（系统工程专业论文）制造链协同作业调度方法研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 制造链是供应链的一条重要子链，研究制造链环境下企业的协同作业计划与调度方 法问题可以填补供应链管理理论上的不足，完善其理论与方法体系，提高我国制造企业 在新的市场竞争环境下的生产管理水平，因而具有重要的理论和现实意义。 论文针对制造链环境下，各节点企业在制造过程中协同作业的需求，给出了制造链 的概念，并重点研究制造链上下游节点企业间的协同作业调度问题，提出了一种基于分 解一协调的协同作业调度方法，给出了基于生产能力的任务分配算法，以及制造链企业 协同调度软件原型系统实现；在此基础上，针对制造链订单任务调度、制造过程管理等 典型的制造链协同调度问题，进行了仿真研究。论文的主要内容如下： 首先，讨论了论文的研究背景，概述了供应链协同作业和生产计划调度方法的概念 以及相关问题的研究现状。 其次，针对制造链协同调度方法进行研究。首先以汽车制造业为例说明制造链在供 应链中的重要性并由此给出制造链的概念，分析了制造链协同调度问题的特点，提出了 基于分解一协调的协同调度方法。 再次，给出了由协调中心和多个节点企业构成的制造链协同调度系统的层次控制结 构，给出了协调中心和多个节点企业的功能模型和运行机制、策略；设计了基于生产能 力的任务分解算法，进行了算例分析：给出基于作业成本的制造链协同作业分配调度问 题模型，并设计了基于拉格朗日松弛算法问题调度优化算法。 最后，基于j 2 e e 开发平台，研究开发了制造链协同作业调度软件原型系统，重点 讨论了系统总体目标设计、功能需求分析、系统的数据库逻辑设计、系统功能模块分析 等原型系统开发关键问题，进行了仿真实验研究。 关键词：协同作业调度，制造链，协同作业优化 制造链协同作业调度方法研究 ，i ks t u d yo nc 0 0 p e r a t i v e 0 p e m t i o ns c h e d u l i n gi i lm 锄u 缸c t i l r i n g c h a i | i m 朗u 自c t l | r i n g c h a i n i s 蚰i m p c i 姗tb r 龇c h o f 船鲥伸峥c h a i n ，i t 咖础t h e l h 删 d e f i c i 伽i c yo f 踟弭i l y 蛐m 锄a g 研n tt os t i l d yt h e 部惦倘o l 煳咖哪吼州p l 锄n i n g a n d b 础l 峙n gm c t h o dp r o b l e mm d t 玎m 出m 自c t u r i n gc h a i na l v i 加咀m 钮a n dp t 玎f b c ti 乜 t k 唧雠d m e l b o ds y s t e m 踮di m p m v et h em 锄m f a c m f i i l gm 卸哦r a n e n tl 删do f 叫咖 m 删删钿埘n g 既她师妇，硒a 陀s u n ，i th 嬲明f t a i n 也巧姐dp i 铖缸c a ls i 罂山i c 撇 t b e 血e s i sh a sb r o 咄删也c 删o f m e 瑚耐础i | r i n gc h a i n 蹴o r d 啦t o t h e c 0 0 呻蜘。删麟i g n n 删o f t h ee v 叼n o d e 哪e i p f i 辩i n 脚即嘲u 妇t h e m 舡阳自c t l l 曲l a j 咀a 而加衄e m a n dp l i o r i _ t y 砷舶c o o p t 髓虹v eo l 啪d o n h e d t l l i n g p f o b l 锄妇i n g 掣慨锄a n d 幽砌恤锄n o d e 州螂t b e 嫩嘣蛐c _ b a i n a n d h a sp f o d u dc o q 删v e0 p 吼洳k 蛐gm c t h o db 哩i s c d 蛆t h ed e 邺c 伽p 枷鸭 锄dh a v eg i 啪t h c 协呔戚掣叫【眦a l g o r i l h mb a s c d 明弘o 重i l a b i n t y 柚dt h c 班o t o t y p e 掣蜘r e a l i z a l i o ft h cm 卸h c 嘣n gc h a i n 酬岫l p d 辩o p e 硎v eo l 棚蛀o n 骶k d m i n g ； 1 k 幽m i i l a t i o nw 鹳谢e do mb 毫i s e d 觚伽l r d i n gt oc l 础m 珊m 自c t i l r i n gc h a i nc o l o l 弦瑚血吧 咖妯e d u i i n g 印b 蛔硫l l l d i n g 妇鼬础s c h 枷i i n ga n d 黜呻嬲 a d n l i n i 暑由旧矗o ne t c 飚姆，t h c 也e s i s 瑚e a r c h b a c k g r o m d i 3d i s 哪s c d i n t b i s p 冁t h e 湖咧a n d 咖舢 s t i l d ys i t l l 如b o l l ho f m 锄缸= t i 】i i l l gc h a i nc o q 硝妇o p e 蒯o n a n do p e 蒯o n p l a i l n i n ga n d h c d l l l i n g 玳m m m l a r i z e d s 船蛐，s t i l d ya i m s 砒m m m 自c 僦n go h a i n 1 0 l 咖h e d l l l m gm “h o d t m m o t o r 硫h 珞时蠲饯托1 p l ef i i s ls h o 耐n gt h ef i l | 诎衄髓t a l 姆“m 咖面c n 疵唱c h a i ni n 蛐卵l y c h a i na n dg i v e o l i t l h c m 圳妇c t i l r i n g 涮n 删血c p 印凹h a s 锄l y z c d t h e 幽眦蜘疵 o f 伽曲咖诹c h a i nc 0 0 p c r 细e 妯e d u i i n g 鼬i e m ，锄dt h e n i th a ss u 辨s t c da l o i 删v e h c 曲m n g 删h o db a s e 山嬲蛐p o s e - o l 枷傩m o 出 岫t h c 脚盯h a sg i 咖t h e 鲫啪lh i 吣o f 曲删蛐删n 似胁 础e d u i i n gs 肿蛐咖啦s c do f a 咖p c r m wc 伽n e 鲫d 哪e r a ln o d ee n i c 删s e s a n d a l s og i 、，i n g 如n c d o nm o d d s ，姗m k m i 蛐a n d 蚰哦e 盯o f 恤c 0 叫撼硼c e m a n dn o d c i i a 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保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：醯导师签名：量圭逸日期：丝! 主：坐 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 论文研究背景 随着全球化市场竞争的日趋激烈，传统的制造模式发生了巨大的变化产品的制造 不再局限于某个企业内部，而呈全球化分布的趋势，表现在多个企业之间以相互支持的、 利益共享的方式，就产品的设计、制造、供应、销售、运输等需求进行分工与合作这 样，物理上分布的企业结成制造联盟，使得他们得以更接近客户、将自身精力和能力集 中在其核心的、少数产品类型上，更有效地组织生产、更快速地响应市场的变化，从而 及时抓住市场机遇、实现多赢 通过企业之间的合作，企业将资源的利用延伸到本企业以外的其它地方，企业的管 理行为也需要随之向企业外扩展由于企业问的合作行为涉及企业管理的不同方面，传 统的生产管理与控制思想已经不能满足这种新形势下的需求为此，人们提出了虚拟企 业( v i m l a le 玎：t e i 弘酞) 【、延伸企业( d 【咖de 玎：t e l p f i 船) 田和供应链管理( s i i p p i yc h 疵垆l 等新的分布制造模式与管理思想j a g d 钾衄dm b e n 【4 】着重从双边关系的角度对企业的 合作进行了较深入的分析，并对上述三种企业合作模式进行了比较研究依据合作的深 度和范围，企业间的合作可以建立在企业管理的不同层次，这涉及到企业问的信任程度、 合作方式和合作过程关系 然而，上述三个概念及其他类似的制造模式所表达的企业合作模式主要涉及企业在 管理战略层( m a 嘲如l e v e l ) 的合作问题，并主要关注于企业合作过程的经济和商务方 面，没能包含深层次的合作过程细节最近，w 盟g ，y 1 m g 锄di p 提出了一种新的企业合 作模型，称之为“以网络连接的制造系统”( n 珏僻，n 曲 r o r k e dj o i n tm 锄怕c t i i 吧 s y s 自锄) ，强调企业在战术层的合作( 协c t i c a ll e 垤i ) 他们认为，为提高企业合作的有 效性，除经济方面的原因外，企业问在制造过程的合作需要深入和加强，应更多地涉及 合作伙伴的制造行为细节嘲 确实，无论企业间以什么样的方式合作，也无论合作联盟是以什么样模式运行，是 虚拟企业、扩展企业还是供应链，销售给顾客的产品或服务，其特征和质量在很大程度 上取决于合作联盟中的所有企业及其相关制造资源能否彼此协同、相互配合、协调工作 制造链协同作业调度方法研究 合作企业间的协同通常可通过两种方式实现。一种是信息和数据交换，但这只是贸易伙 伴问协同的一种有限方式；另一种重要的方式是合作企业为共同的产品以及产品的制造 过程进行协同规划和协调管理，其目的是提高整个合作联盟的利益，避免因片面追求局 部的利益而伤害整个联盟利益 为提高制造企业协同与合作的性能，一些学者提出将制造行为与其他相关活动作为 整体进行优化的解决方案，例如，生产计划与库存控制、销售与供应、生产与销售、库 存与销售，等等。还有一些学者指出，如果由联盟企业共同规划企业的生产能力、 生产产量、生产成本、粗生产计划、交货期等将极大地有利于以较低的价格和较高的服 务水平为客户提供满意的产品和服务【1 0 1 n 。因为在产品制造协同过程中，各制造企业的 制造行为是相互关联、相互影响的，一些企业资源成为其他企业，资源的临时或长期的 制造服务需求商或提供商，如果各伙伴企业仅以自身的产能情况为依据安排生产，不考 虑其上下游的生产状况，往往会造成上游单方面供应过多或不足、以及下游无法及时处 理物料或缺料停产等问题，造成制造流程的壅塞或中断，影响整个制造联盟及其内部各 制造系统的性能另外，如果某个工件制造任务分配到某个工厂后，一旦开始加工后， 由于生产工艺或经济方面的原因，往往不能再将这个在制品移到其他工厂进行生产。因 而，与传统的单一企业管理控制问题相比，合作企业的协同调度问题更复杂：建立有效 的合作企业协同调度机制，改普制造链上各制造资源的供需配合，成为亟待解决的问题。 然而，从目前所掌握的资料来看，相关的研究成果还很少 1 2 研究的目的与意义 制造系统作业调度问题一直是理论与应用研究的热点也是难点问题。在企业联盟环 境下，分布在制造网络各节点上的制造资源( 制造企业、工厂、车间) 之闻既有合作又 有冲突，要求其调度系统既要具有常规的优化能力，还要具有敏捷反应及柔性适应能力l 既要处理好作业与资源的优化匹配与管理、控制闯题，还要处理好异地制造资源的协同 与协调闯题，因而进一步增加了问题求解与处理的难度 为此，本文将以产品为纽带、靠网络连接的企业合作联盟作为一个整体系统，针对 企业问在产品制造过程的合作，建立了制造链的概念，并重点研究制造链上下游制造资 沈阳工业大学硕士学位论文 源的协同作业调度问题，研究建立有效的协同作业调度方法与优化策略，使上下游企业 的制造行为有效衔接，使制造过程能够平稳、顺畅，从而有效降低制造和库存成本、提 高资源利用率。 本文的研究工作不仅具有理论意义，也同样具有重要的实际意义。随着制造业的全 球化，很多制造企业的生产散布世界各地，同样，我国包括辽宁很多企业的产品制造过 程也呈现出协同制造的特征例如沈阳机床集团，其产品的制造往往需要由分布在沈阳 几个厂区的各制造分厂、以及集团跨国并购的德国希斯公司下属分厂、战略重组的云南 c y 集团有限责任公司及其下属制造车间和分布在全国各地的配套企业共同完成为完 成某客户订单任务，常常要在集团内外诸多制造车间之间进行中长期或临时的项目合 作，实现异地、分布、协同制造。还有更多企业，作为国内外其它企业的制造服务提供 商，为其他企业提供配套产品或部件然而，目前这类企业大多还沿用传统人工，半火卫 的方法进行生产过程管理与控制，缺乏科学有效的高级计划方法和工具的支持，这成为 阻碍企业进一步发展、参与国际市场竞争的瓶颈本文的研究工作将为企业强化管理、， 提高生产管理与控制能力提供有益帮助 1 3 相关国内外研究现状 1 3 1 供应链管理 供应链管理是指在原材料供应、零部件生产、装配到成品形成过程的供需网络中， 通过虚拟企业有组织地协调成员企业之间生产过程，最终完成产品增值的一种管理模 式。在供应链管理模式下，任何一个节点运行效果的好坏都制约者整条供应链的性能 目前很多学者针对供应链的伙伴选择、物流优化等闯题进行了研究 针对供应链协同作业计划问题，瑚r o 胁im a t s 【1 2 1 研究了在由销售商随机提供需求 计划的情形下，制造商的库存优化策略建立了在库存管理决策中利用实时需求数据的 模型，并提出了预测分布需求的方法以更新的需求信息在有限范围内随机动态规划调 整库存的存货，有效地降低了库存相关的成本s y ad l i m 一1 3 l 研究了一种启发式算 法以解决供应链管理中库存与生产管理由于需求的波动以及市场的不确定性带来的复 杂性，该启发式算法采用了p o 刚州谨如w 策略同时提出了一种将库存与生产管理完全 一3 一 集成的供应链管理模型。t i 粕b i 鸱q i 弛【1 4 l 提出了以孵算法解决供应链管理中针对多品 种生产与库存管理的问题，对库存管理与分布计划的提出了优化策略，同时研究了供应 链管理中考虑成本的集成运作计划问题。j 0 加i l l 锄b l 廊n 旧提出了需求驱动的生产和分 布( d d p d ) 运作概念，将生产、库存、分布计划集成决策。现有的库存模型考虑固定的 库存记录和可变的库存价格，d d p d 方法采用了混合整数规划模型解决在分布式供应链 上的生产计划、供货数量以及运输路径问题以满足顾客对多品种的需求。模型的求解采 用了改进的拉各朗日松弛算法。同时，采用d i i d 方法可以有效降低整个供应链的成本。 b 咖i n gc ta 1 【l q 研究了在制造过程中具有相互依赖关系的工厂如何实现协同合作的问 题，建立了系统合作模式以及实现群体协调的生产计划方法，并针对库存成本、交货期 表现、生产成本等性能指标，给出了基于遗传算法的生产计划优化方法t a 舡m s h in i s h i ， m 呦面k 蚰i s h i 【1 7 l 提出了一个分散供应链最优化系统，系统包含物料需求计曳子系统、 分配计划子系统、分散调度子系统，给出系统模型结构，并用模拟退火算法解决调度问 题。丸刖e d o t o s c 柚。如ds o i i 鼢i 埔蟪出一个基于靼e n t 动态供应链分布式协作计划信息 系统。m 删m m ie ta 1 【l 刃讨论订单分配闯题，同时考虑供应链上下游各成员的工作衔接 闯题，从成本与质量观点出发，在整体成本评估的同时还能兼顾各成员企业的利益。 国内学者也对此作了大量的研究工作，并取得了相应的一些研究成果如清华大学 的柴跃廷、任守集、李芳芸等人，针对敏捷供应链的管理需求。在引入准时化( j r r ) 思 想的基础上，就如何解决向供应商采购，提出了敏捷供应链中的准时采购计划问题，并 给出了问题的数学描述。利用数学推导，将所建的原始优化模型转化成线性规划问题口q 。 其计算结果表明，他们所提出的方法完全可以做到在供应能力平衡的前提下，实现敏捷 供应链面向客户准时供应的经营目标，使提前拖期惩罚费用总额极小化。同时他们还 研究了供应链的供需协作模式。提出了基于协调中心的敏捷供应链系统，提出基于代理 的计划、协调、调度与控制系统以及基于工作流的过程管理系统。库存代理对异构、分 布式物料仓储进行管理与控制，提供全局一致的库存量( 包括现有量、预计出入库量) 及 其分布信息；检测各种物料的安全库存；向订单代理发送补充或调度物料订单；给出了 沈阳工业大学硕士学位论文 系统的模型、组成与功能库存代理除提供一般库存管理的功能外，着重对有关企业的 逻辑库存进行管理，以便为物料的供求交易提供一致的逻辑视图 此外，上海大学c d 讧s 中心的林财兴、秦爱华等人通过设置合理的安全库存量和采 购风险期，有效地解决了因产品需求误差和采购过程中的延期波动造成的缺货问题，提 出了供应链管理环境下零部件采购策略和库存量控制的方法口1 1 。华南理工大学工商管理 学院工业工程中心的徐学军依据约束管理的理论，构建以瓶颈资源为基础的生产与库存 控制系统，使得在有效利用生产资源的同时，提高物流的效率阎 由目前可以查阅到的资料来看，当前的协同作业计划的研究范围还主要集中在对库 存优化如：随机的需求计划的条件下库存动态规划调整、库存代理、库存量的合理设置 等，以及针对供应商的原材料采购问题等。这些相关研究均只关注制造链上的单一问题， 对制造过程中的供应链上下游的协同策略方面的研究还比较少，供应链上的合作企业在 制造过程中的协同是供应链协同管理中的重要组成部分之一，制造过程是客户所订购产 品的直接物化过程，对于及时响应和满足客户需求具有重要作用。因此本文提出一种基 于充分考虑制造链上下游企业，并在协调中心的协调下的节点制造企业的协同作业调度 策略。 1 3 2 生产计划与调度问题 生产计划方法随着市场经济环境的不断变化、制造业类型的变迁、企业组织生产方 式的多样化而不断地发展和改进嘲。现就目前生产计划方法的主要内涵分析如下 ( 1 ) 基本m r p 物料需求计划适合于批量生产的离散型制造企业，其指导思想是编制一个产品的所 有零部件( 包括原材料) 按工厂日历时间生成交货的计划，使得各个零部件的交货日期和 交货数量同上层的零部件的装配日期和需求数量相匹配，从而避免了无计划状态下的物 料积压和缺货情况，消除了大量的无效成本阅其主要缺陷是没有考虑到生产企业现有的 生产能力和采购的有关条件的约束因此，计算出来的物料需求的日期有可能因设备和 工时的不足而没有能力生产，或者因原料的不足而无法生产 制造链协同作业调度方法研究 加r p 推进式物流系统模式如图1 1 所示一个加工工序按照已制定好的生产计划和 排序对某一种( 批量) 的生产物料加工完后，该种物料被“推”向下一道工序，再按照 已经制定好的生产计划和排序进行加工，如此类推。 至亘 e 巫五a 匡丕画习 圈1 1 埘l p 推动式物流系统模式 f 喀1 11 k p u s h 昭咖m ( 2 ) m r p 1 9 7 7 年o l i v 盯w w i 班t t l l 提出制造资源计划( 心，m 鲫i l 蠡咖i n g 胁o i l 聃 矾锄n i n g ) 阑，t p 是一个对企业制造的各种资源进行统一计划和控制的系统，它以 m 即为核心，包括经营计划、主生产计划、物料需求计划、车间作业计划，形成了计划 和能力的全闭环控制系统，m r p 也实现了计划和财务的集成管理，采用计算机信息技 术进行信息的收集和处理，实现了企业的物流、资金流和信息流的同步反馈。 ( 3 ) 制造资源计划( 后来又简称枷r p ) 和班口 随着全球统一市场竞争的日趋激烈，企业的生产逐渐转移到“以客户为中心”，如 何在获得效益的同时生产出满足客户日益多变的需求产品是企业制胜的关键，为此要求 企业对各种资源进行集成管理，最大限度地发挥所有资源的作用，而不仅仅是制造资源。 有时企业为了获得竞争优势还必须和企业外部的资源如合作伙伴企业、供应商、分销商 一6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 和客户等进行资源共享和协商合作，实现企业生产流程的动态重组，这就是企业资源计 划r p ，e n t e f p r i s e 黜晷o u r p l 锄n i n g ) 【2 刀的管理思想e l 心是对啪r ph 的继承和发展， 同时极大地扩张了企业资源管理广度和深度，是供应链环境下企业内部资源全面规划和 企业间实现资源共享的先进管理模式 ( 4 ) j r r 准时生产制( 蛔ht i m c ，j r r ) 基本思想是只在需要的时候，按需要的量生产所 需的产品。其出发点是把制造系统中的浪费( 残次品、在制品存储及准备时间等) 降低 到最低限度，其核心是追求一个零库存生产系统或使库存达到最小的生产系统。准时生 产其主要构成包括基于看板的生产控制、全面质量管理、全体雇员参与决策、供应商的 协作 一 j 盯的核心要素是看板，看板是在需要的时问，按需要的数量对所需要的物品发出 生产运作指令的一种信息媒介体它可以是一张卡片、一种信号、一种告示牌等与传 统 心的“推”动式生产方式相比，j 1 1 r 采取“拉”动式生产方式j r r 拉动模式物流 系统模式如图1 2 所示在拉动式生产中，上游工序的生产只按照由下游工序传递来的 生产量、生产种类和捧序等指令进行生产，生产被下游工序“拉动”进行 【：；i ；i i ；i ；j ；i ! j ；j 习- ：! ；l ；i ! ；j i i ；：；j l ；j ；i ；习 ；看板lj 看板； i 己诗曰压亘卜吨互 卜( 丕 一竺兰j 目前关于j r r 思想在供应链领域的应用研究主要集中在原材料供应商与生产商、生 产商与装配商、生产商与消费者之间的优化a a i th s s a i n 网对制造商和供应商之间的 制造链协同作业调度方法研究 关系结合j r r 的思想进行了仿真分析，强调原材料供应要满足生产订单的需要。舶e n g 网 介绍一种由供应商向订货商原料供应中尽可能节约花费的运输管理系统。v i c t 叮 b k 咖矿0 】从生产商与装配商的角度，提出一个在世界级供应链下的j r r 系统中的产品 节约运输策略。分别讨论两种方式：无第三方物流参与和有第三方物流参与，并给出相 应的模型和公式。得出结论第三方物流在解决批量产品运输问题上又很好的解决。文献 【3 1 】将道德风险模型引入一个两阶段供应链管理的模型中，对j r r 策略进行分析，建立 一个线性合约，分析制造商和供应商各自成本的变化。 ( 5 ) o p l r ，i o c 最优生产技术( o l t i i n i z e dh o d 蛐r c h l o 劬0 p t ) 是以色列物理学家髓 g o l d r a t t 博士于二十世纪7 0 年代提出来的。最初它被称作最优生产时间表( 0 i t i l n i z e d p 1 0 d u c 吐恤砸m e 缸问e ) ，年代才改称为最优生产技术。后来g o i 出毗又进一步将它发 展成为约束理论( 珏r yo f c 脚恤i i n 忸，t o c ) 由于0 p r r 在管理思想上独树一帜，并且在生产实践中取得了明显的经济效益。已被 企业界和理论界所接受网o p t 的基本思想是通过分析生产现场出现的“瓶颈”现象。 改善生产现场管理，达到增加产量、减少库存、降低消耗的目的 o p t 的计划与控制是通过d b r ( d 岫一b u 妇融一r o ) 系统实现的删。在生产系 统中，鼓( d n 强) 是指瓶颈资源的节奏，即瓶颈资源的作业排产计划，生产系统中的所 有资源的排产计划必须与瓶颈资源的排产计划相一致。缓冲器( b u 妇f c r ) 是指为瓶颈资 源设置缓冲区，以保证瓶颈资源全速生产，不受前面工序生产波动的影响，在物理上可 以表现为适量的制品库存绳子( p e ) 是指根据瓶颈资源的生产节奏来确定其它相关 资源的排产的一种机制，其它资源的排产是有瓶颈资源的生产节奏和其固有的生产所需 时间决定的。 实现计划与控制主要包括以下步骤嗍： 1 ) 识别企业的真正约束( 瓶颈) 所在这是控制物流的关键，因为这些瓶颈控制着 企业的运作能力一般来说，当需求超过能力时，捧队最长的机器就是瓶颈。如果我们 知道一定时间内生产的产品及其组合，就可以按物料清单计算出要生产的零部件。然后， 一8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 按零部件的加工路线及工时定额，计算出各类机床的任务工时。将任务工时与能力工时 相比较，负荷最高的机床就是瓶颈找出瓶颈之后，可以把企业里所有的加工设备划分 为关键资源和非关键资源 2 ) 基于瓶颈约束，建立产品出产计划。产品出产计划的建立，应该使受瓶颈约束 的物流达到最优。 3 ) “缓冲器”的管理与控制。其目的是防止随机波动，使瓶颈不至于出现等待任 务的情况。 4 ) 控制进入非瓶颈的物料，平衡企业的物流。进入非瓶颈的物料应被瓶颈的产出 率，即“绳子”所控制一般是按无限能力，用倒排方法对非关键资源捧序非关键资 源上排序的目标是使之与关键资源上的工序同步。倒排时，采用的提前期可以随批量变 化，批量也可按情况分解。 ( 6 ) a p s a p s 的发展是建立在线性规划、计算机科学、人工智能、决策支持系统、工业工程、 物流管理，管理科学、约束理论、操作研究和其他制造操作管理研究成果基础上的近 年来，高级计划与捧产a p s ( 黼o e dp l 龇1 n i n g 锄ds c h c d u l i n g ) 得到了企业界的普遍关 注到目前为止，国际上对a p s 还没有一种明确的定义，它是一种基于供应链管理和 约束理论的先进计划与捧产工具，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捧产的过程中，a p s 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 a p 8 在提高企业经济效益方面的潜能是巨大的，它能及时响应客户要求，快速同步计划， 提供精确的交货日期，减少在制品与成品库存，并发考虑供应链的所有约柬，自动识别 潜在瓶颈，提高资源利用率，从而改善企业的管理水平阅 总的来讲，a p s 的主要功能是实现对计划与捧产优化的目的，它能代替e r p 系统 中预测计划、m p s 、硼盱、c r p 、d r _ p 及生产计划的功能但它具有更大的功能优势， 例如，计算速度很快，可以并发考虑供应链的所有约柬，并将基于约束的计划结果传达 给上游和下游合作伙伴，在交互的环境中实旋解决问题和供应链优化的方法p 删 制造链协同作业调度方法研究 a p s 的优化及模拟功能由5 种基予5 类约束的计划引擎进行处理。这5 类约束与5 种引擎分别包括【柚l ： 1 ) 约束 资源约束( 考虑因素；人力资源、设备及工具) 库存约束( 考虑因素：原材料、在制品、成品的库存水平) 。 运输约束( 考虑因素：仓储、后勤、运费及折扣条件) 。 商业规则约束( 考虑因素：客户服务水平、环境保护、供应商关系) 。 财务约束( 考虑因素：现金流量、现金流动比率、产品边际收益率、投资回报率) 2 ) 引擎 启发式引擎通过前向、后向排程平衡计划对资源的利用。 约束理论引擎识别资源瓶颈，设置作业优先权，根据瓶颈捧产 模拟引擎为生产车间建模，应用局部启发式计划规则，得出工作流程的统计输 出。 知识基地引擎根据用户要求，工作流程、可用资源及现存约束平衡接受订单数 量与期望交货日期。 优化引擎应用数学的规划与分配技术，减少生产中的排产与资源冲突。 总之，a _ p s 就是利用这些引擎来解决大量复杂的问题，从而实现供应链的优化。 生产计划排产是企业应用最早和最多的a _ p s 功能之一。生产计划排产主要解决车 阉多工廖、多资源的优化调度及顺序优化问题。它基于工序逻辑约束和资源能力约束， 计算最早开工时间和最迟完工时间，并进行多种优化方案的比较，优化目标是成本最低、 延期订单最少等。但是在处理大规模的约束优化计划问题上，它还存在很多问题和不足， 这是因为上述的优化与协调问题大多属于数学上的n p 问题。鉴于此，研究人员尝试了 多种方法对a p s 中的优化捧产和调度问题进行理论探索和创新。例如，p i ：i n c d o 【4 1 1 的动 态规划法，以及c 嬲刺嗍和c l i 1 4 3 l 韵拉格朗日松弛法；在基于概率搜索算法的生产 计划与排程研究领域中，p a l 加c r l 4 4 1 等应用了基于模拟退火的概率搜索法，b 埘l d i m a f t c 4 5 l 等应用了基于禁忌搜索的概率搜索法，以及r l m w e ic h 1 的遗传算法等 沈阳工业大学硕士学位论文 a p s 是支持s c m 进行供应链各个环节之问的计划和协同的最主要的手段。没有 a p s ，供应链管理就只能作为一种管理理念，而不可能成为计划和协同的工具。 目前的生产计划与调度方法在不断的改进中吸取了大量的先进生产理论，为企业组 织生产提供了合理的指导方针，但随着计算机技术的不断发展，网络化制造，供应链管 理理论的出现，原有的计划制定方法已然不能满足需要。 1 4 论文主要研究内容 论文的研究内容来源于辽宁省教育厅科学研究计划项目“制造企业e - 生产资源优化 调度”( 计划编号2 0 0 4 d 0 3 6 ) ，针对制造连协同作业的需求，充分考虑产品的交货期、 供应链上下游企业的生产能力、成品，半品库存及生产线上在制品的数量等生产系统状态 参数，集成传统计划与调度的功能，研究建立一种有效的协同作业调度方法。论文重点 研究制造链协同调度方法、制造链上下游协同调度策略、协同调度软件原型系统的设计 与实现等内容。具体内容分述如下： 论文分析了供应链协同作业和生产计划调度方法的概念以及相关问题的研究现状， 提出了供应连协同调度问题的重要理论与意义，进而确定了本文的研究框架和研究内 容。 论文针对制造链协同调度方法进行研究。以汽车制造业为例说明制造链在供应链中 的重要性，并给出制造链的概念；分析了制造链协同调度问题，提出一种基于分解一协 调的协同调度方法。 论文对协同调度策略进行具体分析与研究。给出由协调中心和节点企业构成的制造 链协同调度系统的层次式控制结构，并对二者的结构与功能进行了具体分析；设计了基 于生产能力的任务分解算法，并用简单算例进行应用研究；给出基于成本的制造链协同 作业调度性能评价指标，并设计了基于拉格朗日松弛算法的协同作业调度优化算法。 论文研究开发了制造链协同作业原型系统，完成了系统总体目标和功能需求分析， 以及系统的数据库逻辑模型、功能模块的设计；在所开发的原型系统上，以在线订单签 订、订单完成状态跟踪查询、危险报警等典型问题为例，进行了仿真实验研究。 最后，对全文做出了总结，并提出了论文存在的不足以及未来的研究目标。 制造链协同作业调度方法研究 2 制造链协同作业方法 2 1 制造链的概念 2 1 1 问题的提出 一条完整的供应链主要包括供应商( 原材料供应商、零部件供应商) 、生产商、销 售商、运输商等。由于供应链管理中各领域问题的复杂性，因而有必要根据供应链上的 各个阶段的任务不同对供应链管理问题进行分解，以便得到有效解决。供应链管理的目 标是要将顾客所需的正确的产品( 砒g h tp r o d u c t ) 能够在正确的时间( 1 h g h tt i m e ) 、按 照正确的数量( b i g h tq 娜l ：c i 锣) 、正确的质量( 黠g h tq u a l n y ) 和正确的状态( 融g h ts 眦璐) 送到正确的地点g h tp l a ) ，即”6 r ”，并使其总成本最小。为了达到此目标，这就要求 供应链上各企业能够“无缝地”衔接，就要协调传统的各职能领域。根据供应链管理对 象和目标的特殊性，可以将供应链分解成制造链、销售链、运输链。 现有对供应链协同运作方面的研究主要集中在销售链和运输链这两部分。如h a n g j 吼g ，b 伽g i uj n g l 4 7 1 提出一个生产销售计划系统，通过生产商与销售商合作解决供应 链上的冲突问题，即解决不完善的信息共享。高竣h 明针对协作型企业供应链管理进行了 研究。协作型企业在生产计划制定上强调生产计划的一致性与协调性，核心企业与供应 企业在生产计划制定方面的信息共享，在销售管理上强调企业与销售商集成式管理。而 针对制造链环节职能管理方面的研究文献还很少见。 2 2 制造链的地位 事实上，决定供应链运作的关键环节还包括制造链的运作效果陬卿。产品的销售、 运输安捧的无论多好，一旦产品没有按时生产出来，一切后期准备将没有意义，但是这 方面的研究很少。下面，通过汽车行业的供应链来说明制造链在供应链中所处的位置及 其重要性。 汽车行业的供应链管理模式是一种最典型的供应链组织结构模式。汽车工业按照本 身的生产与市场发展规律，形成了自己行业的体系结构，即汽车工业的从原材料供应、 零件加工、零部件配套、整车装配到汽车销售乃至售后服务的一整套供应制造销售 售后服务的供应链体系结构。 沈阳工业大学硕士学位论文 从图2 1 我们可看出，在这种供应链管理模式中，制造企业是供应链的物流调度与 管理中心，适时向供应商发出需求指令，向分销商发出供货指令，确保各个环节的企业 都能在合适的时间，得到合适品质、合适数量与合适规模型号的原材料、零部件或半成 品，又不发生库存积压，并使供应链的总成本最小同时，制造企业又是供应链的信息 集成与交互中心、协调控制中心，制造企业除了能创造特定价值，长期控制比竞争对手 更擅长的核心业务外，还要负责各业务流程的协调与控制，各功能与环节的协调与控制， 各节点企业间的权责利关系的协调与控制，以及供应链与外部环境之间的协调与控制， 以保证供应链发挥整体最优效果i l 。 客户 图2 1 以汽车制造企业为核心的供应链管理模式 嘶2 1s i l p p l yc h a 缸m 卸硼脚n 咖p 劬晒mb a s e do n 越呶唧触m 锄l i l 】匦c h e 咖她f p f i s e 所以，在这种模式下，制造商能对供应物流、制造物流以及分销物流拥有完全的控 制权，能够掌握第一手的客户反馈信息，充分改善客户服务同时，由于汽车制造企业， 特别是大型汽车集团，在产品设计、制造、装配等方面具有强大优势，可以拉动上游供 应商的原材料供应，也可以推动下游分销商的产品分销及客户服务，所以。汽车制造企 业具备汽车行业供应链的核心企业的特点，它具有一定核心能力，在供应链上发挥核心 主导作用因此，它也就当仁不让地成为了传统供应链管理模式下的核心 制造链协同作业调度方法研究 2 1 3 制造链的定义 由上述分析可见，制造链的有效运作与管理将对于供应链管理的成败起着决定性的 作用。图2 2 为供应链和制造链的关系图： 薹匿檀 匮一 曩铂七 链 d d 广 y 图2 2 制造链和供应链 f 培2 2m 砸i c i l i 雌c l l a j l l s i | p p l yc h a j l i 为此，本文给出制造链的定义如下： 制造链( m 叫i l 蠡略n 船c h a i n m c ) 是一个由多个制造商组成的分布式动态制造联盟 网络，这里，制造商为了完成某些某种产品的制造任务而形成彼此之间上下联系的协作 关系，而这种协作关系主要体现在制造过程闻的合作与协同 具体的说制造链是围绕核心企业，将复杂零件工艺过程中的部分制造工序，分别由 网络中多个企业所提供的制造服务完成，各制造服务之间按一定顺序组合成一个整体的 服务链。在该服务链中，每一个节点都是一个制造服务，节点之间的先后顺序关系由零 件的结构特点、技术要求、制造成本、质量以及交货期来确定【5 2 1 根据上述定义，制造链的特点可以归纳为以下几个方面： ( 1 ) 网络化。利用以i i i b 黜t 为标志的信息高速公路，将分布在不同地理位置的制 造资源连接成一个有机的整体，实现信息交流和资源共享，零件制造通过竞争合作方式 进行 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 虚拟化。协同制造链是基于网络空间的制造活动组织形式，零件制造的各个 环节由不同的企业来完，采用虚拟企业的形式来组织管理 ( 3 ) 技术最优化为了制造某种复杂零件或接收某个订单，盟主企业可以在网络 空间中寻求技术、设备最好、具有生产能力的合作伙伴，各个企业可以充分发挥其技术 优势，形成最优组合以达到技术的最优化 ( 4 ) 开放性计算机互联网络的最大特点是开放性，建立在这个基础上的协同制 造链，也将是一个开放的系统 ( 5 ) 分布集成性。协同制造链由多个伙伴企业组成，这些企业在空间上分布在不 同的地域甚至跨越国界，这种地域上分散的缺点可以在计算机网络技术支持下通过信息 集成得以弥补。 2 2 制造链协同调度问题分析 制造链由分布制造商( 节点企业) 提供的制造服务之间按一定顺序维合，这些节点 企业的制造活动相互联系又相互制约，因而，在制造过程中，制造链上所有企业之间的 协同与协调非常重要 2 2 1 协同与制造链协同 ( 1 ) 协同的内涵 所谓协同是指多个主体围绕一个共同目标相互作用、彼此协作而产生效益增值的过 程。协同的目的在于：通过多主体的并行性协作行为提高任务完成率；通过共享资源( 信 息、专业知识、物理设备等) 扩展完成任务的范围；通过任务的重复分配增加任务完成 的可能性；通过避免有害的相互作用降低任务之间的干扰 根据主体之间协同的密切程度，可以将协同分为如下5 种类型： 1 ) 完全协同型：系统中的所有主体都围绕一个共同的全局目标，各主体没有自己 的局部目标，所有主体全力以赴地协作； 2 ) 一般协同型：系统中的所有主体具有一个共同的全局目标，同时各主体还有与 全局目标一致的局部目标： 制造链协同作业调度方法研究 3 ) 一般自私型：系统中的主体不存在公共的全局目标， 标工作，且目标之间可能存在冲突： 4 ) 完全自私型：系统中的主体不存在公共的全局目标， 标工作，并且不考虑任何协作行为； 各主体都为自己的局部目 各主体都为自己的局部目 5 ) 协同与自私共存型；系统中的各主体既存在一些共同的全局目标，某些主体也 可能存在与全局目标无直接联系的局部目标 ( 2 ) 制造链协同的内涵 制造链协同是制造链中各节点制造企业为了提高制造链的整体竞争力而进行的彼 此协调和相互努力。各节点企业通过公司协议或联合组织等方式结成一种网络式联合 体，在这一协同网络中，多个制造商可动态地共享信息，紧密协作 按照协同的理论分类，制造链协同属于第5 种类型：协同与自私共存型。制造链上 的节点企业在长期的合作中有组织的结合在一起，每个节点企业既是独立的个体又非独 立的个体。在没有接受制造链中分配的订单时期，节点企业是独立的，可以独立接收订 单，自发组织生产，这时节点企业只考虑企业自身的利益而当制造链发出订单消息后， 节点企业在某种意义上讲又不是独立的，它需要听候制造链的调配，这时考虑的不仅仅 是自身的利益还包括制造链全局的利益 制造链实现协同，要求节点企业基于技术和h i 胁c t 网的信息共享和知识创新成果 共享；要求各节点企业树立“共赢”意识，为实现同一目标而努力：要求合作伙伴在信 任、承诺和弹性协议的基础上进行合作同时，要求进行协同的节点企业进行供应链的 重新整合，改变以前拼凑式的信息系统、e d i 等。即协同供应链应以信息的自由交流、 知识创新成果的共享、相互信任、协同决策、无缝连接的生产流程和共同的战略目标为 基础i