離散制造業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度

降低制造成本，保證按時交貨，是企業(yè)經(jīng)營永恒的主題，也是制造業(yè)企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度部門永恒的職能。當(dāng)今，制造業(yè)企業(yè)面臨的外部環(huán)境日趨復(fù)雜多變。無論軍方還是民用，無論是消費(fèi)品還是投資品，需求變化越來越快，產(chǎn)品生命周期越來越短。為了生存和發(fā)展，很多離散制造企業(yè)采用多品種、小批量、快速響應(yīng)的制造策略。在各種資源都越來越昂貴的總趨勢下，制造業(yè)更注重高效地運(yùn)用有限的資源和現(xiàn)有資本裝備，縮短制造周期，降低制造成本。

生產(chǎn)調(diào)度在制造系統(tǒng)中的地位和作用

一般制造業(yè)企業(yè)中，生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度、車間現(xiàn)場管理三個職能形成一種遞階結(jié)構(gòu)，調(diào)度職能是制造執(zhí)行系統(tǒng)（ＭＥＳ）的組成部分。ＭＥＳ所處的地位正是計(jì)劃層與現(xiàn)場管理層（ＳＦＣ）的中介，車間調(diào)度是ＭＥＳ的主要功能之一，它的敏捷性在很大程度上決定著整個制造系統(tǒng)的敏捷性。

制造業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度有時也稱為作業(yè)計(jì)劃，就是在現(xiàn)有的工藝、機(jī)器設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境（如數(shù)量、互聯(lián)關(guān)系等）配置條件下，在一個時段（調(diào)度期）上，為全部機(jī)器編排一系列工序的開工完工時刻表，稱為調(diào)度表。調(diào)度表的可視化表示可以用基于機(jī)器的甘特圖或基于工序的甘特圖，顯示出所有機(jī)器上全部作業(yè)的起止時刻。

ＪＳＰ的由來

ｊｏｂ ｓｈｏｐ是離散型制造業(yè)中最多見的一類車間，一個ｊｏｂ ｓｈｏｐ的任務(wù)是零件加工或者是部件／總成／產(chǎn)品的裝配。ＪＳＰ（ｊｏｂ ｓｈｏｐ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ）是這類車間調(diào)度問題的總稱。在ＪＳＰ中，機(jī)器可以是一臺機(jī)器、一級機(jī)器、一個柔性制造單元（ＦＭＣ），或者是現(xiàn)場一個組織生產(chǎn)資源的區(qū)域。這些工作中心可以按工藝專業(yè)化組織，也可以按產(chǎn)品制造流程或成組單元組織，研究中常統(tǒng)稱為機(jī)器。ＪＳＰ的約束多是工藝規(guī)定的工序次序和工時。目標(biāo)可以是最大完工時刻最小、延誤期最小、在交貨期準(zhǔn)時完工、機(jī)器空閑時間最少、在制品存量最小、設(shè)備或人力利用率達(dá)到滿意水平、設(shè)備負(fù)荷均衡等等。調(diào)度問題求解的結(jié)果是一張可供執(zhí)行調(diào)度表（ｓｃｈｅｄｕｌｅ）。

中小批量機(jī)械制造業(yè)中，每一工序都獨(dú)占機(jī)器，工序不可分解，工序的加工不可被搶斷，不同的機(jī)床上能加工的工序集可以不同。工件的工藝序、獨(dú)占機(jī)器和不可搶斷這三種約束是不可軟化、不可松弛的。

制造系統(tǒng)是一類復(fù)雜的系統(tǒng)，它的結(jié)構(gòu)走遞階的，只有多目標(biāo)、多資源、多約束、動態(tài)性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，調(diào)度實(shí)務(wù)的復(fù)雜程度遠(yuǎn)超出上述的靜態(tài)調(diào)度問題。敏捷制造車間的生產(chǎn)具有多品種、小批量、制造周期短的特點(diǎn)，不確定事件（如訂單隨機(jī)到達(dá)、加工超工時、機(jī)器故障等）出現(xiàn)的頻率明顯高于傳統(tǒng)制造車間。敏捷制造的車間調(diào)度更多地表現(xiàn)為動態(tài)調(diào)度問題。一個動態(tài)的車間里，調(diào)度職能還要處理很多相關(guān)信息，如在制工件的當(dāng)前位置及數(shù)量、新投放的工藝序、工時、交貨期、當(dāng)前機(jī)器集的狀態(tài)和能力、要獲取隨機(jī)變量、不確定事件的統(tǒng)計(jì)信息等。

ＪＳＰ的意義

１、實(shí)踐意義。調(diào)度問題廣泛存在了制造業(yè)的生產(chǎn)和服務(wù)業(yè)的運(yùn)作中。在多品種、小批量、快速響應(yīng)個性化需求的市場環(huán)境下，車間調(diào)度能力制造業(yè)企業(yè)核心競爭力的重要方面，研究生產(chǎn)調(diào)度問題可以為生產(chǎn)調(diào)度實(shí)務(wù)提供更有效的支持。因此，生產(chǎn)調(diào)度是系統(tǒng)工程和工業(yè)工程的重要課題之一，是各種先進(jìn)制造模式中生產(chǎn)管理的重要研究內(nèi)容。

調(diào)度職能對于準(zhǔn)時交貨、設(shè)備利用率和庫存量有直接的影響，優(yōu)化的調(diào)度方案可以極大地提高生產(chǎn)和運(yùn)作的效率，同時降低制造成本。調(diào)度表還與很多其它經(jīng)營管理活動有關(guān)，如生產(chǎn)計(jì)劃的可行性分析、銷售部門接受訂單的提前期、生產(chǎn)線的人力調(diào)配、設(shè)備保養(yǎng)維修、物料采購供應(yīng)計(jì)劃。在機(jī)械制造業(yè)的離散生產(chǎn)過程中，一個工件制造過程９５％的時間在搬運(yùn)和等待，５％的加工時間里，切削時間僅占３０％，其余７０％的時間用于零件裝夾及定位、還用于刀具、測量、機(jī)床調(diào)整、消除屑末等，多數(shù)機(jī)器９０％的時間處于閑置狀態(tài)，通過調(diào)度職能挖掘車間潛力還有很大的余地。

目前，國內(nèi)外許多實(shí)際制造系統(tǒng)仍主要靠計(jì)劃調(diào)度人員的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識。但是，即使靜態(tài)調(diào)度問題，尋優(yōu)計(jì)算量也是隨問題規(guī)模成指數(shù)增長的，遠(yuǎn)非人腦的計(jì)算能力所能及。當(dāng)代，動態(tài)、不確定型車間調(diào)度問題中大量的優(yōu)化運(yùn)算工作更是驚人，調(diào)度專家的經(jīng)驗(yàn)和直覺已不能勝任。國內(nèi)很多制造業(yè)企業(yè)生產(chǎn)管理仍靠主觀臆斷和手工計(jì)算。計(jì)劃、調(diào)度和派發(fā)效率低，生產(chǎn)計(jì)劃柔性差，優(yōu)化程度低，及時交貨率低，伴隨高庫存、低周轉(zhuǎn)率、客戶響應(yīng)速度慢。而我國是制造業(yè)大國，但還不是制造業(yè)強(qiáng)國。短時期內(nèi)制造業(yè)的裝備不可能大規(guī)模更新?lián)Q代，但是僅靠現(xiàn)有的裝備，通過調(diào)度技術(shù)進(jìn)步就能在相當(dāng)大程度上改進(jìn)生產(chǎn)系統(tǒng)的效率，增加競爭力。

２、理論意義。生產(chǎn)調(diào)度研究成果為提高制造系統(tǒng)性能提供重要的基礎(chǔ)理論，為調(diào)度職能的設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)調(diào)度軟件的開發(fā)提供理論支持。與先進(jìn)制造系統(tǒng)相應(yīng)，工業(yè)工程界近年提出了先進(jìn)計(jì)劃與調(diào)度系統(tǒng)ＡＰＳ（Ａｄｖａｎｃｅ Ｐｌａｎｎｉｎｇ ａｎｄ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）的概念。

無論靜態(tài)模型還是動態(tài)模型，ＪＳＰ都有極廣泛的應(yīng)用背景。動態(tài)車間是典型的離散事件動態(tài)系統(tǒng)，項(xiàng)目管理、物流管理、供應(yīng)鏈管理等領(lǐng)域廣泛存在的很多運(yùn)作管理問題也可以抽象成為ＪＳＰ模型。因此，ＪＳＰ建模和求解方法也對其它問題的理論研究有所裨益，動態(tài)調(diào)度問題引起了工業(yè)工程和自動控制領(lǐng)域?qū)W者的極大興趣。

作為算法設(shè)計(jì)與分析的一個典型對象，靜態(tài)ＪＳＰ是一類有約束組合優(yōu)化問題。算法理論認(rèn)為，調(diào)度問題是ＮＰ難（ＮＰ－ｈａｒｄ）問題，到目前為止尚未找到實(shí)際可用的優(yōu)化算法。求解有約束組合優(yōu)化問題的高效算法是算法研究領(lǐng)域的重要課題，更是所有工程設(shè)計(jì)及優(yōu)化領(lǐng)域備受關(guān)注的課題。

ＪＳＰ主要的內(nèi)容及研究現(xiàn)狀

１、主要研究內(nèi)容。調(diào)度策略、調(diào)度問題建模技術(shù)、高效優(yōu)化算法是生產(chǎn)調(diào)度研究的三個主要問題。調(diào)度策略是指特定生產(chǎn)類型下應(yīng)采取的調(diào)度行動、規(guī)則及制造系統(tǒng)的性能評價指標(biāo)；建模技術(shù)研究如何描述機(jī)器集、工件集、工序集和工時集之間的關(guān)系，如何將這些關(guān)系和調(diào)度策略、性能指標(biāo)表達(dá)成約束條件和目標(biāo)函數(shù)的形式；算法研究主要探索如何在滿足約束條件前提下搜索到使目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)或滿意的解——優(yōu)化的調(diào)度表。

①靜態(tài)、確定型ＪＳＰ建模技術(shù)、求解算法。各種派發(fā)規(guī)則的優(yōu)劣是調(diào)度策略研究重要內(nèi)容。隨著算法理論和優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展，許多新的優(yōu)化方法已應(yīng)用到ＪＳＰ中，目的是搜索全局最優(yōu)調(diào)度表。優(yōu)化目標(biāo)也從單目標(biāo)發(fā)展到帶有互相沖突的多個目標(biāo)。算法研究的主要內(nèi)容有計(jì)算復(fù)雜度、近優(yōu)性和搜索效率等。

②動態(tài)ｊｏｂ Ｓｈｏｐ具有多種隨機(jī)性或不確定性，許多不確定因素能使機(jī)器集、工件集、工序集、工時集可能改變，造成調(diào)度表規(guī)定的時間表中斷，靜態(tài)ＪＳＰ的一張優(yōu)化調(diào)度表往往不能一以貫之。中斷或變化發(fā)生后，面臨調(diào)度表修復(fù)或重構(gòu)問題，新調(diào)度表引起車間現(xiàn)場的一系列調(diào)整，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)線物料供應(yīng)和物流的調(diào)整，由此提出了調(diào)度穩(wěn)定性的問題。調(diào)度策略應(yīng)對中斷的能力稱為調(diào)度職能的適應(yīng)性。工序加工實(shí)際消耗工時往往具有隨機(jī)性，調(diào)度表對這類小幅度隨機(jī)波動的抵御能力是魯棒性研究的內(nèi)容。動態(tài)調(diào)度策略研究主要針對各種動態(tài)環(huán)境下動態(tài)調(diào)度策略的適應(yīng)性和魯棒性。各種引起重調(diào)度的因素特性的辨識、重調(diào)度策略和重調(diào)度觸發(fā)機(jī)制是動態(tài)ＪＳＰ研究的內(nèi)容。

③重調(diào)度觸發(fā)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)還需要實(shí)時獲得主計(jì)劃數(shù)據(jù)和車間現(xiàn)場動態(tài)數(shù)據(jù)，生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸量、計(jì)算開銷、實(shí)時性等問題就成為調(diào)度器工業(yè)原型開發(fā)中要解決的問題。

④調(diào)度表的性能最終要落實(shí)到生產(chǎn)系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，但是調(diào)度表的性能常不能輕易直接在現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，只能在仿真環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證或評估。因此，仿真平臺的建立和仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成為該領(lǐng)域重要的研究課題之一。

⑤機(jī)器配置策略、工件投放生產(chǎn)線的策略、機(jī)器維修保養(yǎng)策略等對調(diào)度策略和模型有很大影響。因此，可重構(gòu)制造系統(tǒng)的調(diào)度研究受到關(guān)注，計(jì)劃、調(diào)度及現(xiàn)場管理的分工集成也是重要的研究內(nèi)容，這涉及ＥＲＰ／ＭＥＳ／ＳＦＣ的分工、集成及接口的研究。

２、研究現(xiàn)狀。對ＪＳＰ已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究，產(chǎn)生了多種策略、多種數(shù)學(xué)模型和求解方法，尚無系統(tǒng)性研究結(jié)論，沒有形成統(tǒng)一的框架。調(diào)度策略問題是實(shí)踐性很強(qiáng)的問題，模型構(gòu)造和算法設(shè)計(jì)也仍然是一種技藝，異彩紛呈的方法不斷提出。即使在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，調(diào)度問題理論研究與工業(yè)界不斷發(fā)展的生產(chǎn)調(diào)度實(shí)務(wù)之間也存在很大的距離。

不同企業(yè)的制造執(zhí)行系統(tǒng)是不同的，實(shí)際的生產(chǎn)過程千差萬別，系統(tǒng)中機(jī)器配置和資源、調(diào)度目標(biāo)、調(diào)度策略均多種多樣，一個企業(yè)在不同市場形勢下的調(diào)度問題也可能大相徑庭。因此，難有一個包羅萬象的、普遍適用的調(diào)度策略、調(diào)度模型和算法。每一類制造業(yè)必須發(fā)展自己的調(diào)度技術(shù)，要開發(fā)定制的專用調(diào)度系統(tǒng)，必須深入了解對象系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，這需要精深的專門知識和經(jīng)驗(yàn)。

已有一些國外軟件公司提供生產(chǎn)管理軟件系統(tǒng)，其中包括生產(chǎn)調(diào)度模塊，但通用調(diào)度軟件系統(tǒng)面向某一大類制造行業(yè)，必須具有足夠的可擴(kuò)展性方能用于特定企業(yè)。實(shí)用中，調(diào)度模塊與計(jì)劃模塊、現(xiàn)場管理模塊的組裝往往必須依企業(yè)的實(shí)務(wù)定制。國外的生產(chǎn)管理軟件中，調(diào)度模塊的建模方法、優(yōu)化算法多將問題簡化。但價格高，服務(wù)尚未本地化。調(diào)度軟件的功能和效能依賴了其使用的調(diào)度策略和算法，有的軟件只使用少數(shù)幾種簡單調(diào)度規(guī)則。國內(nèi)無生產(chǎn)管理軟件系統(tǒng)供應(yīng)商，企業(yè)定制調(diào)度軟件困難。與散見于文獻(xiàn)的研究成果相比，成功的應(yīng)用個案較少，原因是學(xué)者們往往孤立地研究調(diào)度策略、建模技術(shù)和優(yōu)化算法，多數(shù)文獻(xiàn)僅在高度簡化的模型上探討算法，目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)造也缺乏實(shí)際背景，新算法研究成果用于軟件開發(fā)的少。數(shù)字化制造技術(shù)與生產(chǎn)調(diào)度技術(shù)之間存在“信息鴻溝”，這阻礙著先進(jìn)制造系統(tǒng)的效益發(fā)揮。該領(lǐng)域雖然進(jìn)行了很多研究，但是離支持當(dāng)今的生產(chǎn)調(diào)度實(shí)務(wù)仍有很大距離。生產(chǎn)調(diào)度領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步需要工業(yè)界、信息技術(shù)界和學(xué)術(shù)界的長期通力合作。

（作者單位：西安交通大學(xué)管理學(xué)院）