（系统工程专业论文）面向CIMS的单件小批量订单生产类型企业的生产计划研究与应用.pdf

华中理工大学博士学位论文 摘要 本论文研究了单什小批量订单生产类型企业的生产计划理论与方法，并结合企业的实际 需求，实现支持生产计划管理决策的智能决策支持系统。 舷系统作为d f e m - - c i m s 的信息中心，其入1 7 1 系统是投标报价子系统t q s ，核心部分 垃，e ，：计划管理系统p p m s 。本文的研究实践部分重点讨论艳个系统的总体i 搜计以及t q s 和 p p m s 的设汁实现问题理论部分的研究重点是土生产计划和生产作业计划的建模与仿真。 论文酋先从总体设计的角度，解决尔办电机股份有限公司钮能决策支持系统d f e m i d s s ( d o n gf a n ge l e c t r i c a lm a c h i n e r yc o l t d i n t e l l i g e n td e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ) 的系统体系结 构、软仆厦川、人一机交互界面、系统集成等问题然后较详细地给山投标报价子系统t q s 的设计_ 实现。 往陆续解决 r 生产管理方案选择、，“品结构- j j ) j hi 路线信息粒度选择、小，“能力粒度选 择平任务排，“的时间计算= 方式馆难题厉，详细设计并实现厂生产计划管理系统p p m s 。 基j + d f e m i d s s 的实际麻朋，论文先评价多种典型计划模型，然后根据d f e m 的特点 删l 俞多种管理思想和管理方法的优点，构建了符合我国国情的单什小批艟订单生产类利制造 个业的t 生产计划模删。小丁可计算性的目的，提山此模刑的启发式算法 l l q - 产能力平衡策 略。 由r 生产作业计划比：l ：生产汁划包含的信息更加精细，而且刖r 支持生产作业计划的信 息龄比之h 1 。支持主生产计划的信息鼍更人、类别更多、更难定晕建模，冈此论文引入多层 感知机m l p 以求解生产作业计划问题。其中重点讨论为解决三个主要难点而提出的方法： 肚丁何混合编码的样本组织方式、权值和迁跃点记忆队列的网络训练方法和结果校正方法， 关键词z 生，“计划、生产作业讨饯0 、制造资源计划、人l ：神经网络、软什l 程、计算机集成 制造系统 华中理工大学博士学位论文 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h et h e o r ya n dm e t h o do fp r o d u c t i o np l a n n i n go fe n t e r p r i s e w i t h s i n g l ea s s e m b l y , l i t t l eb a t c ha n dj o b o r d e ra n di m p l e m e n t sai n t e l l i g e n td e c i s i o ns u p p o r ts y s t e mf o r p l a n n i n gm a n a g e m e n tb a s e d o nt h es i t u a t i o no fe n t e r p r i s e t h i ss y s t e mi st h ei n f o r m a t i o nc e n t e ro f d f e m c i m s a n dt e n d e ra n dq u o t a t i o ns y s t e m ( t q s ) i si t sv a n g u a r d ，p r o d u c t i o np l a n n i n g m a n a g e m e n ts y s t e m ( p p m s ) i s i t sc o r e t h ec o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o nm a yb ed i v i d e di n t op r a c t i c e w h i c hm a i n l yd e a l sw i t ht h e p r e l i m i n a r yd e s i g no fd f e m i d s s ，d e t a i l e dd e s i g na n dt h ei m p l e m e n to ft q sa n dp p m s a n d t h e o r y , w h i c hm a i n l y d e a l sw i t ht h em o d e l i n g ，a n ds i m u l a t i o no fp r o d u c t i o n p l a n n i n g a n d p r o d u c t i o na c t i v i t yp l a n n i n g i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w e f i r s t l ys t u d ya r c h i t e c t u r ed e s i g n ，s o f t w a r er e u s a b l e ，m a n m a c h i n e i n t e r f a c ea n d s y s t e m a t i ci n t e g r a t i o no f d f e m i d s s f u r t h e r m o r e w e d e s i g na n da c t u a l i z et q s a f t e rd e c i d i n gt h em a n a g i n gp r e c e p t ，t h eg r a i no ft h ew o r kb r e a k d o w ns t r u c t u r ea n dp r o c e s s c o u r s e ，o f p r o d u c t i o nc a p a c i t y a n dd e d u c et h ec a l c u l a t i o nf o r m u l aa r r a n g e df o rt a s k ，w ed e s i g na n d a g t u a l i z ep p m s b a s e do nt h ea p p l i e ds i t u a t i o no fd f e m i d s s ，w ef i r s t l ye v a l u a t e dv a r i o u st y p i c a lp r o d u c t i o n p l a n n i n gm o d e l s n e x tw es y n t h e s i z et h em e r i to f d i f f e r e n tm a n a g e m e n tc o n c e p t sa n dm e t h o d st o c o n s t r u c tap r o d u c t i o n - p l a n n i n gm o d e lo f e n t e r p r i s ew i t hs i n g l ea s s e m b l y , l i t t l eh a t c ha n d j o bo r d e r w ea l s od e d u c eah e u r i s t i c a l g o r i t h m i c o ft h em o d e la n d m a n y6 q u i l i b r i u ms t r a t e g i e s f o r c o m p u t a b l ep r o p e r t y f o rs t a b i l i t ya n dv a l i d i t y , w ed i s c u s st h es i t u a t i o n s ，w h i c ha d ds o m es e c u r e d a t e s i n c ep r o d u c t i o na c t i v i t yp l a n n i n gi sm o r ec o m p l i c a t e dt h a np r o d u c t i o np l a n n i n g 。w ee x p l o r e h o wt os o l v et h ep r o d u c t i o na c t i v i t yp l a n n i n gw i t hm u l t i l a y e r e dp e r c e p t r o n s ( m l p ) b e c a u s e s e q u e n c ea n dp r o d u c t i v ep e r i o ds h o u l db ei n c o r p o r a t e dt o g e t h e ri nt h es a m p l ed a t a ，w ep r e s e n ta n a p p r o a c hd e n o t i n gw i t hb i tf o re x p r e s s i n gt h e m a n o t h e rp r o b l e mi s t h a tt h et r a i n i n gp r o c e s s e s u s u a l l yg e ts t u c ka ti o c a lm i n i m a l w ea d v a n c et h em e c h a n i s mt h a ts t o r e sa n dr e c a l l st h et r a i n i n g w e i g h to fu n i t sw i t hf i n i t es t e p st os p r i n go u tt h el o c a lm i n i m a l a tl a s t ，w ef o u n da n dp r o v ea m e t h o d ，w h i c hm a yc o r r e c tt h ea p p l i e de r r o r , i e m i x e db i te n c o d i n gb a s e ds a m p l eo r g a n i z a t i o n m o d e ，m e m o r yq u e u eo f w e i g h t a n dt r a n s i t i o n a lp o i n ta n dc o r r e c t i o nm e t h o d t h el a s t c h a p t e r s u m m a r i z e st h er e s e a r c hw o r ki nt h ed i s s e r t a t i o na n dd i s c u s s e ss o m e p r o b l e m s w h i c hs h o u l db er e s e a r c h e di nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：p r o d u c t i o np l a n n i n g , p r o d u c t i o na c t i v i t yp l a n n i n g ，m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e sp l a n n i n g 华中理工大学博士学位论文 ( m r pi i ) a r t i f l c i a l n eu r a in e t w o r k s ，5 。f t w a r ee n g i n e e r i n g ，c o m p u t e ri n t e g r a l e d m 扑“f a c t ”m g s y s t e m ( c i m s ) i l l 华中理工大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 本文的研究目标和任务 本文的研究目标是为东方电机股份有限公司d f e m ( d o n gf a n ge l e c t r i c a lm a c h i n e r yc o l i d ) 建立面向计算机集成制造系统c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 的智能 决策支持系统d f e m i d s s ( d o n gf a n ge l e c t r i c a lm a c h i n e r yc o l t d i n t e l l i g e n td e c i s i o ns u p p o r i s y s t e m ) ，井期望在系统设计和实现的过程中促进d f e m 信息化基础设旆的建设。 相对于批量和大批量生产类型的制造企业来说单件小批量、大型复杂专用设备制造 企业的生产计划管理更具挑战性。这是因为其生产组织方式为订单驱动的订货生产类型， 产品同有的技术复杂性导致其生产管理难度很大。如何解决好此类企业的生产计划一直是 个人难题，现在仍是国内外研究的热点之一。本文的研究对象东方电机股份有限公司 d f e m 是我国发电设备三人生产基地之一，属单件小批帚、大型复杂专用设备制造企业。 经济体制改革以来，它面临的市场竞争日趋激烈，企业决策者亟须从管理上要效益，生产 计划管理的科学化和计算机化迫在眉睫。 在国家高度重视f 东方电机股份有限公司于1 9 9 8 年被选为四川省计算机集成制造系 统c t m s 应用示范i ：程重点企业，以推动企业生产与管理的计算机化。其中一个关键项目是 建立面向c i m s 的智能决策支持系统d f e m i d s s 。华中理工大学系统工程研究所承担了这 一项目，作者负责此项目的研究和开发t ：作。 由丁d f e m i d s s 的难点和关键都是生产计划管理，因此本论文的主要研究内容是生产 计划理论及其计算机实现。理论部分包括生产计划的建模与仿真，计算机实现即面向c i m s 的东方电机智能决策支持系统d f e m i d s s 。其中d f e m i d s s 的核心部分生产计划管理 子系统p p m s ( p r o d u c t j o np l a n n i n gm a n a g e m e n ts y s t e m ) 是在生产管理信息平台上实现合周管 理、计划管理到交货管理的全程自动化。系统运行时，从土生产计划的自动生成到计划执 行与监控、从执行过程信息反馈到优化调整，全面实现企业经营目标导向f 的闭环人 机交互调节系统 1 2c i m s 发晨的宏观经济背景 1 2 1 翻造业面临新的市场需求 1 9 世纪中期以来。制造业就已成为各_ = 业化国家国民经济的支柱产业，即使到了后j 二 业化的9 0 年代，在世界高收入国家和地区中制造业创造的增加值仍占其i ：业总增加值的 7 0 以上。冈此，决定制造业发达与否的制造技术先进程度成为国家经济实力强弱的标志， l 华中理工大学博士学位论文 而制造技术的研究与开发作为科技发展的战略要点。当然备受重视。近2 0 年来，随着杜会 经济及科学技术迅猛发展，特别是信息技术的突b 猛进，从根本上改变了经济运行的时空 环境，促进世界范围内统一市场的形成。面对全球经济一体化的竞争环境制造企业在竞 争中生存和发展的关键在丁：强化自身的信息系统结构，使之与实现企业交货期( t ) 短、质 域( q ) 优、成本( c ) 低、售后服务( s ) 好和环保( e ) 强的目标相适应，也即成为 t q c s e 综合竞争实力的集成框架与控制中枢。通过这一信息系统结构，使企业在总体策 略、组织机构、技术水平和管理模式等多方面都能适应新的市场需求。计算机集成制造系 统c i m s 就是这样一种系统。 1 2 2 计算机囊成翻造c i m 和计算机集成制造系统c i m s 计算机集成制造的概念首先由美国的约瑟夫哈林顿博士于1 9 7 3 年在计算机集成制造 一f s 中提出。其基本观点有_ = ： 1 ) 企业各生产环节是不可分割的，麻该统一考虑； 2 ) 整个制造过程实际上是对信息采集、传递和加工处理的过程。 根据他的观点，c 1 m 被认为是企业用来组织生产的先进哲理和方法。基于c i m 的哲 理，各国在不同时间实现了许多各有特色的计算机集成制造系统c i m s 。早期如i b m 公司 以系统应用体系结构s a a ( s y s t e ma p p l i c a t i o na r c h i t e c t u r e ) 和先进交互环境a i e 、 ( a d v a n c e di n t e r a c t i v ee x e c u t i v e ) 为基础的面向应用使能器的集成系统及欧洲共同体的 c i m 开放体系结构c i m o s a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r e ) 等。 t 1 2 3 并行工程 c i m 作为发展中的高技术，其概念和认识必然被不断的拓宽和深化。美国防务分析研 究所( i d a ) 在1 9 8 8 年1 2 月提山的并行l 程c e ( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 为c i m s 总体 优化引山了新的思路与技术。并行朗鼙是在c i m 基础上，用系统工程的观点设计与实现信 息集成和动态优化运行模式。如c i m 一样，并行， 程的集成方法也是一种组织生产的哲 理，它把用户对产品的需求和企业的资源情况生成最好的产品及相关的过程这个过程概 括了产品的整个生命周期的所有环节。其技术特点为：充分运用管理信息和知识，通过计 划和决策获取最大的经济效益。因此共享的信息集成环境是实现并行工程的先决条件。并 行j 鼙最明显的特点是多方面、多层次的技术集成。如多种建模方法、多种软件r 程方法 的麻j j 集成等。 z 1 2 4 我国实施c i m s 的概况 1 9 8 6 年我国制定高技术研究发展计划时，c i m s 已被定为自动化领域研究主题之一。 “七五”计划期间，我国开展并完成了一批c i m 前沿技术的研究完成一批核心技术原型 系统。1 9 9 0 年有9 个自动化基础较好的f 厂被选作c i m 技术应用i ：= 厂。“八五”计划期间 拟定了1 0 个专题分四个层次进行研究与开发现在国内不但有数百个实现c i m s 的制造企 2 华中理工大学博士学位论文 业，而且已从机械制造向电子行业等离散型和连续型企业扩展。由于c i m 是解决质量、品 种效豁的根本措施，在企业面临全球经济一体化条件下世界范围内的激烈市场竞争挑战 时它日益受到高度重视。本文研究的课题“东方电机股份有限公司智能决策支持系统 d f e m i d s s ”就是在这个背景下提出的。 1 2 5 东方电机股份有限公司概况 东方电机股份有限公司d f e m 属发电设备制造企业是中国研究、开发与制造大型发 电设备的二大基地之一，主导产品是大型水轮发电机组和汽轮发电机组，兼有核电、交、 直流电机及控制设备等产品。按产品品种和产量划分，它属单件小批量大型专用设备生产 厂家：按接受生产任务的方式划分，它属订货生产类型。相对备货生产类型而言，订货生 产类型的生产过程是订单驱动的。综合以上两种划分方式，又称之为单件小批量订单生产 类型企业。d f e m 的主要特点是： 1 ) 主导产品属结构复杂的人型发电设备，某一品种产品的生产需求罱多为一台或数 台，备台产品大多是根据用户需求单独进行设计和制造，生产重复性极差。 2 ) 构成主导产品的零部件种类很多，往往成千上万，而且【：件的形状、体积、材质和 i ：艺复杂度差异很人。 3 ) 车间平面布局长期以来一直采用工艺专业化的生产组织形式，设备按机群式布置。 这种组织形式对产品变化适应力很强，对产品频繁变换时它能保持稳定，而且可以 达到较高的负荷率，但同时又有许多固有的缺点，如生产率低下、生产过程连续性 差、产品运输路线长、管理，i ：作复杂、产品生产周期长等。这些情况直接影响该企 业的经济效益 1 9 9 8 年d f e m 被确定为四川省首批试点计算机集成制造系统c i m s 的重点一 业企业， 冈此迫切需要实现c i m s 环境f 的生产计划计算机管理系统。本文的主要l 作就是研究在 c i m s 环境f ，如何实现单件小批量订单生产类型的大型专用设备制造企业生产计划管理的 计算机化。换句话说就是解决年度生产计划大纲和产品进度计划的计算机自动生成和动态 调整问题。由此出发，通过面向订单的科学管理，建成支持经营管理和战略决策的东方电 机股份有限公司智能决策支持系统d f e m i d s s 。该系统的运用，为d f e m 决策层提供了主 生产计划生成、控制和计划执行管理与监控的支持，使该厂从计划经济下的管理模式平稳 过渡到适应市场经济条件f 的管理模式不断增强其市场竞争能力。 此外我国目前还有不少类似丁二d f e m 的单件小批量订单生产类型的大型专用设备制造 企业它们的生产计划管理同样问题重重。为了研究它们的生产计划问题，首先需要建立 一个在数学上可表达的计划模型。我们以d f e m 为基础，构建出此类企业的生产计划模 型并给出求解方法和能力平衡策略，同时也研究如何利用神经网络技术来解决其生产作 业计划问题。 1 2 6d f e m 生产蕾理需解决的中心问叠 尔方电机股份有限公司d f e m 产品的规格型号随订单而异。极少重复( 尤其是水电产 华中理工大学博士学位论文 品) 。每项订货需要单独进行设计，即每一订单的执行相当于一项新产品的生产。因此- 企业在从接到订单( 订货合同) 到向用户交货的生产周期内t 必须完成产品设计、工艺准 备、物料采购、加r 制造和运输安装等生产活动的全过程。这也造成它的交货周期比备货 生产类型的周期长得多，甚至出现长达3 年的交货周期。从t q c s e 整体竞争的考虑，如何 缩短交货周期压缩通常占合同交货周期5 0 的产品设计和工艺准备时间，是项重要课 题。又闪为一个计划年度内同时有数项订单在执行中，这样就要求基于通用设备按r = 艺专 业化组织生产能力的现状逐渐向柔性生产系统转化，以提高设备加工能力对产品变换的适 麻能力。为此，除了设备布局、加l ：进度安排上的调整外需采用动态实时优化的计划方 法改变集中管理体制为分散决策使基层在生产上发挥一定的机动处置能力。其次，根据 产晶属大型专用复杂设备的特点，有些部件，如水轮发电机的转轮，所需的加工设备属人 删精密稀有设备，因此在生产能力平衡中必须重点考虑此类瓶颈资源或关键设备加二：能力 的充分利用，而其它非瓶颈资源的利用程度则不要求完全平衡。以上情况可归纳为二点需 求：”压缩产品周期；2 ) 加 进度动态优化调整和保证：3 ) 关键设备生产能力的充分利 用。它们是东方电机股份有限公司生产计划管理系统的核心问题。 在这种需求牵引f ，作者融合制造资源计划m r pi i ( m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c e sp l a n n i n g i i ) 、准时生产j i t ( j u s t i n t i m e ) 和最优化生产技术o p t ( o p t i m i z e dp r o d u c t i o n t e c h n o l o g y ) 备自技术优势，结合d f e m 的实际情况，设计并实现d f e m 的生产计划管理 系统p p m s ，井以p p m s 为中心建成包含投标报价管理子系统、经营绩效管理子系统和综合 信息管理子系统等的管理决策支持系统。该系统支持年度生产明细表、产值核算表、生产 计划总表的生成和监督执行。系统不仅可以根据企业经营的宏观目标，为年度利润总额决 定投产项目的轻重缓急，而且可以根据执行计划过程中的突发事件，如合同变动或货款回 收情况等决定对部件加j 二顺序的调整。除了围绕主生产计划通过信息集成展开多功能管理 决策支持外，系统还向纵深延伸，探讨了生产作业计划的在线生成，以满足车间排序动态 优化的需求 1 3 1 研究目的 1 3 目的和意义 1 ) 参照我国国情和d f e m 的实际现状，利用先进的计算机信息处理技术和软件工程方 法，在c i m 和并行j ：程c e 哲理的指导下，结合m r pi i 、j i t 、o p t 等的管理思 想设计与开发用于生产管理领域的d f e m i d s s 。在开发过程中，注意到系统内部 体系结构和备功能子系统应用软件的可重用性，力争对同类型企业在面向市场的管 理现代化】：作中起到显著的支持作用。 2 ) 以d f e m 的发展现状为基础，融合国内外先进生产计划模型、生产管理技术的优 点，构建符合我国国情的单件小批量订单生产类型的大型专用设备制造企业的生产 计划模型，弗从实用性的角度，给出其求解方法和生产能力平衡镱略。 3 ) 借助多层感知机研究生产作业计划问题，以便进一步深化和细化相关的理论和方 4 华中理工大学博士学位论文 法。 1 3 2 研究意义 1 ) 本文研究在我国国情f 如何有效利用国外先进的生产管理理论与方法实现我国企业 管理的科学化和数字化。通过全面规划和信息集成，d f e m i d s s 的投入运行将人大 提高企业经营管理的效率和效益，从而提升企业综合竞争力，g , j 增强国家经济实力 做山贡献。 2 ) d f e m i d s s 是用t - 管理d f e m 生产过程的庶用软件系统，它不仅为企业改善 t q c s e 目标，增强企业的市场竞争力提供了强有力的支持，而且它的实施也解决了 我国人刑国有企业管理体制改革过程中经营管理、信息技术和人的有效集成问题， 为企业改革的顺利完成开辟一条成功之路。 3 ) 目前，我国还有许多情况类似于d f e m 的单c h , 批景订单生产类型的制造企业，而 本文的研究的成果，对解决这种类犁企业的生产管理问题将起到很好的示范作用e 同时如果麻用软1 ， ：系统推广麻用到其它大型专用设备生产企业，那么将会促进企业 信息化的建设进程，提高管理效率，获得可观的规模效益。 4 ) d f e m l d s s 是利用面向对象( o o ) 技术、采用组件式体系结构、在应用层面上 结台具体情况、在技术上有所创新的_ 人型应用软件系统。它的成功开发将有利于企 业信息管理技术的提高。 1 4 文献综述 管理科学的发生和发展由来已久，历经了1 9 世纪2 0 年代的“泰勒制”，3 0 年代的行 为科学学派( 代表作为i 业文明中人的问题) ，4 0 年代的数学管理学派( 代表作为生产组 织与计划中的数学方法) ，5 0 至6 0 年代的计算机管理学派，7 0 年代的系统j 二程学派到8 0 年代和9 0 年代的信息化和集成化。管理科学本身已形成独立学科，而管理现代化则以系统 观点、数学方法和计算机实现为标志。 为了简单起见，我们认为系统是为了某种目标而有机地结合在一起的子系统的集合， 系统为了实现其目标就要进行计划与控制。计划是达到系统目标必须的行动系列，而控制 则是实际行动偏离目标时采取的纠偏措旖。那么为了描述和预见系统实现计划的过程，即 系统行为的描述和度鼍，特别是定量描述，就要用到数学方法。而执行数学方法则是计算 机实现的任务。 为了寻求解决单件小批量订单生产类型制造企业生产管理的有效方法，作者研读了相 笑的文献。f 面自生产计划理论研究展开论述。 1 4 1 生产计划理论研究 1 生产计：圈警曩研究中的运筹学方法 华中理工大学博士学位论文 在运筹学领域，主要，作是将生产计划问题简化为数学模型。通过数学模型求解调度 晟优化或次优化问题。有关生产计划理论的研究有两种主要方法，即解析法和启发式方 法。 解析式方法包括数学规划和随机优化。在数学规划方法中，研究较多的是整数规划、 分枝定界法h ”、割平面法、动态规划以及拉格朗日乘子法 1 2 , 3 , 4 3 5 9 】。整数规划比较适合于规 模较小的生产排序问题：分技定界法虽然避免了完全穷举，但其分搜索过程仍具有穷举性 质，所以它”j 往往由于运算时间太氏而不适合于企业实际工作中资源规模庞大和产品种类 繁多的复杂情况。在随机优化领域中，则是应用排队论朋、贮存论吐批量技术博，, i o , t q 和 可靠性理论。然而，由_ 丁计划问题大多属于n p 难问题i t 4 , 6 2 对其求解会导致组合爆炸， 如n 台设备，m 项一作，有“( m ! ) x n ”种可行方案。 启发式方法由于解析法不能有效求解属n p 难题的计划问题人们转向求助于启发式方 法并主要集中在研究调度规则上，常用的是以f 几个规则【1 5 , 2 2 , 6 0 , 8 6 , 1 0 9 | ： 1 ) s p t ( s h o r t e s tp r o c e s s i n gt i m e ) 法则 2 ) l p t ( l o n g e s tp r o c e s s i n gt i m e ) 法则 3 ) f i f s ( f i r s ti nf i r s ts e r v c o 法则 4 1m w k r ( m o s tw o r kr e m a i n i n g ) 法则 5 ) l w k r ( l e a s tw o r kr e m a i n i n g ) 法则 ：优先选择加工时间最短的工序 ：优先选择加j 二时间晟长的i ：序 ：先来先服务，优先选择最早进入任 务集的工序 ：优先选择余f 加。i ：时闻最长的j ：件 ：优先选择余下加工时间最短的工件 6 ) m o p n r ( m o s to p e r a t i o nr e m a i n i n g ) 法则：优先选择余下一 序最多的工件 7 ) r a n d o m 法则：随机挑选一道工序 不同的计划调度准则适用丁不同的生产系统和生产环境 3 ”。由于生产系统的动态特 性，要求在不同的时间和地点应用相适宜的计划调度准则。为此，需要综合选取适宜的计 划调度准则。启发式的主要缺点是求出的解不一定满足所有约束条件，因此很难评价解的 优劣常常需要专家依靠经验知识进行取舍。目前，运筹学领域的学者正致力于采用新的 算法或人l 。智能的技术来解决生产管理问题，井取得一些成果 2 9 5 4 , 6 9 , 1 “”，但没有普遍 适用的结论。 由于计划问题的复杂性，用运筹学方法求解往往要作一些不符合实际的假设，而且有 时计划问题是非结构性的无法建模与求解所以只用运筹学还不能够解决计划问题。目 。 前有些学者将运筹学、人一智能、决策支持技术和仿真技术结合起来，相互取长补短，也 取得了不少成果，哪9 ，耶9 0 9 1 “”，。 2 仿真技术与做事件仿真 制造企业t 特别是单件小批量订单生产类型的制造企业其生产系统的结构非常复 杂，难_ 丁二用解析方法进行全面的分析、设计和运行研究。但是制造业的生产过程可描述为 6 华中理工大学博士学位论文 离散事件动态系统d e d s ( d i s c r e t ce v e n td y n a m i cs y s t e m ) 1 9 , 2 0 , 2 1 1 0 因此在解决生产计划的 问题中系统仿真技术的应用至关重要。虽然离散事件仿真的基本思路“时钟推进，事件 调度”没有变动，但是系统仿真，f _ 不单纯追求系统参数之间的数学描述，特别是离散系统 仿真建模，它侧重_ 丁对系统运行过程中逻辑关系的描述。在生产计划管理系统的设计与实 现过程中应用仿真技术不仅能对不同系统体系结构进行比较、评价和选择，根据仿真过程 分析系统的动态性能，而且能够选择和优化系统结构参数。基于仿真的生产计划管理系统 中应用仿真技术可以使管理人员从系统的角度来观察计划的有效性，从而增加产出减少 制品存量，压缩资金f 与用，提高生产率和保证物资的适时传送。当然仿真有其不足之处 2 2 2 3 1 ，其一，仿真模型求解时间长、费用高，不适用于计划的快速制定：其二，仿真的精度 受剑编程人员技术水平的限制；其二，一个高精度的仿真模酗， = 不能保证得到最优其至铰 优的计划，这是冈为一次仿真试验只给出符合仿真试验条件的系统行为描述，即仿真模型 的特解，而不是通解。f 面给出一个仿真的例子l ： 有l 台加工设备m 。对原料r 加工l o 分钟则得到一件产品p 。加工设备m 发生故障的概率 是：每5 0 分钟有6 0 的可能性：每7 0 分钟有4 0 的可能性。修理时间是2 0 分钟。仿真的时间 捍度为2 0 0 分钟。仿真的前提条件是：加r 之间无等待。具体描述如下： 加f 速度：l f ，f ：产品l o 分钟。 事r f ：加1 ：设备m 发生故障：对加。发备m 进行修理；仿真结束。 活动时间点：发生故障的时间；修理故障时间。 延迟：0 分钟 仿真步骤l ：产生发生故障的时间队列，例如为f 5 0 ，7 0 ，7 0 ，) 。 仿真步骤2 ：产生事件发生的时间队列，它服从 事件发生的时问= 当前仿真时间+ f 次故障时间 仿真步骤3 ：初始化仿真过程，即初始时间= 0 ，无修理和无故障发生。 仍真步骤4 ：执行仿真过程。数据如表1 1 。 仿真过程 仿真时间仿真状态下一事件产品数 o设备工作0 + 5 0 分钟设备故障o 5 0设备停止5 0 + 2 0 分钟修理设备5 7 0设备_ l ：作7 0 + 7 0 分钟设备故障5 1 4 0设备停止1 4 0 + 2 0 分钟修理设备1 2 1 6 0设备工作1 6 0 + 7 0 分钟设备故障1 2 2 0 0设备工作2 3 0 分钟设备故障1 6 表1 i 仿真过程数据 近年来出现将具有优先规则的启发式方法组合起来的离散事件仿真技术 5 7 1 0 0 l ，并提出 柔性交互仿真j ：具的概念。该i ：具支持系统建模和模型仿真运行，使用户能够查看动态显 示的梭氆，并与模型对话对模型进行执行、修订、停止等操作。又有研究者提出与动态 系统线性化有关的扰动分析方法。该方法支持仿真过程中的实时参数优化。对扰动分析的 华中理工大学博士学位论文 研究表明1 1 ，它要优于简单的重复仿真。 在仿真优化理论方面，近年来国外学者提出随机梯度法、随机逼近法等新方法。我国 学者冯允成 5 0 8 5 1 等人通过把目标函数表示为仿真输出的结果和决策变量的函数，将实验设计 理论、响应曲面理论、非线性优化理论与系统仿真理论相集成，形成响应曲颐与仿真的优 化结构，在理论上突破了仿真与优化分离的传统观念。该项研究意义重人，值得进一步深 e 入探讨。 非梯度随机搜索仿真优化算法也是目前的研究热点之一。它是仿真模型与计算智能、 敞点搜索( s c a t t e rs e a r c h ) 、模拟退火算法( s i m u l a t i o na n n e a l i n g ) 等技术的有机结合i l ”， 其基本思想是将所研究的问题看做一个“黑箱”，用仿真模型描述此“黑箱”输入输出之 间的逻辑关系，将输出信息作为“优化器”的输入，“优化器”通过对仿真输出的分析与 评价，得出新的系统参数或决策变量井以其作为仿真模型的新输入。以上过程的不断重 复，商至满足一定的停j f 准则。其优化结构如图l l 所示。 图1 1 仿真优化结构 系统仿真技术的发展当然不仅局限于此现在还涌现出智能仿真系统、面向对象仿真 系统、分布式并行仿真系统、基t w w w 的仿真系统、可视化仿真和虚拟现实仿真系统等 等。 3 计算智能技术在生产计划中的应用 第一届国际计算智能大会w c c i 9 4 ( w o r l dc o n f e r e n c eo nc o m p u t a t i o n a li n t e l l i g e n c e ) 于 1 9 9 4 年在美国华盛顿召开“。会议首次将进化计算e c 、人r 神经网络a n n 和模糊系统 f s ( f u z z ys y s t e m ) 这= 个研究领域合并在一起，称之为“计算智能”c 1 ( c o m p u t a t i o n a l i n t e l l i g e n c e ) 这个统一的技术范畴。其中进化计算又包含遗传算法g a ( g e n e t i c a l g o r i t h m s ) 、进化规划e p ( e v o l u t i o n a r yp r o g r a m m i n g ) 和进化策略e s ( e v o l u t i o n s t r a t e g y ) 。进化计算中三者的主要差别是：1 ) e p 乘t e s 把变异操作当作主要的搜索算子。 而g a 把变异放置于次要地位：2 ) 交叉操作在g a 中起着重要作用，在e p 中被完全省去，而 在e s 中则与自适虑算子结合在一起使用；3 ) g a 和e p 强调随机选择机制的重要性，对每一 个个体都指定一个非零的选择概率，而e s 认为选择是确定的，它应明确地把某些个体排除d 1 生被选择复制之外。 1 9 9 8 年在a l a s k aa n c h o r a g e 举行第一二届世界计算智能人会w c c i 9 8 。会上提出e c 、a n n i i f s 的备种融合与发展趋势。在进化算法和神经网络相结合方面，神经网络9 7 年国际会议 i c n n 9 7 曾强调a i 与a n n 相结合但在w c c i 9 8 会上却相对较少而f u z z yi e e e 在这个方 面的研究较为活跃。 在应用方面，n s a n n o m i y a1 1 l 等以一个大批量生产类型的制造企业为对象，研究其单 什乍阃类型( j o b - - s h o p ) 的计划调度问题，并通过事先定义加工次序的方法，利用g a 对模 8 华中理工大学博士学位论文 删进 j 求解。 h p i e r r e v a l l ”2 l 等以人批最生产酸奶酪包装袋的企业为研究对象，建立以最小成本为目 标、约束条r f ：为生产能力的生产模型。文章结合演化算法给出模型求解方法。在其仿真案 例中染色体包含3 个变最，当种群规模取】5 ，交叉系数取0 2 变异系数取06 时获得最佳的 收敛效果。 f o os y 1 5 1 , 5 2 3 3 1 等首次利用h o p n e l d 网络求解生产计划问题。z h a n g1 6 2 j 等结合生产任务 的优先级信息改装f o os y 的模型，c h a n 9 1 4 4 等把线性规划和h o p n e l d 网络技术结合用于求解 j o b s h o p 问题，s t a k e 4 6 i 等提出结合b o i t z m n 机的h o 呻e l d 网络求解结构。总的来说，由 丁利朋h o p f i e l d l 碉络求解计划问题会导致网络规模过于庞人，而且收敛速度不理想很难在 实际应刚中推广运用。 r a b e l o ”- 6 6 等最先利用前向神经网络研究生产计划问题。在他们设计的系统中，神经网 络起到排列优先次序和取舍参数的作用，实际的计划安排由专家系统完成。由于这个系统 处理的设备数不多，而且仅考虑拖期这一个因素，因此实用性较差。p o t v i n 1 2 0 1 等利用一个8 8 一i 结构的前向神经网络，研究动态交通 ：具排派遣问题。由于收敛速度慢和使用的方 法类似“数据褒找”，这个方法也没有实用化。k e y m e u l e n 1 2 1j 等利用双重前向神经网络研 究航空公司i ：作人员的调度问题虽然样本的收集比较复杂，但是结果较令人满意。 对比研究生产计划问题的h o p f i e l d 网络和前向神经网络，前者侧重1 ：过程优化，因此样 本的组织相对简单，但是模型设计复杂，训练收敛速度慢，网络规模偏大：后者主要完成 识别雨1 分类，它的优化信息则来自样本数据，为此样本的组织比较复杂，不过收敛速度 快，网络规模小。 目前，将这儿种智能方法组合起来或把智能算法同其它算法结合起来运用丁生产计划 研究也是一个热点方向。如杨圣样1 ”1 将进化算法和神经网络结合，利用进化算法帮助神经 网络确定网络结构和权值，利用神经网络帮助进化算法完成局部搜索，h c l e e ”1 将a n n i i g a 并行处理生 2 排序问题，c y l e e l 3 提出将g a 和机器学习相结合对作业排序进行规划的 理论框架模型和实证研究。 4 传统人工智能a l 方法用于生产计划问曩的进晨 基丁传统人j 二智能的计划方法主要包括基于神经网络的方法、基于智能搜索的方法和 基r 多智能体m u l t i - a g e n t 的合作求解的方法等。其中基于多智能体的合作求解方法提供了 一种能动态灵活、快速响应市场需求的生产调度机制，它以分布式人工智能中的多智能体 机制作为新的生产组织与运行模式，通过智能体之间的合作及协调来完成生产任务的调 度t 井达到预先规定的生产目标及生产状态。这一方法目前侧重于理论方向的研究。 1 4 2 实现生产计期管理的各种模式 白6 0 年代以来，随着市场竞争的日趋激烈，制造业组织生产活动的理念和措施也在不 断演变，涌现出多种管理模式及实现备类模式的计算机应用软件系统按模式特征，系统 9 华中理工大学博士学位论文 可分为m r pi i 、j i t 等。以下简述各个模式系统。 1 生产管理系统与方法 迄今使用较多的生产管理模式系统有物料需求计划m r p (