車間調(diào)度問題的特點與指標分析

羅哲 顧曉猛 何循來

摘要：本文從車間調(diào)度的主要內(nèi)容出發(fā)，綜述了當前車間調(diào)度問題的研究分類方法以及在實際生產(chǎn)中車間調(diào)度問題的各方面特點，其中重點就車間調(diào)度問題在按照加工系統(tǒng)的復(fù)雜性分類方法上進行了詳細闡述，總結(jié)了車間調(diào)度問題的分派規(guī)則與調(diào)度指標，以期為車間調(diào)度問題的研究拓展提供良好的借鑒。

Abstract： Based on the main content of workshop scheduling， this paper summarizes the current research and classification methods of workshop scheduling problems and the characteristics of various aspects of workshop scheduling problems in actual production， elaborates the workshop scheduling problem in the classification method according to the complexity of the processing system in detail， and summarizes the dispatching rules and scheduling indicators of the workshop scheduling problem， in order to provide a good reference for the research and development of the workshop scheduling problem.

關(guān)鍵詞：車間調(diào)度;生產(chǎn)計劃;調(diào)度特點;調(diào)度性能

Key words： workshop scheduling;production planning;scheduling characteristics;scheduling performance

中圖分類號：TH164? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）11-0289-02

0? 引言

近幾十年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，生產(chǎn)過程發(fā)生了翻天覆地的變化，工業(yè)生產(chǎn)正向著技術(shù)更加先進、規(guī)模更加龐大、復(fù)雜程度更高的方向發(fā)展，對于企業(yè)的管理和生產(chǎn)過程的監(jiān)控不斷提高。為了適應(yīng)這種變化并滿足工廠的要求，企業(yè)的管理者必須根據(jù)市場上的原料供應(yīng)、產(chǎn)品的需求以及自身的情況來對生產(chǎn)過程加以控制，以實現(xiàn)企業(yè)利益最優(yōu)化。而車間調(diào)度解決的就是企業(yè)在生產(chǎn)過程中，以生產(chǎn)為中心，通過對有效的資源進行合理指揮、控制和調(diào)節(jié)，進而達到提高經(jīng)濟效益目的的問題[1]。車間調(diào)度的優(yōu)化工作在提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本方面起著非常重要的作用，車間調(diào)度問題也已成為現(xiàn)代制造企業(yè)自身生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，越來越引起人們的關(guān)注與研究[2-3]。本文分別就車間調(diào)度的主要內(nèi)容、分類方式、問題特點、分派規(guī)則、調(diào)度指標等方面展開分析，探討車間調(diào)度問題的相關(guān)特性情況。

1? 車間調(diào)度的主要內(nèi)容

車間調(diào)度覆蓋的時間范圍是從對產(chǎn)品已知或可以預(yù)知需求的時候開始，然后一直持續(xù)到銷售完成的這一段時間為止。在整個過程中客戶會對產(chǎn)品的性能提出要求，工廠自身的生產(chǎn)能力也有一定的限制，由于這兩方面約束的存在，所以生產(chǎn)加工過程需要進行計劃和安排。通過計劃和安排就可以使工廠能夠在規(guī)定的時間內(nèi)均衡生產(chǎn)負荷并順利完成生產(chǎn)任務(wù)。這樣就不會有制品過多的積壓以致流動資金停滯的現(xiàn)象發(fā)生。具體到生產(chǎn)車間中，就是要對生產(chǎn)資源進行合理分配，即在一定的時間內(nèi)對共享資源和生產(chǎn)任務(wù)進行排序，滿足企業(yè)以及客戶的需求的一些性能指標。

車間調(diào)度主要是對企業(yè)的日常活動進行檢查、控制、調(diào)節(jié)以及指揮，來協(xié)調(diào)和平衡企業(yè)生產(chǎn)中的一些不平衡和矛盾，避免生產(chǎn)過程中脫節(jié)現(xiàn)象的發(fā)生，有效的把生產(chǎn)單位和生產(chǎn)的各個工作環(huán)節(jié)統(tǒng)一起來。車間調(diào)度的主要內(nèi)容包括：

①檢查設(shè)備的準備情況，了解并掌握工作設(shè)備的是否運轉(zhuǎn)正常，及時調(diào)整設(shè)備的加工對象和任務(wù)，督促設(shè)備的維護和修理等。

②調(diào)配生產(chǎn)力，調(diào)整勞動組織，協(xié)調(diào)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)，使所有的加工過程能夠順利完成。

③檢查生產(chǎn)資料的供應(yīng)情況、工廠內(nèi)的運輸狀況，以及與有關(guān)部門相配合情況，保證原材料的供應(yīng)，保證在制品和半成品加工的完成和加工完成的產(chǎn)品正常入庫。

由此可見車間調(diào)度在生產(chǎn)過程中的重要性，所以人們不斷的對其進行研究與探索，力求尋得最優(yōu)的車間調(diào)度算法，進而提高生產(chǎn)設(shè)備的加工效率和操作管理的水平。

2? 車間調(diào)度問題的分類方法與特點

2.1 車間調(diào)度問題的分類方法

鑒于國內(nèi)外專家、學(xué)者在車間調(diào)度問題的研究分析上存在方向上的差異性，所以對于車間調(diào)度問題的分類方法也是多種多樣的。目前獲得普遍共識的分類方法是由Graves等人提出來的分類方法，其分類方法是基于車間調(diào)度的不同標準來進行分類[4]，可概括為四種類型。

2.1.1 依據(jù)加工系統(tǒng)分類

①單機調(diào)度問題;該類問題研究的是車間中僅有一臺機器，所有的生產(chǎn)加工任務(wù)都需要在這臺機器上完成。對于這類問題一般是根據(jù)工件的加工時間以及不同工件的交貨期限等，進行生產(chǎn)任務(wù)排序。

②并行機器調(diào)度問題;該類問題研究的是在整個并行機器系統(tǒng)中，包含的所有機器都相同且每個工件可以在任何一臺空閑機器上加工，然后每個加工完的工件釋放一臺機器離開系統(tǒng)。

③開放車間調(diào)度問題;該類問題研究的是當所有工件的加工都沒有先后要求的情況下，各工序之間也不存在工藝路線約束的問題。該類問題的工件加工可以從任意一道工序開始，并在任意一道工序結(jié)束。

④作業(yè)車間調(diào)度問題;該類問題研究的是n個工件要在m臺機器上進行加工的問題。該類問題不同工件的工序間沒有工藝路線的約束，同一個工件的工序要按照指定的加工路線加工且在加工過程中不能中途停止，直到這道工序加工完成，在全部的加工過程中工件的加工路徑可以不同。

⑤流水車間調(diào)度問題;該類問題研究的是n個待加工的工件在m臺機器上加工，且每個工件在機器上的加工順序都相同，工序的加工過程不能中斷直到工序加工完成為止的問題，也被稱為同順序車間調(diào)度問題。

2.1.2 依據(jù)優(yōu)化準則分類

根據(jù)優(yōu)化準則的不同可將車間調(diào)度問題分為基于費用與基于性能這兩類車間調(diào)度問題。在實際生產(chǎn)過程中，需要對費用和性能兩方面因素進行綜合考慮，但在車間調(diào)度的理論研究時一般只考慮車間調(diào)度性能的優(yōu)劣。

2.1.3 依據(jù)生產(chǎn)環(huán)境分類

基于不同的生產(chǎn)環(huán)境，可將車間調(diào)度問題大致分為隨機性和確定性這兩類車間調(diào)度問題，其中隨機性車間調(diào)度問題研究的是工件加工時間與交貨期限等參數(shù)都是隨機產(chǎn)生的變量的情況;確定性車間調(diào)度問題研究的是工件加工時間與交貨期限等參數(shù)都是已知的情況。

2.1.4 依據(jù)加工特點分類

依據(jù)加工特點的不同，可將車間調(diào)度問題分為靜態(tài)與動態(tài)車間調(diào)度問題。其中，靜態(tài)車間調(diào)度指的是所有的作業(yè)全部處于待加工狀態(tài)，調(diào)度確定以后所有作業(yè)的加工順序即被確定。動態(tài)車間調(diào)度比較復(fù)雜，在動態(tài)車間調(diào)度中，待加工工件依次進入加工系統(tǒng)加工，而加工完成的工件又不斷離開加工系統(tǒng)，在加工過程中還必須考慮作業(yè)環(huán)境中不斷出現(xiàn)的設(shè)備損壞和加工超時等動態(tài)擾動。因此動態(tài)車間調(diào)度要根據(jù)系統(tǒng)中隨時變化的情況及時對調(diào)度進行調(diào)整。

2.2 車間調(diào)度問題的特點

在實際生產(chǎn)作業(yè)中，車間調(diào)度問題往往存在各種各樣的特點，但總的概括起來普遍存在如下幾個方面的特點：

2.2.1 復(fù)雜性

由于在加工過程中要對加工作業(yè)進行裝卸，設(shè)備進行維護以及加工作業(yè)的搬運等，而這些方面又是相互交叉影響的，以至對于每個作業(yè)均要考慮準備時間、到達時間等一系列的問題，所以實際的車間調(diào)度是非常復(fù)雜的。車間調(diào)度問題在交貨期和工件的加工工藝的約束下對性能指標進行優(yōu)化，在計算量上屬于完全NP-hard問題，即隨著問題規(guī)模的增大，對應(yīng)求解的計算量將會呈指數(shù)增長，所以一些常規(guī)的優(yōu)化方法無法解決。

2.2.2 動態(tài)隨機性

在實際的生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)中會經(jīng)常伴隨著如工件加工時間隨機、工件到達時間不定等一系列的不確定因素，且實際生產(chǎn)系統(tǒng)中時常會發(fā)生一些突發(fā)和不可抗的偶然事件，如加工設(shè)備的損壞、修復(fù)或者客戶要求更改工件的交貨期等。

2.2.3 多目標性

實際的車間調(diào)度通常是由一些相互影響相互制約的多目標組成。例如加工作業(yè)的加工完成時間和作業(yè)提前加工完成所產(chǎn)生的存儲費用這兩個目標，如果加工完成時間過小就會使工件提前完成，由此就會產(chǎn)生附加的存儲費用使生產(chǎn)成本過高，所以這兩個目標之間就是相互耦合的。

3? 車間調(diào)度問題的分派規(guī)則和調(diào)度指標

3.1 分派規(guī)則

車間調(diào)度問題的分派規(guī)則指根據(jù)企業(yè)自身的情況以及所加工工件工藝條件的不同等，基于特定的加工規(guī)則，將每一臺處理機與其對應(yīng)的生產(chǎn)資源對待加工作業(yè)進行排序。主要的分派規(guī)則有優(yōu)先選擇加工時間最短的工件、優(yōu)先選擇交貨期最早的工序、優(yōu)先選擇同臺機器上工件隊列中最先的工序等。學(xué)者們通過大量的實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于優(yōu)先選擇最短加工時間的工序來進行分配，對于大多數(shù)的車間調(diào)度性能指標均能取得較好結(jié)果，這個結(jié)論已被大量仿真研究所證實[5]。如果客戶對產(chǎn)品有特殊的需求，我們可以根據(jù)具體情況來選擇車間調(diào)度的分配原則。

3.2 調(diào)度指標

影響車間調(diào)度問題的因素通常可以分為兩種：一種是生產(chǎn)企業(yè)內(nèi)部的因素，它主要包括工廠的生產(chǎn)能力、加工設(shè)備的可用性、原料的供應(yīng)性、產(chǎn)品的投產(chǎn)期等;另一種則是客戶及待加工作業(yè)自身的因素，它主要包含產(chǎn)品的交貨期、產(chǎn)品批量的大小、加工作業(yè)的工藝要求、產(chǎn)品的成本限制等。對于這些影響因素可分為可知因素與不可知因素，其中，可知因素又可細分為必須滿足因素和基本滿足因素兩種。對于生產(chǎn)能力、交貨期限則往往是必須滿足的。對于生產(chǎn)成本則只需要基本滿足亦或是達到一定程度就好。對于設(shè)備故障、原料供應(yīng)不足、生產(chǎn)任務(wù)變化等因素往往事先是不可知的。調(diào)度指標是評價調(diào)度方案優(yōu)劣程度的一個標準。在實際生產(chǎn)中，常用的調(diào)度指標有如下幾點：①調(diào)度性能指標;主要涵蓋生產(chǎn)資源利用率的大小、生產(chǎn)周期的長短等方面，本質(zhì)是通過將生產(chǎn)能力最大化來達到提高經(jīng)濟效益的目的。②成本指標;主要包括加工費用的多少、換線成本的大小、工人工資的多少、超過交貨期的罰款等。③客戶滿意度指標;主要包括延期零件數(shù)量的多少、超過交貨期時間的長短等方面，而在實際的車間生產(chǎn)調(diào)度中，企業(yè)一般會以滿足制造周期最短、總流程時間最小以及交貨期等為調(diào)度的優(yōu)化目標。

4? 總結(jié)

良好的車間調(diào)度對企業(yè)合理利用資源，實現(xiàn)生產(chǎn)利益最大化起著舉足輕重的作用。本文概述了車間調(diào)度的主要內(nèi)容，而后介紹了車間調(diào)度問題的分類方法與特點，最后探討了車間調(diào)度問題的分派規(guī)則與調(diào)度指標。對于車間調(diào)度理論與方法的研究目前還在不斷擴展，通過本文的論述，期待為車間調(diào)度問題的進一步深入研究提供可行的參考與借鑒。

參考文獻：

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[5]孫志峻.智能制造系統(tǒng)車間生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度[D].南京航空航天大學(xué)，2002.