汽车制造车间生产计划与调度优化系统

汽车制造车间生产计划与调度优化系统

发表时间：2020-04-03T05:33:09.004Z 来源：《防护工程》2019年22期作者：江浩艾玲叶明超邢晓光

[导读] 随着生产车间复杂度的提高和客户需求的多元化，生产计划与调度已成为当今制造企业运营管理时面临的两大决定性挑战。目前，解决问题的传统方式是计划、调度“分而治之”，而该方式最明显的弊端是计划规划与调度决策互不匹配与协调。

江浩艾玲叶明超邢晓光

奇瑞商用车（安徽）有限公司安徽 241000

摘要：随着生产车间复杂度的提高和客户需求的多元化，生产计划与调度已成为当今制造企业运营管理时面临的两大决定性挑战。目前，解决问题的传统方式是计划、调度“分而治之”，而该方式最明显的弊端是计划规划与调度决策互不匹配与协调。本文对汽车制造车间生产计划与调度优化系统进行分析。

关键词：汽车制造；车间；生产计划；调度优化；系统

1生产调度的重要性

企业生产管理成败的关键往往是通过质量成本以及交货时间来衡量的。生产调度用来指导车间的生产管理，生产调度是否合理对车间生产管理任务能否顺利的完成与实现有着非常重要的意义。长期以来，许多学者对生产调度进行了研究，但并没有很好的解决存在的理论难题。在企业中，合理的编排生产调度能够将企业的生产资源和产品的加工路径进行合理的分配，同时也能够提前发现并解决在生产过程中存在的问题，减少在制品在车间的流动时间，提高车间生产设备的利用率、消除车间存在的瓶颈问题、加快生产进程，减少仓库的成品库存量、降低生产成本，保证产品的交货期等。重点使用车间生产调度的层面是车间生产层和生产执行层，它将工厂级的生产计划和车间级的生产计划联系起来：一方面，它将工厂级的生产计划接收后并进行分解，然后将调度指令发给下游的设备层。另一方面，根据设备实时反馈的加工信息，对初始调度结果进行修正和调整，然后将此信息向工厂级的生产计划进行反馈。所以，生产调度对生产经营过程中能否顺利的高速运转以及降低生产成本有着直接的影响。

2生产计划与调度集成优化建模

2.1问题描述

为适应竞争激烈的市场环境和满足当今客户对产品多元多样的需求，制造企业多采用FJS生产系统。该车间问题是经典JSP的延伸，即不同于JSP问题中每个工件的每道工序已指定好加工过程所需的机器，而是同一道工序可以从一组不同的处理机器中进行选择。因此，前者较后者更难于求解，是一类强NP-hard问题。在实际制造过程中，为了确保制造企业在及时交付订单，合理利用生产效率的前提下减少生产系统的总费用，迫切需要对FJS的生产计划与调度集成优化问题进行探究。考虑制造车间实际情况一般为多品种、小批量，不同产品具有不同的加工路线，且同一机器不同工序间的转换会产生设备转换时间和转换费用。

综上所述，本文研究的是进行多品种小批量的FJS车间环境，该车间根据上游客户订单需求进行精益生产。具体地，该车间有M台不同生产能力的机器，在T个生产周期内需要进行N种工件加工，每种工件j包含jh道工序，每道工序可在机器上加工，具体已知条件如下：（1）已知每道工序在每台机器上的加工时间，且其可能不相等。（2）机器生产能力受约束，且不同机器的生产能力不同。（3）各工序在各机器上存在准备时间，各工件的各工序在不同机器的加工时间和加工费用不同。（4）同一工件的各道工序之间具有先后顺序关系，但不同工件之间则不具有。对于FJS问题还应具有的假设如下：（1）同一时刻，每台机器的工位上最多只能进行一项工序的加工。（2）同一时刻，各工件的各工序最多只能出现在某一台机器的某个加工工位上。（3）已进行加工的工序不能被终断。（4）不考虑机器的故障状态，视其为可用。同时，所研究问题考虑合理进行所有工件工序的机器指派与时序安排，以减少工件生产过程中的生产费用、库存费用、提前费用和加班费用等相关费用之和为目标，针对批量规划、时序安排、机器合理利用性和机器生产能力约束等现实影响因子，探究同步优化生产运作效率和设备的合理利用性的集成优化模型。

2.2集成优化协调结构

针对问题描述小节的内容，以前一章中集成机制分析所得的建模思想与集成策略为基础，建立本文所研究问题的集成协调结构，从而进行后续集成协调优化模型的数学模型搭建。因此，如何利用微观计划的集成策略搭建所提出的具体问题的协调结构成为后续数学模型建立的研究重点。在以精益生产为机理的柔性作业车间中，生产计划的任务需制定出各种产件的生产量和库存量，使产品的生产费用和库存费用之和最小，从而制定合理的批量规划来优化生产相关费用；调度的任务需为每种产品分配合理的机器并确定同一机器上的各工件工序的生产次序安排，使机器的加班费用、提前费用和调整费用之和最小，从而以性能指标的形式来评价生产运作效率、设备合理利用性以及工序时序安排的优劣。生产计划与调度的集成优化就是满足生产计划方案可行性制定、调度决策合理安排的前提下，从整体上对这两任务层次的产生费用进行优化。本文利用SLSSP问题中微观周期模型和宏观周期模型的构建思路，提出基于微观计划的集成策略，搭建数学模型的协调结构。为实现微观计划与宏观计划以及调度决策的集成，将微观计划以决策变量的形式加入到模型中，作为短期决策来解决生产

计划与调度集成时难于相互转化协调的问题。数学模型的协调结构为：首先，引入微观计划解决两者集成问题，宏观计划的任务为典型生产计划任务；再保持调度的任务不变，而微观计划的任务则是在与宏观计划制定的批量计划保持一致的前提下，考虑调度决策中的生产能力约束和详细调度约束，制定出整个宏观计划区间（中期或长期）特定时段（短期）最终产品的生产数量和库存水平；最终，将宏观计划决策和调度决策所解决的问题同步进行协调作用，实现正向与反馈不断优化。进一步讲，本文研究的是在满足订单准时交付的前提下，考虑机器生产能力的限制，获得可行的机器指派与工序安排，以提高生产运作效率和设备的合理利用性，减少工件生产过程中的相关费用。首先将问题的核心及影响因素转化成相应性能指标与约束条件，由宏观计划决策与调度决策进行实现，然后将微观计划决策与调度决策进行集成，以通过微观计划决策对宏观计划决策与调度决策实现协调优化，再由评价函数来决定是否执行来自调度决策层的反馈优化，从而完成计划层与调度层对生产相关总费用、订单准时交付、工序时序安排以及机器合理指派等优化因素的正反向综合协调，整体上构成闭环反馈机制，实现集成优化。

2.3集成优化协调模型

2.3.1集成优化性能指标

为准时满足客户多品种小批量的产品需求，选取生产费用和库存费用作为评价宏观计划决策的性能指标；为在生产调度约束下，考虑时序安排、机器合理利用性及机器生产能力约束等影响因子，选取提前费用、加班费用和机器调整费用作为衡量调度决策的性能指标。

2.3.2计划层约束

在企业的制造过程中，首先需要制定一个切合实际的生产作业计划，该计划需包括中长期的生产目标和短期细化的生产任务。通过合理地制定中长期计划方案和短期计划方案，并按照该具体方案进行工序加工与调度安排，企业就可实现短时间低成本以高效生产完成客户订单需求。在本文中，生产计划包括宏观计划和微观计划，这两者即是对应典型的中长期计划方案和短期计划方案，共同构成计划层约束。该约束主要包括宏观计划约束中的总任务量约束、目标规划约束、生产平衡约束以及微观计划约束中的微观生产平衡约束。

2.3.3调度层约束

为了实现生产计划与调度的集成，在建立计划层约束后需建立调度层约束，即根据所研究问题的实际生产环境约束对前小节所得到的生产计划方案进行具体加工过程的安排。其控制变量包括所有工序的批量开工时间、加工过程持续时间、机器合理指派以及加工次序安排。调度约束主要涉及工序加工次序约束、机器分配次序约束、机器运行能力约束等，以实现所有实际任务的作业排序。

3结语

以生产计划与调度协调优化处理的集成策略为理论基础，考虑了时序安排、机器合理利用性及机器生产能力约束等影响因子，提出了一种生产计划与调度的集成优化协调模型，该新型模型立足于计划层约束、调度层约束和集成优化性能指标，利用微观计划实现了宏观计划决策与调度决策的协调结构，通过引入微观计划决策变量，解决了生产计划与调度集成时难于协调优化的问题，最终在相关总费用最小化的同时，实现了合理的工序指派和机器安排，保证了生产任务的准时完工。

参考文献：

[1]卢其兵.基于制造物联网的制造过程信息处理关键技术研究[D].武汉理工大学，2016.

[2]唐明飞.基于精益生产的车间物流配送方式研究[D].哈尔滨工业大学，2016.

[3]莫太平.制造执行系统的建模与调度问题研究及应用[D].西安电子科技大学，2015.