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车间生产管理系统模型研究 柳州长虹机器制造公司545012 叶何文摘要 介绍机械加工及装配车间面向任务生产管理运行模式。应用Multi-Agent技术理论，详细讨论研究车间各个Agent间的管理协调模型的建立及其运行机制，车间整体生产职能正是通过该机制而实现。关键词：车间 Multi-Agent 生产管理模型 协调机制 Abstract. In this study, the paper introduces a model of production management facing task in machining and assembling workshop. Applying Multi-Agent theory, this paper discusses, studies a model being created for the shop floor management, coordination and performance rule between the Agents in detail, the whole shop floors productive functions come true via the coordination and performance rule. Key words: shop floor; Multi-Agent; production management model; coordination rule1. 需求的提出车间是一个制造企业的重要组成部分，企业能否对快速变化的市场需求作出适当的反应，主要通过车间执行能力来体现。车间生产管理强调的应该就是实现优质、高效、低耗、灵活的生产，它的最终目的是提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力，使企业在新世纪的竞争中更好地生存和实现可持续发展。决定企业竞争力的主要因素是产品质量、成本和交货的及时性，而这些都是由生产计划与管理工作来保证的。为了加强生产计划与管理，近年来国内许多企业投巨资引入了CIMS、MRPII、ERP、JIT、OPT等先进的管理系统作为解决方案，然而，绝大部分的企业由于资金、应用条件差等原因，仍然采用传统的生产管理模式。任务完成的效率主要靠计划编制人员的工作经验和对车间具体生产情况了解、掌握的程度，同时依靠调度人员对生产进度的控制效果，工作中没有一个能真实反映车间生产能力、作业排序和进度控制的车间生产管理系统模型可应用。人力资源的利用、设备能力的平衡、库存控制、零件生产配套及作业排序一直没有得到较好的解决。生产管控人员时常忙于事务处理，疲于应付各种不测事件，没有精力抓好生产关键，车间经常出现月尾加班加点赶进度的情形。这主要是信息管理效率低下的问题。那么，车间在没有应用先进的生产管理系统软件时，是否能在新的形势下搞好生产呢？我们认为是完全可以的。车间生产管理效率的高低主要取决于生产活动模型建立的全面和准确，在这基础之下的各个部门（Agent）职能的描述和执行。在符合车间实际的生产管理理论指导下，依靠人的智慧和高素质将生产工作搞好，这是在任何情况下都是重要的。所以对车间生产管理系统在新形势下的应用研究有其现实的意义和迫切的要求。2. 车间生产活动模型的建立车间生产主要是接到上级部门下达的主生产计划任务或自己争取到的外协任务后，组织车间内部的生产活动，即生产任务的接收、分派、协调控制及辅助环节的组织过程。车间生产效率的提高、成本降低的关键则在于合理的生产计划与调度。成功的管理取决于计划和反映实际情况的信息系统，以及我们对需求、库存状况、进度、质量水平、设备、人力资源等方面作出的反应等因素。所以，本文根据背景车间的实际情况，围绕车间的生产组织过程，特别是生产计划与调度过程，提出了一个粒度较粗的车间生产活动过程模型，如图1所示。工辅具管理物料准备工具申请 原材料技术Agent外协Agent协作状况外协请求状态数据技术文件 处置结果主生产计划或外协任务 单元Agent 零件库存 Agent 设备1查询任务Agent 设备2 班组1库存数据作业计划 资源管理 Agent状态数据 外协件 设备n 班组n 生产过程 Agent生产状态 代表信息流加工指令、在制品管理 成品库设备Agent 代表物流 图1 车间生产活动模型 车间是面向任务的，当收到主生产任务或外协任务后，首先进行任务分解、库存查询、在制品状况了解，并按一定规则初步核算生产能力，对于车间不能满足其加工需求的任务或定单，车间可通过委托协作车间加工，或者请求延长任务完成期限，或者退回。第二，根据相应工艺规划信息确定各子任务加工班组，预编制作业计划，确定各班组开工时间和任务完成入库日期，形成各班组加工负荷，重新核算各班组生产能力，最终确定车间作业计划。在核实物料、工辅具等条件具备后，调度按作业计划规定的任务以路线卡的形式分派到各班组。各班组长则将班组内承担的任务进行作业排序，落实到操作者和设备，并在班内进行作业调度。第三，在工作过程中，调度员要对任务的操作过程进行协调和控制，将生产状态数据向计划员反馈，计划员要对任务完成情况进行检查、反馈给车间生产主管，便于对任务进行实时管理。在生产计划、调度、物料准备及实施这条主线中，还贯穿着质量控制、制造资源的合理利用、生产状况数据的实时控制等活动。3. 基于Multi-Agent理论的车间生产管理在当前国内众多企业自动化程度低、管理落后、对市场的响应能力差的情况下，采用管理技术先行，适当借助计算机辅助生产管理，挖掘企业的潜力是很现实的，也是不加重企业负担的情况下，迅速提高企业竞争能力的有效途径。敏捷制造将是21世纪制造业主导性的生产模式。车间作为一个制造企业的重要组成部分，它对任务的快速反应能力对整个企业敏捷制造性起着重要的支撑作用。要实现它的敏捷性，车间必须具备集成车间内外各种资源来快速重组各个生产过程的能力。动态快速重组则能使一个敏捷的企业抓住那些稍纵易逝的市场商机。MAS（Multi-Agent system）系统具备开放性、自主性、异构性、互操作性和分布性等特点，在车间管理中引用这一理论是比较恰当的。根据一些车间功能实现的需要及车间内部资源的不同，车间管理系统有如下一些Agent：任务Agent、单元Agent、资源Agent、人力Agent、过程Agent、协作Agent、在制品管理Agent等，这些Agent对应着车间里的各种人员、组织、设备等角色。在这些Agent中，任务Agent对应着车间计划员，负责任务的接收、分解，并根据招标结果组织生产过程；单元Agent对应着不同的物理加工设备操作者、班组；新增加的资源Agent主要管理车间的各种物理资源；新增加的人力Agent管理车间内的人力资源；过程Agent对应着车间调度员，负责日常生产活动的管理；新增加的在制品管理Agent跟踪和管理车间的各种在制品；外协Agent对应车间外协调度员，负责本车间与外界的协作。车间也可根据具体情况（人数、任务种类等），决定哪些Agent的职能合并，例如任务Agent与人力Agent合并。本文主要研究的是车间在没有应用生产管理系统软件的情况下，如何在先进的MAS系统理论指导下将生产工作搞好，为此建立车间生产管理系统模型，见图2。外协物料外协Agent、人力Agent、资源Agent、过程Agent、技术Agent、在制品管理Agent等成品 主生产任务任务Agent单元Agent车间管理背景平台（Agent协作机制、活动程序、业绩评估、奖罚等） 图2 车间生产管理框架模型MAS系统采用招标机制对任务进行派发，招标机制是指任务Agent在接收到生产任务后，先将任务分解为各个子任务，并就这些子任务向一些或全部单元Agent招标。收到招标请求后，各单元Agent依据他们各自当前的加功能力决定是否对这些子任务的一个或多个投标，若决定投标，则向任务Agent报出相应价格和加工时间。任务Agent收到所有投标书后，根据加工成本尽可能小，总加工时间尽可能短的目标确定中标者。若没有投标，任务Agent则根据一定规则选定单元Agent。关于招标机制，在生产中我们采取由下道工序向上道工序模拟市场订货的形式初步确定任务完成的价格和交付日期，计划员再根据子任务完成的最终要求（成本和交付期限）进行适当的调整来达到目的，如图3所示。 加工班组1订货交付时间调整计划调度订货交付 时间 订货 加工班组n订货计划 装配班组 图3 模拟市场订货机制Multi-Agent理论将传统的第阶式管理控制方式改为并行扁平管理方式。主要是车间内部执行层资源并不预先规定那块只干什么而不干什么，所有资源均面向任务，而且是分布式的，方便进行快速重组，适应不断变更制造任务特点的需求。例如，一个单元Agent面对旧任务是10人和5台设备，当该任务完成后，面向新任务只需6人和3台设备，那么按一定规则重组形成一个新的单元Agent，其余人员和设备则进行另外任务的组合或进入车间人力资源Agent管理和设备资源Agent管理。4. 多Agent间协作模型与协作机制车间生产管理功能是通过所有Agent相互间合作与协调来实现的，因而协作模型的构建对于整个生产系统至关重要，如图4所示。该模型明确了Agent间相互协商与合作的具体内容，也说明了车间每个Agent的工作成效不断需要其余相关Agent的工作信息和响应别的Agent的查询、请求，互相之间有效沟通和执行工作指令，这样才能共同完成生产任务。 6协作Agent87 1技术Agent9542人力Agent过程Agent单元Agent任务Agent1314316在制品Agent11资源Agent151012 图4 车间管理系统中Agent间协作关系模型协作模型中：T指任务Agent，CA指协作Agent，P指过程Agent，C指单元Agent，TC指技术Agent，R指资源Agent，M指人力Agent，W指在制品Agent。模型中信息编号及Agent间协作机制解释说明：消息编号。所有CA（协作Agent）与T（任务Agent）之间信息交流均属此类编号。CA/T01：车间外协Agent向任务Agent反馈车间外协是否已受理及日期。CAT：指信息从CA通向T（以下说明省略）。CA/T02：委外任务完成数量、日期。CATT/CA01：向外单位任务协作请求。TCAT/CA02：要求外协任务完成期限。TCAT/CA03：外协任务进度查询。TCA：任务Agent 和过程Agent 之间信息、指令分类号。T/P01：作业计划下达到过程Agent。TPT/P02：任务计划变更通知。TPP/T01：过程任务完成通知。PTP/T02：因故障原因，过程退回完成不了的子任务。PTP/T03：设备使用状况信息。PT：任务Agent和资源Agent之间信息分类号。T/R01：上月生产完成情况登录入档。TRT/R02：物料准备计划（含原材料、刀具、量具、夹具等）。TRT/R03：物料准备情况处理意见。TRR/T01：物料准备情况报告。RTR/T02：设备检修计划通知。RT：任务Agent和技术Agent之间信息分类号。T/TC01：查询、需要技术文件（ 含物料清单、工艺规程、作业指导书等）。TTCTC/T01：技术文件准备好通知。TCT：单元Agent和技术Agent之间信息分类号。C/TC01：技术信息查询、解疑。CTCC/TC02：技术质量状况报告，请求处理。CTCTC/C01：加工方法、技术过程指导。TCCTC/C02：处置结果通知（含质量审理单、工艺通知单等）。TCC：协作Agent和技术Agent之间信息分类号。CA/TC01：外协件质量状况报告。CATCTC/CA01：处理结果通知。TCCA：任务Agent和单元Agent之间信息分类号。T/C01：子任务模拟市场招标通知。TCC/T01：子任务模拟市场订货交付期限报告。CTT/C02：子任务作业计划正式下达（含上、下游加工单元）。TCT/C03：子任务优先级、生产任务调整通知。TCT/C04：急件子任务下达通知。TCC/T02：设备故障通知。CTC/T03：材料没有准时到达通知。CTT/C05：任务调整计划通知。TCT/C06：不合格品补料计划请求。TC：任务Agent和人力Agent之间信息分类号。T/M01：各操作岗位派工计划。TMM/T01：各岗位操作人员安排计划。MTM/T02：车间内停工人员状况。MTM/T03：车间内人员补充计划。MT：过程Agent和人力Agent之间信息分类号。P/M01：过程内用人请求。PMM/P01：对过程用人请求的安排。MP：资源Agent和人力Agent之间信息分类号。M/R01：上月各类人员管理数据（出勤、承担的任务等）。MRM/R02：设备维修记录存档。MRR/M01：设备维修请求。RM：过程Agent和资源Agent之间信息分类号。P/R01：该项任务完成后过程解散，向资源Agent报告。PRR/P01：查询过程进展情况。RP：单元Agent和资源Agent之间信息分类号。C/R01：设备备件、维修请求。CRR/C01：设备维修、保养计划（不固定个人完成，由设备对应操作岗位执行）。RCR/C02：设备维护、保养执行查询。RCR/C03：设备检修计划通知。RCC/R02：加工中刀具破损或新任务引发刀具请求。CR：单元Agent和过程Agent之间信息分类号。C/P01：单元所承担的生产计划。CPP/C01：过程内各子任务开工时间的确定与调整。PCP/C02：加班通知。PC：任务Agent和在制品Agent之间信息分类号。T/W01：查询各在制品数量、质量状况。TWW/T01：现场生产状况的报告。WT：资源Agent和在制品Agent之间信息分类号。W/R01：成品入库通知。WRR/W01：物料准备到位通知。RW：单元Agent和在制品Agent之间信息分类号。C/W01：加工工序首检、完工报检。CWW/C01：加工首检、任务完工检验结果。WC另外，任务Agent与企业生产主管部门（MR）有如下信息往来：MR/T01：主生产计划下达。MRTT/MR01：任务完成情况报告。TMRT/MR02：任务请求调整（含延期、退回）。TMR技术Agent与企业技术主管部门（3C）有如下信息往来：3C/TC01：技术文件通知。3CTCTC/3C01：技术查询。TC3CTC/3C02：问题反馈请求解决。TC3C3C/TC02：问题处置结果通知。5. 生产计划与调度过程车间里的生产计划包括如下方面：人员安排，生产计划与调度，实际是过程Agent、单元Agent和任务Agent之间不断协调的过程。对于本车间接收到的任务，首先由任务Agent进行能力判断，在车间设备能力、人力许可的情况下，对任务进行分解，不能完成的任务则指定转包计划给协作Agent委外加工，或将任务退回。对于分解后的子任务，任务Agent按模拟市场订货机制方法确定任务完工期限，并将任务以作业计划方式下达给单元Agent。单元Agent根据子任务完工计划，调度内部设备和人员进行加工。在生产过程中，任务Agent还可根据上级生产指令变化、急件等情况，对生产计划进行调整。过程Agent也可根据车间生产执行情况和车间环境的变化对当日的生产计划进行调整。车间生产计划与调度还涉及到人力的安排问题。人力Agent根据任务Agent拟订的作业计划安排相应的加工人员。在出现人员缺勤、工伤等意外情况时，人力Agent还应及时做出调整，必要时安排加班计划。 图5 月生产能力与任务柱状关系图5.1 车间生产能力判断 车间能力判断包括两个方面：1. 生产能力判断。指在满足交货期的前提下，车间当前的空闲生产能力是否满足定单所要求的生产工时（工时定额）需要，车间空闲生产能力根据车间当前正在执行的生产计划算出。除此以外，还要考虑在各个子任务的待选设备中，存在大于参考的空闲时间段；2. 加工能力判断。指车间能否提供完成定单所需要的加工方法或要求的精度，或车间内的加工设备能否符合定单中工件的尺寸、加工精度的要求。对于加工能力的判断，借助于车间资源数据库中的加工能力数据，此数据库可以在Windows9x内Microsoft Access中建立，利用Microsoft Excel电子表格编制生产能力公式进行计算判断和用图表显示，例子见图5所示。加工能力数据包括三方面的内容：1. 车间资源加工方法种类；2. 各种加工方法所能达到的精度；3. 各台设备加工所能达到的加工范围。6. 车间管理运行背景管理制度构建车间生产管理是一项非常精心的管理过程，需要完善管理制度的支持。在车间生产越来越复杂，要求作出反应越来越快的今天，疏于管理制度的制订，对职工实行粗放管理，让管理缺乏力度，将会导致管理涣散，使车间工作陷入被动和失去活力。因此，在车间里要制订明确的管理岗位结构图，见图6所示。做到每位职工都能在车间管理树上找到自己的唯一的位置，而且每个岗位都有明确的岗位描述，目的使事事有人管，人人有事做。以车间经济责任制为运行支撑平台，对每位职工负责的工作以岗位描述的形式规定下来，包括职工之间协作方式和内容，详细请参看文献8。每半年对职工业绩进行评估，对于那些考评不符合要求的职工，提出改进意见和落实改进措施，限期改正，实在不符合岗位要求的及时进行调整。 车间主任 技术副主任 生产副主任 计划员 调度员 质量助理 技术室主任 计调室主任 经管室主任 机修室主任 资源管理员 各班长 在制品管理员 资料员 技术员 机修员 电修员 工人 保管员 图6 车间岗位图7. 展望多智能体Agent系统研究已成为当今最热门的课题之一，探讨基于Agent的管理思想如何应用于车间生产管理领域，尤其对于那些没有生产管理软件辅助管理车间的管理研究工作较少，本文在传统车间生产管理中如何应用新的管理理论方面做了一种有益的尝试，取得一定的效果。新的技术意味着新的机会和挑战，希望更多从事于车间生产管理工作的科技人员、管理人员根据实际情况，探索出一条真正适合本身生产实际的车间制造管理模式，提高生产效率，重要的是为企业将来引进CIMS、MRPII、ERP等先进企业管理软件系统作准备。 2000.08.28 参考文献1. 段广洪、钱立、王君英等.多智能体系统：一种新型的生产运行模式.中国机械工程，1998，9（2）：23272. 刘世平、饶运清、张洁、李培根.分布式车间管理控制系统