（航空宇航制造工程专业论文）面向mes的计划调度研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 摘要 制造执行系统( m a i l u f a c t l l r i n ge x e c u t i o ns y s t c m ，m e s ) 是企业计算机集成制 造系统信息集成的纽带，是企业实施敏捷制造战略和实现车问生产敏捷化的基本 技术手段，而计划调度作为提高车间生产效益的基础和关键已成为m e s 的核心 模块之一。因此，面向m e s 的计划调度研究成为国内外诸多企业中的热点问题。 本文针对目前以多品种、小批量离散加工为特点的制造企业中粗略的任务调 度、生产中异常处理周期长及在制品等待时间长等车间计划调度问题，提出了一 种基于模板的计划调度管理方法，对目前计划调度工作进行改进与优化。 文中首先提出了基于模板的计划调度管理思路及月度生产计划模板、批次生 产计划模板、工序级详细生产计划模板、动态调度模板的应用：进而详细讨论了 计划调度中在批次生产计划基础上通过工序级详细生产计划模板制定详细作业计 划的实现技术，研究了基于甘特图制定工序级详细生产计划及基于蚂蚁算法制定 工序级详细生产计划的方法：最后给出了当实际生产过程出现生产异常时所应当 采取的动态调度策略。 在此基础上，本文结合国家某大型国有企业的生产实际开发了相应的计划调 度管理模块，并运用软件工程的思想，从软件设计的角度分析了计划调度管理模 块的体系结构、信息建模并最终设计实现。 关键词：制造执行系统，计划调度，模板，甘特图，蚂蚁算法，动态调度 西北工业人学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t m a i l u 缸t i l r i n ge x c c u t i o ns y s t c m ( m e s ) i sm e 诅c h co f i 幽姗a t i o ni l l t e 伊a t i o no f m ec o m p u t e ri i l t e 伊a t c dm a n u f a c t i l r i n gs ”t e m s ，i st h eb a s i ct e c h n i c a lm e a 砸f o rt l l e c n 咖r i s e t 0i m p l e m e ma g i l em a n u f a c t i m n ga i l dr e a l i z a t i o nw o r k s h 叩p m d u c t i o n a g i i c p l a n n i n ga n ds c h e d l d i n ga r e 也ek e yp r o b l e mt om a k ep r o d u c t i o nm o r ee 砸c i e n t ，m o r e f l e x i b l ea n dm o r er e l i a b l ei naw o r k s h o pa n d “sb e c o m i n gak e ym o d u l eo fm e s t h e r e f o r c ，t l l ep l 咖i n ga l l ds c h e d u l i n gf a c e do nm e si sn o wah o ti s s u eo fm a n y e n t e r p r i s e s i n “sp a p e rw ef o c l l s e do n 也e m o r ev a d e t i e sa n d 啦“l _ b 曲c hp r o c e s s m gf b 曲u r e s d i s c r e t em a n u f a c t 嘣n ge n t e r p r i s e st h a tl l a v et l l er o u g ht a s ks c h e m l l i n 岛a1 0 n gl i f c c y c l eo fe x c 印t i o nh a n d l i n ga n dal o n gw a i t i n gt i m ef o rt 1 1 ew o r ki np r o h s s t os o l v e m i sp r o b l e mw eb r i n gf o n v a r dap l a n j l i n ga n ds c h e d u l i n gm a l l a g e m e mm e t l l o dw i l i c h c a ni m p r o v ea n do p t i “z et h ec u r r e n tp l a n n i n ga i l ds c h e d u l i n g m k s f i r s tp r e s e m e di nt h ep a p e r 西v eai d c ao f t e m p l a t e 出a s e dp l a i l i l i n ga n ds c h e d u l i n g m a n a g 锄e n ta i l d t l l e a p p l i c a t i o no fm o n c i l l yp r o d u c t i o np l a nt e m p l a t e s ，b 砒c h p r o d u c t i o np l a nt e m p l a t e ，p r o c e s s - l e v e ld e 诅i l e dp r o d u c t i o np l a nt e m p l a t e ，d y n a i i l i c s c h e d u l i n ga p p l i c a t i o nt c l m p l a t e s ；a n dt h c nd i s c u s s e di nd e t a i l 也er e a l i z a t i o no fu s m g p r o c e s s l e v e lp r o d l l c t i o np l a n n i n gt e m p l a t et 0c o n s t i t u t ew o r kp l 锄w i l i c hb 鹤e do n b a t c hp r o d u c t i o np l a l li 1 1p l 删n ga n ds c h e d u l i i l gm o d u l e w ba l s od om a n yr e s e a r c h e s o nt h em e m o d sh o wt oc o n s t i t i l t ep r o c e s s i e v e lp r o d l l c t i o np l a m 血睦gb a s e d0 ng 眦n c h a na n da n ta l g 础t h m f i n a l l y ，g i v es o n l ed y n a m i cs c h e d u l i i i gs t f a t e g yt od e a lw i m t l l ea b n o m l a li l lt h ea c t u a lp r o d u c t i o np r o c e s s b a s e do na b o v er e s e a r c h ，w ed e v e l o p e dap i a m n ga n ds c h e d u l i n gm a l l a g e m e n t m o d u l ef o rac o u n t r y sl a r g es 诅t e o w n e de n t e r p r i s e s ，a i l du s i n gs o r w a r ce n g i n e 砥n g i d c a s ，b a s e do nm ep o 砒o f v i e w0 fs o 腑a r ed e s i g n ，a n a l y z e dt h es y s t e m 灿c t l 】r ea 1 1 d i n f b m a t i o nm o d e l i i l go fp l 删n ga l l ds c h e d u l i i l gm a i | a g e m e n tm o d u l ea i l dd e s i 盟a i l d i m p l e m e n t a l i o nf i n a l l y k e yw o r d s ：i a n u f h c t l l r i 咀g e x e c u t i o n s y s t e m ，p l a n n i n g a n d s c h e d u l i n g ， t e m p l a t e s ，g a n t tc h a r t ，a n ta l g o r i t h m ，d y n a m i cs c h e d u i i n g l i 西北工业大学硕士学位论文 目录 4 3动态调度策略4 2 4 3 1 进度提前滞后策略4 2 4 3 2 设备故障策略4 7 4 3 3 紧急任务策略5 0 4 4 动态调度模板的应用5 2 4 5 本章小结5 3 第五章m e s 中计划调度管理模块的设计与实现。5 4 5 1 系统设计5 4 5 1 1 系统的体系结构5 4 5 1 2m e s 中计划调度功能建模5 5 5 2系统实现5 8 5 2 1 车间生产计划管理5 8 5 2 2 单元生产计划管理5 9 5 2 3 动态调度6 0 5 3本章小结6 l 第六章总结与展望6 2 6 1 总结6 2 6 2展望6 2 参考文献6 4 研究期间发表的论文及参与的课题6 6 至谢6 7 文中出现的名词缩穹 a m r a d v a l l c e dm a n u f a c t u r i n gr e s e a r c h 先进制造研究机构 b o mb i l lo f m a t e r ia l s 物料清单 d c s d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 分散控制系统集散控制系统 d r pd i s t r i b u t i o nr e s o u r c cp l a f l i l i i l g 分销资源计划 e r p e i l t c r p r i s er e s o u r c ep l a 呻i n g 企业资源计划 m e s m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m 制造执行系统 m r pm a t e 血lr e q u i f e m e mp l a n n i n g 物料需求计划 m r p m a n u f a c t u r 吨r e s o u r c e sp l a n n i n g 制造资源计划 m e s a m a n u f 沁m r i n g e x e c u t i o ns y s t e ma s s o c i a t i o n m e s 国际联合会 p d m p r o d u c td a 纽m a l l a g e m e m 产品数据管理 p o pp o i n to f p r o d u c t i o n 生产现场管理 s c a d a s u p e r v i s o f yc 0 n t r c la n dd a t a a c q u i s n i o n - 监控与数据采集系统 s c m s u p p i yc h a i nm a n a g e m e n t 供应链管理 s f c s h o pf 1 0 0 rc o n t r o l _ 车间底层控制 w i pw o r ki np r o c e s s 在制品 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：童塞指导教师签名：二至兰 2 一年；月跏日功啼弓月粕日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中 已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体己经 公开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它用途使用 过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名 加o 年 童鲁 ；月扫日 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 为了有效的解决m i 强i i ( 或e r p ) 系统在生产管理方面的限制和不足，并且能 够实时地从底层生产过程控制系统采集数据，提高计划的实时性和灵活性，制造 执行系统( m 卸u f a c n j r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ，m e s ) 应运而生。制造执行系统作为 企业上层计划管理和底层设备控制系统之间的中间桥梁，在生产计划的优化调度、 生产过程的改进等方面起着越来越重要的作用，并得到了工业界广泛的认可和应 用。m e s 的核心功能之一计划调度是实现生产高效率、高柔性和高可靠性的 关键。通过m e s 中的计划调度可以实现生产调度计划优化，快速调整资源配置， 统筹安排生产进度，以较低的成本按期交付用户满意的产品，对于提高企业自身 的竞争力具有重要意义。 1 1 制造执行系统 随着制造业信息化工程的开展，许多企业实施了以m r _ p i i e r p 为代表的企 业资源计划管理系统；以产品设计管理为主的产品数据管理系统p d m ( p r o d u c t d a t am a l l a g e m e n t ) ；以监控和数据采集( s u p e r v i s o r yc o m r o la l l dd a t aa c q u i s “i o n ， s c a d a ) 为代表的生产过程监控软件等。这些系统虽然在企业中取得了一定成功， 产生了一定的经济效益，然而出现了一些新的问题，形成了企业生产管理和制造 单元控制软件之间的分离，使上层的m r p e r p 软件系统得不到精确的生产数 据的支持，而制造单元又常常不能及时得到指令来调整工作状态，造成了生产计 划与生产过程的脱节，严重影响了制造业企业的生产和信息化进程。随着企业信 息化应用水平的不断提高，企业逐渐认识到将计划与制造过程统一起来的制造执 行系统是解决这一问题的有效途径。通过m e s 来实现企业信息的集成，形成实 时化的e r p 、m e s 、s f c ( s h o pf l o o rc o n 咖1 ) 是提高企业整体管理水平的关键【l 】。 1 1 1m e s 的产生 随着i t 技术的发展，制造管理系统也不断在发展【2 1 。出现了各种各样的制造 管理系统和产品。m e s 的产生如图1 1 所示，大致分成以下三个阶段：2 0 世纪 6 0 年代末到7 0 年代初，最早的计算机业务系统用于财会，从财务软件发展到物 料需求计划m r p ，主要协助工厂做物料需求计划。2 0 世纪7 0 年代末到8 0 年 代初，m r p 演变为制造资源计划加肿i i ，产生了分销资源计划d r p 、制造执行 西北工业大学顾士学位论文第一章绪论 系统m e s ( 仅仅强调对在制品的追踪) 等，并因此产生了横向系统之间的信息孤 岛，以及m r p 、m r pi i 和d c s ( d i s m b u t e dc o i l 仃o ls y s t e m 大规模分布式控制系 统) 两层之间的信息断层。2 0 世纪8 0 年代末到9 0 年代初，这些系统通过扩大 功能来解决“信息孤岛”问题，如m r p i i 演变为e r p ，d r p 演变为供应链管理 s c m ，集成的m e s 起现场管理作用。生产现场的信息系统开始发展，包括生产 进度跟踪信息系统、质量信息系统、绩效信息系统、设备信息系统及其整合以形 成共识。与此同时，原来底层的过程控制系统和上层生产计划系统也得到发展， 形成了m e s 原型( 即传统的m e s ，t - m e s ) ，其主要功能是p o p ( 生产现场管 理，p o i n to f p m d u c t i o n ) 和s f c ( 车间级控制系统，s h o pf 1 0 0 rc o n t r 0 1 ) 。 图l l 制造管理系统的发展过程 可见，m e s 是由原来的财会系统发展而来的，通过信息传达对从订单下达到 产品完成的整个生产过程进行优化管理。 2 0 世纪9 0 年代美国先进制造研究机构( a d v a n c e dm 觚u f a c t u r i n gr e s e a r c h ， a m r ) 提出了“制造执行系统”( m a l l u f a c t 嘶n ge x c c u t i o ns y s t c m ，m e s ) 的概 念，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之间的面向车 间层的管理信息系统”，它为操作人员管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有 资源( 人、设备、物料、客户需求等) 的当前状态等信息。在a m r 提出的企业 集成模型( 如图1 2 ) 中清楚地描述了m e s 在企业系统中的位置【3 1 由此可以看 出m e s 在制造企业系统中起着中间执行层的作用，强调计划的执行和控制，通 过m e s 将上层计划层e r p 与下层控制层企业的生产现场控制有机地集成起来。 2 西北工业大学硕上学位论文 第一章绪论 计划层( 面向客户) 执行层( 面向车间生产控制) 控制层( 面向生产作业现场) 图l - 2a m r 的三层企业集成模型 1 9 9 2 年，m e s 国际联合会( m 锄l f a c t i l 血ge x e c u 畦s y s t e ma 5 d a t i o n ， m e s a ) 成立，它是以宣传m e s 思想和产品为宗旨的贸易联合会，并帮助其成员 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。 图1 3 描述了m e s 在企业中的数据流图。在m r p ，e r _ p 系统所代表的计划 层产生的长期计划的指导下，面向车间生产控制的执行层m e s 根据底层控制系 统采集的与生产有关的实时数据，进行短期生产作业的计划调度、监控、资源配 置和生产过程的优化等工作。在信息交互的具体内容方面，m e s 向上层提交周期 盘点次数、生产能力、材料消耗、劳动力和生产线运行性能、在制品( w i p ) 存 放位置和状态实际定单执行等涉及生产运行的数据，向底层控制系统发布生产指 令控制及有关的生产线运行的各种参数等。图1 _ 4 描述了m e s 与计划层和控制层 的信息交互关系。 人员 生产方法 与人员指令 生产结果 与人员反馈 设备运行 设备 输入，输出 数据采集值 m r p i i e r p 时间因子：1 0 0 要生产什么 m e s 时间因子：1 0 如何生产 ( 生产指令) c o n t r o k 时间因子：l 回 生产了什么 e a n 丽司 广 i ! 型竺i 操作状态 与结果 e a 厅网 厂 l 兰竺苎 图l - 3m e s 在制造企业中的数据流图 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 m r ph ，e r p 产品工程 预测 成本计算 生产计划 过程定义 销售订单处理 人力资源 库存管理 采购 分销 供应计划 配件需求 财务 执行 m e s 工序详细调度 资源分配和 状态管理 生产单元分配 过程管理 人力资源管理 维护管理 质量管理 文档控制 产品跟踪 产品清单管理 性能分析 数据采集 物料管理 焦点顾客 焦点产品 i 决策地点办公室ii 决策地点车间i 控制 底层监控 生产数据采集 工序监控 设备监控 人力监控 物料监控 设备管理 人机接口管理 安全维护 图l - 4m e s 与计划层及控制层信息交互 通过以上分析可知，制造执行系统在制造企业的车间生产管理系统中起着承 上启下的作用，它在e r p 系统产生的生产计划指导下，收集底层控制系统中与生 产相关的实时数据，充分利用这些信息资源，安排短期的生产作业的计划调度、 监控、资源调配和生产过程的优化工作，实现优化调度和合理资源配置。 1 1 2m e s 的发展 m e s 软件经过十几年的发展已经取得一定的成果，传统的m e s ( t r a d i t i o n a l m e s ，t m e s ) 基本从零星车间级应用发展起来，并逐渐向具有一定集成能力的 复杂大系统发展。t - m e s 可以分为两大类： 1 ) 专用m e s 系统( p o i m m e s ) 它主要是针对某个特定领域的问题而开发的系统，如车间维护、生产监控、 有限能力调度或s c a d a 等开发的自成一体的应用系统。 2 ) 集成m e s 系统( i n t e g r a t e dm e s ) 该类系统起初是针对一个特定的、规范化的环境而设计的，目前已拓展到许 多领域，如航空、装配、半导体、食品和卫生等行业，在功能上它已实现了与上 层事务处理和下层实时控制系统的集成，但此类系统是针对特定的行业，缺少通 用性和广泛的集成能力。 a m r 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 4 西北工业大学硕上学位论文第一章绪论 集成m e s ( i n t e g r a t a b l em e s ，i m e s ) 这一概念。它将模块化和组件技术应用到 m e s 的系统开发中，是两类传统m e s 系统的结合。从表现形式上看，i m e s 具 有专用m e s 系统的特点，即i - m e s 中的部分功能可以作为可重用组件单独销售； 同时，它又具有集成m e s 的特点，即能实现上下两层之间的集成。此外，i m e s 还能实现客户化、可重构、可扩展和互操作等特性，能方便地实现不同厂商之间 的集成和原有系统的保护以及即插即用( p & p ) 等功能。 到9 0 年代，m e s 发展为i m e s ( 集成m e s ) 和m e s i i ( m a i l u 舭t i l f i n g e x e c u t i o ns o l u 矗o n s ) 。这样m e s 则作为整个工厂生产现场的集成系统出现，故 又称为h l t e g r a t e dm e s ( i m e s ) 。主要功能为工厂管理( 资源管理、调度管理、 维护管理) 、工厂工艺设计( 文档管理、标准管理、过程优化) 、过程管理( 回 路监督控制、数据采集) 和质量管理( s q c 统计质量管理、l i m s 实验室信息管 理系统) ，担当了整合、支持现场工人的技能和智慧，充分发挥制造资源效率的 功能。 1 2s 中的计划调度 m e s a 在1 9 9 7 年发表的白皮书m e se x p l a i n e d ：ah i 曲l “e lv i s i o n 中通过其 各成员的实践归纳了1 1 个主要的m e s 功能模块，包括资源分配以及状态管理、 工序级详细生产计划、生产调度管理、文档管理、现场数据采集、人力资源管理、 生产质量管理、生产过程管理、生产设备维护管理、产品跟踪和产品数据管理和 性能分析，其中工序级详细生产计划是提高车间生产效益的基础和关键，是m e s 的核心模块之一。 1 2 1m e s 中计划调度功能分析 目前对m e s 中的详细生产计划与调度的研究与以往的研究相类似，只是更 加强调以时间为关键的制造思想，更加重视信息的集成、有效运用以及调度与执 行的协调。制造执行系统作为连接企业计划管理系统和过程控制系统的桥梁，是 面向车间生产过程的“实时”生产和调度，一方面m e s 可以将来自计划层的生 产管理信息细化、分解形成操作指令传递给底层控制；另一方面m e s 可以实时 监控底层设备的运行状态，采集实时数据，经过分析处理，触发新的事件，从而 方便、可靠到将控制系统与信息系统联系在一起。 制造企业计划管理层所制定的生产计划是关于制造企业生产系统总体方面的 计划，是制造企业在计划期应达到的产品品种、质量、产量和产值等生产方面的 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 指标、生产进度及相应的布置，是指导制造企业计划期生产活动的纲领性方案【4 】。 其主要侧重于企业管理层，它根据企业订单、市场预测、原材料供应、生产能力 等因素，静态编制企业年、季、月生产计划，合理安排计划期内产品的品种、数 量和开、完工时间等，以满足用户的合同要求。m e s 是应用位于上层的计划管理 系统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理信息系统，因此m e s 中的生产 计划集中在车间的计划与调度方面，是根据上层的计划管理系统制定的生产计划、 车间资源条件、制造b o m 和工艺设计文件，按照车间生产能力最高、车问资源 利用率最高和车间生产成本最低等优化目标，计划和调度车间生产任务和资源， 具体指的是其中的工序级详细生成计划与生成调度。 工序级详细生产计划是生产计划的继续、延伸和补充，与计划管理层制定的 生产计划构成一个紧密联系的体系( 这里的生产计划包括年度生产计划主生产计 划、资源计划、详细物料计划、详细能力计划等) 。它针对一项可分解的工作( 如 产品制造) ，探讨在尽可能满足约束条件( 如交货期、工艺路线、资源情况) 的 前提下，通过下达生产指令，安排其组成部分( 操作) 使用哪些资源、其加工时 间及加工的先后顺序，以获得产品制造时间或者成本的最优化。工序级详细生产 计划是企业年度生产计划的具体执行计划，是协调企业日常生产活动的中心环节。 它根据年度生产计划的要求对每个生产单位( 车间、工段、班组等) ，在每个具 体时期( 年、月、旬、日、轮班、小时等) 内的生产任务做出详细的安排并规定 实现的方法，从而保证企业按数量、品种、质量、交货期的要求全面完成生产计 划。它在时间上纽化到每个工作日甚至每小时，在单位上落实到每台设备每个人， 即把计划工作负荷分解成一个个精确具体的短期计划。因此，没有一个好的工序 级详细生产计划，就不可能保证很好地实现主生产计划【5 】。总而言之，工序级详 细生产计划的主要目标是通过良好的作业加工排序最大限度减少生成过程中的准 备时间，优化某一项或几项生产目标，为生产计划的执行和控制提供指导【6 j 。 当工序级详细生产计划制定好之后在具体实施的过程当中还需要对生产作业 过程实施有效的控制，即生产调度，以确定实际生产和计划的要求相一致。良好 的生产调度能够预先解决生产中的干扰，缩短产品在车间的流动时间，减少在制 品库存，保证准时交货。 一般的生产调度问题都具有以下特点： 1 ) 复杂性：由于生产车间中任务、设备及搬运系统之间互相影响、互相作用， 每个任务又要考虑它的加工时间、操作顺序、交货期的改变、紧急订单 等，并且在制造资源的分配问题上，存在着数量庞大的解集，在运算量 上往往具有n p 完全特性，使得常规优化方法难以奏效。 2 1 动态随机性：在实际的车间计划调度系统中存在很多随机的和不确定的因 素，比如作业到达时间的不确定性、设备的损坏修复、作业交货期的改 西北工业大学硕上学位论文第一章绪论 变、紧急订单等。复杂的车间生产环境，对详细生产计划的可行性提出 了极高的要求。 3 ) 多目标性：实际的计划调度往往是多目标的，且目标间可能发生冲突。生 产调度的性能指标可以是成本最低、库存费最少、生产周期最短、设备 利用率最高等。这种多目标性导致调度的复杂性和计算量急剧增加。 4 ) 多约束性：生产车间中资源的数量、工件的加工时间和加工顺序都是约束。 此外还有一些人为的约束，如要求各机器上的负荷平衡等等。 m e s 中的工序级详细生产计划和生产调度位于车间层和单元层，它作为连接 上层计划管理系统和底层工业控制的中间环节，一方面接收计划层的生产计划， 并将生产计划分解后，制定工序级详细生产计划，向单元层和下游的设备层发布 调度指令；另一方面，接收设备层上报的实时加工信息，依此调整和修正初始调 度结果，并将生产现场的加工进度和完工情况向生产计划反馈【7 】。因此，工序级 详细生产计划和生产调度直接影响生产成本、决定生产经营过程的顺利运行和高 速运转，是m e s 中的重要组成部分，本文将其统称为车间计划调度问题。 1 2 2 研究现状 调度问题的研究始于2 0 世纪5 0 年代，j o h n s o n 提出了解决两台机床的f l o w s h o p 型调度问题的优化算法，其后人们开始了对计划调度问题的广泛研究。计划 调度就是对一个可用的加工机床集在时间上进行集中任务集分配，以满足一个性 能指标集。典型的车间计划调度问题包括一个要完成的任务集，每个任务由一个 工序集组成，各工序的完成需要占用机床或其他资源，并且必须按一些可行的工 艺次序进行加工；每台机床可加工零件的若干工序，并且在不同机床上能加工的 工序集可以不同。在约束条件下，计划调度的目标是将任务合理的安排到各机床， 并合理安排任务的加工次序和加工开始时间，同时优化一些性能指标【引。 在对车间计划调度问题进行研究的方法上，最初是集中在整数规划、仿真和简 单的规则上，这些传统的调度方法在应用中存在很大的局限性，如难以建立准确 约束条件下的数学模型，并且求解最优解时，具有随问题规模呈指数倍增长的n p 量1 a r d 特性，因此只能对小规模的系统求解【9 】。随着各种新的相关学科与优化技 术的建立与发展，计划调度问题的研究方法向多元化方向发展，比如运筹学方法、 基于规则的方法、基于仿真的方法和基于智能的调度方法。这里简单介绍一些这 些方法及各自的优缺点： 1 ) 运筹学方法 运筹学方法是将计划调度问题简化为数学规划模型，采用基于枚举思想的分 枝定界法或动态规划算法进行解决调度最优化或近优化问题，属于精确方法。这 7 西北工业大学硕上学位论文 第一章绪论 类方法虽然从理论上能求得最优解，但由于计算复杂性难获得真正实用。对于复 杂问题，这种纯数学方法有模型抽取困难、运算量大、算法难以实现的弱点，对 于生产环境中的动态调度实现难度大，解决不了动态及快速响应市场需求的问题。 2 ) 基于规则的方法 对生产加工任务进行调度的传统的方法是使用调度规则( d i s p a t c h i n g r u l e s ) ，因其调度规则简单、易于实现、计算复杂度低等原因，能够用于动态实 对调度系统中，多年来一直受到学者的广泛研究，并不断涌现出新的调度觇则【1 0 1 。 但是近十年的研究表明并不存在一个全局最优的调度规则，它们的有效性依赖于 特殊性能需求的标准及生产条件。 3 ) 基于仿真的方法 基于仿真的方法通过运行仿真模型来收集数据，能对实际系统进行性能、状 态等方面的分析，从而能对系统采用合适的控制调度方法。计算机仿真的优点及 作用：它可以通过模拟待建系统数学模型的动态状况，分析假想系统运行所得到 的各种数据，确定所规划设计的真实系统的特性，避免因调度不当造成损失：它 是对复杂制造系统进行动态分析的唯一有效方法。基于纯仿真法仍存在以下问题： 鉴于其实验性，很难对生产调度理论做出贡献；应用仿真进行生产调度费用高； 仿真的准确性受编程人员的判断和技巧限制，甚至很高精度的仿真模型也无法保 证总能找到最优或次优解。 4 ) 基于排序的方法 基于排序的方法，该类方法是先有可行性加工顺序，然后才确定每个操作的 开工时间，并对这个顺序优化，虽属近似算法，但有可能达到最优调度。这类方 法包括启发式图搜索法，模拟退火法，禁忌搜索法，遗传算法等。它们存在各自 的不足，很多学者采取混和算法来弥补单一方法的不足。 启发式图搜索法：对于表述为整数规划的调度问题，最初采用分枝定界法 来解决，而后其它的启发式图搜索法也被应用于解决调度问题。启发式方法的思 想是按照调度规则从尚未调度的工序的一个子集中选择一个工序进行调度，直到 所有的工序都被调度为止。由于调度规则是基于经验和特定问题，故没有普遍适 用的调度规则存在，某一规则只能运用于一定场合的问题，所求得的解只是可行 解。 模拟退火法：将组合优化问题与统计力学的热平衡问题类比，另辟了求解 组合优化问题新途径。其基本思想是将一个优化问题比做一个物理系统，将优化 问题的目标函数比成物理系统的能量，通过模拟物理系统逐步降温以达到最低能 量状态的退火过程而获得优化问题的全局最优解。该算法是一个通用性强和优化 程度较高的随机搜索算法，适用范围较广，然而也存在着收敛速度比较慢，难于 设置复杂的退火进程等缺点。 8 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 禁忌搜索法：禁忌搜索( t s ) 法是解决组合优化问题的一种搜索策略和方 法。概括的讲，它是一种通过使用自适应的记忆功能来引导局域搜索的技术。目 前，禁忌搜索法的应用正得到迅速的发展，已在调度、交通运输、旅行商问题、 电子电路设计等诸多领域中得到应用。但这种方法有一定的局限性【l l 】。 神经网络优化：神经网络应用于计划调度问题已有十多年的历史，它在计 划调度研究中的应用主要集中在以下两方面：将计划调度问题看成一类组合优 化问题，利用其并行处理能力来降低计算的复杂性；利用其学习和适应能力将 它用于调度知识的获取，以构造调度决策模型。目前，利用神经网络解决计划调 度问题已成为计划调度研究的一个热点，应用最多的是b p 网，通过对它的训练来 构造计划调度决策模型。但神经网络的训练时间较长，无法对结果进行解释，并 且网络结构及算法参数不易确定【l2 】。 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h l ，g a ) ：基本思想是一种基于进化论优胜劣 汰、自然选择、适者生存和物种遗传思想的随机优化搜索算法，通过群体的进化 来进行全局性优化搜索。其特点有简单通用、鲁棒性强、适用于并行处理以及应 用范围广等。h 0 1 l s t i e n 最先尝试将g a 应用到函数优化问题中【h 】，d ej o n g 通过 实验对g a 应用于函数优化问题进行了研究。遗传算法在优化问题的其它方面如生 产调度中的应用也很多，但这些大都以传统的j o bs h o p 或f l o ws h o p 为背剥。 近年来受实际需要的推动，基于知识的智能调度系统和方法的研究取得了很大的 进展，主要包括智能调度专家系统、基于智能搜索的方法及基于多代理技术 ( m u l t i _ a g e n ts y s t e m 简称m a s ) 的合作求解的方法等。其特点是：在支持某些活 动发生的资源条件具备时( 称为决策点) ，根据系统当时所处的属性状态，决定采 取何种规则( 策略) ，确定或选择活动发生的顺序和时间，即状态指导的智能调度 方法。 5 ) 基于智能的调度方法 基于智能的调度方法主要包括智能调度专家系统及基于多代理技术( m a s ) 的 合作求解方法等“”。其中智能调度专家系统是人工智能应用的体现，由于专家系 统中知识获取和推理速度这些瓶颈，使得神经网络逐渐被采用，但存在训练速度 慢，探索能力弱等缺点。基于多代理技术合作求解方法是较新的智能调度方法， 它提供了一种动态灵活，快速响应市场的调度机制；以分布式人工智能中的多代 理机制作为新的生产组织与运行模式，通过代理间的合作及m a s 系统协调来完成 生产任务调度，并达到预先规定生产目的及生产状态。 ，针对以上各个方法的优缺点，本文拟提出一种基于模板的工序级详细生产计 划制定的方法，以提高制造企业车间生产效率。 9 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 3课题来源及论文主要内容 本论文来源于国防基础科研项目( b 2 7 2 0 0 6 0 2 9 2 ) 。本论文旨在对离散工业中 面向m e s 的工序级详细生产计划与生产调度问题及其解决方法进行深入研究， 是该项目研究内容的重要组成部分。 论文通过对某制造企业车间内部现有业务流程进行分析，针对车间内部粗略 生产计划、在制品等待时间长、生产调度的随意性，对生产过程中出现的异常不 能及时解决等现状，采用制造执行系统下基于模板的计划调度管理方案很好的解 决上述存在的问题，重点对工序级详细生产计划的制定方法和实时动态调度的调 度策略进行了研究和探索。论文的章节安排如下： 第一章：概要介绍m e s 的产生与发展，及其中计划调度模块功能和研究现 状，并简述了论文的课题来源及主要内容。 第二章：通过对某制造企业车间现有业务流程的分析，针对其计划调度管理 中的问题，提出面向m e s 的基于模板计划调度管理方案。 第三章：重点研究基于甘特图与基于蚂蚁算法两种工序级详细生产计划生成 技术，并分别通过实例验证其可行性。 第四章：进行动态调度模板具体实现技术的研究，并通过实例具体说明进度 提前滞后、设备故障、紧急任务等生产异常的动态调度策略。 第五章：介绍系统的开发环境，对m e s 中计划调度管理模块进行详细设计， 通过具体实例对该模块功能进行测试，初步验证系统运作的正确性和有效性。 第六章：总结了本文的主要研究工作，并对今后需要进一步完善和深化的内 容进行了展望。 1 0 西北工业丈学硕士学位论文第二章基于模板的计划调度总体思路 第二章基于模板的计划调度总体思路 随着市场经济的发展，企业的制造车间也逐渐向效益型转变。车间作为制造 企业的物化中心，它不仅是制造计划的具体执行者，也是制造信息的反馈者，因 此车间层的生产管理与信息资源集成是企业生产系统中的重要一环，直接影响制 造车间的生产效率。本章以某制造企业为例，对其生产车间的业务流程进行分析， 并重点针对其计划调度流程提出一种面向m e s 的基于模板计划调度管理方法， 以提高其车间生产率。 2 1 车间计划调度问题需求分析 2 1 1 车间现有业务流程 国家某大型国有企业是全国百家最大的机械工业企业之一，该企业属于离散 工业。近年来，随着该企业生产任务的不断增加、研制生产与批量生产同时存在， 产能明显不足，成本居高不下，产品生产周期过长的问题已经凸现。 本文以该企业某车间为例，该车间主要生产某典型零件，为典型的多品种小 批量生产的离散加工车间，目前采用任务驱动的生产模式。其生产组织方式是三 级管理：车间主任、工长、班组长工人。车间的职能部门包括工艺组( 包括技术 资料室) 、调度组( 包括计划员、调度员等，负责各自生产单元的生产准备、协调 和管理零件周转的工作) 、劳资组、维护室( 管理设备维修维护) 、工具室等。根 据零件加工的特点，一线生产工人组成四个生产单元形成若干生产线。每条线成 为一组，设有组长，每个小组设有一个质检员。车间生产的主要业务流程如下( 图 2 一1 ) ： ( 1 ) 车间接收到车间月度生产计划，之后准备工艺规程，并进行车间生产任务 分解，向各生产单元下达月度生产计划。 ( 2 ) 各生产单元的月度生产计划大纲下达到生产单元。其主管调度员进行生产 准备；并将工艺规程、图纸、材料交给各生产单元，放在原材料库里。 ( 3 ) 各生产单元的工长给工人分派加工任务项，并到材料库房领材料、工艺规 程、质量控制卡和图纸，发给相应的加工工人开始加工。工人接到任务、质控卡、 工艺和原材料后向工具室借刀具量具，根据工艺规程加工。完成一批零件某道工 序加工后，填写质量控制卡。各工长向车间主任反馈作业计划的执行进度。 西北工业大学硕士学位论文 第二章基于模板的计划调度总体思路 ( 4 ) 加工完的一批零件进入总捡，总检按照图纸检查，合格就开合格证，不合 格就返修或者报废，各生产单元安排人员返修处理。 圆 车间月度生产任务 昏下发 图2 一l 车间生产的主要业务流程 2 1 2 车间现有计划调度流程分析 根据对生产车间现行业务信息流程的归纳分析，我们发现在生产车间管理中， 计划调度是生产单元的工作核心。计划是企业赖以实现管理目标的重要基础和保 障。车间库存、工具等部门在计划的“拉动”下，保证生产的正常运转。 下面针对计划调度的现行流程重点进行描述。 ( 1 ) 生产计划下发 车间接到生产处下发的车间月度生产计划大纲。调度组计划员根据四个! j 三产 单元的生产特征进行任务分配：将车间月度生产计划大纲分解为四个生产单元的 月度生产计划，并落实分派到各个生产单元。 ( 2 j 计划制定 下达到生产单元的月度生产计划仅针刑于每种零部件，不能够精确到零部件 的各个生产工序。工长接收到生产任务之后，根据工人的经验、能力口头给工人 1