家紡布藝織造智能排程系統的設計

[摘 要] 本文介紹了當前家紡布藝織造的基本流程，以及家紡行業ERP在生產排程環節存在的問題。進一步解釋了現有家紡布藝ERP系統排程模塊形同虛設的原因，同時介紹了基于現代智能優化算法是解決排程問題的有效途徑。最后介紹了基于智能優化算法的家紡布藝織造排程系統總體設計方案以及排程的基本步驟。

[關鍵詞] 智能排程系統 布藝制造流程 可視化建模 表示層 排程步驟

紡織行業中只有少數具有較大規模的企業已經實現了基本信息化，大部分企業生產運作流程基本上基于手工操作運轉。當前一些具有一定規模的布藝織造企業ERP系統絕大部分是基于MRP原理設計，雖然在一定程度上較好的反映了國內紡織企業的生產運作和供應鏈的流程，但是基于MRP的企業管理系統的生產排程模塊在實際運用中差強人意。在紡織布藝行業，在企業現有的信息化基礎之上，設計并開發布藝織造智能排程系統具有現實意義，但是要開發和實現一個具有實用價值的布藝織造智能排程系統是一個龐大的系統工程，希望本文能夠對布藝織造生產排程系統的設計、開發與實現以及未來的發展進行初步的探討。

一、家紡布藝制造流程分析家紡布藝生產流程如圖1:

如圖1 所示，可以發現布藝織造流程在上機織造前有兩條并行的流程:經紗預處理和緯紗預處理。在預處理結束后經紗與緯紗都匯聚在織機上進行織布工藝。圖1是家紡布藝織造流程的縮略圖，中間省略了一些不一定要進行的環節，如:經紗與緯紗在織造前的上漿、染色;織機上完成的布匹下機后需要染色、印花，涂層等后處理工序。

二、基于MRP家紡布藝織造ERP生產排程模塊的困境與解決方式

1.當前家紡行業ERP在生產排程方面的不足

MRP與基于MRP的ERP系統為什么不能滿足要求呢?主要是連續的流程而不是同步的;對生產、儲存和運輸能力沒有限制;沒有優化功能;缺乏能力決策支持功能;事件不能觸發重新計劃。

如在MRP中完成一個計劃循環將涉及一些連續的、耗時的和需要人工參與的流程，它們所尋求的是可行的、但并非最佳的解決方案。生成物料計劃是為了確定合適的物料、合適的數量以及合適的訂單期限。但對能力沒有限制。MRP系統所假定的情況是，無論采購、運輸、儲存和加工環節需要多少資源，物料都應按需供應。

粗略能力計劃和能力需求計劃是根據可用能力來檢查與物料需求計劃相關聯的工作負荷。存在的問題則由能力計劃來顯示說明。沒有用于解決能力失衡的決策支持。人工調整物料計劃要求有相當的經驗和判斷能力。調整物料計劃可以消除一個生產瓶頸問題，但又會引起另一個的瓶頸問題，因此，這就需要再次運行物料和能力需求計劃。通常，在這一連續且不斷重復的流程使資源接近最佳利用狀態之前，就會耗費大量的時間，而人們的耐性也會喪失殆盡。傳統的MRP系統視野過于狹窄，計劃很少能跨部門，跨企業的。

2.新的基于智能優化算法的排程系統

進化計算方法是一類模擬生物進化過程的隨機搜索方法，其主要包括遺傳算法、進化策略、進化規劃和遺傳規劃等基于進化計算方法等智能優化算法的排程系統具有對生產、儲存和運輸能力沒有限制，具有實時優化功能，根據實際情況實時觸發新的排程的特點，能有效地克服當前基于MRP的家紡行業ERP在車間級排程的不足。

三、家紡布藝織造排程系統總體框架設計

家紡布藝織造排程系統總體框架如圖2;

1. 調度總控模塊

該模塊通過與用戶進行交互(包括選擇布藝織造排程任務范圍、確定排程目標及不同類型訂單的排程要求等)，調用多類智能優化排程算法以實現不同生產模式下的作業計劃優化制定和動態調整。

2.布藝生產可視化建模模塊

通過該模塊，可對布藝生產作業計劃制定過程所需的各基本要素(如加工機器、工藝路徑和工藝約束等)進行可視化建模，以支持布藝織造排程算法的作業計劃制定。

3.布藝生產作業計劃智能制定摸塊

該模塊根據調度總控所設置的算法相關參數(排程任務范圍、排程目標及其他排程要求等)，通過調用適應于不同生產模式復雜制造過程的智能決策方法庫中的相關智能優化算法，進行各級生產作業計劃的優化制定;同時，在發生不確定事件(如訂單插人/更改/刪除、工藝變更、機器故障、質量事故和原料短缺等)及發生訂單拖期時，該模塊可通過布藝織造排程功能實現對作業計劃的自動調整，從而有效提高企業在異常事件發生時對作業計劃的干預與管理能力。

4.布藝織造排程仿真摸塊

該模塊在考慮訂單交貨期、工藝約束、訂單/機器狀況和原料供應狀況等因素的前提下，通過進行各工序的仿真，以模擬給定生產周期內制造過程各主要工序的作業過程，從而有效評價布藝織造排程系統所產生各級作業計劃的優劣(通過準時交單率和平均制造周期等多項指標評價)，為全局調度層和車間/工序作業調度層作業計劃的優化制定提供有效的支撐平臺。

5. 布藝作業計劃管理模塊

該模塊接收作業計劃智能制定模塊所輸出的(多個)作業計劃，并以表格和圖形等多種形式展示給用戶，以供用戶分析各個作業計劃性能的優劣并對其做出修改，最終將用戶調整后的作業計劃進行下發。

6. 布藝生產約束庫模塊

實際制造過程中具有多種與排程問題相關的不同類型的約束，該類約束對調度性能有重要影響。該模塊實現對上述約束的統一建模、維護和存儲功能，以供作業計劃智能制定模塊調用。

7.布藝生產規則庫模塊

家紡布藝生產企業在長期生產實踐中往往會積累一些符合自身生產管理特點的行之有效的排程規則，在排程系統中引人這些排程規則，將會對提高排程效果起到很好的作用。在實際布藝生產企業的作業計劃制定過程中，該模塊可實現對各類排程規則的統一建模、維護和存儲功能，供作業計劃制定模塊調用，以使作業計劃更好地滿足企業生產管理的需求。

8. 統計分析與預測模塊

在以人機交互方式制定或調整作業計劃時，常需查詢部分相關系統(如設備管理、作業跟蹤和質量管理等)中有助于進行作業計劃制定的設備、作業進度和質量等信息，本模塊可根據實際制造企業作業計劃制定過程的需要，提供對上述相關信息的查詢功能。同時，通過該模塊可預估指定時間范圍內的產能、負載、原料和人力需求，并以條狀圖和餅圖等形式顯示，以有效輔助企業的原料、庫存、機器維修和人力管理等部門制定適應生產需要的相關計劃，同時可預估新接訂單的加工完成日期及新接訂單對原有作業計劃的影響，并可預估符合生產要求的外協任務發放時間及接收時間，從而確保制造過程的高效運行，并為銷售和外協等相關部門提供有效的決策支持。

9. 表示層與圖形用戶界面

體系框架圖中家紡布藝織造智能排程系統以外的基本上屬于ERP的功能范疇，但是排程系統的表示層相對于傳統的ERP圖形用戶界面有其特別之處。用戶界面是系統的一個重要部分。這些界面設計是否合理往往決定了系統是不是會被使用。大多數用戶界面都使用窗口和圖形。用戶經常會希望同時看到兩個或更多的信息源。這不僅有存儲在數據庫中的靜態數據，也有依賴于調度的動態數據。

排程生成模塊可以提供給用戶一系列的計算方法和算法。在排程生成模塊中這些方法庫需要它自己的用戶界面，從而使得排程人員選擇合適的算法甚至去設計整個新的方法。

用來顯示排程信息的用戶界面有很多種不同的形式。排程操作的界面決定了系統的基本性質，這是因為生產排程人員經常使用這些界面。排程操作界面的形式依賴于詳細程度和考慮的排程時間范圍。下面詳細描述了4種這樣的界面，它們是:

(1) 甘特圖界面;

(2)分配列表界面;

(3)能力桶界面;

(4) 生產量圖界面。

第1種顯示排程信息的用戶界面是甘特圖，它是最流行的排程操作界面的形式。甘特圖通常由水平條圖表構成的，它的x軸表示時間，y軸表示各種布藝生產設備。顏色和(或)模式代碼可以用來表示特征或是相應工作的屬性。甘特圖的優點是直觀、明了，但是也有缺點，特別是有很多的機器和工作的時候。確定哪個方塊或矩形對應哪項工作是非常困難的。由于屏幕大小有限，為每一項工作所對應的方塊分配一個數字也是不可能的。甘特圖界面經常提供在一個方塊上單擊鼠標然后打開顯示詳細信息窗口的能力。

第2種顯示排程信息的用戶界面形式是分配列表界面。排程人員經常希望看到在每臺機器上的工作表單，它們是以加工順序排列的。有了這種形式的界面，排程人員也希望擁有修改的能力。那就是，他們希望改變工作在某臺機器上的執行順序，或者將工作從一臺機器上移到另一臺機器上。這種形式的界面沒有甘特圖所具有的缺點，因為工作和它的代號一起被列出來，排程人員準確地知道工作所處的位置。如果排程人員需要了解更多的工作屬性(例如加工時間、工期、在現行調度下的完成時間等)，那么一個或多個欄可以加入到工作序號欄后面，每個欄包含一個屬性。分配列表界面的缺點是排程人員對排程與時間的關系沒有一個直觀的了解。用戶也許不能直接看出哪一項工作是最后完成的，哪一個機器是最空閑的，等等。

用戶界面的第3種形式是能力桶界面。時間軸被劃分成很多時間槽或桶。桶可以是天、星期或月。對每一臺機器而言，一個桶的處理能力是已知的。在一定的排程環境中，可以通過在一定時間段內將工作分配給機器的方式來生成調度表。當這樣的分配完成后，能力桶界面顯示在每個時間段每臺機器可用加工能力的百分比。如果排程人員看到一臺機器在某個給定的時間段內過度使用，他就會知道在相應桶中的工作應該重新進行排程。能力桶界面與甘特圖界面在某種意義上是可以對照的。一個甘特圖顯示的是延遲的工作數量及其相應的滯后量。延遲工作的數量和總滯后時間量就表明了加工能力的不足。因此當有限的工作(20或30)時，甘特圖可以很好地表明短期內(幾天或幾周)可用的加工能力。當排程人員進行中長期計劃時，能力桶是有用的。桶的大小可以是1周或1個月，同時總周期涵蓋3或4個月。當然，能力桶是一種比較粗略的信息表達形式，因為它們沒有顯示哪些工作按時完成，哪些延遲。

用戶界面的第4種形式是輸人-輸出圖或生產量圖界面，它在基于庫存的生產中較常用。這些圖描述了隨時間累積接收到的訂單總量、生產總量和發貨總量。在任何一個時間點的前兩條曲線的差是等待處理的訂單數量，而第二和第三條曲線的差等于庫存中的成品總量。這種類型的界面既沒有確定延遲工作的數量，也沒有確定它們相應的滯后量。而它提供給排程人員的是關于機器利用率和在制品的信息。

四、 家紡布藝織造基本排程步驟

布藝織造排程的特點是要考慮多種班次，班次例外，假日，資源再分配(由于沖突)，拆分及重疊工序。

其中，排程系統的主要投入要素是:物料、工藝路徑、生產訂單、班次、班次例外、資源、資源組、假日、規則。排程系統的主要產出要素是:數據、排程跟蹤日志、派工。

其中錄入的關鍵數據主要來自于企業的ERP系統，因此在實施排程系統前，紡織企業應當已經有一套順利運行的成熟的ERP系統，這是布藝織造企業實施基于智能優化算法的高級計劃排程系統的前提。

五、結束語

本文基于家紡布藝制造流程的特點以及當前家紡行業信息化建設的狀況，提出了基于現代智能優化算法和高級計劃排程的布藝織造排程系統，探討了基于MRP家紡布藝織造ERP生產排程模塊的困境與解決方式。進一步提出了家紡布藝織造排程系統總體框架設計以及家紡布藝生產排程的基本步驟。

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