一種基于單元化制造及時間任務總線的計劃調度模式構建

王獻紅　史國權

1.長春理工大學,長春,130022　　2.長春軌道客車股份有限公司,長春,130062

一種基于單元化制造及時間任務總線的計劃調度模式構建

王獻紅1,2史國權1

1.長春理工大學,長春,1300222.長春軌道客車股份有限公司,長春,130062

為解決目前大多數離散制造型企業的計劃調度模式存在計劃調度多層級、生產管理結構呈金字塔型、生產管理復雜且對市場需求反應能力不強、難以滿足市場需要等問題，針對普遍存在的典型制造過程提出了一種新型的基于時間任務總線概念的計劃調度模型及計劃調度集成優化模型。模型在企業實際應用后的數據統計分析充分驗證了該方法先進可行。

單元化制造；時間任務總線；計劃調度模型；集成優化模型

0　引言

傳統的計劃調度體系一般都是基于制造資源計劃[1](manufacturing resource planning ,MRPⅡ)思想開展的。制造資源計劃按著預先制定的提前期，用所謂的無限能力排產的辦法編制作業計劃，這種方法屬于遞階式分解結構[2]，所有計劃從頂到底層層安排。它的優勢是中長期計劃能力，它特別注重前期規劃，用盡可能周密的計劃集中安排各環節的人、物料、設備、場地以及生產加工，生產調度工作主要是減少計劃執行過程中的異常[2]。事實上，由于提前期、批量參數等已預先靜態設置，系統能力約束、資源配置情況、各種干擾因素的隨機出現，會導致生產作業計劃的執行與原計劃出現偏差，有時甚至偏差很大，計劃調整時會出現層層重排的情況。結合企業的組織結構優勢和產品特點優勢構建更加符合企業狀況的計劃調度模式[3]是非常有意義的研究課題[4]。在傳統的MRPⅡ體系結構下，產品的全部工件制造的工藝路線流經相關各個車間、班組，各車間、班組依據流經自己的全部工件工序形成自己的車間級工作包和班組級工作包，對各工件而言，工藝路線規定了加工該工件的具體設備配置，工藝路線的制定并未按基于成組技術[2]的單元化制造[2]原則來安排。在傳統MRPⅡ計劃體系結構下，調度工作的功能是保證計劃的執行[5]，并不能在特定的單元系統內進行作業計劃的詳細科學安排。基于以MRPⅡ為基礎的傳統計劃調度模式在實際生產過程中表現出的計劃調度多層級、生產管理結構呈金字塔型、生產管理復雜且對市場需求反應能力不強、難以滿足市場需要等問題局限性與缺點，本文以“一類典型制造過程”為背景，提出了一種新型的基于單元化制造思想及時間任務總線概念的計劃調度模式。

1　“一類典型制造過程”的內涵

長春軌道客車股份有限公司轉向架產品生產制造過程是典型的離散制造類型，同時又是多品種小批量類型，始終有多個型號的產品混線生產。生產安排是指每天裝配幾個型號數量不同的產品，在不同的日期所裝配的產品比例可能是變化的。該產品制造企業是專業生產單位，只生產該產品系列，該產品系列單獨銷售，交貨期非常重要。企業的產品系列是密切相關類產品，屬于相似度很高的產品系列。產品系列是一類相對復雜的產品，由很多種零件集成裝配而成，零件大量自制。我們可以將以上產品系列生產制造的實際情況典型化為以下生產背景模型：①系統有多個同類但不同型號的復雜產品，產品的相似程度較高；②裝配工位每日裝配交出何種產品型號組合取決于市場訂單需要，可以定義為期初排定；③每個型號產品均可視為標準產品，其零件構成是確定的；④裝配工序為典型的“點式裝配”，即一個產品只需一個“點式裝配臺位”即可，沒有流水要求，裝配工序不受場地、人員、設備限制，裝配周期在一天內即可完成，交貨期能否滿足需要只取決于裝配工序之前的零件是否能夠準時到達；⑤產品裝配場地幾乎每天都有多個型號的產品在同時裝配。

2　單元化組織結構

企業的生產組織機構含有生產部、組裝車間、多個零件機加工車間。零件機加工車間含有生產線制造單元若干、非生產線制造單元若干，不同的制造單元承擔不同種類的零件加工，制造單元一旦構建完成后在相當長時間內保持不變，可以視為固定的[6]。不同型號產品的相似零件在一個或多個制造單元內完成，同一個制造單元承擔不同型號產品的相似零件的同種加工工序。

3　時間任務總線計劃調度模型

時間任務總線的構成要素分為日期刻度及裝配交付任務集合，日期刻度與裝配交付任務集合的一一對應及對應結果的連續輸出就構成了時間任務總線。

3.1生產背景模型

(1)以日期“天”為刻度連續構成時間任務總線時間軸。

(2)對任意一天D(i),有產品組裝交付任務集合M(i)與之對應，其中，i表示日期。

(3)M(i)≤M0表示在同一天最多裝配交付M0個標準產品，如果M(i)=0，則表示當日沒有裝配交付任務。

(4)M(i)=∑m(j)(i)·n(j)(i)，其中，m(j)(i)·n(j)(i)指第i天、第j種標準產品的數量，j=1,2,…；n(j)(i)≤M0；m(j)(i)=1表示1個第i天交付的第j種標準產品；n(j)(i)表示第i天交付第j種產品的數量。

(5)零件加工車間有零件加工生產線制造單元，即生產線L(r)個，其中r=1，2，…。

(6)零件加工車間有非生產線制造單元S(k)個，其中k=1，2，…。

(7)各生產線制造單元或各非生產線制造單元直接向裝配場地交付裝配所需零件或向庫房交付零件以補充安全庫存。

(8)單元之間可互為訂單客戶，但互為客戶零件的種類并不多。

(9)各型號產品總裝配工序所需各種零件需要在裝配交付日的早上被送到裝配場地。

(10)對任意產品m(j)而言，其工藝路線所經過的各制造單元是確定的，但各工件的各工序并未確定在哪個具體設備上加工。

(11)各標準產品m(j)的所屬工件盡可能少流經多個制造單元，且在一個工作日內零件只在一個單元內被加工。

(12)一個調度期可設為一天。

(13)對各生產線及非生產線制造單元而言，一天可以包括2個或3個標準生產班次。

(14)M(i)確定后根據改進的MRP任務分解器明確的工藝路線可以獲知次日各生產線及各非生產線制造單元所交付的零件，但該工藝路線并不明確各工序具體使用那臺設備，各工序可以使用具體哪種設備已知，對應的加工周期及成本確定。

(15)單元內的任務可在滿足工藝及設備能力的約束下自由調度。

(16)庫房只保留必要的各種型號產品零件的安全庫存量，以應對生產意外或流經多制造單元的零件相對于裝配工序需求的短缺。一般來說，在一個制造單元就可完成加工的零件的安全庫存量要少于流經多個制造單元的零件的安全庫存量，零件所流經的制造單元數量越多則安全庫存量越大。

3.2時間任務總線計劃調度模型

在上述背景模型條件下，通過計劃的分批、組批功能[7]提前或臨時向各工作日分配任務組合，時間任務總線只要按著日期刻度輸出標準產品的裝配交付任務集，系統就可以通過改進的MRP任務分解器向各生產線、各非生產線制造單元提出零件需求，這個前日需求在次日內即可獲得滿足。在這種模式下，盡管時間任務總線下達的任務組合具有離散隨機特征，但任務下達機制、調度機制變得簡單容易。市場需求有變時只要迅速調整時間任務總線上各工作日的任務組合即可迅速反映市場需求。各生產線、非生產線制造單元所獲得的計劃數據指令是相互協調匹配的，制造單元任務包形成原理簡單，計劃工作也變得非常簡單，調度工作與調度技術的應用就主要局限于生產線及非生產線制造單元內，調度工作的靈活性被挖掘出來，調度技術更有針對性，各單元內的調度技術可以不同。

一種新型的基于單元化制造模式及時間任務總線概念下的計劃調度模型如圖1所示。

圖1　基于單元化制造及時間任務總線的計劃調度模型圖

3.3時間任務總線計劃調度模型優勢

時間任務總線計劃調度模型優勢如下：①計劃更靈活、更扁平、更直接、能快速反映客戶需求；計劃由原來的深層、多級遞階結構，變化為一個簡單的配套結構。②調度在制造單元內更有實質性功能，針對性更強，技術使用靈活性更高。③制造單元對于裝配工序或制造單元間的生產協同的本質是供應鏈問題。任意一個單元的需求輸入或稱主驅動力來自于總裝配工序。

4　時間任務總線計劃調度集成優化模型

4.1優化模型

計劃層又叫分批層、計劃決策層，處于模型的上層。該計劃決策層的功能和任務是產生初始計劃并根據調度的結果進行判斷決策并調整，下達修訂調整后的計劃；調度層又稱落實執行層，處于模型的下層，該層的功能和任務是接受上層即計劃層的計劃數據并作為輸入數據在各個制造單元內部通過適當的算法形成作業計劃或稱調度方案，并檢查是否可行[8]。為了問題討論的方便，在此我們定義調度方案是否可行的衡量指標僅為生產周期在計劃時間內。由此上層即計劃層的計劃數據通過MRP任務分解器對各單元提出裝配工序的零件需求數據，該需求數據作為輸入數據傳輸到各條生產線及各非生產線單元，各單元通過相關的調度技術及適當的算法和相關計算形成作業計劃或稱調度方案，并檢查是否可行；上層即計劃層與下層即調度層之間可能要經過幾次的交互溝通協調，同時上層可能要有若干次的決策，決策的結果可能導致總線任務分布的調整。當然如果經驗豐富或處理得當，上下層之間交互溝通的次數及上層的決策次數會明顯減少。其具體的優化模型如圖2所示。

圖2　時間任務總線計劃調度集成優化模型圖

4.2優化模型優勢

(1)上層即計劃層的分批、組批功能容易實現，計劃下達簡單。傳統的遞階分解結構計劃方式存在計劃分解層次太多、太復雜，計劃過程很難考慮調度層面的弊端。計劃下達由金字塔的多層方式變為扁平化的分批級及調度級的二級方式，使問題變得非常簡單。

(2)調度層面有很好的彈性空間。計劃層面只負責將任務分配到制造單元或生產線內即可，而并不對制造單元內部或生產線內部進行具體排產，這就為單元內或生產線內部靈活選擇作業計劃及調度技術提供了可能，調度工作在有針對性地建模、評價、算法選擇設計等方面獲得了發揮的空間。

(3)實現了計劃層面與調度層面直接交互協調、多次協調。既可以實現互動優化，又可以根據決策者的決策思路有彈性地調節上下層關系，既有相互優化的驅動機制，也有相互間的妥協機制。

(4)高度仿真性質。這種集成優化模型模擬了先進管理實際情況。計劃層分批工作多采用經驗人工的方法與建模計算方法相結合，如此更能適應計劃的特殊性，如合同交貨期的不均衡性、市場需求的多變性、某些特定經營性的需求等。調度執行層可以很好地利用建模技術、評價函數、算法選擇與設計等技術進行具體作業排產，根據作業排產績效由計劃層進行決策。因此該模型體現了敏捷制造、管理模式扁平化等思想。

5　實際應用

某高速動車組輪對制造企業應用本文思路對其生產組織模式進行了變革，對其計劃調度體系進行了重構和集成優化。輪對是高速動車組轉向架的核心總成部件，其制造技術作為高速動車組核心技術之一，具有加工精度高，制作工藝較為復雜等特點。鑒于生產組織模式的復雜性我們選擇通過對變革前后的數據統計分析對比來驗證本文所提模式的優越性，如表1所示。通過所得數據可知，生產模式改變后由于計劃鏈的縮短，調度層級的減少，計劃下達生效時間的縮短，產能有了較大的提升，準時交付率及計劃兌現率有較大提高，極大地縮短了加班生產時間，明顯看到該企業生產效率的提升具有了質的飛躍。

表1變革前后的數據統計分析對比表

6　結語

本文首先對一類典型的制造過程進行了分析，并建立了該制造過程的描述模型，在單元化制造思想的基礎上提出了一種基于時間任務總線概念的新的計劃調度模型及計劃調度集成優化模型。最后對某高速動車組輪對制造企業生產組織模式進行了實驗驗證。實驗前后統計數據的對比分析證明了本文所提模式的優越性，對解決該類生產制造企業的生產調度問題具有普遍的指導意義。

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(編輯王艷麗)

Construction of a Planning and Dispatching Model Based on Cellular Manufacturing and Time Task Bus

Wang Xianhong1,2Shi Guoquan1

1.Changchun University of Science and Technology,Changchun,130022 2.Changchun Railway Vehicles Co. Ltd.,Changchun,130062

Nowadays, a large amount of problems existing in most of the discrete manufacturers cannot be solved, such as redundant multiple planning and dispatching in each levels, pyramid production management structure, even more complex production management, weak capacity of reaction to the market demands and difficulty in meeting the market demands, etc. In order to resolve the problems existing in the typical manufacturing process above, a new planning and dispatching model and an integration and optimization model based on the concept of time task bus were creatively presented herein. The statistics data analyzed from the applications in the enterprises validated the feasibility of the method.

cellular manufacturing; time task bus; planning and dispatching model; integration and optimization model

2013-07-10

“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2011BAG05B00)

TP278DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.05.012

王獻紅，男，1966年生。長春理工大學機電工程學院博士研究生，長春軌道客車股份有限公司高級工程師。主要研究方向為生產管理與物流管理。史國權，男，1965年生。長春理工大學副校長、機電工程學院教授、博士研究生導師。