（机械工程专业论文）单件小批车间作业计划与调度监控集成系统的研究与应用.pdf

摘要 单间及小批生产条件下生产的产品约占在全世界产品总量的7 0 9 6 ，中国也 不例外。因此建立单件及小批生产条件下车问多召标最佳作业计划的拟定与动 态调度监控计算机集成系统对实现整个企业的管理自动化和提高经济效益具有 极其重大意义。近几十年来，国内外许多专家学者对单件及小批生产条件下的 生产作业计划的制定及调度控制这一课题进行许多研究。例如清华大学管理学 院和c i m s 国家重点实验室、华中理工大学、香港理工大学等高校均把这项课题 列为一项关键技术正在进行积极研究。 结合我国生产管理模式和机制，建立适合于我国的单件及小批生产条件下 的生产作业计划及调度监控集成系统，对提高我国企业的生产效益将具有重要 的经济价值，为实施我国c i m s 战略做出贡献。 对于单件及小批生产类型的车间而言，作业计划的制订和调度监控是一项 十分复杂和困难的课题。该系统出工艺准备子系统和生产作业计划及调度监控 子系统组成。系统可快速建立或修正作业计划，实现车间物流实时仿真及调度 监控，最大限度地减少材料和劳动力的消耗、提高设备的利用率，从而降低产 品的制造成本。 本课题所研究的单件小批量作业计划与调度监控系统z e n i t hs p p s ， 为解决车间一级的作业计划问题提供了有效的解决方案。 本文针对科龙集团配件公司模具厂模具制造均为单件生产的情况，提出了 生产作业计划调度和监控系统采用倒推法和正排法的数学模型，并将其运用于 模具厂生产车间，以加工中心的作业计划为实施的主要对象，重点解决模具厂 的瓶颈问题，在计算机界面自动形成操作性强的调度、监控系统，并可直接打 印表格给具体操作人员用于现场生产。对于计戈4 调整、实时监控、远程控制、 计划编制通过计算机实现，提高了效率，减轻了管理难度。 关键词作业计划；调度；监控 广东工业大学工程硕。l ：学位论文 a b s t r a c t t h e p r o d u c t so f s i n g l ep i e c e so f s m a l l s e r i a lp r o d u c t i o no c c u p ya b o u t7 0 o f t h e p r o d u c t si nt h e w h o l ew o r l d a n dt h ec o n d i t i o ni nc h i n ai st h es a m e s os e t t i n gt h es y s t e m t h a tc a l ls t u d yo u tm a n y - g o a l sa n d o p t i m a ls c h e d u l i n go fs i n g l ep i e c e so f s m a l ls e r i a l p r o d u c t i o ni si m p o r t a n t f o r e n t e r p r i s e st or e a l i z et h e a u t o m a t i o no f m a n a g e m e n ta n d i m p r o v ee c o n o m i cp r o f i t s i nt h e s ed e c a d e s ，m a n y s c h o l a r sa n d e x p e r t sh o m e a n da b r o a d h a v em u c hr e s e a r c ho nt h i ss u b j e c to f s c h e d u l i n ga n d c o n t r o l l i n go ns i n g l ep i e c e so f s m a l l s e r i a lp r o d u c t i o n ，s u c ha st h em a n a g e m e n t c o l l e g eo f t s i n g h u au n i v e r s i t y ，c i m sn a t i o n a l k e yl a b o r a t o r y , h u a z h o n gu n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dt h e h o n gk o n g p o l y t e c h n i cu n i v e r s i t y i n t e g r a t i n g w i t ho u rn a t i o n s p r o d u c t i o nm a n a g e m e n tp a t t e r n a n dm e c h a n i s m ， e s t a b l i s h i n g t h ei n t e g r a t e d s y s t e mo 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 f i t st ot h e c o n d i t i o no f s i n g l ep i e c e sa n ds m a l ls e r i a lp r o d u c t i o n ，a n di th a sv e r yi m p o r t a n te c o n o m i c v a l u ei ne l e v a t i n go u rn a t i o n se n t e r p r i s e se f f i c i e n c y ，a n di th a sc o n t r i b u t e dt oe n f o m et h e s t r a t a g e mo f c i m s a st ot h et y p eo fs i n g l e p i e c e s a n ds m a l ls e r i a l p r o d u c t i o n t a s kp l a n n i n g a n d s c h e d u l i n gi s av e r yi m p o r t a n ta n dd i f f i c u l ts u b j e c t t h es y s t e mi n c l u d e st h r e ep a r t s ： t e c h n o l o g ys u b s y s t e m ，s c h e d u l i n gs u b s y s t e ma n ds u p e r v i s i n gs u b s y s t e m s y s t e mc a ns e tu p a n dm o d i f yt h es c h e d u l eq u i c k l gr e a l i z et h ee m u l a t i n go fs h o pm a t e r i a lf l o wa n dt h e s u p e r v i s i n g ，r e d u c et h e u s eo f m a t e r i a la n dl a b o r , i m p r o v et h eu s i n gr a t eo f t h em a c h i n ea n d r e d u c et h ec o s to ft h em a n u f a c t u r eo fp r o d u c t s o u rs y s t e m ，z e n i t hs p p s ，c a l ls o l v et h e p r o b l e mo f s m a l l - b a t c hw o r k s h o p a c c o r d i n g t ot h es i t u a t i o no f t h e y o m p a n yo f s i n g l ep i e c ea n ds m a l ls c a l et y p e ，s u c ha s k e l o n ，w eb r i n gf o r w a r dt h em a t hm o d e lo f b a c k w a r ds c h e d u l i n ga n df o r w a r ds c h e d u l i n g ， a n d a p p l y t h e s y s t e m t ot h e p r o d u c t i o n o fd i e ，a n dt a k et h e p r o d u c t i o np l a n o f m a n u f a c t u r i n gc e n t e ra s t h em a i ni m p l e m e n t i n go b j e c t t h es y s t e mo fs c h e d u l i n ga n d s u p e r v i s a li se a s yt oo p e r a t e i tc a ns o l v et h ed i f f i c u l tp r o b l e mi nt h ed i ec o m p a n y , a n di t c a l lp r i n ts o m eu s e f u lf o r m st h a tc a ng u i d et h ep r o d u c i n gw o r k e r s a st ot h em o d i f y i n go f t h ep l a n ，r e a ls u p e r v i s a l ，r e m o t ec o n t r o la n dw o r k i n go u tt h ep l a nc a nb er e a l i z e dt h r o u g h t h ec o m p u t e r , w h i c hr a i s e st h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n da l l e v i a t e st h ed i f f i c u l t yo ft h e m a n a g e m e n t k e y w o r d sp r o d u c t i o np l a n ；s c h e d u l i n g ；s u p e r v i s a l 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文 是我乍、径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，论文不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，不包含本人或他人已申请学位或其他用途 f 电用疆的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 沦：中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名 作者单位广东工业大学 日期：少 r ，扩 第一幸绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 单件小批生产的行业背景及特点 目前在制造行业中，随着新技术的发展和应用，以及随着市场竞争的同 趋激烈和需求的日趋多样化，新产品不断出现，品种不断增多，使得多品种小 批量生产的比例不断增大。据统计，单件及小批生产条件下生产的产品约占全 世界产品总量的7 0 ，在我国，机械行业中的9 0 左右的企业属于单件小批生 产，其总产值约占整个机械行业的7 5 。可见，单件小批生产在生产业中占据 着很重要的地位。 单件小批生产类型是在规定的时间内，制造种类繁多的产品，其产量可能 是一件或批量很少，并且绝大部分是按订单进行生产的。概括起来，单件小批 生产有如下特点1 1 】： ( 1 ) 订单的随机性 对于此类生产企业，计划期内可以接到多少订单，客户提出那些订单是事先 无法确定的。所以，企业只能按照随机到达的订单逐项进行生产安排。 ( 2 ) 品种多样化和专用性 品种多而复杂是单件小批生产的一个主要特征。而且产品的性能要求和结构 特点是由用户根据他们的要求提出的。 ( 3 ) 生产过程的多样性以及技术准备工作量大 由于品种杂而多变，产品的生产过程和工艺路线就相差很大，而且生产过程 不稳定因素多，使得生产前的准备工作，即设计、工艺准备的工作量大。 ( 4 ) 能力负荷的不均衡性 由于单件小批生产品种多而多变，工艺路线各不相同，完工以及交货期参差 不齐，使得设备的负荷很不均衡。 ( 5 ) 作业计划以及调度排产的复杂性 单件小批生产的产品品种规格多样不一，而且生产过程又各不相同，使得工 艺路线也各不相同。因此要对各生产零件进行合理的优化调度难度很大。这个特 点也是单件小批生产效率的瓶颈所在。 广东_ t 业人学丁：程硕l j 学位论文 1 1 2 单件小批的生产组织形式 属于单件小批生产最典型的行业有模具制造业，重型机械制造业，船舶制造 业等等。这些行业的产品结构复杂，而且都是根据客户的要求独立进行设计和制 造的。所以不能按对象专业化原则进行组织。为了提高生产效益，必需采取有效 的生产组织形式【2 1 。 ( 1 ) 大件生产单元 大件生产单元适合于加工产品中的大型零部件。这类零部件重量重，体积大， 数量不多，大多是产品中的基础件，如机身、机座等。这类零部件都是专用件， 形状各异。虽然零件数量很少，但由于零件体积大，需用大型设备加工，其加工 劳动量很大。根据以上情况，可以把企业中的大型设备，如：大车床、落地镗床、 龙门钻床、大立车、摇臂钻等集中起来，组建大件生产单元，专门加工各项产品 中的基础、大件。大型零件的工艺复杂，工艺过程的相似性差，难以建立成组生 产单元，但是企业的大型设备数量有限，将有关设备集中布置在一起，可以在大 件单元内实现大型零部件的封闭生产。大大简化生产管理工作。 ( 2 ) 柔性制造系统或柔性生产单元 在一项产品中有一些零部件是产品的主要部分。它们对产品的性能、质量 有决惫洼的影响。这些零部件一般结构特殊、工艺复杂、工序多、精度高、加工 的技术难度大，成为生产中的关键件。 在通用设备上加工这些关键件，为了保证加工质量，往往需要复杂的工艺装 备，而且生产率很低。由于工序多而分散，制造周期长，作业计划难以确定，而 且监控的难度大。如果采用加工中心、数控机床等先进生产手段取代通用设备和 万能工装，就可大为改善关键件的生产工艺水平，既可免去许多复杂的工艺装备， 节省工艺装备设计、错4 造的时间和费用，又能保证稳定的产品质量和取得较高的 生产率。在加工中心和数控机床上加工，由于实现了工序集中，还能缩短制造周 期和简化生产管理工作。在模具生产企业当中，加工中心的生产加工是影响这个 产品加工的主要因素，往往一些经济效益好的模具企业，它的加工中心工段的生 产效益必定会很好。所以如果企业资金允许，为解决产品中的关键件建立柔性制 2 第一章绪论 造系统( 或柔性生产单元) 是合适的。因为在实际生产中制约企业生产水平的瓶颈 往往就是这些关键件。把关键件的生产解决好了，即瓶颈解决了，企业的生产效 益就有了保证。 ( 3 ) 成组生产单元 除了上述两类零件之外，产品中大多数零件是一般件，居中小型零件，它们 常占产品零件总数的8 0 以上。这些零件虽然种类繁多，形状各异，但对于机器 产品而言，则不外乎是轴类、盘类、套类、齿轮类、杠杆类等，都属相似零件。 所以建立成组生产单元，组织成组生产是有可能的。因为虽然专用产品，每一项 产品都是单独设计的。但是只要是同类产品，设计上总有继承性。所以同一类产 品，它的零件构成大体相近，即各类相似零件在产品零件总数中所占的比例大体 是接近的。这就是能够建立成组生产单元的重要依据。多品种小批量的生产方式 往往会用到此种生产组织技术。 ( 4 ) 标准件生产单元 产品中的标准件大部分都可以通过外购得到。但也有一部分属于本厂的标准 件，则需自制。当这部分标准件的生产达到一定的规模时，应该考虑建立专门的 标准件生产单元。此时的生产方式多为多品种小批量生产，按成组技术的组织方 式安排此类零件的生产。对于那些于各产品都通用的标准件，不同于按订单组织 生产的其他零件。它的需求量较大，不属于单件小批，而是成批或大批生产类型。 它可以采用j r r ( 即时生产) 的管理模式，需要单独进行管理。因此有必要建立 标准件生产单元，单独组织标准件的生产。 1 1 3 单件小批车间生产存在的主要问题 单件小批生产由于品种数量多变，而生产过程又各不相同，使得设计，工艺， 制造多变，缺乏精确的数量资料。特别对于那些中小零件居多的单件小批产品( 占 大多数) 而言，在一个生产生命周期中的零件数目往往有成千上百个，对这些工 艺路线大多各不相同的零件进行合理优化的作业计划以及排产调度是异常困难 的，也使得难以估算生产的成本。 这种情况在模具生产当中尤为突出。例如，在机加班( 有车床，镗床，磨床， 加工中心等) 中有上百个有着不同工序( 一般都有好几道工序) 的零件准备加工， 要求按照它们各自的工序顺序同时对其进行排产。若完全由入脑进行排产调度， 广东l t 业火学：1 = 程硕j ：学位论文 这里面的工作量和耗费的精力是难以想象的。而且此种方式得出的结果往往缺乏 科学性，得不到合理的结果。 由于难以确定较为精确的生产计划与生产进程，使得制造车间的生产活动多 变而复杂。最为突出的情况是容易造成设备负荷的极不均衡和生产进度的监控难 度大，影响了生产进度，导致不能保证产品交货期，最终直接影响企业的经济效 益。 所以，若要提高单件小批类型企业的生产效益，传统完全靠人工来进行管理 或以人工干预为主导的信息化管理显然都不能达到提高效益的目的，医l 此，建立 一种有效的生产计划与监控的机制对于整个单件小批类型的生产行业来说尤为迫 切。 1 2 研究目的与意义 如上文所论述的，对于单件及小批生产类型的车间而言，作业计划的制订 和调度监控是一项十分复杂和困难的课题。结合我国生产管理模式和机制，建立 适合于我国的单件及小批生产条件下的生产作业计划及调度监控集成系统，对提 高我国企业的生产效益将具有重要的经济价值。 近几十年来，国内外许多专家学者对单件及小批生产条件下的生产作业计划 的制定及调度控制这一课题进行许多研究。例如清华大学管理学院和c i m s 国家重 点实验室、华中理工大学、香港理工大学等高校均把这项课题列为一项关键技术 正在进行积极研究。 原苏联和现俄罗斯在解决单件及小批生产条件下的生产作业计划的制定及 调度监控方面进行了卓有成效的研究，建立了最优的数学模型。9 0 年代，以莫斯 科工业大学叶巴伏洛诺夫为首的研究人员建立了单批及小批生产条件下的生 产作业计划及调度监控集成系统一f f o b o s ，它是基于多目标、多因素的动态 优化和仿真方法的物流集成调度控制系统，该系统可以在自动化模式下综合解决 拟定和修正作业计划，计算和修正车间及工段生产进度表，提高设备的负荷率， 实现生产能力的平衡。它集工艺准备、作业进度计戈0 编制和调度监控于体，该 系统的第一阶段成果已在俄罗斯几十个企业推广应用，取得了明显的经济效益。 本课题所研究的内容正是借鉴f o b o s 的先进技术，力求建立起一套适合于中国 企业实际生产睛况的管理系统。 4 第一章绪论 效益是企业的生命，任何先进技术， 动化和提高经济效益具有极其重大意义。 离开效益将变得毫无价值企业的管理自 实践表明，任何生产企业，车削一级的 生产效益是影响整个企业经济效益的关键。因此，应当非常重视提高车间一级的 生产效益。就目前我国的实际情况而言，车问的生产管理方法落后是影响生产效 益提高的主要因素，因此，从战略的高度上考虑，当务之急是提高车间一级的生 产效益，其中的一项关键任务就是结合我国生产管理模式和机制，建立适合于我 国的单件及小批生产条件下的生产作业计划及调度监控集成系统，对提高我国企 业的生产效益将具有重要的经济价值，为实施我国c i m s 战略做出贡献。 1 3 研究内容 本课题以科龙模具厂为实例对制造企业单件小批生产f 青况下的车间作业计 划与调度监控进行了研究，在原有的科研成果的基础上提出了符合生产实际的倒 排产法，根据最终产品的完工( 交货) 时间，确定各部件的装配时间，由此自动 生成零件的加工完成时间，使各零部件的完工时间基本均衡，形成设备负荷图( 甘 特图) ，减少在制品数量及资金占用，使整套模具的零件加工及时而又不过分提前 造成积压并占用场地，同时建立更加符合生产车间实际的工作界面及报表生成模 块，既可供各级管理者调度、监控用，又可直接生成各种工作单下发具体操作员 实施。在科龙模具厂的试用过程中建立了班组，工序，设备及其分组的初始化， 生产工艺准备，工艺信息的输入，生产调度模块的实施，生产文件的生成等。 广东_ t 业人学t 程砸二l 学位论文 第二章车问作业计划及控制问题概述 2 1 车间作业计划问题的描述 2 1 1 车间作业计划定义 车间作业计划是工序级的作业计划，是厂级生产计划的具体执行计划。细到 机床组或机床，它为车间生产管理人员组织生产提供依据。与厂级生产计划相比， 车间作业计划有如下特点： ( 1 )计划期短：一般把年度生产计划细分为月、周、同生产计划，有的 甚至是小时级的具体计划。 ( 2 )所做的计划比较具体：计划层层落实到班组，甚至个人。 2 1 2 车间作业计划问题的描述 车间作业计划问题也常称为车怛j 生产调度问题或车间作业排序问题，设有1 1 个作业，每个作业都由一组工序组成，有m 台可用机床，则该问题可描述为：在 指定的时间内，将n 个作业按照一定的原则或算法分配到m 台可用的机床上进行 加工，以满足一个或多个预定的性能指标。工序的加工必须按照可行的工艺次序 进行，每个工序的完成都要占用一定数量的机床时间、人员及工装等相关制造资 源。 车间作业计划的目标是将作业合理地安排到各机床，并合理安排作业的加工 次序和加工开始时间，使约束条件满足，同时优化一些性能指标。常用的目标有 满足交货日期、极小化工序准备时间或成本、极小化在制品库存、极大化设备和 劳动力的利用率。单件小批企业为了满足客户对交货期的严格要求，一般都以交 货期及极大化设备利用率作为目标。 2 1 3 单件小批车间作业计划问题的特点 单件小批车间作业计划问题有如下三个特点m 1 ： ( 1 ) 问题的复杂性 6 第一章午问作业汁划及控制问题概述 单件小批作业计划问题属于n p 问题，目前还没有通用的算法。 ( 2 ) 环境动态随机改变 在实际的单件小批作业中，经常会出现急件插入、订单改变、机器故障或零 件返修等意外情况。这就对作业计划的可行性和灵活性提出了很高的要求。 ( 3 ) 多目标优化 单件小批车问作业计划问题属于多目标优化问题的一种。在实际的生产中， 不同的优化目标之间会产生冲突。如强调机床利用率时，与交货期相关的指标可 能会受到影响。因此，不同目标之间的冲突，进一步增加车间作业计划问题的难 度。 2 2 车间作业排序 2 2 1 车间作业计划与排序 作业计划与作业排序有着深刻的实际背景，一般说来，凡是有多个任务或 作业要完成，就会有作业计划与排序问题。n 个作业在m 台机床上的不同安排会 产生不同的结果，怎样安排加工顺序才能得较优解就是排序问题。作业计划与排 序一般来说不是同义词，排序只是确定零件的加工次序，它是作业计划的一部分 内容，也是作业计划的最重要内容。而作业计划不仅要确定每个零件的加工次序， 而且还要确定零件及其每道工序的开始时间和完工时间。 2 2 2 车间作业排序分类 在制造业的生产作业排序中，可按机器、工件和目标函数的特征分类。按照 机器的种类和数量不同，可以分为单台机器的排序问题和多台机器的排序问题。 对于多台机器的排序问题，按工件加工路线的特征，可以分成单件车间( j o b - s h o p ) 排序问题和流水车间( f l o w s h o p ) 排序问题。若所有工件的加工路线完全相同，则 是流水车间排序问题；若工件的加工路线不同，则是单件车间排序问题，是最一 般的排序问题，也是最复杂的排序问题。 按工件到达车间的情况不同，可以分成静态排序问题和动态排序问题。当进 行排序时，所有工件都已到达，可以一次对它们进行排序，这是静态排序问题： 若工件是陆续到达，要随时安排它们的加工顺序，这是动态排序问题。 广东t 业大学工程硕卜学位论文 按目标函数的性质不同，也可划分为不同的排序问题。例如：同是单台机 器的排序，目标是佼平均流程时问最短和目标是使误期完工的工件数最少，实质 上是两种不同的排序问题。按目标函数的情况，还可以划分为单目标排序问题和 多目标排序阀题。 在制造企业日常生产中，工件需按规定工艺路线在各个按功能组织的工作中 心之闯移动，生产作业排序通过决定工件加工顺序以及分配相应的生产设备来对 工件进行加工。不同规模的生产具有不同的生产工序类型及相应的尘产计划方法， 表2 一l 列举了不同生产过程的典型的作业排序方法。 类型产品特征通常的计划方法 l 电一 全自动化，产品中劳动 工序 化工产品、电缆力成本低，设施专用于有限负荷，正排，机器有限 单一产品 生产线有限负荷，正排( 生产 大批量汽车、电话、纺自动化设备，半自动装率是关键) ，机器有限，用准时 生产织品置移动装配线 化生产系统将工件拉到生产线 上 无限负荷，正排，优先调度控 中等批工业用产品、最成组技术单元，专业化 制，通常是劳动力有限，但不 量生产终消费品小工厂 排除机器有限，通常与订单交 货期相对应 按生产功能( 不在生产 线上) 组织的机器中心， 无限负荷，正排，通常是劳动 小批量产品中劳动力成本高， 力有限，但部分工序可能是机 生产 模具、专用仪器器有限( 热处理工序或精密设 通用设备换装时间相当 长，材料搬运自动化程 备中心) ，由交货期决定优先顺 序 度低，产品品种多 表2 - i 不同生产过程的典型的作业排序方法“ f i g 2 - lt y p i c a lw o r ko r d e r i n gw a y su s e di nd i f f e r e n tp r o d u c i n gp r o c e s s e s 其中，无限负荷指的是当将工作分配给一个工作中心时，只考虑它需要多少 时间，而不直接考虑它是否有完成这项工作所需的足够资源，也不考虑在该工作 中心中，每个资源完成这项工作的实际顺序。有限负荷指的是根据订单安排生产 任务的调整时间和运行时间，并对每一种资源详细地计划。正排指的是系统接受 一个订单后对订单所需作业按从前向后的顺序进行排序，正排系统能够指示订单 开工的最早日期。倒排是从产品截止期开始，按从后向前的顺序对所需作业进行 第二章车间作业计划及挣制问题概述 排序，倒排系统能够指示订单开工的最晚日期。 2 2 。3 车间作业排序的评价指标 不同的排序方案及算法会产生不同的作业计划，所以在进行选择排序方案 之前，首先要确定评价指标。常用的评价指标如下： ( 1 ) 交货期 即工件任务的完工期能否满足交货期，对于单件小产生产企业而言，首先 也是最重要的一点就是要满足客户的交货期。 ( 2 ) 工件流程时间 即工件从开始加工到加工结束的时间，不仅包括工件各工序的加工时间， 还包括工件的准备时间，如等待时间、搬运时间等。 ( 3 ) 机床的闲置时间 即机床由于没有工作任务的到来而闲置的时间， ( 4 ) 设备利用率 即设备在总的工作时间内的利用率，可用设备的工作时间与总工作时间之 比表示。 ( 5 ) 延迟 即工件超出交货期或预定期的时间，一般说来，要使延迟为0 或最小。 2 8 车间作业计划调度规则 2 3 1 一般调度优先规则”“1 一般说来，一个工作地可选择的下一个工件或工序会有多种，按什么样的准 则来选择，对排序方案的优劣有很大的影响。为了得到所希望的排序方案，往往 需要借助一些优制l 网芋规则。迄今为止，人们已提出了1 0 0 多个优先调度规则， 各种优先规则各有特色。优先规则随着实际情况的不同或目标函数的不同也不尽 相同。如要使工件平均流程时间较短，在制品库存较少，可采用s p t 规则排序而 若要给顾客提供更好的服务，其平均延迟时间和总延迟时f l 均较少，则可采用 d d a t e ( 任务完工日期) 规则排序。表2 2 列出了一些常用的优先规则： 广末t 业人学_ t 程硕：l ：学位论文 序号规则名称含义 1e d d交货期最早 2f i f o先进先出 3l i f o后进先出 4 j p工件优先值 5l w i ( r 剩余加工量最小 6m w k r 剩余加工量最大 7f o p n r 剩余工序数最少 8m o p n r 剩余工序数最多 9s p t 加工时问最短 1 0l p t 加工时间最长 1 ls l a c k 最小松弛量 1 2 n i n q下工序等待作业数最少 1 3w l n q 下工序等待作业加工量最小 1 4r a n d o m 随机 表2 2 常见优先规则 f i g 2 - 2p r i o r i t yr e g u l a t i o n sf r e q u e n t l yu s e di nt h ep r o d u c t i o ns c h e d u l i n g 表2 2 中“松弛量”定义如下： 松弛量= 交货期一当前时刻一生于加工时间 松弛量为负时，表明其不能按期交货。 有时运用个优先规则还不能唯一地确定下一个应选择的工件，这时可根据 情况使用多个优先规则的组合。表2 - 3 列出了常见的复合优先调度规则。 序号规则名称含义 1s p t t o t 最短加工时间与总加工时问的乘积最大 2 s p t t d t最短加工时间与总加工时间之比最大 3s l a c k f o p n r松弛时间与剩余工序数之比最大 4 s l a c k l w k r松弛时间与剩余加工量之比最大 表2 - 3 典型复合优先生产调度规则 f i g 2 - 3c o m p o s i t ep r i o r i t yr e g u l a t i o n sf r e q u e n t l yu s e di nt h ep r o d u c t i o n s c h e d u l i n g q 第二章午间作业计划及控制问题概述 2 3 2 单件小批生产常用的几个优先规则 ( 1 ) 关键、重要零部件优先 即对厂家而言最重要的零部件优先安排生产。 ( 2 ) 最长制造时间的零部件优先 即加工时间最长的零部件优先安排生产。 ( 3 ) 最短制造时问的零部件优先 即加工时间最短的零部件优先安排生产。 ( 4 ) 急件优先 在生产中，有的零部件在排产时没有安排，而交货时间又特别急，这时往往 要对这种零部件优先安排生产。 ( 5 )未完成工序虽多的零部件优先 即未完成工序最多的零部件优先安排生产。 ( 6 ) 先到的工序优先 即对某一台设备而言，先到的工序优先安排。 ( 7 ) 后到的工序优先 即对某一台设备而言，后到的工序优先安排。 ( 8 )最长加工时问的工序优先 即对某一台设备而言，加工时间最长的工序优先安排。 ( 9 ) 最短加工时间的工序优先 即对某一台设备而言，加工时间最短的工序优先安排。 2 4 单件小批车间作业计划的编制 单件小批车间的每个工作中心都要做许多种零件的不同工序，在同一时间 周期，一个工作中心有多个任务等待加工。如何使各任务得到一个合理的安排， 这是作业计划编制的主要任务。编制作业计划的目的，就是按工艺路线将总任务 进行分解，形成各工作中心及设备的加工任务。通过各种优先规则合理利用车间 的人力及设备资源，使整个任务- ；o n m 时间短、保证任务按期完工，又能使资源利 用率高，这也是研究作业计划编制问题的意义所在。 广东工业大学工程碳l 学位论文 2 4 1 作业计划编制的基本思想 对于单件小批企业而言，编制作业计划的主要依据为： ( 1 ) 生产信息 如：有哪些产品或零部件将进行投产，生产多少，它们的交货期是何时? ( 2 ) 加工路线 即这些产品的结构、零件的工艺过程等信息。 ( 3 ) 加工时间 即零件的加工周期，各工序的加工时间等。 ( 4 ) 设备信息 即设备的生产能力、工作性质等情况。 编制作业计划遵循以下3 条原则： ( 1 ) 保证交货期 ( 2 ) 减少或消除工件的等待时间或设备的闲置时间 ( 3 ) 使车间总作业的流程时间最短。 2 4 2 作业计划编制的方法及步骤 编制作业计划有两种方法：正排法和倒排法。正排法是由产品或零部件的订 单下达日期或计划开始日期开始按工艺路线顺序向未来推移，计算出各工序的丌 始和完工日期。倒排法是由零件的交货期或计划最晚完工日期开始反向按工艺路 线的顺序，往前推出各道工序的开始和完工日期。采用正排法排出的开工日期为 最早开工日期，采用倒排法排出的日期是最晚开工日期。 对于单件小批企业而言，零件的开工日期往往无法精确知道，所能精确知道 只是零件的交货期。假若按照正排法进行排产，不是不能准时交货，就是造成在 制品积压，从而增加企业的负担及成本。因此，单件小批企业一般先采用倒排法 对所要投产零件进行预排产，如果有必要，再采用正排法进行调整。 采用倒排产法进行作业计划的编制步骤如下： ( 1 ) 信息汇总。就是从已下达的车间订单文件和计划下达订单文件中得到订货 量与交货期：从加工工艺文件中获得有关加工信息；从工作中心文件得到 有关的排队时间信息。 第二章午间作业计划及控制问题 | 述 ( 2 ) 计算每道工序的作业时间：从工艺路线文件得到单个零件每道工序的 加工时间；对每道工序加上准备时间；则每道工序的作业时间等于加 工时间加上准备时间。 ( 3 ) 计算每道工序的交货闩期和开工日期。采用倒排法，从项目的交货同期 往前逐个推算出每道工序的交货期和开工期。 为了编制作业计划，可以把加工时矧和准备时间以天为单位储存在工艺路 线文件中。将每天计划工时乘以工作中心利用率和效率得到每天可用标准工时。 如假定工作中心的利用率是0 8 ，效率都是0 9 ，每天开一班为8 小时，则每天可用 工时为：8 * 0 8 * 0 9 = - 5 7 6 小时。 2 5 单件, l q ：t t 车间作业控制 由于单件小批企业一般都是根据客户订单合同组织生产，生产中存在许多不 确定的因素，如急件插入、零件返工等，因此在生产作业计划生成之后，如何有 效实施生产作业计划，关键在于以生产作业计划为指导，对实际生产过程进行控 制。车间生产作业控制是生产管理的重要职能，是实现生产计划与生产作业计划 的重要手段。车间生产作业控制的目标是通过监视生产作业情况，尽早发现潜在 问题，调整和维护生产计划，使生产顺利进行，保证车间生产进度及产品或零件 的交货期。 2 5 1 影响车间生产进度要素 影响车间生产进度的因素有很多，如机床故障率、加工的辅助时间等。但 其中一个重要因素就是车间作业计划的自动化程度太低。因为虽然车间作业计划 对r 常生产活动已作了比较周密而具体的安排，但随着时间的推移，影响生产过 程的各种因素都可能发生变化。此外，各种生产准备不周全或生产现场偶然因素 的影响，也会使计划的生产与实际生产之间产生偏差。若作业计划的变更、调整 及控制完全由手工完成，其生产效率及准确率肯定不高。因此，为了保证生产进 度，必须对车间生产情况进行实时监控，发现偏差进行及时调整和校正。 广东工业大学：丁程硕j ：学位论文 2 5 2 车间生产控制内容m 1 2 5 2 1 车间作业计划与车间生产控制 通过对单件小批企业的运作流程分析，我们可以把车间作业计划及调度系统 分成两个主要部分：车间作业计划与车间生产控制。车间作业计划是进行车间作 业计划的编制工作，车间生产控制的内容是控制车间作业计划的执行工作。 2 5 2l 车间生产控制内容 车间作业控制属于车间层和加工层，其基本任务是围绕生产，对加工情况进 行有效的控制，并向其它相关部门反馈生产信息。 车间首先根据生产计划部门的零件进度计划，编制车间作业计划。确定了车 间作业计划后，通过车间生产控制模块来派发具体的生产任务。在加工过程中， 生产现场定期把加卫隋况或设备隋况输入到远程计算机，远程计算机把零件或设 备的情况送到车间控制模块。当出现不良品和设备故障等意外情况时，通过该控 制模块进行调整，修j 下作业计划与实际情况的偏差。除此之外，车问生产控制的 内容还包括不断反馈各订单当前的执行状况及针对生产过程中出现急件插入等问 题要能动态地调整进度计划。 车间生产控制起到的是一个实施和反馈的作用。执行车间作业计划，采集生 产过程信息、监督生产情况，把加工信息反馈到生产计划部门，在故障出现时采 取相应的调整措施。 1 4 第三章学件小批乍间作业诵度的一股算法 第三章单件小批车间作业调度的一般算法 3 1 算法的确定 车间作业计划算法的确定包括三个步骤； ( i )明确车间作业计划调度目标。如对于单件小批企业而言，车间作业计划调 度目标是满足交货期，缩短加工周期，减少在制品量，提高设备利用率。 ( 2 ) 确定零件及工序的优先规则。选择不同的优先规则所排出来的作业计划是 不相同的，零件及工序的优先规则在第二章已介绍过，这里就不再赘述。 ( 3 ) 确定设备的优先规则。包括最大负荷与负荷均衡两种规则。 3 2 单件车间作业计划的约束描述 单件小批车间由于零件工序没有固定的流向，故描述道工序要用到三个参 数i j k 。i 表示工件号，j 表示工序号，k 表示完成工件i 的第j 道工序的机器号。 对于单件车间作业排序问题，一般有如下假设p “： ( 1 ) 每道工序必须在指定的机器上加工，且必须在其前一道工序加工完成 后才能开始加工。 ( 2 ) 某一时刻一台机器只能加工一个工件。 ( 3 ) 一个工件不能同时在几台不同的机器上加工。 ( 4 ) 每道工序一旦开始，就不会中途中断或停止。 ( 5 ) 每个工件在某机器上的加工作业可多于一次。 ( 6 ) 各工件在加工过程中采取平行移动方式，且转移时间忽略不计或计入 加工持续时间。 ( 7 ) 各工件的工艺路线和工序的加工持续时间已知，且不随加工排序的改 变而改变。 3 3 单件车间作业计划调度的一般理论与方法。8 ” 3 3 1 整数规划 通过对车间调度问题建立一个整数规划模型，采用基于枚举思想的分枝定界 法、割平面法或0 - 1 整数规划法进行求解。这类方法从理论上能求得最优解，但 广东工业大学工程预上学位论文 由于单件小批作, 3 k f 。3 题的复杂性，一般说来，这种方法这类方法只可以在机床数 量 = 1 0 ，作业数 = 2 0 的情况下才能求得较优解。因此在制造企业中通常用于 单件车间均衡生产调度问题的求解，对于处理实际的单件小批作业及调度问题则 存在很大的局限性。 3 3 2 多目标优化 多目标优化方法是同时考虑不同目标的共同作用。对于给定的多个目标按各 自的重要程度，分别乘以不同的权系数，然后相加作为目标函数，对此目标函数 在多目标的约束集合上求最优解。另一种方案，是选取一个优化目标作为主要目 标，而将其它目标作为约束处理，转化为在一个新约束条件下，求主要的单目标 的最优化问题。多目标优化方法能体现不同目标的重要程度，通常隋况下可以寻 找到满足约束条件的满意解。 3 3 3 动态规划 由于车间生产过程的动态性有可能引起系统运行过程中某些约束条件的改 变，这会导致原先求得的最优解失效。利用动态规划法，将车间生产调度过程按 时间划分为若干个相互联系的阶段，列出各阶段决策过程的函数方程，并利用动 态规划的最优化原理进行求解，使整个过程的整体效果达到最优。动态规划将求 解问题分解成多阶段进行，简化了问题复杂规模，并且在递推求解的过程中可以 借助实际经验，提高求鼹效率。但动态变量必缳赢是无后效性，使其不仅依赖子 状态转移规律，还依赖于允许决策集合和指标函数结构，从而降低了它的通用性。 3 3 4 仿真调度 由于制造系统的复杂性，很难用一个精确的解析模型来进行描述性分析。而 通过对仿真模型的运行收集数据，可以对实际系统进行性能、状态方面的分析， 从而能对系统采用合适的调度方法，在产生可行性调度方案和方案评估方面显示 了优越性，但由于仿真中未采取优化算法，难以得到能指导生产的优化结果。 始三章蹲件小批1 i 问作业州度的一般算法 3 3 5 基于知识的调度方法 基于知识的调度方法是用人工智能与专家系统自动产生调度或辅助调度，也 被称为智能调度。它是传统调度方法和专家系统技术相结合的产物。它克服数学 规划与仿真方法的不足，能根据系统当日u 状态和给定的优化目标，对知识库进行 有效的启发式搜索和并行模糊推理机制，避开了繁琐的计算，并选择最优的调度 策略，为在线决策提供支持。 3 3 6 基于成组技术的调度方法 成组技术是研究如何识别和发掘生产活动中相关事物的相似性，并充分利用 这种相似性，即把相似的问题归类成组，寻求解决这一组问题相对统一的最优方 案，以取得所期望的经济效益。 成组工艺是将多种零件按工艺的相似性分类以形成零件族，把统一零件族中 的零件分散的小批量汇集成较大的成组生产量。在制造业，相当一部分零件的工 艺流程是非常相似的，可以应用成组技术将这些零件作为一个零件加工组来安排 生产，以简化物料与信息流程，提高生产效率，从而使小批量生产能获得接近于 大批量生产的经济效果。 3 3 7 启发式算法 现实的制造企业生产，动态因素较多，各种优化条件约束随时可能改变，这 使传统的生产调度优化理论在应用于车间生产调度问题时存在很大的局限，如建 模困难、求解复杂等。启发式算法可以这样定义：一个基于直观或经验构造的算 法，在可接受的花费( 时间、占用空间等) 下给出待解决组合优化问题每一个实 例的一个可行解，该可行解与最优解的偏离程度不一定事先可以预计。启发式方 法因其易于实现、计算复杂度低等原因，能够实际用于动态实时调度系统中，在 目前应用得最为广泛。 启发式算法主要有三种： 1 ) 优先调度规则法； 2 ) 随机抽样法； 3 ) 概率调度法。 广东工业大学t 程预：j ：学位论文 3 3 8 优先调度规则法 优先规则是按时间进程逐次为每台设备安排一个加工对象时，按照表2 2 中 提到的某种优先规则或某几种优先规则的组合，从候选的等待作业中选