汽車制造車間生產(chǎn)計劃與調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)

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1、汽車制造車間生產(chǎn)計劃與調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng) 摘要：隨著生產(chǎn)車間復雜度的提高和客戶需求的多元化，生產(chǎn)計劃與調(diào)度已成 為當今制造企業(yè)運營管理時面臨的兩大決定性挑戰(zhàn)。目前，解決問題的傳統(tǒng)方式 是計劃、調(diào)度“分而治之”，而該方式最明顯的弊端是計劃規(guī)劃與調(diào)度決策互不匹 配與協(xié)調(diào)。本文對汽車制造車間生產(chǎn)計劃與調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)進行分析。 關(guān)鍵詞：汽車制造；車間；生產(chǎn)計劃；調(diào)度優(yōu)化；系統(tǒng) 1 生產(chǎn)調(diào)度的重要性 企業(yè)生產(chǎn)管理成敗的關(guān)鍵往往是通過質(zhì)量成本以及交貨時間來衡量的。生產(chǎn)調(diào)度用來指 導車間的生產(chǎn)管理，生產(chǎn)調(diào)度是否合理對車間生產(chǎn)管理任務能否順利的完成與實現(xiàn)有著非常 重要的意義。長期以來，許多學者對生產(chǎn)調(diào)度進行了

2、研究，但并沒有很好的解決存在的理論 難題。在企業(yè)中，合理的編排生產(chǎn)調(diào)度能夠?qū)⑵髽I(yè)的生產(chǎn)資源和產(chǎn)品的加工路徑進行合理的 分配，同時也能夠提前發(fā)現(xiàn)并解決在生產(chǎn)過程中存在的問題，減少在制品在車間的流動時間， 提高車間生產(chǎn)設備的利用率、消除車間存在的瓶頸問題、加快生產(chǎn)進程，減少倉庫的成品庫 存量、降低生產(chǎn)成本，保證產(chǎn)品的交貨期等。重點使用車間生產(chǎn)調(diào)度的層面是車間生產(chǎn)層和 生產(chǎn)執(zhí)行層，它將工廠級的生產(chǎn)計劃和車間級的生產(chǎn)計劃聯(lián)系起來：一方面，它將工廠級的 生產(chǎn)計劃接收后并進行分解，然后將調(diào)度指令發(fā)給下游的設備層。另一方面，根據(jù)設備實時 反饋的加工信息，對初始調(diào)度結(jié)果進行修正和調(diào)整，然后將此信息向工廠級的生

3、產(chǎn)計劃進行 反饋。所以，生產(chǎn)調(diào)度對生產(chǎn)經(jīng)營過程中能否順利的高速運轉(zhuǎn)以及降低生產(chǎn)成本有著直接的 影響。 2 生產(chǎn)計劃與調(diào)度集成優(yōu)化建模 2.1 問題描述 為適應競爭激烈的市場環(huán)境和滿足當今客戶對產(chǎn)品多元多樣的需求，制造企業(yè)多采用 FJS生產(chǎn)系統(tǒng)。該車間問題是經(jīng)典JSP的延伸，即不同于JSP問題中每個工件的每道工序已指 定好加工過程所需的機器，而是同一道工序可以從一組不同的處理機器中進行選擇。因此， 前者較后者更難于求解，是一類強NP-hard問題。在實際制造過程中，為了確保制造企業(yè)在 及時交付訂單，合理利用生產(chǎn)效率的前提下減少生產(chǎn)系統(tǒng)的總費用，迫切需要對FJS的生產(chǎn) 計劃與調(diào)度集成優(yōu)化問

4、題進行探究?？紤]制造車間實際情況一般為多品種、小批量，不同產(chǎn) 品具有不同的加工路線，且同一機器不同工序間的轉(zhuǎn)換會產(chǎn)生設備轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換費用。 綜上所述，本文研究的是進行多品種小批量的FJS車間環(huán)境，該車間根據(jù)上游客戶訂單 需求進行精益生產(chǎn)。具體地，該車間有M臺不同生產(chǎn)能力的機器，在T個生產(chǎn)周期內(nèi)需要進 行N種工件加工，每種工件j包含jh道工序，每道工序可在機器上加工，具體已知條件如下: （1）已知每道工序在每臺機器上的加工時間，且其可能不相等。 （2）機器生產(chǎn)能力受約束， 且不同機器的生產(chǎn)能力不同。（3）各工序在各機器上存在準備時間，各工件的各工序在不 同機器的加工時間和加工費用不同。（4）

5、同一工件的各道工序之間具有先后順序關(guān)系，但 不同工件之間則不具有。對于FJS問題還應具有的假設如下：（1）同一時刻，每臺機器的工 位上最多只能進行一項工序的加工。（2）同一時刻，各工件的各工序最多只能出現(xiàn)在某一 臺機器的某個加工工位上。（3）已進行加工的工序不能被終斷。（4）不考慮機器的故障狀 態(tài)，視其為可用。同時，所研究問題考慮合理進行所有工件工序的機器指派與時序安排，以 減少工件生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)費用、庫存費用、提前費用和加班費用等相關(guān)費用之和為目標， 針對批量規(guī)劃、時序安排、機器合理利用性和機器生產(chǎn)能力約束等現(xiàn)實影響因子，探究同步 優(yōu)化生產(chǎn)運作效率和設備的合理利用性的集成優(yōu)化模型。 2.

6、2 集成優(yōu)化協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu) 針對問題描述小節(jié)的內(nèi)容，以前一章中集成機制分析所得的建模思想與集成策略為基礎 建立本文所研究問題的集成協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)，從而進行后續(xù)集成協(xié)調(diào)優(yōu)化模型的數(shù)學模型搭建。因 此，如何利用微觀計劃的集成策略搭建所提出的具體問題的協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)成為后續(xù)數(shù)學模型建立 的研究重點。在以精益生產(chǎn)為機理的柔性作業(yè)車間中，生產(chǎn)計劃的任務需制定出各種產(chǎn)件的 生產(chǎn)量和庫存量，使產(chǎn)品的生產(chǎn)費用和庫存費用之和最小，從而制定合理的批量規(guī)劃來優(yōu)化 生產(chǎn)相關(guān)費用；調(diào)度的任務需為每種產(chǎn)品分配合理的機器并確定同一機器上的各工件工序的 生產(chǎn)次序安排，使機器的加班費用、提前費用和調(diào)整費用之和最小，從而以性能指標的形式 來評價

7、生產(chǎn)運作效率、設備合理利用性以及工序時序安排的優(yōu)劣。生產(chǎn)計劃與調(diào)度的集成優(yōu) 化就是滿足生產(chǎn)計劃方案可行性制定、調(diào)度決策合理安排的前提下，從整體上對這兩任務層 次的產(chǎn)生費用進行優(yōu)化。本文利用SLSSP問題中微觀周期模型和宏觀周期模型的構(gòu)建思路， 提出基于微觀計劃的集成策略，搭建數(shù)學模型的協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)。為實現(xiàn)微觀計劃與宏觀計劃以及 調(diào)度決策的集成，將微觀計劃以決策變量的形式加入到模型中，作為短期決策來解決生產(chǎn)計 劃與調(diào)度集成時難于相互轉(zhuǎn)化協(xié)調(diào)的問題。數(shù)學模型的協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)為：首先，引入微觀計劃解 決兩者集成問題，宏觀計劃的任務為典型生產(chǎn)計劃任務；再保持調(diào)度的任務不變，而微觀計 劃的任務則是在與宏觀計劃制定

8、的批量計劃保持一致的前提下，考慮調(diào)度決策中的生產(chǎn)能力 約束和詳細調(diào)度約束，制定出整個宏觀計劃區(qū)間（中期或長期）特定時段（短期）最終產(chǎn)品 的生產(chǎn)數(shù)量和庫存水平；最終，將宏觀計劃決策和調(diào)度決策所解決的問題同步進行協(xié)調(diào)作用， 實現(xiàn)正向與反饋不斷優(yōu)化。進一步講，本文研究的是在滿足訂單準時交付的前提下，考慮機 器生產(chǎn)能力的限制，獲得可行的機器指派與工序安排，以提高生產(chǎn)運作效率和設備的合理利 用性，減少工件生產(chǎn)過程中的相關(guān)費用。首先將問題的核心及影響因素轉(zhuǎn)化成相應性能指標 與約束條件，由宏觀計劃決策與調(diào)度決策進行實現(xiàn)，然后將微觀計劃決策與調(diào)度決策進行集 成，以通過微觀計劃決策對宏觀計劃決策與調(diào)度決策實現(xiàn)協(xié)

9、調(diào)優(yōu)化，再由評價函數(shù)來決定是 否執(zhí)行來自調(diào)度決策層的反饋優(yōu)化，從而完成計劃層與調(diào)度層對生產(chǎn)相關(guān)總費用、訂單準時 交付、工序時序安排以及機器合理指派等優(yōu)化因素的正反向綜合協(xié)調(diào)，整體上構(gòu)成閉環(huán)反饋 機制，實現(xiàn)集成優(yōu)化。 2.3 集成優(yōu)化協(xié)調(diào)模型 2.3.1 集成優(yōu)化性能指標 為準時滿足客戶多品種小批量的產(chǎn)品需求，選取生產(chǎn)費用和庫存費用作為評價宏觀計劃 決策的性能指標；為在生產(chǎn)調(diào)度約束下，考慮時序安排、機器合理利用性及機器生產(chǎn)能力約 束等影響因子，選取提前費用、加班費用和機器調(diào)整費用作為衡量調(diào)度決策的性能指標。 2.3.2 計劃層約束 在企業(yè)的制造過程中，首先需要制定一個切合實際的生產(chǎn)作業(yè)

10、計劃，該計劃需包括中長 期的生產(chǎn)目標和短期細化的生產(chǎn)任務。通過合理地制定中長期計劃方案和短期計劃方案，并 按照該具體方案進行工序加工與調(diào)度安排，企業(yè)就可實現(xiàn)短時間低成本以高效生產(chǎn)完成客戶 訂單需求。在本文中，生產(chǎn)計劃包括宏觀計劃和微觀計劃，這兩者即是對應典型的中長期計 劃方案和短期計劃方案，共同構(gòu)成計劃層約束。該約束主要包括宏觀計劃約束中的總?cè)蝿樟?約束、目標規(guī)劃約束、生產(chǎn)平衡約束以及微觀計劃約束中的微觀生產(chǎn)平衡約束。 2.3.3 調(diào)度層約束 為了實現(xiàn)生產(chǎn)計劃與調(diào)度的集成，在建立計劃層約束后需建立調(diào)度層約束，即根據(jù)所研 究問題的實際生產(chǎn)環(huán)境約束對前小節(jié)所得到的生產(chǎn)計劃方案進行具體加工過程的

11、安排。其控 制變量包括所有工序的批量開工時間、加工過程持續(xù)時間、機器合理指派以及加工次序安排。 調(diào)度約束主要涉及工序加工次序約束、機器分配次序約束、機器運行能力約束等，以實現(xiàn)所 有實際任務的作業(yè)排序。 3 結(jié)語 以生產(chǎn)計劃與調(diào)度協(xié)調(diào)優(yōu)化處理的集成策略為理論基礎，考慮了時序安排、機器合理利 用性及機器生產(chǎn)能力約束等影響因子，提出了一種生產(chǎn)計劃與調(diào)度的集成優(yōu)化協(xié)調(diào)模型，該 新型模型立足于計劃層約束、調(diào)度層約束和集成優(yōu)化性能指標，利用微觀計劃實現(xiàn)了宏觀計 劃決策與調(diào)度決策的協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)，通過引入微觀計劃決策變量，解決了生產(chǎn)計劃與調(diào)度集成時 難于協(xié)調(diào)優(yōu)化的問題，最終在相關(guān)總費用最小化的同時，實現(xiàn)了合理的工序指派和機器安排 保證了生產(chǎn)任務的準時完工。 參考文獻： [1] 盧其兵?基于制造物聯(lián)網(wǎng)的制造過程信息處理關(guān)鍵技術(shù)研究[D]?武漢理工大學，2016. [2] 唐明飛?基于精益生產(chǎn)的車間物流配送方式研究[D].哈爾濱工業(yè)大學，2016. [3] 莫太平?制造執(zhí)行系統(tǒng)的建模與調(diào)度問題研究及應用[D]?西安電子科技大學，2015.