作业计划与调度系统的设计优化方案

对于复杂的、高柔性的自动化制造系统，生产作业计划和调度技术是系统能否取得预期经济效益的关键技术之一。它的目标是通过对物流的合理规划、调度与控制，达到提高生产效率、缩短制造周期、减少在制品、降低库存，提高生产资源利用率的目的，保证生产任务的完成。

自动化制造系统的生产计划与调度技术与制造系统的生产类型和生产过程的组织控制形式密切相关，也就是说不同的生产类型和组织控制形式需要不同结构的管理系统来实现。本节主要针对多品种、中小批量的生产类型，讨论自动化制造系统作为单元层的生产作业调度与控制问题。

1）上层的生产作业计划

制订单元层生产作业计划的依据是工厂层的生产计划和车间层的生产作业计划。

（1）工厂层生产计划。在多品种中小批量生产的情况下，工厂层的生产计划通常采用企业资源计划（ERP）的方法编制。它具有如下特点：

①它是零件级的生产计划，规定了整个零件的开工期、完工期及数量。

②计划是按时段编制的，时段可以是日、周、旬、月等。作为工厂层计划一般没有必要安排得太细，但是执行期的计划时段也不能太长，否则无法发挥其优点。

③计划的编制体现了在需要的时间加工所需数量零件的思想，具有减少在制品数量、减少库存和流动资金占用的作用。

④已经以工作中心为单位（通常自动化制造系统作为一个工作中心），初步考虑了能力的平衡。

（2）车间生产作业计划。车间生产作业计划的任务是根据本车间的资源、实际生产作业完成情况、毛坯准备情况等，为落实工厂层生产计划而进行规划。车间生产作业计划的内容如下：

①核实ERP下达的任务。如果任务是按月计划形式下达的，还需分解出周或旬计划。

②综合各种计划（订单），明确本周的任务。以RRP下达的本周作业任务为主体，在此同时应考虑拖期订单（如因毛坯未到而未安排的上周应安排的部分任务）、紧急订单（如因用户的紧急订货引起的加工订单或装配缺件）、未列入ERP的配件订单等。

③检查毛坯及半成品（多个车间协作完成的零件或有工序外协的零件，以半成品供应给本车间继续加工）的供应情况。首先，检查毛坯或半成品入库情况；其次，对于尚未入库的则继续检查其加工、采购或外协的情况，判断及时入库的可能性；最后，对于不能保证及时入库的毛坯或半成品应对相应的加工任务在周计划中做出标记，并发出催件单。

④计算与确定各零件在本车间的开工与完工时间，由于ERP已确定了零件的开工与完工时段，因此对于全部工序在本车间加工的零件，不需重新计算，但对部分工序在本车间加工或已拖期的零件需重新计算。

⑤确定各零件的优先级，以确保交货期。

⑥根据计算机辅助工艺过程设计的要求，将任务分配给各单元，对于需要几个单元协作完成的零件，还需对工序进行划分，并分别确定该零件在各单元的开工与完工期。

⑦进行能力平衡与调整，对于能力与负荷之间关系，应考虑下列几个方面：本周与以后若干周之间的平衡、各单元自身能力与负荷之间的平衡以及各单元之间的平衡。必要时进行调整，包括各单元之间任务分配的调整，能力过剩时从下周计划中提取部分有毛坯的加工任务，以及对能力作短期调整等。

⑧完成车间周作业计划，并下达订单。

2）自动化制造系统的调度

自动化制造系统的调度是一种实时的动态调度，它是在系统加工过程中根据系统当前的实时状态，对生产活动进行动态优化控制。

自动化制造系统的生产作业计划（含静态调度）虽然已对生产活动进行了规划和安排，且这种规划在一定程度保证了自动化制造系统运行达到规划的最优目标。但这是在系统开始运行之前进行的。开始运行后，实际状况与做生产计划时所假定的情况不一定完全吻合，因而需要进行实时动态调度。

此外，前面所述的生产作业计划主要是针对工件在系统中的流动而做的。但是零件在系统中的流动和加工必须依靠系统资源的活动来实现，这些资源包括机床、物料输送装置、缓冲存储站、刀具、夹具、机器人以及操作人员等。因此需要在加工过程中对系统资源进行实时动态调度。

调度决策。自动化制造系统的实时动态调度是非常复杂的任务。首先，在进行调度之前必须搜集相对完整的系统实时状态数据，并对数据进行分析；其次，在数据分析的基础上才能做出适当的决策，并尽可能选择最优的决策方案。自动化制造系统（以柔性制造系统为例）通常有如下的决策点：

①工件进入系统的决策点。在此决策点，根据系统的作业计划，决定应向系统输入哪类工件。决策规则包括工件优先级、工件混合比、工件交货期、托盘应匹配哪种工件、先来先服务等。

②工件选择加工设备的决策点。在此决策点，根据加工设备的负荷和工件加工计划，决定在能够完成工序的各加工设备中选择一台合适的加工设备。决策规则包括确定设备、最短加工时间、最短队长、最早开始时间、加工设备优先级等。

③加工设备选择工件的决策点。在此决策点，根据系统的加工负荷分配，决定某时刻加工设备应该从其队列中选择哪个工件，它可以决定各工件在加工设备上的加工顺序。决策规则包括先到先加工、后到后加工、最短加工时间、最长加工时间、宽裕时间最短、宽裕时间最长、剩余工序最少、剩余工序最多、最早交货期、最短剩余加工时间、最长剩余加工时间、最高优先级等。

④小车运输方式的决策点。在此决策点，根据申请小车服务的对象的优先级或小车与服务对象的距离等因素，决定在所有申请小车服务信号中响应哪个信号。决策规则包括先申请先响应、就近响应、最高优先级响应、加工设备空闲者响应等。

⑤工件选择缓冲站的决策点。在此决策点，根据工件下一加工设备与缓冲站的位置以及缓冲站空闲情况，决定工件（装夹在托盘上）选择哪一个缓冲站。决策规则包括固定存放位置规则、就近存放、先空的位置先放等。

⑥选择运输小车的决策点。在此决策点，根据小车的空闲情况和其当前位置，决定在多辆小车的条件下选择哪一辆小车。决策规则包括固定小车运输范围的规则、最早空闲的小车、最低利用率的小车、最短达到时间的小车、最高优先级的小车等。

⑦加工设备选择刀具的决策点。在此决策点，根据刀具的使用情况和刀具的当前位置等，决定在能够完成工序加工的刀具中选择哪一把刀具。决策规则包括刀具的利用率最低、刀具的距离最近、刀具的使用寿命最长等。

⑧刀具选择加工设备的决策点。在此决策点，根据机床上加工零件的情况和机床本身情况，决定有几台机床争用同一把刀具时，刀具去哪一台机床。决策规则包括最早申请刀具的加工设备优先、加工设备利用率最低的优先、加工设备上零件加工时间最短的优先、加工时间最长的优先、剩余工序最少的优先、剩余工序数最多的优先、剩余加工时间最短的优先、剩余加工时间最长的优先、优先级最高的优先、工件交货期最早的优先等。(www.xing528.com)

⑨刀具选择中央刀库中刀位的决策点。在此决策点，根据刀具从当前位置到中央刀库的距离或该刀具下一步应在哪台机床上使用等情况，决定从刀具进出站或加工设备上运送到中央刀库的刀具存放在刀库的哪一刀位。决策规则包括固定位置规则、随机存放、就近存放等。

⑩刀具机器人运刀的决策点。在此决策点，根据申请服务对象的情况，决定在所有申请刀具机器人服务信号中响应哪个信号。决策规则包括先申请先响应、最高优先级先响应、加工设备利用率最高先响应、加工设备利用率最低先响应、最早交货期先响应、就近响应等。

3）调度规则

由于动态调度实时性的要求，难以用运筹学或其他决策方法在满足生产实时性要求的情况下求得问题的最优解。因而在动态调度中人们广泛研究和采用从具体生产管理实践中抽象提炼出来的若干经验方法和规则进行调度，即解决前面提出的需决策的问题。常见的调度规则如下：

（1）处理时间最短（shortest processing time，SPT）。该规则使得服务台在申请服务的顾客队列里选择处理时间最短的顾客进行服务。例如，加工设备选择工件时，首先选择所需加工时间最少的工件进行加工，小车、机器人在响应服务申请时，首先响应运行时间最短的服务申请等。

（2）处理时间最长（longest processing time，LPT）。该规则使得服务台在申请服务的顾客队列里选择处理时间最长的顾客进行服务。例如，加工设备首先选择加工时间最长的工件进行加工，小车、机器人响应运行时间最长的服务对象等。

（3）剩余工序加工时间最短（shortest remaining processing time，SR）。该规则使得服务台在申请服务的顾客队列里选择剩余工序加工时间最短的顾客进行服务。例如，加工设备首先选择剩余工序加工时间最短的工件加工。

（4）剩余工序加工时间最长（longest remaining processing time，LR）。该规则使得服务台在申请服务的顾客队列里选择剩余工序加工时间最长的顾客进行服务。例如，加工设备首先选择剩余工序加工时间最长的工件处理。

（5）下道工序加工时间最长（longest subsequent operation，LSOPN）。该规则选择下一道工序加工时间最长的工件首先接受服务，其目的是使该工件尽早完成当前工序，以使留有充足的时间给下道工序的加工。

（6）交付期最早（earliest due date，EDD）。该规则确定交付日期最早的工件最先接受服务，以便该工件尽早完成整个生产过程。

（7）剩余工序数最小（fewest operation remaining，FOPNR）。该规则选择剩余工序数最少的工件首先接受服务，以便该工件尽早完成加工过程，使系统的在制品数减少。

（8）剩余工序数最多（most operation remaining，MOPNR）。该规则选择剩余工序数最多的工件首先接受服务，以便该工件能有足够的时间完成这些剩余工序的加工，从而尽量避免工件完成期的延误。

（9）先进先出（first in first out，FIFO）。该规则规定先到达队列的顾客先接受服务。例如，先到达加工设备队列的工件先接受加工，先申请小车、机器人服务的设备（或工件、刀具）先接受服务等。

（10）随机选择。该规则在服务队列中随机地选择某一顾客。

（11）松弛量最小（least amount of slack，SLACK）。该规则选择松弛量最小的工件首先接受服务，工件松弛量=交付期-当前时刻-剩余加工时间。显然，如果工件的松弛量为负，则肯定该工件已不能按期交货。

（12）单位剩余工序数的松弛时间最小（least ratio of slack to operation，SLOPN）。该规则选择每单位剩余工序数的松弛时间最小的工件首先接受服务。单位剩余工序数的松弛时间=松弛时间/剩余工序数。显然，SLOPN的比率越低，则工件需完成剩余工序加工的紧迫感越强。

（13）下道工序服务队列最短。该规则优先选择这样的工件，即完成该工件下道工序的设备请求服务的队列最短。

（14）下道工序服务台工作量最少。该规则优先选择这样的工件，即完成该工件下道工序的设备的工作量最小。

（15）组合规则。该规则的目标是利用SPT规则，但优先加工那些具有负松弛量的工件。

（16）优先权规则。优先权规则设定每一工件、设备或刀具的优先等级，优先响应优先权等级高的申请对象。

（17）确定性规则。确定性规则指选择的对象是指定的。例如，工件按指定的顺序引入系统、工件送到指定的加工设备、缓冲区中的托盘站，以及选择指定刀具等。

（18）利用率最低。利用率最低规则首先选择队列中利用率最低的服务台进行服务。例如，利用率最低的加工设备优先选择工件进行加工，利用率最低的刀具首先被选用等。

（19）启发式规则。启发式规则是人们从长期的调度实践中抽象提炼出来的经验方法和规则，它是取得可行或较好解的一种常用方法，常用于无法用运筹学方法求得最优解时的情况。

4）自动化单机的生产计划与调度

虽然自动化单机是自动化制造系统最初级的形式，但它却是提高生产率、降低成本的重要途径，由于单机自动化往往具有投资少、见效快、故障的影响小等特点，在生产中仍被广泛采用。

（1）生产作业计划。自动化单机与自动化制造系统本质的区别是没有自动的物料储运系统及其控制系统。前面讨论的自动化制造系统的生产作业计划（含静态调度）的对象是工件和加工设备，因此其内容与方法对自动化单机基本上是适用的，主要的不同点如下：

①有些优化目标与方法是面向自动化制造系统的，对单机情况不适用。例如，一组零件在系统的通过时间最短等。针对自动化单机情况，人们也研究了不少优化调度的方法。

②有些与自动物料储运有关的考虑是不必要的，例如，在非关键零件的作业安排时，不必考虑零件组在各设备上的加工时间尽量接近的要求。

（2）调度。在自动化单机情况下，由于物料输送是人工完成的，因此不存在复杂自动化制造系统中才有的动态调度问题。在这里关心的是对生产状态的数据采集与人工控制，它与传统制造环境下的管理信息系统（MIS）车间作业管理相似，不再赘述。