黃澤慧,閆秀霞
(山東理工大學(xué) 商學(xué)院,山東 淄博 255012)
隨著人們生活水平的不斷提高,消費(fèi)越來越多樣化,對(duì)產(chǎn)品的個(gè)性化要求也越來越突出,這就給制造型企業(yè)帶來了挑戰(zhàn),需要制造型企業(yè)轉(zhuǎn)變生產(chǎn)組織模式,以多批量小訂單的方式滿足顧客的定制化需求.就制造型企業(yè)轉(zhuǎn)變生產(chǎn)方式的現(xiàn)狀來看,最大的瓶頸是生產(chǎn)計(jì)劃的確定與控制,即排產(chǎn)問題,為此,國(guó)內(nèi)外有大量文獻(xiàn)對(duì)排產(chǎn)問題進(jìn)行了研究.本文通過梳理排產(chǎn)研究的現(xiàn)有文獻(xiàn),對(duì)制造型企業(yè)排產(chǎn)研究方法進(jìn)行綜述,并通過對(duì)現(xiàn)有研究方法的對(duì)比,為排產(chǎn)研究提出未來的方向.
所謂排產(chǎn),是根據(jù)主生產(chǎn)計(jì)劃所作出的短期計(jì)劃安排,通過合理調(diào)配生產(chǎn)資源,確定產(chǎn)品每一道工序的開始日期和完成日期,保證各生產(chǎn)環(huán)節(jié)、各工作地協(xié)調(diào)進(jìn)行,以達(dá)到訂單的生產(chǎn)能夠滿足交貨日期需要的目標(biāo).作為主要向市場(chǎng)提供產(chǎn)品的制造型企業(yè)而言,其排產(chǎn)決策主要涉及以下幾個(gè)方面:
(1)生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù),即處理單元和生產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)能力、設(shè)施條件,設(shè)備間連接等;
(2)生產(chǎn)訂單的詳細(xì)信息,包括訂單數(shù)量、加工時(shí)間、設(shè)施要求、交貨期等;
(3)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝路線,包括工序次序、工作中心號(hào)、準(zhǔn)備時(shí)間、加工時(shí)間等;
(4)生產(chǎn)成本控制,包括對(duì)原材料成本、設(shè)備和設(shè)備安裝成本、清潔成本、勞動(dòng)力成本等的控制;
(5)排產(chǎn)目標(biāo)是根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)和詳細(xì)的訂單信息,在允許的成本范圍內(nèi),達(dá)到生產(chǎn)產(chǎn)品的總完工時(shí)間、提前交貨時(shí)間、延遲交貨時(shí)間最小;或者以總成本最小為目標(biāo).
針對(duì)上述排產(chǎn)問題的幾個(gè)方面,怎樣根據(jù)生產(chǎn)的基本信息,對(duì)有限的資源進(jìn)行分配,以使生產(chǎn)達(dá)到預(yù)定的排產(chǎn)目標(biāo),這就是排產(chǎn)方法問題.需要根據(jù)不同的排產(chǎn)問題,選擇恰當(dāng)?shù)呐女a(chǎn)方法,國(guó)內(nèi)外已有許多專家和學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究.
對(duì)于生產(chǎn)排產(chǎn)問題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用了許多方法進(jìn)行了大量研究.歸納起來主要涉及到以下5個(gè)方面的問題
排產(chǎn)中的生產(chǎn)設(shè)備約束涉及機(jī)器生產(chǎn)能力、機(jī)器維護(hù)維修、生產(chǎn)設(shè)備連接等方面.其中機(jī)器生產(chǎn)能力是指在企業(yè)的計(jì)劃期內(nèi),在既定的組織技術(shù)條件下,參與生產(chǎn)的機(jī)器設(shè)備所能生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量.機(jī)器生產(chǎn)能力是反應(yīng)生產(chǎn)設(shè)備的一個(gè)重要技術(shù)參數(shù),為生產(chǎn)排產(chǎn)計(jì)劃提供重要的設(shè)備生產(chǎn)信息,以保證計(jì)劃能達(dá)到要求.而機(jī)器的維護(hù)維修是保證正常生產(chǎn)的另一個(gè)重要因素.不少學(xué)者對(duì)以生產(chǎn)設(shè)備能力為核心的排產(chǎn)問題進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[1-5]針對(duì)有機(jī)器維護(hù)的生產(chǎn)排產(chǎn)問題,分別提出采用遺傳算法(GA:genetic algorithm)、基于顯性基因的遺傳算法(GADG:genetic algorithm with dominant genes)、混合方法(GA和仿真結(jié)合)等來獲得最優(yōu)排產(chǎn)方案.文獻(xiàn)[6-7]研究了采用基于子索引基因的遺傳算法 (GASP:cenetic algorithm with sub-indexed partitioning genes)和兩階段的啟發(fā)式方法解決平行機(jī)器間的生產(chǎn)排產(chǎn)問題.文獻(xiàn)[8]提出采用有禁忌搜索的螞蟻系統(tǒng)優(yōu)化啟發(fā)式方法獲得多機(jī)器的柔性作業(yè)車間生產(chǎn)排產(chǎn)系統(tǒng)(FJSP)的最優(yōu)排產(chǎn)方案.文獻(xiàn)[9-10]針對(duì)有機(jī)器生產(chǎn)能力限制的排產(chǎn)問題,提出了采用分布式方法(DATC)和滾動(dòng)優(yōu)化方法(Rolling Horizon Method)的排產(chǎn)解決方案.文獻(xiàn)[11-14]針對(duì)有機(jī)器排產(chǎn)序列限制的排產(chǎn)問題,提出采用遺傳算法、分支界定方法、改進(jìn)遺傳算法等方法來獲得最優(yōu)排產(chǎn)方案.
生產(chǎn)訂單是企業(yè)生產(chǎn)排產(chǎn)的主要依據(jù),根據(jù)生產(chǎn)訂單可以獲得包括產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)量、加工時(shí)間、交貨期等基本信息.其中交貨期是制造型企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)排產(chǎn)的重要依據(jù),據(jù)此可以確定包括交貨提前、交貨延遲,以及總完工時(shí)間等有關(guān)排產(chǎn)問題的時(shí)間限制信息.許多專家和學(xué)者對(duì)以生產(chǎn)訂單的交貨期為核心的生產(chǎn)排產(chǎn)問題進(jìn)行了研究.
文獻(xiàn)[15-16]針對(duì)有交貨要求的排產(chǎn)問題,提出了采用非線性規(guī)劃和混合整數(shù)線性規(guī)劃方法尋找最優(yōu)排產(chǎn)方案的思路.文獻(xiàn)[17-21]對(duì)以生產(chǎn)訂單為核心的排產(chǎn)問題,提出了采用整數(shù)規(guī)劃、GA、混合改進(jìn)方法、自適應(yīng)退火遺傳算法(AAGA:adaptive annealing genetic algorithm)等方法尋找最優(yōu)排產(chǎn)方案的思路.文獻(xiàn)[22]采用混合整數(shù)線性規(guī)劃研究了多訂單環(huán)境下的車間生產(chǎn)排產(chǎn)問題.文獻(xiàn)[23-24]提出用遺傳算法(GA)解決基于提前和延誤的生產(chǎn)排產(chǎn)與計(jì)劃(ETPSP:earliness and tardiness production scheduling and planning)問題和擴(kuò)展的ETPSP問題.文獻(xiàn)[25-27]提出了采用遞階優(yōu)化解決以訂單為核心的中短期批量生產(chǎn)排產(chǎn)問題.
根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝路線,可以獲得產(chǎn)品生產(chǎn)的工序次序、加工準(zhǔn)備時(shí)間、產(chǎn)品加工時(shí)間等信息.對(duì)于工藝路線要求嚴(yán)格的產(chǎn)品,須研究其工序限制和時(shí)間依賴限制的約束,以更好地進(jìn)行生產(chǎn)排產(chǎn).根據(jù)工序依賴限制,文獻(xiàn)[28-37]提出采用啟發(fā)式方法、旅行商問題(TSP)方法、多式聯(lián)運(yùn)免疫方法、蟻群算法(ACO)、遺傳算法(GA)等人工智能方法研究該類生產(chǎn)排產(chǎn)問題.文獻(xiàn)[38-39]針對(duì)制造業(yè)生產(chǎn)工藝特點(diǎn),分別提出采用GA方法和變量鄰域搜索方法(VNS)來獲得最優(yōu)排產(chǎn)方案的思路.
生產(chǎn)成本包括原材料成本、設(shè)備和設(shè)備安裝成本、清潔成本、勞動(dòng)力成本等.生產(chǎn)成本控制就是有效分配現(xiàn)有資源,以解決資源與目標(biāo)的匹配問題,達(dá)到企業(yè)既定的排產(chǎn)目標(biāo).解決該類問題典型的優(yōu)化方法是數(shù)學(xué)規(guī)劃法,即將現(xiàn)有資源作為模型中的限制條件,以所確定的排產(chǎn)目標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù).
文獻(xiàn)[40-49]針對(duì)煤炭、汽車裝配、混流生產(chǎn)線、飲料生產(chǎn)、煉油等以生產(chǎn)成本控制為核心的企業(yè),在考慮生產(chǎn)成本和運(yùn)輸成本約束的條件下,分別提出了非線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃、混合整數(shù)規(guī)劃、混合整數(shù)線性規(guī)劃等排產(chǎn)方法,解決了以上企業(yè)的排產(chǎn)問題.文獻(xiàn)[50]通過將原油系統(tǒng)排產(chǎn)劃分為原油卸載、原油調(diào)合與傳輸、常減壓裝置進(jìn)料等子問題,提出采用遞階優(yōu)化方法,解決了原油系統(tǒng)的排產(chǎn)問題.文獻(xiàn)[51]針對(duì)成本驅(qū)動(dòng)的作業(yè)車間排產(chǎn)問題(JSSP:job-shop scheduling problem),提出將分散搜索和模擬退火算法相結(jié)合的混合排產(chǎn)方法.
排產(chǎn)所涉及的目標(biāo)多種多樣,一般包括總完工時(shí)間最小、提前交貨時(shí)間最小、延遲交貨時(shí)間最小以及總成本最小等目標(biāo).將這些目標(biāo)中的一個(gè)目標(biāo)作為排產(chǎn)目標(biāo)的稱作單目標(biāo)問題,而對(duì)多個(gè)目標(biāo)同時(shí)優(yōu)化的叫做多目標(biāo)問題.
針對(duì)多目標(biāo)的排產(chǎn)問題,不少學(xué)者進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[52]提出用禁忌搜索方法以獲得多個(gè)潛在有效的排產(chǎn)方案.文獻(xiàn)[53]針對(duì)多目標(biāo)聯(lián)合排產(chǎn)問題提出了多目標(biāo)模擬退火方法(MOSA)以更簡(jiǎn)單有效地解決多目標(biāo)問題.文獻(xiàn)[54]提出蟻群算法(ACO)研究有重復(fù)生產(chǎn)的多目標(biāo)排產(chǎn)問題.文獻(xiàn)[55]采用S-Gragh方法研究了多目標(biāo)批量生產(chǎn)排產(chǎn)問題.文獻(xiàn)[56-57]分別提出了采用基于禁忌搜索和局域搜索的混合粒子群優(yōu)化方法解決多目標(biāo)的JSSP問題.
通過對(duì)制造型企業(yè)生產(chǎn)排產(chǎn)問題及排產(chǎn)方法的綜述,不難發(fā)現(xiàn)常用的排產(chǎn)方法主要有數(shù)學(xué)規(guī)劃法、遞階優(yōu)化法、人工智能法、機(jī)會(huì)約束規(guī)劃、變鄰域搜索方法和滾動(dòng)優(yōu)化方法等.不同的方法有各自的特點(diǎn),其適用范圍也各不相同,在實(shí)際排產(chǎn)中需要對(duì)每種方法進(jìn)行分析,并針對(duì)所要解決的問題選擇恰當(dāng)?shù)姆椒ǎ源_保獲得最優(yōu)的排產(chǎn)方案.
數(shù)學(xué)規(guī)劃法就是根據(jù)提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料,建立有目標(biāo)函數(shù)和相關(guān)約束條件的數(shù)學(xué)模型.應(yīng)用于生產(chǎn)排產(chǎn)的數(shù)學(xué)規(guī)劃法有線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、整數(shù)規(guī)劃等數(shù)學(xué)規(guī)劃方法.
線性和非線性規(guī)劃主要應(yīng)用于研究有限資源的最佳分配問題,其優(yōu)點(diǎn)是可以處理多品種問題.其中應(yīng)注意的有兩點(diǎn):(1)該方法考慮的因素可能不全面,使得構(gòu)建的模型過于理想;(2)如果對(duì)目標(biāo)函數(shù)中的產(chǎn)品成本系數(shù)變量處理不當(dāng),會(huì)使獲得的排產(chǎn)方案可靠性降低.因此,線性和非線性規(guī)劃對(duì)解決原材料單一、生產(chǎn)過程穩(wěn)定不變、分解型生產(chǎn)類型的排產(chǎn)問題是十分有效的,如石油化工廠的排產(chǎn)問題等.
整數(shù)規(guī)劃要求部分決策變量必須取整,特別是在生產(chǎn)計(jì)劃和排產(chǎn)中,對(duì)機(jī)器臺(tái)數(shù)、所需員工人數(shù)等的取整,這就解決了許多不可分割變量不被分割的問題.同時(shí),整數(shù)規(guī)劃還可以描述和處理互斥行為,在不相容狀態(tài)下,通過分散模型的模式,加強(qiáng)了問題系統(tǒng)研究的集成性,這就使得整數(shù)規(guī)劃比線性規(guī)劃有更廣泛的應(yīng)用空間.
無論整數(shù)規(guī)劃還是線性規(guī)劃都同屬于數(shù)學(xué)規(guī)劃法,該類方法能很好地解決資源約束與排產(chǎn)目標(biāo)的匹配問題,即能很好地處理基于訂單和成本控制的生產(chǎn)排產(chǎn)問題,其全局性好,應(yīng)用廣泛.但是該類方法是一種精確方法,要求對(duì)排產(chǎn)問題進(jìn)行統(tǒng)一建模,模型中某一變量的變化可能導(dǎo)致原來的算法不能獲得最優(yōu)解,最終使得求解的方案有較大變動(dòng).針對(duì)數(shù)學(xué)規(guī)劃方法的這一缺點(diǎn),可以引入靈敏度分析以獲得動(dòng)態(tài)變量發(fā)生變化時(shí)對(duì)最優(yōu)解的影響程度.但是對(duì)那些復(fù)雜多變的生產(chǎn)排產(chǎn)問題,使用單一的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法很難得到最優(yōu)的生產(chǎn)排產(chǎn)方案.
遞階優(yōu)化法適用于解決呈遞階結(jié)構(gòu)、多目標(biāo)的復(fù)雜問題,且效果明顯.因此該方法能有效解決按訂單生產(chǎn)和企業(yè)成本控制的排產(chǎn)問題.但是應(yīng)該注意的是對(duì)于兩級(jí)遞階優(yōu)化問題,下層解的不確定性會(huì)導(dǎo)致上層優(yōu)化問題也是不確定的,并且上層問題中不僅要確定上層決策變量,還要確定下層決策變量,從而造成更高的維數(shù),這使得對(duì)該模型獲得全局最優(yōu)解變得極為復(fù)雜.
一般的人工智能方法有遺傳算法(GA)、禁忌搜索(TS)、模擬退火(SAA)、蟻群算法(ACO)等,其中在解決排產(chǎn)問題中使用最多的是GA方法.
遺傳算法是解決搜索問題的一種通用算法,對(duì)于各種通用問題都可以使用.遺傳算法從問題解的串集開始搜索,而不是從單個(gè)解開始,因此其覆蓋面大,利于全局擇優(yōu);該方法采用不受細(xì)微約束的適應(yīng)度函數(shù)值評(píng)估個(gè)體,其定義域可以任意設(shè)定,這使得其應(yīng)用范圍更廣.但是在大規(guī)模問題上,遺傳算法的搜索空間大,花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng),容易出現(xiàn)早熟收斂情況.因此,遺傳算法適應(yīng)于解決較小規(guī)模的生產(chǎn)排產(chǎn)問題,對(duì)解決基于協(xié)調(diào)生產(chǎn)設(shè)備和交貨時(shí)間的生產(chǎn)排產(chǎn)問題效果明顯.
禁忌搜索是對(duì)人類思維過程本身的一種模擬,它通過對(duì)一些局部最優(yōu)解的禁忌達(dá)到接納一部分較差解,從而跳出局部搜索的目的,具有很強(qiáng)的“爬山”能力,是一種局部搜索能力很強(qiáng)的全局迭代尋優(yōu)算法.采用該方法可以獲得多個(gè)潛在較優(yōu)解,因此可以適用于解決多目標(biāo)的排產(chǎn)問題.
模擬退火算法是一種通用的概率演算法,即通過在一個(gè)大的搜尋空間內(nèi)搜索新問題的最優(yōu)解,具有多解性、最優(yōu)性、魯棒性、快速性等特點(diǎn).基于這些特點(diǎn),模擬退火算法在處理多目標(biāo)問題上更勝一籌,能有效解決多目標(biāo)生產(chǎn)排產(chǎn)問題.不足的是該方法對(duì)算法中各個(gè)參數(shù)的選擇比較困難,參數(shù)選擇不當(dāng)就無法獲得最優(yōu)解;同時(shí)隨著問題規(guī)模的擴(kuò)大,該方法獲得最優(yōu)解所需時(shí)間更多.
蟻群算法是一種用來在圖中尋找優(yōu)化路徑的機(jī)率型算法.該算法具有并行性、擴(kuò)充性、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),適用于解決多機(jī)器的生產(chǎn)排產(chǎn)問題.但是針對(duì)大規(guī)模復(fù)雜優(yōu)化問題,蟻群算法需要較長(zhǎng)的搜索時(shí)間,容易出現(xiàn)停滯和早熟收斂現(xiàn)象,如果與其他方法混合使用將獲得更好的效果.
除上述幾種常見排產(chǎn)方法外,用于解決排產(chǎn)問題的方法還包括機(jī)會(huì)約束規(guī)劃、旅行商問題、變鄰域搜索、滾動(dòng)優(yōu)化等.
機(jī)會(huì)約束規(guī)劃是指考慮到所做決策在不利的情況發(fā)生時(shí)可能不滿足約束條件而采用一種原則,即允許所做決策在一定程度上不滿足約束條件,但該決策使約束條件成立的概率不小于某一個(gè)足夠小的置信水平.因此該方法適用于處理不確定的生產(chǎn)排產(chǎn)問題,但必須確定這些不確定性問題發(fā)生的概率.
旅行商問題(TsP)是一個(gè)著名的組合優(yōu)化問題,即給定n個(gè)城市,有一個(gè)旅行商從某一城市出發(fā),訪問每個(gè)城市各一次后再同到原出發(fā)城市,要求找出的巡回路徑最短.因此在生產(chǎn)排產(chǎn)的應(yīng)用中,對(duì)于有工序要求的生產(chǎn)排產(chǎn)能夠有效獲得最優(yōu)方案.
變鄰域搜索(VNS)的基本思想是在搜索過程中系統(tǒng)地改變鄰域結(jié)構(gòu)集來拓展搜索范圍,獲得局部最優(yōu)解,再基于此局部最優(yōu)解重新系統(tǒng)地改變鄰域結(jié)構(gòu)集拓展搜索范圍找到另一個(gè)局部最優(yōu)解的過程.該方法具有參數(shù)少、魯棒性強(qiáng)、精確度高等特點(diǎn),適用于解決有工序限制的生產(chǎn)排產(chǎn)問題.但是VNS的鄰域結(jié)構(gòu)集的構(gòu)造、局部搜索設(shè)計(jì)和停止準(zhǔn)則的確定非常重要,如果選擇不當(dāng),則會(huì)影響VNS的全局收斂.
滾動(dòng)優(yōu)化與一般最優(yōu)控制不同,它不是一次將各時(shí)刻最優(yōu)控制都計(jì)算好,而是隨著采樣時(shí)刻的前進(jìn)反復(fù)地進(jìn)行優(yōu)化.故此方法適用于動(dòng)態(tài)的生產(chǎn)排產(chǎn)問題,特別是多產(chǎn)品生產(chǎn)的排產(chǎn)問題.不足的是因?yàn)樵摲椒ㄊ且环N實(shí)時(shí)優(yōu)化方法,因此在計(jì)劃排產(chǎn)時(shí)需要預(yù)測(cè)產(chǎn)品生產(chǎn)信息,易出現(xiàn)不確定性因素影響排產(chǎn)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的問題.
排產(chǎn)對(duì)制造業(yè)提高生產(chǎn)效率、充分利用資源、降低成本或?qū)崿F(xiàn)成本控制具有重要的意義.本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)制造型企業(yè)排產(chǎn)方法研究的基礎(chǔ)上,首先分析了制造型企業(yè)的一般排產(chǎn)問題,即涉及生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)、訂單詳情、產(chǎn)品工藝路線、成本控制和排產(chǎn)目標(biāo)等5個(gè)方面.然后針對(duì)如何整合設(shè)計(jì)排產(chǎn)問題的5個(gè)方面以達(dá)到企業(yè)目標(biāo),即排產(chǎn)方法的選擇問題,分別分析了常用的幾種排產(chǎn)方法.通過以上研究可知,數(shù)學(xué)規(guī)劃、遞階優(yōu)化、人工智能等方法有各自優(yōu)缺點(diǎn)和一定的使用范圍,基于此,以后的研究可以從以下幾方面入手:
(1)單個(gè)排產(chǎn)方法在研究問題時(shí)往往出現(xiàn)顧此失彼,將多個(gè)優(yōu)化方法組合使用是一個(gè)研究方向.例如將變鄰域搜索與模擬退火方法組合,解決有工序依賴的多目標(biāo)生產(chǎn)排產(chǎn)問題等.
(2)隨著資源約束和買方市場(chǎng)的深度發(fā)展,制造企業(yè)JIT生產(chǎn)和采購(gòu)模式是一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì),設(shè)計(jì)和開發(fā)適宜JIT模式的新型排產(chǎn)方法是另一個(gè)重要的研究方向.
(3)生產(chǎn)排產(chǎn)是依據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃做的具體短期計(jì)劃安排,而在做生產(chǎn)排產(chǎn)的時(shí)候常常會(huì)與生產(chǎn)計(jì)劃產(chǎn)生部分沖突,或者在現(xiàn)有資源條件下,獲得的生產(chǎn)排產(chǎn)方案無法達(dá)到生產(chǎn)計(jì)劃的要求,因此在設(shè)計(jì)生產(chǎn)計(jì)劃排產(chǎn)方法時(shí),綜合考慮其可擴(kuò)展性,建立智能決策支持系統(tǒng)又是一個(gè)重要的研究方向.
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