（管理科学与工程专业论文）基于mes的制造车间生产调度系统的研究.pdf

沈m 丁业大学硕士学位论文 摘要 生产调度系统是一个综合的职能部门，它是企业的生产指挥中心，对生产活动中 的各工序、各环节进行系统地控制与协调。在传统的制造企业生产调度系统中存在着 一些问题，如在调度过程中缺乏必要的现场信息，而控制层也不能及时 将生产过程中可能发生或己经发生的脱离计划的偏差信息反映给计划层。 制造执行系统( m e s ) 其定义为：“位于上层的计划管理系统与底层的生产控制 之间的面向车间层的管理信息系统”。它建立了以生产作业管理为中心的计算机辅助 车间管理信息系统，能够很好的解决上述所存在问题。m e s 将来自企业计划层的计 划信息转化为指令下发到生产控制层，并从生产控制层中获得生产实绩数据，向计划 层及时地提供生产实际状况信息。 m e s 虽然具有上述的功能，但当前的研究大多停留在理论上。基于这种情况， 本课题利用v b 作为前台开发工具，s q l s e r v e r2 0 0 0 作为后台数据库，结合沈阳重型 机器制造公司制造一车间的技术改造，对m e s 进行了实现，开发了沈重制造一车间 的生产调度系统。系统主要内容有：系统的结构与功能设计，系统开发环境与工具选 择：体系结构的选择等。最终系统功能实现的主要内容包括：基础信息管理模块：生 产作业计划管理模块：生产调度管理模块；生产过程控制模块等。 本系统的实施，可以把生产管理人员从繁重的手工作业解脱出来，利用可视化界 面的直观性，可以提高生产计划实旌与控制的水平，降低信息传递的时间和误差，从 而提升企业的竞争力。 本文研究了基于m e s 的车间生产调度系统开发的整个过程，也可为其他基于 m e s 的研究做一些铺垫。 关键词：生产调度系统；制造企业；m e s ；系统开发 沈阳工业大学硕士学位论文 s t u d y o np r o d u c t i o ns c h e d u l i n g s y s t e m o f m a n u f a c t u r i n g w o r k s h o p b a s e do nm e s a b s t r a c t p r o d u c t i o ns c h e d u l i n gs y s t e mi sac o m p r e h e n s i v ef u n c t i o n a ld e p a r t m e n ta n di t sa l s o t h ep r o d u c t i o nc o m m a n dc e n t e ro ft h ee n t e r p r i s eb e c a u s ei tc o n t r o l sa n dc o o r d i n a t e se a c h p r o c e s sa n dt a c h eo ft h ep r o d u c t i o na c t i v i t i e s i nt h ep r o d u c t i o ns c h e d u l i n gs y s t e mo f t r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s ep l a n n i n g ，c o n t r o l l i n ga n ds c h e d u l i n gc a r l tr e a l i z et h e w h o l e o p t i m i z a t i o n i ta l s ob r i n g so u tm a n yp r o b l e m ss u c ha st h ep l a nl a y e ri sl a c ko f t h e n e c e s s a r yc u r r e n ti n f o r m a t i o nd u r i n gt h ep r o c e s so fs c h e d u l i n ga n dt h ec o n t r o l l i n gl a y e r c a nn o ts e n dt h eo u t p l a no rw i n d a g ei n f o r m a t i o nt h a tm a yw i l lt a k ep l a c eo rh a v et a k e n p l a c ed u r i n gp r o d u c t i o nt ot h ep l a nl a y e rt i m e l y m e sc a nb ed e f i n e da sam a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e ml i e sb e t w e e nt h et o pl a y e r o fp l a nm a n a g e m e n ts y s t e ma n dt h eb o t t o ml a y e ro fp r o d u c t i o nc o n t r o l l i n gw h i c hs e t t o w a r dt ot h e w o r k s h o p m e s b u i l tt h e c o m p u t e ra i d i n gw o r k s h o pm a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e ma i m e dt om a n a g et h ep r o d u c t i o nt a s kw h i c hc a l ld e a lw i t hp r o b l e m s m e n t i o n e da b o v e t h i sm i so nt h eo n eh a n dc o n v e r t st h ep l a ni n f o r m a t i o nc o m ef r o m p l a n m a n a g e m e n ts y s t e mo f t h ee n t e r p r i s ei n t ot h ei n s t r u c t i o na n dt h e ns e n di tt ot h ep r o d u c t i o n p r o c e s sc o n t r o l l i n gs y s t e m ，o nt h eo t h e rh a n di t c a na c q u i r et h ec u r r e n ti n f o r m a t i o nf r o m t h es p o tp r o d u c t i o np r o c e s sc o n t r o l l i n gs y s t e ma n dt h e ns e n dt h i st o p l a nm a n a g e m e n t s y s t e m a l t h o u g hm e sp o s s e s st h e s ef u n c t i o n s ，s t u d i e so nm e sm a i n l yf o c u so nt h et h e o r y ， c o n s i d e r i n go nt h i ss i t u a t i o n ，t h i st a s kr e a l i z e dm e st h r o u g hd e v e l o p i n gt h ep r o d u c t i o n s c h e d u l i n gs y s t e m o ff i r s t w o r k s h o p o f s h e n y a n gh e a v y m a c h i n e m a n u f a c t u r i n g c o r p o r a t i o nb yu s i n gv ba n ds e r v e r2 0 0 0 t h i sw o r k s h o pp r o d u c t i o ns c h e d u l i n gs y s t e m b a s e do nm e s m a i n l yi n c l u d e ss t r u c t u r eo ft h es y s t e m ；t h ef u n c t i o nd e s i g n ；t h ec h o i c eo f s y s t e md e v e l o p i n gs u r r o u n d i n g ，t o o la n ds y s t e ms t r u c t u r e t h ef i n a ld i s p l a yr e s u l t si n c l u d e ， 望璺王些查竺竺：! ：兰竺堡兰 p r o d u c t i o ns c h e d u l i n gm a n a g e m e n tm o d u l e ；p r o d u c t i o np r o c e s sc o n t r o l l i n gm o d u l e b y u s i n gt h i ss y s t e mi tc a nd i s e n g a g e t h ep r o d u c t i o nm a n a g e m e n t p e r s o n n e lf r o mb u r d e n s o m e h a n d w o r kt a s k u s i n gt h ei n t u i t i o n i s t i co ft h ec o m p u t e rv i e wi n t e r f a c e ，t h e p r a c t i c ea n d c o n t r o l l i n go ft h ep r o d u c t i o np l a nm a yb ei n c r e a s e da l s ot h et i m ea n do fi n f o r m a t i o n s e n d i n g e r r o rc a nb ed e c r e a s e d t h u se n h a n c e st h e c o m p e t i t i v es t r e n g t ho f t h ee n t e r p r i s e t h es t u d yo nw o r k s h o pp r o d u c t i o ns c h e d u l i n g s y s t e mb a s e do r lm e si nt h ep a p e r i n v o l v e dt h ew h o l ed e v e l o p m e n tp r o c e s sa n da l s oc a nd os o m em a t t i n gt o o t h e rs t u d v b a s e do n m e s k e yw o r d s ：p r o d u c t i o ns c h e d u l i n gs y s t e m ；m a n u f a c t u r i n g e n t e r p r i s e ；m e s ；s y s t e m d e v e l o p m e n t 一3 沈阳工业大学硕士学位论文 1 结论 1 1 现代生产管理技术的发展概况 随着全球经济一体化步伐的加快，世界范围内的市场竞争日趋激烈。面对市场环境 的瞬息万变，企业要想在国内外的市场竞争中立于不败之地，就必须采用各种先进的技 术手段，就必须采用先进的生产运作和管理模式，就必须对客户和市场的要求做出快速 及时的响应，按市场的要求实现低成本、高质量、短交货期地把产品交付到客户手中l 。 企业的主要活动是生产。生产管理是企业管理中最重要的部分，而生产管理的大部分工 作最终要落实到车间，因此必须加强对车间生产的管理和控制，从而提高企业的竞争力。 自二战以来，生产管理理论与技术得到的极大的发展【2 】。二十世纪6 0 年代初，随着 计算机技术的发展，物料需求计划m r p ( m a t e r i a lr e q u i r e m e n tp l a n n i n g ) 首先在美国发 展起来。i v l r p 使用物料清单b o m ( b i l lo f m a t e r i a l ) ，对系统的最终产品需求展开为对 零部件和原材料的需求。在考虑现有库存和生产提前期的前提下，下达制造或采购计划。 之后，在增加了能力平衡、成本核算、帐务管理、订货管理等后，m r p 发展为对企业制 造资源进行全面管理的伟造资源计划( m r p i i ) 。二十世纪9 0 年代后，m r pi l l 经过进一 步发展完善，形成了目前的企业资源计划( e r p ) 系统。与m r p i i 相比，e r p 除了包 括和加强m r _ p i i 的各种功能之外，更加面向全球市场；管理覆盖而更宽，并涉及了企业 供应链管理，从企业全局角度进行经营与生产计划，是制造企业综合的集成经营系统。 从理论体系上来看，m r p 、m r p i i 和e r p 是一脉相承的，其核心思想是闭环m r p 。 目前国内应用最广泛的生产管理系统是m r p i i 系统1 3 j 。m r p i i 的基本思想是围绕物 料转化组织制造资源，实现按需求准时生产。通过产品出产的时间和数量计划，根据工 序反推出所有零件的投入产出时间和数量，进而确定对制造资源( 机器设备、工具、工 装、人力、资金等) 所需的时间和数量，由此围绕物料的转化组织制造资源，实现准时 生产。但 心i i 的生产方式也存在一些明显的问题，例如：不确定的产品结构的引入； 陈旧的工时定额数据；不合实际的提前期定义：缺乏来自生产现场的反馈而导致计划的 不准确。因此在实际应用过种中，存在在制品的库存量过多，造成管理混乱和资金占用 过多的问题。即使后来m r p i i 系统扩展形成的e i 冲系统，也没有解决如何获得准确的生 浇阳工业大学硕 j 学位论文 产计划和实时的生产控制的问题。 m r p i u e r p 系统的一个最重要的发展就是一些先进的生产管理与控制技术不断地被 加入进来，这些新技术的融入克服了m r p 固有的一些缺陷，为管理软件注入了一股强大 的活力。这些技术从不同的角度解决了不同类型生产企业存在的一些问题，在解决企业 生产经营管理问题上具有各自的优势，因此，将这些思想引入软件系统很有必要。 基于m r p 、m r p j i t 相结合或m r p o p t 相结合的管理软件是目前开发最多，也是 应用最广泛的生产管理系统：除此以外，敏捷制造、成组技术、有限能力计划等 也是目前被广泛引入到生产管理系统中的一些热点技术1 2 i 。 ( 1 ) 准时制生产技术j i t 。二十世纪7 0 年代末，日本丰田公司创造了一种以消除制 造过程中的一切浪费为宗旨的准时制生产j r r 。j i t 的核心是适时、适量生产，其基本思 想是“只在需要的时候；生产需要的数量”。j i t 生产方式力图通过“彻底排除浪费”未 实现最大利润目标。为了排除浪费，j i t 相应地产生了适时。适量生产、弹性配置作业人 数以及保证质量等基本方法。实行j i t 生产模式必须满足以下条件：生产计划平稳、减 少调整准备时间、提高工人素质。生产车间重新布局、准时采购、消除原材料和外构件 的库存、加强质量管理、消除废品。目前中国企业实现j i t 模式生产缺乏很多的基础条 件。 ( 2 ) 优化生产技术o p t 。2 0 世纪7 0 年代末出现的优化生产技术o p t ( o p t i m i z e d p r o d u c t i o nt e c h n o l o g y ，o p t ) 。o p t 的主要处理逻辑是分清主次，找到“瓶颈”工序， 并使“瓶颈”上的资源得到充分利用，同时安排好非“瓶颈”工序的资源配置，使之能 与“瓶颈”工序生产率保持同步，将在制品积压减少到最低程度。o p t 技术在面向订单 生产的情况下，对于多品种、小批量生产方式的生产计划制定有很大的指导意义。但是 它也有相当的局限性，只能用在一些工序较少的生产场合。 l3 ) 敏捷制造。敏捷制造代表着2 l 世纪制造业的发展方向，敏捷性由可重构 ( r e c o n l i g u r a b l e ) 、可重用( r e u s a b l e ) 和可扩充( s c a l a b l e ) 共同构成，它是企业驾驭 变化能力的反映。敏捷制造的关键在于制造资源的快速有效集成，这离不开先进信息技 术的支持。具体包括：对先进制造技术的支持；对组织创新的支持：市场信息的获得和 合作伙伴的搜寻：虚拟企业的组建及其成员之间的远程信息交互；对具体制造活动的指 沈阳t 业人学硕士学位论文 挥、调度与控制等。采用先进信息技术是实现制造资源快速有效集成的先决条件，因此， 实行有效的信息管理就更为重要。确切地说，就是要为制造资源集成过程中的各种决策 活动提供实用、准确、及时和适量的信息。要傲到这一点，就必须用新的思路来设计管 理信息系统，如跨组织的信息系统、群决策支持系统和群体软件系统等。 ( 4 ) 成组技术。成组技术是将设计和制造工艺上相似的各种零件和产品归并成组， 以便提高生产效率【4 j 。通过在m r p i i e r p 系统中运用成组技术，可以缩短产品的提前期， 在计划时间内使各有关周期大为缩短，同时将会减少物料的处理时问，简化物流，减少 准备时问和零部件库存量，车间管理工作也会比较方便。具体地说，成组技术在 m r p i u e r p 系统中的作用包括；提供系统化方式在可能的地方根据产品或零部件的相似 性和一致性对物料进行分类和编码，这些相似的产品或零部件可以存储在系统内，并可 被反复使用。提供快速的搜索工具，根据查询条件检索出需要的产品或零部件。 ( 5 ) 有限能力计划。有限能力计划( f c s ) 是当前谈论的热门话题。与传统的无限 能力相比，f c s 在实际能力约束条件下模拟车间作业的实际流动过程，产生一个更现实 的计划，对m r p 的计划进行跟踪和控制。同时它也是m r p 闭环生产控制中的一个重要 环节，使用f c s 能快速反映制造信息，更有效地承诺交货时闯并按时交货。 2 0 世纪8 0 年代后期，全球市场竞争更加激烈，上层计划管理系统( e r p ) 受市场影 响越来越大，计划的适应性问题愈来愈突出，明显感到计划跟不上变化，企业的决策者 逐渐认识到计划的制定和执行要依赖于市场和实际作业执行状态，而不能完全以物料和 库存回报来控制生产。解决生产计划适应性以及增加底层生产过程的信息流动，提高计 划的实时性和灵活性，已经成为一个重要的研究课题。为解决这个问题， 美国先进制造研究机构a m r ( a d v a n c e d m a n u f a c t u r i n g r e s e a r c h ，a m r ) 提出了“现代制 造执行系统”( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i v es y s t e m ，m e s ) 1 5 ，重点解决车间生产f = q 题。i v i e s 是针对m r p i i 在生产管理方面的限制和不足而产生的，是m r p i i 的必要补充。m e s 和 m _ r p i i 是相互依存的，两者并不矛盾。m e s 为m r p i i 的应用提供强有力的支持和功能补 充，如何将m e s 与m r p i i 集功能于一体成为m e s 成功的关键，而且为m e s 提供了一 次延伸和提高m r p 系统功能的机会。 沈阳工业丈学硕士学位论文 1 2 车问生产调度概述 1 2 1 车间生产调度问题的描述 简单来说，车间调度问题可以描述为；1 3 个工件在m 台机器上加工，一个工件分为k 道工序，每道工序可以在若干台机器上加工9 。每一台机器在每个时刻只能加工某个工 件的某道工序，只能在上道工序加工完成后才能开始下一道工序的加工，前者称为占用 约束，后者称为顺序约束。由此可见，生产调度就是对一个可用的加工机床集在时间进 行加工任务集分配，以满足一个性能指标集。典型的车间生产调度问题包括一个要完成 的作业集，每个作业由一个操作集组成，各操作的完成需要占用机床或其它资源，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操作，并且在不同机 床上能加工的操作集可以不同。在约束条件下，调度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，同时优化一些性能指标。 在实际车间生产调度中，般需要考虑两个方面的问题，一是生产作业的下达与 调度，二是生产资源的分配。目前大部分研究集中在生产作业调度上，没有考虑资源分 配，而将资源作为约束处理1 7 j 。 1 2 2 车间生产调度的分类及特点 ( 1 ) 分类。根据加工系统的复杂度，可分为单机、多台并行机、流水车间( f l o w - s h o p ) 与单件车间( j o b s h o p ) ；根据性能指标，可分为基于调度费用指标和调度性能两大类型； 根据加工作业特点，又可分为静态调度与动态调度【8 】。 单件车间是指每个零件都有其独特的加工路线，流水车间是指所有的零件加工路 线相同。实际中，车间生产调度的类型大多是单件车间类型，并且是动态的。 ( 2 ) 特点 1 ) 复杂性。是生产因素的多样与复杂，二是车间生产调度问题是在等式或不等式 约束下优化某些性能指标，在计算量上往往是n p 完全问题，因此，在求解车间 调度问题上，一些常规的优化方法无能为力。 2 ) 动态随机性。生产中会出现设备故障、急件插入、人员误操作等不可预见。实际 工件的加工时间也有一定的随机性。而且系统中常有突发偶然事件，如机器出故障、作 业交货期的改变等。因素，生产调度需要根据生产情况作出动态调整。 沈阳工业大学硕士学位论文 3 ) 多目标。车间生产调度往往是多目标的，可分为基于作业交货期的目标、基于作 业完成时间的目标、基于生产成本的目标。 4 ) 约束性。车间调度问题中资源的数量、缓存的容量、工件到期时间以及工件的操 作顺序等都是约束。此外还有一些人为的因素，如要求各机器上的负荷要平衡等。 1 2 3 车间生产调度的研究现状 针对车间调度的问题，早在1 9 5 4 年，j o h n s o n 就对两台机床的f l o ws h o p 型调度问 题进行了研究，其后人有开始了对生产调度问题广泛研究。在研究方法上，最初是集中 在整数规划、多目标优化、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，并且求最优解时间是随问题规模 呈指数倍增长的n p - h a r d 型，因此只能对小规模的系统求解1 9 - ”】。近年来，随着各种新的 相关学科与t , 尤4 9 技术的建立与发展，出现了许多新的优化方法，如神经网络、遗传算法、 基于知识的方法、基于离散事件系f 竞( d e d s ) 的解析模型和方法等。值得关注的是，人们 将这些优化方法有机地结合起来，如遗传算法与调度规则、仿真与基于知识的方法等相 结合，产生了良好的应用前景。 在这一方面，我国在“八五”期间一些高校和研究机构如清华大学、上海交通大 学、西安交通大学、北京机械工业自动化研究所等进行有关生产调度问题的研究，并 己开发出相应的计算机辅助生产调度与管理系统，逐步从理论研究阶段走向应用阶 段。 1 3 课题研究的背景及主要内容 沈阳重型机械集团有限责任公司( 原沈阳重型机器厂) 始建于1 9 3 7 年，是新中国成 立后建立的第一个重型机器厂，被誉为中国重型机械工业的“摇篮”，是国家机械行业大 型骨干企业之一。本课题是与该公司合作，结合机械加工车间的生产实际而进行的。 该公司目前存在的问题是上层计划部门与下层各分厂间信息交流不畅，分厂信息不 能及时反馈到上层计划和调度部门，对生产过程中出现的扰动现象，不能及时解决；另 外各种产品标准、工艺规划、工票等数据由人工管理，手工翻阅，既影响生产的步调又 不利于提高生产效率和管理水平。对设备陈旧，信息化程度低的重型厂来说，利用制造 执行系统( m e s ) 的指导思想建立车间生产调度系统能够很好的解决上述所存在问题。 沈阳工业大学硕士学位论文 本文所要研究的主要内容如下： ( 1 ) m r p i i 、m e s 及车间控制层之间的相互关系。基于咀上问题，制造执行系统 - - m e s ( m a n u f a c t u r i n g e x e c u t i o ns y s t e m ) 应势而出。m e s 位于上层计划管理系统与底 层工业控制之间、面向制造企业的车间层，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、客户需求等方面) 的当前状态信息，从而在计划管 理层与底层控制之间架起了一座桥梁。 ( 2 ) m e s 核心功能及生产调度子功能问题的研究。制造执行系统( m e g ) 所 要研究的内容很多，其核心是车间级的计划调度编制与优化，概括起来主要有：开 发与m r p i i e r p 的信息接口( 如：接受定单、图纸、生产计划、返回加工进度、人员、 设备状况、能力平衡图等) ：开发生产单元作业计划编制与优化，以及生产调度系统； 开发机床数据( 如：机动时间、主轴转速等) 的自动采集技术和工况数据( 如：物流、废品、 进度等) 的实时采集系统等等。 ( 3 ) 沈重车间生产调度问题研究，并最终开发出切合实际的车间生产调度系统。 从生产调度对企业的意义出入手，通过分析车间生产情况，最终所要开发的系统框架 主要包括基础信息管理和生产调度子系统两大模块。其中基础信息管理包括设备、工 艺、产品零件等子模块：而生产调度子系统包括作业计划管理、生产调度、过程控制 等子模块。 1 4 本章小结 本章介绍了现代生产管理发展的主要特点，揭示了现代生产技术的应用对于传统生 产方式的影响。接着又对车间生产调度问题进行了概述，给初了车间生产调度的定义， 分类，特点以及研究现状，最后指出了本文研究背景和所要研究的主要内容。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 企业中生产调度系统的功能及生产调度优化方法 2 1 企业中生产调度系统的功能 企业中生产调度系统的功能的主要内容包括： ( 1 ) 生产调度系统的任务。企业的生产活动是按照生产计划进行的，生产计划的制 定要考虑企业内部的生产能力和环境、外部市场的情况以及企业长期发展目标等因素1 挖】。 但生产计划的实施要调度系统来完成，即对生产过程进行平衡和控制，并及时调整偏差。 生产调度是在满足装置设备和工艺要求条件下，根据市场的需求，合理地、最佳地安排 与组织生产过程，以提高过程系统的操作最优性，为企业带来显著的经济效益，这就是 生产调度的任务。 ( 2 ) 生产调度的目标。调度目标包括两大类：一类基于经济指标；另一类基于性能 指标。一般来说，在多层次的调度结构中，前者应用于高层，而后者应用于低层。基干 经济指标的调度目标主要包括生产总的装置切换费用最小、总体生产费用最小、生产利 润最大等。基于性能指标的调度目标主要包括：生产周期最短、产品的平均延误时间最 小等。 ( 3 ) 生产调度的方式。从生产调度来看，它的任务是把管理层制定的长期计划，分 解为短期计划，如五日计划或双日滚动计划，日计划或班组计划，以便于监督和执行。 目前，我国企业中大多还是依靠人工方式进行调度。但随着计算机及计算机网络引进企 业，种基于信息集成而发展起来的调度优化正在兴起，一般可以分为两种方式：其一 是离线调度优化，即根据各种有关信息，对调度模型进行优化计划，得出调度指令立即 在计算机上显示，然后由调度人员来决定是否采纳并进行执行：其二是在线调度优化， 这是一种全新的调度方式，当经过人机交互进行修改、确认计算出来的调度指令便自动 下达到监控层予以执行。显然，后者对调度模型的准确性，调度优化算法的鲁棒性、快 速性都有严格的要求，是目前研究的热点。 ( 4 ) 生产调度系统的功能。生产调度系统是一个综合的职能部门，它是企业的主产 指挥中心和经营协调中心，代表企业领导对企业生产经营活动进行全面指挥和协调1 1 3 】。 它比企业中的其它科室更全面、更及时地掌握企业中的产、供、销、运等各个方面的情 沈阳工业人学硕。】：学位论文 况，对生产、经营活动中的各工序、各环节进行系统地控制与协调，是企业领导的助理 和参谋。 2 - 2 生产作业调度与控制 生产作业调度与控制的目标是通过对制造过程中物料流的合理计划、调度与控制， 缩短产品的制造周期，减少在制品，降低库存，提高生产资源的利用率。 在制造系统中，零件在系统中的“通过时间”( 称l e a dt i m e ) 主要由四部分组成： 加工准备时间( s e t u pt i m e ) 、加工时间( p r o c e s st i m e ) 、排队时间( q u e u et i m e ) 和运输时 间( t r a n s f e rt i m e ) 。零件在系统中大量无效的通过时间是导致库存增加，从而引起生产效 益降低的根本原因之一。生产作业调度与控制的主要目标就是减少这部分非加工时间。 根据生产与市场需求情况，生产计划一般可分为年度、季度、月、旬或周生产计划。 在此基础上，根据各种资源的实时状态数据，制订工序级生产作业计划，该计划将确定 规定的计划期内各种制造设备的具体使用情况，每日班内加工的零件种类及数量等。生 产调度是在生产作业计划的基础上确定生产任务的加工顺序以及各种制造资源的实时动 态调度。 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间 移动，生产作业排序通过决定工件自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生产计划方法。一般将车间生产能力 分为无限负荷或有限负荷。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的计划。生产作业可以分为前向排序、后 向排序 1 4 , 1 5 】。前向排序是指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，前向排序系统能够指示订单完工的盛早日期。相反，后向排序是从未来的某个日 期开始，按从后向前的顺序对所需的生产作业进行排序，后向排序可以指示要按规定日 起完成生产任务，一个作业必须开始的最晚时问。 制造企业生产调度和控制的基本顺序是： ( 1 ) 分配订单、设备及人员到各工作中心； 沈m 工业大学硕士学位论义 ( 2 ) 决定订单顺序即建立订单优先级； ( 3 ) 对已排序作业开始安排生产，即生产调度； ( 4 ) 车间生产作业控制，即在生产作业过程中，检查其状态和控制生产作业的速度。 生产作业控制分析： 上述的生产计划与生产调度都只是为系统内物料的流动做出计划，计划时期望系统 能运行在最优或近忧状态，但实际系统中总会出现各种随机扰动，从而使系统的实际状 态与期望状态之间产生偏差。造成这些偏差的原因包括： 对未来生产活动的预测方法不完善； 生产计划是按照不准确的预测值制订的： 制订工艺规划、日程计划是按标准值来计算的，与实际情况有差别： 在生产过程中，出现随机扰动，如加工设备故障； 原材料或其它生产要素短缺； 出现不合格品。 生产作业控制的目标就是校正系统状态的偏差，使物料流动和资源利用等尽可能与 生产计划与调度所期望状况相吻合。生产作业控制的过程由系统实时状态数据采集、数 据分析与决策支持组成。它根据系统实时状态对生产活动进行再调度( r e s c h e d u l i n g ) ， 再调度虽然与前述的生产调度在调度策略、目标等方面有相似之处，但再调度的重点是 有偏差的生产任务。 2 3 车间生产调度问题优化方法 虽然对车间调度问题的研究己经有几十年的历史，提出了一大批调度方法，但至今 尚未形成一套系统的理论与方法”】，己有方法可归结为优化调度方法和启发式方法两 大类。 优化调度方法通过精确求解解析模型获得最优解，或通过近似求解获得次优解。优 化方法从全局的角度出发，在所有的装置、操作任务和感兴趣的时间段内进厅搜索，能 够得到优化解。优化方法建立在数学规戈4 基础上，尽管数学规划方法比较成熟，僵只能 有效地解决小规模优化问题，对于复杂的大规模生产调度问题。随着装置数和任务数的 增加，感兴趣时间段的增长，其解析模型的状况进行调度，保证了局部最优，但难以保 沈阳工业大学硕士学位论文 证全局最优 1 8 - 2 t 1 。 ( 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、割平面法和0 - - 1 整数规划法进行求解田1 。这类方法从理论上能求得最优解， 这种方法通常用于单件车间均衡生产调度问题的求解。 典型的排序问题可以描述为：设有m 台生产能力相同或相近的设各，n 个不同零件 在这m 台设备均可实现相应工序的加工，零件到达车间的时间能满足排序要求，即加工 过程中不存在设备等待零件加工的情况，加工中不允许中断。这种作业条件下，提出两 种不同的优化目标： 1 ) 使最长流程时间f m 。最短。 2 ) 使平均流程时间f 最短。 下面针对两种不同的优化目标的求解方法予以详述。 使最长流程时间f 。最短： 该问题可以通过0 - - 1 整数规划法求解。以) ( i 。表示0 - - 1 整数变量，当零件i 分配给 设备m j 加工时，x i j = l ，否则x i j = 0 。由于一个零件同一时间只能分配给一台设备 加工，因此 t f l ，i 一f ( 2 1 ) 又由于最长流程时间f 。不可能小于任何一台机器上的总加工时间，所以： f m a x 只j l ，2 ，m ( 2 2 ) 忙i 其中，p 是零件i 的加工时间。 这样，问题可以描述为：m i n f 。a ；满足f 。只 - 0 ，j = l ，2 ， m 且有 x y = l j = 】2 ， ，胛，肖u = 1 或x u = 0 ( 2 3 ) j = 】 沈阳工业大学硕士学位论文 由于求解0 1 整数规划计算量大，虽能得到最有解，但不易求解大规模的实际问题， 因此使用启发式方法来求解使f 。最短会更有效。 使平均流程时间f 最短： 平均流程时间最短问题，实际上是总流程时间最短问题，可以通过以下算法解决： 当任何一台设备加工完一个零件时，将余下零件中加工时间最短的零件分配给该设 备加工。 ( 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，再对此目 标函数在多目标的约束集合上求最优解，也可以选择一个优化目标作为主要目标，而将 其它目标作为约束处理，转化为一个新约束条件下，求主要的单目标的最优化问题f 2 3 1 。 多目标优化能体现不同目标的重要程度，但它通常只能寻找满足约束条件的满意解。 ( 3 ) 动态规划。由于车间生产过程的动态性，系统运行中任何约束条件的改变，都 可能使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，使整个过程的总效果达到最优。动态规划将求解问题分解成多阶段进行，使 复杂问题简化，递推求解过程中可以利用实际经验，提高求解效率。但动态变量必须满 足无后效性，使其中不仅依赖状态转移规律，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。 ( 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。正中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。 ( 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。它克服数学规划与仿真方法的不足，能根据系统 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。 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 6 ) 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口“。启发式算法主要有三种： 1 ) 优先调度法则。优先规则是按照时间进程逐次为每台设备安排一个加工对象时， 按照某种优先规则或几种优先规则的组合，从候选的等待作业中选取优先级最高的作业 安排加工的方法。优先规则可根据不同的优化目标制定，不受零件数量，工序与工艺路 线的限制，因此应用也较为广泛。 2 ) 随机抽样法。用穷举法和分枝定界法，考虑了全部能动作业。而采用优先调度规 则方法，实际上只选择了一种作业排序。随机抽样法是介于两者之间的一种方法，它从 全部能动的作业排序中集中抽样，得出多个排序方案，经过比较，从中选优。随机抽样 法实际上是对一个问题多次运用r a n d o m 优先规则，从而获得多个排序方案，它不一定 能得到最优解，但计算量比穷举法或分枝定界法小，又比优先调度规则法只取一个子样 的方法所得的结果要好。其效果与样本大小有关，样本越多，获得较好解的可能性越大， 但花费的时间也越长。 3 ) 概率调度法。随机抽样法实际上是从k 个可供选择的工序中以等概率的方法挑一 1 道工序，每道工序挑选的概率为，这种方法没有考虑不同工序的特点。由于优先度规 庀 则中一些规则对一定的目标函数的效果较好，因此，可以对不同的工序，按某一优先调 度规则分配不同的挑选概率，这样得到的结果会比随机抽样法更有效。 ( 7 ) 其他算法 1 ) 模拟退火法。拟退火法适合求解大规模优化问题，当优化问题有很多局部极值又 很难求出时，模拟退火法尤其有效。模拟退火法的核心思想类似于金属的退火方式。以 往处理问题的方式都是从初始点开始，沿下降的方向前进，走得越远越好，以期求得问 题的最优解。但是，正如金属的冷却过程，所有缓慢冷却的系统都可以自然达到最低能 量状态，而如果某种液体金属被迅速冷却，那么它只能到具有较高能量的非结晶状态。 传统的求解方式往往只能求得局部极小值点，而不能达到全局最优。模拟退火法每次使 参数t ( 类似于温度) 下降一个幅度，对解进行一定次数的调整，如果某次调整使目标函数 沈阳工业入学碗o ：学位论文 e ( 类似于能量) 下降，则接受它。 2 ) 遗传算法简称o a ( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 。它最早是由b 划e yj d 在1 9 6 7 年提 出的 2 5 1 。遗传算法模拟生物自然选择过程，对解进行类似于基因重组与突变的调整，保 留其中最好的解，进行下一轮调整、选优。其优点是避免了求解过程停留在局部优 解上。 当需要加工多个工件，所有工件的加工路线都相同，都需要依次通过几道工序，在 所有工序中至少有一个工序存在着多台并行机器，需要解决的问题是确定并行机器的分 配情况以及同一台机器上工件的加工排序，目标是最大流程时间最短。基于遗传 算法的求解方法如下： 初始种群的产生。编码矩阵产生在应用遗传算法进行求解时，首先要对所要优化 问题的解进行编码，编码的目的主要是使忧化问题解的表现形式适合于遗传算法中的遗 传运算。 假设要加工w 个工件，每个工件都要依次经过s 个加工工序，每个工序的并行机器 数为m ，1 s i s 。所有工序中至少有一个工序存在并行机，即至少有一个m 。 大于l 。下面构造一个s x w 维的随机矩阵： ( 2 ，4 ) 其中，矩阵的元素为区间( 1 ，m i + 1 ) 上的一个随机实数，表示工件j 的第i 个 工序在第i n t ( a i j ) 台并行机上加工，其中函数i n t ( x ) 表示对实数x 取整。显然，可能会出 现i n t ( a i j ) = i n t ( a a , ) d k ，表明多个工件在同一台机器上加工同一个工序。这时，假如是第一 个工序( i = 1 ) ，则按照a l 。的升序来加工工件。假如不是第一道工序( i 1 ) ，贝u 根据 每个工件的前一个工序的完成时间来确定其加工顺序，前一个工序先完 成的先加工，假如完成时间相同，则也按照的升序来加工。 染色体表示方法。根据前面的编码矩阵可以确定染色体，染色体由s 个小段组成， 1llllj ；| 细q 略 。，l = 瓢 4 沈阳工业天学硬i 。学位论文 每个小段包括n 个基因，即由随机矩阵的每一行组成一个小段，小段之间用标识符0 隔开，表示不同的工序，因此染色体的长度为s w + w | 。染色体可表示为： i n t d 产 a l ，a a l w ，0 ，a 2 卜a 2 w 0 ，0 ，a s l ，a s 2 ，a s n ( 2 5 ) 假如对于3 个工件，4 道工序，各工序的并行机器数分别为3 ，2 ，2 ，3 ，按照工序 顺序对机器进行编号，即第一道工序有机器1 到机器3 ，第二道工序为机器4 ，机 器5 ，依次类推。假设产生如下的随机矩阵： a = 对矩阵的各元素分别取整，并根据前面各工序上的并行机编号规则，可得到各工件 与机器的对应关系：矩阵的第1 列的4 个元素分别表示工件1 的第一个工序在机器 1 上加工，第二个工序在第二个