚动计划克服了固定周 期计划方式可能会难以覆盖整个产品生产周期的弊端。但是，滚动计划调整频 繁，无形中增加了计划工作的复杂性。然而，计算机技术的飞速发展使得生产 计划的编排与维护变得更为容易，这让滚动计划有了更为广阔的应用前景。 2 2 现有计划调度模式 2 2 1 计划调度模式现状 目前制造部的生产计划包括主生产计划和日生产计划，并采取滚动计划的 方式。制造部采取车身拉动式的计划调度模式，即认为车身计划是整个生产计 划的关键环节，因为只有车身车间生产出来的合格车身才能够用于涂装车间的 喷涂和总装车间的装配。制造部计划调度流程如图2 1 所示，计划调度共分为两 个主要步骤：第一步是周入库计划( 主生产计划) 的制定。每月内，计划科在 每周前根据规划部所下达的月生产计划制定出周入库生产计划；第二步是车身、 总装日滚动生产计划的制定与调整。首先计划科将周入库计划分解为车身车间 一周内所有工作日的生产计划，其次制定总装的日滚动计划