基于MES的造船企业车间作业调度系统研究_MES_管理信息化.doc

基于MES的造船企业车间作业调度系统研究_MES_管理信息化1 引 言 为实现中国船舶行业从“造船大国”向“造船强国”转型的发展战略，我国船舶企业积极响应“以信息化带动工业化”的战略决策，大力推进船舶企业信息化建设，全面提高企业信息化管理水平。目前在制定造船生产作业计划时，对造船构成活动的划分比较粗略，一般只是分到较大的节点或工艺阶段，没有具体划分到详细的工序，直接用于指导车间生产。同时，生产信息的反馈周期长，生产调度缺乏必要的现场信息，对于生产过程中所出现的各种随机扰动(设备故障或检修、插单和销单等)得不到及时有效的解决。尤其是造船企业产品品种多(成品油轮、集装箱船等)，变动性大，编制作业计划，调度的工作量大而复杂，从而导致生产过程中存在着许多问题，如生产过程稳定性差，缺乏柔性等。 本文以船舶行业为背景，提出了基于制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)的车间生产管理子系统。该系统通过对制造过程中车间层合理计划、调度与控制，缩短产品制造周期，减少在制品数量，降低库存，从而提高生产资源的利用率，最终提高企业的经济效益。2 制造执行系统 2.1 关键问题描述 MES的概念由美国先进制造研究机构(Advance Manufacturing Research，AMR)在20世纪90年代提出。MES作为制造企业资源计划层(Enterprise Resource Planning，ERP)与底层控制层(Bottom Control System，BCS)之间的执行层，一方面将企业资源计划层的命令进一步细化后，向生产过程发出制造指令；另一方面，将过程控制层收集到的实时信息，反馈回业务管理层，作为以后编制生产计划的依据，并对车间作业进行实时动态调度。将企业资源计划和过程控制整合在一起，形成ERPMESBCS三层为核心的企业信息集成系统。 由此可见，MES是企业资源计划系统和设备控制系统之间的桥梁和纽带，是企业实现敏捷化和全局优化的关键系统，是船舶行业信息化建设发展的关键。 2.2 ERPMESBCS三层信息集成 MES的架构具体概括为“一个平台、二个集成、三个支撑系统”。船舶行业综合信息平台包括企业数据集成平台及应用集成平台两大部分。ERPMESBCS的三层体系就是建立在这个平台之上，通过数据库技术和相关集成技术将整个企业联为一体。 ERP和MES之间的集成采用“信息集成内容遵循S95标准，消息封装格式应用XML技术，企业应用集成平台采用BizTalk server来实现”的中间件集成方法，该集成平台性能稳定、可靠性高。 MES与BCS的集成则应用OPC技术。OPC使MES在集成过程信息时，无需考虑OPC的底层细节技术，只要遵循OPCXML或OPCCOMDCOM的规范，其OPC客户端就可以方便地访问OPC服务器，从而使MES可以方便地根据现场实际情况结合企业应用的需要，快速地实现OPC服务器的过程信息集成。 在充分发挥上述两大集成技术所构建的集成平台的稳定性好、可靠性高的基础之上，建立了基于MES的车间作业调度系统的基本框架。3 基于MES的复杂产品车间作业调度系统设计 基于MES的车间作业调度系统由工序作业计划层、调度层和生产作业控制三者有机组成，通过制定合理的工序级生产作业计划、优化调度和对生产状态的闭环监控使制造过程按计划进行。 3.1 造船企业车间工作流程描述 首先加工车间接受到ERP下达的生产计划，根据生产能力、库存信息以及工时定额，编制车间作业计划，下发给各生产单元进行生产；各生产单元对生产计划执行情况进行控制，并对影响生产的各个因素状态如物料情况、人力资源、质量检测、设备状态等进行监控，将所跟踪和采集得到的生产情况信息和资源状况信息向上反馈；最后，生产车间对生产计划重新进行调度分配。各生产单元在监控生产计划执行情况的同时，还生成生产进度分析报告，并将关键信息反馈给上层的ERP。具体的生产作业计划和调度控制的流程如图1所示。图1 生产作业计划和调度控制的流程图 3.2 车间作业调度系统的功能分析与设计 通过对造船企业车间生产与管理流程的分析，车间计划调度系统的功能需求主要体现在以下四个方面： (1)提供数据的导入、导出和管理。 (2)编制工序级生产作业计划。 (3)提供生产作业排序信息。排产计划图(甘特图)以及结果报表；并对突发性事件，能及时进行实时动态调度。 (4)对生产过程进行跟踪管理。 通过对车间的功能需求分析，提出了一个六级计划和调度机制。 (1)工序级作业计划编制模块。该模块生成工序级操作计划，即详细计划。提供基于指定生产单元相关的优先级、属性、特征、方法等的作业排序功能，确定在规定的计划内各种制造设施的具体使用情况，每日班内加工的工件种类和数量。工序级作业计划是基于有限能力的生产执行计划。其目的就是要安排一个合理的序列以最大限度地压缩生产过程中的辅助时间，制定具体的工序级生产作业计划。 (2)能力计划模块。该模块通过比较生产需求与生产线上关键操作中设备的能力，反映出对设备资源的需求，可以随时提供每一种产品所剩余的生产能力。 (3)日批量发放模块。该模块帮助生产计划人员在每天或每班准确地把待加工产品发放到生产线上去。 (4)日生产调度模块。该模块中的有限资源调度引擎将产生详细的机器调度。此外根据每次运行的不同目的，系统还会提供具体的分析结果。 (5)动态操作调度模块。该模块帮助一些关键的生产操作，进行局部的重新调度和优化。它也可以用来对瓶颈操作重新产生详细的机器调度表，这时会考虑最新的在制品、机器状态和紧急的订单进行计算，帮助生产线上的监查人员对紧急事件做出反应，同时有效地优化资源结构。 (6)生产作业实时监控模块。该模块将生产指令下达给生产班组进行生产，同时对作业计划实施情况进行监控，为生产计划编制和调度提供依据，其中包括生产进度跟踪、随机扰动警报、完工情况统计等。4 人机协同的车间作业调度模型的构建 针对车间作业调度系统的核心功能模块调度模块，研究构建了柔性的人机协同车间作业调度模型。 生产调度分静态调度和动态调度两种情况。对于静态调度，系统可根据具体的调度目标自动建立相应的数学模型，获得最优解或次优解。但对于动态调度，由于造船企业实际生产过程中影响因素很多，这就使动态调度问题变得十分复杂，很难建立起精确的数学模型。因此，需寻求其他更为有效的调度策略。 目前，解决动态调度问题的实用方法有仿真、人工智能(基于专家系统的、基于神经网络的、基于遗传算法的、基于智能搜索算法)和人机协同的方法。其中仿真模型由于通用性和重用性差，不适用于环境变化频繁的造船工业。 基于专家系统的智能调度方法是将传统的调度方法与基于专家系统的调度评价相结合的方法，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，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。 对于人机协同的调度方法。人可以通过在人机交互界面下发出调度命令进行手动调度，或根据应用系统自动调度生成的调度结果以及调度员的调度经验和应用系统的评估功能来进行调整和修改，以得到较优化的结果。 本研究结合人工智能和人机协同两大方法的优势，形成较好的动态调度方法，及时处理生产过程中出现的随机扰动。 本研究的动态调度机制基本思想是，对于简单的随机扰动问题，可以直接利用算法模块的调度算法得到较优调度方案；对于复杂的随机扰动问题，首先利用专家智能系统先得出一个较优的初始调度方案，然后依据对初始调度方案的不当之处，调度员决定是否进行第二次人工调整，以弥补自动调度算法优化性不够好的缺点。综合静态调度和动态调度方法，建立了相应的生产调度模型，如图2所示。图2 车间作业调度的过程模型 车间作业调度的过程模型中，算法模块的关键就是优化算法的选择，可以应用较为流行的改进遗传算法。对于遗传算法，目前研究比较成熟，这里不再赘述。下面就专家智能调度算法模块作详细描述，主要包括知识库、推理机、事实黑板和人机接口。 知识库是按照一定的知识表示方式描述的专家经验知识的集合。该模型中的知识库根据加工产品优先级、生产状态和资源占用情况等建立一套调度规则，使调度结果更接近调度员所期望的最佳效果。通过知识库，为生产调度领域专家与计算机之间建立了交流的桥梁，使专家能够以自己熟悉的方式进行问题求解思维过程的描述。 推理机制是专家智能调度模块的主要核心部分，主要运用知识库的知识、生产数据库的数据和实时情报进行各种推理。目前比较成熟通用的控制策略主要是推理策略，如反向推理、正向推理以及元知识控制下的“触发式”双向混合推理方法。但这些推理策略与规则中条件和结论本身所表示的知识均为确定型的知识，而事实上，由于造船企业生存的内外部环境的多变性，使得企业车间生产面临更多随机的、不确定性因素，如工件到达时间的不确定性、由机器故障和操作工人熟练程度造成的实际加工时间的模糊性和交货期的模糊性等。因此，条件需附加不确定性，为了表达这种不确定性，可以使用概率论、证据理论、可信度方法、模糊理论等数学方法来进行不精确计算。本模块采用选择的“规则架规则体”规则组的方法可将不确定因子计算放在规则体中进行，不同规则组可以用不同的不确定性推理机制，从而突破了只能运用统一的一种预算机制的局限。 事实黑板主要用于存放本次问题求解过程中的事实，包括用户输入的事实及推理计算求得的事实。 人机接口提供用户或专家与系统之间的对话机制，通过解释系统可使用户及时了解专家系统的推理原则和推理过程，并可为调度员进行干预提供条件。还可通过人机接口为知识库提供和修改知识，通过对实际情况的归纳总结获取新的知识。 调度步骤是，该模块首先接收来自生产过程中采集到的随机扰动信息，信息经预处理后，获得生产现场综合状况；然后根据待加工或装配零部件的优先级和可利用资源约束，通过推理机选择最佳调度策略。各种随机扰动的相关信息(设备、物资、人力资源、加工完成时间等)都将先存入生产数据库，然后知识库再从生产数据库中获取有用知识。 在进行产品加工顺序安排的过程中，首先要进行可进入生产状态判断，该过程可归结为4个约束条件的检查，即设备约束条件、物资约束条件、人力资源约束条件和优先等级约束条件。这些条件作为知识保存在知识库中。若加工产品可进入生产状态，下一步就应为其分配各资源；若有多个加工或装配零部件，则应进行优化分配，使生产过程资源配置