多層級調度優化在離散制造業的設計和實踐

◎天津航天長征火箭制造有限公司 李維 鄭偉 趙慶斌

引言

天津火箭公司是我國新一代運載火箭產業化基地，鈑金車間作為公司基本生產單元，主要負責運載火箭壁板、瓜瓣、框段等鈑金類零件的生產。在2017年，鈑金車間完成了單層自動排產系統建設及實施應用，實現了車間從手工排產到系統自動排產。但隨著公司型號任務數量逐步增加，生產異常頻繁等情況，導致單層自動排產系統的生產指令與實際生產過程的脫節。

天津火箭公司結合鈑金車間典型的“多品種小批量”生產特點，搭建以車間、班組和反饋三層架構為核心的車間多層級調度優化體系，分別梳理每一層的輸入數據、約束條件和排產結果，將原來的調度員單層優化轉變為多層持續優化，減少異常情況對整個車間生產任務的擾動，提高了計劃排產的準確性、可用性。

一、需求分析

鈑金車間作為天津火箭公司基本生產單元，隨著生產任務增多及公司生產模式轉變，導致車間作業計劃可執行性不高，現場響應不及時，車間生產管理模式與實際需求的矛盾日益突出，為此，公司開展了車間單層自動排產系統的建設和應用。單層自動排產系統同步車間MES系統中的生產任務數據、工藝規程數據、物料數據、設備數據等多種排產所需的輸入數據，調度員設定每條任務的優先級、交期等信息，系統按照約束條件進行自動排產，得到最優排產結果。生產班組依據生產派工單順序執行，并反饋進度。

這種生產運作的方式與過去傳統手工排產相比較，將作業管理細化到工序級，使生產管理的粒度更加細致；車間生產安排由調度員統籌考慮，使計劃執行的整體性高，作業連動性較強。但是，隨著排產系統的深入應用，發現了以下一些問題：

圖1 車間單層自動排產原理圖

（1）單層排產與持續優化

車間單層自動排產系統由車間調度員進行統籌管控和計劃安排。車間調度員圍繞車間所有任務排產，在整體上取得一個較優的結果后下發班組。但是，由于異常情況頻繁、工時不準確等問題，導致調度員所生成的工序級的調度指令與實際生產過程存在一定程度的偏差。這種偏差表現為班組接收到的任務量與實際產能不匹配、生產作業順序不合理、每道工序的作業時間安排不合理等問題。由于系統中沒有將班組長的生產經驗融合到生產派工過程中，而調度員也沒有足夠的精力兼顧到每一個生產班組每一道生產工序的生產特點，導致生產指令與實際生產過程的脫節。

（2）頻繁異常情況帶來車間計劃的頻繁調整

車間每項生產任務基本上都會涉及下料、成形、熱處理、檢驗等工序，需要多個生產班組協同生產，而實際生產過程中，異常情況頻繁出現，例如生產超差、設備故障、人員請假、急件任務等等情況。這些異常情況不僅會打亂本班組的原有生產計劃，還會影響到下道工序生產班組，甚至于多個班組的生產計劃。調度員需要根據異常情況，頻繁調整車間的作業安排并下發班組，導致車間生產計劃頻繁變化。

（3）無法滿足車間各角色的管控需求

在鈑金車間生產任務的執行過程中，會經過調度員投產、班組長任務分配和操作員執行三個過程，而三個角色的關注點和需求也不相同。調度員側重于車間整體管控和關鍵點管控，組長則是關注本班組任務安排及產品到達時間等信息；操作員則關注每日任務安排。單層自動排產系統無法滿足車間各角色的管控需求。

二、多層級調度優化的建設思路

面向瓜瓣頂蓋、蒙皮壁板、桁條、型材框、板材框、小鈑金件等六類典型鈑金零件的制造全過程，結合五個生產班組的不同生產特點，搭建以車間、班組和反饋三層架構為核心的車間多層級調度優化體系，生成面向生產車間精細化管理的計劃調度方案，指導不同生產班組具體的生產計劃，同時整合不同生產班組的反饋數據和調度數據，進行實時動態地協同優化調整，生成高度可執行的計劃調度方案。

根據車間各角色對于排產的不同需求和關注點，分別梳理每一層的輸入數據、約束條件和排產結果，將原來的調度員單層優化轉變為多層持續優化，提高排產的準確性、可用性。另外，將生產過程中異常情況進行了分層設計，減少異常情況對整個車間生產任務的擾動。圖2為車間多層級自動排產原理圖。

車間層排產用戶為車間調度員，為其提供車間任務按時交付情況、任務在各生產班組流轉情況、大工序和關鍵工序的預計完成時間、急件任務對任務擾動等信息；班組層排產用戶為車間生產班組組長，為其提供本班組工序級任務計劃、需要趕工的任務（熱處理組批作業安排）、生產任務進行情況（在制、將至、將到）、急件任務插單、操作員生產負荷等信息；反饋層排產用戶為操作人員，為其提供本人每日的工序級任務安排、任務所需的制造資源狀態、急件任務的查單等信息。

多層級調度優化系統通過與車間MES系統集成，獲取生產任務的相關基礎數據，系統進行多維度的排產運算，以滿足調度員、班組長、操作工三層角色的生產執行的不同需求，并將作業計劃信息反饋至MES系統中。系統體系架構圖如圖3所示。

圖2 鈑金車間多層級自動排產原理圖

三、多層級調度優化的實現

（一）車間層優化

車間層優化主要面向對象為車間調度員，其主要目的是根據產能、工序、資源、場地等實際約束，結合實時車間反饋數據，利用嵌套分割算法生成可粗可細、高度可執行的各生產班組生產計劃，調度員可以通過“情景分析”“加班模擬”等模塊對多種方案進行模擬仿真，選擇最滿意的方案作為實際的投產方案。

1.關注點與優化目標

全面優化車間生產任務，從設備沖突和車間生產能力入手，重點解決任務按時完成和制造順序，為車間調度員提供車間任務按時交付情況、任務在各生產班組流轉情況、大工序和關鍵工序的預計完成時間、急件任務對于任務擾動等信息。

2.優化原理

車間層優化的輸入數據主要包括車間內投產生產任務數據、工藝規程數據、制造資源信息、大工序及工時數據；約束條件主要包括任務優先級、物料齊套、任務交期、車間生產能力、關鍵工序節點控制、組批作業和異常事件規則等；輸出的結果主要包括交期達成率與延遲百分比、平均生產周期、車間產能利用率、每個生產工單的生產進度、設備負荷分析、異常擾動分析等。

3.應用場景

車間層優化的排產顆粒度為合并后的大工序信息，主要的應用場景包括：報調車間月度計劃、下發生產計劃、異常調整計劃。調度員可以通過模擬加班、鎖定關鍵節點計劃時間等方式，對優化結果進行調整。

（二）班組層優化

圖3 鈑金車間多層級自動排產整體架構

圖4 對比排程結果

圖5 設備負荷分析

班組層優化是一個系統級的CPS生產系統，集合了狀態感知、分析、優化和精準執行的各個要素。班組層優化是整個系統的核心部分，也是重點解決如何將計劃落實到每個人、每個工序的重點環節。班組層優化面向對象為班組長，在車間層優化的數據基礎上，針對本班組可以開始生產的任務，充分考慮到產品組批及瓶頸設備熱處理工序的占用情況，進行詳細工序的排產，在這個過程中，該班組會實時感知其它相關班組的狀態，包括資源維度和任務維度。班組層優化進一步減少車間層排產的不確定性，實現本班組任務安排優化以及各生產班組的協同生產。

1.關注點與優化目標

在車間整體最優排產的范圍內，達到任務的組批，以及提高瓶頸設備有效使用率的目的, 最終使得班組內“局部”優化與車間“全局”優化彼此協同，保證生產派工方案在車間內部能夠切實落地。

2.優化原理

班組層優化的輸入數據主要包括調度員排產數據、本班組生產任務、生產任務狀態、熱處理班組的作業安排、制造資源數據等。約束條件主要包括任務優先級、任務交期、組批作業等，目的為本班組的生產計劃最優，提高任務完成效率。輸出數據主要包括本班組任務完成率、生產延期率、生產資源的產能利用率、班組人員的生產負荷等數據。

3.應用場景

班組層優化的排產顆粒度為詳細工序信息，主要的應用場景包括：生產任務的狀態感知、瓶頸環節熱處理計劃安排、班組層仿真調度、基于仿真的實時優化、班組層異常處理等。

（三）反饋層優化

反饋層排產的用戶為操作員工，排產顆粒度為工藝規程中詳細工序信息，按照實際完成進行反饋，主要應用場景包括開工報工、完工報工與異常報工等，實時報工反饋能夠實現系統功能的持續優化。理論上，操作人員應嚴格按照生產派工指令進行當天的生產行為，但由于生產的工時數據描述的是平均水平，事實上每個人的工作能力均存在一定程度的差異，每個工人均有其獨有的工作習慣，精確到每分每秒的生產計劃通常可執行性不高。因此，系統通過車間調度員以及班組長派工兩層優化所得到的生產指令，同樣允許員工在此基礎上融合自己的工作經驗做以靈活調整。

圖6 班組層優化結果

表 兩種優化調度方式對比

四、應用效果

結合鈑金車間生產組織模式，將單層優化分為車間、班組和反饋層三層次調度優化，從信息集成程度、管理方式、用戶需求、上下游工序銜接、生產擾動、設備利用率等多個方面進行了改善和提高，取得了一定應用效果，具體見上表。

五、結束語

本文根據天津火箭公司鈑金車間生產模式，結合五個生產班組的不同生產特點，從改善車間管理、持續優化生產計劃入手，搭建以車間、班組和反饋三層架構為核心的車間多層級調度優化體系，為公司建立智能化工廠積累了經驗。