面向訂單裝配的客車生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)建模與設(shè)計(jì)

孫德廠，史海波，彭 慧

SUN De-chang1,2, SHI Hai-bo1, PENG Hui1

（1.中國科學(xué)院 沈陽自動化研究所，沈陽 110016；2.中國科學(xué)院 研究生院，北京 100049）

面向訂單裝配的客車生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)建模與設(shè)計(jì)

Modeling and designing on ato bus production scheduling system

孫德廠1，2，史海波1，彭 慧1

SUN De-chang1,2, SHI Hai-bo1, PENG Hui1

（1.中國科學(xué)院 沈陽自動化研究所，沈陽 110016；2.中國科學(xué)院 研究生院，北京 100049）

首先，在分析面向訂單裝配的生產(chǎn)計(jì)劃特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了客車生產(chǎn)計(jì)劃三層結(jié)構(gòu)模型，工廠層、車間層、工序?qū)?。然后，設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能，分析執(zhí)行流程，并介紹了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的平臺。最后，應(yīng)用案例驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。

面向訂單裝配；生產(chǎn)計(jì)劃；建模

0 引言

對客戶而言，無論是單位用車、旅行車、公交車、公路客運(yùn)車，都是客戶的重要資產(chǎn)、營運(yùn)工具、生產(chǎn)資料。為便于車輛維修、備品備件管理、標(biāo)識統(tǒng)一，客戶對車輛配置做出特定的要求?？蛙嚿a(chǎn)按照訂單要求進(jìn)行零部件的加工、采購、及最終裝配，即：面向訂單裝配（Assembly To Order ATO）的模式組織生產(chǎn)[1]。

從供應(yīng)鏈角度，ATO是一種利用已有庫存零部件配置成客戶所需定制化產(chǎn)品的生產(chǎn)方式。對產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)，形成產(chǎn)品系列。根據(jù)市場預(yù)測，提前生產(chǎn)或采購零部件，提供各種選裝配置。有具體的銷售活動驅(qū)動最終產(chǎn)品的裝配，裝配過程多品種、小批量、混流生產(chǎn)，提升了生產(chǎn)的柔性[2]。企業(yè)信息系統(tǒng)中，ERP系統(tǒng)對物料需求計(jì)劃做了良好的處理，生成各種零部件的生產(chǎn)計(jì)劃或采購計(jì)劃；而在生產(chǎn)計(jì)劃領(lǐng)域，由于企業(yè)產(chǎn)能、生產(chǎn)批次、調(diào)度規(guī)則、調(diào)度算法等方面的限制，不能滿足車間生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)控制的需求。文獻(xiàn)[3]以利潤最大化為目標(biāo)構(gòu)建了供應(yīng)鏈聯(lián)盟企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃模型，用于控制零部件的存儲成本、訂貨成本和缺貨成本。文獻(xiàn)[4]介紹了一個根據(jù)訂單需求、BOM結(jié)構(gòu)生成產(chǎn)品裝配計(jì)劃、零部件生產(chǎn)計(jì)劃的生產(chǎn)管理系統(tǒng)。文獻(xiàn)[5]構(gòu)建了一個求解最小化生產(chǎn)成本、庫存成本、非柔性成本的面向產(chǎn)能柔性的生產(chǎn)計(jì)劃模型。這些模型用于解決供應(yīng)鏈內(nèi)企業(yè)間生產(chǎn)計(jì)劃或企業(yè)內(nèi)部主生產(chǎn)計(jì)劃問題，但對實(shí)際的執(zhí)行計(jì)劃較少涉及。

客車生產(chǎn)屬于離散行業(yè)，整車裝配過程生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)過程控制復(fù)雜。ATO模式下，如何在訂單交貨期內(nèi)合理的安排訂單的投產(chǎn)計(jì)劃、車輛上線順序、階段生產(chǎn)計(jì)劃、車間詳細(xì)作業(yè)計(jì)劃以拉動物料的運(yùn)輸、車間之間的生產(chǎn)協(xié)調(diào)，進(jìn)而安排不同車間生產(chǎn)設(shè)備、班組班次、組織生產(chǎn)是目前客車裝配環(huán)節(jié)急需優(yōu)化的問題。面對復(fù)雜的客車制造過程，同時兼顧能力平衡、生產(chǎn)過程均衡，不同作業(yè)環(huán)境約束條件不同，生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)宜采用分層設(shè)計(jì)的思路[6]，分別實(shí)現(xiàn)工廠層、車間層、工序?qū)由a(chǎn)計(jì)劃。

1 客車生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)建模

1.1 工廠層—訂單上線計(jì)劃

在面向訂單裝配的業(yè)務(wù)模式下，銷售訂單是企業(yè)組織生產(chǎn)活動的源頭，訂單流程為：與客戶商務(wù)溝通之后創(chuàng)建意向訂單、經(jīng)審核后轉(zhuǎn)為確定訂單、驅(qū)動物料需求計(jì)劃、生產(chǎn)裝配、車輛入庫、訂單發(fā)運(yùn)、訂單結(jié)算。訂單生命周期流程如圖1所示：

圖1 訂單周期模型

在生產(chǎn)裝配環(huán)節(jié)，如何根據(jù)確定銷售訂單的車型、數(shù)量、優(yōu)先級、交貨期，在企業(yè)生產(chǎn)能力、生產(chǎn)現(xiàn)狀、投產(chǎn)規(guī)則等約束下，以滿足客戶交貨期為目標(biāo)，制定訂單上線計(jì)劃，決定投產(chǎn)生產(chǎn)線、投產(chǎn)順序、投產(chǎn)時間。訂單上線計(jì)劃是產(chǎn)前準(zhǔn)備的依據(jù)，具有極其重要的意義。

客車整車生產(chǎn)能力影響因素有整車裝配廠個數(shù)、生產(chǎn)線的數(shù)量、生產(chǎn)線產(chǎn)能、生產(chǎn)線生產(chǎn)車型、生產(chǎn)節(jié)拍等。

生產(chǎn)現(xiàn)狀包括每個裝配廠、生產(chǎn)線已經(jīng)安排的生產(chǎn)計(jì)劃、現(xiàn)有生產(chǎn)車輛的生產(chǎn)進(jìn)度、生產(chǎn)線、設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、是否有庫存車輛、是否有客戶撤單在生產(chǎn)車輛等。

投產(chǎn)規(guī)則包括生產(chǎn)線生產(chǎn)車型優(yōu)先級、同一車型的連續(xù)性、訂單的優(yōu)先級、交貨期、插單規(guī)則等。

1.2 車間層—階段生產(chǎn)計(jì)劃

客車裝配主要分為底盤、車身兩部分，兩者在承裝的開始工序吊裝點(diǎn)焊接在一起成為整車。底盤生產(chǎn)主要包括車架半成品件制作、車架焊接、底盤裝配三個階段；車身生產(chǎn)主要有車身半成品制作、車身焊裝、車身涂裝、整車承裝、品質(zhì)檢驗(yàn)五個階段[6]?？蛙囇b配階段模型如圖2所示。

圖2 客車裝配階段模型

為便于廠級調(diào)度、車間執(zhí)行、生產(chǎn)過程協(xié)調(diào)。在訂單上線計(jì)劃的基礎(chǔ)上，參考生產(chǎn)階段周期生成車輛生產(chǎn)階段計(jì)劃。底盤的生產(chǎn)計(jì)劃參照整車車身的生產(chǎn)計(jì)劃。

1.3 工序?qū)印敿?xì)作業(yè)計(jì)劃

在各生產(chǎn)車間內(nèi)部，組織方式、生產(chǎn)環(huán)境差別比較大。如：半成品件制作采用機(jī)群加工模式，屬于加工車間；車架生產(chǎn)、底盤裝配、車身焊裝、整車承裝采用流水線作業(yè)；涂裝車間屬于柔性流水線車間；品質(zhì)檢驗(yàn)為開放車間[8]。需要針對不同的生產(chǎn)環(huán)境使用不同算法，其中以涂裝車間工藝最為復(fù)雜，以此為例進(jìn)行分析、建模。

涂裝車間生產(chǎn)布局采用“行車道+工位”的柔性生產(chǎn)模式，又叫“抽屜式”生產(chǎn)，此柔性生產(chǎn)模式與流水線相比轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)多、工作效率低[9]，屬于勞動密集型，自動化程度低，生產(chǎn)過程控制困難，再加上焊裝下線與承裝吊裝約束，造成生產(chǎn)計(jì)劃制定比較困難，比較粗的生產(chǎn)計(jì)劃對車間生產(chǎn)指導(dǎo)意義不大。涂裝車間計(jì)劃環(huán)境、約束規(guī)則分析如下：

1）工序：從焊裝完工，白車身進(jìn)入涂裝車間，到涂裝完工，期間要經(jīng)過表面處理、底漆、原子灰、密封發(fā)泡、中途、縮孔修補(bǔ)、面漆、彩條、清漆、涂裝收尾10道工藝，每道工藝分2～5個工序，平均參與排產(chǎn)的工序多達(dá)30道[10]。

2）額定工時：工序間額定工時不同，為使生產(chǎn)均衡，不同工序配備不同數(shù)量的班組，使工序間生產(chǎn)節(jié)拍一致；

3）工作中心：不同工序工作中心的性質(zhì)不同，如前處理工序處理車輛的能力與配備的班組個數(shù)相關(guān)，一個班組同時只能處理一個車輛；底漆噴涂、底漆烘烤與配備的噴房、烘房的數(shù)量相關(guān)，一個噴房、烘房同時只能處理一個車輛。涂裝車間作業(yè)模式為柔性流水線，如圖3所示：

圖3 涂裝車間生產(chǎn)模型

4）約束條件：焊裝車間車輛交付、承裝車間吊裝車輛需求、車輛的優(yōu)先級、工位用途等。

1.4 生產(chǎn)計(jì)劃三層結(jié)構(gòu)模型

綜上所述，基于客車生產(chǎn)過程控制需求，建立生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。在整個模型中，根據(jù)確定訂單的車型、數(shù)量、交付日期運(yùn)行生產(chǎn)計(jì)劃。首先，生產(chǎn)計(jì)劃制定訂單上線計(jì)劃、車輛投產(chǎn)序列；其次為使各車間、生產(chǎn)階段之間生產(chǎn)進(jìn)度相匹配，生成各生產(chǎn)階段計(jì)劃；為便于車間內(nèi)部生產(chǎn)進(jìn)度控制、人員、設(shè)備安排，在生產(chǎn)階段計(jì)劃的框架下對車間制定詳細(xì)作業(yè)計(jì)劃。

圖4 生產(chǎn)計(jì)劃層次結(jié)構(gòu)模型

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)包括組織架構(gòu)管理、工廠日歷管理、工藝工序管理、約束規(guī)則管理、訂單管理、現(xiàn)場數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行、計(jì)劃發(fā)布、權(quán)限管理，如圖5所示：

圖5 生產(chǎn)排產(chǎn)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

組織架構(gòu)管理：包括工廠定義、車間定義、生產(chǎn)線定義、工位定義、班組定義，及其之間的分配、隸屬關(guān)系。

工廠日歷管理：包括工廠作息時間管理、車間作息時間管理、班組作息時間管理、加班時間管理。

工藝工序管理：工藝階段管理、工序管理、工序工時管理、工序工作中心管理。

約束規(guī)則管理：訂單上線計(jì)劃約束規(guī)則、階段生產(chǎn)計(jì)劃約束規(guī)則、詳細(xì)作業(yè)計(jì)劃約束規(guī)則。

訂單車輛管理：訂單數(shù)據(jù)獲取、訂單數(shù)據(jù)校驗(yàn)，包括整車信息、車身信息、底盤信息。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)管理：現(xiàn)場數(shù)據(jù)獲取、現(xiàn)場數(shù)據(jù)校驗(yàn)。

生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行：訂單上線計(jì)劃生產(chǎn)、訂單上線計(jì)劃校驗(yàn)、確認(rèn)；車身階段生產(chǎn)計(jì)劃運(yùn)行、底盤階段生產(chǎn)計(jì)劃運(yùn)行、階段生產(chǎn)計(jì)劃校驗(yàn)、確認(rèn)；底盤詳細(xì)作業(yè)計(jì)劃、焊裝、涂裝、承裝、質(zhì)檢詳細(xì)作業(yè)計(jì)劃，詳細(xì)作業(yè)計(jì)劃校驗(yàn)、確認(rèn)。

生產(chǎn)計(jì)劃發(fā)布：工廠上線計(jì)劃查詢、車間投產(chǎn)計(jì)劃查詢、生產(chǎn)線計(jì)劃查詢、班組作業(yè)計(jì)劃查詢。

用戶權(quán)限管理：角色管理、用戶管理。

2.2 生產(chǎn)計(jì)劃流程

系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程可分為三個部分，靜態(tài)數(shù)據(jù)管理、計(jì)劃執(zhí)行、結(jié)果發(fā)布。靜態(tài)數(shù)據(jù)主要包括組織結(jié)構(gòu)管理、工廠日歷維護(hù)、工藝工序管理、約束規(guī)則管理，這些參數(shù)體現(xiàn)了產(chǎn)能、約束規(guī)則，決定了排產(chǎn)算法、排產(chǎn)目標(biāo)；計(jì)劃執(zhí)行包括訂單管理、現(xiàn)場數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行，這些均是動態(tài)數(shù)據(jù)，是系統(tǒng)運(yùn)算的對象。生產(chǎn)計(jì)劃發(fā)布以工廠、車間、生產(chǎn)線、班組等組織架構(gòu)或工藝工序結(jié)構(gòu)發(fā)布，使整個生產(chǎn)過程有序、相互協(xié)調(diào)。生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行流程如圖6所示：

圖6 生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行流程

2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基于Microsoft .NET Framework3.0，采用Visual studio 2008集成開發(fā)環(huán)境。模式為B/S、C/S混合架構(gòu)，C/S架構(gòu)有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)交互能力、業(yè)務(wù)流程控制、算法實(shí)現(xiàn)能力，缺點(diǎn)是客戶端維護(hù)工作量大，不能支持異地處理；而B/S架構(gòu)有豐富的數(shù)據(jù)表現(xiàn)、查詢能力，且無需客戶端維護(hù)，但業(yè)務(wù)處理能力欠缺，尤其是復(fù)雜的算法實(shí)現(xiàn)。故C/S模式主要用于數(shù)據(jù)維護(hù)、算法實(shí)現(xiàn)，B/S用于結(jié)果發(fā)布與查詢。真正體現(xiàn)了“分布應(yīng)用，集中處理”。系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒ǎ阌谙到y(tǒng)的升級與維護(hù)，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性、移植性。

數(shù)據(jù)管理采用SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫，組織架構(gòu)、工廠日歷、工藝工序、約束規(guī)則、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)中通過數(shù)據(jù)維護(hù)保存在數(shù)據(jù)庫中。訂單車輛信息、現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息分別來源于ERP、MES系統(tǒng)，使用iWay Software DataMigrator工具從數(shù)據(jù)庫直接進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取、轉(zhuǎn)換并載入（Extract, Transform, Load - ETL）到生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，每天定時運(yùn)行，也可以手動觸發(fā)執(zhí)行。方便、快捷的實(shí)現(xiàn)了企業(yè)數(shù)據(jù)集成。數(shù)據(jù)集成關(guān)系如圖7所示：

圖7 數(shù)據(jù)集成關(guān)系

3 系統(tǒng)實(shí)施

圖8 涂裝詳細(xì)作業(yè)計(jì)劃結(jié)果示例

本系統(tǒng)在某客車企業(yè)的生產(chǎn)計(jì)劃項(xiàng)目中進(jìn)行實(shí)施，涉及到計(jì)劃處、生產(chǎn)處等生產(chǎn)管理部門，部署在2個焊裝車間、2個涂裝車間、2個總裝車間、1個質(zhì)檢車間。對企業(yè)的生產(chǎn)能力詳細(xì)分析、約束規(guī)則準(zhǔn)確識別。通過系統(tǒng)的運(yùn)行，訂單上線計(jì)劃、車輛上線順序提升了生產(chǎn)的協(xié)調(diào)性和均衡性，階段生產(chǎn)計(jì)劃使生產(chǎn)進(jìn)度控制有章可循，詳細(xì)作業(yè)計(jì)劃增強(qiáng)了車間控制、提升了生產(chǎn)執(zhí)行效率。圖8為涂裝車間詳細(xì)作業(yè)計(jì)劃示例。

4 結(jié)論

面對復(fù)雜的生產(chǎn)過程計(jì)劃問題，本文提出分層的結(jié)構(gòu)模型，在不同的層級生產(chǎn)能力、約束規(guī)則、計(jì)劃環(huán)境不同，導(dǎo)致采取的算法差別較大。同時，不同層級之間、同一層級不同模塊之間相互約束，從而更為確切的反應(yīng)了實(shí)際生產(chǎn)過程之間的相互制約、相互協(xié)調(diào)，采用分層的解決方法降低了問題的復(fù)雜程度，便于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與實(shí)施。區(qū)別于傳統(tǒng)生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)的方面是，本系統(tǒng)從MES系統(tǒng)集成生產(chǎn)現(xiàn)場信息，生產(chǎn)計(jì)劃在生產(chǎn)現(xiàn)狀基礎(chǔ)之上，計(jì)劃結(jié)果更具有可執(zhí)行性。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)執(zhí)行與生產(chǎn)計(jì)劃會存在偏差，如果采用頻繁運(yùn)行生產(chǎn)計(jì)劃的方法，將不利于生產(chǎn)計(jì)劃的穩(wěn)定性。如何使用生產(chǎn)控制系統(tǒng)對生產(chǎn)執(zhí)行進(jìn)行糾偏，如何以事件驅(qū)動方式修訂生產(chǎn)計(jì)劃，從而實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)度是本系統(tǒng)進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

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TP315

A

1009-0134(2010)11(上)-0009-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(上).03

2010-03-10

國家自然科學(xué)基金青年基金（60904047）；遼寧省科技項(xiàng)目（2006219008）

孫德廠（1976 -），男，河南蘭考人，博士研究生，主要從事生產(chǎn)計(jì)劃與控制研究。