基于关键设备生产排程优化的产品线成品库存改善研究---优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdf

申请上海交通大学工程硕士学位论文 基于关键设备生产排程优化的 产品线成品库存改善研究 院院 系：系：机械与动力工程学院 工程领域：工程领域：物流工程 交大导师：交大导师：陆志强 教授 企业导师：企业导师：王怡渊 副理 工程硕士：工程硕士：王 路 凤 学学 号：号：1090252076 上海交通大学机械与动力工程学院上海交通大学机械与动力工程学院 2012 年年 06 月月 thesis submitted to shanghai jiao tong university for the degree of engineering master the inventory improvement of production line based on optimization of production schedule for key equipment m.d. candidate： wang lufeng supervisor（i） ： pro. lu zhiqiang supervisor（ii） ： wang yiyuan speciality： logistics engineer school of mechanical engineering shanghai jiaotong university shanghai,p.r. china june, 2012 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密 在在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 上海交通大学工程硕士学位论文 摘要 i 基于关键设备生产排程优化的产品线成品库存改善研究 摘 要 在少量多样的产品需求结构下，塑料成型企业面临的市场竞争日益 激烈。 如何降低库存, 缩减企业的运营成本, 成为企业是否可以长期生 存及持续经营的关键因素。而生产排程对于企业的库存管理举足轻重。 本文通过分析造成 p 公司成品库存周转天数过长的原因, 发现客户出货 计划临时延后造成的库存周转天数过长 10.5%; 生产排程提前过多造成 的库存周转天数过长占 70.8%;策略性库存准备造成的库存周转天数过长 占 11.2%;其它原因占 7.5%。 因此生产排程提前是造成 p 公司成品库存周 转天数过长的主要因素。 本文进而分析了 p 企业在生产排程环节存在的问题，该企业的生产 安排往往存在着生产任务切换频繁，要求的生产能力超出注塑机台实际 能力等问题。针对这些生产排程的问题, 本文首先对产品生产的机台分 配建立了相关规则，即每一项产品只在被分配的机台上生产; 前后生产 排程之间依照设置的缓冲时间进行切换时间的预留; 每一台机台的每天 工作时间要符合生产时数限制。在此基础上，建立了对同一机台的生产 排程排序依照总生产时间最小选出机台的生产排序方法。通过建立生产 排程的规则和改善方法, p 企业建立了一套可操作的生产排程方法和步 骤, 使得 p 企业库存周转天数得以明显降低。 上海交通大学工程硕士学位论文 摘要 ii 本文通过对 p 企业生产排程方法的研究，建立了一套实际可行的排 程方法。这种排程方法符合企业低成本、高效率的生产目标。生产排程 作为物流信息的重要组成部分, 其方法的改善为企业的原材料物流效率 和成品物流效率做出了巨大的贡献。这套方法不仅适用于 p 企业，也同 时适用于产品多样少量的其它注塑成型企业。 关键词关键词: 生产排程, 缓冲, 库存周转天数 上海交通大学工程硕士学位论文 abstract iii the inventory improvement of production line based on optimization of production schedule for key equipment abstract in the demand structure of varied product with few demand quantity, plastic molding factories face on market competition more and more intensely. how to reduce the inventory and the factorys operating cost becomes the key point to see if the factory can live for long term and keep operating. and at the same time, how to plan and schedule the production is very important to factorys inventory management. the thesis analyzed the reasons of long turnover days for products inventory of p enterprise, 10.5% because of the shipping schedule postponed from customers temporary request, 70.8% because of production schedule pulled in frequently, 11.2% because of strategy of inventory, and 7.5% else. so the production schedule is the main factor to make the products inventory turnover days too long. the thesis analyzed problems which p enterprise met in the process of production scheduling, including frequent exchange line between two adjacent production job， production scheduling time of many products in the same machine over machines working time limit, etc. in accordance with these problems of production scheduling, the thesis build up related rules of production scheduling according to production machine of product assigned: every product must be producted on assigned machine; buffer time between two adjacent production job must be reserved according to the buffer time set up in advance; the daily working time of every machine must fit in with the limit of 上海交通大学工程硕士学位论文 abstract iv machines working time. based on that, the thesis bring up an improve method to select the best production scheduling order to let the total demand of working time be least. after set up the production scheduling rule and improving methord, p enterprise set up a set of production scheduling methord and steps which can be realized, that reduce the inventory turnover days of p enterprise. through the research to the production scheduling methord of p enterprise, the thesis builds up a workable and feasible scheduling methord. this scheduling methord can meet the production goal of low-cost and high efficiency. production scheduling as the important part of logistic information system, the improvement methord also promotes the logistic efficiency of both material and finished-pruducts. this production scheduling methord dont only fit to p enterprise, but also fit to other molding enterprise which faces on diversified and little-demand products. key words: production scheduling, buffer time, inventory turover days 上海交通大学工程硕士学位论文 目录 v 目 录 目 录 第一章第一章 绪论绪论1 1.1 研究背景及研究意义1 1.1.1 研究背景1 1.1.2 研究意义4 1.2 国内外各种生产排程方法的实际应用5 1.2.1 高级计划与排程5 1.2.2 aps 应用.5 1.3 主要研究内容5 1.4 论文结构6 第二章第二章 生产排程理论及优化方法生产排程理论及优化方法7 2.1 生产排程的定义7 2.2 生产排程约束分类和优化目标8 2.3 生产排程优化的方法9 2.3.1 数学规划方法及仿真方法 9 2.3.2 基于规则的方法10 2.3.3 基于排序的方法14 2.4 本章小结16 第三章第三章 p 公司成品库存周转和生产排程现况公司成品库存周转和生产排程现况.17 3.1 p 公司简介.17 3.1.1 p 公司产品及客户群17 3.1.2 p 公司生产工艺流程19 3.2 p 公司成品库存周转现况 .20 3.3 p 公司注塑机台的生产排程现况 .21 3.3.1 p 公司注塑机台的供应现况21 3.3.2 p 公司生产计划系统架构22 3.3.3 p 公司生产排程制定流程24 3.4 p 公司生产排程作业中存在的问题28 3.4.1 注塑机台生产工时供需失调 28 3.4.2 注塑机台和产品对应关系缺失 30 3.4.3 机台工时的限制标准缺失 31 3.4.4 排程间缓冲量设置缺失 31 3.5 本章小结32 第四章第四章 p 公司生产排程改善公司生产排程改善.33 上海交通大学工程硕士学位论文 目录 vi 4.1 p 公司生产排程规则.33 4.1.1 规则一: 每一项产品只在分配的对应机台上生产33 4.1.2 规则二:在同一机台不同产品的生产排程之间设置缓冲时间35 4.1.3 规则三:为每一台机台设置生产时数限制37 4.2 p 公司生产排程的改善方法 .37 4.2.1 生产排程可行解范围的确定方法.37 4.2.2 最优生产排程的选择方法 38 4.3 本章小结38 第五章第五章 实施与效果分析实施与效果分析39 5.1 实例一：出货频率为每周一次 39 5.2 实例二：出货频率为每日一次 44 5.3 生产排程改善方法的实施效果54 5.3.1 生产排程达成率明显提升 54 5.3.2 机台生产工时利用率趋于合理 55 5.3.3 需求等同情形下机台的工作时间有效降低.57 5.4 成品库存周转天数的改善58 5.4.1 实例一: 每周出货一次状况下成品库存周转天数降低58 5.4.2 实例二: 每天出货一次状况下成品库存周转天数降低59 5.4.3 p 公司整体成品库存周转天数的降低 59 第六章第六章 结论与展望结论与展望61 6.1 结论61 6.2 展望61 参考文献参考文献63 致 谢致 谢65 攻读硕士期间发表的学术论文攻读硕士期间发表的学术论文66 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 研究背景及研究意义 1.1.1 研究背景 p 企业是一所位于华东以塑料制品为主要产品的制造公司。 其所在的领域为中 国塑料工业。改革开放以来，塑胶工业作为国民经济的重要行业之一，其年平均增 长速度达到两位数以上，高于国民经济总的增长速度，实现了历史性的跨越。据了 解，目前中国塑胶工业已经形成了品种丰富、门类齐全、规模相当、技术比较先进 的产业体系。塑胶制品方面，2006 年开始, 我国规模以上企业塑胶制品产量和总产 值就位居世界第二，在全国轻工 19 个重点行业中居第三位，出口总额居第五位。合 成树脂表观消费量居世界第三。整个塑胶产业实现跨越式发展。 二十世纪八十年代中期，人们对塑胶的物理性能的认识有了进一步的发展，在 国民经济各部门的广泛应用得到了充分的体现，加上塑胶的易加工性、可重复使用， 而且塑胶可合金化，可复合化，从而使国民经济的发展对塑胶的需求量急剧上升。 由近十年来世界经济的发展可以看出，即使世界经历了 1994 年至 1997 年金融危机， 此时期内世界经济的各个重要领域，都受到了巨大的冲击，但是由于塑胶制品广泛 应用于国民经济各部门和人民生活的各个领域, 世界塑胶工业包括塑胶机械工业在 同一时期内都仍保持 3.5%4.5%的增长，这说明塑胶原材料工业和塑胶机械工业有 很强的增长力。进入 21 世纪以来，随着我国国民经济的持续高速发展，经济全球化 两个市场的强劲拉动，塑胶行业近几年增长速度一直保持在 10%以上，以塑胶加工 与应用为核心、包括塑胶机械与模具、塑胶树脂与助剂为一整体的中国塑胶工业已 成为新型朝阳产业。 然而, 2008 年以来，由于金融危机导致国内外需求下降，及近几年中国部分塑胶 工业领域过度发展，造成中国塑胶工业部分市场出现萎缩，出口量大幅下降，众多 企业开始减产、 限产和停产， 甚至关闭。 2009 年上半年中国累计出口塑胶制品比 2008 年同期下降 12%。2010 年 2 月份出口量降至近年单月最低点。以 pvc 为代表的部分 领域平均开工率仅有 50%左右。 塑胶产品是关系国计民生的重要生产资料和消费资料1。 金融危机爆发后， 在“保 增长、扩内需、调结构”的方针指引下，国务院出台了一揽子经济刺激方案，包括 4 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 2 万亿投资、家电下乡、十一个产业调整振兴规划及其细则陆续出台等。由于塑胶行 业是“满足内需型、出口导向型、就业支柱型、服务三农型”的产业，因此形势出现 转机。 2009 年国家颁布了与塑胶工业高度相关的两大产业(轻工业、石化产业)调整和 振兴规划，制定实施了诸多利好政策，有力地提振了塑胶工业复苏信心。同时，2010 年开始全面实施的增值税改革，缓解了企业压力，有利于塑胶加工企业的产品升级 改造，促进整个行业的优化和升级。此外，国家自 2008 年 11 月以来 3 次提高部分 塑胶制品的出口退税率，2010 年 6 月起出口退税水平已经达到 13%，也缓解了塑胶 工业产品出口的困境，提高了国际市场竞争力。 在一系列政策调整的影响下，我国塑胶工业的生产与销售已止跌企稳，走出低 迷。但在当前市场环境中，中国塑胶工业的发展仍面临多方面的挑战：一是上游原 材料价格大幅波动和运营成本增长的造成行业整体利润下降；二是技术与产品创新 能力不足，以及“低、小、散”的结构性问题，迫切要求塑胶工业进行产业升级和结 构调整；三是国外市场萎缩和进口产品低价销售，加剧了市场竞争；等等。 近年来, 虽然我国塑胶工业取得了令人瞩目的成就，迈进了世界塑胶大国的行 列。但也应清醒的看到，中国塑胶工业总体水平与发达国家相比还有一定差距，仍 不是塑胶强国。 2006 年我国塑胶工业规模以上企业总数达 12860 家， 总产值达到 6300 多亿元，年消费塑胶 4000 多万吨，但人均消费仍低于世界平均水平，产品同质化严 重，行业利润率仅为 3.6%，产业升级面临巨大挑战。在塑胶制品方面，由于宏观调 控力度不够，致使有的企业盲目上生产线，扩大生产能力，造成供过于求；有的企 业开工不足，中低档长线产品生产过剩，产品质量低。同时绝大多数塑胶加工企业 正在使用的设备装备水平低，工艺技术落后，造成能耗比长期居高不下，生产效率 低。 在塑胶工业布局方面，我国塑胶工业主要集中在东部沿海地区，如江苏、山东、 广东、浙江，而内地特别是西北部欠发达地区，人均产量和消费量远低于全国平均 水平，发展不平衡。我国塑胶工业产品品种、数量、品牌、规模经营与先进国家相 比仍有较大差距。 以全国塑胶行业最发达的地区深圳为例, 2009 年深圳有塑胶经营项 目的企业 14200 家，占全国 15 万家的 11%。深圳塑胶行业规模以上企业完成工业产 值 590 亿占全国 6000 亿的 9.8%，塑胶行业从业人员 50 万占全国 400 万的 12%。同 时，深圳的塑胶企业 90%以上为中小企业，本身的创新和研发能力弱，产品大多为 模仿和代工，不具有市场持续竞争力。 在塑胶工业市场环境方面, 塑胶行业内大多数企业面临着同样的问题。 中国大陆 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 3 地区的塑胶成型工业主要问题有下几点： 第一, 国内外市场竞争激。 第二, 技术工人短缺，人才足。 第三, 环保、劳动意识高涨、生产成本提高。 第四, 工业用地不易取得，投资额超出预期。 第五, 信息足、外贸人才短缺。 从企业管理的角度来看, 目前多数塑料成型企业的库存管理现况都是很生产排 程仍使用类似甘特图的人工管方式。部门之间的信息交换，仍是纸上作业，但 信息重复性高，且利于追踪。以人工做出的生产排程，能掌握的排程范围有其限 制，大多数只能排一次生产的部分，以现阶段说，要做到整个产品从第一工站到 最后加工工站的整体生产工站的有效排程工作并容，少数一两家勉强能做到的 也只是依照前天的生产进排定今日的工作而已。即使以计算机软件辅助排程， 其所着眼的部分通常只是对于生产进的追踪，藉以解实际生产情况，或对于当 许多产品同时要上生产线时，遵循怎样的生产顺序。 但如此做法，无法预知未可 能产生因为生产负荷过重及生产的现象; 可能导致临时委外， 而协厂难以配合 而造成交期延误的情况。生产排程可说是一项相当繁杂的工作，其过程需解每一 产品的相关作业的细节，并根据产品的差异设定同的制造流程，并且需要满足客 户的交货期限。 因此制作有效的生产计划非常必要。 21 世纪初, 随着国内电子产品市场的开发以及国内电子产品装配行业的崛起, 作为配套型的塑胶成型工厂也呈现出繁荣的景象, 从初期的纯外资, 到中外合资, 到 现在遍地开花的民营企业, 现在的塑胶工业, 已经成为无处不在的主导的盈利型行 业。但是, 在竞争日益激烈的现在, 塑胶成型企业中普遍潜藏的危机, 又迫使越来越 多的大型成型公司从辉煌走向严重亏损, 主要问题是成品库存周转天数参差不齐, 有的产品库存不足以出货, 而有的产品又堆积如山。 其中最为主要的原因归结于不合 理的生产排程, 主要表现在： 第一, 生产排程不平准, 造成产品库存时而高, 时而低。 第二, 同一成型机制造多种产品, 换线过于频繁, 造成原料过度浪费、 损耗过多, 造成原料经常性缺乏, 生产排程无法完成, 产品库存不能满足出货需求。 第三, 规模较大的塑胶成型企业, 因为机台很多, 所生产的产品种类繁多, 不 同产品共享生产线但产品管理人员（包括项目管理, 生产管理等）分别只对自己所管 理的产品负责, 时常发生不同产品争抢机台和生产线的情形, 因此造成生产瓶颈不 可控制, 为满足订单需求, 只能用较高的成品库存来解决生产异常造成的影响。 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 4 第四, 多数塑胶成型企业, 还停留在传统的生产管理阶段, 生产决策层与车间 执行层, 计划层、调度层与控制层是独立分开的, 信息采集大多只能通过人工录入的 方式进行, 车间生产信息的反馈周期较长。 造成在生产调度与控制过程中缺乏必要的 现场信息, 不能及时根据实际生产情况的变化进行重新调度, 更谈不上实时修订生 产排程了。 并且当实际生产情况无法实现原有生产排程时, 传统的生产管理系统也往 往不能及时发现这些问题并加以解决, 最终导致企业产品的交货期延误。 综合以上问题, 很有必要对塑胶成型企业的生产排程的制定和控制系统进行改 善,优化企业的生产排程, 让企业的生产排程尽量的平准, 以使塑胶成型企业减少不 必要的换线时间, 减少原材料资源的浪费及物料调度成本的过度浪费； 让企业能够同 时满足所有共线的不同产品的各个时间点的需求, 同时又让生产车间每天都能明确 自己的生产目标并确保其达成。 塑胶成型企业的生产管理者, 若能够制定出以上合理 的生产排程, 则可减少企业成品短缺或库存过高的风险, 从而拥有了将企业的成本 控制在最低状态并同时满足客户需求的基础条件。 1.1.2 研究意义 生产管理通常分为三个阶段：生产计划、生产排程和生产控制2，其中生产排程 是生产管理领域内的关键环节。排程与很多物流环节息息相关，销售部门接受客户 订单的提前期、生产线的人力和原物料调配、设备保养维修、物料采购供应计划、 成品库存天数及周转率等。生产排程过程是一个多元化管理模式，需要敏捷响应和 反馈，要求在宏观上规划生产，微观上调控生产。科学合理的生产排程在满足客户 要求和生产任务的前提下，还需要依据生产过程获得准确信息，充分合理的利用与 配置加工过程的各种制造资源、高效低耗地使用生产资源、合理安排加工工件的顺 序、均衡设备负荷和生产、提高设备利用率、缩短换模换线和物料准备时间、降低 成品库存周转天数。生产排程围绕企业生产经营目标，对企业生产活动进行有效组 织、指挥、控制和调节，根据生产目标和约束，为每个加工对象确定具体的加工路 径、时间、机器和操作等，根据市场需求变化和产品订货，及时调整生产结构，及 时应对和解决生产中的各种矛盾和问题，以保证整个生产可以按照事先制定的排程 正常进行，保证在合适的时间，将合适数量和合格质量的物料输送到合适的地点， 由已确定的人员进行加工，最后在合适的时间生产出满足客户需求的产品。因此， 及时准确的生产排程对成品库存周转等企业内部物流均有着重要影响。 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 5 1.2 国内外各种生产排程方法的实际应用 1.2.1 高级计划与排程 高级计划与排程（aps, advanced planning and scheduling)的主要着眼点是工序 逻辑约束和资源能力约束,物料和工序流程紧密联结,以及各种优化规则, 计算最早 可能开始时间和最迟可能开始时间, 物料可重分配和可替代,资源可重分配和可替 代。排程考虑柔性(缓冲),考虑成本约束,考虑非确定流程和统计概率论, 考虑多种优 化方案的比较分析。各种不同的 aps 方法主要差异点就在于算法。 1.2.2 aps 应用 目前应用于实际企业运营的排程方法, 主要分为以下几种: 第一, 运用数学规划的排程优化方法。供应链计划的可行方案数量巨大。例如， 对连续决策变量(如订单大小或工作的开始时间)，可选方案的数量实际上是无限的。 对离散变量也是如此，如几个工作在机床上的加工顺序，可选的数量是一个组合大 数。在这些例子中想通过简单枚举来找到最优方案是不可能的，甚至要找到一个可 行的方案都很困难。在这种情况下，可应用数学规划的数学方法来支持排程流程。 第二, 最为传统的是基于规则的方法, 就是通过建立一系列的排程规则, 进行最 优排程求解的方法。 以规则为基础的生产排程方法, 较为广泛地应用在客制化程度高, 需求不易事先得知, 且每个产品需要经过多个流程的生产系统, 例如晶圆测试设备 的生产排程系统等。 第三, 利用系统仿真, 寻求较优排程的优化方法。仿真方法最早被用来作为测试 排程启发式规则及分派规则的工具。通过运行仿真模型来收集数据，可以对实际系 统进行性能、状态等方面的分析，从而，可以对系统选择采用合适的控制排程方法。 第四, 基于动态离散事件系统的解析模型方法。 第五, 目前用的较多的是基于排序的方法, 包含启发式图搜索法,模拟退火法, 禁忌搜索法, 神经网络优化方法, 遗传算法, 基于智能的算法等。其中遗传算法等优 化算法被广泛地应用在 pcb 行业, 造纸行业等输入原料种类较单纯, 但是输出产品 多种类的行业。 1.3 主要研究内容 本课题的主要内容, 就是研究如何在塑胶成型厂制定合理的生产排程, 使资源 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 6 得以充分利用而又不发生资源争抢造成产品库存不足以满足交货或库存量过高的损 失。以某塑胶成型厂现有的产品和机台为研究对象, 寻求适合的生产排程优化方法, 并运用适合塑料成型厂的排程优化方法, 为塑料成型企业建立一个合理的生产排程 改善方法, 确保人力资源、设备资源、物料资源足够又不浪费, 同时也可对成品物 流成品库存周转率起到改善的作用。论文的主要研究内容如下: 第一, 基于该塑料成型厂目前遇到的生产排程问题, 建构出生产排程所需要遵 循的各项规则, 使生产排程的制定与管理有章可循, 以有效避免资源冲突。 第二, 通过实际调查和资料整理, 掌握不同的产品之间生产任务切换所需要的 系统缓冲, 并将此调查结果作为生产排程规则的一部分, 运用到生产排程制定的过 程,使生产设备的生产达标率得到显着提升。 第三, 建构一个比较容易执行的生产排程改善方法, 使供需基本平衡的情况下 避免不合理的生产排程造成的成品库存不足或库存过高的现象。 1.4 论文结构 本论文共分为五个部分。 第一章为绪论，介绍研究背景，研究意义，综述塑料成型行业的发展历史，总 结塑料成型行业目前所处的环境及行业内企业存在的普遍问题, 特别是引起企业库 存周转不均衡的生产排程的问题。 并介绍本文的主要内容和结构； 第二章为相关生产排程理论和方法，主要介绍各种生产排程优化方法及优缺点； 第三章为 p 公司现况， 主要介绍目前 p 公司的生产排程体系及存在的问题, 以及 说明其对企业成品库存周转的影响程度； 第四章为运用缓冲设置原理及通过设立各种必要的排程规则, 改善企业的生产 排程方法； 第五章为案例实施, 主要是运用第四章中建构的生产排程改善方法和步骤, 进 行实际的生产排程编排, 以此来说明本文所研究的生产排程方法的可操作性及对企 业成品库存周转的改善效果。 第六章为结论与展望, 主要说明本文研究结果和不足之处。 针对本文研究过程中 的不足之处, 提出未来研究的方向。 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 生产排程理论及优化方法 7 第二章 生产排程理论及优化方法 良好的生产排程可以减少库存资金积压，降低库存风险，同时也可以充分满足 客户需求。本文主要从生产排程的角度, 来分析 p 企业成品库存现状。通过分析生 产排程的问题, 找到生产排程的改善方法, 从而改善成品库存周转天数。因此本章 主要介绍生产排程的定义和优化方法, 为 p 企业生产排程改善方法寻求方向。 2.1 生产排程的定义 生产排程是在考虑能力和设备的前提下，在物料数量一定的情况下，安排各生 产任务的生产顺序，优化生产顺序，优化选择生产设备，使得减少等待时间，平衡 各机器和工人的生产负荷。从而优化产能，提高生产效率，缩短生产前置时间。简 而言之：就是将生产任务分配至生产资源的过程。 高级计划与排程是对生产资源进行从工厂直到车间的作业与工序一级的规划与 调度。目标是有效地利用企业有限的资源进行高效的生产作业。aps 被誉为供应链 的优化引擎，是进行供应链各个环节之间的计划和协同的最主要的手段之一，也是 erp 系统真正的技术瓶颈。特别是在生产排程问题上，复杂产品生产车间的离散排 程是一个困扰制造业企业多年的难题。 对于 aps，目前国际上还没有做出明确定义。它是一种基于供应链管理和约束 理论的先进计划与排产工具，包含了大量的数学模型、优化及模拟技术，其功能优 势在于实时基于约束的重计划与报警功能。在计划与排产的过程中，aps 将企业内 外的资源与能力约束都囊括在考虑范围之内，用复杂的智能化运算法则，做常驻内 存的计算。 aps 从理念的兴起，到真正的技术实现并运用于中国的制造业，整整酝酿了大 半个世纪。不过随着精益思想、约束理论等改变制造业模式的思想被应用于中国， aps 在中国迎来了发展的大好时机。如果说过去十年是 erp 的舞台，那么，未来十 年则是 aps 的黄金十年，随着精细化管控的需求，aps 走向了舞台前端，将生产活 动的各个细节全部规范科学的纳入到信息化管理中来。所以，未来十年，aps 必将 真正走向实践。 目前， 在 aps 领域最成熟的产品以及市场占有率最高的是 asprova aps。 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 生产排程理论及优化方法 8 实际的排程问题有以下特点： 第一, 复杂性。 由于装卸作业、装卸设备、库场、搬运系统之间相互影响、相 互作用、每个作业又要考虑它的到达时间、装卸时间、准备时间、操作顺序、交货 期等，因而相当复杂。由于排程问题是在等式或不等式约束下求性能指标的优化， 在计算量上往往是np完全问题，即随着问题规模的增大，对于求解最优化的计算量 呈指数增长，使得一些常规的最优化方法往往无能为力，对于这一点 garey3等给出 了明确的证明。即便对单机排程问题，如果考虑 n个作业而每个作业只考虑加工时 间及与序列有关的准备时间时，就等价于n个城市的tsp问题。对于一般的装卸系统， 问题就变得更为复杂。 第二, 动态随机性。在实际的生产排程系统中存在很多随机的和不确定的因素， 比如作业到达时间的不确定性、作业的加工时间也有一定的随机性，而且生产系统 中常出现一些实发偶然事件，如设备的损坏和修复、作业交货期的改变等。 第三, 多目标。 实际的计划排程往往是多目标的， 并且这些目标间可能发生冲突。 oraves曾将排程目标分为基于排程费用和排程性能的指标两大类： alia. s等人将排程 目标分三类：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。这种多目标性导致排程的复杂性和计算量急剧增加。 2.2 生产排程约束分类和优化目标 aps 的目标就是追求生产计划的优化和能力的平衡，这本身是有难度的工作， 但是最难的还在于“约束”,优化和平衡的追求都是在多种约束条件之下的追求。约束 与优化成为一对最大的矛盾，甚至在特别复杂的约束下到底有没有最优，能优化到 什么程度，理论上都成为疑问。排程约束主要分为以下四类: 第一, 资源约束, 资源生产能力以及资源的使用方式。 第二, 工作条例约束, 包含工作日历及每日工作时间段。 第三, 作业级约束, 包含最早开工时间, 最晚完工时间, 作业间后继关系, 作业 间执行的先后关系, 作业的调度次序, 不同作业的资源耦合, 作业优先级等。 第四, 工序级约束, 包含工序的资源需求, 资源轴时序控制, 工序加工计划, 工 序时限, 工序时间窗口, 工序的资源可替代性。 生产排程优化目标主要就是:第一,最小化工期; 第二,实现最大限度产能利用率; 第三, 成品库存周转需要符合要求。 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 生产排程理论及优化方法 9 2.3 生产排程优化的方法 般的排程问题都是对于具体生产环境中复杂的、动态的、多目标的排程问题 的一种抽象和简化，因而一个排程算法可以通过其如何表述这些复杂性进行分类。 由于实际中生产环境是千差万别的，那么一个排程算法就应该根据其是否能适合对 应的生产环境的重要特征进行评估。 在对排程问题进行研究的方法上，最初是集中在整数规划、仿真和简单的规则 上，这些方法不是排程结果不理想就是难以解决复杂的问题。随着各种新的相关学 科与优化技术的建立与发展，在排程领域也出现了许多新的优化方法，比如神经网 络、模拟退火法、遗传算法、禁忌搜索法等，使得排程问题的研究方法向多元化方 向发展。这里将分别对这些方法进行综述。 2.3.1 数学规划方法及仿真方法 数学规划方法是将生产排程问题简化为数学规划模型，采用整数规划,动态规划 以及决策分析等方法来解决排程最优化或近似优化问题, 也称为优化排程方法。 生 产排程中广泛使用的是混合整数线性规划(mixed integer linear programming, milp)和 混合整数非线性规划(mixed integer non-linear programming, minlp)方法。 由于minlp的求解难度较大，新近的研究主要集中在构造milp问题上。典型应用 有: coxhead4使用几个经典的milp模型对炼油厂的排程优化进行建模; schuster和 allen5建立了一个线性规划模型来分配食品加工厂里的稀有资源: adelman6等人采用 整数规划技术来分配电缆生产厂里的光纤; roslof7等人开发了一种基于milp的算法来 求解生产排程和重排程(re-scheduling)问题, 并且在造纸厂和制药厂进行了应用等等3。 数学规划方法的优点是任务分配和排序的全局性比较好, 所有的选择同时进行, 因此可以保证求解凸与非凸问题的全局优化。 但是, 数学规划方法是一种精确求解 方法, 它需要对排程问题进行统一的建模。 人和参数的变化会使得算法的重用性很 差。 目前，lenstra8曾经发表过声明，对一个标准的10作业10设备问题进行求最 优解，需要在prime 2655 计算机上运行 1小时，并产生22000个结点。 对于复杂的问题，这种纯数学方法有模型抽取困难、运算量大、算法难以实现 的弱点，对于生产环境中的动态排程实现复杂，解决不了动态及快速响应市场的问 题。 因此, 对于复杂多变的生产排程来说, 单一的数学规划模型不能覆盖所有的因素, 存在求解空间大和计算困难等问题, 因而不能获得真正的实用。 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 生产排程理论及优化方法 10 在数学规划的基础上, 仿真的方法被越来越多的运用在实际排程规划实践上。 基于仿真的方法不单纯追求系统的数学模型，侧重对系统中运行的逻辑关系的描 述，能够对生产排程方案进行比较评价，分析系统的动态性能，并选择系统的动态 结构参数。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和分析。 而通过运行仿真模型来收集数据，则能对实际系统进行性能、状态等方面的分析， 从而，能对系统采用合适的控制排程方法。 仿真方法最早被用来作为测试排程启发式规则及分派规则的工具。后来，人们 发现，通过将简单的优先权规则进行组合，或用一个简单的优先权规则将一些启发 式规则进行组合，这样的排程优于单独的优先权规则。于是，仿真方法逐渐发展为 一种人机交互的柔性仿真工具，并用来进行车间排程。这样，就能通过仿真而动态 地展现 job shop 车间的状态，分析在不同的排程方法下的系统性能，并运用知识和 经验去选择合适的排程方法(规则)，从而改善排程性能。 在实际的系统中, 多数会因为过于复杂而无法以真实的模型去评估分析,因此只 能采用仿真的方法来进行, 仿真的优点在于不需要实际的进行执行, 就能提供使用 者对于尚未建立的系统或尚未实际执行的方案的相关预测, 以使能够降低新系统或 方案在实际启动时所遭遇的难题, 并增加系统与方案成功的可能性。 基于纯仿真法虽然可以包含解析模型无法描述的因素，并且可以提供给使用者 一个排程性能测试的机会，但其不可避免地存在以下问题： 1）鉴于其实验性，因此，很难对生产排程的理论作出贡献； 2）应用仿真进行生产排程的费用很高，不仅在于产生排程的计算时间上，而且 在于设计、建立、运行仿真模型上的高费用； 3）仿真的准确性受编程人员的判断和技巧的限制，甚至很高精度的仿真模型也 无法保证通过实验总能找到最优或次优的排程9。 2.3.2 基于规则的方法 对生产加工任务进行排程的最传统的方法是使用排程规则（dispatching rules） ，已经有许多排程规则被应用，因其排程规则简单、易于实现、计算复杂度低 等原因，能够用于动态实时排程系统中，许多年来一直受到学者们的广泛研究，并 不断涌现出新的排程规则。许多学者在这方面已进行了探索及大量工作，如研究与 制定较优的单元零件加工排程算法，在减少等待时间、提高生产率等诸多约束条件 下达到了一种较为科学有效的排程效果。 panwaikar和 iskadder曾经总结了 l13 条规则，并将它们按形式分为了三类：简 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 生产排程理论及优化方法 11 单规则、复合规则、启发式规则10；mmontazeii等例举了常见的20条规则，并针 对一个实际的fms，分析了这些规则对系统性能（如作业的平均等待时间、设备的 平均利用率、作业总加工时间等）的影响；有些学者将多种规则组合起来实现排程； 部分学者讨论了决策规则解决fms车间排程问题的方法与规则库的具体实现，分析 了各种规则与性能指标的关系，对如何合理地选用规则提出了建议；为了提高规则 排程的质量，还有一些专家通过分析拖期时间与两个作业排程决策间的关系，提出 了一种比较复杂的规则， 并在以拖期时间最小的目标下， 与 lst、 lpt、 ldd、 lwr、 lswr、lsor等规则作了实验比较。 随着计算机运算速度的飞速提高，人们希望寻找新的近似排程方法，它以合理 的额外计算时间为代价，换得比单纯启发式规则所得到的排程更好的排程。在这方 面比较有代表性的有移动瓶颈方法（bottle neck procedure）11，用来解决以最小化 makespan为目标的job shop排程问题，它通过不断地对移动的瓶颈设备进行单机排 程，来获取更好的次优解。 例如研究某设备生产公司，在生产设备的工站上，主要分成接单时的产品设计 与九个工站，各个工站所执行的工作皆不大相同，因此所需花费的工站时间也同， 在计算各工站花费时间上，部分工站主要是根据电子组件焊接次数计算工站时间， 部分工站则是按电板数计算工站时间，并随着电子组件焊接次数以及电板数的 同，而有所差，表1 整出各工站中，按同电子组件焊接次数及电板数对 应的工作需要时间，随着电子组件焊接次数与电板数的同，生产的工时也尽 相同，因此生产设备必须先求出各程工作时间，计算总工站时间，才能进一步求 出初步的排程结果。 表 1 的设计程部分，又可将产品分为三种规格，其中，规格1 与规格2 的产 品指的是必须花费较多时间设计的产品，规格3 的产品，指的是顾客过去曾订购 过的产品，所须花费的设计时间较短，仅须花费4 小时的设计时间。 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 生产排程理论及优化方法 12 表1 工站工作时数分析表 流程 产品类别零件焊接次数(个/小时) 电路板数 小时/片 规格1 / 10 规格2 / 16 设计 规格3 / 4 1 41 2 48 3 30 工站1 4 49 / 工站2 / / 2 工站3.1 / / 2 工站3.2 / / 2 工站3.3.1 / 个/60 工站3.3.2 / 0.5个/60 工站 3.3 工站3.3.3 / / / 1 46 2 46 3 39 工站3 工站3.4 4 45 / 1 142 2 153 3 106 工站4 4 223 3 工站5 / / 2 1 50 2 45 3 40 工站6 4 60 / 工站7 / / 4 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 生产排程理论及优化方法 13 表1 工站工作时数分析表(续) 1 127 2 151 3 156 工站8 4 111 250 4 工站9 / / 2 在进设备生产排程时，除须考虑产品的工站时间外，因各工站有各工站的 产能限制，主要的产能限制分为两大项，公司在各程所安排的工作人数限制，以 及部分工站生产线设备数的限制，因此还需要将各工站的人数与生产线数的限制 整如表2 所示。生产设备的公司将周一到周五分成为三班制，分别为早班、中班 以及大夜班，而周与周日仅有早班，