生产计划和调度的解决方法
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三层结构的自动化系统 (柴天佑, 2003)
国际制造执行系统协会（Manufacturing Execution System Association，MESA）对MES的定义是“MES提供 为优化从订单投入到产品完成的生产活动所需的信息。MES
运用及时、准确的信息，指导、启动、响应并记录工厂活动 ，从而能够对条件的变化做出迅速的响应、减少非增值活动 、提高工厂运作过程的效率。MES不但可以改善设备投资回
ERP－Enterprise Resource Planning 企业资源计划系统
建立在信息技术基础上，以系统化的管理思想，为企 业决策层及员工提供生产管理和决策的管理平台。 ERP系统系统增加了包括财务预测、生产能力、调整 资源调度等方面的功能。配合企业实现JIT管理全面、 质量管理和生产资源调度管理及辅助决策的功能。
客户开始采取多品种、小批量、多批次的订货方式 。 市场竞争日益激烈
客户随着世界市场一体化进程的加快，国内企业、 特别是中小型企业面临的竞争压力日益加大。为了 生存和发展，企业生产运作系统必须满足高质量、
•大批量生产模式
•定制式生产模式
六、七十年代
八、九十年代
90 年代～：市场响应速度 80 年代：产品质量 70 年代：生产成本 50 -60 年代：生产规模
进一步地，我们可以从管理思想、软件产品、管 理系统三个层次给出它的定义：
◦ 由美国著名的计算机技术咨询和评估集团Garter Group Inc.提出的一 整套企业管理系统体系标准，其实质是在MRP II（Manufacturing Resources Planning,“制造资源计划”） 基础上进一步发展而成的 面向供应链（Supply Chain）的管理思想；
生产计划和调度系统功能
F1
Pareto 边界
F2 Pareto点：即改善该点任意一个目标，都会对其他至少一个目标产生
不利影响；所有的Pareto点构成Pareto边界。
静态调度
根据生产订单、生产约束和调度时间范围进行机器分配和 生产安排，以最大化生产利润，提高产品质量、生产产量 和客户服务水平，并降低在制品数量。
按与市场需求的关系分:
生产-库存式生产系统(Make-To-Inventory)
预测需求→确定计划→组织生产→成品入库→销售
库存式生产运作模式可以较好地满足随机小批量需求；同时企业生产运作系 统运行均衡，质量稳定、人力、设备等自然可以得到较充分的运用。但运作 过程的产成品占用的流动资金大，具有一定的市场风险，对需求变化的适应 性较差。一般用于通用产品生产。
TQ
Unit WIP Costs
Queue Cycle Time
Throughput
WIP Position
Revenue = {Throughput * Price} – {Costs} WIP = Throughput * Cycle Time
Costs = {WIP + BOM + Late Penalty} Factor = {Cycle Time / Processing Time}
生产调度为供应链管理的一个重要组成部分，其实现
的任务是在一段时间内根据生产约束进行生产线上的
资源分配和生产作业安排（设备分配、工序流程和加
工时间等） ，以满足某些给定的调度目标（
Makespan 、 产品成本、 服务质量等） 。
MES
ERP
调度结果
生产车间
生产订单
调度优化器
调度目标 生产约束
用户界面 GUI
《欧洲钢铁工业技术发展指南》：“对于降低生产成 本、提高产品质量、快速响应市场需求、减少环境污 染和资源消耗只能通过全流程自动控制系统的优化设
阶段 企业经营方面
（I） 60年代
追求降低成本 手工订货发货 生产缺货频繁
（II） 70年代
计划偏离实际 人工完成车间
作业计划
（III） 追求竞争优势 80年代 各子系统缺乏联
如何提高生产型企业核心竞争力？
提升生产型企业的信息化水平
◦ 采用先进的信息化技术，开发如ERP、MES 、 APS 、等从管理到生产的软件系统
实现企业级ERP管理系统和现场自动化系统 的有效衔接
◦ 开发生产计划和调度辅助决策系统，以根据工 厂和车间的实时工况信息，制定出科学合理的 生产调度方案，完成生产排程任务，以降低成 本，减小库存，快速响应客户订单
生产订单
ERP
预测利润(成本)
过渡时间
生产线 1
利润 (经济) 模型
过渡模式
生产线 2
生产调度 商业数据 生产数据 参数
WIP 和库存数据
生产计划和调度系统功能
S1 L11 S1 L12 S1 L13 S2 L21 S2 L22 S2 L23 S2 L24
参数
MV 经济 模型
预测利润 /成本
Proc_Time (MGP, M)
◦ 客户满意指标：最小提前或者拖后交货期、提高产品服务水平等。
建立高性能的生产计划和调度，将大大缩短调度计划作业 的编制时间和实际生产过程中的非作业等待时间，有利于 提高生产效率、降低能源与原材料消耗，取得显著的经济 效益。
单生产线
订单池
多生产线 订单池
加工时间
准备时间
生产线 1 生产线 2
订单属性: 订单 ID, 产品类别, 数量, 交货期, 客户等
动态调度和重调度
针对生产订单和车间状态的改变对存在的调度结果进行重 调度与动态调度，如插入或取消订单、机器故障、原材料 延迟等。
人工调整
通过调度系统的人机界面人为调整调度方案
流水型排序问题
n项任务，等待多台串联设备组成的生产线加工，各项任务的 工艺顺序相同。 例：8项任务、单台设备，数据如下：
任务
j1 j2 j3 j4 j5 j6 j7 j8
加工时间tj 8 3 6 12 7 5 3 2
交货期dj 19 12 9 33 48 40 37 23
生产计划和调度系统功能
总量需求预测→零部件生产计划→零部件库存→客户订货→装配计划→产品 组装→产品交货 按ATS方式运作的前提条件是产品个性化，零部件通用化，储存一定数量的 通用零部件，满足不同客户的订货要求。这种运作模式具有前面两种模式的
生产－科技高速发展加速产品更新换代速度
如医药产品50%是近5年研制出来的，每两年计算 机就有一次重要的技术突破。技术环境的变化使生 产系统的适应性、创新性，快速反应能力，成了企 业生存和发展的关键。 用户需求趋向个性化、多样化
随着原材料和各种辅 助材料的消耗，逐步 改变生产对象的物理 性质和化学性质，最 终变为产成品（副产 品、环保要求）。
按生产过程的连续性质分:
连续式生产运作系统（流程式）
连续式生产是指物料按一定的工艺顺序、连续地通 过生产过程各环节，在运动中不断地改变其形态和 性能，最后转化成产成品的生产方式(化工、石油、 冶金、食品、造纸等)。 离散式生产运作系统(加工装配式） 物料分别在不同时间和地点生产出零部件，再按 一定的要求集合装配成产成品的生产运作方式(如电 子、轻工、机械等产品）。
MRPⅡ阶段(Manufacture Resource Planning)
在MRP管理系统的基础上,系统增加了对企业生产中心、加工 工时、生产能力等方面的管理，以实现计算机进行生产排程 的功能，同时也将财务的功能囊括进来，在企业中形成以计 算机为核心的闭环管理系统，这种管理系统已能动态监察到 产、供、销的全部生产过程。
系，矛盾重重
（IV）
追求创新
90年代 要求适应市场环
境的迅速变化
ERP发展历程
问题提出 管理软件发展阶段
如何确定订货 时间和订货数
量
时段式MRP系统
如何保证计划 得到有效实施 和及时调整
如何实现企业 管理系统的一
体化
如何在社会范 围内利用一切 可利用的资源
闭环式MRP系统 MRPII系统 ERP系统
调度模型
生产计划是根据市场需求、考虑企业现有生产能力和资源 供应条件，对未来一定时期内的生产作业活动和各项资源 的使用作出的统筹安排。
生产调度目标（调度指标）：
◦ 生产能力指标：最大生产率、最短生产周期等，在给定产品需求条 件下，实现生产能力最大化以提高效益。
◦ 成本指标：最小化产品成本、最小化运行费用和最大化投资回报率 ，运行费用包括库存成本、生产成本和交货拖期损失等。
◦ 综合应用了客户机/服务器体系、关系数据库结构、面向对象技术、 图形用户界面、第四代语言（4GL）、网络通讯等信息产业成果，以 ERP管理思想为灵魂的软件产品；
◦ 是整合了企业管理理念、业务流程、基础数据、人力物力、计算机硬 件和软件于一体的企业资源管理系统。
本企业 供应商
MRP MRPII
ERP SCM
3gl
4gl
o/o
网络计算机
主机 小型计算机 客户服务器
客户
70年
80年
90年
2000 年代
economic decision enterprise management production scheduling
process optimization
process control
过程控制、过程优化、生产调度 、企业管理和经济决策五层结构的综
生产型企业制造战略的变化过程
如何适应新的生产企业生存环境，实施生产型企业的制 造战略，实现制造过程的信息化和综合自动化是提升企业核 心竞争力的重要手段？
十六大报告明确指出“实现工业化仍然是我国现代化 进程中艰巨的历史性任务。信息化是我国加快实现工 业化和现代化的必然选择。坚持以信息化带动工业化 ，以工业化促进信息化，走出一条科技含量高、经济 效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得 到充分发挥的新型工业化路子。”
报率，而且有助于及时交货、加快库存周转、提高收益和现 金流的绩效。MES在企业和供应链间，以双向交互的形式提 供生产活动的基础信息。”
美国的权威机构先进制造研究中心AMR（Advanced Manufacturing Research）提出的： MES是位于上层的计
划管理系统与工业控制系统之间的面向车间层的管理信息系 统。它为操作人员/管理人员提供计划的执行和跟踪以及所 有资源（人员、设备、物料、客户需求等）的当前状况。
订单-生产式生产系统(Make-To-Order)
客户订货→确定计划→组织生产→交货 订单式生产可以大幅度地减少产成品库存量，降低流动资金占用额，避免市 场风险。但这种方式对生产运作系统的管理水平要求高，需求随机波动对运 作过程影响大，生产计划、人力资源、设备利用、质量保证等工作难度大， 要求生产运作系统具有良好的适应性。 生产-储存-装配式(Assemble-To-Order)
物 质生资产源系统
人力 原材料 辅助材料 输入 零配件等
信息 生产计划 技术标准 工艺规程 效益指标
生产过程 加工制造 按预定技 术要求改 变对象的 形状、尺 寸物理性 质和化学 性质的过
程
输出
物质资源 产品 服务 废品 信息 成本 质量 进度
系统状况
反馈Βιβλιοθήκη Baidu
生产过程既是物料消 耗过程，同时也是生 产对象的价值增值过 程。
陈玉旺 博士研究生
上海交通大学自动化系&铜陵市科技局 E-mail: cywpeak@sjtu.edu.cn
生产型企业概述 生产型企业信息化过程 生产计划和调度系统功能 生产计划和调度解决方案 工业应用实例
◦ 炼钢连铸生产计划与调度解决方案 ◦ 热轧生产调度系统
研究领域和项目实施方向
合自动化系统 (Theodore J. Williams,1989)
ERP (Enterprise Resource Planning)
MES (Manufacturing Execution System)
PCS (Process Control System)
企业资源计划（ERP）/制造执行 系统（MES）/过程控制系统（PCS）
理论基础
库存管理理论、 主生产计划、
BOM与物料需求 计划、期量标准
能力需求计划 车间作业管理 计划、实施、反 馈与控制的循环
系统集成技术 物流管理
决策与仿真
供应链管理 混合型生产管理
预测控制
MRP阶段(Material Require Planning)
企业的信息管理系统对产品构成进行管理，借助计算机的运 算能力及系统对客户订单，在库物料，产品构成的管理能力 ，实现依据客户订单，按照产品结构清单展开并计算物料需 求计划.
国际制造执行系统协会（Manufacturing Execution System Association，MESA）对MES的定义是“MES提供 为优化从订单投入到产品完成的生产活动所需的信息。MES
运用及时、准确的信息，指导、启动、响应并记录工厂活动 ，从而能够对条件的变化做出迅速的响应、减少非增值活动 、提高工厂运作过程的效率。MES不但可以改善设备投资回
ERP－Enterprise Resource Planning 企业资源计划系统
建立在信息技术基础上，以系统化的管理思想，为企 业决策层及员工提供生产管理和决策的管理平台。 ERP系统系统增加了包括财务预测、生产能力、调整 资源调度等方面的功能。配合企业实现JIT管理全面、 质量管理和生产资源调度管理及辅助决策的功能。
客户开始采取多品种、小批量、多批次的订货方式 。 市场竞争日益激烈
客户随着世界市场一体化进程的加快，国内企业、 特别是中小型企业面临的竞争压力日益加大。为了 生存和发展，企业生产运作系统必须满足高质量、
•大批量生产模式
•定制式生产模式
六、七十年代
八、九十年代
90 年代～：市场响应速度 80 年代：产品质量 70 年代：生产成本 50 -60 年代：生产规模
进一步地，我们可以从管理思想、软件产品、管 理系统三个层次给出它的定义：
◦ 由美国著名的计算机技术咨询和评估集团Garter Group Inc.提出的一 整套企业管理系统体系标准，其实质是在MRP II（Manufacturing Resources Planning,“制造资源计划”） 基础上进一步发展而成的 面向供应链（Supply Chain）的管理思想；
生产计划和调度系统功能
F1
Pareto 边界
F2 Pareto点：即改善该点任意一个目标，都会对其他至少一个目标产生
不利影响；所有的Pareto点构成Pareto边界。
静态调度
根据生产订单、生产约束和调度时间范围进行机器分配和 生产安排，以最大化生产利润，提高产品质量、生产产量 和客户服务水平，并降低在制品数量。
按与市场需求的关系分:
生产-库存式生产系统(Make-To-Inventory)
预测需求→确定计划→组织生产→成品入库→销售
库存式生产运作模式可以较好地满足随机小批量需求；同时企业生产运作系 统运行均衡，质量稳定、人力、设备等自然可以得到较充分的运用。但运作 过程的产成品占用的流动资金大，具有一定的市场风险，对需求变化的适应 性较差。一般用于通用产品生产。
TQ
Unit WIP Costs
Queue Cycle Time
Throughput
WIP Position
Revenue = {Throughput * Price} – {Costs} WIP = Throughput * Cycle Time
Costs = {WIP + BOM + Late Penalty} Factor = {Cycle Time / Processing Time}
生产调度为供应链管理的一个重要组成部分，其实现
的任务是在一段时间内根据生产约束进行生产线上的
资源分配和生产作业安排（设备分配、工序流程和加
工时间等） ，以满足某些给定的调度目标（
Makespan 、 产品成本、 服务质量等） 。
MES
ERP
调度结果
生产车间
生产订单
调度优化器
调度目标 生产约束
用户界面 GUI
《欧洲钢铁工业技术发展指南》：“对于降低生产成 本、提高产品质量、快速响应市场需求、减少环境污 染和资源消耗只能通过全流程自动控制系统的优化设
阶段 企业经营方面
（I） 60年代
追求降低成本 手工订货发货 生产缺货频繁
（II） 70年代
计划偏离实际 人工完成车间
作业计划
（III） 追求竞争优势 80年代 各子系统缺乏联
如何提高生产型企业核心竞争力？
提升生产型企业的信息化水平
◦ 采用先进的信息化技术，开发如ERP、MES 、 APS 、等从管理到生产的软件系统
实现企业级ERP管理系统和现场自动化系统 的有效衔接
◦ 开发生产计划和调度辅助决策系统，以根据工 厂和车间的实时工况信息，制定出科学合理的 生产调度方案，完成生产排程任务，以降低成 本，减小库存，快速响应客户订单
生产订单
ERP
预测利润(成本)
过渡时间
生产线 1
利润 (经济) 模型
过渡模式
生产线 2
生产调度 商业数据 生产数据 参数
WIP 和库存数据
生产计划和调度系统功能
S1 L11 S1 L12 S1 L13 S2 L21 S2 L22 S2 L23 S2 L24
参数
MV 经济 模型
预测利润 /成本
Proc_Time (MGP, M)
◦ 客户满意指标：最小提前或者拖后交货期、提高产品服务水平等。
建立高性能的生产计划和调度，将大大缩短调度计划作业 的编制时间和实际生产过程中的非作业等待时间，有利于 提高生产效率、降低能源与原材料消耗，取得显著的经济 效益。
单生产线
订单池
多生产线 订单池
加工时间
准备时间
生产线 1 生产线 2
订单属性: 订单 ID, 产品类别, 数量, 交货期, 客户等
动态调度和重调度
针对生产订单和车间状态的改变对存在的调度结果进行重 调度与动态调度，如插入或取消订单、机器故障、原材料 延迟等。
人工调整
通过调度系统的人机界面人为调整调度方案
流水型排序问题
n项任务，等待多台串联设备组成的生产线加工，各项任务的 工艺顺序相同。 例：8项任务、单台设备，数据如下：
任务
j1 j2 j3 j4 j5 j6 j7 j8
加工时间tj 8 3 6 12 7 5 3 2
交货期dj 19 12 9 33 48 40 37 23
生产计划和调度系统功能
总量需求预测→零部件生产计划→零部件库存→客户订货→装配计划→产品 组装→产品交货 按ATS方式运作的前提条件是产品个性化，零部件通用化，储存一定数量的 通用零部件，满足不同客户的订货要求。这种运作模式具有前面两种模式的
生产－科技高速发展加速产品更新换代速度
如医药产品50%是近5年研制出来的，每两年计算 机就有一次重要的技术突破。技术环境的变化使生 产系统的适应性、创新性，快速反应能力，成了企 业生存和发展的关键。 用户需求趋向个性化、多样化
随着原材料和各种辅 助材料的消耗，逐步 改变生产对象的物理 性质和化学性质，最 终变为产成品（副产 品、环保要求）。
按生产过程的连续性质分:
连续式生产运作系统（流程式）
连续式生产是指物料按一定的工艺顺序、连续地通 过生产过程各环节，在运动中不断地改变其形态和 性能，最后转化成产成品的生产方式(化工、石油、 冶金、食品、造纸等)。 离散式生产运作系统(加工装配式） 物料分别在不同时间和地点生产出零部件，再按 一定的要求集合装配成产成品的生产运作方式(如电 子、轻工、机械等产品）。
MRPⅡ阶段(Manufacture Resource Planning)
在MRP管理系统的基础上,系统增加了对企业生产中心、加工 工时、生产能力等方面的管理，以实现计算机进行生产排程 的功能，同时也将财务的功能囊括进来，在企业中形成以计 算机为核心的闭环管理系统，这种管理系统已能动态监察到 产、供、销的全部生产过程。
系，矛盾重重
（IV）
追求创新
90年代 要求适应市场环
境的迅速变化
ERP发展历程
问题提出 管理软件发展阶段
如何确定订货 时间和订货数
量
时段式MRP系统
如何保证计划 得到有效实施 和及时调整
如何实现企业 管理系统的一
体化
如何在社会范 围内利用一切 可利用的资源
闭环式MRP系统 MRPII系统 ERP系统
调度模型
生产计划是根据市场需求、考虑企业现有生产能力和资源 供应条件，对未来一定时期内的生产作业活动和各项资源 的使用作出的统筹安排。
生产调度目标（调度指标）：
◦ 生产能力指标：最大生产率、最短生产周期等，在给定产品需求条 件下，实现生产能力最大化以提高效益。
◦ 成本指标：最小化产品成本、最小化运行费用和最大化投资回报率 ，运行费用包括库存成本、生产成本和交货拖期损失等。
◦ 综合应用了客户机/服务器体系、关系数据库结构、面向对象技术、 图形用户界面、第四代语言（4GL）、网络通讯等信息产业成果，以 ERP管理思想为灵魂的软件产品；
◦ 是整合了企业管理理念、业务流程、基础数据、人力物力、计算机硬 件和软件于一体的企业资源管理系统。
本企业 供应商
MRP MRPII
ERP SCM
3gl
4gl
o/o
网络计算机
主机 小型计算机 客户服务器
客户
70年
80年
90年
2000 年代
economic decision enterprise management production scheduling
process optimization
process control
过程控制、过程优化、生产调度 、企业管理和经济决策五层结构的综
生产型企业制造战略的变化过程
如何适应新的生产企业生存环境，实施生产型企业的制 造战略，实现制造过程的信息化和综合自动化是提升企业核 心竞争力的重要手段？
十六大报告明确指出“实现工业化仍然是我国现代化 进程中艰巨的历史性任务。信息化是我国加快实现工 业化和现代化的必然选择。坚持以信息化带动工业化 ，以工业化促进信息化，走出一条科技含量高、经济 效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得 到充分发挥的新型工业化路子。”
报率，而且有助于及时交货、加快库存周转、提高收益和现 金流的绩效。MES在企业和供应链间，以双向交互的形式提 供生产活动的基础信息。”
美国的权威机构先进制造研究中心AMR（Advanced Manufacturing Research）提出的： MES是位于上层的计
划管理系统与工业控制系统之间的面向车间层的管理信息系 统。它为操作人员/管理人员提供计划的执行和跟踪以及所 有资源（人员、设备、物料、客户需求等）的当前状况。
订单-生产式生产系统(Make-To-Order)
客户订货→确定计划→组织生产→交货 订单式生产可以大幅度地减少产成品库存量，降低流动资金占用额，避免市 场风险。但这种方式对生产运作系统的管理水平要求高，需求随机波动对运 作过程影响大，生产计划、人力资源、设备利用、质量保证等工作难度大， 要求生产运作系统具有良好的适应性。 生产-储存-装配式(Assemble-To-Order)
物 质生资产源系统
人力 原材料 辅助材料 输入 零配件等
信息 生产计划 技术标准 工艺规程 效益指标
生产过程 加工制造 按预定技 术要求改 变对象的 形状、尺 寸物理性 质和化学 性质的过
程
输出
物质资源 产品 服务 废品 信息 成本 质量 进度
系统状况
反馈Βιβλιοθήκη Baidu
生产过程既是物料消 耗过程，同时也是生 产对象的价值增值过 程。
陈玉旺 博士研究生
上海交通大学自动化系&铜陵市科技局 E-mail: cywpeak@sjtu.edu.cn
生产型企业概述 生产型企业信息化过程 生产计划和调度系统功能 生产计划和调度解决方案 工业应用实例
◦ 炼钢连铸生产计划与调度解决方案 ◦ 热轧生产调度系统
研究领域和项目实施方向
合自动化系统 (Theodore J. Williams,1989)
ERP (Enterprise Resource Planning)
MES (Manufacturing Execution System)
PCS (Process Control System)
企业资源计划（ERP）/制造执行 系统（MES）/过程控制系统（PCS）
理论基础
库存管理理论、 主生产计划、
BOM与物料需求 计划、期量标准
能力需求计划 车间作业管理 计划、实施、反 馈与控制的循环
系统集成技术 物流管理
决策与仿真
供应链管理 混合型生产管理
预测控制
MRP阶段(Material Require Planning)
企业的信息管理系统对产品构成进行管理，借助计算机的运 算能力及系统对客户订单，在库物料，产品构成的管理能力 ，实现依据客户订单，按照产品结构清单展开并计算物料需 求计划.