一類(lèi)FJS生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度集成機(jī)制的研究

杜麗婕　王艷紅

【摘 要】在制造車(chē)間復(fù)雜的生產(chǎn)模式下，綜合考慮客戶(hù)需求變化、機(jī)器生產(chǎn)能力限制及設(shè)備利用效率等作用因素，研究了問(wèn)題規(guī)劃、集成方法和方法策略分析這三方面的基礎(chǔ)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(jī)制。這一集成機(jī)制使得柔性作業(yè)車(chē)間生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度的建模與求解更能符合實(shí)際生產(chǎn)。

【關(guān)鍵詞】計(jì)劃與調(diào)度；集成機(jī)制；集成方法

中圖分類(lèi)號(hào)： TH186 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(chē)間的復(fù)雜化，生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度作為企業(yè)運(yùn)營(yíng)管理的兩大核心問(wèn)題，一直為企業(yè)管理者所重視。生產(chǎn)計(jì)劃是確定生產(chǎn)什么及生產(chǎn)批量是多少的過(guò)程；調(diào)度則是確定各工件各工序安排在什么時(shí)間的哪些機(jī)器上進(jìn)行生產(chǎn)的過(guò)程[1]。很明顯，兩問(wèn)題之間存在著密切的關(guān)聯(lián)性。特別是在復(fù)雜度較高的柔性作業(yè)車(chē)間（FJS）下，為制定更合理的生產(chǎn)目標(biāo)與切實(shí)準(zhǔn)確的調(diào)度排產(chǎn)，應(yīng)將計(jì)劃問(wèn)題與調(diào)度問(wèn)題集成處置。然而，解決計(jì)劃與調(diào)度集成問(wèn)題的首要任務(wù)是確定恰當(dāng)?shù)募蓹C(jī)制。

1 問(wèn)題描述與分析

1.1 問(wèn)題描述

本文所探討的集成機(jī)制是在當(dāng)前復(fù)雜的FJS生產(chǎn)環(huán)境下，為制定出切實(shí)可行的運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)規(guī)劃，考慮客戶(hù)需求變化、機(jī)器生產(chǎn)能力限制及設(shè)備利用效率等作用因素，研究一類(lèi)生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度集成問(wèn)題的集成優(yōu)化機(jī)制，從而搭建集成優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，最終實(shí)現(xiàn)降低生產(chǎn)總費(fèi)用，縮短總生產(chǎn)時(shí)間，提高資源利用率的優(yōu)化目標(biāo)。

1.2 問(wèn)題分析

集成優(yōu)化研究是一類(lèi)NP-hard問(wèn)題，而FJS環(huán)境下的此類(lèi)集成問(wèn)題研究難度更是大幅增加。事實(shí)上，對(duì)于該類(lèi)問(wèn)題的處理一般包括以下關(guān)鍵步驟：集成機(jī)制、集成建模、求解算法和算例運(yùn)行。可見(jiàn)，集成機(jī)制是求解集成優(yōu)化問(wèn)題的首要任務(wù)。這里所涉及的集成機(jī)制是采用何種思想方式來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)劃與調(diào)度問(wèn)題的協(xié)同優(yōu)化建模，即是對(duì)實(shí)際集成優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行數(shù)學(xué)模型數(shù)量化的一種轉(zhuǎn)化思想和策略，從而得到更加合理的數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用于后續(xù)求解。因此，為提出具體問(wèn)題的集成機(jī)制，需要進(jìn)行問(wèn)題規(guī)劃、集成方法和方法策略分析這三方面的研究。

2 問(wèn)題規(guī)劃

問(wèn)題規(guī)劃的本質(zhì)是將計(jì)劃問(wèn)題與調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行綜合分析、協(xié)同求解。“分而治之”地處理兩問(wèn)題會(huì)造成制定的計(jì)劃目標(biāo)不可行；而不考慮計(jì)劃需求的調(diào)度執(zhí)行可能造成完工期的拖延、生產(chǎn)相關(guān)總費(fèi)用過(guò)高等。因此，以集成方式進(jìn)行問(wèn)題的協(xié)同優(yōu)化，則要考慮計(jì)劃問(wèn)題的核心——計(jì)劃目標(biāo)、生產(chǎn)平衡原則和目標(biāo)需求原則，調(diào)度問(wèn)題的核心——調(diào)度目標(biāo)、工件工序排序原則、機(jī)器加工順序原則和機(jī)器生產(chǎn)能力原則以及FJS問(wèn)題的核心——機(jī)器可選原則、加工工位唯一原則和工序狀態(tài)唯一原則。

3 集成方法

3.1 概述與分類(lèi)

集成方法是在問(wèn)題規(guī)劃后，對(duì)所提出集成機(jī)制的一種方法化的歸納與提煉，從而使得理論化的集成機(jī)制得以具體化，便于后續(xù)建模對(duì)思想機(jī)制的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度集成問(wèn)題在優(yōu)化方法方面的成果，可將其分成兩大類(lèi)：一類(lèi)是遞階方法[2]，另一類(lèi)是整體方法[1]。前者借鑒一種求解集成問(wèn)題時(shí)遞階分解的思想，具體建模機(jī)制是先將待研究問(wèn)題分為計(jì)劃層與調(diào)度層，進(jìn)行分層規(guī)劃，再將各層次的規(guī)劃過(guò)程構(gòu)成一個(gè)迭代優(yōu)化的閉環(huán)，進(jìn)一步循環(huán)協(xié)調(diào)，最終得到綜合考慮計(jì)劃作用因素與調(diào)度作用因素的可行優(yōu)化方案。后者則是為滿(mǎn)足集成處理的需求應(yīng)運(yùn)而生的一種整體優(yōu)化思想，具體機(jī)制是在構(gòu)建問(wèn)題模型時(shí)同步包含計(jì)劃問(wèn)題約束與調(diào)度問(wèn)題約束，而完成求解的過(guò)程可針對(duì)性采用不同的算法以求得優(yōu)化后的方案。若求解時(shí)，同時(shí)處理兩問(wèn)題的約束，即稱(chēng)為整體求解模式；若利用分解技術(shù)或迭代方法，即稱(chēng)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(jī)制，可得其優(yōu)點(diǎn)是思想結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，大大降低了求解過(guò)程的復(fù)雜度。Sikora R等探究了一類(lèi)多機(jī)flowshop環(huán)境的集成問(wèn)題，其遞階求解過(guò)程：先分別處理各問(wèn)題模塊，再將測(cè)試模塊作為反饋環(huán)[3]。Riane F對(duì)hybrid flowshop的集成問(wèn)題深入研究，提出了一種兩階段決策支持系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用遞階方法，具體如下：（1）將計(jì)劃與調(diào)度分解；（2）進(jìn)一步將計(jì)劃與調(diào)度構(gòu)成閉環(huán)或反饋機(jī)制[2]。

然而，F(xiàn)JS環(huán)境的靈活性使得其集成問(wèn)題具有較強(qiáng)復(fù)雜性，目前還沒(méi)有成果利用該方法完成最終求解。可見(jiàn)，隨著復(fù)雜生產(chǎn)車(chē)間的普遍應(yīng)用，將遞階方法獨(dú)立作為求解集成問(wèn)題的建模機(jī)制的研究意義不大。

3.2.2 整體方法

以整體優(yōu)化為機(jī)制的整體方法，保證了集成解的可行性。其優(yōu)勢(shì)在于可以處理規(guī)模大或?qū)哟螐?fù)雜的問(wèn)題，但求解過(guò)程較有難度。對(duì)利用該方法機(jī)制的成果進(jìn)行總結(jié)：（1）研究集成問(wèn)題的多采用整體方法作為建模機(jī)制，并利用集成求解模式[4-5]。（2）隨著計(jì)算處理能力的提高，Zhang X D則在集成方法的基礎(chǔ)上，采用整體求解模式進(jìn)行問(wèn)題機(jī)制與途徑的深層探索[6]。其目的是找到更準(zhǔn)確表述問(wèn)題、更精確化處理問(wèn)題的思想與手段。綜上所述，整體方法的建模機(jī)制具有更廣闊的研究前景。

4 集成機(jī)制

由前文問(wèn)題規(guī)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(wèn)題綜合考慮了客戶(hù)需求變化、機(jī)器能力限制及生產(chǎn)效率等關(guān)鍵因素，制定計(jì)劃與調(diào)度協(xié)同優(yōu)化目標(biāo)，在最小化總費(fèi)用的同時(shí)縮短過(guò)程時(shí)間，提出將整體方法作為建模策略，對(duì)各層次作用因素進(jìn)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(yōu)點(diǎn)，以整體思想為求解主體，迭代反饋為輔助調(diào)整，進(jìn)行求解思路的實(shí)現(xiàn)。以上建模策略與求解策略一并作為生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度問(wèn)題的集成機(jī)制，據(jù)此進(jìn)行后期數(shù)量關(guān)系建模與求解思路的算法實(shí)現(xiàn)，最終為生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度提供科學(xué)的輔助決策信息，使生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理更加科學(xué)化、高效化、可控化。

5 結(jié)論

本文對(duì)FJS的批量計(jì)劃與調(diào)度集成問(wèn)題進(jìn)行了全過(guò)程分析。首先從問(wèn)題描述與分析入手，緊接著對(duì)批量計(jì)劃與調(diào)度的任務(wù)進(jìn)行了集成規(guī)劃。然后對(duì)集成方法策略進(jìn)行了全面深刻的總結(jié)，分析兩方法的各自?xún)?yōu)缺點(diǎn)。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(wèn)題機(jī)制，為復(fù)雜車(chē)間的集成問(wèn)題提供一種新穎、可執(zhí)行的求解思路。

【參考文獻(xiàn)】

[1]安玉偉，嚴(yán)洪森.柔性作業(yè)車(chē)間生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度集成優(yōu)化求解策略[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)， 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.