工藝規(guī)劃與車間調(diào)度集成系統(tǒng)的研究

王 磊，任慧娟

（1.河南省工程咨詢中心，河南 鄭州 450000；2.鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450100）

工藝規(guī)劃與車間調(diào)度集成系統(tǒng)的研究

王 磊1，任慧娟2

（1.河南省工程咨詢中心，河南 鄭州 450000；2.鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450100）

工藝規(guī)劃系統(tǒng)和車間調(diào)度系統(tǒng)作為生產(chǎn)制造體系中2個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，占據(jù)著非常重要的地位。以往的研究都是將這2個(gè)系統(tǒng)分別作為獨(dú)立的子系統(tǒng)進(jìn)行研究，對(duì)這2個(gè)系統(tǒng)的集成研究還較少，這使得企業(yè)在縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期、降低返工率和提高制造系統(tǒng)的柔性等方面遇到了瓶頸。在對(duì)二者研究的基礎(chǔ)上，對(duì)工藝規(guī)劃系統(tǒng)和車間生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的集成進(jìn)行了探索，并展望了其發(fā)展趨勢(shì)，為企業(yè)縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期、降低開發(fā)成本、提高生產(chǎn)效率奠定了良好的基礎(chǔ)。

工藝規(guī)劃；車間調(diào)度；集成系統(tǒng)；CAPP

1 工藝規(guī)劃的發(fā)展現(xiàn)狀

早期的工藝規(guī)劃是基于經(jīng)驗(yàn)由人工來完成的。但隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大、生產(chǎn)條件的改善和生產(chǎn)要求的提高，工藝人員對(duì)實(shí)際生產(chǎn)制造環(huán)境的及時(shí)應(yīng)對(duì)越來越差。為了解決這一系列問題，在20世紀(jì)60年代中期，誕生了計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)（CAPP）。CAPP的實(shí)質(zhì)是用計(jì)算機(jī)代替人工來制定工藝路線的工作，使工藝人員從煩瑣的工作中擺脫出來。隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者不斷改進(jìn)CAPP系統(tǒng)，在CAPP系統(tǒng)中引入了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能和面向?qū)ο蟮认冗M(jìn)的技術(shù)。工藝規(guī)劃系統(tǒng)沒有實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)化，并且系統(tǒng)的集成性較差，歸納起來主要有以下幾點(diǎn)原因：①零件工藝路線本身的復(fù)雜性造成了工藝規(guī)劃系統(tǒng)的復(fù)雜性；②針對(duì)以制造資源設(shè)備實(shí)時(shí)可加工性為基礎(chǔ)的工藝規(guī)劃系統(tǒng)的研究較少；③從信息化的角度需要對(duì)企業(yè)制造底層的工藝推理機(jī)制進(jìn)行研究；④需要對(duì)工藝規(guī)劃的邏輯方法進(jìn)行系統(tǒng)化的研究。目前，大多數(shù)企業(yè)采用成組編碼或手工輸入的方式，不但不能將零件的信息清晰、完整地表達(dá)，反而增加了工人的工作強(qiáng)度。

零件工藝路線的多樣性與復(fù)雜性造成了工藝規(guī)劃系統(tǒng)的復(fù)雜性，將車間生產(chǎn)制造資源與工藝規(guī)劃系統(tǒng)結(jié)合，能夠有效地對(duì)工藝路線進(jìn)行優(yōu)化選擇，同時(shí)也能夠降低車間調(diào)度計(jì)劃的返工率。因此，車間生產(chǎn)制造資源就成了面向工藝規(guī)劃與車間調(diào)度的一個(gè)結(jié)合點(diǎn)，是研究二者集成系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

2 車間生產(chǎn)調(diào)度的研究現(xiàn)狀

調(diào)度所研究的問題主要是根據(jù)不同的任務(wù)單內(nèi)容，分配加工制造資源，并完成任務(wù)單的生產(chǎn)任務(wù)，這個(gè)過程是決策一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)的優(yōu)化過程。隨著科學(xué)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和生命科學(xué)的多學(xué)科交叉和滲透，研究者模仿自然現(xiàn)象的運(yùn)行機(jī)制，發(fā)明了許多新的方法，包括遺傳算法、免疫算法等。這些先進(jìn)的算法使得調(diào)度問題的研究向著多元化方向發(fā)展。縱觀車間調(diào)度問題的研究、應(yīng)用和發(fā)展，在制造領(lǐng)域提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，也顯露出了許多問題。分散的調(diào)度系統(tǒng)研究并未形成一套系統(tǒng)的方法和理論，研究的結(jié)果在實(shí)際應(yīng)用中還存在一定的問題。過于程序化的調(diào)度系統(tǒng)并沒有與實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合，在今后的研究中應(yīng)以調(diào)度系統(tǒng)為重點(diǎn)，結(jié)合工藝路線的實(shí)際應(yīng)用，加強(qiáng)制造管理過程中的技術(shù)目標(biāo)發(fā)展。

3 工藝規(guī)劃和車間生產(chǎn)調(diào)度集成的研究

隨著網(wǎng)絡(luò)化和市場(chǎng)需求個(gè)性化的發(fā)展，企業(yè)越來越多地轉(zhuǎn)向了單件小批量的生產(chǎn)方式。傳統(tǒng)的工藝規(guī)劃周期長(zhǎng)，且設(shè)計(jì)出來的工藝規(guī)劃方案未能考慮車間的實(shí)際生產(chǎn)情況，已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前形勢(shì)的發(fā)展，迫切需要建立一種適合產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)調(diào)度的方法，以求縮短開發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本。在這種情況下，工藝規(guī)劃和生產(chǎn)調(diào)度集成就應(yīng)運(yùn)而生。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)集成系統(tǒng)的研究主要有以下幾種模型。

3.1 非線性工藝規(guī)劃（NLPP）

NLPP是在工件加工前，優(yōu)先選擇多條工藝路線，并對(duì)每條工藝路線進(jìn)行可行性排序，在應(yīng)用到實(shí)際車間生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)車間加工制造的資源由調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行工藝路線比選。目前，大多數(shù)的研究?jī)?nèi)容都采用該思想。非線性工藝規(guī)劃模型的原理是在制訂零件的工藝路線時(shí)，生成盡可能多的工藝路線，為調(diào)度系統(tǒng)提供盡可能多的工藝路線。然后在工藝優(yōu)化準(zhǔn)則的刪選下根據(jù)優(yōu)先等級(jí)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)工件進(jìn)入加工車間后，調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)車間制造資源的實(shí)時(shí)狀況，按照工藝路線的優(yōu)先等級(jí)選擇合適的工藝路線進(jìn)行生產(chǎn)加工。

3.2 閉環(huán)工藝規(guī)劃（CLPP）

該模型是調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)工藝路線在可用的制造資源條件下選擇最優(yōu)工藝路線，所以CLPP考慮到了車間制造資源的實(shí)時(shí)狀態(tài)，在當(dāng)前的生產(chǎn)環(huán)境下生成了可行的工藝路線。

因此，調(diào)度系統(tǒng)反饋的生產(chǎn)制造資源的實(shí)時(shí)狀態(tài)是連接工藝規(guī)劃系統(tǒng)與車間調(diào)度系統(tǒng)的橋梁。該模型能夠根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況來對(duì)工藝路線進(jìn)行優(yōu)化。工藝規(guī)劃系統(tǒng)可根據(jù)調(diào)度系統(tǒng)反饋的生產(chǎn)時(shí)間情況及時(shí)修改和調(diào)整工藝路線，從而優(yōu)化工藝流程。而工藝規(guī)劃系統(tǒng)將工藝路線與車間調(diào)度系統(tǒng)緊密地聯(lián)系在一起，形成了工藝規(guī)劃與調(diào)度系統(tǒng)的閉環(huán)回路，明顯提高了工藝規(guī)劃系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可操作性，提高了企業(yè)的工作效率，降低了生產(chǎn)成本。

3.3 分布式工藝規(guī)劃（DPP）

DPP也稱并行工藝規(guī)劃模型，其將工藝規(guī)劃與車間調(diào)度同時(shí)進(jìn)行，它將2個(gè)系統(tǒng)分2個(gè)階段來完成，第一階段是初步規(guī)劃階段，主要對(duì)零件進(jìn)行特征分析，并根據(jù)零件的特征信息來確定粗加工方法，同時(shí)對(duì)需要采用的設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化；第二階段是工藝路線的詳細(xì)優(yōu)化，這個(gè)階段主要是將第一階段預(yù)估的生產(chǎn)信息與車間的可用資源進(jìn)行匹配，從而優(yōu)選出最合適的生產(chǎn)調(diào)度計(jì)劃和最優(yōu)的工藝路線。該模型在工藝路線與調(diào)度計(jì)劃的初期就解決了相互設(shè)計(jì)的問題，2個(gè)系統(tǒng)能進(jìn)行交互溝通，在整個(gè)優(yōu)化過程中體現(xiàn)了交互、協(xié)調(diào)與合作。

4 結(jié)論

當(dāng)前客戶需求逐漸朝著小批量、個(gè)性化的方向發(fā)展，并且對(duì)服務(wù)時(shí)效性和滿意度的要求也逐漸提高。工藝規(guī)劃系統(tǒng)和車間調(diào)度系統(tǒng)集成方法的研究，實(shí)現(xiàn)了2個(gè)相互獨(dú)立的子系統(tǒng)進(jìn)行有效的集成，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)加工的指導(dǎo)具有獨(dú)特的效能。對(duì)工藝規(guī)劃系統(tǒng)、車間生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)集成進(jìn)行研究，通過分析集成系統(tǒng)所具備的柔性，對(duì)基于現(xiàn)代柔性工藝路線的制定及基于遺傳算法的車間調(diào)度方法進(jìn)行優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上對(duì)2個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行集成，能夠有效縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，降低企業(yè)的開發(fā)成本，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。

［1］陳炳森，張曙.生產(chǎn)系統(tǒng)學(xué)［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1992.

［2］高亮，李新宇.工藝規(guī)劃與車間調(diào)度集成研究現(xiàn)狀及進(jìn)展［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2011（8）.

〔編輯：劉曉芳〕

TH162

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.17.108

2095－6835（2017）17－0108－02

王磊（1988—），男，河南焦作人，碩士，鄭州輕工業(yè)學(xué)院，研究方向?yàn)橹圃鞓I(yè)信息化。任慧娟（1987—），女，河南武陟人，碩士，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，研究方向?yàn)槠髽I(yè)管理。