一類FJS生產計劃與調度集成機制的研究

杜麗婕　王艷紅

【摘 要】在制造車間復雜的生產模式下，綜合考慮客戶需求變化、機器生產能力限制及設備利用效率等作用因素，研究了問題規劃、集成方法和方法策略分析這三方面的基礎上，提出一種以整體方法為建模策略，整體求解模式與集成求解模式為求解策略的集成機制。這一集成機制使得柔性作業車間生產計劃與調度的建模與求解更能符合實際生產。

【關鍵詞】計劃與調度；集成機制；集成方法

中圖分類號： TH186 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）09-0142-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.09.066

The research for integrated mechanism of production planning and scheduling for a kind of Flexible Job-shop

DU Li-jie WANG Yan-hong

（School of Information Science and Engineering，Shenyang University of Technology， Shenyang， Liaoning 110870，China）

【Abstract】Under the complex production mode of manufacturing workshop，considering factors such as customer demand change，machine productivity limitation and equipment utilization efficiency，studying the three aspects of problem planning，integration method and strategy analysis，an integrated mechanism is proposed based on the whole approach as modeling strategy，the whole solution mode and the integrated solution mode as solving strategy.It makes the modeling and solving of the production planning and scheduling in the flexible job-shop more consistent with the actual production.

【Key words】Planning and scheduling；Integrated mechanism；Integrated method

0 引言

隨著制造車間的復雜化，生產計劃與調度作為企業運營管理的兩大核心問題，一直為企業管理者所重視。生產計劃是確定生產什么及生產批量是多少的過程；調度則是確定各工件各工序安排在什么時間的哪些機器上進行生產的過程[1]。很明顯，兩問題之間存在著密切的關聯性。特別是在復雜度較高的柔性作業車間（FJS）下，為制定更合理的生產目標與切實準確的調度排產，應將計劃問題與調度問題集成處置。然而，解決計劃與調度集成問題的首要任務是確定恰當的集成機制。

1 問題描述與分析

1.1 問題描述

本文所探討的集成機制是在當前復雜的FJS生產環境下，為制定出切實可行的運營生產規劃，考慮客戶需求變化、機器生產能力限制及設備利用效率等作用因素，研究一類生產計劃與調度集成問題的集成優化機制，從而搭建集成優化問題的數學模型，最終實現降低生產總費用，縮短總生產時間，提高資源利用率的優化目標。

1.2 問題分析

集成優化研究是一類NP-hard問題，而FJS環境下的此類集成問題研究難度更是大幅增加。事實上，對于該類問題的處理一般包括以下關鍵步驟：集成機制、集成建模、求解算法和算例運行。可見，集成機制是求解集成優化問題的首要任務。這里所涉及的集成機制是采用何種思想方式來實現計劃與調度問題的協同優化建模，即是對實際集成優化問題進行數學模型數量化的一種轉化思想和策略，從而得到更加合理的數學模型，并應用于后續求解。因此，為提出具體問題的集成機制，需要進行問題規劃、集成方法和方法策略分析這三方面的研究。

2 問題規劃

問題規劃的本質是將計劃問題與調度問題進行綜合分析、協同求解。“分而治之”地處理兩問題會造成制定的計劃目標不可行；而不考慮計劃需求的調度執行可能造成完工期的拖延、生產相關總費用過高等。因此，以集成方式進行問題的協同優化，則要考慮計劃問題的核心——計劃目標、生產平衡原則和目標需求原則，調度問題的核心——調度目標、工件工序排序原則、機器加工順序原則和機器生產能力原則以及FJS問題的核心——機器可選原則、加工工位唯一原則和工序狀態唯一原則。

3 集成方法

3.1 概述與分類

集成方法是在問題規劃后，對所提出集成機制的一種方法化的歸納與提煉，從而使得理論化的集成機制得以具體化，便于后續建模對思想機制的應用實現。

對于生產計劃與調度集成問題在優化方法方面的成果，可將其分成兩大類：一類是遞階方法[2]，另一類是整體方法[1]。前者借鑒一種求解集成問題時遞階分解的思想，具體建模機制是先將待研究問題分為計劃層與調度層，進行分層規劃，再將各層次的規劃過程構成一個迭代優化的閉環，進一步循環協調，最終得到綜合考慮計劃作用因素與調度作用因素的可行優化方案。后者則是為滿足集成處理的需求應運而生的一種整體優化思想，具體機制是在構建問題模型時同步包含計劃問題約束與調度問題約束，而完成求解的過程可針對性采用不同的算法以求得優化后的方案。若求解時，同時處理兩問題的約束，即稱為整體求解模式；若利用分解技術或迭代方法，即稱為集成求解模式。

3.2 方法策略分析

3.2.1 遞階方法

由遞階方法的建模機制，可得其優點是思想結構較簡單，易實現，大大降低了求解過程的復雜度。Sikora R等探究了一類多機flowshop環境的集成問題，其遞階求解過程：先分別處理各問題模塊，再將測試模塊作為反饋環[3]。Riane F對hybrid flowshop的集成問題深入研究，提出了一種兩階段決策支持系統，該系統采用遞階方法，具體如下：（1）將計劃與調度分解；（2）進一步將計劃與調度構成閉環或反饋機制[2]。

然而，FJS環境的靈活性使得其集成問題具有較強復雜性，目前還沒有成果利用該方法完成最終求解。可見，隨著復雜生產車間的普遍應用，將遞階方法獨立作為求解集成問題的建模機制的研究意義不大。

3.2.2 整體方法

以整體優化為機制的整體方法，保證了集成解的可行性。其優勢在于可以處理規模大或層次復雜的問題，但求解過程較有難度。對利用該方法機制的成果進行總結：（1）研究集成問題的多采用整體方法作為建模機制，并利用集成求解模式[4-5]。（2）隨著計算處理能力的提高，Zhang X D則在集成方法的基礎上，采用整體求解模式進行問題機制與途徑的深層探索[6]。其目的是找到更準確表述問題、更精確化處理問題的思想與手段。綜上所述，整體方法的建模機制具有更廣闊的研究前景。

4 集成機制

由前文問題規劃、集成方法、方法策略分析這三方面的研究，可知，本文所研究的FJS的集成問題綜合考慮了客戶需求變化、機器能力限制及生產效率等關鍵因素，制定計劃與調度協同優化目標，在最小化總費用的同時縮短過程時間，提出將整體方法作為建模策略，對各層次作用因素進行模型上的融合；在求解策略上，吸取整體求解模式與集成求解模式的優點，以整體思想為求解主體，迭代反饋為輔助調整，進行求解思路的實現。以上建模策略與求解策略一并作為生產計劃與調度問題的集成機制，據此進行后期數量關系建模與求解思路的算法實現，最終為生產計劃與調度提供科學的輔助決策信息，使生產運營管理更加科學化、高效化、可控化。

5 結論

本文對FJS的批量計劃與調度集成問題進行了全過程分析。首先從問題描述與分析入手，緊接著對批量計劃與調度的任務進行了集成規劃。然后對集成方法策略進行了全面深刻的總結，分析兩方法的各自優缺點。最后提出了一種將整體方法作為建模策略，以整體求解模式與集成求解模式共同作為求解策略的集成問題機制，為復雜車間的集成問題提供一種新穎、可執行的求解思路。

【參考文獻】

[1]安玉偉，嚴洪森.柔性作業車間生產計劃與調度集成優化求解策略[J].自動化學報， 2013， 39（9）：1476-1491.

[2]Riane F， Artiba A， Iassinovski S. An integrated production planning and scheduling system for hybrid flowshop organizations[J]. International Journal of Production Economics， 2001， 74（1–3）：33-48.

[3]Sikora R， Chhajed D， Shaw M J. Integrating the lot-sizing and sequencing decisions for scheduling a capacitated flow line[J].Computers & Industrial Engineering， 1996， 30（4）：659-679.

[4]Lasserre J B. An integrated model for job-shop planning and scheduling. Management Science， 1992， 38（8）： 1201-1211.

[5]Urrutia EDG， Aggoune R， Dauzère-Pérères S （2014） Solving the integrated lot-sizing and job-shop scheduling problem. Int J Prod Res 17（52）：5236-5254.

[6]Zhang X D， Yan H S. Integrated optimization of production planning and scheduling for a kind of job-shop. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2005， 26（7-8）： 876-886.