（计算机应用技术专业论文）面向mes的车间作业调度系统的研究与应用.pdf

苏州大 本人完全了解苏州 即：学位论文著作权归 质论文的内容相一致。 信息情报中心、中国科 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属 在年一月解密后适用本规定。 非涉密论文口 论文作者签名： 导师签名： 期：垫z 里：呈2 期：丛 里： 主里 j 面向m e s 的车间作业调度系统的研究与应用中文摘要 面向m e s 的车间作业调度系统的研究与应用 中文摘要 制造执行系统( 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 ，m e s ) 是介于上层计划管理层与 底层工业控制之间，面向车间生产的管理信息系统，是实现企业敏捷制造的基础。它 能够为车间管理人员提供生产计划的执行、跟踪和相关资源的当前状态信息，对生产 过程进行监控，保证生产的有序进行。m e s 在企业计划管理层与车间底层控制之间 架起了一座桥梁，填补了企业计划管理层和底层控制之间的“鸿沟，是面向车间生 产管理和控制的一种有效工具。 车间作业调度是m e s 的核心模块，直接关系着企业的经营、生产和管理效率， 有效的调度方案能最大限度地降低生产成本，提高企业竞争力。车间作业调度问题也 是一种典型的组合优化问题，关于它的研究具有很大的现实意义，也有一定的理论意 义。 论文在分析了离散型制造业的特点之后，介绍了制造执行系统的发展、功能、技 术特点及其在企业系统中的定位和功能，然后介绍了车间作业调度的概念和分类、所 研究的车间作业调度问题的特点和一些典型的调度算法等相关理论。论文根据车间生 产所面临的压力，从车间作业调度系统的需求分析入手，对系统的用例模型和业务模 型进行分析，并在此基础上对系统进行静态建模和动态建模。 针对传统车间作业调度算法运行时间长和复杂度大的缺点，论文采用一种基于规 则的优化调度算法，以相对剩余工期最长为条件或调度规则，进行优化调度操作。此 调度规则以保证剩余工期最长的工序优先调度的同时，保证先调度竞争工序集中工时 短的工序为指导思想，通过比较部分调度集合中的可调度工序的竞争工序集各工序的 相对剩余工期，求解出每个部分调度的最优解，从而使整个调度达到全局最优或近似 最优。并给出算法数学模型、算法模型、算法流程图和具体代码实现。实践证明，本 调度算法在面对复杂调度时，既能保证计算速度，又能在满足各种约束条件下尽量缩 短整个工期并接近最优解，在实际工程中有较强的实用价值。 最后，论文采用v i s u a lc 拌n e t 语言编程开发了m e s 中的车间调度原型系统， 通过对车间典型调度问题求解，验证了论文的思想和方法。 关键词：m e s ，车间作业调度，调度规则，相对剩余工期 作者：丁永尚 指导老师：黄斐 a b s t r a c t面向m e s 的车间作业调度系统的研究与应用 r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h ew o r k s h o ps c h e d u l i n gi s y s t e mb a s e do nm e s a b s t r a c t 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 ( m e s ) i st h ea p p l i c a t i o n o ft h eu p - t o d a t e i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi nw o r k s h o pm a n a g e m e n t i ti st h ew o r k s h o p - o r i e n t e dp r o d u c t i o n c o n t r o li n f o r m a t i o ns y s t e mb e t w e e nt h ep l a na n dt h ei n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m s i ti st h e b a s i sf o ra g i l em a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e i tp r o v i d e sw o r k s h o pm a n a g e r sw i mr e a l - t i m e i n f o r m a t i o na b o u tp r o d u c tp l a n n i n g ，p r o d u c tt r a c i n gr e s o u r c ea l l o c a t i o na n ds oo n i t m o n i t o r st h ep r o d u c t i o np r o c e s sa n dm a i n t a i n st h ep r o d u c t i o np r o c e s si no p e r a t i o n m e si s ab r i d g et h a ts p a n sa n df i l l su pt h eg a pb e t w e e nt h ep l a n n i n gs y s t e m sa n dd i r e c ti n d u s t r i a l c o n t r o l s i ti sa ne f f e c t i v et o o lf o rt h em a n a g e m e n ta n dw o r k s h o pf l o o rc o n t r 0 1 t h ew o r k s h o ps c h e d u l i n gm a n a g e m e n ti st h ec o r em o d u l eo fm e s ，w h i c hg r e a t l y a f f e c t st h ee f f i c i e n c y ，o p e r a t i o na n dm a n a g e m e n to fw o r k s h o p e f f e c t i v es c h e d u l i n gc a n r e d u c ep r o d u c t i o nc o s ta n de n h a n c ee n t e r p r i s ec o m p e t i t i v e n e s s t h ew o r k s h o ps c h e d u l i n g i sat y p i c a lc o m b i n a t o r i a lo p t i m i z a t i o np r o b l e m ，s t u d y i n gi th a sb o t hp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e a n dt h e o r e t i c a lv a l u e a f t e ra n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i s c r e t em a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s ，i ti st h e i n t r o d u c t i o no ft h em a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e md e v e l o p m e n t ，t e c h n i c a lf e a t u r e s ， p o s i t i o n i n gi nt h ee n t e r p r i s es y s t e m sa n df u n c t i o n s ，t h e ni n t r o d u c e dt h ec o n c e p to fs h o p p r o d u c t i o ns c h e d u l i n g ，c l a s s i f i c a t i o n ，t h es t u d y o fj o b s h o ps c h e d u l i n gp r o b l e m c h a r a c t e r i s t i c sa n ds o m et y p i c a ls c h e d u l i n ga l g o r i t h ma n do t h e rr e l a t e dt h e o r i e s t h et h e s i s h a sb r o u g h tf o r w a r das t r u c t u r eo fw o r k s h o ps c h e d u l i n gs y s t e mb a s e do nm e s ，s e p a r a t e l y f r o mt h es y s t e mo ff u n c t i o n a la n a l y s i s ；i n t e g r a t i o nm o d e l ，p r o d u c t i o np r o c e s s e sa n do t h e r a s p e c t sa r ed e s c r i b e d ，a n dp r o v i d eam o d e l i n ga n du s ec a s e so f t h es y s t e m t r a d i t i o n a lj o bs h o ps c h e d u l i n gr u n n i n gt i m el e n g t ha n dc o m p l e x i t yo fl a r g ed e f e c t s ， 面向m e s 的车间作业调度系统的研究与应用 a b s t r a c t a n dp r i o r i t ys c h e d u l i n gt h ep r o c e s st h a th a st h es h o r t e s tw o r k i n gh o u r sw h i l e b y c o m p a r i n gt h er e l a t i v er e m a i n i n gd u r a t i o n ，t os o l v et h eo p t i m a ls o l u t i o nf o re a c hp a r to f t h es c h e d u l i n g ，s ot h a tt h ee n t i r eo p e r a t i o nt ot h eg l o b a lo p t i m a ls o l u t i o no ri l e a l o p t i m a l s o l u t i o n s a n dp r o v i d ea l g o r i t h m so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h em o d e lo fa l g o r i t h m ，t h e f l o wc h a r to fa l g o r i t h ma n dt h es p e c i f i cc o d eo fi t p r a c t i c es h o w st h a ti nt h ef a c eo f c o m p l e xs c h e d u l i n g ，t h i ss c h e d u l i n ga l g o r i t h mt h a tc a ng u a r a n t e et h ec o m p u t i n gs p e e d ，b u t a l s os h o r t e nt h ec o n s t r u c t i o np e r i o da n dc l o s et ot h eo p t i m a ls o l u t i o n ；i nt h ea c t u a lp r o je c t h a sas t r o n gp r a c t i c a lv a l u e f i n a l l y ，t h ep a p e rd e v e l o p e dap r o t o t y p es y s t e mo ft h es h o ps c h e d u l i n gb a s e d o nm e s u s i n gv i s u a lc 撑n e tp r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，a n dv e r i f i e dt h ep a p e r si d e a sa n d m e t h o d s t h r o u g hs o l v i n gt h et y p i c a ls h o ps c h e d u l i n gp r o b l e m k e yw o r d s ：m e s ，j o b - s h o ps c h e d u l i n g ，s c h e d u l i n gr u l e s ，r e l a t i v er e m a i n i n g d u r a t i o n i i i w r i t t e n b yd i n g y o n g s h a n g s u p e r v i s e db yh u a n gf e i 目录 第一章绪论1 1 1 研究的背景1 1 2 研究的目的及意义4 1 3 课题来源和研究内容5 第二章车间作业调度问题研究6 2 1 离散型制造业的特点。6 2 2 制造执行系统概述6 2 2 1m e s 的发展6 2 2 2m e s 的功台一 1 1 技术特点8 2 2 3 国内外应用情况l o 2 2 4m e s 在企业系统中的定位1 1 2 3 作业调度问题的概述1 3 2 3 1 作业调度的概念1 3 2 3 2 作业调度问题的分类1 4 2 3 3 作业调度问题的特点1 5 2 4 典型的调度算法15 2 5 本章小结19 第三章车间作业调度系统的分析与设计2 0 3 1 车间作业调度系统的需求分析2 0 3 2 作业调度系统的用例模型2 2 3 3 业务建模2 4 3 4 车间作业调度系统建模2 6 3 5 本章小结2 9 第四章车间作业调度算法设计一3 0 4 1 调度的规则3 0 4 1 1 描述问题的变量3 1 4 1 2 描述调度算法的定义31 4 2 算法的数学模型3 2 4 3 算法的思想及描述3 2 4 4 算法的实现3 5 4 5 实例计算与验证3 9 4 6 本章小结4 1 第五章作业调度系统的原型开发与实现4 2 5 1 系统的开发模式及环境4 2 5 2 系统数据库设计4 3 5 3 实现技术要点4 6 5 4 原型功能介绍5l 5 5 系统测试运行5 5 5 6 本章小结5 5 第六章总结和展望5 6 6 1 论文的总结5 6 6 2 研究的展望5 6 参考文献5 8 攻读学位期间本人公开发表的论文6 0 附录a 符号说明6 1 附录b 调度算法详细代码6 2 附录c 调度结果数据6 9 致谢7 1 面向m e s 的车间作业调度系统的研究与应用第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的背景 在当今社会，企业信息化就是利用信息技术改造传统的产业，同时实现信息化带 动工业化的发展。企业信息化是将信息技术、自动化技术以及现代管理技术与制造技 术相结合，带动工业产品设计方法或工具的创新、企业生产管理模式的创新以及企业 间协作关系的创新，从而实现企业管理的数字化、产品设计的数字化、生产过程控制 的智能化、制造装备的数字化、咨询服务的网络化，最终全面提升企业的竞争力。先 进制造和信息技术为制造业的发展提供了核心技术支撑，采用高新技术改造传统的产 业、用信息化带动工业化、实现制造业跨越式发展是今后一段时间内中国制造企业的 必由之路。 从上个世纪八十年代以来，随着社会、经济的发展，市场环境也发生了剧烈的变 化。传统的大批量生产方式已经很难适应市场的要求。目前用户对产品质量、服务质 量的要求越来越高，已经不满足于购买标准化的产品，他们的希望是得到按自己要求 定制的产品及服务。这些变化导致了产品生产方式的革命性变化。面向订单、中小批 量、多品种、高质量、低成本以及交货期短等已逐渐成为制造业的明显生产特征，并 且已经成为当今工业企业的主要生产方式之一。在学术界这样的生产方式也被定义为 j o b s h o p 型生产方式。针对可以分解的工作( o n i 业产品制造) ，探讨在尽可能满足约 束条件( 如交货期、资源约束、工艺路线等) 的前提下，安排其组成部分使用哪些资源、 3 h i 的先后顺序、加工时间，从而获得产品制造成本、时间等指标的最优化【l 】。 这种生产方式的最大特点是能够较灵活地适应市场的多样化需求，但也带来了很 多困难，产品的生产计划及调度控制难度加大。那么j o b s h o p 生产方式下的计划及 调度控制如何进行，一直是国内外学者的广泛关注问题之一。同时也迫使企业去采用 信息化手段，并结合对其产品研制模式、业务过程和生产组织方式等进行调整、改革， 从而满足客户对产品的高要求。 企业信息化的主要任务是将信息技术和研发技术、管理技术、制造技术相结合， 以提升企业的竞争力、经济效益为目标，全面支持企业的生产制造活动、产品研发活 动、企业管理活动以及企业的商务活动。企业信息化的内容主要包括产品研发信息化、 生产制造信息化、企业信息化基础建设、企业商务信息化、企业管理信息化以及企业 信息系统集成 2 1 。 第一章绪论面向m e s 的车间作业调度系统的研究与应用 m e s 作为企业信息化的重要组成部分，其产生和发展是与企业信息化的发展历 程紧密相关的。信息技术的进步和生产方式的演变是促进制造业信息化发展的两个基 本动因。在制造企业信息化的早期阶段，受当时环境的限制，工厂中生产设备的自动 化和业务管理的信息化通常被作为独立的两个领域而分别进行。由不同的部门，基于 不同的看法而建成的一系列功能单一的信息系统，产生了两个长期存在的信息阻断问 题： 1 信息的孤岛问题。在七十年代的末期，随着社会及科学技术的发展和物资的 日益丰富，众企业面临的压力也越来越大，市场的全球化导致了竞争的日趋激烈，企 业为了求得在下个世纪的生存、发展，纷纷寻求适合自己的先进信息化技术和生产管 理方式。此时，企业内出现了工艺管理、作业调度、设备维护、质量管理、过程控制 等相互独立的系统，它们之间相互独立并缺乏数据共享，从而也导致了数据矛盾、功 能的重叠等一系列问题【3 】。信息孤岛造成了企业中制造信息在水平方向的阻断，其带 来的问题严重地制约着企业内各系统间的协调、阻碍了发展、降低了制造业信息化的 整体优势或作用。 2 信息的断层问题。进入八十年代，全球的市场竞争更加激烈。上层计划管理 层( 如m r p i i e r p 等) 受到市场的影响越来越大，计划适应性问题愈来愈突出，明显能 感觉到计划跟不上变化的问题，面对用户对交货期的苛求，面对订单的不断调整和很 多产品的改型，企业的决策者逐步认识到了计划制定与执行受市场和实际作业执行状 态的影响越来越严重。而由于企业级业务管理系统不能得到及时、准确的生产实绩信 息而无法把握生产现场真实情况，使上层计划的制定显得越来越困难，并且准确性及 可行性难以得到应有保证。同时，由于现场人员和设备不能得到切实可行的生产计划 与生产指示，使得车间的调度系统失去了其应有的作用。一方面造成了在制品库存量 过多，使得车间管理出现混乱且资金占用过多，延误了交货期。另一方面，由于设备 的空闲，造成资源的浪费。信息的断层造成了企业生产经营信息在垂直方向的阻断， 严重地阻碍了工厂级的输出管理系统与企业级的业务管理系统之间的集成、阻碍了企 业信息化的发展 4 1 。 八十年代中期以后，随着用户对产品需求的愈加多样化，制造业的生产方式也开 始由大批量刚性的生产转向柔性的多品种小批量的生产。随着大型数据库和计算机网 络等信息技术的发展，企业的信息系统也开始从事后的、局部的处理方式转向实时的、 全局的处理方式。在制造管理的领域出现约束理论( t h e o r yo fc o n s t r a i n t s ，t o c ) 、准 2 面向m e s 的车间作业调度系统的研究与应用第一章绪论 时生产( j u s ti nt i m e ，j i t ) 等新的理念及方法。在管理系统软件领域中，m i 冲i i 系统 迅速得到普及，e r p 系统崭露头角。在过程控制领域中分布式控制系统( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 、可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r s ，p l c ) 得 到了广泛应用1 5 j 。 虽然企业信息化的各个领域都有了一定的发展，但在工厂以及企业范围信息集成 的实践过程中，依然难以解决信息断层和信息孤岛带来的各种问题。例如，在计划阶 段无法及时准确地把握生产实际状况，在生产过程阶段得不到切实可行的作业计划， 操作人员和工厂管理人员很难跟踪产品的生产过程，也不能有效控制在制品库存，用 户也不能了解订单的及时执行状况。产生以上问题的主要原因依然在于生产过程控制 系统和生产管理业务系统的相互分离，过程控制系统和计划系统之间的界限模糊，缺 少紧密联系。那么在此种情况下，作为面向企业生产执行层的信息系统，m e s 应运 而生了。 19 9 0 年在美国先进制造研究机构( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gr e s e a r c h ，a m r ) 的报 告中，第一次提出了m e s 的概念，并且把m e s 重点定位于解决生产执行层的生产管 理问题，把m e s 定义为“位于上层计划管理系统和底层工业控制之间的面向车间层 的管理信息系统”。m e s 是近1 0 年来面向生产执行层的、得到迅速发展的生产管理 技术和实时信息系统。m e s 集成了车间中工艺管理、作业调度、设备维护、质量管 理和过程控制等相互独立的系统，使得它们之间的数据实现完全共享，完全解决了信 息孤岛状态下的数据矛盾和数据重叠问题。同时，制造执行系统也可以收集生产过程 中的大量实时数据，对实时事件进行及时处理的同时与生产控制层和计划层保持双向 通信能力，其从上下两层接收相应数据并反馈处理结果及生产指令【6 】。制造执行系统 是实施企业先进制造战略并实现车间生产管理自动化的基本技术手段。 作为m e s 的关键模块之一，车间作业调度问题的研究开始于2 0 世纪5 0 年代， 早在1 9 5 4 年，j o h n s o n 对两台机床f l o w s h o p 型调度问题进行了研究之后，提出了解 决问题的优化算法，此标志着关于调度理论研究的开始。之后，他便开始对调度问题 进行广泛的研究。到了六十、七十年代，建立了调度理论的主体( 经典调度理论) ，并 重视对调度复杂性的研究。因为调度问题是m e s 中最基本、最复杂、最重要的问题 之一，所以国内外无数的学者对其进行了广泛的探讨和研究，同时也提出了各种各样 的算法，建立了不同的理论框架模型。由于车间作业调度问题的复杂性，针对各种不 同具体问题往往会有很多不同的解决方法；因此从策略上需要考虑作业调度的问题， 间的，面向车间层的实时信息和生产管理系统。制造执行系统强调制造计划的执行， 它在底层控制与计划管理层之间架起一座桥梁，填补了两者间的鸿沟。m e s 的生产 活动涉及库存跟踪、物料流动、设备管理、订单管理、数据采集、质量控制、维护管 理、性能分析及人力资源管理等。m e s 汇集了车间中用以管理并优化从下定单到产 成品的整个生产活动的相关软硬件构件，其控制、利用实时准确的制造信息来指导、 传授、响应、报告车间发生的各项活动，同时也向企业决策支持过程提供有关的生产 活动任务评价信息。可见，m e s 是工厂车间信息集成、实现生产管理自动化和敏捷 化的基本技术手段。 作为m e s 的一个关键模块，车间的作业调度是体现m e s 先进性的技术核心，其 任务是“如何安排加工作业的顺序且合理地分配有限的制造资源，从而使得众加工作 业在合理的时间内加工完成 。作业调度处于计划的最低层次，其直接控制生产的有 序、稳定执行，好的作业调度可以预先解决生产中的问题或干扰，可以缩短产品在车 间的流动时间，并减少在制品库存量、保证及时交货。优化技术和有效调度方法的研 究和应用，是提高生产效益及实现先进制造的关键和基础。改进工厂的作业调度方案， 可以很大程度提高企业资源利用率和生产效益，进而使得企业竞争力的增强。车间作 业调度的问题是一种典型的组合优化问题，是c i m s 领域中研究的重要课题。车间作 业调度的研究不仅具有深远理论意义，而且具有重大现实意义。 现在，我国的离散型制造业尤其是机械制造企业，主要采用小批量、单件，按订 面向m e s 的车间作业调度系统的研究与应用 第一章绪论 工作主要还是凭车间管理员的经验来安排，管理较粗放，使生产作业的管理任务复杂 且繁重。所以，研究面向m e s 环境的车间作业调度问题，并且以人机交互方式实现 对车间作业生产的实时动态控制，这样有助于改善作业调度系统和其他系统的集成问 题，为m e s 更好发挥作用提供一个车间层的管理平台，其对于调度与控制、调度与 计划的全集成以及制造企业生产管理水平的提高具有重要现实意义。 1 3 课题来源和研究内容 本课题来源：苏州市科技攻关项目“面向电路板敏捷制造的智能过程控制系统开 发与应用”，项目编号为：s g r 0 7 1 0 。本项目是研发面向电路板敏捷制造的智能过程 控制系统，研究内容包括s m t 机与系统集成、材料实时跟踪机制、设备控制器、工 艺流程控制和优化、s p c 实时监控、预警机制、实时统计分析图、数据采集系统、流 程自定义图形化工具、s p c 自定义分析工具、存储系统、数据仓库和实施方法等。 本课题将对离散型企业在小批量、单件生产情况下的车间作业调度问题进行研 究，对面向m e s 环境的作业调度系统进行分析，给出系统的静态模型和动态模型， 且在对车间作业调度问题进行理论研究的基础上，给出基于调度规则的算法，其以相 对剩余工期为调度规则，在兼顾各种约束情况下以实现最短工厂作业时间为调度目 标，并开发一个适用于离散型企业的车间作业调度系统原型。本文主要的研究内容如 下： 1 分析离散型制造企业的特点，研究制造执行系统、车间作业调度以及一些典 型的调度算法等相关理论。 2 根据车间生产面临的压力，从车间作业调度系统的需求分析入手，对调度系 统进行用例模型和业务模型分析，并在此基础上对系统进行静态建模和动态建模。 3 采用基于调度规则的算法，以相对剩余工期为调度规则，在兼顾各种约束情 况下以实现最短工厂作业时间为调度目标进行优化调度操作，提供算法的实现思想、 方法和具体代码，并进行实例验证。 4 采用合适的系统开发模式和工具，开发一个面向m e s 的车间作业调度系统原 型。 离散 都是 再把 离散 型生产方式。比如说汽车制造、轮船制造、服装企业、电子企业等。离散型制造业的 产品通常是把多个零件通过一系列不连续工序进行加工，最终组装而成，其主要包括 机械、航空、计算机、造船、车辆等。 随着市场竞争日益加剧，企业的生产正朝着小批量、多品种的方向发展。在离散 型制造企业特别是机械行业，其生产的产品品种多样、批量小，而且大部分都是按订 单进行生产的，因此有以下几个特点： 1 订单的随机性。在计划期内企业的订单是无法预先确定的，只有按照随机到 达的订单逐项实行作业计划安排，工作难度不仅大，而且计划的及时性、应变性也差。 2 生产的动态多变性【_ 。因为品种多变而且杂，所以产品的生产过程以及工艺 路线相差就很大，生产过程中不稳定因素多，从而使得生产计划的制订和生产任务的 管理工作变得繁重。 3 生产的不均衡性。离散型生产任务来源于客户的订单，订单的不确定性决定 了生产任务本身相应的生产负荷是不能够均衡的。同时各个品种的工艺路线是不相 同，完工时间以及交货期也不一致，使得生产任务不能够在时间上进行均衡地分配。 4 作业计划和调度安排的复杂性。实际的生产过程总是一个动态过程，存在着 一系列随机扰动，因此使得车间层的调度能力变差，牵制着计划和控制的统一。 2 2 制造执行系统概述 2 2 1m e s 的发展 美国先进制造研究机构( a m r ) 把m e s 定位成“常驻工厂层的信息系统，位于低 层的工业控制和上层的计划管理系统之间的面向车间层的一个管理信息系统”，它为 操作人员以及管理人员提供计划的执行，同时跟踪所有资源( 人、物料、设备、客户 需求) 当前的状态，它是实施企业敏捷制造战略及实现车间生产敏捷化的基本技术手 6 面向m e s 的车间作业调度系统的研究与应用 第二章车间作业调度问题研究 段【8 】阴。 下一代m e s 主要特点是：在i s a 9 5 标准上建立、变更简便、易于配置、使用方 便、无客户化代码、可集成性良好，另外还提供门户等功能，它的主要目标是把m e s 作为引擎实现全世界范围内的生产协同【1 0 】。当前，m e s 技术的主要发展趋势表现在 如下几个方面： 1 。m e s 新型体系结构的发展。基于新型体系结构的m e s 拥有开放式、可配置、 客户化、可伸缩等特性，可以有效针对企业业务流程的变更或重组，马上进行系统重 构和配置。同时，随着网络技术不断发展，制造业受到了网络技术的重大影响，目前 m e s 系统正在和网络技术相互结合，m e s 的新型体系结构多数基于w e b 技术并且支 持网络化功能。 2 集成化功能更为强大。新型m e s 系统的集成范围更大，不仅要包括制造车间 本身，而且要覆盖企业业务生产整个过程。通过建立以能量流、质量、物流、设备状 态为统一的企业数据模型，开发模型的维护工具，使数据能够适应企业业务流程的变 更以及重组的需求，实现m e s 软件系统的可配置。在集成方式上更加方便快捷和便 于实现，可通过制定m e s 系统设计和开发的技术标准，使得各软件供应商的m e s 构件和其他信息化构件实现标准化，实现即插即用，操作共享等功能，并且能够对遗 留系统进行保护【l 。 3 实时性和智能化的强大。新一代的m e s 要具有更精确的整个业务流程的跟踪 和把数据完整记录的功能，通过实时获取到的数据来准确、快捷地进行生产过程的管 理和控制，并具有多通道信息的融合及繁杂信息处理与决策能力。曾有研究人员提出 智能化第二代m e s 解决方案，它的主要目标是通过更加精确的过程状态跟踪及更完 整的数据记录来获取更多的数据以更快捷、方便地进行生产管理，它通过分布在设备 中的智能来确保车间生产的自动化i l 0 1 。 4 支持网络化协同制造。在2 0 0 4 年5 月，首次提出了协同的制造执行系统 ( c o l l a b o r a t i v em 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 s ，c - m e s ) 的概念，指出协同制造执行 系统的特征是把原来m e s 的运行与提高企业运作效率的功能及增强m e s 与在价值链 和企业中其他的系统和人的集成能力相互结合在一起，使制造业的各系统灵敏化和智 能化。因此可以发现，下一代m e s 的一个特殊点是不仅支持生产的同步性，而且支 持网络化协同制造。它可以对分布在不同地点甚至全世界范围内的企业进行实时化信 息互联，以m e s 为引擎进行实时过程跟踪及管理，以协同企业整个生产流程，建立 7 第二章车间作业调度问题研究 面向m e s 的车间作业调度系统的研究与应用 过程化、级别化、敏捷化的管理，使企业生产和经营达到同步化【1 2 1 。 5 m e s 标准化( i s a 9 5 ) 。自1 9 9 7 年开始的国际仪表学会( i s a ) 开始了编制 i s a s p 9 5 企业控制系统集成标准的工作。建立企业级、制造级信息系统之间的集成 规范是i s a 9 5 的目的。i s a 在2 0 0 0 年发布了s p 9 5 0 1 模型与术语标准，规定了生产 过程包括的所有资源信息、其数据结构、表达信息关联的方法。在2 0 0 1 年又发布了 s p 9 5 0 2 对象模型属性标准，并对第一部分定义的内容作出了详细规定和解释， i e c i s o 把s p 9 5 0 1 和s p 9 5 0 2 作为国际标准。2 0 0 2 年发布了s p 9 5 0 3 制造信息活动 模型标准，提出了制造层与管理层间信息交换的协议和格式。s p 9 5 0 4 制造操作对象 模型标准又在2 0 0 3 年被提出，其中定义了支持第三部分中的制造运作管理活动的相 关对象模型和其属性。目前在制定的s p 9 5 0 5 详述了b 2 m ( b u s i n e s st om a n u f a c t u r i n g ) 事务。将来的工作是s p 9 5 0 6 ，s p 9 5 0 6 详述了制造运作管理的事务。i s a 9 5 标准的 应用范围如图2 1 所示i l 引。 e r p 功能 m e s 功能 自动化功能 图2 1i s a 9 5 标准的应用范围 m e s 的标准化进程是m e s 发展的强大动力，世界范围内，各m e s 的主要供应 商陆续采用i s a 9 5 标准，例如s a p 、a b b 、g e 、h o n e y w e l l 、r o c k w e l l 、s i e m e n s 在占 守o 2 2 2m e s 的功能和技术特点 m e s 集成了车间中作业调度、设备维护、过程控制、质量管理等相互独立的系 8 面向m e s 的车间作业调度系统的研究与应用第二章车问作业调度问题研究 统，以便共享这些系统之间的数据。m e s 同时也起到了企业信息系统连接器的作用， 使得企业的控制执行层与计划管理层之间实现了数据的流通【1 1 】【1 4 1 。m e s 的一般功能 模型如图2 2 所示。主要的功能模块【9 】描述如下： 1 资源分配和状态管理：指导生产工具、人力和物料协调地生产，并且跟踪它 们的工作状态。 2 工序调度模块：在资源能力有限的条件下，通过对作业排序及调度来优化工 厂的生产性能。 3 生产单元分配：通过生产指令将加工命令或物料送到某加工单元并且开始工 序或工作步骤的操作。 4 产品跟踪和清单管理：通过监视生产工作，在任意时刻或状态下获取每个产 品的历史纪录，该记录可以向用户提供产品组和每个最终产品生产使用情况的可追溯 性。 5 性能分析：将实际制造过程中测定所得的结果与过去历史记录、客户的要求、 企业制定的目标进行比较。输出的报告用以辅助性能改进及提高。 6 文档控制：管理所有和工艺规程、产品、工作流程或设计有关的信息，同时 收集与工作环境有着密切关系的标准信息。 7 过程管理：基于计划与实际产品制造活动来指导工厂车间的工作流程。实际 上此模块的功能也可由质量管理、生产单元分配来实现，这里是作为单独的系统来实 现。 8 质量管理：根据工程的目标，实时跟踪、记录，分析加工过程及产品的质量， 从而确定生产中需要注意的问题并保证产品的质量控制。 9 人力资源管理：此模块提供分钟级的员工状态更新信息数据( 如出勤、工时等) ， 基于工作模式、业务需求变化、人员的资历来指导人力资源工作。 1 0 维护管理：通过活动的监控及指导来保证机器和其它资产设备的正常运转， 从而实现工厂的执行目标。 1 1 数据采集：收集、组织和监视来自机器、人员和底层的控制操作数据以及工 序、物料信息。此数据可以通过各种自动方式或车间手工录入获取【1 5 】。 目前在企业m e s 中，使用的有十几种主要技术，大致如下：生产过程数据挖掘 与知识获取技术、高级控制技术、复杂工业系统的智能建模技术、生产过程计划调度 的流程模拟技术、生产过程成本控制技术、物流仿真以及控制与管理技术、异常生产 9 面向m e s 的车问作业调度系统的研究与应用 于知识的生产过程支持技术、基于工艺目标和经济指标的在 程质量控制技术、重大设备在线故障诊断预报维护支持技 基于事例的推理技术、演化计算技术1 1 6 1 。 事实上，上述技术不仅仅是m e s 所特有的。在管理决策系统和生产控制系统进 行系统集成的时候，m e s 的引入能够将上述技术更加有机、系统地进行综合运用。 由于m e s 在上层系统和底层系统之间起着承上启下的桥梁作用，m e s 一般功能模型 如图2 2 所示。 图2 2m e s 一般功能模型 2 2 - 3 国内外应用情况 m e s 在应用方面，国内明显落后于西方发达国家。目前，中国市场的m e s 还不 成熟，仍有很大的发展空间。中国一大部分制造企业还是以人力密集型为主，因此要 得到完整可靠的经过过滤和分析的信息非常困难。而且，制造企业的信息系统都是各 自独立的，包括许多事务处理的管理子系统和实时操作的车间子系统。 m e s 系统的功能是制造过程管理与控制，由于制造过程及过程控制对象的复杂 性和专有性，使得m e s 系统模型有比较大的差异，设计模式也可能完全不同，这些 原因决定了m e s 产品与服务市场的多样性。但是，正是由于m e s 的多样性、复杂性、 特殊性以及行业特性等特点，m e s 在国内市场有很大的发展空间。 由于m e s 系统能给企业和社会带来非常大的效益，从2 0 0 2 年开始，国家 l o 面向m e s 的车间作业调度系统的研究与应用第二章车间作业调度问题研究 8 6 3 c i m s 高新科技研发计划中已将m e s 系统作为重点发展项目，并出台了具体扶持 办法，从战略的高度上给予了相当的重视，已经促进工业化带动信息化、信息化存进 工业化的发展战略，将信息流、物流、资金流的最佳集成【1 4 】。 国外的制造企业中目前流行以下3 种解决方案： 1 h o n e y w e l l 的m e s 方案。h o n e y w e l l 公司的m e s 产品从2 0 世纪9 0 年代末开 始，先由单一的m e s 功能模块发展到整体解决方案。该产品将经营目标转化为生产 操作目标，同时将经过处理验证的生产绩效数据进行反馈，从而形成计划管理层、生 产执行层和过程控制层三个层次的周期循环。 另外，h o n e y w e l l 又将其m e s 解决方案与资产管理解决方案、先进控制与区域 优化解决方案、生产信息集成平台等应用套件和信息集成平台整合为协同生产管理解 决方案，也可看成是其广义的m e s 或者是m e s 功能模块的扩充。 2 a s p e nt e c h 的m e s 方案。美国a s p e nt e c h 公司是化学工业领域著名的流 程模拟、先进控制和供应链管理优化软件公司，近几年经过并购和整合，也定位在 m e s 解决方案供应商。它提出了企业运营管理的理念并开发集成了相应的软件产品。 把e r p 层、m e s 层和d c s 层进行整合，高效地设计、管理和运营制造与供应链的相 关业务，即智能工厂解决方案。 3 e m e r s o n 的m e s 方案。e m e r s o n 公司也是一个国际知名的过程控制和企 业管理软件产品制造商，它针对传统的集成方案中用户界面繁杂，系统与系统之间、