（机械电子工程专业论文）混合型生产方式车间调度建模及应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 要 在当今激烈的市场竞争环境中，为了生存和发展，越来越多的企业采用了 小批量多品种的生产方式，这种生产方式灵活多变，同时具有连续和离散的特 性，具备静态动态相结合的特征。企业为了在竞争中生存，必须努力提高生产 效率，高效地组织生产因此编制合理的生产计划，进行高效的生产调度，已 成为制造企业的当务之急。 车间调度是指在生产作业的过程中，针对运行中出现的矛盾与问题，对生 产活动与相关资源所进行的调节与协调。是指根据生产的实时数据以及历史资 料数据，现场动态的协调人员、物料、设备以最大可能的优化生产。 混合生产方式调度所构建的模型，应该满足混合性、模块化、规模的控制、 层次性、动态实时性等要求，同时还要便于仿真。 p c 扛i 网是一种可用图形表示的数学对象。借助数学开发的p c 仃i 网分析方法 和技术，既可以用于静态的结构分析，又可以用于动态的行为分析p c 仃i 网利 用图形表示组合模型，具有直观、易懂和易用的优点，对描述和分析并发现象 有它独到的优越之处 浙江某汽车零部件制造企业是典型混合生产方式的企业在了解混合生产 方式的基础上，对车间生产调度有了更进一步的认识通过分析车间调度问题 的分类及特点，并对当前流行的车间调度问题的研究方法进行了比较和选择， 最后选用p e t r i 网进行混合型生产方式车间调度的建模。构建了企业生产调度的 基本模型、静态模型和动态模型最后在这些模型基础上，完成了企业混合调 度模型的构建。 为了将理论应用于实际的生产，需要在构建数学模型的基础上，搭建出企 业调度的平台。本文最后简要介绍了开发出的调度系统。调度系统的开发，采 用了客户，服务器结构( c s ：c l i e n t s e r v e r ) 利用v i s u a lc + + 6 0 开发基于s o l s e r v e r 2 0 0 0 的数据库管理信息系统，连接s q l s e r v e r 2 0 0 0 后台用o d b c 来连接。 关键词：混合生产方式，车间调度，p c t r i 网建模 武汉理工大学硕士学位论文 n o w a d a y s m o r ea n dm o r ce n t e r p r i s e sh a v eu s e dt h es m a l lb a t c hm u l t i v a r i e t i e s p r o d u c t i o nm e t h o d i no r d e rt os u r v i v ea n dd e v e l o pw i t h i nt h ed r a s t i cm a r k e t c o m p e t i t i o ne n v i r o n m e n t 恤p r o d u c t i o nm e t h o di sf l e x i b l e s i m u l t a n e o u s l yh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so fc o n t i n u o u s l ya n ds e p a r a t e l y , a n du n i f i e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e s t a t i cs t a t ea n dd y n a m i cs t a l e i no r d e rt os u r v i v ei nt h ec o m p e t i t i o n , e n t e r p r i s e sh a v e t oe o h r l l c et h ep r o d u c t i o re f f i c i e n c ya n do r g a n i z et h ep r o d u c t i o ne f f e c t i v e l y t h e r e f o r et h e ya l et h eu r g e n tm a t t e r sf o rm a n u f a c t u r ee n t e r p r i s e st oe s t a b l i s ht h e r e a s o n a b l ep r o d u c t i v ep l a na n dc a r r yo nt h eh i g h l ye f f e c t i v ep r o d u c t i o ns c h e d u l i n g t h ei o bs h o ps c h e d u l i n gi sr e f e r r i n gt oa d j u s ta n dc o o r d i n a t et h ep r o d u c t i o na n d c o r r e l a t i v er e s o u r c e sa i m i n ga tt h ec o n t r a d i c t i o n sa n dt h eq u e s t i o n sw h i c ha p p e a ri n t h ep r o d u c t i o nw o r kp r o c e s s i tw i l lo p t i m i z ep r o d u c t i o nt h r o u g hc o o r d i n a t i n gt h e p e r s u n n e l , t h em a t e r i a l s , t h ee q u i p m e n t sd y n a m i c a l l ya c c o r d i n gt ot h er e a l - t i m ed a t a a sw e l la st h eh i s t o r i c a lm a t e r i a ld a t a 1 h es c h e d u l i n gm o d e lf o rm i xp r o d u c t i o nm e t h o ds h o u l dh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c s a sm i x i n g , m o d u l a l i z a t i o n , t h es c a l ec o n t r o l , s t r a t i f i c a t i o n 。d y n a m i ct i m e l i n e s s 。a n ds o o n , m e a n w h i l em u s tb es i m u l a t e de a s i l y t h cp e t r in e ti so n em a t h e m a t i co b j e c tw h i c hu s i n gt h eg r a p ht oe x p r e s s w i t h t h ea i do fm a t h e m a t i c sd e v e l o p m e n lp c u in e ta n a l y s i sm e t h o da n dt e c h n o l o g y 啪 u s ei nt h es t a t i cs t r u c t u r ea n a l y s i s ，a n dm a yu s ci nt h ed y n a m i cb e h a v i o r a la n a l y s i s p e t r in e tu s i n gg r a p ht oe x p r e s sc o m b i n e dm o d e lh a st h em e r i to fd i r e c t - v i e w i n g , e a s yt ou n d e r s t a n d e a s yt ou s e ，a n dh a se x c e l l e n c et od e s c r i b ea n da n a l y z ec o n c u r r e n t p h e n o m e n o n o n ea u t o m o b i l es p a r ep a r tm a n u f a c t u r ee n t e r p r i s ei st h et y p i c a lm i xp r o d u c t i o n m e t h o de n t e r p r i s e i nt h eu n d e r s t a n d i n go fm i xp r o d u c t i o nm e t h o df o u n d a t i o n , ih a da m u c hf i i l t h e ru n d e r s t a n d i n go ft h e w 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 t h r o u 吐 a n a l y z i n gt h e c l a s s i f l c a t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fj o bs h o ps c h e d u l i n g , b y c o m p a r i n ga n dt h ec h o o s i n gt h ec u r r e n tp o p u l a rr e s e a r c ht e c h n i q u e so fj o bs h o p s c h e d u l i n g , f i n a l l yis e l e c tt h ep e t r in e tt om o d e lt h em i x e dt y p ep r o d u c t i o nm e t h o d i c o n s t r u c t e db a s i cm o d e l , s t a t i cm o d e la n dd y n a m i cm o d e lo ft h ee n t e r p r i s ep r o d u c t i o n s c h e d u l i n g f i n a l l yic o m p l e t e dm i x e ds c h e d u l i n gm o d e li nt h e s em o d e lf o u n d a t i o n s 。 i no r d e rt o 叩p l yt h et h e o r yi n t ot h ea c t u a lp r o d u c t i o n , ib u f i tt h ep l a t f o r mw h i c h t h ee n t e r p r i s es c h e d u l eo nt h a ti nt h ef o u n d a t i o no ft h em a t h e m a t i c a lm o d e i s 啦 a r t i c l ef i n a l l yb r i e f l yi n t r o d u c e st h es c h e d u l i n gs y s t e md e v e l o p e d t h i ss y s t e mu s e s t h ec ss t r u c t u r e ( c s ：c l i e n t s e r v e r ) id e v e l o p e dt h i ss y s t e mu s i n gv i s u a lc + + 6 0 a n db a s e do ns q ls e r v e r2 0 0 0 ，a n dc o u n e c t e ds q ls e r v e r2 0 0 0w i t h0 d b c k e yw o r d s ：m i x e dm a n u f a c t u r e dm o d e ，j o bs h o ps c h e d u l i n g , p e t r in e tm o d e l i n g 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究目的和意义 1 1 1 现代制造业的发展趋势 ( 1 ) 现代制造业的定义及其特点 制造业是国民经济的重要组成部分，是社会运行和人民生活的物质基础。 随着现代信息技术、现代制造技术和全球化的发展，制造业的发展技术、发展 模式发生了较大的变化，出现了所谓现代制造业。在现代制造业中，计算机可 以对生产过程进行智能化控制。计算机通过各种仪器、设备适时收集生产过程 的数据，然后按照一定的数学模型进行分析判断，并根据预设的最佳标准自动 调节设备，对生产过程加以调整，实现最佳状态。如果计算机应用于各种管理 活动，就可以对管理过程中的信息进行判断、选择、分类、汇总和储存，实现 管理信息化。 现代制造业对信息化水平、企业的组织形式、经营的开放性与全球性、企 业的研究开发能力与产品的技术含量都有较高的要求一般来说，现代制造业 主要有以下特征：1 ) 充分应用和吸收当今世界现代制造技术，紧跟信息化的步 伐，并呈现出制造业与服务业既分工又融合的特点；2 ) 建立起与现代技术相适 应的生产方式和企业组织形式；3 ) 具有与全球化相适应的资源配置方式；4 ) 利 用现代信息技术，改造和集成业务流程，形成以价值链为基础的分工协作模式。 由于信息技术的发展和应用，现代制造业出现了一系列新的技术和新的生 产方式。在管理信息系统( m i s ) 的基础上，采用计算机辅助设计与制造 ( c a d c h m ) ，建立计算机集成制造系统( o m s ) ；在开发决策支持系统( d s s ) 的 基础上，通过人机对话实施计划与控制，从物料资源规划( m r p ) 发展到制造资 源规划( m r p - i i ) 和企业资源规划( e r p ) ；在生产和营销上，有集开发、生产和实 物分销于一体的适时生产o n 3 ，有不断消除浪费的精良生产，也有供应链管理 中的快速响应和敏捷制造，以及通过网络协调设计与生产的并行工程、虚拟企 业和电子商务等。这些新的生产方式把信息技术革命和管理进步融为一体，使 武汉理工大学硕士学位论文 生产方式发生了根本的变化 现代制造业的最大的特点是制造业的信息化。制造业信息化是将信息技术、 自动化技术、现代管理技术与制造技术相结合，带动产品设计方法和工具的创 新、企业管理模式的创新、企业间协作关系创新的过程制造执行系统m e s ( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ) ，是一个工厂层的信息系统，介于企业领导层 的计划系统与生产过程的直接工业控制系统之间。它以当前视角向操作人员， 管理人员提供生产过程的全部资源c 人员，设备，材料，工具和客户要求) 的数 据和信息【1 2 1 m e s 在工厂综合自动化系统中起着中间层的作用在e r p 系统 产生的长期计划的指导下，m e s 根据底层控制系统采集的与生产有关的实时数 据，对短期生产作业的计划调度、监控、资源配置和生产过程进行优化功能 模块包括工序详细调度、资源分配和状态管理、生产单元分配、过程管理、人 力资源管理、维护管理、质量管理、文档控制、产品跟踪和产品清单管理、性 能分析和数据采集等模块。在m e s 下层，是底层生产控制系统，包括d c s 、 p l c 、n c c n c 或这几种类型的组合如图1 - 1 所示为制造执行系统的三层模 型。 生产什么? 如何生产? 生产怎样? 图1 - 1 制造执行系统的三层模型 现代制造业具有以下几个特点： 1 ) 制造技术的实用性 现代制造技术最重要的特点在于，它首先是一项面向工业应用，具有很强 实用性的新技术。从现代制造技术的发展过程，从其应用于制造全过程的范围， 2 武汉理工大学硕士学位论文 特别是达到的目标与效果，无不反映这是一项应用于制造业，对制造业、对国 民经济的发展可以起重大作用的实用技术。 2 ) 先进制造技术应用的广泛性 现代制造技术相对传统制造技术在应用范围上的一个很大不同点在于，传 统制造技术通常只是指各种将原材料变成成品的加工工艺，而现代制造技术虽 然仍大量应用于加工和装配过程，但由于其组成中包括了设计技术、自动化技 术、系统管理技术，因而则将其综合应用于制造的全过程，覆盖了产品设计、 生产准备、加工与装配、销售使用、维修服务甚至回收再生的整个过程。 3 ) 制造技术的动态特征 由于现代制造技术本身是在针对一定的应用目标，不断地吸收各种高新技 术逐渐形成、不断发展的新技术，因而其内涵不是绝对的和一成不变的。 4 ) 制造技术的集成性 传统制造技术的学科、专业单一独立，相互间的界限分明；现代制造技术 由于专业和学科间的不断渗透、交叉、融合，界线逐渐淡化甚至消失，技术趋 于系统化、集成化、己发展成为集机械、电子、信息、材料和管理技术为一体 的新型交叉学科 5 ) 制造技术的系统性 传统制造技术一般只能驾驭生产过程中的物质流和能量流随着微电子、 信息技术的引入，使现代制造技术还能驾驭信息生成、采集、传递、反馈、调 整的信息流动过程。现代制造技术是可以驾驭生产过程的物质流、能量流和信 息流的系统工程。 。 6 ) 现代制造技术要实现优质、高效、低耗生产 现代制造技术的核心是优质、高效、低耗、清洁等基础制造技术，它是从 传统的制造工艺发展起来的，并与新技术实现了局部或系统集成，其重要的特 征是实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产。 7 ) 现代制造最终的目标是要提高适应力和竞争力 为确保生产和经济效益持续稳步的提高，能对市场变化做出更灵捷的反应， 以及对最佳技术效益的追求，提高企业的竞争能力，现代制造技术比传统的制 造技术更加重视技术与管理的结合，更加重视制造过程组织和管理体制的简化 以及合理化，从而产生了一系列先进的制造模式。 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 现代制造业的发展趋势 1 ) 信息技术对现代制造业的发展起着越来越重要的作用 信息化是当今社会发展的趋势，信息技术正在以人们想象不到的速度向前 发展信息技术也正在向制造技术注入和融合，促进着制造技术的不断发展。 信息技术促进着设计技术的现代化，加工制造的精密化、快速化，自动化技术 的柔性化、智能化，整个制造过程的网络化、全球化各种先进生产模式的发 展，如c i m s 、并行工程、精益生产、灵捷制造、虚拟企业与虚拟制造，也无 不以信息技术的发展为支撑。 2 ) 设计技术不断现代化 产品设计是制造业的灵魂。现代设计技术的主要发展趋势是：设计手段的 计算机化；新的设计思想和方法不断出现，如并行设计、健壮设计 ( r o b u s td e s i g n ) 、优化设计( o p t i m a ld e s i g n ) 、反求工程技术( r e v e 嫩e n g i n e e r i n g ) 等；向全寿命周期设计发展，要通盘考虑包括设计、制造、检测、销售、使用、 维修、报废等阶段的产品的整个生命周期；设计过程由单纯考虑技术因素转向 综合考虑技术、经济和社会因素等 3 ) 成形及改进制造技术向精密、精确、少能耗、无污染方向发展 成形制造技术是铸造，塑性加工、连接、粉末冶金等单元技术的总称。成 形制造技术正在从制造工件的毛坯、从接近零件形状m c 盯n e ts h a p ep r o c e s s ) 向直接制成工件精密成形或称净成形( n e ts h a p ep r o c e s s ) 的方向发展 4 ) 加工制造技术向着超精密、超高速及发展新一代制造装备的方向发展 出现了很多新的技术，比如超精密加工技术、超高速切削等。 5 ) 工艺由技艺发展为工程科学，工艺模拟技术得到迅速发展 现代制造业的一个重要发展趋势是，工艺设计由经验判断走向定量分析， 加工工艺由技艺发展为工程科学。工艺模拟也发展并应用于金属切削加工过程、 产品设计过程。最新的进展是在并行工程环境下，开展虚拟成形制造，使得在 产品的设计完成时，成形制造的准备工作( 如铸造) 也同时完成。 6 ) 专业、学科间的界限逐渐淡化、消失 现代制造业的不断发展。在冷热加工之问，加工、检测、物流、装配过程 之间，设计、材料应用、加工制造之间，其界限均逐渐淡化，逐步走向一体化。 例如，c a d 、c a p p 、c a m 的出现，使设计、制造成为一体。这种趋势表现在 4 武汉理工大学硕士学位论文 生产上是专业车间的概念逐渐淡化，将多种不同专业的技术集成在一台设备、 一条生产线、一个工段或车间里的生产方式逐渐增多。 7 ) 虚拟现实技术在制造业中获得越来越多的应用 虚拟现实技术( v i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y ) 主要包括虚拟制造技术和虚拟 企业两个部分。虚拟制造技术是在产品真正制出之前，首先在虚拟制造环境中 生成软产品原型( s o f tp r o t o t y p e ) 代替传统的硬样品( h a r dp r o t o t y p e ) 来试验。 虚拟企业是为了快速响应某一市场需求，通过信息高速公路，将产品涉及 到的不同企业临时组建成为一个没有围墙、超越空间约束、靠计算机网络联系、 统一指挥的合作经济实体。 8 ) 信息管理技术与工艺技术紧密结合，先进制造生产模式获得不断发展 制造业在经历了少品种小批量少品种大批量一多品种小批量生产模式的 过渡后，7 0 年代、年代开始采用计算机集成制造系统( c 讧s ) 进行制造的 柔性生产的模式，并逐步向智能制造技术( n 垤t ) 和智能制造系统( i m s ) 的方 向发展。精益生产( l p ) 、灵捷制造( a m ) 等先进制造模式相继出现7 1 1 2 课题的研究目的和意义 在生产过程中，由于存在计划的制定和执行误差，生产和装配分别按照自 己的计划进行生产，必将造成零部件库存需求与供应的不一致，产生不合理的 库存现象另外即使没有上述误差，由于信息共享存在问题，加工工段往往不 知道哪一种零部件在装配生产中的需求最急，缺乏准确的动态调度依据，也会 导致生产不匹配的问题。这些问题通过恰当的加工工段生产现场调度来解决 德国汉诺威大学生产系统研究所曾对6 个不同行业的企业做过调查。调查 结果表明：工件实际加工时间在总加工周期中占不到1 5 ，而8 5 以上的时间 用于等待、搬运和排队，因此通过组建高效的信息收集、处理系统和开发先进 而实用的调度和控制算法已为越来越多的企业所共识，新的调度算法和调度工 具的研究越来越受到关注制订合理的生产计划和管理物流，使销售与生产更 加协调，使生产活动更加有效，使生产成本更加合理，使物流过程更加优化， 让顾客满意度提高和企业竞争力提升 客户的需求千变万化，技术创新的速度不断提高，产品生命周期不断缩短， 市场竞争日趋激烈。这一切构成了影响现代企业生存与发展的三种力量：顾客、 5 武汉理工大学硕士学位论文 竞争和变化( c u s t o m e r , c o m p e t i t i o n , c h a n g e ) 即3 c 旧时的大量生产方式已不 能使企业适应以3 c 为特征的外部环境，多批少量生产成为现代制造业最明显 的特征川；同时，根据顾客的需求，进行客户化的生产将成为未来生产的基础。 因此，生产计划管理和控制已经成为实业型企业必须给予足够重视的内容 一个有效的生产调度是生产对客户需求的一种承诺，它充分利用企业资源， 协调生产与市场，实现生产计划大纲中所表达的企业经营目标。生产调度在计 划管理中起“龙头”模块作用，它决定了后续的所有计划及制造行为的目标。通 过有效的计划编制和产能详细调度，在保证客户商品按时交付的基础上，可以 使生产能力发挥到最大水平。 调度是企业生产的指挥中心，它按计划安捧、协调、维持整个企业的生产 过程，各个生产环节又及时将生产实时信息传给它。综合调度管理系统的目标 是：实时地收集各生产部门的业务信息，及时提供所需数据、报表。把企业内 部调度数据集成到一个信息管理平台之上，并以提供统一的用户界面，帮助企 业快速地建立企业对上级企业、企业对管理者、企业对操作员工的信息平台， 及时共享业务数据，以实现协同生产。而实际生产调度中的目标大体可分为： 1 ) 能力最大化 使生产能力达到最大，使开发和生产的时间尽量减到最少； 2 ) 成本最低化 使生产过程中的原材料投入降到最低，尽量减少浪费，使人力资源达到很 好的搭配，在满足生产目的的前提下，尽量减少成本的投入； 3 ) 客户满意度最大化 合理排产，尽量避免交货延迟；灵活生产，满足客户多变的需求。 1 2 国内外研究现状与存在的问题 混合型生产系统是典型的混杂动态系统( h y b r i dd y n a m i cs y s t e m ，简称 h d s ) ，系统中同时包含了相互作用的连续时间部分和离散事件部分。混杂动 态系统的概念是在1 9 8 6 年的美国控制高峰会议上提出来的，它是离散事件动态 系统研究领域和过程控制研究领域的一个新的生长点，并被公认为对生产过程 自动化、机器人控制、自动化调度、交通控制等一系列工程技术问题具有重要 的指导意义【4 】。 6 武汉理工大学硕士学位论文 随着对复杂系统研究的深入：人们开始认识到一种由离散事件与连续系统 交互作用的一类混合系统问题的重要性和挑战性，这类混合系统是由于d e d s 中多种运行形态导致多模型集成而形成的。近十余年来，由于计算机集成制造 系统( c d s ) 、通讯和计算机网络、军事指挥中的c 3 i 系统和大型交通控制系 统等高新技术领域的推动和支持，混合系统理论和应用的研究得到了蓬勃发展 一个混合动态系统具备的特征包括：1 ) 系统中同时包含按照离散事件系统 机制演化的离散事件和基于连续变量系统规律变化的连续变量，系统状态的演 化过程式一种“混合”运动过程2 ) 系统中离散事件和连续变量之间依据某种规 则产生相互作用，离散事件过程和连续变量过程是互为约束的。3 ) 系统的状态 变化是随时间二演化的，即系统具有一个动态系统的基本特征。 在对调度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，这些方法不是调度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，在调度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，使得调度问题的研究 方法向多元化方向发展 企业信息化系统应用程度较低我国企业信息化进程一般分为信息基础建 设、企业一体化的集成管理、外部资源的利用和建立基于互联网的电子商业社 区四个基本步骤来实现。主要表现在：p d m 、e r p 、c i m s 等信息化系统应用 程度较低；企业对于通过网络与供应商或者客户之间建立系统的业务集成还没 有具体的规划；企业在产品研发、财务管理、办公自动化等领域信息化程度较 高，在供应链管理、电子商务、客户关系管理等方面信息化水平较低。 从国内外研究的现状来看，目前对此类问题的研究还存在着如下问题： ( 1 ) 由于混合生产过程的复杂性，现有的建模技术各有优缺点，目前很难 对其建立一个很有效的模型，为增强对制造过程的描述能力和功能实现能力， 车间生产过程建模技术的发展趋势主要有以下几个方面： 面向对象技术与常用建模方法的融合( 如面向对象技术与p e t r i 网技术 的结合) ，以保证模型具有良好的可扩张性和可重用性； 开发以某一视图为主的，其它视图为辅的集成化建模方法，运用多种模 型从多个角度对系统进行描述； 智能技术在建模过程中的运用，如模糊技术、神经网络模型、a g e n t 技 术等： 7 武汉理工大学硕士学位论文 可视化的动态建模技术的研究 ( 2 ) 正如前面所述，在车间调度领域中的大部分问题都具有n p 难特性， 虽然对它的研究已有几十年的历史，但至今尚未形成一套系统的方法和理论， 理论研究与实际应用之间还存在着很大差距实际应用中的调度方法能够响应 系统的动态变化，但不能保证得到好的调度结果。一些理论上的最优化方法能 提供最优调度结果，但由于其计算复杂性，并且忽略了很多实际因素，离实际 运用还有较大差距l “j 。 1 3 本文的主要研究内容 以中小型汽车零部件制造商的车间调度为研究对象，构建出混合方式生产 企业的混合生产调度的通用模型。中小型汽车零部件制造业的生产方式具有动 静态特性相结合的特点，也就是一种混合生产方式，兼有连续性和离散性的特 点 在生产调度问题的基础的静态模型上，构建出完整的一般生产调度问题动 静态混合柔性生产调度通用模型，形成一个完整的闭环模型，用于指导企业实 际生产调度。具体研究内容如下： 1 ) 基本的模型是混合生产调度通用模型的基础，首先建立诸如缓冲区模型、 并行与同步模型等基本模型。 2 ) 在建立企业生产过程调度基本模型的基础上，建立出企业生产的静态模 型和动态模型，继而构建出其混合型生产方式调度问题的模型。 3 ) 在建立混合调度模型后，构建出实际的混合生产方式调度系统 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章车间调度的理论研究和方法 2 1 混合型生产方式概述 2 0 世纪初，以“福特制”为代表的大量生产方式揭开了现代社会化大生产的 序幕，该种生产方式所创立的生产标准化原理、作业单纯化原理以及移动装配 法原理等奠定了现代化社会大生产的基础，至今仍是制造企业的主要生产方式 之一传统生产管理模式是“以产品为中心”组织生产，“以调度为中心”控制进 度的管理方式，是与少品种大量生产方式相适应的 制造业采用的生产类型，从总体上可以分为两大类：离散型( d i s c r e t e ) 和连 续型( p r o c e s s ) 。如图1 2 所示为企业生产过程分类： 图2 - 1 企业生产过程分类 ( 1 ) 离散型生产 对于分组或成批制造的装配件，可以使用离散生产方法。可以使用任务名 称、任务类型、装配件、任务量、起始日期和终止日期来定义任务。对于非标 准离散任务，可以选择输入装配件和任务量。 可以使用装配件物料清单来创建任务物料需求；还可以使用工艺路线计划 任务生产活动，并创建与工序相关的物料和资源需求。 在离散生产中。生产成本通常会被计入任务，这就是所谓的任务成本计算 方法。您可以打开任务、收集费用、关闭任务，以及按任务来分析并报告成本 和差异。 离散型生产小制造、大装配为主。即大部分零件外协、外购、企业内部生 产关键零件，进行装配和测试。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 连续型生产 连续生产是一种创新的制造方法，它使生产和客户需求同步流式制造采 用了“及时，( j r d 概念，如按需求制造( 与预测相对) 、产品系列的生产线( 与 流程设计相对) 、使用看板拉动物料( 与推动物料相对) 、完工时倒冲物料和成 本( 与在每道工序倒冲物料和成本相对) 等等【堋其结果是分别有助于减少库 存、优化设备利用率、缩短对客户需求的回应时间以及简化车间活动。 要准备实施流式制造，您需要对生产线和生产流程进行设计，以便使每条 生产线都能够以稳定的生产率生产出同一系列的不断变化的产品组合。流式制 造生产线应设计成能够在同一生产线内部混合生产同一系列的多种产品生产 线设计包括将产品组成系列，定义生产每种产品所需的流程和事件，以及将事 件组合为工序。通过指定每种产品的需求率，您可以预测生产线能力。作为生 产线设计的一部分，您可以指定产品的需求预测、导出t a k t 时间( 也称为工 序循环时问) 以及计算最恰当的看板数量。 从极端的离散型生产到完全的连续型生产，根据g a r t n e r 集团1 9 9 7 年e r p 软件供应商指南中的分类，又可以细分为六种生产类型。 按订单设计( e n g i n e e rt oo r d e r ，简称f r o ) 或按项目设计衄g m e 钉t o p r o j e c t ) 按订单装配( a s s e m b l et oo r d e r ，简称a _ r o ) 或按订单制造( m a k et o o r d e r ) 按库存生产( m a k et os t o c k ，简称r r s ) 重复生产( r e p e t i t i v e ) 批量生产( b a t c h ) 连续生产( c o n t i n u o u s ) 在当今快速多交、竞争日趋激烈的市场环境中，为了生存与发展，越来越 多的企业采用了小批量多品种的生产方式。另外，位于供应链环节中的分包地 位的公司由于客户压力，和市场变动的因素，不得不被强行推向小批量多品种 的生产方式。由于小批量多品种生产具有产品种类多、生产过程变动性大、生 产效率低，设备调整苦难、设备复杂度被动提高，外界条件不确定、生产的实 施与控制动态化等特征，制造业企业在组织多品种小批量生产时，必须改变传 统的生产运作管理方式，采用与之相适应的现代生产管理方法。 武汉理工大学硕士学位论文 企业生产产品的批量及生产方式，又决定了企业的生产组织方式。其生产 组织方式为： 订货生产方式；它是根据用户提出具体订货要求后，才进行产品设计、 工艺设计、物资采购、计划安排和生产制造等工作此类企业生产出的产品在 品种规格、数量、质量、性能和交货期等方面是各不相同的，并按客户合同规 定的时间向用户交货，其成品存储很少。 库存生产方式：它是在对市场需求量进行预测的基础上，有计划地进行 生产，产品有一定的库存。销售以库存产品为主，并通过生产不断补充库存。 混合生产方式：它是上述两种生产方式的结合，在一个企业中有些产品 按客户订单组织生产，有些产品按市场预测结果组织生产 企业是随着市场发展而变化的，而市场是以用户需求为驱动的。用户多样 化、个性化的需求，使得企业不能再像以往那样大批量的生产同一种产品而 由大批量逐渐趋于小批量，并且小批量很可能成为单件生产在这样的市场环 境下，要求企业提供的上层产品种类会越来越多，相应的设计、制造会越来越 复杂，成本也会越来越高 但是时代进展到今天，一方面，在市场需求多样化面前，这种生产方式逐 渐显露出其缺乏柔性，不能灵活适应市场需求变化的弱点；另一方面，飞速发 展的电子技术、自动化技术，以及计算机技术等，从生产工艺技术以及生产管 理方法两方面，使大量生产方式向多品种、中小批量生产方式的转换成为可能。 因此，大量生产方式正逐渐丧失其优势，而多品种、中小批量混合生产方式将 越来越成为主流。但是，生产方式的这种转变使得在大量生产方式下靠增加批 量降低成本的方法不再行得通。生产管理面临着多品种、中小批量生产与降低 成本之间相矛盾的新挑域，从而给生产管理带来了从管理组织结构到管理方法 上的一系列新变化，为生产管理学也提出了一系列新的研究课题。 2 2 车间调度的含义 广义地讲，调度问题考虑的是随着时间的变化，如何调度有限的资源在执 行任务的同时满足特定约束。资源可能就其本质是很不相同的，如人力、金钱、 机器、工具、材料、能源等掣2 7 】。任务也可以有很大的不同，从制造系统的机 器划分到计算机系统的信息处理等。一项任务通常可以由下面的因素来表示特 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 征：完成时间、预期时间、相对紧急权重、处理时间和资源消耗。 车间调度的含义，是指在生产作业的过程中，针对运行中出现的矛盾与问 题，对生产活动与相关资源所进行的调节与协调。是指根据生产的实时数据以 及历史资料数据，现场动态的协调人员、物料、设备以最大可能的优化生产 车间调度就是对一个可用的加工机床集在时间上进行加工任务集分配，以满足 一个性能指标集从数学规划的角度看，车间调度问题可表示为在等式或不等 式约束下，对目标函数的优化典型的车问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，各操作的加工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；每台机床可加工工件的若干操作，并且在 不同的机床上能加工的操作集可以不同。调度的目标是将作业合理地安排到各 机床，并合理地安摔作业的加工次序和加工开始时间，使约束条件被满足，同 时优化一些性能指标实际制造系统，还要考虑刀具、托盘和物料搬运系统的 调度问题。因此车间调度不但要考虑作业调度问题，同时还应该考虑资源的有 效分配问题。 车间调度的内容包括：1 ) 车间进度的调整与平衡；2 ) 在制品占用量的调 整与控制；3 ) 生产技术准备的督促与协调；4 ) 劳动力的合理调配；5 ) 生产中 物资供应的控制与调剂；6 ) 生产设备运行的调整与控制；7 ) 厂内运输的调配 与协调 2 3 车间调度问题的分类及其特点 2 3 1 车间调度问题的分类 车间调度问题的分类方法很多，依据不同的标准，可以有不同的分类。 1 ) 就生产方式而言，分为开环型( o p e ns h o p ) 和闭环型( c l o s e ds h o p ) 开环调度问题，也称加工排序问题，它本质上只研究工件的加工顺序，其中订 单均来源于顾客，不考虑库存的设, - re 1 9 1 。闭环调度问题除研究工件的加工顺序 外，还涉及各产品批量大小的设置，即在满足生产工艺约束条件下寻找一个调 度策略，使得所确定的生产批量和相应的加工顺序下的生产性能指标最优，其 中顾客需求的产品均由库存提供，生产任务一般只由产品存储策略来决定； 2 ) 根据加工系统的复杂度，分为单处理机、多处理机、f l o ws h o p 和j o b 武汉理工大学硕士学位论文 s h o p 单处理机调度指只有一条指令流水线，只有一个多功能的操作部件，每 个时钟周期“取指令”和“分析”完成一条指令多处理机调度指将作业或任务分 配给指定的处理机，并要求在指定的时间内完成。调度算法的一般目标是：使 用最少的处理机、在最短的时问内完成并行程序的执行任务。在处理机器数目 固定时，要改进处理机分配和进程调度算法，尽量减少并行程序的执行时间。 f l o ws h o p 一般是大批量生产车间或具有连续生产布局的车间。车间的布局，即 机器、工作台及装配线等等的排列方法，便于工件的流动，各工件加工路径一 致一般说来，j o bs h o p 工段或工作中心是围绕着不同类型设备或工序来组织 的，如机床、装配线等，各工件加工路径不一致 3 ) 根据性能指标，分为基于调度费用和基于调度性能的指标； 4 ) 根据生产环境的特点，可将调度问题分为确定性调度和随机性调度问题 确定性调度是按照确定的条件，以实现性能最优化随机性调度是按照动态出 现的条件，力图获得性能最优化； 5 ) 根据作业的加工特点，可将调度问题分为静态调度和动态调度。静态调 度是指所有待安排加工的工作均处于待加工状态，因而进行一次调度后、各作 业的加工被确定、在以后的加工过程中就不再改变；动态调度是指作业依次进 入待加工状态、各种作业不断进入系统接受加工、同时完成加工的作业又不断 离开，还要考虑作业环境中不断出现的动态扰动、如作业的加工超时、设备的 损坏等因此动态调度要根据系统中作业、设备等的状况，不断地进行调度。 实际调度的类型往往是j o bs h o p 型，且是动态的； 6 ) 按照生产有无次序性，调度问题又分为有序加工调度和无序加工调度。 2 3 2 车间调度问题的特点 现代车间调度问题多是j o bs h o p 型，其调度问题有如下特点： ( 1 ) 建模复杂性 建模主要研究调度模型、调度规则、目标函数，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，因而建模相当复杂。 ( 2 ) 计算复杂性 武汉理工大学硕士学位论文 由于调度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 往是卜咿完全问题，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g a r e y 等给出了 明确的证明。即便对单机调度问题，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问时，就等价于n 个城市的髑p 问题。对于一般 的装卸系统，问题就变得更为复杂。 ( 3 ) 动态随机性 在实际的生产调度系统中存在很多随机的和不确定的因素，比如作业到达 时问的不确定性、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，修复、作业交货期的改变等。 ( 4 ) 多约束性 生产车间中资源的数量、缓存的数量、工件的加工时间和加工顺序都是约 束此外还有一些人为的约束，如要求各机器上的负荷平衡等等 ( 5 ) 多目标性 实际的计划调度往往是多目标的，并且这些目标间可能发生冲突o r a v e s 曾将调度目标分为基于调度费用和调度性能的指标两大类：讥s 等人将调度 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调度的复杂性和计算量急剧增加 2 4 车间调度问题的研究方法 就目前车间调度方法而论，有数学规划法、人工智能、神经网络，遗传算 法、邻域搜索、离散事件动态系统解析模型、启发式规则、模糊逻辑、分枝定 界法和基于仿真的方法等等。 ( 1 ) 数学规划方法( m a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n g ) 数学规划法在车间调度中被广泛应用，调度问题可以用整数规划法、混合 整数规划法和动态规划法来描述。由于调度问题是n p 问题，计算的复杂性使 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 得这些方法的运用受到限制 分解技术 有学者提出了一套基于数学规划问题的方法将车间控制分成两层，上层 详细说明每个零件加工的最早开始时间和最迟结束时间，考虑各子问题之间的 约束关系，下层通过对所有工序的细致排序来细化上述的时间限制，考虑各子 问题内的约束。 枚举方法与拉氏松弛法( l a g r a n g er e l a x a t i o n ) 在整数规划中，应用最多的是分枝定界法和拉氏松弛法。前者是一种枚举 方法，对于较大的调度问题，要花费很大的时间，其主要存在的问题是整数约 束