工业工程与生产调度管理

1、3/17/2022 工业工程与生产调度管理工业工程与生产调度管理侍乐媛侍乐媛 教授教授美国威斯康星大学美国威斯康星大学清华大学清华大学西安交大西安交大23/17/2022 |33/17/2022 |43/17/2022 |53/17/2022 |63/17/2022 |73/17/2022 |83/17/2022 |93/17/2022 |103/17/2022 |113/17/2022 |123/17/2022 |133/17/2022 |143/17/2022 |153/17/2022 |163/17/2022 |173/17/2022 |183/17/2022 |193/17/2022

2、|203/17/2022 |213/17/2022 |223/17/2022 |233/17/2022 |243/17/2022 |253/17/2022 |263/17/2022 |273/17/2022 |283/17/2022 |293/17/2022 |303/17/2022 |313/17/2022 |323/17/2022 |333/17/2022 |343/17/2022 |353/17/2022 |363/17/2022 |373/17/2022 |383/17/2022 |ERP 与与 车间管理车间管理ERP的概念起源于的概念起源于MRP1972年年, 五位五位IBM的管理人

3、员离开公司组建了的管理人员离开公司组建了SAP (System, Application, Production)ERP系统的服务对象是企业管理的上层系统的服务对象是企业管理的上层 上层计划缺乏有效的实时信息支持上层计划缺乏有效的实时信息支持 下层的控制缺乏优化的调度与协调下层的控制缺乏优化的调度与协调 MES (制造执行系统制造执行系统)90年代的新概念年代的新概念 3/17/2022 制造执行系统介绍制造执行系统介绍MES403/17/2022 |典型车间管理问题典型车间管理问题1,出现用户产品投诉的时候，能否根据产品号码追溯这批产品的所有生产过出现用户产品投诉的时候，能否根据产品号码追溯

4、这批产品的所有生产过程信息？能否立即查明它的：原料供应商、操作机台、操作人员、经过的程信息？能否立即查明它的：原料供应商、操作机台、操作人员、经过的工序、生产时间日期和关键的工艺参数？工序、生产时间日期和关键的工艺参数？ 2, 同一条生产线需要混合组装多种型号产品的时候，能否自动校验和操作提同一条生产线需要混合组装多种型号产品的时候，能否自动校验和操作提示以防止工人部件装配错误、产品生产流程错误、产品混装和货品交接错示以防止工人部件装配错误、产品生产流程错误、产品混装和货品交接错误？误？3, 过去过去12小时之内生产线上出现最多的小时之内生产线上出现最多的5种产品缺陷是什么？次品数量各是多种产

5、品缺陷是什么？次品数量各是多少？少？ 4, 目前仓库以及前工序、中工序、后工序线上的每种产品数量各是多少？要目前仓库以及前工序、中工序、后工序线上的每种产品数量各是多少？要分别供应给哪些供应商？何时能够及时交货？分别供应给哪些供应商？何时能够及时交货？5, 生产线和加工设备有多少时间在生产，多少时间在停转和空转？影响设备生产线和加工设备有多少时间在生产，多少时间在停转和空转？影响设备生产潜能的最主要原因是：设备故障？调度失误？材料供应不及时？工人生产潜能的最主要原因是：设备故障？调度失误？材料供应不及时？工人培训不够？还是工艺指标不合理？培训不够？还是工艺指标不合理？ 6, 能否对产品的质量检

6、测数据自动进行统计和分析，精确区分产品质量的随能否对产品的质量检测数据自动进行统计和分析，精确区分产品质量的随机波动与异常波动，将质量隐患消灭于萌芽之中？机波动与异常波动，将质量隐患消灭于萌芽之中？7, 能否废除人工报表，自动统计每个过程的生产数量、合格率和缺陷代码？能否废除人工报表，自动统计每个过程的生产数量、合格率和缺陷代码？ MES能解决这些问题413/17/2022 |MES“MES 能通过能通过信息传递对从订单下达到产品完成的对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。进行优化管理。当工厂发生实时事件时当工厂发生实时事件时,MES 能对此及时作出反应、报告能对此及时作出反应、报

7、告,并用并用当前的准确数据对它们进行指导处理。当前的准确数据对它们进行指导处理。这种对状态变化的迅速响应使这种对状态变化的迅速响应使MES 能够减少企业内部没有附能够减少企业内部没有附加值的活动加值的活动,有效地指导工厂的生产运作过程有效地指导工厂的生产运作过程,从而使其既能够从而使其既能够提高工厂及时交货能力提高工厂及时交货能力,改善物料的流通性能改善物料的流通性能,又能提高生产回又能提高生产回报率。报率。MES 还通过双向的直接通信在企业内部和整个产品供应链中还通过双向的直接通信在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行为的关键任务信息。提供有关产品行为的关键任务信息。”423/17/20

8、22 |MES（2）1,MES 是对整个生产过程的管理与优化，而不是单一地解决某是对整个生产过程的管理与优化，而不是单一地解决某个生产问题；个生产问题；2，MES 必须具备实时控制功能，即它必须实时收集、分析、必须具备实时控制功能，即它必须实时收集、分析、处理和反馈生产过程中的信息；处理和反馈生产过程中的信息；3，MES 必须与企业的计划活动、工程活动、供应链和车间底必须与企业的计划活动、工程活动、供应链和车间底层控制进行信息交互，构造企业的连续信息流以实现企业信息层控制进行信息交互，构造企业的连续信息流以实现企业信息的全面集成。的全面集成。433/17/2022 |三层结构三层结构443/1

9、7/2022 |应用应用MES的效果的效果平均减少制造周期时间平均减少制造周期时间45%一般减少数据输入时间一般减少数据输入时间75%平均减少半成品平均减少半成品24%平均减少产品缺陷平均减少产品缺陷18% 453/17/2022 |MES做什么？做什么？MES功能模型功能模型463/17/2022 |MES功能模块（功能模块（1）生产调度管理：以作业、订单、批量以及工作订单等形式管理以作业、订单、批量以及工作订单等形式管理和控制生产单元中的物料流和信息流。生产调度能够调整车间和控制生产单元中的物料流和信息流。生产调度能够调整车间规定的生产作业计划，对返修品和废品进行处理，用缓冲管理规定的生产

10、作业计划，对返修品和废品进行处理，用缓冲管理的方法控制每一点的在制品数量。的方法控制每一点的在制品数量。详细计划：负责生成工序级操作计划，即详细计划，提供基于：负责生成工序级操作计划，即详细计划，提供基于指定生产单元相关的优先级、属性、特征、方法等的作业排序指定生产单元相关的优先级、属性、特征、方法等的作业排序功能。其目的就是要安排一个合理的序列以最大限度地压缩生功能。其目的就是要安排一个合理的序列以最大限度地压缩生产过程中的辅助时间，这个计划是基于有限能力的生产执行计产过程中的辅助时间，这个计划是基于有限能力的生产执行计划。划。在制品管理：监控生产过程，自动修正生产中的错误，提高加：监控生产

11、过程，自动修正生产中的错误，提高加工效率和质量，并向用户提供纠正错误和提高在制品生产行为工效率和质量，并向用户提供纠正错误和提高在制品生产行为的决策支持。的决策支持。473/17/2022 |MES功能模块（功能模块（2）性能分析：能提供实时更新的实际制造过程的结果报告，并将能提供实时更新的实际制造过程的结果报告，并将这些结果与过去的历史记录及所期望出现的经营目标进行比较。这些结果与过去的历史记录及所期望出现的经营目标进行比较。 资源分配以及状态管理：对资源状态及分配信息进行管理，包对资源状态及分配信息进行管理，包括机床、辅助工具、物料、劳动者等其他生产能力实体以及开括机床、辅助工具、物料、劳

12、动者等其他生产能力实体以及开始进行加工时必须具备的文档和资源详细历史数据，对资源的始进行加工时必须具备的文档和资源详细历史数据，对资源的管理还包括为满足生产计划的要求而对资源所作的预留和调度。管理还包括为满足生产计划的要求而对资源所作的预留和调度。工艺管理：包括生产工艺数据和产品工艺数据的管理。包括生产工艺数据和产品工艺数据的管理。MES中中的工艺管理系统为其它功能系统提供基础数据。的工艺管理系统为其它功能系统提供基础数据。文档管理：管理与生产单元相关包括图纸、配方、工艺文件、管理与生产单元相关包括图纸、配方、工艺文件、工程变更等的记录工程变更等的记录/单据。该部分还完成包括对存储的生产历史单

13、据。该部分还完成包括对存储的生产历史数据进行维护的操作。数据进行维护的操作。483/17/2022 |MES功能模块（功能模块（3）生产设备：跟踪和指导企业维护设备和刀具，以保证制造过程跟踪和指导企业维护设备和刀具，以保证制造过程的顺利进行，并产生除报警外的阶段性、周期性和预防性的维的顺利进行，并产生除报警外的阶段性、周期性和预防性的维护计划，也提供对直接需要维护的问题进行响应。护计划，也提供对直接需要维护的问题进行响应。现场数据采集：负责采集生产现场中的各种必要的实时更新的：负责采集生产现场中的各种必要的实时更新的数据信息。这些现场数据可以从车间手工输入或者各种自动方数据信息。这些现场数据可

14、以从车间手工输入或者各种自动方式获得。式获得。生产质量管理：把从制造现场收集到的数据进行实时分析以控把从制造现场收集到的数据进行实时分析以控制产品质量，并确定生产中需要注意的问题。制产品质量，并确定生产中需要注意的问题。人力资源管理：提供实时更新的员工状态信息数据。人力资源提供实时更新的员工状态信息数据。人力资源管理可以与设备的资源管理模块相互作用来决定最终的优化分管理可以与设备的资源管理模块相互作用来决定最终的优化分配。配。493/17/2022 |MES产品案例产品案例 (1)和利时和利时 RealMIS主要包括以下功能模块：主要包括以下功能模块：（1） 数据采集：监视、收集和组织来自人员

15、、机器和底层的控制数据采集：监视、收集和组织来自人员、机器和底层的控制操作及工序、物料信息。这些数据可由车间手工录入或由各种自动方式操作及工序、物料信息。这些数据可由车间手工录入或由各种自动方式获取。获取。（2） 维护管理：通过活动监控和指导保证机器和其它资产设备的维护管理：通过活动监控和指导保证机器和其它资产设备的正常运转以实现工厂的执行目标。正常运转以实现工厂的执行目标。（3） 性能分析：将实际制造过程测定的结果与过去的历史纪录和性能分析：将实际制造过程测定的结果与过去的历史纪录和企业制定的目标以及客户的要求进行比较。其输出的报告或在线显示用企业制定的目标以及客户的要求进行比较。其输出的报

16、告或在线显示用以辅助性能的改进和提高。以辅助性能的改进和提高。（4） 过程管理：基于计划和实际产品制造活动来指导工厂的工作过程管理：基于计划和实际产品制造活动来指导工厂的工作流程。这一模块的功能实际上也可由生产单元分配和质量管理来实现。流程。这一模块的功能实际上也可由生产单元分配和质量管理来实现。这里是作为一个单独的系统来实现的。这里是作为一个单独的系统来实现的。 (5) 资源分配和状态管理：指导劳动者、机器、工具和物料如何协资源分配和状态管理：指导劳动者、机器、工具和物料如何协调地进行生产，并跟踪其现在的工作状态和刚刚完工的情况。调地进行生产，并跟踪其现在的工作状态和刚刚完工的情况。 503

17、/17/2022 |MES产品案例（产品案例（2）513/17/2022 |MES功能模型功能模型3/17/2022 生产调度与计划生产调度与计划Scheduling533/17/2022 |制造业的调度与计划制造业的调度与计划制造业的调度目的就是最小化生产周期和成本；将制造业的调度目的就是最小化生产周期和成本；将“制造什制造什么么”、“何时何时”、“哪些员工哪些员工”、“在哪些设备上在哪些设备上”等信息通等信息通知给生产线。知给生产线。调度的目标调度的目标高效客户服务高效客户服务: 准时交货准时交货低库存低库存: 半成品库存（半成品库存（WIP）、成品库存）、成品库存 （Finished G

18、oods Inventory）加工设备高效利用加工设备高效利用543/17/2022 |满足交货期满足交货期 衡量标准衡量标准服务水平（服务水平（Service）:用于订货生产方式（用于订货生产方式（Make-to-Order）的系统）的系统交货期或之前完成的订单部分交货期或之前完成的订单部分完成率（完成率（Fill Rate）:用于按库存生产用于按库存生产/备货生产方备货生产方式（式（Make-to-Stock）的系统）的系统可由库存满足的需求部分可由库存满足的需求部分迟延率（迟延率（Lateness）:用于车间控制用于车间控制订单交货期与完成期之差订单交货期与完成期之差.平均延迟率意义不大

19、平均延迟率意义不大最好的衡量标准是最好的衡量标准是“延迟方差延迟方差”缓慢（缓慢（Tardiness）:用于车间控制用于车间控制.如果发生延迟，等于如果发生延迟，等于Lateness的值，的值，否则等于零否则等于零.“平均缓慢率平均缓慢率”虽有意义，但不直观。虽有意义，但不直观。553/17/2022 |减少半成品（减少半成品（ WIP）和生产周期（）和生产周期（Cycle Time）最少的半成品最少的半成品WIP等于最短的生产周期等于最短的生产周期 (Littles Law)缩短生产周期的益处缩短生产周期的益处:低成本: 最短库存花费最短库存花费高灵活性: 降低改变在生产订单的损失降低改变在

20、生产订单的损失更高质量: 更快的次品检测更快的次品检测低预测依赖性: 低于冻结区域（低于冻结区域（frozen zone）的生产周期允许按订）的生产周期允许按订单生产（单生产（Make to Order）更好的预测: 远期远期/不准确预测不再需要不准确预测不再需要563/17/2022 |计划划与调度的复杂性计划划与调度的复杂性计划计划1618.812.8573/17/2022 |经验方案-1583/17/2022 |经验方案-2593/17/2022 |603/17/2022 |613/17/2022 |调度问题的复杂程度调度问题的复杂程度当前状况当前状况: 假设计算机每秒可处理1,000,

21、000序列，我们希望构建一个响应时间不超过1分钟的调度系统；那么我们可以排序多少个job?Number of JobsComputer Time50.12 millisec60.72 millisec75.04 millisec840.32 millisec90.36 sec103.63 sec1139.92 sec127.98 min131.73 hr1424.22 hr1515.14 day 2077,147 years623/17/2022 |调度起源调度起源MRP1970s 至今至今结合结合 BOM倒推式计算倒推式计算TimeFinal AssemblySub-Assembly 1Su

22、b-Assembly 2Sub-Assembly 3633/17/2022 |MRP 调度调度交货期S4S3S2订单到达时间 预计生产周期Op 4Op 3Op 2Op 1安全缓冲Set-Up and Run Times643/17/2022 |安全缓冲的问题安全缓冲的问题单元式制造单元式制造 不可预计的机器不可预计的机器,人员人员,材料问题材料问题放大生产周期放大生产周期: 20-50%加工车间加工车间 不可预计的机器不可预计的机器,人员人员,材料问题材料问题各种干扰各种干扰放大生产周期放大生产周期: 500-900%653/17/2022 |什么是干扰什么是干扰?机器机器/人员不到位人员不到

23、位比如比如: 约翰迪尔供应商的生产流程约翰迪尔供应商的生产流程4 DaysWait for Machine Job 1Job 2Current JobCurrent Job663/17/2022 |MRP & MRPII 优点优点帮助采购零部件帮助采购零部件物料清单物料清单(BOM) 帮助调度帮助调度 缺点缺点不考虑别的工作量在系统中的相互关系不考虑别的工作量在系统中的相互关系大幅度地增加了生产周期大幅度地增加了生产周期 导致库存增加导致库存增加673/17/2022 |调度优化例子调度优化例子非优化的调度TimeM3M2M1工作1 (M3, M1, M2)工作2 (M1, M2, M

24、3)工作3 (M1, M2, M3)路径683/17/2022 |调度优化例子调度优化例子非优化的调度TimeM3M2M1工作1 (M3, M1, M2)工作2 (M1, M2, M3)工作3 (M1, M2, M3)路径最优调度TimeM3M2M1693/17/2022 |LSched v1.0调度系统调度系统 介绍介绍致力于制造业加工车间调度（致力于制造业加工车间调度（job shop) 问题解决问题解决缩短生产周期缩短生产周期, 减少库存减少库存高性能优化引擎高性能优化引擎:解决算法基于最先进的优化理论架构解决算法基于最先进的优化理论架构为了更好适应业务需求为了更好适应业务需求可定制的目

25、标和约束可定制的目标和约束可定制的解决策略可定制的解决策略 基于以下标准的开放灵活体系基于以下标准的开放灵活体系.NetWeb ServicesUML获得美国国家自然科学基金奖获得美国国家自然科学基金奖,美国国防部赞助美国国防部赞助703/17/2022 |解决方案结构解决方案结构系统的输入系统的输入:订单、库存、设备与加工信息、工作时间、人力订单、库存、设备与加工信息、工作时间、人力系统的输出系统的输出: 一个月内的日生产进度表和各种报告一个月内的日生产进度表和各种报告客户数据库输入文件输出文件OptimizationEngine优化引擎数据管道数据管道Scheduler v1.0输入数据输

26、入数据分析数据分析数据优化优化发布发布713/17/2022 |系统体系系统体系C/S (client/server)B/S (Browser/server)723/17/2022 |数据模型数据模型Data Model一般的制造业供应链模型（一般的制造业供应链模型（supply chain model）可用于建模大量的）可用于建模大量的产业产业加工作业加工作业加工作业加工作业库存库存 (成品成品)资源资源资源资源加工作业加工作业加工作业加工作业库存库存 (中间品中间品)资源流资源流原料流原料流库存库存 (中间品中间品)加工作业加工作业资源资源原料流原料流733/17/2022 |Schedu

27、ler 数据浏览器数据浏览器743/17/2022 |Scheduler 目标设置目标设置 （Objective Setting）调整代表各个优化目标相对重要性的多边形形状调整代表各个优化目标相对重要性的多边形形状753/17/2022 |Scheduler 调度设置（调度设置（Scheduling Setting）为优化引擎设置计算参数为优化引擎设置计算参数763/17/2022 |Scheduler 调度结果调度结果 Schedule Result (Gantt Chart)773/17/2022 |Scheduler 调度结果调度结果 Schedule Result (设备信息设备信息)

28、783/17/2022 |应用案例应用案例Manufacturing Companies793/17/2022 |成功案例成功案例用于用于R&B Griding, Inc. 的调度程序的调度程序R&B Grinding 是一家服务于大型加工装配零配件是一家服务于大型加工装配零配件/组装线组装线OEM厂家的供应厂商厂家的供应厂商 拥有占地超过拥有占地超过200,000 平方英尺的生产区、平方英尺的生产区、120名雇员和名雇员和100多多台加工设备台加工设备803/17/2022 |加工车间（加工车间（Job-Shop）问题）问题R&B的工厂属于加工车间（的工厂属于加工车间

29、（ Job-Shop）布局）布局加工车间属于多阶段生产过程，所有的加工须经过多台机器加工车间属于多阶段生产过程，所有的加工须经过多台机器完成完成. 如何合理调度安排所有机器上的操作，满足现有资源的约束如何合理调度安排所有机器上的操作，满足现有资源的约束进而达到生产的目标要求？进而达到生产的目标要求？813/17/2022 |加工车间的流程图加工车间的流程图Product AJob1 Op3Job1 Op4Finished goodsProduct BMachine 1Machine 2Machine 3Job1 Op1Job2 Op1Job2 Op2Job1 Op2Machine 4Opera

30、tor 1Operator 2Operator 3823/17/2022 |目标目标减少制造周期减少制造周期减少库存减少库存维持最小安全库存维持最小安全库存及时生产及时生产,只在需要的时候，按需要的量生产所需的产品只在需要的时候，按需要的量生产所需的产品劳动力安排劳动力安排劳动力是最大的成本，需在保持稳定生产的同时，最小化劳动力成本劳动力是最大的成本，需在保持稳定生产的同时，最小化劳动力成本机器利用率机器利用率保持机器利用率在一定的水平保持机器利用率在一定的水平833/17/2022 |约束约束机器可用率（机器可用率（Machine Availability）单向资源（单向资源（Unary Resource ）优先约束（优先约束（Precedence Constraint）劳动力需求（劳动力需求（Labor Requirement）材料单（材料单（Bill Of Materials）批处理（批处理