考慮班組負荷均衡的智能制造車間工序級作業任務排程模型研究

何偉 孔向軍

摘 要：隨著市場經濟的不斷發展，市場競爭趨勢日益激烈，對于制造企業而言，將面臨著變批量、多品種、面向訂單的生產模式，此外生產模式還呈現出多約束、多目標、干擾因子多和隨機性強等特征，在制造企業中最大的難題就是排程問題。在實際生產過程中，由于受到各種不確定因素影響，導致企業的日常生產活動受到干擾，進一步降低了制造企業的生產效率。所以只有科學、合理的生產排程，才能有效提高制造企業的生產效率，促使智能制造進一步實現。本文主要以混合集合規劃方法為基礎，根據生產車間的班組負荷均衡為重點，并考慮到生產過程中的實際問題，對制造車間工序級作業任務排程進行建模分析，目的是在最大化生產的情況下，能夠實現班組負荷均衡的目的。

關鍵詞：負荷均衡；智能制造；制造車間；生產排程

一、混合集合規劃方法

混合集合規劃方法顧名思義就是綜合各種要素構成的混合域上，包括集合、布爾量、整數和實數，通過集合和邏輯推理算法的求解系統，混合集合規劃方法最大的優勢就是能夠精確描述集合、布爾量、整數和實數類型上的復雜約束。在混合集合規范方法中，提出的自然約束語言可通過使用數理邏輯實現對生產排程的相關問題，通過建模的方式進行簡單的自然描述，這樣可使生產排程的問題得到有效的解決，并實現有效的規避組合爆炸[1]。所以，在大規模的復雜問題中，可通過使用混合集合規劃對其進行求解，不僅可以有效提高求解問題的精度，還能提高其速率。混合集合規劃主要應用在大規模計劃方案的研究中，并取得了明顯的成果。

二、排程問題分析

（一）制造車間生產流程分析

在制造行業中，通常情況下都是在接受到訂單后，首先確認訂單的中具體需求量和交貨時間，然后評估制造車間的加工能力和技術以及物料，最后將制造業務傳達給生產車間[2]。在整個環節中，包括工序優先級、最晚交貨時間、最早開工時間、工藝路線信息等等。

（二）排產思路解析

在制造車間中，一般情況下都是由若干班組組成，班組主要包括通用工具的設備和通用設備，班組是整個制造車間的核心部分。所謂的班組負荷率就是一個生產周期內，班組計劃生產負荷和實際的加工能力的比值，班組負荷率主要是來衡量班組的負荷情況。制造車間根據每個班組的資源使用情況、設備負荷情況和實際的人數，通過計算的方式確認產品工序級作業任務計劃，然后在這個排程傳達到具體的班組內，該班組的主要負責人將作業任務具體安排到某些人員和設備，對產品進行加工生產。

為了能夠進一步研究班組負荷均衡的智能制造車間工序級作業任務排程模型，根據實際的生產需要，將工序級生產任務安排到具體的班組內進行研究，建立自然約束語言和數學模型[3]。排產以半天時間為限，生產周期為一周。

班組內的組長作為主要領導者，首先要全面掌握和了解整個生產情況，然后根據實際生產對生產線做出適當的調整。在生產前必須要對各班組間的生產任務進行平衡，防止出現各個班組之間的生產任務負荷存在較大的差異，并影響到制造車間的生產效率。工序任務確定后傳達給對應的班組，班組接收到工序任務后進行具體的安排，分配到具體的設備上，從而實現了將大批量的生產任務細化安排到具體的班組內，這樣不僅可以有效降低排程數據規模，同時還能防止出現人工排產耗時長等問題。

以半天為排產最小時間單元的主要目的是考慮到各種問題的存在，比如質量問題和安全問題，如果在生產過程中，突發異常就會導致生產計劃變動，可能會出現停止生產或者是中斷生產，如果將排產最小時間單位以分鐘或是小時，那么這種研究將毫無意義。以半天為最小時間單元，其主要目的是不僅可以滿足日常的生產需求，還能確保在訂單交貨前完成產品的生產，并給班組長預留了足夠的調度時間。另外，在大批量生產排程中，排程精度越寬，那么其中的求解復雜度就越低，這樣可確保計算效率。

所以，在排程前需要對工序中所涉及到的工時進行換算，將班組能力工時和工序中定額加工工時換算成半天的整數倍，如果工時不足半天可以四舍五入按照半天計算，這樣計算的目的是為排產結果預留足夠的時間[4]。

這個舉例沒看懂呢，老師能解釋下嗎 工時就是實際加工時間區間，倍率參數就是換算單位，不足4小時的按照4小時算1倍率參數

三、排產模型建立與求解

（一）數據邏輯分析

在制造車間工序級作業任務排程中，作業任務、工序、班組的相關屬性是生產排程的基礎數據，而這些數據都是來源于實際生產數據庫中，包括四個重要的生產原始數據表，分別是待排產工序表、工作日歷表、班組工時能力表、班組的工種表，并把這些數據變成為具體的數學變量。

（二）構建排產約束

根據生產數據，并堅持班組能力負荷均衡的目的，使用NCL語言對準確全面地描述生產排程中的具體情況，并確認各個環節中的具體時間，開始時間、加工時間和完成時間[5]。在工藝路線約束中，需要遵守一個原則，那就是作業人員不可以隨意更改工藝約束，必須由車間計調。另外在加工過程中，每一道工序完成必須由下一個半天進行加工，并給另外一個生產環節提供相應的準備時間。

（三）優化目標（一周時間內？）這個時間沒有固定，可以是一周，10天，15天

在本次模型中，優化目標主要是選取最小時間跨度的生產排產，并顧忌到另外一個生產周期內的負荷均能，確保產品能夠在一周時間內完成，這樣不僅可以保證一個班組負荷率，還能確保在生產周期內容完成，確保整個生產周期的生產任務都能得到順利完成。

最小化最晚完工時間表示方式：

結語

綜上所述，在本文研究中，主要是利用自然約束語言進行數組建模，根據制造車間內的工序級作業任務排程的實際情況進行，并對排產問題進行建模求解，把生產任務安排到具體的班組中，不僅可以減少排查中出現的相應的問題，還能均衡每個班組的生產任務，有利于提高生產的效率，提高智能制造的智能化水平。

參考文獻

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[3]趙瑞敏，陳淮莉.基于二次選擇策略的訂單接受與排程決策系統研究[J].現代制造工程，2018，（10）：37-43.

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[5]劉軒，尚鋆，白翱.基于混合集合規劃的作業車間生產排程模型研究[J].制造業自動化，2015，37（23）：39-43.