中小型离散制造企业车间生产调度模式的设计

邵佳楠，耿 也

(大连工业大学研究生学院，辽宁 大连 116033)

0 引言

在新型的市场环境中，中小型离散制造企业面临着日益激烈的国际竞争和错综复杂的市场变化。为了适应高节奏、短周期、动态变化的生产特点，大多数的中小型离散制造型企业选择采用多品种、小批量、快速响应的制造策略。因此与大型企业截然不同的，中小型企业车间往往是小批量生产，甚至是单件生产，从而导致车间生产存在着较多弊端，比如说没有成型的生产工艺，无法采用以往的生产调度模式和生产流程安排，多项目多机器的并行生产调度很大程度上都要依靠经验来完成。这对解决中小型企业生产的复杂性、多约束性、多目标性和不确定性等难点带来了阻碍。要想切实做到节约资源、缩短周期、降低成本，中小型企业要比大型企业更加注重车间生产的调度模式，加强信息化管理，做到逐层推进信息流动，做到物质流和信息流相统一［1］，设计出真正适合于中小型企业的制造执行系统。

1 中小型企业车间生产调度模式的现状

车间生产调度是对一个可用的加工机床集在时间上进行加工任务集分配，以满足一个性能指标集。典型的车间生产调度问题包括一个要完成的作业集，每个作业由一个操作集组成，各个操作需要占用机器设备或其他资源，并且必须按照可行的工艺次序加工;一个资源集，包括人员、设备、工具和材料等，每台设备可完成工件的若干操作，并且在不同设备上能加工的操作集也可以不同，一个约束条件集，如任务的优先级、工序的先后关系、每个作业要求完成的时间和资源的能力等;一个性能指标集，用以规定生产过程中需要优化的目标，如生产周期、在制品量、订单交货期、资源利用率和生产成本等。在约束条件下，调度的目标是合理分配作业资源，合理安排作业的加工次序和加工开始时间，同时使部分或全部生产性能指标得到优化［2-3］。

在全面质量管理理论中，影响产品质量的五大主要因素是“人机料法环”，即人员、机器、原料、方法和环境。而在实际的生产过程中，同样根据这一理论，生产调度也正是依据这五大要素指导生产的。具体来说，人员是指直接参与车间生产调度过程中的组织者、指挥者和操作者，包括人员的技术水平、心理行为和犯错概率等;机器是执行车间生产调度的设备;原料是执行车间生产调度时用到的全部原材料、配件和半成品等;方法是指在生产调度过程中，从技术、管理、经济效益等方面综合分析的优化方案;环境则是指生产调度过程中的车间现场环境和质量保证体系等。而在实际的生产过程中，生产调度是在接受生产定单并确定其工艺路线后，根据工艺路线和决策支持提供的相关知识编排生产计划，然后对各个工作中心下达生产调度单，在满足时间要求和有限共享资源约束的条件下，分配所需资源与时间，进而完成相关资源的调度。可以说，车间生产调度过程需要一个多元化管理模式，而对于中小型离散制造企业来说，订单的随机性、作业计划和生产调度的复杂性、制作工艺的多样性、生产过程的不确定性和动态性、能力负荷的多约束性和不均衡性最为棘手［4］，需要良好快速响应机制，要求在宏观上规划生产，微观上调控生产，做到充分利用资源，节约成本，提高生产效率，增加企业利润。

一般制造业企业中，生产计划、调度、车间现场管理三个职能形成一种递阶结构。这个过程就是在现有的工艺、机器设备、基础设施和人员配置条件下，在一个时段(调度期)上，为全部机器编排一系列工序的调度表。而此项工作基本是单独依靠计划人员的经验来完成的，我们熟知的可应用于车间生产调度管理的软件一般只是依据调度表的相关数据得出基于机器的甘特图或基于工序的甘特图，显示出所有机器上全部作业的起止时刻，实现调度表的可视化，实现所谓的生产调度现代化，而没有真正利用高效的优化算法对生产调度进行辅助优化［5-6］。

2 中小型企业车间生产调度模式的设计

基于中小型离散制造企业车间生产调度的特殊性，理想化的生产调度模式或者说是生产调度系统应该是在一定的约束条件下，能够安排好包括资源的调度方式、可能的算法，生产计划的安排方式，加工顺序，项目、资源、时间各个视图的检测方案等，通过数据的录入，依据数字仿真或者图形仿真获得产品制造时间或成本的最优化。

中小型离散制造企业的车间生产是从企业签订订单，技术人员设计出合理的工艺流程后，主要负责车间人员安排、机器调度、产品加工的制造过程。因此在调度模式的理想状态下，暂时无需考虑生产准备情况、材料供应情况、机器使用规则、车间生产环境等因素，仅从中小型制造企业人员数量少、人员素质不均衡、设备数量少、更新缓慢等实际特点出发，兼顾生产过程中可能事件的随机性和动态性，追求产品制造最短期限、最大利润和最小成本和费用，机器设备的最大资源利用率和客户对产品质量的最满意程度。综合以上几点，中小型离散制造企业的车间生产调度框架如图1［7］所示。

图1 中小型离散制造企业车间生产调度框架

(1)面向订单生产方式与面向库存生产方式相结合。面向订单生产是先订货后生产，无需库存，没有销售风险，比较适合于产品种类多、需求波动大、生产过程复杂、紧急订单和插单多的企业，尤其是中小型离散制造企业，但如何缩短生产周期，保证按时交货则是提高企业生产效益的关键;而面向库存生产，即备货生产产品，库存中有订单产品所需的一定数量的原配件，可以很好的解决面向订单生产的交货期问题，但由于库存消耗费用，也会不同程度的造成生产成本的增加。因此，采用面向订单和库存的混合生产方式［8］一举两得，既可以减少成本库存费用，又能保证交货期。

(2)由于中小型企业车间生产的随机性和动态性比较明显，易发生突发事件，因此，要求智能调度软件能够随时调整调度计划，变更生产单据，采用动态重调整策略真正做到调度计划可追溯，生产进度可调整。基于目前的研究，对于动态调度的具体策略有周期调度、连续调度、事件驱动调度、周期与事件驱动混合调度、周期与连续调度混合的策略等在线调度。

(3)利用并行或分组策略和流行的智能算法，结合制造业经验，分解生产计划或调度策略，开发可视化智能软件，通过计算机录入数据(如原料到场时间、设备可运行时间、人员开工时间、项目起始时间和产品交货期限等)，通过降低问题的复杂性和规模，得出相应的最优化生产调度计划。

(4)在中小型离散制造企业车间制造系统的实现上，智能算法是基于多目标性能指标来选择的，比如基于时间的优化目标，基于交货期的优化目标，基于完成时间的优化目标和基于制造成本的优化目标等等。

(5)严格控制订单的真实性［9］，客户需求产品的准确性。要求从签订订单开始，到各个职能部门层级讨论后的生产调度方案，都必须保证其真实可靠，可尝试采用员工利润激励法，通过市场链机制，在生产的管理层、调度层和生产控制层强化部门链条关系的咬合，从而避免生产进度和部门沟通之间的壁垒导致的订单失真。

(6)在加工产品过程中，不考虑“料”、“法”、“环”因素，仅从“人”、“机”出发，针对车间的每一名员工，每一台设备，每一项作业都能够通过智能软件做到有单可循、有据可查，便于生产计划与过程调度集成策略的应用，提高车间制造系统的柔性。

(7)在车间生产调度中，不确定性事件随时都有可能发生。制造设备资源出现故障或者冗余，可安排受影响的生产任务临时外协加工或者其他作业上线加工;员工缺勤情况不容避免，企业人事应提前设立临时工团队替代，或者同工种人员加班，甚至是临时外协加工;在处理紧急订单上，将作业插入空闲设备，制造人员临时加班，根据作业和时间的优先级别安排生产任务。

3 生产调度模式的前景展望

鉴于企业生产调度在发展过程中面临的问题和自身的特点，企业生产调度决策水平的提高已经成为现代企业生产经营过程能否稳定高效运转的决定性因素之一，对生产调度理论的研究也因此备受学术界和企业界的关注。近年来，有一些新的生产管理模式为信息技术和管理方法在生产车间中的应用指出了更多的新方向，比如说并行工程、敏捷工程、精良生产和动态联盟等等。现阶段，中小型离散制造企业在生产系统信息化建设中，无论是采用计算机集成制造系统(CIMS)，还是其他形式的企业信息系统，应用到车间一层时都会不同程度的遇到困难［10］。除了转变经营机制外，最根本的是要运用先进的制造技术和科学的管理方法，制定出适合于某一行业特征的车间信息管理系统，使其能够高效使用有限资源，缩短生产周期、降低制造成本，从而提高中小型离散制造企业的快速应变能力，使CIMS中原本难以处理的具有生产与管理双重性质的信息问题得到解决，实现信息的快速传递与集成。

［1］金锋，吴澄.大规模生产调度问题的研究现状与展望［J］.计算机集成制造系统，2006，12(2):161-166.

［2］熊锐，吴澄.车间生产调度问题的技术现状与发展趋势［J］. 清华大学学报(自然科学版)，1998，38:55-56.

［3］王亚辉，夏芳臣，刘建胜，等.车间生产调度系统的虚拟仿真研究［J］.现代制造工程，2007(12):62-64.

［4］许庆瑞，王爱民，张友仁.生产管理 第一版［M］.北京:高等教育出版社，1990.

［5］任华，孙林岩.离散制造业企业的生产调度［J］.经营战略，2007，20(1):21-22.

［6］张洪业，曲朝阳，王宇新.QPSO算法在生产调度中的研究与应用［J］.计算机工程与应用，2009，45(20):208-210.

［7］李鑫，夏筱筠，常晓芳.企业车间生产调度MES系统的设计与研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2010(8):109-111.

［8］吴波.车间生产调度性能评价理论及其应用［D］.武汉:武汉理工大学，2008.

［9］曹洋. 如何用定单控制库存［EB/OL］，［2010-3-16］.http://www.china.com.cn/market/qiye/453995.htm.

［10］朱钒，连志刚，管在林，等.离散制造业机械装备企业车间生产调度问题与方法研究——以广东科达机电为例［J］.华东经济管理，2008，22(7):134-137.