基于人機協(xié)同機制的動態(tài)作業(yè)調度系統(tǒng)研究**

余鵬飛 姜 康 曹文鋼

(合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009)

基于人機協(xié)同機制的動態(tài)作業(yè)調度系統(tǒng)研究**

余鵬飛 姜 康 曹文鋼

(合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009)

針對離散制造業(yè)的單件、小批量生產的特點，根據(jù)企業(yè)的實際生產特點和需求，在分析車間動態(tài)調度系統(tǒng)調度流程的基礎上，設計了系統(tǒng)模塊功能，構建了以生產批次為單位、拖期個數(shù)及生產周期最小為目標的優(yōu)化模型，采用先到先服務、優(yōu)先級等規(guī)則對該調度模型的最優(yōu)近似解進行求解。在調度過程中，采用基于事件的調度策略，同時充分考慮到人在系統(tǒng)中的主觀能動性，開發(fā)了基于人機協(xié)同機制的動態(tài)作業(yè)車間調度系統(tǒng)。

人機協(xié)同機制；動態(tài)調度；調度管理系統(tǒng)；甘特圖

車間調度一直是企業(yè)車間管理的重點，良好的調度系統(tǒng)對于縮短生產周期，減少拖期，優(yōu)化生產有著重要意義[1]。車間調度是對生產計劃的補充和完善，貫穿于企業(yè)的整個生產過程，是保證車間生產在動態(tài)實時環(huán)境下能夠高效運行的關鍵[2]。近些年來，越來越多的專家學者熱衷于研究車間調度問題，動態(tài)車間調度問題尤為熱點。在車間作業(yè)調度問題的研究中，劉想德、張根保發(fā)現(xiàn)隨著系統(tǒng)復雜度的增加，采用復雜的優(yōu)化調度技術是不明智的，系統(tǒng)的復雜性、隨機性越大，采用的調度策略應該越簡單，采用優(yōu)先規(guī)則，是一種可以選擇的策略[3]；Panwalkar和IskaDder[4]對各種不同的規(guī)則進行了歸納和總結；Montazeri Metal等針對實際的車間調度，列舉了常見的20條規(guī)則，并分析了這些規(guī)則對調度系統(tǒng)的影響[5]。然而這些研究往往著眼于單方面優(yōu)化，沒有考慮人、原材料、設備、環(huán)境等其他因素對生產調度的影響，這往往與生產實際過程相差很大。針對生產過程的隨機和不確定性以及資源的約束的變化，邵新宇、饒運清等提出了一種動態(tài)優(yōu)化算法與手動調整結合的人機協(xié)同的動態(tài)調度機制[6]，通過手動調節(jié)甘特圖來進行排產，但是無法改變設備的工作時間等其他相關因素。

在前人研究以及調研的基礎上，根據(jù)生產實際和企業(yè)需求，本文設計并開發(fā)了適合離散制造車間調度需求的人機協(xié)同的動態(tài)作業(yè)車間調度系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體設計

1.1 系統(tǒng)需求分析

生產調度是制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)的重要組成部分，是車間生產管理的核心和關鍵技術。生產調度是連接計劃和生產的關鍵性活動。良好的生產調度系統(tǒng)可以實時掌握生產動態(tài)，有效處理生產中的突發(fā)狀況，以提高生產活動的柔性，確保生產的均衡和穩(wěn)定。系統(tǒng)除了應具有的基本調度功能外，還應該允許人員進行計劃的手動調整，具備信息反饋機制，可以溝通生產相關的各個部門，有效應對突發(fā)事件。

1.2 人機協(xié)同的調度機制

人機協(xié)同的動態(tài)調度機制的基本思想是在生產調度過程中，調度員可依據(jù)知識經驗對調度優(yōu)化方案進行手動調整和修改，以彌補調度優(yōu)化算法中的不足，適應復雜的動態(tài)生產環(huán)境。對于隨機發(fā)生的突發(fā)事件，首先考慮盡可能少地改變現(xiàn)行計劃，通過調整調度因素，如：優(yōu)先級、設備工作日歷等，借助甘特圖等工具，對現(xiàn)行計劃進行手動調整。

1.3 系統(tǒng)功能設計

該系統(tǒng)由系統(tǒng)管理、任務指派與過程監(jiān)控、信息反饋機制3個模塊所組成。系統(tǒng)管理模塊負責用戶信息的添加、修改、刪除、權限，以及車間日歷的制定；任務指派與過程監(jiān)控模塊負責生產調度、任務指派、過程監(jiān)控、突發(fā)事件處理等；信息反饋機制模塊協(xié)調生產活動中信息的傳遞和反饋，如：報警、下達指令等。具體體系結構如圖1所示。

1.4 系統(tǒng)流程設計

在實際的生產環(huán)境中，生產過程的隨機性和不確定因素，各種突發(fā)事件頻繁發(fā)生，完全依靠計算機的調度往往不能滿足實際需要，只有人的適當參與，將人的知識、經驗與計算智能結合起來，以降低動態(tài)調度的復雜性，才能保持生產的穩(wěn)定性。綜合考慮，本調度系統(tǒng)應具有的主要流程如圖2所示。

2 調度模型

2.1 問題描述

車間調度的問題可以描述為：假設車間有q臺加工設備，設備集M={m1,m2,…,mq}，有p個任務需要加工，任務集task={T1,T2,…,Tp}，其中，第i個任務的工件個數(shù)為ki，第i個任務工件的工序集為task[i]·process={Oi1,Oi2,…,Oiw}，w為該工件的工序數(shù)。每道工序可以在多臺不同的機床上加工，工序的加工時間隨機床的性能不同而變化，同時考慮生產過程中隨機性、不確定因素，如設備故障、緊急插單等。調度的目標是為各工序選擇合適的機床task[i]·process[j]·equipment[z]，確定每臺機床上各工件工序的最佳加工順序及任務工序開工時間Sij，使得生產周期F和拖期個數(shù)N最小。

此外，還應滿足以下約束：

(1)同一時刻同一臺機床只能加工一個工件。

(2)同一任務同一工序的工件必須在同一臺機床上連續(xù)加工。

(3)任務之間相互獨立。

(4)同一工件的工序之間有先后約束，不同工件之間沒有先后約束。

Sij=max{Eij-1,EQmn-1}

(1)

Eij=min{EQij1+Sij,EQij2+Sij,EQijm+Sij}

(2)

F=max{E1,E2,...,En}

(3)

(4)

其中：式(1)求解工序任務的計劃開始時間Sij；Eij-1表示該任務的上一道工序的計劃結束時間；EQmn-1表示該加工設備上一工序任務的結束時間；式(2)計算工序任務在哪臺機床上進行加工；Eij表示工序任務計劃結束時間；EQijm表示第i個任務的第j道工序在第m臺機床上的加工時間；式(3)用于確定生產周期F；En為第n個任務的計劃結束時間；式(4)求解任務的拖期個數(shù)N；Dn表示第n個任務的交貨期。

2.2 調度規(guī)則選擇及突發(fā)事件處理

為了使調度結果更滿足生產實際，平衡各生產設備的負荷，使拖期個數(shù)最小，生產周期較短，選擇調度規(guī)則如下：

(1)采用先到先服務和優(yōu)先級相結合的方式進行調度，先到先安排，對于同時到達的情況再考慮其優(yōu)先級。

(2)對于下一個任務工序的機床選擇：選擇加工該任務工序結束時間最早的機床進行加工。

(3)如果有兩個相鄰工序任務在同一臺機床上加工，而且優(yōu)先級低的任務工序只能在該機床上加工，而優(yōu)先級高的可以在其他機床加工，在優(yōu)先級高的不超期的情況下，把這臺機床分配給優(yōu)先級低的任務工序，如圖3所示。

(4)對于訂單取消情況，停止本訂單任務，移除該訂單信息，對車間未加工的任務工序重新調度。

(5)針對緊急插單的情況，根據(jù)插單任務的優(yōu)先級，把插單任務分配給機床進行加工。

(6)對于調度結果中拖期的工序，調度員手動調整調度因素或重新調度。

(7)對于設備出現(xiàn)故障情況，將正在加工的工序轉移至其它能夠加工此任務的機床待其當前任務結束后進行加工。

2.3 調度步驟

Step1:計劃分批，細化為車間任務。

Step2:根據(jù)交貨期、加工時間、工作時間、調度日期，計算任務的優(yōu)先級。

Step3：建立任務集task[]和設備集equipment[]，并進行初始化。

Step4：根據(jù)工藝文件和設備生產能力，確定各個任務工序在每臺機床的加工時間，對機床不能加工的任務用極大值M表示，取M=1 000。

Step5：根據(jù)先到先服務和優(yōu)先級等規(guī)則，進行自動生產調度，并生成調度甘特圖。

Step6：根據(jù)甘特圖和調度的結果，查看是否滿足生產指標：若滿足，生成派工單和加工單，指導生產；若不滿足，手動調整調度因素，如：優(yōu)先級、機床工作時間等，返回Step5，直到滿足生產指標。

2.4 調度實例

現(xiàn)將4個任務：T1、T2、T3、T4，對應18個工件，17道工序調度到6臺機床：eq0、eq1、eq2、eq3、eq4、eq5上進行加工，每個任務的優(yōu)先級及其工序任務的可選機床和對應的加工時間如表1所示。其中，假設機床初始時刻都處于空閑狀態(tài)；“-”表示該工序任務不能在該機床上進行加工；優(yōu)先級信息由訂單的交貨期、標準工時以及工件個數(shù)信息計算得；O0101表示任務T1的第一道工序任務。根據(jù)調度模型進行調度，可得到如表2和表3所示的調度規(guī)劃和圖4 所示的調度甘特圖。表2給出了整個車間任務的加工信息。表3給出了每臺機床的派工信息。圖4以甘特圖的形式顯示了每個任務的每道工序的開始、結束時間以及該工序任務的加工機床，供調度員參考。對于不滿足生產指標的調度結果，調度員可調節(jié)調度因子進行重新調度，如調整工序任務的優(yōu)先級，調整瓶頸機床的工作日歷等。對于生產過程中的意外情況，該系統(tǒng)可通過信息反饋機制，把相關信息反饋給車間管理人員或相關作業(yè)人員，以及時對意外事故進行處理，并將處理結果信息反饋給管理人員。

表1 車間任務的基本信息

任務工件數(shù)工序優(yōu)先級加工時間/mineq0eq1eq2eq3eq4eq5T14O01012．8101215---O01022．88126-12-O01032．816--10--O01042．8--12--10T25O02012．7-10---16O02022．710-8-12-O02032．7208-14--O02042．7---1216-O02052．7-241832-18T35O03013．21814-12--O03023．2-1315-12-O03033．2-1715---T44O04015．110---1216O04025．1--1814-15O04035．1-12--12-O04045．118---12-O04055．1---1620-

表2 車間任務調度信息

工序號所用機床時間/min加工開始結束是否超期O0101eq010040未超期O0102eq264064未超期O0103eq31064104未超期O0104eq510104144未超期O0201eq110050未超期O0202eq01050100未超期O0203eq18100140未超期O0204eq312140200未超期O0205eq218200290未超期O0301eq312060未超期O0302eq41260120未超期O0303eq215120195未超期O0401eq412048未超期O0402eq51548108未超期O0403eq412120168未超期O0404eq412168216未超期O0405eq316216280未超期

表3 機床加工順序

機床工序任務順序開始時刻/min結束時刻/mineq0O0101→O02020100eq1O0201→O02030140eq2O0102→O0303→O020540290eq3O0301→O0103→O0204→O04050280eq4O0401→O0302→O0403→O04040216eq5O0402→O010448148

3 系統(tǒng)原型

本文中設計的生產調度系統(tǒng)采用B/S結構體系，利用Java技術，在Eclipse平臺上開發(fā)出適應于離散制造企業(yè)的調度系統(tǒng)。

(1)系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理模塊包括用戶管理和車間日歷兩部分。用戶管理，主要提供用戶信息的維護，包括用戶基本信息的添加、修改、刪除，權限授予，修改密碼等；車間日歷，主要負責制定以及修改各生產車間的工作日歷，是作業(yè)車間生產調度和各車間的正常生產活動的基礎。該模塊主要功能界面如圖5所示。

(2)任務指派與過程監(jiān)控

任務指派和過程監(jiān)控是該系統(tǒng)的核心模塊，主要包括計劃管理、加工計劃調度、加工計劃審核、生產任務派工和車間任務管理五個部分。車間計劃管理，負責接收主生產計劃、對計劃進行分批、追蹤生產所需的資源、處理突發(fā)事件等。加工計劃調度是該模塊的核心功能，負責對分批的計劃作為整體進行自動調度，生成調度甘特圖、調度因素的變更、調度結果的重新生成、調度結果的審核管理、生產任務派工等。該模塊主要功能頁面如圖6和圖7所示。

(3)信息反饋機制

信息反饋機制負責是協(xié)調各模塊之間的關系，溝通各部門、人員，負責信息傳遞。

4 結語

本文依據(jù)人機協(xié)同機制的基本原理，在分析車間動態(tài)調度系統(tǒng)的調度流程基礎上，結合企業(yè)的實際需求，設計并開發(fā)了人機協(xié)同的動態(tài)作業(yè)調度系統(tǒng)。首先，通過對訂單的分批操作，將處理后的小批量作為整體，以生產批次為單位，拖期個數(shù)和生產周期最少為目標，采用優(yōu)先級、先到先服務等規(guī)則，進行車間自動調度。然后，依據(jù)人的知識經驗，參照甘特圖，對調度方案進行調整。對于生產過程中的突發(fā)事件，采用基于事件的策略，通過警報機制將突發(fā)事件和管理人員建立聯(lián)系，對車間任務進行重新調度。本系統(tǒng)采用人機協(xié)同的機制，將調度過程不易通過算法優(yōu)化的問題，通過人的經驗予以彌補，更符合動態(tài)作業(yè)車間調度的需求實際。

[1]MESA International. The benefits of MES: a report from the field[R]. MESA International White Paper Number1,1997.

[2]喻道遠， 劉子義.單件小批量生產的車間作業(yè)調度研究[J].現(xiàn)代制造工程, 2007(2)：61-63.

[3]劉想德，張根保.柔性作業(yè)車間動態(tài)調度方法研究[J].機械設計與制造，2014(5)：243-245.

[4]Panwalker S S，Iskander W A. A survey of scheduling[J]. Operations Research, 1977，25(1)：45-61.

[5]Momazeri M，Van Wassehove L N.Analysis of scheduling rules of an FMS[J].International Journal Product Research, 1986，13(5)：533-549.

[6]邵新宇，饒運清.制造系統(tǒng)運行優(yōu)化理論與方法[M].北京：科學出版社，2010：78.

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Dynamic job scheduling system research based on man-machine coordinated mechanism

YU Pengfei, JIANG Kang, CAO Wengang

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, CHN)

Aimed at the characteristics of discrete manufacturing of single piece and small batch production, according to the characteristics and needs of actual production enterprises, the analysis of the workshop scheduling process design based on the dynamic scheduling system should have the function of the module. Build the batch for production units, the target of minimizing tardiness number and the production cycle optimization model, uses the first come first service, priority rules for the scheduling model to solve the optimal approximate solution. In the process of scheduling, the scheduling strategy based on events, while fully considering the subjective initiative of people in the system, develop a dynamic job shop scheduling system based on man-machine coordinated mechanism.

man-machine cooperation mechanism; dynamic scheduling; scheduling management system; Gantt chart

*國防基礎科研重大項目(No.A1120131044)；國防技術基礎項目(JSZL2014210B001)

F273；TH16

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.12.025

余鵬飛，男，1990年生，碩士，研究方向為企業(yè)數(shù)字化管理與管理可視化。

(編輯 李 靜)

2016-05-24)

161233