（机械制造及其自动化专业论文）面向多品种小批量生产的mes中作业计划的研究.pdf

摘要 摘要 在经济发展、技术进步、市场对产品需求多样化的环境下，多品种小批量生 产逐步成为制造业的主要生产方式。这种生产方式对车间作业管理的要求较高， 其管理效率直接影响着整个企业的效益。目前我国制造业企业中，车间管理层面 诸多问题的存在，导致它无法实现高效的管理，急需一种先进的理念和高效的系 统对其进行优化管理。 制造执行系统( m e s ) 是面向车间层的实时信息系统，它的关键是强调整个 生产过程的优化，与计划层和控制层保持双向信息通讯能力，使得整个企业的信 息流能高效地贯穿起来，让企业能实时掌握车间现场的动态生产情况。这对于提 升企业生产效率、企业竞争力都有着极大的意义。其中，生产作业计划在整个制 造执行系统中起着核心的作用，因为它影响着生产进度、设备利用率、在制品库 存量、物料流动等众多方面，其合理性决定了车间生产运作的效率。它对m e s 的构建以及整个车间作业流程的优化均具有很大的作用。 本文把以多品种小批量生产为特点的机械制造业作为研究对象，研究了该行 业背景下制造执行系统的总体框架，并重点研究了其中的作业计划问题。 首先，本文深入分析了多品种小批量生产的制造车间作业流程，运用制造执 行系统的相关理论，提出了面向多品种小批量生产的制造执行系统的结构体系、 数据交互体系和功能体系，并着重阐述了m e s 中作业计划的重要性及其系统的 构建原则与机制。 然后，描述了m e s 中作业计划问题的模型。在该研究领域里，它基本上属 于非标准的车间作业计划( j o b s h o ps c h e d u l i n g ) 问题。本文就此问题的求解提 出和设计了多级优化启发式算法，并运用合适的算例对它进行可行性、有效性的 验证。结果表明该算法具有良好的目标优化性能和较高的运算速度，也具有求解 较大规模作业计划问题的能力。 最后，在本文所研究的理论基础上，完成了制造执行系统平台下的作业计划 子系统的设计，它包括作业计划模块、作业监控平台、底层信息反馈器、集成接 口等四大功能模块，为开展车间作业计划工作提供了高效的作业平台。 关键词：多品种小批量生产；制造执行系统；作业计划；启发式算法 三童! ：些奎兰三兰璧圭兰堡鎏兰 a b s t 刚虻t i nm ee n v i r o m e n to fe c o n o m yd e v e l o p m e n t ，t e c 王l i l o l o g ya d v a i l c e m e m ，a 1 1 d h c e s s a n td i v e r s i 矗c a 七i o no fp e o p l e s r e q u i r e m e n t ，也em o d eo fm u l t i v a r i e t i e s a i l d s m a l l 也a t c hp m d u c t i o nh a sb e c o m et h em a i np r o d u c t i o nm o d ei nm a n u f 如t u r i n gs t e p b ys t e p i ti sh i g hd e m a i l df o rj o b s h o pp r o d u c t i o nm a n a g e m e mw h i c ha f r e c t st h e b e n e mo ft h ew h o l ee n t e 印r i s e d i r e c t l y i nt 1 i s p r o d u c t i o nm o d e n o w a d a y s ，i n m a l l u f k 嘶n ge n t e r p r i s e so f o u rc o l l n n y ，“i ss om a i l ye x i s t i n gp r o b l e m si nj o b s h o p p r o d u c t i o nm a n a g e m e n t s ot h a ti tc a nn o tb em a n a g e de 衔c i e m l ya na d v a n c e di d e a 趴da ne 丘b c t i v es y s t e mi sd e m a n d e d i m m 血e n t l y t om a n a g et t l ej o b - s h o pp r o d u c t i o n m a i l u t t j r i n g e x e c u t i o ns y s t e m ( m e s ) i sa r e a 王一t i n l ei n f o n n a t i o n s y s t e m o r i e n t e dt oj o b s h o pe x e c u t i o nl a y e r ti t sk e yi st oe m p h a s i z e 也eo 砸m i z a t i o nf o rt h e w h o l ep r o d u c t i o np r o c e s s ，k e 印t h ec o m m l h l i c a t i n ga b i l 蚵b e t w e e np l 孤血n gl a y e r a n dc o n t r o ll a y e r ，m a k et h ei n f o 咖a t i 蚰f l o w i n gc a nb ec i r c u l a t e de 历c i e m l y ，a n d m a k et h ej o b s h o p sd y n a m i ci n s t a n c ec a t lb em a s t e r e dm o m e m 撕1 yb ye n t e r p r i s e s s u p e i s o r s i t i su n u s u a ls i 印m c a n c ef o ru p 争a d i n g l ep r o d u c t i v 咄t h e r e i m o ， p r o d u c t i o ns c h e d u l i n gp l a y sa ni m p o r t a l l tr o l e i nm a l l u f a c t 曲n ge x e c u t i o ns y s t e m ， b e c a u s e “a 仃宅c t sm 甜l ya s p e c t si np r o d u c t i o ns u c ha ss c h e d u l eo f p a r t s ，e m c i e n c yo f l n a c h i n e s ，w i pi n v e n t o 吼n o w i n go fm a t e r i a l e t c t h e p m d u c t i o ne m c i e n c y i s d e c i d e db yt h er a t i o n a l i t yo ft h cj o b s h o ps c h e d u l i n g ，u 柚c hh a sa 掣e a ts i g n m c a n c e f o rc o n s t n 垃t i n gm e sa 1 1 do p t i m i z i n gm e j o b s h o pp r o d u c t i o nf i o w i nt h i sp 印e r ，t h e 矗锄e 、v o r ko fm e si sr e s e a r c h e di nt h ei n d u s yb a c k g r o u n do f m e c h a n i c a lm a i l u f 如t u r i n gw h i c hi sc h a r a c t e r i s t i co fm u l 6 一v a r i e t i e sa 1 1 ds m l l - b a t c h p m d u c t i o n ，a n dm ep m d u c t i o ns c h e d u l i n gp r o b l e mi se m p h a s i z e dt os t u d y f i r s to fa u ，i nt h i sp a p e lt h ep m d u c t i o nf l o wo f j o b s h o pw h i c hb e l o n g st ot 1 1 e m a n u f a c t 埘n gt y p eo fm u l t i v a r i e t i e sa i l ds m a l l - b a t c hp r o d u c t i o ni sa 1 1 a l y z e dd e e p ， a n dt h cs y s t e mo fm e sn l a ti n c l u d e d 椭m e w o 咄d a t a c o n u n u n i c a t i n ga n df h i l c t i o ni s o 舵r e d ，s o m ep o i n t sa r ee x p a t i a t e do nw h i c ha b o u tm ei m p o r t a i l c eo fs c h e d u l i n gi n m e s ，t h ec o n s t f u c t i o np r i n c i p i aa n dt h em e c h a l l i s mo f 廿l i ss c h e d l l l i n gs y s t e m s e c o n d l v t h cm o d e lo f s c h e d u l j n go f m e si sb u i i t mt l i sr e s e a r c hf i e i d ，j ti sa n o n e s t a l l d a r d j o b - s h o ps c h e d u l i n g p m b l e m b a s i c a l l y a na l g o r i t h m c a l l e d t t m u l t i l e v e lo p t i m i z i n gh e u r i s t i ca r i t h m e t i ci sd e s i g n e df o rs e m i n gt h i sp r o b l e mi nt h i s a n i c l e s o m ec a l c u i a t i n ge x 锄p l e sa r eu s e dt ot e s tt h ef e a s i b i l i t ya n dt l l ev a l i d i t yo f t h i s “g o r i t h n l t h er e s u l t sh a v ei n d i c a t e dt h a t t h ea l g o r i t h mh a sg o o dp e r f o 衄a i l c eo f o b j e c to p t i m i z i n ga n dc a l c u l a t i n g 印e e d ，a n dh a st t l ec a p a b i l i t yo fs e m i n gl a r g es c a l e s c h e d u l i n gp m b l e m f i n a l l y as c h e d u l 血gs o f t 、v a r es y s t e mw h i c hi sw i t h i nm e s i s d e v e i o p e d ，t h e r e a r ef b u r 胁c t i o nm o d u l e si i lm i ss y s t e m ，w h i c hi n c l u d e ss c h e “l i n gm o d u l e ，t a s k s s u p e r v i s ap l a t f o m l ，s c e n e1 1 1 f o h n a t i o nf e e d b a c km b d u l ea 1 1 di n f o m l a t i o ni n t e g r a t e d i n t e 而c e t h e yh a v ep r o v i d e dag o o dp i a t f 0 h i lt oc o n 们im es c h e d u l i n gw o r ki n j o b - s h o p k e y w o r d s ： m i t h a r i e t i 姻a ds m a m h t c hp m d u c t i o n ； m a n u f a 咖血g e x e c u t i o ns y s t e m ；s c h e d u h 晷l i e u 凼6 ca r i m m e t i c i i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 制造执行系统的产生背景 随着制造业市场竞争的日益激烈，企业要想做大做强，必需通过各种有效的 手段来提升自身的竞争力。信息化管理是当今众多制造企业提升自身实力的主要 措旋。制造业信息化，就是以信息技术运用于企业的产品设计、制造、管理、销 售以及维护全过程，实现产品全生命周期的管理，以提高制造企业的综合竞争力。 有不少信息系统应用于企业的制造过程，如企业资源计划( e r p ) 、供应链管理 ( s c m ) 、现场自动化系统( s f c ) 等，对企业生产运作的全过程进行信息集成 管理。 其中，以企业战略管理和资源计划为核心的e r p 赢得了越来越多企业的认可， e r p 立足于经济全球化的环境，面向正在迅速形成的供应链，从企业全局的角度 对经营和生产进行全面计划，并实施企业资源的一体化管理。它的优势体现在企 业上层总体经营规划的信息化管理。随着e r p 的深入应用，企业发现：一方面， e r p 从全局高度制定计划和进行生产管理以获得最大的利益，必须要基于底层的 统计信息，例如订单的进度、在制品库存量、设备的利用率等。但e r p 一般对车 间层的管理流程不提供直接和详细的支持。它通常能处理昨天以前发生的事情， 也能预计与计划明天将要发生的事件，但对今天正在发生的事件却不能有效地处 理。另一方面，由于市场环境的复杂多变、客户需求的不断变化以及现场生产 的不确定性，一个制造型企业能否良性运营，达到利润最大化，关键是使“计划” 与“生产”密切配合阳】【4 1 。而e r p 在制定计划时不可能把生产的不确定性和市场 未来的变化趋势等未知因素准确地考虑在内。因此，e r p 下达的计划在执行过程 中常需要根据条件的变化人为地修改和调整，这制约着信息化管理的应用效率。 在现场加工控制层，企业主要采用自动化生产设备、自动化检测仪器、自动 化物流搬运储存设备等实现生产现场的自动化控制。尽管控制层设备和装置的自 动化水平在不断提高，但现场自动化系统的功能主要在于现场设备和工艺参数的 监控，它可以向管理人员提供现场检测和加工的统计数据，而本身并非真正意义 上的管理系统m ，难以对车间层生产过程所涉及的作业、人员、物料和设备等众 多方面进行管理，也难以对生产流程进行优化。 广东工业大学工学硕士学位论文 从上述分析可知，企业信息化管理的从上往下的纵向主线中，在车州层出现 了信息集成管理的“断层”现象，计划层与车间层无法进行信息交互，现场控制 层的信息也无法反馈到计划层。企业对生产中的各种问题难以实时反应，这严重 阻碍着企业信息的集成和综合竞争力的提高，而e r p 系统和现场自动化系统由于 各自内在的局限性，而无法实现车间层信息系统应具有的功能。因此，面向车间 的实时信息系统制造执行系统( m a n u f k t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m m e s ) 应运而生。 1 1 2 制造执行系统的含义及其定位 m e s 是美国管理界在9 0 年代提出的新概念。美国先进制造研究机构a m r ( a d v a i l c e dm a i l u f a c t 血n gr e s e a r c h ) 将m e s 定义为“位于上层的计划管理系统 与底层的工业控制系统之间的面向车间层的管理信息系统”。它的定义主要反映 的是m e s 的层次定位上的概念。 a m r 通过对大量企业的调查发现现有的企业生产管理系统普遍由以 e r p m r p i i 为代表的企业管理软件，以s c a d a ( s 叩e r v i s o r yc o i 血0 1 a dd a t a a c q u i s i t i o n ) 、h 1 “i ( h u m a nm a c l l i n ei n t e r f a c e ) 为代表的生产现场控制系统和以实 现现场实时信息管理，支持企业全面集成的m e s 软件组成【6 】。根据调查结果， a m r 于1 9 9 2 年提出了三层企业信息集成模型m ，如下图所示： 图1 1 删三层企业信息集成模型 f i g 1 - lm o d e lo f n l r e e n o o r e m e i p r i s e i n f o m l a t i o n h l t e g r a t i o n f o r a r m m e s 国际联合会( m e s a i m e m a t i o n a l ) 对m e s 的定义会更能反映它功能上 的含义。m e s 国际联合会是以宣传m e s 思想和产品为宗旨的贸易联合会，它为 币钏肃弛 第一章绪论 帮助其成员组织在企业界推广m e s ，制定了一系列研究、分析和开发计划。m e s 闽际联合会对m e s 的定义【1 】【7 如下： m e s 能通过信息传递，对从订单下达到产品完成的整个生产周期进行优化 管理。当制造车间发生实时事件时，m e s 能对此及时做出反应、报告，并用当 前的准确数据对它们进行指导和处理。这种对状态变化的迅速响应使m e s 能够 减少企业内部没有附加值的活动，有效地指导制造车间的生产运作过程，从而使 其既能提高企业的及时交货能力，改善物料的流通性能，又能提高生产回报率。 m e s 还通过双向的直接通讯，在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行 为的关键信息。 下图是m e s 白皮书中提出的m e s 与其它信息系统的联系模型川。从图中可 以看到，企业资源计划( e r p ) 、供应链管理( s c m ) 、销售和服务管理( s s m ) 系统、 生产工艺( p p e ) 系统、底层控制( p l c ，d c s ，m a c l l i n cc o n 订0 1 ) 系统以及制造执行系 统( m e s ) 是面向制造企业的6 种主流信息系统。m e s 与其他几种类型的信息系统 都紧密相连，这使得它在企业的整体信息基础中处于重要的地位。从信息集成的 角度来看，m e s 在s c m 、s s m 、e r p 和面向车间底层设备的控制系统之间能承 卜启下，起着纵向信息集成的作用。同时m e s 连接s c m 、s s m 、e i 冲、p & p e 等系统，起着横向信息集成的作用m 例。 图1 2m e s 联系模型 f 追1 2 m e sc o n t e x tm o d e l 广东工业大学工学硕士学位论文 1 1 3 多品种小批量生产的特点 随着经济的发展，人们生活水平的不断提高，消费观念也正在不断的改变， 对商品的需求也由过去数量上的满足向质量上的满足转化，这就要求企业能提供 更多、更好的商品供不同层次的人们选择。此外，市场竞争日益激烈，制造技术 的不断进步，使新产品不断涌现，产品的市场寿命缩短，更新换代加速，企业要 生存和发展，就必须不断地改进产品的功能、品种，尽快地推出质量好、价格低 的系列化产品，最大限度地占领市场。在我国的制造行业中，虽然近年来涌现出 一些新的生产方式以满足市场特定的需求，但多品种小批量生产仍占有很大的比 例，据统计，我国机械制造业约9 5 左右的企业是属于这种生产类型。该类型 的生产有如下的几个特点呷1 ： ( 1 ) 产品品种的多样性：产品品种繁多，批量与交货期又各不相同，而市场 需求也有很强的个性化要求。 ( 2 ) 生产的复杂性：零件种类繁多，一般按工艺专业化组织生产单元，零件 安排在工序间转移，工艺路线复杂，运输距离长，生产周期也长。因生产过程复 杂，难以合理控制。 ( 3 ) 生产能力的适应性：由于市场需求的不确定性，导致生产设备能力的不 足或过剩，只有通过加班、外协等形式来调节。 ( 4 ) 环境条件的多变性：由于订货规格、数量、交货期变化大，使得某些设 计更改，出现紧急任务或发生外购件( 材料、零件、外协加工) 、交货期不准等 以外情况。 ( 5 ) 生产计划的困难性：因为订货规格不一，造成产品设计和生产过程多变、 物流复杂、任务繁多，因此要实现进度计划的最优化难度很大。 ( 6 ) 生产管理的动态性：由于具体的车间生产情况多变，时有出现设备故障、 人员缺勤、工件返工等问题，仅凭经验靠直觉办事难以实行有效的、规范的管理。 对于以多品种小批量生产为特点的机械制造车间，其普遍的生产效率都很 低。在生产活动的管理当中，瓶颈设备的计划控制不是其管理的重点。进行高效 的生产计划，及时处理各种动态情况，使整个车间达到均衡生产是它所追求的管 理目标。 综上所述，该生产方式下的制造车间迫切需要一种先进的、高效的系统来提 高它的生产效率。 第一章绪论 1 1 4 本课题的研究意义 车间是整个企业的制造中心，它既是上层计划的执行者也是现场加工数据的 反馈者。所以，车间层的资源管理、物流控制、信息集成是企业整个生产系统的 重要方面，车间层的管理直接影响着企业的整体经济效益】。从m e s 的定义可 以看出，它位于车间层的实时信息系统，其关键是强调整个生产过程的优化，收 集生产过程中大量的实时数据，并对实时事件及时处理；同时又与计划层和控制 层保持双向信息通讯能力，从上下两层接收相应数据，反馈处理结果和发出生产 指令。m e s 统一考虑制造车间的计划进度与监控、物料流动、质量管理、设备 管理和计算机集成制造接口等管理单元，以系统的、实时的管理理念和手段在纵 向信息交互中起着桥梁作用，使得整个企业的信息流能高效地贯穿起来，最终能 有效地实施制造自动化战略，对于提高生产力、企业竞争力有着非比寻常的意义。 然而，每一个具有先进理念的系统要成功地应用实施于企业，起到它应有的 作用，都必须充分考虑所要实施的行业的特性，有针对性地构建系统。制造执行 系统的构建和实施也不例外。本文研究的行业背景为具有多品种小批量生产特点 的机械制造业。将制造执行系统有针对性地应用于该行业，这对提高它的生产力、 促进整个社会的生产力都有很大的意义。 在具有此行业特性的制造执行系统中，生产作业计划是整个系统的核心。它 影响着生产的众多方面，例如生产进度、设备利用率、在制品库存量、物料流动 等，可以说，作业计划的有效性决定了车间生产运作的效率。同时，它也是一个 极其复杂、难度相当大的问题，很多专家学者对作业计划问题进行了大量深入的 研究，但到现在为止，很少优化技术能成功地应用于实际生产当中。所以，设计 良好的生产作业计划方法对于整个m e s 的构建、体现m e s 的先进性起着至关重 要的作用。本文将重点对此问题进行深入的研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 制造执行系统的研究现状 m e s 起源于上世纪7 0 年代车间生产的内部需求，在m e s 产生后的二十多年时间 里，一些信息系统即使不能有效支持车间的信息管理，但在功能上部分涵盖了m e s 的功能，使得车间信息系统的内涵，以及与这些信息系统间的界限模糊不清。1 9 9 0 年，a m r 的报告中首次提出m e s 这一概念，接着于1 9 9 2 年，a m r 提出了企业信息集 广东t 业大学工学硕上学位论文 成的三层模型( 如图卜1 所示) 。1 9 9 2 年由处于m e s 开发和应用前沿的公司组成的 商业协会m e s ai n t e r n a t i o n a l 在美国成立，帮助其成员组织在企业界推广 m e s ，制定了一系列研究、分析和开发计划。这一系列的事件，把m e s 从应用实践 提升到理论研究的高度，使之成为制造企业信息系统研究领域的新热点m 。 在此之后，舵s 在理论结构上得到了更进一步的发展。1 9 9 3 年，a m r 推出了m e s 的集成系统模型，强调制造系统信息集成的重要性；1 9 9 7 年，m e s 国际联合会在 其公布的m e s 白皮书中提出了m e s 的定位模型、功能模型、数据交互模型等重要概 念与技术，为实施基于面向对象技术、组件技术的可集成m e s 提供了技术框架； 1 9 9 8 年，a m r 提出了制造业务过程的r e p a c ( r e a d y 、e x e c u t i o n 、p r o c e s s 、a n a l y z e 、 c o o r d i n a t e ) 模型，它更强调制造业务的全过程管理删。 从m e s 研究开发与应用的角度来看，它大致可以分为三类：专用的m e s ( p o i n tm e s ) 、集成的脏s ( i n t e g r a t e d m e s ) 和可集成的m e s ( i n t e g r a t a b l e 忱s ) 。 专用的h l e s 是指为解决某个特定领域问题而开发的单独应用系统，但它不利于信 息的集成与共享，该方案一般用于较早期的m e s 中。集成的m e s 则是针对特定行业， 如航空、半导体、石油化工、制药等行业而设计，具有一定的通用性，并且逐步 加强了与上层事务处理和下层实时控制系统的集成能力。但该类系统的开放性和 可重构性差，很难有一种集成的m e s 能应用于所有的工业，只能是应用于需求大 致相同的工业群体，这也造成其实施时间长和所需资金多等缺点邮】。 为解决以上两种类型m e s 的不足，国外的某研究小组在分析信息技术的发展 和m e s 应用前景的基础上提出了可集成 l e s 这一概念。它通过将面向对象技术，消 息机制和组件技术应用到系统开发中，使m e s 具有开放性、模块化、分布式、可 配置性和可扩充性等特点，能方便地实现不同厂商之间的信息系统的集成和实现 即插即用等功能。但这方面的系统还不太成熟m ”。 我国对m e s 的研究起步较晚，目前主要停留在m e s 的概念、体系以及有关单 一技术方面的研究。近年来，北京航空航天大学、东南大学、南京理工大学等单 位在国家8 6 3 计划资助下在该领域做了一定的研究工作。而在系统应用当中，目 前国内成型的m e s 产品并不多。主要有北京普天仁信息技术公司的( p t r m e s ) 、 宝信公司的宝信m e s 、冶金自动化研究设计院的a r i m e s 、广州中浩公司的中浩 生产制造执行系统等，但真正能成熟的、稳定地应用于企业中的m e s 却很少“l 。 综上所述，将m e s 成功地应用于我国的制造企业，实现高效管理，我们仍要 第一草绪论 付出很大的努力。而且不同行业之间企业的制造流程千差万别，要建立并应用于 所有行业的通用的m e s 是不太现实的。如何建立有行业特色的m e s ，实现该行业 信息的高效集成，是我们当前需要解决的首要问题。 1 2 2 车间作业计划技术的研究现状 车间作业计划按工件工艺路线的特征，可分为单件车间( j o b s h o p ) 作业计 划和流水车间( f 1 0 w - s h o p ) 作业计划。工件的加工路线不同属于单件车间作业 计划问题；而所有工件的加工路线相同属于流水车间作业计划问题。本文所研究 的基本类型为单件车间作业计划( j o b s h o ps c h e d u l i n g ，简称j s s ) 。在该领域的 研究当中，主要是对标准j s s 问题的研究，它研究n 个工件在m 台机器上加工 的组合排序问题，每个工件包含一系列必须按指定顺序加工的工序，而每道工序 的加工又必须在指定的机器上进行，要求在满足某些约束条件下确定各工序的加 工起止时间，并使加工性能指标达到最优。而实际生产当中，绝大部分是非标准 的j s s 问题5 】，它与标准的j s s 问题主要区别在于：每道工序在进行作业计划之 前并不指定加工机器，只指定它所属的工作单元( 机器组) ，具体的加工机器将 在运算中根据某些策略来选择。该问题的研究在国内外文献中并不多见。 对于标准j s s 问题，早在2 0 世纪6 0 年代人们就开始了解决这一问题的研究。 目前国内外的很多学者对该问题都作了深入的理论研究，证明了它属于n p 完全 问题。对它的研究大致分为两类方法：一类是为了得到问题的精确解而进行 的定性研究，它可以得到全局最优解，但所能求解的问题规模比较小，而且速度 慢；另一类则利用近似算法来寻求该问题的近似解，即近似求解方法。 车间作业计划问题的精确求解主要集中在分支定界法的研究，它是主要的枚 举方法之一。用动态结构分支来描述所有的可行排序的解空间。在对最优解的搜 索过程中，它允许把大部分的非最优点分支从搜索过程中去掉，从而避免完全枚 举。但它只能解决小规模的计划问题。目前，对该方法的研究重点放在如何改进 分枝定界策略，以便在搜索的最初阶段排除更多的非最优点，从而大幅度减少运 算时间m ，。 车间作业计划问题的近似求解方法主要有优先规则法、移动瓶颈法、人工智 能法、模拟退火算法、禁忌搜索算法、遗传算法等。 优先规则法分配优先权给所有的被加工工序，然后选出优先权高的工序优先 广东工业大学工学硕士学位论文 加工。此方法容易实现，编码也十分简单，并且计算负担比较低。p a n w a l k a r 和 e s k a n d e r 总结了1 1 3 条规则，并指出最好的规则算法是几种优先规则的组合方法。 这些规则一次性决定工序的开工时间，因此，这些近似算法都很快，但其“短视” 的天性使得它不能把握全局的优化性，解的质量往往不够理想m 。 a d 娜s 在1 9 8 8 年提出了移动瓶颈法，其主要思想是将多杌问题放宽约束转化 为多个单机问题，多次反复使用c a r l i e r 算法对单机问题进行求解。该方法的主 要贡献在于提供了单一机器排序来决定将被排序的机器排序的一个途径，该算法 是第一个解决j s s 中f t l o 标准问题的启发式算法问题鲫。 人工智能方法利用人工智能的原理和技术，根据系统当前状态和给定的优化 目标，对知识库进行有效的搜索和模糊推理，避开了烦琐的计算，从而选择优化 的调度策略。但在众多计算结果表明这些人工智能力法在求解车间作业计划问题 上的表现欠佳，而且计算花费也很大m 】。 模拟退火算法( s a ) 最早由m e 廿0 p o l i s 等人提出，k i r k p 蛳c k 等首先将其引 入组合优化问题的求解过程。其出发点是基于物理中固体物质的退火过程与一般 组合优化问题之间的相似性，通过设定一初温和初态，伴随着温度的不断下降， 结合概率接收特性，在解空间中通过邻域函数进行随机搜索，可以在多项式时间 内找到近似最优解。迄今，s a 算法得到广泛应用，但在提高优化效率方面还待 进一步的研究o 。 禁忌搜索由g l o v e r 等人首先提出，其核心在于借助禁忌表的使用，实现某 种形式的短期记忆机制。禁忌表标记已搜索到的局部最优解的对象，在进一步的 搜索中尽量避开这些对象，从而阻止搜索过程在等于禁忌表长度的有限步搜索移 动内重返搜索空间中近期访问的状态点，避免迂回搜索。这样，搜索过程既可通 过接受恶化解而跳出局部最优点，又能够防止可能由此造成的局部循环”l 。 禁忌搜索算法在j s s 问题求解中，取得了较为满意的结果。 遗传算法由j h o l i a n d 于1 9 7 5 年提出f 2 4 l ，其特点在于模仿自然界生物的竞争 生存机制，将阀题的解映射为遗传种群中的个体，运用适当的遗传操作和选择机 制，对具有一定规模的种群实施世代更替的遗传演化，最终找出整个过程中性能 最佳的个体，即求得所需问题的最优解。g o l d b c r g 等人的著作为其奠定了较为 全面的理论和应用基础m l 。遗传算法在求解众多标准j s s 问题均能得到最优解。 对于非标准j s s 问题，它也属于n p 完全问题。c h u n g h s i n gy e h 提出了基 8 第一章绪论 于操作块的快速限定装填算法，解决了多机分配问题【 6 】。国内也有些文献m ”s ， 提出了解决该问题的多项式算法。总的来说，这类问题的研究文献很少，能引起 学术界关注的研究成果几乎没有。然而，该类问题更接近实际生产，解决这一问 题将具有更大的现实意义。它是本文所要研究的作业计划问题的类型。 l - 3 本文的研究内容 本课题研究的目的将针对多品种小批量生产这一行业类型，特别是以该类型 为特点的机械零件制造行业，研究面向该特性的制造执行系统的总体框架，并以 此体系的生产作业计划问题作为研究的重点，进行深入的探讨。 本文的研究工作以姜莉莉副教授主持的省自然科学基金项目“单间小批生产 作业计划及调度监控系统的研究”为基础，以广东一家大型的机械制造企业为企 业背景，研究该背景下的生产作业计划优化方法，并开发一套相应的软件系统。 本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 研究面向多品种小批量生产的制造执行系统的总体体系； ( 2 ) 研究在该体系下生产作业计划的功能模型与机制； ( 3 ) 研究基于启发式算法的m e s 中作业计划问题的解决方法； ( 4 ) m e s 平台下作业计划系统的设计与开发。 1 4 本文结构 本文坚持以理论联系实际的原则来阐述问题，遵循提出问题、分析问题、解 决问题的论述思路来组织全文的布局。具体的论文结构如下： 第一章：主要介绍了背景知识和本文的研究意义，同时对相关领域的国内外 研究现状进行了综述； 第二章：研究面向多品种小批量生产的制造执行系统的相关体系，并对该体 系下生产作业计划问题进行阐述： 第三章：设计解决作业计划问题的多级优化启发式算法，并对算法进行可行 性、有效性的验证； 第四章：介绍系统的设计与开发过程，并对系统的有关功能进行阐述； 最后对本文的研究工作进行全面总结并对本研究作出下一步的展望。 三圣三些盎耋三兰竺! ：兰堡丝兰 ， 第二章面向多品种小批量生产姬s 的作业计划 2 1 多品种小批量生产的车间作业现状及分析 经济的发展、技术的进步、客户对产品需求的多样化，要求大量制造企业转 向多品种小批量生产。然而，该类型制造企业的生产效率普遍不高。由于产品、 零件品种繁多，设计人员不得不在设计计算和绘图上花费大量劳动，设计和工艺 准备工作复杂，生产技术准备周期长。多品种小批量生产一般按工艺专业化组织 生产单元，虽然它具有灵活适应品种改变的需求、便于专业工艺管理、易于利用 设备产能和生产面积等优点，但零件安排在工序问转移，工艺路线复杂，运输距 离长，生产周期也长。复杂的工艺路线和生产联系，使生产管理难度很大m 【2 9 】。 管理的重点与难点莫过于生产作业计划的合理编制及作业计划的控制。 多品种小批量生产的计划特征是典型的m r p i i 。一般而言，车间的生产计划 为上层计划系统所决定的零件加工计划，要求车间在限定的交货期内把工件加工 完毕，最后进行总装配。作业计划的制定及计划控制的好坏直接影响着生产效率。 图2 1 基本上反映了一般多品种小批量生产机械制造车间的作业流程。 计捌部各功艟车闻( 各工作中心)工艺部门外执部门 上层计觚统确定聃f ；气嚣函熬引 门定更详组 蝼l 厂爵吒蒡酝 i 竺兰三! i 一7 墨 7 一j 一1 三i 磐| _角关舡单 j 平* 蛰力jj r 一 捂重詹：量 l 对軎车闻丹茬任务li 一 车同生产捧程卜一i - 单k质检员盘抒， 下发 鼍工单 。 工时结算单 联系外协 * 一 多嚣t 抬 差唑岁7i ，面三；奢 艚 吾 文梓 嘲f 壬艺薹多p 7 匿翻謇； 慨 o “；一f 赶i h 2 黼箜斟_ - 膏往部门jjjj 卜 t 囊一是一无蓬g 竺主事p 7翟审幽 1 9 意赢i 卜1 越芝! ! ：。掣一 图2 1 多品种小批量生产的机械制造车间作业流程 f 嘻2 - 1w 础d n g f 1 0 w o f j o b s h o pf o rm u v a r i e t i e sa n ds m a l l b a t c hp m d u c t i o n 第二章面向多品种小批量生产m e s 的作业计划 从图上可知，车间的生产流程都比较复杂，要经过一定的步骤才能完成整个 加工周期。而且，生产计划的执行当中，总会或多或少地受到外部与内部不确定 因素的影响，从而影响了生产的有序性，降低了生产效率。经过对不同企业的调 研，归纳起来，主要有以下的一些因素。 1 外部因素主要有： ( 1 ) 市场需求的不确定性。市场总需求即使呈现一定的季节变化，但对企业 来说，所面对的是不同客户的订单。总体上，企业订单来源是不均衡的、随机的。 ( 2 ) 客户订单需求的更改。当前的社会趋势，顾客永远是第一位，企业为了 能够与顾客保持长远的合作关系，都会竭尽全力满足顾客的需求，包括顾客对产 品结构、设计的更改需求、交货期更改需求等等，这些都会导致生产计划的改变。 ( 3 ) 原材料短缺。原材料的短缺对企业生产计划的冲击是相当大的，往往使 企业不能正常安排生产，从而造成经济损失。有些企业为了保证信誉度，保证订 单的交货期，不得不以高价购进原材料来维持正常的生产，影响了经济效益。 2 内部因素主要有： ( 1 ) 作业计划不合理。车间中的工件往往会有成千百个，工件的工艺路线复 杂且路线不一。作业计划的编制仍由手工完成，难以形成合理的计划。而且影响 车间生产的动态因素众多，这更增加了它的难度。不合理的作业计划往往会造成 工件的交货期不能保证、生产不均衡、在制品库存增多、物流不顺畅等现象。 ( 2 ) 工件下料延迟。下料的延迟很容易造成工件不能按时完成，还会影响到 后续工件的加工工期、降低加工设备的使用效率。 ( 3 ) 工件的报废、返工。由于设计的不合理、工人的操作不规范使得工件要 返工或报废，需重新加工，从而影响了生产进度。 ( 4 ) 急件插入。由于b o m 设计的漏缺、某些工件工期的更改、新加工任务 的产生往往导致急件的出现，这必然会影响车间中现有的生产秩序，也同样增加 了车间作业计划的难度。 ( 5 ) 机器故障。机器故障会严重影响车间的生产秩序，导致原有作业计划的 改变，也会造成工件的报废。若是关键机器的故障，更会严重影响总体生产进度。 ( 6 ) 缺乏有效的作业监控手段。大多数企业的生产作业监控都是由管理人员 经常走访各个车间来监控，往往要花费很大的力气才能完成该工作。由于工件数 目众多，单靠人工走访的方式来监控，避免不了遗漏，效率也低，从而造成工件 广东工业大学工学硕士学位论文 拖期、缺件等现象，影响正常的生产。 以上众多的因素，使得实际生产状况常常显得很混乱，管理人员常忙于应付 各种问题，管理效率极其低下。即使很多企业都应用e r p 、p d m 等各种信息系 统进行生产管理，但正如绪论中提到的，由于它们在管理理念、功能上的局限性， 很难对车间层进行有效的管理。 制造执行系统( m e s ) 是一种全新的管理理念，一个面向车间生产管理的实 时信息系统。在国外的众多研究及应用表明，它能为提高车间的生产效率提供优 越的解决方案。由于行业的差别，制造执行系统在应用上会有所不同。以下的章 节，将针对本文所研究的行业背景，对面向该生产特性的制造执行系统的总体框 架进行研究，并对此框架下车间作业计划问题进行深入的探讨。 2 2 面向多品种小批量生产的翻造执行系统 2 2 1 制造执行系统的结构体系 从制造执行系统的定义中可知，对于不同的行业应用，制造执行系统在体系 结构方面是大致相类似的。鉴于此，在本节中将给出制造执行系统的一般的系统 结构。 制造执行系统从任务发出到成品产出的整个过程中，扮演生产活动最佳化的 “信息传递者”的角色，它必然要具有面向车间所有生产活动的各种功能，同时 也为其它信息系统提供服务，这就决定了制造执行系统的系统结构中必须满足以 下原则【7 i ： ( 1 ) 制造执行系统应该是一个分布式的计算机系统； ( 2 ) 制造执行系统能够与企业的其它制造信息系统相联接，提供高效的企业 信息管理功能； ( 3 ) 制造执行系统以生产信息为核心，为企业各种决策提供直接的支持。 综上所述，本文给出了制造执行系统结构体系，如下所示： 第一二章面向多品种小批量生产m e s 的作业计划 底层蔚造加工作业调度质量管理文措控错维护管理其它i 匝s 功鸵摸块 图2 2 制造执行系统结构体系 f i g 2 2f 眦l e 、o r ko f m e s 一个基于统一软硬件平台的制造执行系统，以p c 作为各职能部门实现m e s 功能要求的载体，以及采用工业p c p l c h m i 等设备作为车间内各生产区域功能 站的主要构件，通过对各个生产单元的数据收集和反馈，组成覆盖全车间、满足 闭环生产管理需要的开放式以太网络。 各功能模块的横向联系当中，以m e s 数据库服务器作为核心，对大量数据 进行存储、对比、分析，提供各种数据、报表和图形，在m e s 平台下实现生产 现场信息的监控。 与其它制造信息系统的纵向联系当中，通过l a n 或i n t e m e t 等传输媒介进 行信息互联，它为上层系统提供车间实时的现场信息，让整