航空舵機生產(chǎn)資源沖突問題的消解模型構(gòu)建及應(yīng)用*

（航空工業(yè)西安飛行自動控制研究所，西安 710065）

隨著德國工業(yè)4.0、中國制造2025的推出，智能制造獲得了快速發(fā)展的新契機。如果智能生產(chǎn)線可以實現(xiàn)自動化的物流配送，還具有智能管控能力，就能夠根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)與設(shè)備、原材料、工裝等資源的變動情況，優(yōu)化生產(chǎn)作業(yè)計劃，形成自主決策的工作指令，從而提高生產(chǎn)率。

目前航空企業(yè)制造部門借助制造資源信息系統(tǒng)進行零組件的生產(chǎn)任務(wù)排產(chǎn)的現(xiàn)狀有待改進。信息系統(tǒng)可做好單個零件的任務(wù)計劃，但生產(chǎn)制造常具有多任務(wù)交叉、批產(chǎn)和新品混線生產(chǎn)的特點。各計劃管理人員面對資源沖突，經(jīng)常是臨時處理，且方法不一。加工過程如果不能實現(xiàn)標準作業(yè)，產(chǎn)品的合格率就不容易穩(wěn)定。同理，對于制造部門的計劃管理人員，如果不能運用統(tǒng)一科學(xué)的策略處理資源沖突問題，就不容易合理地預(yù)測多項目任務(wù)是否可以按期交付。只憑借車間在項目后期組織高強度的人力和物力突擊來保證交付是不科學(xué)的，改進計劃調(diào)度管理方法才是解決系統(tǒng)問題的方法。

車間對于航空舵機產(chǎn)品的生產(chǎn)加工制造任務(wù)的排產(chǎn)基本上是參照各工序所評估的工時，憑借人工經(jīng)驗來做零組件的加工計劃。雖然能夠滿足一些生產(chǎn)任務(wù)的交付日期的需求，但是多項新品重點項目交織在一起，需要花費大量的人力、物力來解決資源沖突（時間和設(shè)備的沖突）。比如：舵機類新品的制造加工工序比較長，單個工序占用設(shè)備的時間較長，單個殼體加工時間可能長達幾個月。有限的設(shè)備在某段時間內(nèi)無法完成各個殼體的加工任務(wù)，從而影響了下游的裝配時間，最終造成產(chǎn)品出所日期的推遲。同時，面對隨機而來的新訂單，也無法預(yù)測新項目按期交付。

傳統(tǒng)進度研究方法比如CPM 和PERT 法，都以資源是無限使用的為假設(shè)前提，利用網(wǎng)絡(luò)圖來表現(xiàn)任務(wù)的進度安排及其中各項工序之間的相互關(guān)系。最終計算分析得到工期、資源與成本的優(yōu)化解決方案[1]。

為解決沖突的發(fā)生，史艷麗等[2]從能力角度出發(fā)，建立車間制造資源能力模型；曹春平[3]引入管理、調(diào)度、資源和零件Agent，通過Agent之間的協(xié)作與協(xié)商解決車間沖突問題；李俊亭[4]從解決資源沖突的角度出發(fā)，借鑒啟發(fā)式優(yōu)化算法，運用多資源多任務(wù)沖突調(diào)度算法，識別資源關(guān)鍵鏈；王旭等[5]認為在項目執(zhí)行時，工序的開始時間不僅受到先后次序的約束，而且受到資源供給的約束，要重點考慮。資源受限，工期優(yōu)化問題在理論上屬于NP— Hard問題[6]，即組合膨脹問題。目前國內(nèi)外在利用精確算法求解這類問題時，隨著網(wǎng)絡(luò)圖中工序的增多，計算的次數(shù)會以指數(shù)級的速度增長，因此很難實際應(yīng)用。

本論文立足于更好地解決航空企業(yè)的航空舵機類生產(chǎn)中的資源沖突問題。通過分析航空舵機的研制新品的制造加工流程特點，借鑒PERT計劃評審技術(shù)等管理方法，針對多項零件任務(wù)加工時出現(xiàn)的資源沖突問題，建立生產(chǎn)計劃資源沖突消解模型，試圖在資源沖突發(fā)生前識別資源沖突，進行資源沖突分類后，運用科學(xué)的方法來處理資源沖突，達到對多項目航空舵機類新品生產(chǎn)任務(wù)進行合理排期管理的目標。最后，通過生產(chǎn)實例，針對某項目的舵機殼體類典型零件在生產(chǎn)中出現(xiàn)的資源沖突，運用生產(chǎn)計劃資源沖突消解模型來消解，進一步闡述本文提出的管理方法。

1 航空舵機新品項目資源沖突分析

1.1 航空舵機新品項目資源沖突的特點

目前航空舵機新品項目資源沖突的特點之一：資源利用科學(xué)性低。本文所涉及的資源，主要指可重復(fù)用的資源，包括進行生產(chǎn)活動的加工者和設(shè)備。制造部門同時進行多個型號項目生產(chǎn)時，在一段時期內(nèi)所能提供資源的種類和數(shù)量是相對不變的，所有資源被多個項目所共用，如圖1所示。如果對每個項目進行單獨的資源分配與管理，勢必會出現(xiàn)某些時段中某些項目的資源過于富余，而其他項目的資源相對短缺的狀況，一方面造成了資源的浪費，另一方面可能直接導(dǎo)致某些項目延期交付。

航空舵機新品項目資源沖突的特點之二：多品種、多訂單、小批量、快交付 (任務(wù)周期緊)、工序長、質(zhì)量高、不確定因素多，加工風(fēng)險高，生產(chǎn)任務(wù)隨機到來，投產(chǎn)急，生產(chǎn)計劃較批產(chǎn)滾動項目較難提前制定，生產(chǎn)準備不足。航空舵機新品項目產(chǎn)品的生產(chǎn)模式屬于訂單式生產(chǎn)，訂單傳遞到制造部門后，制造信息系統(tǒng)將訂單分解為工序作業(yè)計劃[7]。航空舵機新品項目的訂單具有隨機性，在舵機殼體新品的制造過程中，問題較批產(chǎn)和定型的零件出現(xiàn)的頻率高，問題處理時間長。航空舵機新品的零件每批數(shù)量小，據(jù)統(tǒng)計，80% 以上的任務(wù)數(shù)量小于5件。生產(chǎn)準備及調(diào)試時間遠遠大于正常的加工時間，工時產(chǎn)出少。各工序加工時間容易比計劃延遲，影響了零件加工的按時完成率。

航空舵機新品項目資源沖突的特點之三：計劃易受干擾，糾偏困難。制造車間實際進行生產(chǎn)加工時一般按車間計劃人員或班組長制定的周計劃執(zhí)行，然而在計劃執(zhí)行時經(jīng)常會受到緊急任務(wù)或協(xié)作任務(wù)等插入任務(wù)的干擾，在加工過程中設(shè)計修改、產(chǎn)品報廢和返修、設(shè)備故障等現(xiàn)象屢屢發(fā)生，這些現(xiàn)象的發(fā)生均將導(dǎo)致生產(chǎn)過程中一些任務(wù)的開始加工時間延遲，從而導(dǎo)致在某一時間段上與其他一些待加工任務(wù)為競爭同一資源而發(fā)生沖突?，F(xiàn)實生產(chǎn)中，面對新訂單的影響，因為資源沖突，計劃管理人員往往無法保證原計劃產(chǎn)品按期交付。對于零件加工停滯來說，表面上看來是因為設(shè)備資源少，零件無法使用設(shè)備造成的，但實際生產(chǎn)中，增加設(shè)備會增加成本。因此，本文在設(shè)備不變的條件下研究資源沖突問題。

1.2 資源沖突消解分析

圖1 航空舵機新品制造資源沖突示意圖Fig.1 New project manufacturing resource conflict of aviation steering gear

目前處理資源沖突問題的消解方法主要包括優(yōu)先級排序、隨機排序和并行推理策略等。優(yōu)先級排序在應(yīng)用時首先選擇最高優(yōu)先級的任務(wù)；隨機排序在應(yīng)用時隨機地運用排序規(guī)則；并行排序在應(yīng)用時考慮了所有可用的規(guī)則。這些消解沖突的方法實際應(yīng)用時各有不足之處。優(yōu)先級排序法在運用時沒有考慮任務(wù)優(yōu)先級的動態(tài)變化；隨機排序沒有給出具體的消解手段；而并行排序考慮了太多的規(guī)則，也沒有根本解決沖突問題[8]。

2 生產(chǎn)計劃資源沖突消解模型構(gòu)建步驟

為了實現(xiàn)有效的制造資源沖突消解，部分研究者建立資源沖突模型，但是實際應(yīng)用時難度大。制造系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及人、機、料、法、環(huán)等多個因素的影響。目前的研究多采用仿真的方法實現(xiàn)，但是這又降低了系統(tǒng)的實時性。本文構(gòu)建的生產(chǎn)計劃資源沖突消解模型綜合了其他模型的優(yōu)點，突破傳統(tǒng)思維，摒棄了不實用的仿真研究等模塊。具體分3個步驟：發(fā)現(xiàn)沖突、沖突分類和基于規(guī)則的沖突消解，目標是試圖提高計劃管理系統(tǒng)的實時控制能力和決策能力。

2.1 動態(tài)獲取資源沖突

在航空舵機新品的生產(chǎn)中動態(tài)獲取資源沖突的任務(wù)實例過程的思路如下：

首先識別沖突。一般企業(yè)在排產(chǎn)時還可能會考慮質(zhì)量、進度、成本、人員和設(shè)備資源配置等因素。但是航空企業(yè)產(chǎn)品的按時交付對于項目和國家都具有不可動搖的嚴肅性。在航空企業(yè)生產(chǎn)管理排程中，進度和質(zhì)量對于研制項目是最關(guān)鍵的因素，任務(wù)計劃排產(chǎn)是整個制造執(zhí)行系統(tǒng)的核心。目前對任務(wù)的排產(chǎn)以時間單位來制定的，車間的計劃調(diào)度在制定最符合現(xiàn)場實際的計劃時一般首先借助信息系統(tǒng)用Excel制定。

識別資源沖突的步驟：針對舵機類新品項目任務(wù)到來的隨機性和緊迫性的特點，把車間要完成的任務(wù)按月進行全局的刷新梳理，借助桌面看板、Excel表格或編寫可識別性高的信息分析軟件，把當(dāng)月任務(wù)全部按日期和使用設(shè)備資源兩個維度排產(chǎn)出來，確定當(dāng)月可能存在沖突的瓶頸資源，見表1。根據(jù)需要，可以按實際要求對任務(wù)沖突進行不同時間維度的識別。

然后在所有項目（所有零組件任務(wù)）中尋找需要使用該資源的（零組件）任務(wù)，并通過具體的計劃信息（包含時間計算和預(yù)測），找到資源沖突，即從中獲取沖突實例。也可以建立并借助制造資源數(shù)據(jù)庫獲取沖突實例[9]。

2.2 資源沖突分類

首先對任務(wù)進行A、B和C 3種分類。只有一個訂單（總項目）下所有任務(wù)都按期完成，這項訂單才能交付。本文研究根據(jù)發(fā)生沖突的任務(wù)是否屬于關(guān)鍵任務(wù)，將各種資源沖突分為3類。

（1）如果發(fā)生資源沖突的任務(wù)均屬于關(guān)鍵任務(wù)，此種沖突為關(guān)鍵任務(wù)間的沖突，簡稱為G-G沖突，比如兩種A類加工任務(wù)在某一設(shè)備上發(fā)生的沖突；

（2）如果發(fā)生資源沖突的任務(wù)分別屬于非關(guān)鍵任務(wù)和關(guān)鍵任務(wù)，此種沖突為非關(guān)鍵任務(wù)和關(guān)鍵任務(wù)間的沖突，簡稱為NG-G沖突，比如B類任務(wù)和A類任務(wù)在某一設(shè)備上發(fā)生的沖突；

（3）如果發(fā)生資源沖突的任務(wù)均屬于非關(guān)鍵任務(wù)，此種沖突為非關(guān)鍵任務(wù)間的沖突，簡稱為NG-NG沖突，比如兩種C類加工任務(wù)在某一設(shè)備上發(fā)生的沖突。

2.3 資源沖突消解

本文梳理建立了航空舵機生產(chǎn)計劃資源沖突消解的方法流程，如圖2所示。對于第1類的G-G沖突，發(fā)生資源沖突的任務(wù)均屬于關(guān)鍵任務(wù)，對于優(yōu)先級高的關(guān)鍵任務(wù)可以先獲得資源使用權(quán)。對于第2類的NG-G沖突，雖然發(fā)生資源沖突的任務(wù)屬于非關(guān)鍵任務(wù)和關(guān)鍵任務(wù)，但是不能簡單決定就必須先加工關(guān)鍵任務(wù)，因為實際上如果讓關(guān)鍵任務(wù)始終優(yōu)先占用了資源，也可能嚴重影響了非關(guān)鍵任務(wù)的交付，使得總項目的關(guān)鍵鏈發(fā)生變化，非關(guān)鍵任務(wù)可能會轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)鍵任務(wù)，最終決定了整個項目的交付。所以本文制定的規(guī)則是通過分析計算，根據(jù)發(fā)生資源沖突的該工序任務(wù)的非關(guān)鍵任務(wù)的總活動時差和關(guān)鍵任務(wù)加工時間的差值正負情況，分別運用時差策略或順序策略來消解非關(guān)鍵任務(wù)和關(guān)鍵任務(wù)之間的資源沖突。第3類沖突，如果發(fā)生資源沖突的任務(wù)均屬于非關(guān)鍵任務(wù)，可以根據(jù)任務(wù)的交付期遠近采取權(quán)值策略，優(yōu)先加工權(quán)值大的非關(guān)鍵任務(wù)[10]。

表1 車間月生產(chǎn)計劃資源沖突消解桌面看板

圖2 資源沖突消解策略Fig.2 Resource conflict digestion strategy

本文首先重點論述3種沖突中較復(fù)雜的NG-G沖突的消解方法。假設(shè)有任務(wù)A和B兩項零件生產(chǎn)任務(wù)，如圖3所示。本文的網(wǎng)絡(luò)圖屬于雙代號網(wǎng)絡(luò)圖，用箭線表示一項工序。它們在各自的10工序都需要在同一時間內(nèi)使用同一資源設(shè)備M， 此時發(fā)生資源沖突，沖突類型為NG-G沖突。由于零件B屬于關(guān)鍵任務(wù)，故零件B獲得優(yōu)先權(quán)，搶占該設(shè)備資源。而零件A則執(zhí)行非關(guān)鍵任務(wù)策略。

（1）假設(shè)零件B在設(shè)備M的加工時間。指的是零件的一項工序任務(wù)，會占用某個設(shè)備為d（M），與零件A的總活動時差為TFa（TFa即總活動時差，指不影響交付期的前提下，任務(wù)A各工序共同擁有的機動時間）；

（2）比較d（M）和TFa；

（3）若d（M）＜TFa，則選擇時差策略；若d（M）＞TFa，選擇順序策略。時差策略指在不影響任務(wù)總工期的情況下，任務(wù)A在其總活動時差內(nèi)推遲其在設(shè)備M上的開始加工時間以避免沖突，同時保證了任務(wù)B的按期完成，總項目交付時間最終不受影響，如圖4所示。而順序策略指零件A的總活動時差小于零件B在設(shè)備M的加工時間，即TFa

然后闡述對關(guān)鍵任務(wù)間的沖突，即G-G沖突的消解策略。對于關(guān)鍵任務(wù)和關(guān)鍵任務(wù)發(fā)生沖突時，本文認為對于優(yōu)先級高的關(guān)鍵任務(wù)可以優(yōu)先獲得資源使用權(quán)。比如兩種A類加工任務(wù)在某一設(shè)備上發(fā)生的沖突。

圖3 多項目任務(wù)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.3 Multi-project task network diagram

圖4 運用NG-G時差策略的總項目網(wǎng)絡(luò)圖Fig.4 Total project network diagram using NG-G time difference strategy

圖5 運用NG-G順序策略的總項目網(wǎng)絡(luò)圖Fig.5 Total project network diagram using NG-G sequential strategy

（1）首先假定Ty表示產(chǎn)品的交貨期與計劃完工期之差。如果關(guān)鍵任務(wù)A先獲得資源，則關(guān)鍵任務(wù)A＇會拖期，可計算得T（A＇）y。反之如果關(guān)鍵任務(wù)A＇ 先獲得資源，可計算得T（A）y。

（2）然后比較T（A）y和T（A＇）y，

（3）如果T（A）y- T（A＇）y＞0。則說明關(guān)鍵任務(wù)A＇ 先獲得資源會使的總項目的工期最長，對交付期的影響最大。故應(yīng)安排關(guān)鍵任務(wù)A的優(yōu)先計高，可先獲得資源。

（4）如果T（A）y- T（A＇）y= 0，則兩個關(guān)鍵任務(wù)的優(yōu)先級相同。

最后，闡述對非關(guān)鍵任務(wù)間的沖突的消解策略。假設(shè)非關(guān)鍵任務(wù)C的某工序由于意外原因而拖期，因此將在某段時間里和非關(guān)鍵任務(wù)C＇的工序在某一設(shè)備上產(chǎn)生資源沖突，此時采用基于權(quán)值的沖突消解。首先兩工序任務(wù)計算各自的時間余度、被拖延時間、剩余加工時間，然后計算優(yōu)先權(quán)，權(quán)值大的優(yōu)先級高，可以優(yōu)先占用資源，具體方法如圖6所示。

（1）參數(shù)定義。

被拖延時間T＇:工序?qū)嶋H開始的加工時間相對于計劃開始時間的拖延量。剩余加工時間T＂ ：工序?qū)?yīng)的產(chǎn)品尚待加工的工序的時間和，也包括該工序。余度Ty：工序?qū)?yīng)產(chǎn)品的交貨期與計劃完工期之差。

（2）對非關(guān)鍵任務(wù)的兩工序權(quán)值的計算。

若余度T（C）y＞ 0, T（C＇）y＞ 0, 則權(quán)值的計算公式為V=T＇× T＂／Ty。比較權(quán)值的大小，若T（C）y＞T（C＇）y，說明給關(guān)鍵任務(wù)C＇優(yōu)先加工，則對于總工期的影響越小，則V（C＇）＞V（C），權(quán)值大的非關(guān)鍵任務(wù)優(yōu)先級高。若余度T（C）y＜0, T（C）y＜0, 則說明通過趕工等原因，產(chǎn)品交貨期較計劃完工期提前。V= T＇× T＂×Ty，比較權(quán)值的大小，權(quán)值小的非關(guān)鍵任務(wù)的優(yōu)先級高。

3 實例分析

運用本文構(gòu)建的生產(chǎn)計劃資源沖突消解模型來處理，舵機類新品殼體零件生產(chǎn)中出現(xiàn)的資源沖突，進一步證明本文提出的新品項目資源沖突消解的方法。

對于制造部門某車間，需要1月份交付某項訂單。其中殼體和下殼體同屬于這個總項目訂單的子零件任務(wù)。殼體是A類關(guān)鍵任務(wù)，任務(wù)節(jié)點是2017年1月25日；下殼體是C類非關(guān)鍵任務(wù)，任務(wù)節(jié)點是2017年1月8日。兩項任務(wù)都需要在2016年12月9日使用UCP600五軸加工中心，此時發(fā)生設(shè)備沖突。此沖突根據(jù)生產(chǎn)計劃資源沖突消解模型的沖突分類規(guī)則分類后，屬于非關(guān)鍵任務(wù)和關(guān)鍵任務(wù)的沖突，即NG-G沖突。零件殼體屬于A類任務(wù)，作為關(guān)鍵任務(wù)殼體可以獲得加工優(yōu)先權(quán)，5數(shù)控銑工序可優(yōu)先在UCP600設(shè)備上加工。下殼體屬于非關(guān)鍵任務(wù)，15數(shù)控銑工序和后面的5道工序都沒有進行，根據(jù)對各工序的加工時間的計算，下殼體加工任務(wù)的總活動時差TF下殼體為0。零件殼體在UCP600設(shè)備上的加工時間d（殼體）為10天大于下殼體的總活動時差0天，依據(jù)資源沖突消解策略的NG-G沖突消解規(guī)則，對于此類任務(wù)沖突，選擇順序策略消解。下殼體在殼體結(jié)束使用設(shè)備UCP600后才能占用設(shè)備，同時應(yīng)該向計劃調(diào)度人員提示下殼體會延遲原零件加工計劃時間至少10天。又因為下殼體屬于C類非關(guān)鍵任務(wù)，經(jīng)過和生產(chǎn)部項目主管計劃的溝通，只要在1月底前交付此訂單，用戶都可以接受。最終，殼體于1月27日結(jié)束，下殼體于1月23日完成。兩項任務(wù)進度基本受控，雖然殼體由于解決突發(fā)的技術(shù)問題延遲原計劃交付2天，但是總項目訂單實現(xiàn)了1月份交付的目標，如圖7所示。

圖6 非關(guān)鍵任務(wù)間的沖突圖示Fig.6 NG-NG resource conflict

圖7 1327殼體、2718下殼體資源沖突消解甘特圖Fig.7 Gantt chart of resource conflict digestion

通過實例，可以看到運用資源沖突消解策略后，計劃調(diào)度人員可以對多個新品研制項目的進度進行全局管控，對多項目交付日期做到科學(xué)的預(yù)測。

4 結(jié)論

面對日益突出的航空舵機新品項目計劃資源沖突問題，運用生產(chǎn)計劃資源沖突消解模型的思路與方法對資源沖突進行識別、分類和消解，優(yōu)先保證了在關(guān)鍵任務(wù)按時交付的條件下，多項目任務(wù)排產(chǎn)更加合理。借助此模型來處理資源沖突問題，可以使航空制造部門的資源最大化分配，是實現(xiàn)訂單按期交付的一種科學(xué)而有效的方法。目前，項目計劃資源沖突日益突出，今后借助計算機信息化集成手段比如物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能制造技術(shù)等來幫助決策者快速識別和處理資源沖突問題必然是未來的研究方向。

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