生产型企业的生产计划和调度解决方案及工业应用实例

生产型企业的生产计划和调度解决方案 及工业应用实例 陈玉旺 博士研究生 上海交通大学自动化系 &铜陵市科技局 提纲 生产型企业概述 生产型企业信息化过程 生产计划和调度系统功能 生产计划和调度解决方案 工业应用实例 炼钢连铸生产计划与调度解决方案 热轧生产调度系统 研究领域和项目实施方向 生产型企业概述 生产系统 物质资源 人 力 原材料 辅助材料 零配件等 信息 生产计划 技术标准 工艺规程 效益指标 生产过程 加工制造 按预定技术要求改变对象的形状、尺寸物理性 质和化学性质的过程 物质资源 产品 服务 废品 信息 成本 质量 进度 系统状况 反 馈 输出 输入 生产过程既是物料消耗过程，同时也是生产对象的价值增值过程。 随着原材料和各种辅助材料的消耗，逐步改变生产对象的物理性质和化学性质，最终变为产成品（副产品、环保要求）。 生产型企业类型 按生产过程的连续性质分 : 连续式生产运作系统 （流程式） 连续式生产是指物料按一定的工艺顺序、连续地通过生产过程各环节，在运动中不断地改变其形态和性能，最后转化成产成品的生产方式 (化工、石油、冶金、食品、造纸等 )。 离散式生产运作系统 (加工装配式） 物料分别在不同时间和地点生产出零部件，再按一定的要求集合装配成产成品的生产运作方式 (如电子、轻工、机械等产品） 。 生产型企业类型 按与市场需求的关系分 : 生产 预测需求 确定计划 组织生产 成品入库 销售 库存式生产运作模式可以较好地满足随机小批量需求；同时企业生产运作系统运行均衡，质量稳定、人力、设备等自然可以得到较充分的运用。但运作过程的产成品占用的流动资金大，具有一定的市场风险，对需求变化的适应性较差。一般用于通用产品生产。 订单 客户订货 确定计划 组织生产 交货 订单式生产可以大幅度地减少产成品库存量，降低流动资金占用额，避免市场风险。但这种方式对生产运作系统的管理水平要求高，需求随机波动对运作过程影响大，生产计划、人力资源、设备利用、质量保证等工作难度大，要求生产运作系统具有良好的适应性。 生产 装配式 (总量需求预测 零部件生产计划 零部件库存 客户订货 装配计划 产品组装 产品交货 按 部件通用化，储存一定数量的通用零部件，满足不同客户的订货要求。这种运作模式具有前面两种模式的优点。 生产型企业生存环境 生产科技高速发展加速产品更新换代速度 如医药产品 50%是近 5年研制出来的，每两年计算机就有一次重要的技术突破。技术环境的变化使生产系统的适应性、创新性，快速反应能力，成了企业生存和发展的关键。 用户需求趋向个性化、多样化 客户开始采取多品种、小批量、多批次的订货方式。 市场竞争日益激烈 客户随着世界市场一体化进程的加快，国内企业、特别是中小型企业面临的竞争压力日益加大。为了生存和发展，企业生产运作系统必须满足高质量、高效率、低成本、高柔性、短且准时的交货期要求。 全球化供应链运作模式快速发展 全球供应链运营理念和模式，使企业间的竞争变为供应链之间的竞争，强调企业间的核心竞争力和供应链的整体竞争力。 生产型企业生产模式 六、七十年代 八、九十年代 大批量生产模式 定制式生产模式 生产型企业制造战略 50 代：生产规模 70 年代：生产成本 80 年代：产品质量 90 年代：市场响应速度 生产型企业制造战略的变化过程 生产型企业制造战略 如何适应新的生产企业生存环境，实施生产型企业的制造战略，实现制造过程的信息化和综合自动化是提升企业核心竞争力的重要手段？ 十六大报告明确指出 “ 实现工业化仍然是我国现代化进程中艰巨的历史性任务。信息化是我国加快实现工业化和现代化的必然选择。坚持以信息化带动工业化，以工业化促进信息化，走出一条科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型工业化路子。 ” 欧洲钢铁工业技术发展指南 ：“ 对于降低生产成本、提高产品质量、快速响应市场需求、减少环境污染和资源消耗只能通过全流程自动控制系统的优化设计来实现。 ” 0 生产型企业信息化过程 阶段 企业经营方面 问题提出 管理软件发展阶段 理论基础 （ I） 60年代 追求降低成本 手工订货发货 生产缺货频繁 如何确定订货时间和订货数量 时段式 库存管理理论、主生产计划、 量标准 （ 70年代 计划偏离实际 人工完成车间 作业计划 如何保证计划得到有效实施和及时调整 闭环式 能力需求计划 车间作业管理 计划、实施、反馈与控制的循环 （ 80年代 追求竞争优势 各子系统缺乏联系，矛盾重重 如何实现企业管理系统的一体化 系统集成技术 物流管理 决策与仿真 （ 90年代 追求创新 要求适应市场环境的迅速变化 如何在社会范围内利用一切可利用的资源 供应链管理 混合型生产管理 预测控制 1 生产型企业信息化过程 企业的信息管理系统对产品构成进行管理，借助计算机的运算能力及系统对客户订单，在库物料，产品构成的管理能力，实现依据客户订单，按照产品结构清单展开并计算物料需求计划 . 阶段 (在 系统增加了对企业生产中心、加工工时、生产能力等方面的管理，以实现计算机进行生产排程的功能，同时也将财务的功能囊括进来，在企业中形成以计算机为核心的闭环管理系统，这种管理系统已能动态监察到产、供、销的全部生产过程。 2 生产型企业信息化过程 业资源计划系统 建立在信息技术基础上，以系统化的管理思想，为企业决策层及员工提供生产管理和决策的管理平台。 统增加了包括财务预测、生产能力、调整资源调度等方面的功能。配合企业实现 量管理和生产资源调度管理及辅助决策的功能。 进一步地，我们可以从管理思想、软件产品、管理系统三个层次给出它的定义： 由美国著名的计算机技术咨询和评估集团 实质是在 I（ 制造资源计划 ” ） 基础上进一步发展而成的面向供应链（ 管理思想； 综合应用了客户机 /服务器体系、关系数据库结构、面向对象技术、图形用户界面、第四代语言（ 4网络通讯等信息产业成果，以 是整合了企业管理理念、业务流程、基础数据、人力物力、计算机硬件和软件于一体的企业资源管理系统。 3 生产型企业信息化过程 70年 80年 90年 2000 年代 客户本企业供应商机 型计算机 户服务器 o/o 网络计算机 4 生产型企业信息化过程 5 生产型企业信息化过程 (程控制、过程优化、生产调度、企业管理和经济决策 五层结构的综合自动化系统 (. 989) 企业资源计划（ （ （ 层结构的自动化系统 (柴天佑 , 2003) 6 生产型企业信息化过程 国际制造执行系统协会（ 对 确的信息，指导、启动、响应并记录工厂活动，从而能够对条件的变化做出迅速的响应、减少非增值活动、提高工厂运作过程的效率。 且有助于及时交货、加快库存周转、提高收益和现金流的绩效。双向交互的形式提供生产活动的基础信息。” 美国的权威机构 先进制造研究中心 提出的： 为操作人员 /管理人员提供计划的执行和跟踪以及所有资源（人员、设备、物料、客户需求等）的当前状况。 7 生产型企业概述 如何提高生产型企业核心竞争力？ 提升生产型企业的信息化水平 采用先进的信息化技术，开发如 等从管理到生产的软件系统 实现企业级 开发生产计划和调度辅助决策系统，以根据工厂和车间的实时工况信息，制定出科学合理的生产调度方案，完成生产排程任务，以降低成本，减小库存，快速响应客户订单 8 生产计划和调度系统功能 生产调度为供应链管理的一个重要组成部分，其实现的任务是在一段时间内根据生产约束进行生产线上的资源分配和生产作业安排（设备分配、工序流程和加工时间等） ，以满足某些给定的调度目标（ 产品成本、 服务质量等） 。 调度优化器 生产订单 调度目标 调度结果 用户界面产车间 调度模型 生产约束 9 生产计划和调度系统功能 生产计划是根据市场需求、考虑企业现有生产能力和资源供应条件，对未来一定时期内的生产作业活动和各项资源的使用作出的统筹安排。 生产调度目标（调度指标）： 生产能力指标 ：最大生产率、最短生产周期等，在给定产品需求条件下，实现生产能力最大化以提高效益。 成本指标 ：最小化产品成本、最小化运行费用和最大化投资回报率，运行费用包括库存成本、生产成本和交货拖期损失等。 客户满意指标 ：最小提前或者拖后交货期、提高产品服务水平等。 建立高性能的生产计划和调度，将大大缩短调度计划作业的编制时间和实际生产过程中的非作业等待时间，有利于提高生产效率、降低能源与原材料消耗，取得显著的经济效益。 0 生产计划和调度系统功能 订单池 准备时间 加工时间 订单池 生产线 1 生产线 2 订单属性 : 订单 产品类别 , 数量 , 交货期 , 客户等 单生产线 多生产线 1 生产线 1 生产线 2 生产订单 过渡时间 过渡模式 利润 (经济 ) 模型 商业数据 生产数据 参数 生产调度 预测利润 (成本 ) 库存数据 生产计划和调度系统功能 2 经济模型 11 12 13 21 22 23 24 数 预测利润/成本 生产计划和调度系统功能 3 M) 产计划和调度系统功能 4 2 改善该点任意一个目标，都会对其他至少一个目标产生不利影响；所有的 生产计划和调度系统功能 5 生产计划和调度系统功能 静态调度 根据生产订单、生产约束和调度时间范围进行机器分配和生产安排，以最大化生产利润，提高产品质量、生产产量和客户服务水平，并降低在制品数量。 动态调度和重调度 针对生产订单和车间状态的改变对存在的调度结果进行重调度与动态调度，如插入或取消订单、机器故障、原材料延迟等。 人工调整 通过调度系统的人机界面人为调整调度方案 6 任 务 j1 j2 j3 j4 j5 j6 j7 工时间 3 6 12 7 5 3 2 交货期 9 12 9 33 48 40 37 23 生产计划和调度系统功能 流水型排序问题 待多台串联设备组成的生产线加工，各项任务的工艺顺序相同。 例： 8项任务、单台设备，数据如下： 7 任 务 j8 j2 j7 j6 j3 j5 j1 工时间 3 3 5 6 7 8 12 交货期 3 12 37 40 9 48 19 34 流程时间 5 8 13 19 26 34 46 延期量 0 0 0 10 0 15 13 最小加工时间规则 (按各任务加工时间的大小，从小大到排序。 本规则可得到最小平均流程时间，最小平均在制品占用量。但可能出现延期交货。 生产计划和调度系统功能 8 生产计划和调度系统功能 15m a 平均流程时间 平均交货延期量 F 9 任 务 j3 j2 j1 j8 j4 j7 j6 工时间 3 8 2 12 3 5 7 交货期 12 19 23 34 37 40 48 流程时间 9 17 19 31 34 39 46 延期量 0 0 0 0 0 0 0 最早交货期规则 (按任务规定的交货期先后，从小到大排序。 可使交货延期量最小化，但平均流程时间相对较大，平均在制品数较大。 生产计划和调度系统功能 0 生产计划和调度系统功能 平均流程时间 平均交货延期量 = 0 F 1 任 务 j3 j2 j1 j8 j4 j7 j6 工时间 3 8 2 12 3 5 7 交货期 12 19 23 34 37 40 48 流程时间 9 17 19 31 34 39 46 延期量 0 0 0 0 0 0 0 按 生产计划和调度系统功能 2 任 务 j2 j3 j8 j1 j7 j4 j6 工时间 6 2 8 3 12 5 7 交货期 2 9 23 19 37 33 40 48 流程时间 9 11 19 22 34 39 46 延期量 0 0 0 0 0 0 0 1、找出最大流程时间 i ;2、找出满足条件： dji 的任务，当满足条件的任务只有一项时，该任务不调整，当满足条件的任务有多项时，对这些任务按 去掉已调整的任务，对剩余任务反复用第二步直至所有任务调整完 生产计划和调度系统功能 3 生产计划和调度系统功能 平均流程时间 平均交货延期量 = 0 F 4 任 务 j1 j2 j3 j4 j5 j6 j7 工时间 3 6 12 7 5 3 2 交货期 9 12 9 33 48 40 37 23 生产计划和调度系统功能 流水型排序问题 待多台串联设备组成的生产线加工，各项任务的工艺顺序相同。 例： 8项任务、单台设备，数据如下： 5 任 务 j1 j2 j3 j4 j5 j6 j7 a 3 6 12 7 5 3 2 2 5 3 4 10 7 11 生产计划和调度系统功能 台设备的排序 按 工艺顺序加工，要求最大流程时间最小化的最优排序方案。 6 任务 j8 j7 j6 j1 j3 j5 j4 a 2 3 5 5 10 8 18 6 24 7 31 12 43 3 46 1 13 7 20 10 30 9 39 5 44 4 48 3 51 2 53 生产计划和调度系统功能 用哈姆表算法，求得各任务在各设备上的完工时间如下表 87 任 务 j1 j2 j3 j4 j5 j6 j7 a 8 3 11 6 17 12 29 7 36 5 41 3 44 2 46 17 2 19 5 24 3 32 4 40 10 51 7 58 11 69 生产计划和调度系统功能 排序前的流程时间计算 8 生产调度问题解决方案 : 问题描述和定义 : 问题建模（数学方法） : 在模型基础上给出优化算法产生调度解决方案 问题 模型 解决方案 调度方案的优劣依赖于问题描述、系统模型和优化方法 目标 、约束 调度目标、约束和调度方案间的关系 满足目标和约束的优化调度结果 9 生产调度问题解决方案 生产调度问题建模方法 离散事件仿真模型 网络模型 状态空间和数学模型 多智能体模型 流体网络模型 混合模型 0 生产调度问题解决方案 生产调度问题优化算法 运筹学方法 ，线性规划、非线性规划、整数规划和约束规划等 启发式方法 ，如 拟退火等 进化算法 , 如遗传算法等 . 多目标优化算法 人工智能算法 ，蚁群算法、粒子群算法 . 化算法 混合优化算法 1 钢铁生产流程 高炉 (转炉 (冷轧 (板坯库 热轧 (轧钢板&钢带 热轧钢板&钢带 铁矿石 石灰石 焦炭 钢渣 铁水 氧气 炼钢 &连铸生产 炼铁 板坯 物料流 信息流 资金流 钢铁生产是 产品大规模生产线 热连轧 连铸机 ( 2 钢铁企业主要调度问题 炼钢连铸调度 (多产品、多级、多生产线调度 热轧调度 ( 多产品、单生产线或多生产线调度 精轧调度 (多产品、单生产线或多生产线调度 炼钢连铸和热轧集成调度 3 炼钢连铸生产计划与调度解决方案 炼钢连铸调度系统功能性分析 批量计划（生产订单的炉次和浇次分配问题） 连铸调度优化（ 连铸机上的工序安排） 与 快速响应的动态调度和重调度，人机交互式调整调度结果 调度目标： - 炼钢、精炼和连铸的衔接 - 最大化生产能力、提高产品质量和按时交货水平 - 减小在制品数量，降低产品成本 - 提高生产效率 4 炼钢连铸生产计划与调度解决方案 炼钢连铸调度解决方案 调度算法模块是炼钢连铸调度系统的核心，可应用分步式求解策略，将连铸生产调度问题分解为两个算法模块 批量计划 （包括组炉和组浇问题） 连铸调度优化 （分解为作业排序，初始调度，数学模型优化三个子问题） 5 炼钢连铸生产计划与调度解决方案 1)(,2,1;,2,1),( ),()1,( 11),(1),()1,()1,(2)1()(1) ) )1,(),(),(,(m i n1),(,2,1),1,(),(),(,(),()1,( 1),()1,( ;1)(,2,1;),(),( 1),()1,( ;1)(,2,1;),(),( 数学模型 6 炼钢连铸生产计划与调度解决方案 炼钢连铸调度系统功能 订 单 计 划生 产 工 艺 管 理批 量 计 划 / 生 产 调 度B O M 清 单生 产 部 门车 间 生 产 管 理订 单生 产 计 划 清 单物 料 需 求 计 划生 产 计 划 任 务 下 达生 产 设 备 管 理订 单 管 理物 料 管 理 系 统产 品 信 息 管 理客 户 信 息 管 理 7 炼钢连铸生产计划与调度解决方案 炼钢连铸调度结果 8 P 20 加工到 热轧生产调度系统 热轧生产流程 9 热轧生产调度系统 热轧调度系统功能性分析 针对生产订单，热轧调度系统在满足生产约束的基础上给出调度结果，以最大化经济指标，并提高产量、生产效率、产品质量和客户服务水平。 调度目标：最小化 产品成本、 E/大化产量、产品质量等。 调度约束：板坯宽度、厚度、硬度跳变模式，轧辊能力约束、交货期约束等。 0 数学模型 热轧生产调度系统 . . . .)(,0,1,0,1.)1(.o t h er w i s e,0r o u n d s ch ed u l i n g i n t h e i n cl u d o t is s l h t h o t h er w i s e,0s l t l y i m m ed i d at e p r o ed s l ab 000010 01 1 热轧调度系统功能性框架 生产订单 单 钢级 宽度 厚度 质量 温度 交货期 客户等 经济指标 生产约束 规格跳变模式 交货期 , 订单 开始时间 结束时间 性能 (统计分析 ) “ 结果 时间范围 调度结果 热轧生产调度系统 2 求解过程 I n i t i a l i z e p o p u l a i t o n I n c l u d i n g t h e s o l u t i o n b u i l t b y h e u r i s t i c r u l e s , b o t h f e a s i b l e a n d i n f e a s i b l e s o l u t i o n s .R e p a i r s o m e i n d i v i d u a l w i t h l o w c o s tC o n s t r u c t a s e t f o r c o n t a i n i n g f e a s i b l e s o l u t i o n s C r e a t e n e w g e n e r a t i o nI s t e r m i n a l c o n d i t i o n s a t i s f i e dU p d a t i n g t h e s e t o f f e a s i b l e s o l u t i o nR e p l a c e t h e o l d g e n e r a t i o n w i