客車生產中的倒排產應用研究

韓忠華, 史海波，劉 昶，張 波

HAN Zhong-hua1,2, SHI Hai-bo2, LIU Chang2, ZHANG Bo3

（1. 中國科學院 研究生院，北京 100049；2. 中國科學院 沈陽自動化研究所 工業信息學重點實驗室，沈陽 110016；3. 長春軌道客車股份有限公司，長春 130062）

0 引言

近年來客車行業的競爭越來越激烈，給客車企業的生存與發展造成了巨大的壓力。由于客車行業具有產量低、品種多的特點，所以自動化水平都不是很高，與其它汽車行業相比屬勞動密集型企業，基本上靠手工操作。另外，客戶定制已成為客車生產的必然趨勢。某客車股份有限公司是中國最大的客車制造商，其制造模式是面向客戶定制，甚至面向客戶設計，導致客車生產品種多、批量小、工藝復雜，隨著行業競爭加劇，客戶的交貨期要求越來越短，這就需要制造部門既能滿足柔性制造，又要滿足較短的交貨期；同時，隨著業務量的不斷增長，生產的不均衡為制造部門的計劃、現場管理帶來了更大的壓力。生產品種和生產過程多樣性使得生產計劃、生產組織復雜化，帶來諸多生產管理上的困難。目前SAP給出的日生產計劃指派到關鍵工位，對車間的生產指揮調度有一定支持。但由于計劃的粒度粗，無計劃完成情況的實時反饋，無計劃完成情況的實時監控，對生產現場實際情況反映不是很全面，特別是對于具有典型的混合流水車間特點的涂裝車間生產管理意義不大，難以滿足承裝吊裝的要求。倒排的優勢是從目標倒推，所以排產結果一定滿足吊裝點要求。倒排產是基于拉式生產模式，與該企業客車生產線的特點一致。所以根據廠方的要求，涂裝車間采用倒排產邏輯進行詳細排產。但是由于產能等原因在倒排產的實施過程中，倒排產過程中常常會引發排產沖突。所以本文從倒排產的實施入手，分析倒排產沖突的原因，給出解決倒排產沖突的解決方案。

1 涂裝車間計劃排產系統設計

車間計劃排產是企業生產計劃的重要組成部分，是車間活動的基礎。車間排產系統通過考慮排產目標，根據班組能力、設備能力、均衡生產、工藝約束以及生產中的交疊、重疊和并行等因素來確定工序的加工班組或者設備及開工、完工時間。通過優化排序合理安排生產，達到滿足交貨期要求，縮短生產周期，提高生產效率的目的。

涂裝車間計劃排產系統主要為涂裝車間的ABCF線和GHUR線以及電泳車間提前給出計劃產出車輛的排產計劃，指導車間的實際生產。據該企業客車業務現狀，涂裝車間與承裝車間之間的吊裝點影響整個生產線的進度。據此涂裝車間計劃排產系統以吊裝點的吊裝計劃序列為基礎，在滿足吊裝序列的基礎上對涂裝生產進行倒序排產，獲得每輛在車每個排產工序的開工時間和完工時間。計劃排產系統根據車輛工藝工時、班組設置、規則設置以及SAP系統給的吊裝和焊裝序列等數據，對生產進行排產。

利用本系統ABCF線和GHUR線可單獨進行排產。根據車間的生產現狀，排產過程中電泳車間采用根據ABCF線和GHUR線的計劃產品進行按比例分配的排產方式。根據涂裝現有的業務需求，涂裝計劃排產系統的總體物理架構設計如圖1所示。

圖1 計劃排產系統物理總體架構設計

ABCF線和GHUR線都具有訪問排產系統的權限，可分別進行排產。通過計劃排產系統的ABCF線和GHUR線的客戶端，先對排產需要的基礎數據進行設置，然后觸發存放在數據庫服務器中的排產過程，排產結束后將排產結果返回到排產的客戶端。同時排產數據庫服務器要定期的從追蹤數據庫服務中獲得SAP排出的吊裝序列和焊裝序列數據。并在排產過程前加載從生產追蹤系統獲取的現場生產進度信息。

圖2 涂裝排產系統總體結構設計

計劃排產系統邏輯總體結構設計如圖2所示：排產系統可從生產追蹤系統獲得SAP系統排產的吊裝計劃和焊裝計劃以及現場的生產狀態信息，并通過維護車間模型數據、車輛的工藝工時數據、排產約束規則、車間計劃管理、工作日歷管理、產能分析等數據；選擇排產日期，進行計劃排產；可對排產結果與上次排產結果進行沖突校驗，并顯示排產結果。

2 倒排產算法應用研究

倒排產算法也叫倒序排產法，是指將確定的訂單完成時間作為起點，然后安排各道工序，找出各工序的開工日期，進而得到訂單的最晚開工日期。排產計算由合同的交貨日期開始，進行倒序計算，以便確定每道工序的完工日期。倒排產算法在本排產系統中解釋為從吊裝序倒推到最后一道工序（第M個工序），再從最后一道工序一直倒推回第一道工序，采用倒排產算法獲取的每道工序（第N-1道工序，N≤M）時間對列是基于已經排過的工序（第N道工序）時間對列推出。

在倒排產的過程中，每道工序時間隊列的處理有三個要點：

對于工序，從最后一個工序（第M個工序）往前倒推，一直推到第一個工序。

對于某個工序的車從給下一個工序交車時間最晚的車開始排，排到交車時間最早的車。

對于某工序的某個單車，已排過的工序（第N道工序）開始時間作為本工序要排的這輛車的最晚完工時間（第N-1道工序）。

對于涂裝車間，倒排產的實施就是根據吊裝計劃要求的吊裝序，確定涂裝上線序列及時間，并且給出車輛在生產過程中每道工序的施工班組或者設備及開工、完工時間，計劃時間精確到分鐘。首先對排產車輛按照吊裝上線時間要求進行降序排列，然后從涂裝的最后一道工序開始進行排產，從吊裝上線時間最晚的車輛開始，根據完工時間要求和工序工時，確定車輛的施工班組或者設備及最晚開工時間，直到本工序前的所有車輛處理完畢；將排產車輛在本道工序的最晚開工時間作為前一道工序的最晚完工時間，也就是本工序的排產結果作為前一道工序排產過程的輸入，并按照車輛在前一道工序的完工時間要求降序排列，依次確定車輛在前一道工序的施工班組或者工位及最晚開工時間；按工序倒序依次處理，直到所有的要求排產車輛在涂裝第一道工序排產完成。倒排產的具體實施過程如圖3所示，圖中展示的是簡化表示的20日和21日兩天的倒排產結果。

3 產生沖突原因分析

圖3 倒排算法演示圖

對圖3的倒排產演示圖進行分析，就會發現從吊裝序列倒推所得到的排產數據其中的規律性。對于一個工序（第N-1工序）的所要排產的車是從時間最大的車開始排，全部車的最晚完工時間是基于已排過的工序（第N工序）的開工時間，這樣就確定這個工序倒排產的最晚完工時間，是這個工序的已排過的工序（第N工序）最晚開工車的開工時間。在倒排產過程中，一個吊裝日的全部車在一個工序最大值覆蓋時間是：前一個吊裝日的車在此工序的最大完工時間到本吊裝日最大完工時間的時間間隔。對于有并行工位的工序是同樣的情況。如果一個吊裝日所有車的排產覆蓋時間的大于這個時間間隔，則會引起沖突。進一步分析，一個吊裝日的車某一個工序的如果不發生沖突，就是本次排產的吊裝日在這個工序的最小開工時間大于上一個吊裝日的車在本工序的最大完工時間。如圖3所示，21日吊裝的車在工序3的如果發生沖突，即在工序3排產的21日吊裝的車的最小開工時間（即車輛100的開工時間）小于已排產的20日吊裝的車的最大完工時間（即車輛70的完工時間）。

3.1 產能不足

一個吊裝日要生產的車在瓶頸工序（找到瓶頸工序）的總工時大于這個工序配置班組（設備的提供的工時決定于所配置的班組的工作時間）總工時，例如一個設備的配置班組的總工時是21小時15分（有效工作時間），這是如何算出的：一天的時間是24個小時，工作時間是各個工作時間段之和（8：15-12：00 13：30-19：5920：00- 23：591：00-7：30）累加到一起是21小時15分，這道工序要加工的車的總工作時間之和是23小時，所以這個工序配置班組即使設備利用率達到100%也根本作不完這些加工任務。這表現為極限產能不足。

如果考慮到設備利用率 OEE，工序間車的轉運時間，特殊的加工工藝要求，例如漆房加工每個車的時間間隔是5分鐘，工序節拍不一致時導致的生產等待時間，在上下班時間（換班組的情況下），做這個工序的班組快要下半時，所剩余時間不夠再生產一個車，上述情況就會浪費一些加工時間，這種對時間的浪費在單車工時比較長的工序表現的尤其嚴重，所以設備的目標利用率達不到100%。所以長工時的工序的目標設備利用率一般控制的80%左右。有效工作時間就是該工序的班組能提供的總加工時間與目標設備利用率的乘積。當這道工序要加工的車的總工作時間之和大于該工序的有效工作時間的情況下，就體現為產能不足。產能不足是引起的倒排產沖突的主要原因，即這工序的班組所能提供的排產時間工時排不下要排產的生產任務。

3.2 吊裝計劃不合理

吊裝計劃問題中隱含著兩個引起沖突的情況，首先討論一種簡單的情況，就是累計加工時間長的車應該先上線后吊裝，例如做多遍彩條工序的車，這種車的凈加工時間遠超過客車在涂裝車間平均停留時間，因此種車在涂裝上線序列中應該先上線，在吊裝序列中應該后吊裝。如果吊裝序列安排的不合理，累計加工時間長的車后上線先吊裝，就會導致整個生產序列的等待和阻塞，導致沖突。

另一個吊裝計劃安排不合理的情況，同時也是倒排產沖突的一個主要原因。在倒排產過程中，一個吊裝日的全部車在一個工序最大值覆蓋時間是：前一個吊裝日的車在此工序的最大完工時間到本吊裝日最大完工時間的時間間隔。由于這個時間間隔是基于吊裝序列的最晚吊裝時間得出，相鄰的兩個吊裝日的最晚吊裝時間如果相同，則這個時間間隔是24小時；如果相鄰的兩個吊裝日的最晚吊裝時間如果不相同，則這個時間就會出現不等于24小時的情況，如果前一個吊裝序列覆蓋時間過長，導致兩次排產時間間隔過短，即不到24小時。則會使增大沖突的情況。

3.3 生產中工序節拍不一致

由于工序間的節拍不一致使得，這主要是由于每天下的吊裝計劃中的車在做一道工序的時候，單車的工時不一致。導致在排產時造成等待，加長排產的覆蓋時間。

3.4 倒排產算法內在原因

排產結果給出的是車輛的在每道工序的最晚開工時間，并且在倒排過程中沒有考慮異常情況。所以如果按照排產結果安排實際生產，屬于緊后生產，一旦出現異常情況，就會出現延遲。如果要解決這個問題，就要在排產過程在每道工序前設置工序松弛時間。這就會增加每個工序排產的覆蓋時間，這會導致沖突加劇。

4 沖突解決方案

4.1 增大產能

產能不夠時應該增加產能，這里需要注意的是，如果是按班組排產的只要增加班組就可以了。如果是按位置排產，并是班組和位置是一對一的情況，就需要班組和位置同時增加。

4.2 減少要吊裝的車

當產能不能增加時，應該減少要吊裝的車輛。將吊裝計劃減下來的車改到下一天吊裝。

4.3 調整吊裝序

除了要把吊裝計劃中凈工時長的車放后面吊裝外，最主要的時候要整理吊裝計劃。將吊裝提前，適當的提前吊裝計劃，不會影響生產進程，即將吊裝序列規定一個最晚的吊裝時間，將比這個最晚的吊裝時間的車都前，其實質也是一種收縮處理。

4.4 局部收縮

對于遇到瓶頸工序后的工序，當時間隊列被展開時，需要收縮時間對列，這要犧牲一些總工作時間，也會增加單車的加工時間，但會減少沖突發生的概率。主要是針對生產中工序節拍不一致和倒排產算法內在原因兩個引起沖突的原因進行處理。通過局部收縮整體調整各工序的覆蓋時間梯度，起到調整生產節拍和減弱緊后算法帶的影響。

5 結論

由于客車在各工序的生產時間存在極大的不確定性（手工作業），涂裝工藝路徑的可變性，同一類型工作中心的重復性，以及緊急定單的插入等眾多因素的存在，這些不利的因素給涂裝車間的排產帶來很大的困難。采用倒排產算法在保證客戶交貨期的前提下，充分發揮班組和設備能力，縮短生產周期，提高生產效率。針對在倒排產實施過程出現的排產沖突，采用增大產能與調整吊裝序等方法進一步增強和完善倒排產算法，獲得良好的效果，得到涂裝生產作業計劃，能夠指揮涂裝車間的生產。

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