離散型制造業(yè)生產(chǎn)組織問題分析及其優(yōu)化

連志剛， 焦 斌， 賈鐵軍

（上海電機(jī)學(xué)院a.電子信息學(xué)院，b.電氣學(xué)院，上海200240）

隨著離散型制造業(yè)生產(chǎn)訂單類型與數(shù)量越來越多，機(jī)器調(diào)配、物料集配、物流中轉(zhuǎn)，多品種工件協(xié)同穿插加工，工序多、工藝復(fù)雜，不同類型訂單隨機(jī)到來，從而導(dǎo)致其生產(chǎn)組織非常復(fù)雜?，F(xiàn)代化的制造要求生產(chǎn)系統(tǒng)不僅要完成直接面向過程的控制和任務(wù)的優(yōu)化，而且要在盡可能多地獲取生產(chǎn)全部過程信息的基礎(chǔ)上，建立有效的計(jì)算機(jī)控制管理系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)較高的自動(dòng)化綜合管理，優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)調(diào)度。調(diào)度問題的研究始于20世紀(jì)50年代。20世紀(jì)70年代后期，學(xué)者開始注意并重視調(diào)度復(fù)雜性問題的研究，Miller等[1]提出了用于研究算法有效性和問題難度的計(jì)算復(fù)雜度理論。20世紀(jì)80年代初，調(diào)度研究由理論研究轉(zhuǎn)向應(yīng)用研究階段。以Fox[2]為代表的學(xué)者們開展基于約束的智能調(diào)度和信息系統(tǒng)的研究，標(biāo)志著人工智能真正開始應(yīng)用于實(shí)際調(diào)度問題。生產(chǎn)調(diào)度的研究主要集中在優(yōu)化調(diào)度問題的算法分析上[3-7]；關(guān)于離散型制造業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營管理的研究[8-13]也有報(bào)道；而針對(duì)其生產(chǎn)中的實(shí)際問題，如生產(chǎn)組織模式、應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際工作的方法技術(shù)，包括下達(dá)加工任務(wù)模式、物流中轉(zhuǎn)時(shí)間設(shè)置、排產(chǎn)技術(shù)等研究報(bào)道則較少。研究離散型制造業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行問題及模式優(yōu)化對(duì)于提高企業(yè)的管理水平具有重要意義。本文主要研究目前我國離散型制造業(yè)生產(chǎn)組織系統(tǒng)，分析生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度模式存在的問題，給出改進(jìn)流程、組織模式及物流中轉(zhuǎn)時(shí)間設(shè)定方法。

1 典型離散型制造企業(yè)生產(chǎn)組織調(diào)度問題分析

1.1 產(chǎn)品事業(yè)部下單模式不合理

各產(chǎn)品事業(yè)部不能科學(xué)下達(dá)生產(chǎn)訂單，從而對(duì)下游生產(chǎn)組織造成沖擊。

1.1.1 訂單交期與工程進(jìn)度不匹配 產(chǎn)品事業(yè)部裝配的物料清單（Bill of Material，BOM）不合理，未按裝配的時(shí)間軸劃分BOM，或劃分不詳細(xì)。以建筑業(yè)中蓋樓房為例，常出現(xiàn)“先派生產(chǎn)樓頂，后派樓底”的現(xiàn)象；甚至訂單交期為“樓頂靠前，樓底靠后”的現(xiàn)象。

類似上述的訂單下達(dá)模式或零件交期的設(shè)計(jì)，導(dǎo)致下游生產(chǎn)部經(jīng)常忙于生產(chǎn)不緊急的“樓頂”零件，而完成生產(chǎn)任務(wù)后不能裝配使用，只能進(jìn)入倉庫從而占用了資金；相反，緊急需要的零件則匆忙下單，以致產(chǎn)生許多急單，導(dǎo)致脫期，嚴(yán)重沖擊了生產(chǎn)組織系統(tǒng)。

1.1.2 上游產(chǎn)品事業(yè)部“糖葫蘆式”下單 我國大部分制造業(yè)傾向于實(shí)施企業(yè)管理解決方案（Systems Applicationsancl Products in Data Processing，SAP）系統(tǒng)。其組織模式是上游產(chǎn)品事業(yè)部按照各自BOM的“提前期”下單。由于BOM的“提前期”都是根據(jù)各產(chǎn)品生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)而定，造成下游生產(chǎn)部門嚴(yán)重堵塞與空檔，死板地被動(dòng)生產(chǎn)。按照BOM“提前期”下單，原則上應(yīng)早于提前期，這應(yīng)根據(jù)產(chǎn)能及訂單量動(dòng)態(tài)確定。本文舉例說明目前下單存在的問題。

案例1 7月1日銷售部下達(dá)計(jì)劃A至生產(chǎn)部上游的產(chǎn)品事業(yè)部，交期為7月31日。上游部門安裝需1d，在生產(chǎn)部加工需10d[提前期10d] ，此時(shí)下單分析如下。

理論上，最好是7月1日下單，交期為7月30日，給下游生產(chǎn)部留有充分的組織生產(chǎn)時(shí)間。然而，目前SAP系統(tǒng)中的下單日期為7月20日（交期為7月30日），導(dǎo)致生產(chǎn)部被動(dòng)組織生產(chǎn)。若有3個(gè)產(chǎn)品事業(yè)部于7月1日同時(shí)各接到類似1個(gè)訂單，每個(gè)生產(chǎn)部加工各需10d[提前期10d] ，安裝需1d，而SAP系統(tǒng)卻按照各自BOM“提前期”在20日下單，此時(shí)生產(chǎn)部只有3種方案組織生產(chǎn)：①7月20日—7月30日加工1單，其他2單外協(xié)，趕7月30日交付3單；②7月20日—7月30日加工1單，外協(xié)1單，8月1日—8月10日加工1單，趕7月30日交付2單，脫期10d即8月10日交付1單；③7月20日—7月30日加工1單，8月1日—8月20日加工2單，趕7月30日交付1單，脫期20d即8月20日交付2單。3種組織生產(chǎn)的方案如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)事業(yè)部生產(chǎn)調(diào)度方法1～3Fig.1 Production scheduling method 1～3of the Machining Division

方案1造成7月1日—7月20日的嚴(yán)重空檔，自己只加工了1單，縮小了利潤空間；方案2造成7月1日—7月20日的空檔，自己只加工了2單，縮小了利潤空間，而且造成1單脫期；方案3造成7月1日—7月20日的空檔，并脫期2單，嚴(yán)重影響裝配。由此可見，若簡(jiǎn)單地按BOM“提前期”下單，會(huì)造成下游生產(chǎn)部嚴(yán)重堵塞與空檔。

1.1.3 上游變更訂單無約束 上游產(chǎn)品事業(yè)部訂單變更頻繁，由于變更訂單沒有相對(duì)約束，往往輕率地變更訂單，對(duì)生產(chǎn)造成的沖擊比插單更嚴(yán)重。因此，對(duì)頻繁變更訂單的責(zé)任人或部門應(yīng)該有適當(dāng)?shù)膽土P與警戒。

1.2 離散型制造業(yè)生產(chǎn)組織信息系統(tǒng)的缺欠

現(xiàn)代企業(yè)通過信息化、科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化管理增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力，其中，實(shí)施企業(yè)資源計(jì)劃（Enterprise Resource Planning，ERP）系統(tǒng)或ERP的某些核心模塊是企業(yè)實(shí)現(xiàn)信息化的一個(gè)主要途徑。ERP一般擁有采購、庫存、生產(chǎn)、財(cái)務(wù)4大主業(yè)務(wù)模塊。對(duì)于離散型制造企業(yè)，ERP中的生產(chǎn)模塊尤為重要，其中的工件工序排程是核心問題和技術(shù)瓶頸。筆者調(diào)查發(fā)現(xiàn)，雖然許多離散型制造企業(yè)實(shí)施了ERP，但幾乎都缺少關(guān)鍵的生產(chǎn)制造模塊，其制造模式都是建立在無限生產(chǎn)能力的基礎(chǔ)之上，并不能真正指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。文獻(xiàn)[9] 中分析了其中存在的問題并給出了改進(jìn)方案。

離散型制造業(yè)生產(chǎn)組織未實(shí)現(xiàn)信息化管理，導(dǎo)致以下問題：① 對(duì)生產(chǎn)不能有效控制。② 造成淡、旺季之分，產(chǎn)能未真正發(fā)揮。③ 拖期嚴(yán)重。④ 庫存積壓嚴(yán)重，資金占用量大。⑤ 設(shè)備能力不均衡。⑥物料管理不準(zhǔn)確。物料情況只能靠車間調(diào)度員去工作現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地察看，并根據(jù)臨時(shí)了解的信息進(jìn)行調(diào)度，故不能有效提供物料實(shí)際加工的狀態(tài)信息，從而影響了車間的計(jì)劃制定。⑦ 生產(chǎn)數(shù)據(jù)人工管理。生產(chǎn)過程中需要記錄各種實(shí)時(shí)生產(chǎn)信息，人工管理工作量大且效率低下。若生產(chǎn)組織部門接到成千上萬的訂單只能憑經(jīng)驗(yàn)分開轉(zhuǎn)遞而未經(jīng)科學(xué)計(jì)算，就不能最優(yōu)地組織自制或外協(xié)生產(chǎn)。

2 離散型制造業(yè)企業(yè)生產(chǎn)組織優(yōu)化

2.1 產(chǎn)品事業(yè)部下單改進(jìn)模式

針對(duì)大部分離散型制造企業(yè)產(chǎn)品事業(yè)部裝配及加工訂單下達(dá)存在的問題，本文提出改進(jìn)型組織模式，優(yōu)化其流程。

2.1.1 魚骨圖式裝配及交期 離散型制造企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可以用“魚骨”圖的方式進(jìn)行表述，其最終產(chǎn)品一定是由固定個(gè)數(shù)的部件或零件組成，這些關(guān)系明確且固定，如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品事業(yè)部裝配及訂單下達(dá)模式Fig.2 Mode of assembly and order release of the Production Division

圖中，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，dn表示訂單號(hào)。魚骨圖中的小線段表示零件，其落入的時(shí)間段左端表示下單時(shí)間，右端表示訂單交期。若實(shí)施了車間信息管理系統(tǒng)，點(diǎn)擊線段就可以查詢?cè)摼€段代表的零件屬性，如代碼、在制狀態(tài)、數(shù)量等。其中在制狀態(tài)用不同顏色的線段表示，已經(jīng)裝配完成的線段顯示為灰色；已經(jīng)加工完成而未交貨的顯示為綠色；已經(jīng)下單但還正在加工的顯示為紫色；沒下單的零件顯示為灰色。生產(chǎn)部及各產(chǎn)品事業(yè)部能看到或查詢到上述信息，為其裝配及生產(chǎn)加工提供決策參考。

2.1.2 分層下單，按魚骨圖時(shí)間節(jié)點(diǎn)交貨 離散型制造業(yè)產(chǎn)品事業(yè)部按照魚骨圖裝配，提前按照先后依次下單；訂單交期根據(jù)魚骨圖上的確定時(shí)間分期交付，這樣將減少空檔或堵塞。同樣以案例1為例，若SAP系統(tǒng)改進(jìn)下單模式，在7月1日下單，則理論上生產(chǎn)部有無數(shù)種生產(chǎn)組織方法應(yīng)對(duì)，主要生產(chǎn)組織方案如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)部事業(yè)部生產(chǎn)調(diào)度方法4～5Fig.3 Production scheduling method 4～5the Machining Division

對(duì)于案例1而言，在7月1日下單時(shí)，生產(chǎn)部除了方案4、5兩種生產(chǎn)組織方法外，還包括圖1的3種方案；其實(shí)，生產(chǎn)部可以在7月1日—7月20日之間任何時(shí)候選擇開始加工。理論上，生產(chǎn)部存在無數(shù)種組織方法。方案4、5可能造成一定的庫存，這需生產(chǎn)部權(quán)衡庫存、脫期及加工利潤之間的利弊，最優(yōu)組織生產(chǎn)。

2.2 生產(chǎn)部主計(jì)劃制定流程

制造業(yè)全靠人工組織生產(chǎn)的模式已經(jīng)嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率的提高。由于生產(chǎn)過程的脫期任務(wù)變?yōu)榫o急任務(wù)，導(dǎo)致計(jì)劃頻頻變更、工序流程周轉(zhuǎn)不暢、在制品缺乏有效控制、庫存積壓現(xiàn)象嚴(yán)重、庫存與資金周轉(zhuǎn)利用率不高、生產(chǎn)系統(tǒng)組織效率低下等問題。根據(jù)離散型制造業(yè)生產(chǎn)過程存在的問題，文獻(xiàn)[8] 中提出了改進(jìn)型的生產(chǎn)組織模式的下單流程，即生產(chǎn)部接到訂單后，首先將其分為必須自制訂單、可自制可外協(xié)訂單、必須外協(xié)訂單3類；然后根據(jù)自身產(chǎn)能及資源約束情況，將可自制或可外協(xié)的訂單合理外協(xié)（外協(xié)那些瓶頸工序的訂單）；最后訂單下達(dá)到外協(xié)或自制生產(chǎn)執(zhí)行部門（車間），由生產(chǎn)執(zhí)行部門根據(jù)當(dāng)前設(shè)備、工人、原料、交貨期等情況最優(yōu)安排生產(chǎn)；同時(shí)，生產(chǎn)執(zhí)行部門將實(shí)施情況反饋到生產(chǎn)部，生產(chǎn)部根據(jù)實(shí)時(shí)情況調(diào)配最優(yōu)下單。改進(jìn)的生產(chǎn)模式能夠使任務(wù)合理均勻地向各車間下達(dá)；另一方面，制造執(zhí)行部門可基于訂單屬性、設(shè)備屬性、工人情況等用智能算法進(jìn)行最優(yōu)排產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。

生產(chǎn)部主計(jì)劃制定非常關(guān)鍵，一方面需要滿足上游產(chǎn)品事業(yè)部的裝配需求，另一方面要求自制任務(wù)下達(dá)合適，不能嚴(yán)重超過負(fù)荷而引起拖期，也不能因負(fù)荷不夠而導(dǎo)致設(shè)備與工人大量閑置。改進(jìn)的生產(chǎn)部主計(jì)劃制定流程如圖4所示。

2.3 加工訂單在車間停留時(shí)間分解模型

生產(chǎn)部用MES對(duì)加工訂單自制與外協(xié)優(yōu)化揀選后直接下達(dá)到工作中心或車間。工作中心或車間可以靈活調(diào)度生產(chǎn)加工，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)資源優(yōu)化使用。為了使生產(chǎn)計(jì)劃更有執(zhí)行力和可操作性，本文提出生產(chǎn)部下達(dá)各車間訂單工序時(shí)間的詳細(xì)分解方法，給出訂單在各車間的轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間節(jié)點(diǎn)（交期），從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理精準(zhǔn)化。為了建模方便，假設(shè)如下：

（1）訂單的工序加工時(shí)間為工件在加工設(shè)備上的裝卸時(shí)間、刀具調(diào)整時(shí)間與工件的加工時(shí)間之和，記為tij，其中，i為訂單，j（j＝1，2，…，s）為工序，設(shè)有s道工序。

圖4 MES生產(chǎn)主計(jì)劃制定流程Fig.4 Process of the main production plan in MES

（2）訂單的生產(chǎn)總流通時(shí)間為生產(chǎn)部從下單的時(shí)刻開始到計(jì)劃交期的時(shí)間段，即訂單下達(dá)時(shí)間至計(jì)劃交期，記為Ti，i為訂單。

（3）訂單的車間相互轉(zhuǎn)運(yùn)耗時(shí)為訂單從一個(gè)車間或工作中心轉(zhuǎn)運(yùn)至下一個(gè)車間或工作中心所耗費(fèi)的時(shí)間。為了計(jì)算方便和實(shí)際需要，車間內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)耗時(shí)不計(jì)。

（4）訂單在各車間停留總時(shí)間記為Cik，i為訂單，k為車間。加工訂單在各車間轉(zhuǎn)運(yùn)交期模型（各車間停留時(shí)間分解）為

式中，O為當(dāng)前時(shí)刻；Y為轉(zhuǎn)運(yùn)延遲時(shí)間。若車間只白班轉(zhuǎn)運(yùn)，當(dāng)工件完工時(shí)刻是在0；00～8：00，或20：00～24：00時(shí)，則可設(shè)定工件完工時(shí)再延長(zhǎng)1d，若轉(zhuǎn)出的接收時(shí)刻是節(jié)假日或休息日，則順勢(shì)延長(zhǎng)到假期結(jié)束后再轉(zhuǎn)運(yùn)（特殊情況除外）。上道工序停留延長(zhǎng)了多長(zhǎng)時(shí)間，則下道工序壓縮多長(zhǎng)時(shí)間。

案例2 假設(shè)K公司有3個(gè)車間，在某月10日10：00接到2個(gè)生產(chǎn)訂單，其加工順序、加工需要時(shí)間及工序處理所在車間如表1所示（該公司是24h加工及轉(zhuǎn)運(yùn)）。

表1 加工訂單的BOM屬性及交期Tab.1 BOM attributes and delivery of processing orders

在表1中，n，m分別表示各訂單第n道工序及該工序加工所需要的時(shí)間（單位為min）；表格內(nèi)為空的表示不加工該工序。

采用本文提出的生產(chǎn)訂單在車間停留時(shí)間分解模型，計(jì)算訂單1由車間A至車間B的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為

C1鉚＝10日10：00＋576／60（h）＝10日19：36。

因此，車間A必須在10日19：36將工件d1轉(zhuǎn)運(yùn)后交付至車間B，否則屬于拖期。同理，可以計(jì)算出各工件在各車間的轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)刻，本文不再累贅計(jì)算。為了說明方便，案例2設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，其實(shí)生產(chǎn)實(shí)際中在某一時(shí)刻接收到的訂單有成百上千，有的工件有幾十道工序，故必須依靠軟件系統(tǒng)計(jì)算并設(shè)置轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，才能迅速查出拖期訂單，化解訂單拖期各車間相互推諉責(zé)任。

3 結(jié) 語

離散型制造企業(yè)車間作業(yè)調(diào)度是典型的Job Shop問題。生產(chǎn)部面對(duì)眾多產(chǎn)品事業(yè)部需求及外接訂單，生產(chǎn)組織非常復(fù)雜，為了能適應(yīng)各產(chǎn)品事業(yè)部需求，常需要相對(duì)地加大半成品和零件庫存以防各種異常情況發(fā)生。本文針對(duì)離散型制造業(yè)生產(chǎn)實(shí)際問題，優(yōu)化了產(chǎn)品事業(yè)部裝配流程及下單模式，對(duì)提高生產(chǎn)效率有所助益；并根據(jù)生產(chǎn)調(diào)度中的實(shí)際問題建模及優(yōu)化，然后提出最優(yōu)的調(diào)度方案指導(dǎo)實(shí)踐。調(diào)度系統(tǒng)軟件化和工程化使某些手工操作變?yōu)橄到y(tǒng)流程，車間實(shí)現(xiàn)無紙化組織。未來針對(duì)離散型制造業(yè)生產(chǎn)組織的實(shí)際需要，研制開發(fā)應(yīng)用于實(shí)際的調(diào)度軟件具有較大的理論和應(yīng)用價(jià)值。

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