一種基于單元化制造及時(shí)間任務(wù)總線的計(jì)劃調(diào)度模式構(gòu)建

王獻(xiàn)紅　史國權(quán)

1.長春理工大學(xué),長春,130022　　2.長春軌道客車股份有限公司,長春,130062

一種基于單元化制造及時(shí)間任務(wù)總線的計(jì)劃調(diào)度模式構(gòu)建

王獻(xiàn)紅1,2史國權(quán)1

1.長春理工大學(xué),長春,1300222.長春軌道客車股份有限公司,長春,130062

為解決目前大多數(shù)離散制造型企業(yè)的計(jì)劃調(diào)度模式存在計(jì)劃調(diào)度多層級(jí)、生產(chǎn)管理結(jié)構(gòu)呈金字塔型、生產(chǎn)管理復(fù)雜且對(duì)市場(chǎng)需求反應(yīng)能力不強(qiáng)、難以滿足市場(chǎng)需要等問題，針對(duì)普遍存在的典型制造過程提出了一種新型的基于時(shí)間任務(wù)總線概念的計(jì)劃調(diào)度模型及計(jì)劃調(diào)度集成優(yōu)化模型。模型在企業(yè)實(shí)際應(yīng)用后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析充分驗(yàn)證了該方法先進(jìn)可行。

單元化制造；時(shí)間任務(wù)總線；計(jì)劃調(diào)度模型；集成優(yōu)化模型

0　引言

傳統(tǒng)的計(jì)劃調(diào)度體系一般都是基于制造資源計(jì)劃[1](manufacturing resource planning ,MRPⅡ)思想開展的。制造資源計(jì)劃按著預(yù)先制定的提前期，用所謂的無限能力排產(chǎn)的辦法編制作業(yè)計(jì)劃，這種方法屬于遞階式分解結(jié)構(gòu)[2]，所有計(jì)劃從頂?shù)降讓訉影才拧Ｋ膬?yōu)勢(shì)是中長期計(jì)劃能力，它特別注重前期規(guī)劃，用盡可能周密的計(jì)劃集中安排各環(huán)節(jié)的人、物料、設(shè)備、場(chǎng)地以及生產(chǎn)加工，生產(chǎn)調(diào)度工作主要是減少計(jì)劃執(zhí)行過程中的異常[2]。事實(shí)上，由于提前期、批量參數(shù)等已預(yù)先靜態(tài)設(shè)置，系統(tǒng)能力約束、資源配置情況、各種干擾因素的隨機(jī)出現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃的執(zhí)行與原計(jì)劃出現(xiàn)偏差，有時(shí)甚至偏差很大，計(jì)劃調(diào)整時(shí)會(huì)出現(xiàn)層層重排的情況。結(jié)合企業(yè)的組織結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)品特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)構(gòu)建更加符合企業(yè)狀況的計(jì)劃調(diào)度模式[3]是非常有意義的研究課題[4]。在傳統(tǒng)的MRPⅡ體系結(jié)構(gòu)下，產(chǎn)品的全部工件制造的工藝路線流經(jīng)相關(guān)各個(gè)車間、班組，各車間、班組依據(jù)流經(jīng)自己的全部工件工序形成自己的車間級(jí)工作包和班組級(jí)工作包，對(duì)各工件而言，工藝路線規(guī)定了加工該工件的具體設(shè)備配置，工藝路線的制定并未按基于成組技術(shù)[2]的單元化制造[2]原則來安排。在傳統(tǒng)MRPⅡ計(jì)劃體系結(jié)構(gòu)下，調(diào)度工作的功能是保證計(jì)劃的執(zhí)行[5]，并不能在特定的單元系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行作業(yè)計(jì)劃的詳細(xì)科學(xué)安排?；谝訫RPⅡ?yàn)榛A(chǔ)的傳統(tǒng)計(jì)劃調(diào)度模式在實(shí)際生產(chǎn)過程中表現(xiàn)出的計(jì)劃調(diào)度多層級(jí)、生產(chǎn)管理結(jié)構(gòu)呈金字塔型、生產(chǎn)管理復(fù)雜且對(duì)市場(chǎng)需求反應(yīng)能力不強(qiáng)、難以滿足市場(chǎng)需要等問題局限性與缺點(diǎn)，本文以“一類典型制造過程”為背景，提出了一種新型的基于單元化制造思想及時(shí)間任務(wù)總線概念的計(jì)劃調(diào)度模式。

1　“一類典型制造過程”的內(nèi)涵

長春軌道客車股份有限公司轉(zhuǎn)向架產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程是典型的離散制造類型，同時(shí)又是多品種小批量類型，始終有多個(gè)型號(hào)的產(chǎn)品混線生產(chǎn)。生產(chǎn)安排是指每天裝配幾個(gè)型號(hào)數(shù)量不同的產(chǎn)品，在不同的日期所裝配的產(chǎn)品比例可能是變化的。該產(chǎn)品制造企業(yè)是專業(yè)生產(chǎn)單位，只生產(chǎn)該產(chǎn)品系列，該產(chǎn)品系列單獨(dú)銷售，交貨期非常重要。企業(yè)的產(chǎn)品系列是密切相關(guān)類產(chǎn)品，屬于相似度很高的產(chǎn)品系列。產(chǎn)品系列是一類相對(duì)復(fù)雜的產(chǎn)品，由很多種零件集成裝配而成，零件大量自制。我們可以將以上產(chǎn)品系列生產(chǎn)制造的實(shí)際情況典型化為以下生產(chǎn)背景模型：①系統(tǒng)有多個(gè)同類但不同型號(hào)的復(fù)雜產(chǎn)品，產(chǎn)品的相似程度較高；②裝配工位每日裝配交出何種產(chǎn)品型號(hào)組合取決于市場(chǎng)訂單需要，可以定義為期初排定；③每個(gè)型號(hào)產(chǎn)品均可視為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，其零件構(gòu)成是確定的；④裝配工序?yàn)榈湫偷摹包c(diǎn)式裝配”，即一個(gè)產(chǎn)品只需一個(gè)“點(diǎn)式裝配臺(tái)位”即可，沒有流水要求，裝配工序不受場(chǎng)地、人員、設(shè)備限制，裝配周期在一天內(nèi)即可完成，交貨期能否滿足需要只取決于裝配工序之前的零件是否能夠準(zhǔn)時(shí)到達(dá)；⑤產(chǎn)品裝配場(chǎng)地幾乎每天都有多個(gè)型號(hào)的產(chǎn)品在同時(shí)裝配。

2　單元化組織結(jié)構(gòu)

企業(yè)的生產(chǎn)組織機(jī)構(gòu)含有生產(chǎn)部、組裝車間、多個(gè)零件機(jī)加工車間。零件機(jī)加工車間含有生產(chǎn)線制造單元若干、非生產(chǎn)線制造單元若干，不同的制造單元承擔(dān)不同種類的零件加工，制造單元一旦構(gòu)建完成后在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)保持不變，可以視為固定的[6]。不同型號(hào)產(chǎn)品的相似零件在一個(gè)或多個(gè)制造單元內(nèi)完成，同一個(gè)制造單元承擔(dān)不同型號(hào)產(chǎn)品的相似零件的同種加工工序。

3　時(shí)間任務(wù)總線計(jì)劃調(diào)度模型

時(shí)間任務(wù)總線的構(gòu)成要素分為日期刻度及裝配交付任務(wù)集合，日期刻度與裝配交付任務(wù)集合的一一對(duì)應(yīng)及對(duì)應(yīng)結(jié)果的連續(xù)輸出就構(gòu)成了時(shí)間任務(wù)總線。

3.1生產(chǎn)背景模型

(1)以日期“天”為刻度連續(xù)構(gòu)成時(shí)間任務(wù)總線時(shí)間軸。

(2)對(duì)任意一天D(i),有產(chǎn)品組裝交付任務(wù)集合M(i)與之對(duì)應(yīng)，其中，i表示日期。

(3)M(i)≤M0表示在同一天最多裝配交付M0個(gè)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，如果M(i)=0，則表示當(dāng)日沒有裝配交付任務(wù)。

(4)M(i)=∑m(j)(i)·n(j)(i)，其中，m(j)(i)·n(j)(i)指第i天、第j種標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的數(shù)量，j=1,2,…；n(j)(i)≤M0；m(j)(i)=1表示1個(gè)第i天交付的第j種標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品；n(j)(i)表示第i天交付第j種產(chǎn)品的數(shù)量。

(5)零件加工車間有零件加工生產(chǎn)線制造單元，即生產(chǎn)線L(r)個(gè)，其中r=1，2，…。

(6)零件加工車間有非生產(chǎn)線制造單元S(k)個(gè)，其中k=1，2，…。

(7)各生產(chǎn)線制造單元或各非生產(chǎn)線制造單元直接向裝配場(chǎng)地交付裝配所需零件或向庫房交付零件以補(bǔ)充安全庫存。

(8)單元之間可互為訂單客戶，但互為客戶零件的種類并不多。

(9)各型號(hào)產(chǎn)品總裝配工序所需各種零件需要在裝配交付日的早上被送到裝配場(chǎng)地。

(10)對(duì)任意產(chǎn)品m(j)而言，其工藝路線所經(jīng)過的各制造單元是確定的，但各工件的各工序并未確定在哪個(gè)具體設(shè)備上加工。

(11)各標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品m(j)的所屬工件盡可能少流經(jīng)多個(gè)制造單元，且在一個(gè)工作日內(nèi)零件只在一個(gè)單元內(nèi)被加工。

(12)一個(gè)調(diào)度期可設(shè)為一天。

(13)對(duì)各生產(chǎn)線及非生產(chǎn)線制造單元而言，一天可以包括2個(gè)或3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)班次。

(14)M(i)確定后根據(jù)改進(jìn)的MRP任務(wù)分解器明確的工藝路線可以獲知次日各生產(chǎn)線及各非生產(chǎn)線制造單元所交付的零件，但該工藝路線并不明確各工序具體使用那臺(tái)設(shè)備，各工序可以使用具體哪種設(shè)備已知，對(duì)應(yīng)的加工周期及成本確定。

(15)單元內(nèi)的任務(wù)可在滿足工藝及設(shè)備能力的約束下自由調(diào)度。

(16)庫房只保留必要的各種型號(hào)產(chǎn)品零件的安全庫存量，以應(yīng)對(duì)生產(chǎn)意外或流經(jīng)多制造單元的零件相對(duì)于裝配工序需求的短缺。一般來說，在一個(gè)制造單元就可完成加工的零件的安全庫存量要少于流經(jīng)多個(gè)制造單元的零件的安全庫存量，零件所流經(jīng)的制造單元數(shù)量越多則安全庫存量越大。

3.2時(shí)間任務(wù)總線計(jì)劃調(diào)度模型

在上述背景模型條件下，通過計(jì)劃的分批、組批功能[7]提前或臨時(shí)向各工作日分配任務(wù)組合，時(shí)間任務(wù)總線只要按著日期刻度輸出標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的裝配交付任務(wù)集，系統(tǒng)就可以通過改進(jìn)的MRP任務(wù)分解器向各生產(chǎn)線、各非生產(chǎn)線制造單元提出零件需求，這個(gè)前日需求在次日內(nèi)即可獲得滿足。在這種模式下，盡管時(shí)間任務(wù)總線下達(dá)的任務(wù)組合具有離散隨機(jī)特征，但任務(wù)下達(dá)機(jī)制、調(diào)度機(jī)制變得簡單容易。市場(chǎng)需求有變時(shí)只要迅速調(diào)整時(shí)間任務(wù)總線上各工作日的任務(wù)組合即可迅速反映市場(chǎng)需求。各生產(chǎn)線、非生產(chǎn)線制造單元所獲得的計(jì)劃數(shù)據(jù)指令是相互協(xié)調(diào)匹配的，制造單元任務(wù)包形成原理簡單，計(jì)劃工作也變得非常簡單，調(diào)度工作與調(diào)度技術(shù)的應(yīng)用就主要局限于生產(chǎn)線及非生產(chǎn)線制造單元內(nèi)，調(diào)度工作的靈活性被挖掘出來，調(diào)度技術(shù)更有針對(duì)性，各單元內(nèi)的調(diào)度技術(shù)可以不同。

一種新型的基于單元化制造模式及時(shí)間任務(wù)總線概念下的計(jì)劃調(diào)度模型如圖1所示。

圖1　基于單元化制造及時(shí)間任務(wù)總線的計(jì)劃調(diào)度模型圖

3.3時(shí)間任務(wù)總線計(jì)劃調(diào)度模型優(yōu)勢(shì)

時(shí)間任務(wù)總線計(jì)劃調(diào)度模型優(yōu)勢(shì)如下：①計(jì)劃更靈活、更扁平、更直接、能快速反映客戶需求；計(jì)劃由原來的深層、多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)，變化為一個(gè)簡單的配套結(jié)構(gòu)。②調(diào)度在制造單元內(nèi)更有實(shí)質(zhì)性功能，針對(duì)性更強(qiáng)，技術(shù)使用靈活性更高。③制造單元對(duì)于裝配工序或制造單元間的生產(chǎn)協(xié)同的本質(zhì)是供應(yīng)鏈問題。任意一個(gè)單元的需求輸入或稱主驅(qū)動(dòng)力來自于總裝配工序。

4　時(shí)間任務(wù)總線計(jì)劃調(diào)度集成優(yōu)化模型

4.1優(yōu)化模型

計(jì)劃層又叫分批層、計(jì)劃決策層，處于模型的上層。該計(jì)劃決策層的功能和任務(wù)是產(chǎn)生初始計(jì)劃并根據(jù)調(diào)度的結(jié)果進(jìn)行判斷決策并調(diào)整，下達(dá)修訂調(diào)整后的計(jì)劃；調(diào)度層又稱落實(shí)執(zhí)行層，處于模型的下層，該層的功能和任務(wù)是接受上層即計(jì)劃層的計(jì)劃數(shù)據(jù)并作為輸入數(shù)據(jù)在各個(gè)制造單元內(nèi)部通過適當(dāng)?shù)乃惴ㄐ纬勺鳂I(yè)計(jì)劃或稱調(diào)度方案，并檢查是否可行[8]。為了問題討論的方便，在此我們定義調(diào)度方案是否可行的衡量指標(biāo)僅為生產(chǎn)周期在計(jì)劃時(shí)間內(nèi)。由此上層即計(jì)劃層的計(jì)劃數(shù)據(jù)通過MRP任務(wù)分解器對(duì)各單元提出裝配工序的零件需求數(shù)據(jù)，該需求數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁鳁l生產(chǎn)線及各非生產(chǎn)線單元，各單元通過相關(guān)的調(diào)度技術(shù)及適當(dāng)?shù)乃惴ê拖嚓P(guān)計(jì)算形成作業(yè)計(jì)劃或稱調(diào)度方案，并檢查是否可行；上層即計(jì)劃層與下層即調(diào)度層之間可能要經(jīng)過幾次的交互溝通協(xié)調(diào)，同時(shí)上層可能要有若干次的決策，決策的結(jié)果可能導(dǎo)致總線任務(wù)分布的調(diào)整。當(dāng)然如果經(jīng)驗(yàn)豐富或處理得當(dāng)，上下層之間交互溝通的次數(shù)及上層的決策次數(shù)會(huì)明顯減少。其具體的優(yōu)化模型如圖2所示。

圖2　時(shí)間任務(wù)總線計(jì)劃調(diào)度集成優(yōu)化模型圖

4.2優(yōu)化模型優(yōu)勢(shì)

(1)上層即計(jì)劃層的分批、組批功能容易實(shí)現(xiàn)，計(jì)劃下達(dá)簡單。傳統(tǒng)的遞階分解結(jié)構(gòu)計(jì)劃方式存在計(jì)劃分解層次太多、太復(fù)雜，計(jì)劃過程很難考慮調(diào)度層面的弊端。計(jì)劃下達(dá)由金字塔的多層方式變?yōu)楸馄交姆峙?jí)及調(diào)度級(jí)的二級(jí)方式，使問題變得非常簡單。

(2)調(diào)度層面有很好的彈性空間。計(jì)劃層面只負(fù)責(zé)將任務(wù)分配到制造單元或生產(chǎn)線內(nèi)即可，而并不對(duì)制造單元內(nèi)部或生產(chǎn)線內(nèi)部進(jìn)行具體排產(chǎn)，這就為單元內(nèi)或生產(chǎn)線內(nèi)部靈活選擇作業(yè)計(jì)劃及調(diào)度技術(shù)提供了可能，調(diào)度工作在有針對(duì)性地建模、評(píng)價(jià)、算法選擇設(shè)計(jì)等方面獲得了發(fā)揮的空間。

(3)實(shí)現(xiàn)了計(jì)劃層面與調(diào)度層面直接交互協(xié)調(diào)、多次協(xié)調(diào)。既可以實(shí)現(xiàn)互動(dòng)優(yōu)化，又可以根據(jù)決策者的決策思路有彈性地調(diào)節(jié)上下層關(guān)系，既有相互優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，也有相互間的妥協(xié)機(jī)制。

(4)高度仿真性質(zhì)。這種集成優(yōu)化模型模擬了先進(jìn)管理實(shí)際情況。計(jì)劃層分批工作多采用經(jīng)驗(yàn)人工的方法與建模計(jì)算方法相結(jié)合，如此更能適應(yīng)計(jì)劃的特殊性，如合同交貨期的不均衡性、市場(chǎng)需求的多變性、某些特定經(jīng)營性的需求等。調(diào)度執(zhí)行層可以很好地利用建模技術(shù)、評(píng)價(jià)函數(shù)、算法選擇與設(shè)計(jì)等技術(shù)進(jìn)行具體作業(yè)排產(chǎn)，根據(jù)作業(yè)排產(chǎn)績效由計(jì)劃層進(jìn)行決策。因此該模型體現(xiàn)了敏捷制造、管理模式扁平化等思想。

5　實(shí)際應(yīng)用

某高速動(dòng)車組輪對(duì)制造企業(yè)應(yīng)用本文思路對(duì)其生產(chǎn)組織模式進(jìn)行了變革，對(duì)其計(jì)劃調(diào)度體系進(jìn)行了重構(gòu)和集成優(yōu)化。輪對(duì)是高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的核心總成部件，其制造技術(shù)作為高速動(dòng)車組核心技術(shù)之一，具有加工精度高，制作工藝較為復(fù)雜等特點(diǎn)。鑒于生產(chǎn)組織模式的復(fù)雜性我們選擇通過對(duì)變革前后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析對(duì)比來驗(yàn)證本文所提模式的優(yōu)越性，如表1所示。通過所得數(shù)據(jù)可知，生產(chǎn)模式改變后由于計(jì)劃鏈的縮短，調(diào)度層級(jí)的減少，計(jì)劃下達(dá)生效時(shí)間的縮短，產(chǎn)能有了較大的提升，準(zhǔn)時(shí)交付率及計(jì)劃兌現(xiàn)率有較大提高，極大地縮短了加班生產(chǎn)時(shí)間，明顯看到該企業(yè)生產(chǎn)效率的提升具有了質(zhì)的飛躍。

表1變革前后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析對(duì)比表

6　結(jié)語

本文首先對(duì)一類典型的制造過程進(jìn)行了分析，并建立了該制造過程的描述模型，在單元化制造思想的基礎(chǔ)上提出了一種基于時(shí)間任務(wù)總線概念的新的計(jì)劃調(diào)度模型及計(jì)劃調(diào)度集成優(yōu)化模型。最后對(duì)某高速動(dòng)車組輪對(duì)制造企業(yè)生產(chǎn)組織模式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)前后統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析證明了本文所提模式的優(yōu)越性，對(duì)解決該類生產(chǎn)制造企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度問題具有普遍的指導(dǎo)意義。

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(編輯王艷麗)

Construction of a Planning and Dispatching Model Based on Cellular Manufacturing and Time Task Bus

Wang Xianhong1,2Shi Guoquan1

1.Changchun University of Science and Technology,Changchun,130022 2.Changchun Railway Vehicles Co. Ltd.,Changchun,130062

Nowadays, a large amount of problems existing in most of the discrete manufacturers cannot be solved, such as redundant multiple planning and dispatching in each levels, pyramid production management structure, even more complex production management, weak capacity of reaction to the market demands and difficulty in meeting the market demands, etc. In order to resolve the problems existing in the typical manufacturing process above, a new planning and dispatching model and an integration and optimization model based on the concept of time task bus were creatively presented herein. The statistics data analyzed from the applications in the enterprises validated the feasibility of the method.

cellular manufacturing; time task bus; planning and dispatching model; integration and optimization model

2013-07-10

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011BAG05B00)

TP278DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.05.012

王獻(xiàn)紅，男，1966年生。長春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院博士研究生，長春軌道客車股份有限公司高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)樯a(chǎn)管理與物流管理。史國權(quán)，男，1965年生。長春理工大學(xué)副校長、機(jī)電工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。