基于漏斗模型和分布合作理论的生产计划控制系统概要

1、第1期1997年3月计算机集成制造系统C I M SN o.1M ar.1997基于漏斗模型和分布合作理论的生产计划控制系统张燕云肖田元刘学东雷武奇杨洪(清华大学北京100084摘要本文提出了一种基于漏斗模型和分布合作理论的生产计划控制系统,讨论了一些重要的概念和技术,如漏斗模型、分布合作方式和虚拟加工单元。实践表明,生产计划的有效性和灵活性是这一系统的显著优点。关键词漏斗模型;分布合作;生产计划控制生产活动是根据生产进度表中的有关信息实施的。受市场变化、生产能力变化、及原材料供应等与生产活动有关因素的影响,生产作业计划常常不能完全按照预定的生产进程计划进行。如何提高计划的有效性、合理性,达到

2、最高的工作效率和最大的经济效益,一直是人们十分关注的问题。人们从运筹学、系统分析和决策科学化三个重要方面探求生产和经营最有效的工作方法和最优方案,并取得了很大的进步,包括提出和实现了许多新的概念和方法,如制造资源计划(M R P II、统计加工计划(SPC、成组技术(GT、准时生产(J IT以及全面质量管理(TQM等。本文提出一种基于漏斗模型和分布合作理论的生产计划控制系统,试图解决传统的集中式生产调度中存在的上述问题。1漏斗模型1.1漏斗模型的流量图与传统的面向用户需求的计划方法不同,漏斗模型是面向负荷的订单投放方法。它所追求的目标是提高平均生产率。漏斗行为可用图1.1(a所示的流量图描述。

3、流量图描述了计划周期P的初始状态、期末状态以及计划周期P内输入、输出、积存量(也称在制品量变化的动态过程。初始状态包括输入和初始积存量。通常,输入可区分为计划输入IN P和实际输入R EL,当二者相等时,简称“输入”,用IN表示。初始积存量用IL O表示。期末状态包括期末积存量和期末输出,通常期末状态可区分为实际期末状态和理想期末状态。为了简化,在以下分析中只考虑理想期末状态。理想期末积存量用Im表示,理想期末输出用O u t表示。在订单投放时,将所希望的理想期末积存量当作计划平均积存量,将理想期末输出当作计划输出。计划周期P内输入、输出和积存量的动态过程用累计输入曲线和累计输出曲线描述。 为

4、了简化分图1.1(a漏斗模型示意图 图1.1(b 漏斗模型流量图析可用平均输入曲线和平均输出曲线描述。如图1.1(b 的两条斜线。在理想条件下,平均输入曲线和平均输出曲线是两条互相平行的直线。由此可以引出理想平均积存量和平均通过时间的概念。理想平均积存量就等于理想期末积存量Im 。关于平均通过时间将在漏斗模型的数学描述中进一步阐明。1.2单加工中心漏斗模型的数学描述1.2.1加权平均通过时间为了更好地反映加工过程所占用的时间,漏斗模型的数学描述中,首先引入了加权平均通过时间这一概念。取加权系数i 为:i =TO i2ni =1TO i(1其中,TO i 表示第i 个订单的订单时间(即加工准备时

5、间和订单加工时间,它反映了第i 个订单工作量的大小。加权平均通过时间记作:TL mw =2ni =1TO i ×i(2当TO i (i =1,2,.,n 相同时,则a i =1 n ,此为加权平均的特例,称为均匀加权。这时加权平均通过时间退化为均匀平均通过时间,又称作简单平均通过时间,记作:TL m =1n 2n i =1TO i(3可以证明:TL m j TL mw TL m (4式中TL m j =TLj(5TL j 是最大订单j 的通过时间,这实际上相当于加权系数:i =1i =j0ij(6(4式表明,用加权平均通过时间TL mw ,所描述的订单时间将大于或等于简单平均通过时间

6、,小于或等于最大订单j 的通过时间。这说明加权平均通过时间TL mw 较好地反映了实际生产状况。1.2.2负荷2输出比如前所述,漏斗模型是一种面向负荷的订单投放方法。因此,引入负荷限额与期末理想输出之比(简称负荷2输出比是十分必要的。理想条件下的负荷限额L L (L oad L i m it 为计划平均积存量Im 与计划输出O u t 之和,同时亦等于实际初始积存量IL O 与实际投放量R EL 之和:L L =I m +OU T(7L L =IL O +R EL(8负荷2输出比用L PG 表示:L P G =L L OU T(9将(7代入(9式得:54第1期基于漏斗模型和分布合作理论的生产计

7、划控制系统L P G =1+(I mOU T(10这是用平均积存量和输出表示的负荷2输出比。显然L P G >1,这表明负荷限额必然大于期末输出。由漏斗模型流量图的三角形相似关系可知:I m TL mw =OU TP(11因此,L P G 又可写作L P G =1+(TL mwP(12这是用加权平均通过时间TL mw 和计划周期P 表示的负荷2输出比。1.3多加工中心、多计划周期的订单加工概率到达加工中心W C (i 21的加工单(含R EL (i 21和IL O (i 21只能有一部分立即被加工,其余在该加工中心形成等待队列。W C (i 21中的某一个加工单经W C (i 21后到达

8、下一道加工中心W C i 的概率用P ou t i 表示。此加工单经一系列的加工中心W C 1、W C 2、W C (p 21后到达加工中心W C p 的概率用P ou t (p 表示。P ou t (p 与P ou t i 的关系为:P ou t (p =0P 21i =1P ou t i =CF p(13P ou t (p 又称作转换因子,用CF p 表示。对于紧急任务,可取P ou t I =1(i =1,2,p 21从而,使P ou t (p =1。在加工中心W C (i 21,若各个加工单是等概率被加工的,则:P ou t i =OU T IL O i 21+R ELi 21(14式

9、中OU T (i 21是W C (i 21的输出。所以:P ou t i =1L P G i(15这里L P G i 是W C (i 21的负荷2输出比,显然:CF p =0p 21i =11L P G i(16当所有加工中心的L P G i 相同时:CF p =(1L P G ip -12漏斗与分布合作分布合作式生产计划与控制是指多个加工单元相互协商解决生产计划问题。这些加工单元可以形成一个多层次网络分布的管理体系。该体系的分布受资源、数据信息、生产能力、地理位置等因素的制约。与集中式比较,分布合作式生产计划与控制可以克服难以解决的多工艺路径问题、单一路径计划造成的各加工单元负荷不均衡问题和

10、集中控制计算工作量过大的问题。2.1分布合作机制多层次分布的管理体系通过招标2投标2中标机制将系统的生产任务交给各加工单元,实现分布合作式生产计划与控制。因此,多层次分布管理体系也称作“合同网”。合同网由三类节点组成:1.管理者(M anager :识别任务并发标书的节点;2.投标者(B idder :具有完成任务能力的节点;3.中标者(Con stracto r :中了标的投标者节点。招标:管理者提供任务和合格单元的信息描述,通过对其它单元招标为作业的各步操作寻找合适的加工单元。投标:收到招标信息的单元将根据自身的生产能力及负荷情况作出反应,有能力的单元提供自身能力信息进行投标。中标:管理者

11、根据投标信息选择并与合适的中标者建立协议。作为一个招标者,它的中心任务就是接收企业M R P II 下达的生产计划(中期计划,根据加工单元的资源、生产能力及在制品加工现状,基于合同网规程的招标2投标2中标机制,通过合同双方信息交换,从各自实际情况来估价信息,根据协商原则互相选择后,确认并达成协议,从而编制每一个生产周期(周、旬、月的作业计划,这样才能充分利用系统资源,保证计划的有效性。因此,分布合作将成为企业或工厂的生产计划控制及加工单元投放的一个重要组成部分。2.2漏斗与分布合作图2.1所示的基于漏斗模型分布合作生产计划与控制系统中,“漏斗均衡”、“分布合作”这两部分构成一个合同网。网上的每

12、个节点可以看作一个漏斗,所以它由很多漏斗构成。例如F un 1i (i =1,2,n 为第一层漏斗(假设是分厂层;F un 2j (j =1,2,m 为第二层漏斗(假设是车间层,每个漏斗可以这样描述,F un H k (I ,A ,下标H 表示第几层,k 表示该层漏斗编号,括号中I 表示该漏斗的算法描述,A 为用规则表示的专家知识。A 中必不可少的有:招标(广播,任务描述,合格性要求,特殊要求、投标(投标信息、中标(中标通告,评价规则。招标、投标、中标信息以规则形式作为漏斗模型的组成部分,在漏斗的任务释放过程中起了决策作用。64C I M S 1997年3月图2.1系统总体结构图综上所述,在本

13、系统中,一个漏斗描述一个管理者或一个闲置节点,漏斗中包括模型计算方法,招标、投标、中标信息,。也可以说,一个漏斗就是一个智能加工单元,通过各漏斗的输入和输出将各单元联接起来构成一个生产加工的合同网。它们除完成单元内加工任务的监督与控制外,还通过相互合作解决生产任务的安排,把集中的、严格分工的多层次管理体系转变为网络分布式、能相互通信和协调的组织体系,相对独立自主地去组织生产。3虚拟加工环境虚拟加工环境是智能加工单元的重要组成之一。可以按照实际加工单元构造这样一个虚拟环境,让生产任务在其中仿真运行,从而统计该加工单元在不同工艺路线下的设备利用率、生产能力、负荷情况、完工时间和数量。然后根据仿真评

14、价调整负荷限额,决定负荷2输出均衡后的加工单元作业计划是否投放,也就是决定是否对下级加工单元招标或对上级加工单元投标。由于虚拟加工环境的介入,使分布合作生产计划与控制具有预测性。虚拟加工环境包括:模型建立、仿真运行、仿真结果分析三部分。建模部分又分为静态建模及动态建模,它们是:静态建模(加工单元,机床类,各类机床台数,每台机床的加工能力等,动态建模(中期计划,工艺流程,所需工时,最晚开工时间,最晚完工时间等,及实验框架(生产周期,工厂日历等;仿真部分又分为仿真运行(事件到达,事件离去,仿真钟驱动,各种统计;和仿真评价(设备利用率,平均队长,工单通过时间,负荷限额,调整建议等。4基于漏斗模型和分

15、布合作理论的生产计划控制系统运用漏斗模型和分布合作式问题的求解理论,我们开发了“基于漏斗模型和分布合作理论的生产计划控制系统”。系统总体结构如图2.1所示。系统管理层可以控制模型定义、漏斗均衡处理、分布合作、仿真、报表输出等功能。系统有两种方式定义模型,即输入加工单元、设备组等信息建立静态模型和输入加工单、工序表等信息建立动态模型。漏斗均衡是采用漏斗模型控制加工单投放,保证稳定的在制品量和负荷在时间上的均衡。可以把一个工厂、分厂、车间、机床抽象成一个漏斗,比如,在分布合作之前对整个分厂的加工单进行月计划中周期均衡,称为分厂漏斗均衡。在分布合作之后,对每个工作地(或车间的加工单进行每周的日均衡,

16、称工作地(或车间漏斗均衡。分布合作式生产计划与控制是处理递阶系统中各项任务的编排、投放及不同任务之间合作的一种有效方法。我们采用基于合同规程的“招标2投标2中标”机制实现多工艺路线加工单的投放目的地,以保证负荷在空间上的均衡。构造一个虚拟的加工单元,所谓仿真运行是将最后的加工单放在虚拟的环境中进行模拟投放,从而得到各工作地工作量的统计、设备组利用率、平均队长、加权通过时间等指标,用评价系统的结果去指导用户调整系统参数,为加工单最后投放作出决策。5结论基于漏斗模型分布合作理论的生产计划控制系统采用多层漏斗模型及招标2投标2中标机制,运用仿真技术的一体化生产计划与控制模式,实现了生产任务的分布合作

17、。该系统的实施将提高企业生产计划与控制的有效性、灵活性及可预测性,使企业资源实现整体的协调优化与控制。它已成功地运用在山西经纬纺织机械股份有限公司C I M S工程中。漏斗能力均衡系统面向山西经纬纺织机械股份有限公司M R P II系统,解决冷作锻压分厂能力平衡、计划分布问题,基于能力均衡的生产计划分布合作过程,通过仿真支撑环境可直观、准确地分析计划投放,进行科学调度。74第1期基于漏斗模型和分布合作理论的生产计划控制系统 与其它生产计划和控制系统不同,漏斗模型并不力图逐时逐分地根据输入、输出的要求计划生产任务何时应该启动或何时到达某一生产单元,而是通过控制生产能力及负荷限额确定期望的输入与输

18、出水平,以实现生产单元每一生产周期的平衡。显然,从信息处理的观点来看,生产过程中的高频噪音(如加工时间的随机变化,传送时间的不确定性因加大采样周期而被滤除了,从而大大提高了生产计划的有效性。在分布式计划与控制系统中,生产计划与控制是分层进行的。因此,一个大而复杂的系统就分解成若干个相对小而简单的部分。一般情况,不同层次的响应速度及灵活性的要求是不相同的,下层不确定性发生的频率较上层高。全局问题在上层解决,局部问题在下层解决。这样,较之集中式计划与控制方式,其响应速度及控制能力得以大大提高,从而也就提高了生产计划与控制的灵活性。参考文献1H ans2Peter W iendah l.L oad2

19、O rientedM anufacturing Contro l.Sp ringer2V erlag,19952Zhang Yanyun,Yang Hong,L iu Xuedong.T he Si m ulati on Environm ent of D istributed Cooperative P roducti onP lanningand Contro l based on FunnelM odel.T he T h ird Beijing Internati onal ConferenceonSystem Si m ulati on and Scientific Com2puti

20、ng(B I CSC95,1995:2752803刘伟,金雁.基于合同网的作业车间分布式合作调度策略.上海交通大学学报,1992,26(2THE S Y M OF PROD UCT I ON PLANN ING AND CONTROL BASEDON FUNNEL MOD EL AND D ISTR IBUTED COOPERAT IVE THEORYZ hang Y any un,X iao T iany uan,L iu X ued ong,L ei W uqi,Y ang H ong(T singhua U n iversity,B eijing,100084Abstract In th

21、 is paper,a system of p roducti on p lann ing and con tro l based on funnel m odel anddistribu ted cooperative theo ry has been p resen ted.I m po rtan t idea and techn ique,such as fun2nelm odel,distribu ted coop erative m anner and virtual w o rk cen ter,have been discu ssed.P ractice show s that the efficiency