多層級(jí)調(diào)度優(yōu)化在離散制造業(yè)的設(shè)計(jì)和實(shí)踐

◎天津航天長征火箭制造有限公司 李維 鄭偉 趙慶斌

引言

天津火箭公司是我國新一代運(yùn)載火箭產(chǎn)業(yè)化基地，鈑金車間作為公司基本生產(chǎn)單元，主要負(fù)責(zé)運(yùn)載火箭壁板、瓜瓣、框段等鈑金類零件的生產(chǎn)。在2017年，鈑金車間完成了單層自動(dòng)排產(chǎn)系統(tǒng)建設(shè)及實(shí)施應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了車間從手工排產(chǎn)到系統(tǒng)自動(dòng)排產(chǎn)。但隨著公司型號(hào)任務(wù)數(shù)量逐步增加，生產(chǎn)異常頻繁等情況，導(dǎo)致單層自動(dòng)排產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)指令與實(shí)際生產(chǎn)過程的脫節(jié)。

天津火箭公司結(jié)合鈑金車間典型的“多品種小批量”生產(chǎn)特點(diǎn)，搭建以車間、班組和反饋三層架構(gòu)為核心的車間多層級(jí)調(diào)度優(yōu)化體系，分別梳理每一層的輸入數(shù)據(jù)、約束條件和排產(chǎn)結(jié)果，將原來的調(diào)度員單層優(yōu)化轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬映掷m(xù)優(yōu)化，減少異常情況對(duì)整個(gè)車間生產(chǎn)任務(wù)的擾動(dòng)，提高了計(jì)劃排產(chǎn)的準(zhǔn)確性、可用性。

一、需求分析

鈑金車間作為天津火箭公司基本生產(chǎn)單元，隨著生產(chǎn)任務(wù)增多及公司生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致車間作業(yè)計(jì)劃可執(zhí)行性不高，現(xiàn)場(chǎng)響應(yīng)不及時(shí)，車間生產(chǎn)管理模式與實(shí)際需求的矛盾日益突出，為此，公司開展了車間單層自動(dòng)排產(chǎn)系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用。單層自動(dòng)排產(chǎn)系統(tǒng)同步車間MES系統(tǒng)中的生產(chǎn)任務(wù)數(shù)據(jù)、工藝規(guī)程數(shù)據(jù)、物料數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)等多種排產(chǎn)所需的輸入數(shù)據(jù)，調(diào)度員設(shè)定每條任務(wù)的優(yōu)先級(jí)、交期等信息，系統(tǒng)按照約束條件進(jìn)行自動(dòng)排產(chǎn)，得到最優(yōu)排產(chǎn)結(jié)果。生產(chǎn)班組依據(jù)生產(chǎn)派工單順序執(zhí)行，并反饋進(jìn)度。

這種生產(chǎn)運(yùn)作的方式與過去傳統(tǒng)手工排產(chǎn)相比較，將作業(yè)管理細(xì)化到工序級(jí)，使生產(chǎn)管理的粒度更加細(xì)致；車間生產(chǎn)安排由調(diào)度員統(tǒng)籌考慮，使計(jì)劃執(zhí)行的整體性高，作業(yè)連動(dòng)性較強(qiáng)。但是，隨著排產(chǎn)系統(tǒng)的深入應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)了以下一些問題：

圖1 車間單層自動(dòng)排產(chǎn)原理圖

（1）單層排產(chǎn)與持續(xù)優(yōu)化

車間單層自動(dòng)排產(chǎn)系統(tǒng)由車間調(diào)度員進(jìn)行統(tǒng)籌管控和計(jì)劃安排。車間調(diào)度員圍繞車間所有任務(wù)排產(chǎn)，在整體上取得一個(gè)較優(yōu)的結(jié)果后下發(fā)班組。但是，由于異常情況頻繁、工時(shí)不準(zhǔn)確等問題，導(dǎo)致調(diào)度員所生成的工序級(jí)的調(diào)度指令與實(shí)際生產(chǎn)過程存在一定程度的偏差。這種偏差表現(xiàn)為班組接收到的任務(wù)量與實(shí)際產(chǎn)能不匹配、生產(chǎn)作業(yè)順序不合理、每道工序的作業(yè)時(shí)間安排不合理等問題。由于系統(tǒng)中沒有將班組長的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)融合到生產(chǎn)派工過程中，而調(diào)度員也沒有足夠的精力兼顧到每一個(gè)生產(chǎn)班組每一道生產(chǎn)工序的生產(chǎn)特點(diǎn)，導(dǎo)致生產(chǎn)指令與實(shí)際生產(chǎn)過程的脫節(jié)。

（2）頻繁異常情況帶來車間計(jì)劃的頻繁調(diào)整

車間每項(xiàng)生產(chǎn)任務(wù)基本上都會(huì)涉及下料、成形、熱處理、檢驗(yàn)等工序，需要多個(gè)生產(chǎn)班組協(xié)同生產(chǎn)，而實(shí)際生產(chǎn)過程中，異常情況頻繁出現(xiàn)，例如生產(chǎn)超差、設(shè)備故障、人員請(qǐng)假、急件任務(wù)等等情況。這些異常情況不僅會(huì)打亂本班組的原有生產(chǎn)計(jì)劃，還會(huì)影響到下道工序生產(chǎn)班組，甚至于多個(gè)班組的生產(chǎn)計(jì)劃。調(diào)度員需要根據(jù)異常情況，頻繁調(diào)整車間的作業(yè)安排并下發(fā)班組，導(dǎo)致車間生產(chǎn)計(jì)劃頻繁變化。

（3）無法滿足車間各角色的管控需求

在鈑金車間生產(chǎn)任務(wù)的執(zhí)行過程中，會(huì)經(jīng)過調(diào)度員投產(chǎn)、班組長任務(wù)分配和操作員執(zhí)行三個(gè)過程，而三個(gè)角色的關(guān)注點(diǎn)和需求也不相同。調(diào)度員側(cè)重于車間整體管控和關(guān)鍵點(diǎn)管控，組長則是關(guān)注本班組任務(wù)安排及產(chǎn)品到達(dá)時(shí)間等信息；操作員則關(guān)注每日任務(wù)安排。單層自動(dòng)排產(chǎn)系統(tǒng)無法滿足車間各角色的管控需求。

二、多層級(jí)調(diào)度優(yōu)化的建設(shè)思路

面向瓜瓣頂蓋、蒙皮壁板、桁條、型材框、板材框、小鈑金件等六類典型鈑金零件的制造全過程，結(jié)合五個(gè)生產(chǎn)班組的不同生產(chǎn)特點(diǎn)，搭建以車間、班組和反饋三層架構(gòu)為核心的車間多層級(jí)調(diào)度優(yōu)化體系，生成面向生產(chǎn)車間精細(xì)化管理的計(jì)劃調(diào)度方案，指導(dǎo)不同生產(chǎn)班組具體的生產(chǎn)計(jì)劃，同時(shí)整合不同生產(chǎn)班組的反饋數(shù)據(jù)和調(diào)度數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地協(xié)同優(yōu)化調(diào)整，生成高度可執(zhí)行的計(jì)劃調(diào)度方案。

根據(jù)車間各角色對(duì)于排產(chǎn)的不同需求和關(guān)注點(diǎn)，分別梳理每一層的輸入數(shù)據(jù)、約束條件和排產(chǎn)結(jié)果，將原來的調(diào)度員單層優(yōu)化轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬映掷m(xù)優(yōu)化，提高排產(chǎn)的準(zhǔn)確性、可用性。另外，將生產(chǎn)過程中異常情況進(jìn)行了分層設(shè)計(jì)，減少異常情況對(duì)整個(gè)車間生產(chǎn)任務(wù)的擾動(dòng)。圖2為車間多層級(jí)自動(dòng)排產(chǎn)原理圖。

車間層排產(chǎn)用戶為車間調(diào)度員，為其提供車間任務(wù)按時(shí)交付情況、任務(wù)在各生產(chǎn)班組流轉(zhuǎn)情況、大工序和關(guān)鍵工序的預(yù)計(jì)完成時(shí)間、急件任務(wù)對(duì)任務(wù)擾動(dòng)等信息；班組層排產(chǎn)用戶為車間生產(chǎn)班組組長，為其提供本班組工序級(jí)任務(wù)計(jì)劃、需要趕工的任務(wù)（熱處理組批作業(yè)安排）、生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行情況（在制、將至、將到）、急件任務(wù)插單、操作員生產(chǎn)負(fù)荷等信息；反饋層排產(chǎn)用戶為操作人員，為其提供本人每日的工序級(jí)任務(wù)安排、任務(wù)所需的制造資源狀態(tài)、急件任務(wù)的查單等信息。

多層級(jí)調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)通過與車間MES系統(tǒng)集成，獲取生產(chǎn)任務(wù)的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)進(jìn)行多維度的排產(chǎn)運(yùn)算，以滿足調(diào)度員、班組長、操作工三層角色的生產(chǎn)執(zhí)行的不同需求，并將作業(yè)計(jì)劃信息反饋至MES系統(tǒng)中。系統(tǒng)體系架構(gòu)圖如圖3所示。

圖2 鈑金車間多層級(jí)自動(dòng)排產(chǎn)原理圖

三、多層級(jí)調(diào)度優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)

（一）車間層優(yōu)化

車間層優(yōu)化主要面向?qū)ο鬄檐囬g調(diào)度員，其主要目的是根據(jù)產(chǎn)能、工序、資源、場(chǎng)地等實(shí)際約束，結(jié)合實(shí)時(shí)車間反饋數(shù)據(jù)，利用嵌套分割算法生成可粗可細(xì)、高度可執(zhí)行的各生產(chǎn)班組生產(chǎn)計(jì)劃，調(diào)度員可以通過“情景分析”“加班模擬”等模塊對(duì)多種方案進(jìn)行模擬仿真，選擇最滿意的方案作為實(shí)際的投產(chǎn)方案。

1.關(guān)注點(diǎn)與優(yōu)化目標(biāo)

全面優(yōu)化車間生產(chǎn)任務(wù)，從設(shè)備沖突和車間生產(chǎn)能力入手，重點(diǎn)解決任務(wù)按時(shí)完成和制造順序，為車間調(diào)度員提供車間任務(wù)按時(shí)交付情況、任務(wù)在各生產(chǎn)班組流轉(zhuǎn)情況、大工序和關(guān)鍵工序的預(yù)計(jì)完成時(shí)間、急件任務(wù)對(duì)于任務(wù)擾動(dòng)等信息。

2.優(yōu)化原理

車間層優(yōu)化的輸入數(shù)據(jù)主要包括車間內(nèi)投產(chǎn)生產(chǎn)任務(wù)數(shù)據(jù)、工藝規(guī)程數(shù)據(jù)、制造資源信息、大工序及工時(shí)數(shù)據(jù)；約束條件主要包括任務(wù)優(yōu)先級(jí)、物料齊套、任務(wù)交期、車間生產(chǎn)能力、關(guān)鍵工序節(jié)點(diǎn)控制、組批作業(yè)和異常事件規(guī)則等；輸出的結(jié)果主要包括交期達(dá)成率與延遲百分比、平均生產(chǎn)周期、車間產(chǎn)能利用率、每個(gè)生產(chǎn)工單的生產(chǎn)進(jìn)度、設(shè)備負(fù)荷分析、異常擾動(dòng)分析等。

3.應(yīng)用場(chǎng)景

車間層優(yōu)化的排產(chǎn)顆粒度為合并后的大工序信息，主要的應(yīng)用場(chǎng)景包括：報(bào)調(diào)車間月度計(jì)劃、下發(fā)生產(chǎn)計(jì)劃、異常調(diào)整計(jì)劃。調(diào)度員可以通過模擬加班、鎖定關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)計(jì)劃時(shí)間等方式，對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

（二）班組層優(yōu)化

圖3 鈑金車間多層級(jí)自動(dòng)排產(chǎn)整體架構(gòu)

圖4 對(duì)比排程結(jié)果

圖5 設(shè)備負(fù)荷分析

班組層優(yōu)化是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的CPS生產(chǎn)系統(tǒng)，集合了狀態(tài)感知、分析、優(yōu)化和精準(zhǔn)執(zhí)行的各個(gè)要素。班組層優(yōu)化是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，也是重點(diǎn)解決如何將計(jì)劃落實(shí)到每個(gè)人、每個(gè)工序的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。班組層優(yōu)化面向?qū)ο鬄榘嘟M長，在車間層優(yōu)化的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，針對(duì)本班組可以開始生產(chǎn)的任務(wù)，充分考慮到產(chǎn)品組批及瓶頸設(shè)備熱處理工序的占用情況，進(jìn)行詳細(xì)工序的排產(chǎn)，在這個(gè)過程中，該班組會(huì)實(shí)時(shí)感知其它相關(guān)班組的狀態(tài)，包括資源維度和任務(wù)維度。班組層優(yōu)化進(jìn)一步減少車間層排產(chǎn)的不確定性，實(shí)現(xiàn)本班組任務(wù)安排優(yōu)化以及各生產(chǎn)班組的協(xié)同生產(chǎn)。

1.關(guān)注點(diǎn)與優(yōu)化目標(biāo)

在車間整體最優(yōu)排產(chǎn)的范圍內(nèi)，達(dá)到任務(wù)的組批，以及提高瓶頸設(shè)備有效使用率的目的, 最終使得班組內(nèi)“局部”優(yōu)化與車間“全局”優(yōu)化彼此協(xié)同，保證生產(chǎn)派工方案在車間內(nèi)部能夠切實(shí)落地。

2.優(yōu)化原理

班組層優(yōu)化的輸入數(shù)據(jù)主要包括調(diào)度員排產(chǎn)數(shù)據(jù)、本班組生產(chǎn)任務(wù)、生產(chǎn)任務(wù)狀態(tài)、熱處理班組的作業(yè)安排、制造資源數(shù)據(jù)等。約束條件主要包括任務(wù)優(yōu)先級(jí)、任務(wù)交期、組批作業(yè)等，目的為本班組的生產(chǎn)計(jì)劃最優(yōu)，提高任務(wù)完成效率。輸出數(shù)據(jù)主要包括本班組任務(wù)完成率、生產(chǎn)延期率、生產(chǎn)資源的產(chǎn)能利用率、班組人員的生產(chǎn)負(fù)荷等數(shù)據(jù)。

3.應(yīng)用場(chǎng)景

班組層優(yōu)化的排產(chǎn)顆粒度為詳細(xì)工序信息，主要的應(yīng)用場(chǎng)景包括：生產(chǎn)任務(wù)的狀態(tài)感知、瓶頸環(huán)節(jié)熱處理計(jì)劃安排、班組層仿真調(diào)度、基于仿真的實(shí)時(shí)優(yōu)化、班組層異常處理等。

（三）反饋層優(yōu)化

反饋層排產(chǎn)的用戶為操作員工，排產(chǎn)顆粒度為工藝規(guī)程中詳細(xì)工序信息，按照實(shí)際完成進(jìn)行反饋，主要應(yīng)用場(chǎng)景包括開工報(bào)工、完工報(bào)工與異常報(bào)工等，實(shí)時(shí)報(bào)工反饋能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功能的持續(xù)優(yōu)化。理論上，操作人員應(yīng)嚴(yán)格按照生產(chǎn)派工指令進(jìn)行當(dāng)天的生產(chǎn)行為，但由于生產(chǎn)的工時(shí)數(shù)據(jù)描述的是平均水平，事實(shí)上每個(gè)人的工作能力均存在一定程度的差異，每個(gè)工人均有其獨(dú)有的工作習(xí)慣，精確到每分每秒的生產(chǎn)計(jì)劃通?？蓤?zhí)行性不高。因此，系統(tǒng)通過車間調(diào)度員以及班組長派工兩層優(yōu)化所得到的生產(chǎn)指令，同樣允許員工在此基礎(chǔ)上融合自己的工作經(jīng)驗(yàn)做以靈活調(diào)整。

圖6 班組層優(yōu)化結(jié)果

表 兩種優(yōu)化調(diào)度方式對(duì)比

四、應(yīng)用效果

結(jié)合鈑金車間生產(chǎn)組織模式，將單層優(yōu)化分為車間、班組和反饋層三層次調(diào)度優(yōu)化，從信息集成程度、管理方式、用戶需求、上下游工序銜接、生產(chǎn)擾動(dòng)、設(shè)備利用率等多個(gè)方面進(jìn)行了改善和提高，取得了一定應(yīng)用效果，具體見上表。

五、結(jié)束語

本文根據(jù)天津火箭公司鈑金車間生產(chǎn)模式，結(jié)合五個(gè)生產(chǎn)班組的不同生產(chǎn)特點(diǎn)，從改善車間管理、持續(xù)優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃入手，搭建以車間、班組和反饋三層架構(gòu)為核心的車間多層級(jí)調(diào)度優(yōu)化體系，為公司建立智能化工廠積累了經(jīng)驗(yàn)。