中小型離散制造企業(yè)車間生產(chǎn)調(diào)度模式的設(shè)計(jì)

邵佳楠，耿 也

(大連工業(yè)大學(xué)研究生學(xué)院，遼寧 大連 116033)

0 引言

在新型的市場(chǎng)環(huán)境中，中小型離散制造企業(yè)面臨著日益激烈的國際競(jìng)爭(zhēng)和錯(cuò)綜復(fù)雜的市場(chǎng)變化。為了適應(yīng)高節(jié)奏、短周期、動(dòng)態(tài)變化的生產(chǎn)特點(diǎn)，大多數(shù)的中小型離散制造型企業(yè)選擇采用多品種、小批量、快速響應(yīng)的制造策略。因此與大型企業(yè)截然不同的，中小型企業(yè)車間往往是小批量生產(chǎn)，甚至是單件生產(chǎn)，從而導(dǎo)致車間生產(chǎn)存在著較多弊端，比如說沒有成型的生產(chǎn)工藝，無法采用以往的生產(chǎn)調(diào)度模式和生產(chǎn)流程安排，多項(xiàng)目多機(jī)器的并行生產(chǎn)調(diào)度很大程度上都要依靠經(jīng)驗(yàn)來完成。這對(duì)解決中小型企業(yè)生產(chǎn)的復(fù)雜性、多約束性、多目標(biāo)性和不確定性等難點(diǎn)帶來了阻礙。要想切實(shí)做到節(jié)約資源、縮短周期、降低成本，中小型企業(yè)要比大型企業(yè)更加注重車間生產(chǎn)的調(diào)度模式，加強(qiáng)信息化管理，做到逐層推進(jìn)信息流動(dòng)，做到物質(zhì)流和信息流相統(tǒng)一［1］，設(shè)計(jì)出真正適合于中小型企業(yè)的制造執(zhí)行系統(tǒng)。

1 中小型企業(yè)車間生產(chǎn)調(diào)度模式的現(xiàn)狀

車間生產(chǎn)調(diào)度是對(duì)一個(gè)可用的加工機(jī)床集在時(shí)間上進(jìn)行加工任務(wù)集分配，以滿足一個(gè)性能指標(biāo)集。典型的車間生產(chǎn)調(diào)度問題包括一個(gè)要完成的作業(yè)集，每個(gè)作業(yè)由一個(gè)操作集組成，各個(gè)操作需要占用機(jī)器設(shè)備或其他資源，并且必須按照可行的工藝次序加工;一個(gè)資源集，包括人員、設(shè)備、工具和材料等，每臺(tái)設(shè)備可完成工件的若干操作，并且在不同設(shè)備上能加工的操作集也可以不同，一個(gè)約束條件集，如任務(wù)的優(yōu)先級(jí)、工序的先后關(guān)系、每個(gè)作業(yè)要求完成的時(shí)間和資源的能力等;一個(gè)性能指標(biāo)集，用以規(guī)定生產(chǎn)過程中需要優(yōu)化的目標(biāo)，如生產(chǎn)周期、在制品量、訂單交貨期、資源利用率和生產(chǎn)成本等。在約束條件下，調(diào)度的目標(biāo)是合理分配作業(yè)資源，合理安排作業(yè)的加工次序和加工開始時(shí)間，同時(shí)使部分或全部生產(chǎn)性能指標(biāo)得到優(yōu)化［2-3］。

在全面質(zhì)量管理理論中，影響產(chǎn)品質(zhì)量的五大主要因素是“人機(jī)料法環(huán)”，即人員、機(jī)器、原料、方法和環(huán)境。而在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，同樣根據(jù)這一理論，生產(chǎn)調(diào)度也正是依據(jù)這五大要素指導(dǎo)生產(chǎn)的。具體來說，人員是指直接參與車間生產(chǎn)調(diào)度過程中的組織者、指揮者和操作者，包括人員的技術(shù)水平、心理行為和犯錯(cuò)概率等;機(jī)器是執(zhí)行車間生產(chǎn)調(diào)度的設(shè)備;原料是執(zhí)行車間生產(chǎn)調(diào)度時(shí)用到的全部原材料、配件和半成品等;方法是指在生產(chǎn)調(diào)度過程中，從技術(shù)、管理、經(jīng)濟(jì)效益等方面綜合分析的優(yōu)化方案;環(huán)境則是指生產(chǎn)調(diào)度過程中的車間現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和質(zhì)量保證體系等。而在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)調(diào)度是在接受生產(chǎn)定單并確定其工藝路線后，根據(jù)工藝路線和決策支持提供的相關(guān)知識(shí)編排生產(chǎn)計(jì)劃，然后對(duì)各個(gè)工作中心下達(dá)生產(chǎn)調(diào)度單，在滿足時(shí)間要求和有限共享資源約束的條件下，分配所需資源與時(shí)間，進(jìn)而完成相關(guān)資源的調(diào)度?？梢哉f，車間生產(chǎn)調(diào)度過程需要一個(gè)多元化管理模式，而對(duì)于中小型離散制造企業(yè)來說，訂單的隨機(jī)性、作業(yè)計(jì)劃和生產(chǎn)調(diào)度的復(fù)雜性、制作工藝的多樣性、生產(chǎn)過程的不確定性和動(dòng)態(tài)性、能力負(fù)荷的多約束性和不均衡性最為棘手［4］，需要良好快速響應(yīng)機(jī)制，要求在宏觀上規(guī)劃生產(chǎn)，微觀上調(diào)控生產(chǎn)，做到充分利用資源，節(jié)約成本，提高生產(chǎn)效率，增加企業(yè)利潤。

一般制造業(yè)企業(yè)中，生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度、車間現(xiàn)場(chǎng)管理三個(gè)職能形成一種遞階結(jié)構(gòu)。這個(gè)過程就是在現(xiàn)有的工藝、機(jī)器設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施和人員配置條件下，在一個(gè)時(shí)段(調(diào)度期)上，為全部機(jī)器編排一系列工序的調(diào)度表。而此項(xiàng)工作基本是單獨(dú)依靠計(jì)劃人員的經(jīng)驗(yàn)來完成的，我們熟知的可應(yīng)用于車間生產(chǎn)調(diào)度管理的軟件一般只是依據(jù)調(diào)度表的相關(guān)數(shù)據(jù)得出基于機(jī)器的甘特圖或基于工序的甘特圖，顯示出所有機(jī)器上全部作業(yè)的起止時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)調(diào)度表的可視化，實(shí)現(xiàn)所謂的生產(chǎn)調(diào)度現(xiàn)代化，而沒有真正利用高效的優(yōu)化算法對(duì)生產(chǎn)調(diào)度進(jìn)行輔助優(yōu)化［5-6］。

2 中小型企業(yè)車間生產(chǎn)調(diào)度模式的設(shè)計(jì)

基于中小型離散制造企業(yè)車間生產(chǎn)調(diào)度的特殊性，理想化的生產(chǎn)調(diào)度模式或者說是生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)該是在一定的約束條件下，能夠安排好包括資源的調(diào)度方式、可能的算法，生產(chǎn)計(jì)劃的安排方式，加工順序，項(xiàng)目、資源、時(shí)間各個(gè)視圖的檢測(cè)方案等，通過數(shù)據(jù)的錄入，依據(jù)數(shù)字仿真或者圖形仿真獲得產(chǎn)品制造時(shí)間或成本的最優(yōu)化。

中小型離散制造企業(yè)的車間生產(chǎn)是從企業(yè)簽訂訂單，技術(shù)人員設(shè)計(jì)出合理的工藝流程后，主要負(fù)責(zé)車間人員安排、機(jī)器調(diào)度、產(chǎn)品加工的制造過程。因此在調(diào)度模式的理想狀態(tài)下，暫時(shí)無需考慮生產(chǎn)準(zhǔn)備情況、材料供應(yīng)情況、機(jī)器使用規(guī)則、車間生產(chǎn)環(huán)境等因素，僅從中小型制造企業(yè)人員數(shù)量少、人員素質(zhì)不均衡、設(shè)備數(shù)量少、更新緩慢等實(shí)際特點(diǎn)出發(fā)，兼顧生產(chǎn)過程中可能事件的隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)性，追求產(chǎn)品制造最短期限、最大利潤和最小成本和費(fèi)用，機(jī)器設(shè)備的最大資源利用率和客戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的最滿意程度。綜合以上幾點(diǎn)，中小型離散制造企業(yè)的車間生產(chǎn)調(diào)度框架如圖1［7］所示。

圖1 中小型離散制造企業(yè)車間生產(chǎn)調(diào)度框架

(1)面向訂單生產(chǎn)方式與面向庫存生產(chǎn)方式相結(jié)合。面向訂單生產(chǎn)是先訂貨后生產(chǎn)，無需庫存，沒有銷售風(fēng)險(xiǎn)，比較適合于產(chǎn)品種類多、需求波動(dòng)大、生產(chǎn)過程復(fù)雜、緊急訂單和插單多的企業(yè)，尤其是中小型離散制造企業(yè)，但如何縮短生產(chǎn)周期，保證按時(shí)交貨則是提高企業(yè)生產(chǎn)效益的關(guān)鍵;而面向庫存生產(chǎn)，即備貨生產(chǎn)產(chǎn)品，庫存中有訂單產(chǎn)品所需的一定數(shù)量的原配件，可以很好的解決面向訂單生產(chǎn)的交貨期問題，但由于庫存消耗費(fèi)用，也會(huì)不同程度的造成生產(chǎn)成本的增加。因此，采用面向訂單和庫存的混合生產(chǎn)方式［8］一舉兩得，既可以減少成本庫存費(fèi)用，又能保證交貨期。

(2)由于中小型企業(yè)車間生產(chǎn)的隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)性比較明顯，易發(fā)生突發(fā)事件，因此，要求智能調(diào)度軟件能夠隨時(shí)調(diào)整調(diào)度計(jì)劃，變更生產(chǎn)單據(jù)，采用動(dòng)態(tài)重調(diào)整策略真正做到調(diào)度計(jì)劃可追溯，生產(chǎn)進(jìn)度可調(diào)整?；谀壳暗难芯?，對(duì)于動(dòng)態(tài)調(diào)度的具體策略有周期調(diào)度、連續(xù)調(diào)度、事件驅(qū)動(dòng)調(diào)度、周期與事件驅(qū)動(dòng)混合調(diào)度、周期與連續(xù)調(diào)度混合的策略等在線調(diào)度。

(3)利用并行或分組策略和流行的智能算法，結(jié)合制造業(yè)經(jīng)驗(yàn)，分解生產(chǎn)計(jì)劃或調(diào)度策略，開發(fā)可視化智能軟件，通過計(jì)算機(jī)錄入數(shù)據(jù)(如原料到場(chǎng)時(shí)間、設(shè)備可運(yùn)行時(shí)間、人員開工時(shí)間、項(xiàng)目起始時(shí)間和產(chǎn)品交貨期限等)，通過降低問題的復(fù)雜性和規(guī)模，得出相應(yīng)的最優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度計(jì)劃。

(4)在中小型離散制造企業(yè)車間制造系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)上，智能算法是基于多目標(biāo)性能指標(biāo)來選擇的，比如基于時(shí)間的優(yōu)化目標(biāo)，基于交貨期的優(yōu)化目標(biāo)，基于完成時(shí)間的優(yōu)化目標(biāo)和基于制造成本的優(yōu)化目標(biāo)等等。

(5)嚴(yán)格控制訂單的真實(shí)性［9］，客戶需求產(chǎn)品的準(zhǔn)確性。要求從簽訂訂單開始，到各個(gè)職能部門層級(jí)討論后的生產(chǎn)調(diào)度方案，都必須保證其真實(shí)可靠，可嘗試采用員工利潤激勵(lì)法，通過市場(chǎng)鏈機(jī)制，在生產(chǎn)的管理層、調(diào)度層和生產(chǎn)控制層強(qiáng)化部門鏈條關(guān)系的咬合，從而避免生產(chǎn)進(jìn)度和部門溝通之間的壁壘導(dǎo)致的訂單失真。

(6)在加工產(chǎn)品過程中，不考慮“料”、“法”、“環(huán)”因素，僅從“人”、“機(jī)”出發(fā)，針對(duì)車間的每一名員工，每一臺(tái)設(shè)備，每一項(xiàng)作業(yè)都能夠通過智能軟件做到有單可循、有據(jù)可查，便于生產(chǎn)計(jì)劃與過程調(diào)度集成策略的應(yīng)用，提高車間制造系統(tǒng)的柔性。

(7)在車間生產(chǎn)調(diào)度中，不確定性事件隨時(shí)都有可能發(fā)生。制造設(shè)備資源出現(xiàn)故障或者冗余，可安排受影響的生產(chǎn)任務(wù)臨時(shí)外協(xié)加工或者其他作業(yè)上線加工;員工缺勤情況不容避免，企業(yè)人事應(yīng)提前設(shè)立臨時(shí)工團(tuán)隊(duì)替代，或者同工種人員加班，甚至是臨時(shí)外協(xié)加工;在處理緊急訂單上，將作業(yè)插入空閑設(shè)備，制造人員臨時(shí)加班，根據(jù)作業(yè)和時(shí)間的優(yōu)先級(jí)別安排生產(chǎn)任務(wù)。

3 生產(chǎn)調(diào)度模式的前景展望

鑒于企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度在發(fā)展過程中面臨的問題和自身的特點(diǎn)，企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度決策水平的提高已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營過程能否穩(wěn)定高效運(yùn)轉(zhuǎn)的決定性因素之一，對(duì)生產(chǎn)調(diào)度理論的研究也因此備受學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的關(guān)注。近年來，有一些新的生產(chǎn)管理模式為信息技術(shù)和管理方法在生產(chǎn)車間中的應(yīng)用指出了更多的新方向，比如說并行工程、敏捷工程、精良生產(chǎn)和動(dòng)態(tài)聯(lián)盟等等?，F(xiàn)階段，中小型離散制造企業(yè)在生產(chǎn)系統(tǒng)信息化建設(shè)中，無論是采用計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)，還是其他形式的企業(yè)信息系統(tǒng)，應(yīng)用到車間一層時(shí)都會(huì)不同程度的遇到困難［10］。除了轉(zhuǎn)變經(jīng)營機(jī)制外，最根本的是要運(yùn)用先進(jìn)的制造技術(shù)和科學(xué)的管理方法，制定出適合于某一行業(yè)特征的車間信息管理系統(tǒng)，使其能夠高效使用有限資源，縮短生產(chǎn)周期、降低制造成本，從而提高中小型離散制造企業(yè)的快速應(yīng)變能力，使CIMS中原本難以處理的具有生產(chǎn)與管理雙重性質(zhì)的信息問題得到解決，實(shí)現(xiàn)信息的快速傳遞與集成。

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