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案例頻道 摘要：面對客戶隨機需求，制造業(yè)生產調度系統(tǒng)應促進生產的快速性、動態(tài)性和敏捷性。論文以制造業(yè)生產調度體系為研究對象，從生產車間調度的目標、方法、手段、資源等基本要素入手，總結了傳統(tǒng)生產調度系統(tǒng)在實際生產中的問題，并概括了系統(tǒng)集成視角下的生產調度方法及其改進措施，介紹了不確定條件下生產調度策略及評價指標。運用系統(tǒng)集成的思想，探討了供需鏈環(huán)境下的制造業(yè)生產調度系統(tǒng)模式，最終提出了生產調度系統(tǒng)的集成化、動態(tài)化、高效智能化、柔性化和排程可視化等發(fā)展方向。
關鍵詞：生產調度系統(tǒng)；系統(tǒng)集成；生產不確定性
在生產過程中，很多企業(yè)實際加工時間占總加工時間不到15％，而有85％以上的時間用于等待、搬運和排隊。以機械加工為例，15％的加工時間里，切削時間僅占30％，其余70％的時間用于零件裝夾及定位、用于換刀具、測量、機床調整、消除屑末等，多數(shù)機器90％的時間處于閑置狀態(tài)[l]。因此，科學的生產調度系統(tǒng)模式就是要降低企業(yè)85%不增值的部分和優(yōu)化生產過程，建立合理的生產調度模型，尋找有效的調度方法，改進生產調度方案，設計適宜的計劃調度系統(tǒng)。傳統(tǒng)的手段如降低庫存、裁減雇員、精簡機構、增加加工設備等已經(jīng)達到了極限，不可能再有較多的進展，進一步的成本縮減可轉向企業(yè)內外資源的合理配置和高效利用[2]。作業(yè)車間調度問題的研究于1950年展開，國內外對于生產調度問題的諸多研究可以歸結為兩個方面：生產調度問題的建模和生產調度問題算法設計與分析[3]。雖然對車間調度領域的研究已有六十多年的歷史，但至今尚未形成一套較為完備的系統(tǒng)理論和方法，加強生產調度系統(tǒng)理論和應用的深入研究非常必要。
生產管理通常分為三個階段：生產計劃、生產調度和生產控制，其中生產調度是生產管理領域內的關鍵環(huán)節(jié)。調度與很多其它經(jīng)營管理活動有關，如生產計劃的可行性分析、銷售部門接受訂單的提前期、生產線的人力調配、設備保養(yǎng)維修、物料采購供應計劃等。而實際生產過程中，車間生產調度過程是一個多元化管理模式，需要敏捷響應和反饋，要求在宏觀上規(guī)劃生產，微觀上調控生產。科學合理的生產調度在滿足客戶要求和生產任務的前提下，依據(jù)生產過程獲得準確信息，充分合理的利用與配置加工過程的各種制造資源、高效低耗地使用生產資源、合理安排加工工件的順序、均衡設備負荷和生產、提高設備利用率、縮短換工裝和物料準備時間、降低生產和人工成本、優(yōu)化生產過程。生產調度圍繞企業(yè)生產經(jīng)營目標，對企業(yè)生產活動進行有效組織、指揮、控制和調節(jié)，根據(jù)生產目標和約束，為每個加工對象確定具體的加工路徑、時間、機器和操作等，根據(jù)市場需求變化和產品訂貨，及時調整生產結構，及時應對和解決生產中的各種矛盾和問題，以保證整個生產經(jīng)營活動的正常進行，保證在合適的時間，將合適數(shù)量和合格質量的物料輸送到合適的地點，由已確定的人員進行加工，最后生產出滿足客戶需求的產品。因此，及時準確地生產調度對生產系統(tǒng)的高效運行有著重要影響。
1 生產調度的分類、影響因素及優(yōu)化模型
1.1 生產調度的分類
在不同的制造資源、約束條件、生產規(guī)模、生產形式和管理方法下，生產調度問題的目標、調度策略也不同。任何優(yōu)化模型都包含優(yōu)化目標和約束條件，生產計劃優(yōu)化也不例外，但是約束計劃的因素很多，為全面地考慮優(yōu)化模型中的約束因素，需要對其進行分類，就對象而言，有模糊調度、離散事件和連續(xù)事件調度、靜態(tài)和動態(tài)調度等；就調度方法而言，有Gantt圖、分支定界、動態(tài)規(guī)劃、規(guī)則調度和仿真等；就調度優(yōu)化目標而言，有正規(guī)性能指標和非正規(guī)性能指標，如生產成本、提前/延遲(E/T)指標等。就調度加工系統(tǒng)的復雜度而言，可分為單機、多臺并行機、流水車間調度和作業(yè)車間調度[4-7]。
1.2 生產調度的影響因素
現(xiàn)代企業(yè)生產環(huán)節(jié)多、協(xié)作關系復雜、生產連續(xù)性強、情況變化快，某一局部發(fā)生故障，或某一措施沒有按期實現(xiàn)，往往會波及整個生產系統(tǒng)的運行。由于調度問題的復雜性和生產環(huán)境的動態(tài)性，必須將資源、約束、規(guī)模和方法等因素綜合考慮來研究。在這種更新速度快、生產系統(tǒng)穩(wěn)定性差且復雜多變的制造環(huán)境下，企業(yè)不僅僅要求能生產出質量高、性能優(yōu)良的產品，而且還需要快速生產出市場所需求的產品，更要能夠快速、準確地應對生產過程中頻繁發(fā)生的各種擾動，這顯然要求整個生產系統(tǒng)對生產過程中的控制更嚴格、更有效、更有柔性。任何產品生產的直接因素從空間上看分別來自用戶要求、企業(yè)自身生產狀況和供應商的供貨狀況等方面，它們對生產計劃的約束通過施加到企業(yè)內部的影響體現(xiàn)出來。
首先，用戶一般提出交貨期、數(shù)量、質量、規(guī)格、交貨方式等要求。交貨期和數(shù)量直接約束生產企業(yè)計劃，質量和規(guī)格通過設計部門轉化為加工工藝要求，工藝部門進一步將加工工藝轉化為加工次序和加工時間。用戶需求對計劃的約束體現(xiàn)在交貨期、加工次序、加工時間、運輸設備、運輸次序等方面；其次，供應商對企業(yè)計劃的約束主要是物料供貨時間（物料到達企業(yè)的時間，包括物料的出廠時間和運輸時間等）；最后，計劃在企業(yè)內受到人力、資金、設備、庫存、后勤保障（水、電、煤、氣等）的約束，其中設備主要包括運輸設備、工具工裝、加工設備、場地等，工序負荷平衡、生產模式、現(xiàn)場實績等非結構化約束，加上變化的工作條件，需要頻繁地進行重調度。
大多數(shù)的研究對約束問題考慮不是很周全，建模時也對真實環(huán)境進行了大量的簡化，因此，車間調度系統(tǒng)應用到實際生產中時很容易碰上“計劃趕不上變化”的困境。
1.3 生產調度的優(yōu)化模型
在車間生產調度中，生產計劃調度的任務是根據(jù)生產目標和約束，為每一個加工對象確定具體的加工路徑、時間、制造設備資源和操作等，以保證車間制造系統(tǒng)的某一性能指標達到最優(yōu)，具有靜態(tài)特性。生產調度的優(yōu)化模型如式（1）所示，
（1）
式中，A為加工對象的生產計劃；W(A) 為W(A)企業(yè)收益，C (A )為加工成本， 1 2為— — — n加工該加工對象的時間、人員、設備等生產條件，Ω為企業(yè)所擁有的加工條件等內部約束條件，N(A)為生產出產品的質量、數(shù)量等，Φ為用戶所提出的產品質量、數(shù)量等外部約束條件。
在理論研究中，生產調度問題常被稱為排序問題、資源分配問題或組織優(yōu)化問題。當然，調度不只是排序，還需要根據(jù)排序結果確定各個任務的開始時間和結束時間，并使約束得到滿足，同時使車間制造系統(tǒng)的性能達到最優(yōu)或次優(yōu)。這些特點決定了生產調度高復雜性、動態(tài)隨機性、突發(fā)性、多目標性、多約束性、多資源相互協(xié)調、非線性、目標可變性、大規(guī)模性和多極小性等特點，并且多數(shù)調度問題求解過程是NP(Non-deterministicPolynomial)問題，它的計算量隨問題的規(guī)模呈指數(shù)增長。這導致生產調度要綜合平衡這些條件自己的矛盾與沖突。多目標車間調度最終得到的解是一個解集，如何從解集中選出一個最優(yōu)妥協(xié)解作為實施方案，使企業(yè)制定出合適的作業(yè)生產計劃。生產調度問題作為現(xiàn)代制造系統(tǒng)的一個研究熱點，由于系統(tǒng)建模方法的多樣性，以及問題的側重點不同，調度方法和研究對象也明顯不同。
2 傳統(tǒng)生產調度體統(tǒng)下的生產問題
實際的生產系統(tǒng)是一個動態(tài)生產環(huán)境，存在著大量不確定性因素，往往會導致計劃、調度與控制脫節(jié)，不能有效協(xié)調和均衡的生產，造成企業(yè)成本增加和效益下降。傳統(tǒng)生產調度系統(tǒng)作用下的車間實際生產加工現(xiàn)場，雖然每個待加工的工件都被分配到指定的加工設備，并按照開始時已經(jīng)規(guī)劃好的調度方案進行加工。但由于實際生產情況復雜多變，生產現(xiàn)場工件到達時間隨機性和制造過程中隨機發(fā)生的擾動使得實際生產出現(xiàn)了與原調度方案的偏離，加工現(xiàn)場作業(yè)流程混亂，導致生產系統(tǒng)不能再按照原有的生產計劃正常運行。為了保證生產順利進行，這就要調整某些零件的加工順序，而改變任何一道工序的順序都可能會影響后面所有工序的加工順序，導致作業(yè)計劃要重排。在這些問題還沒得到解決的同時，還要求實現(xiàn)產品生產周期短、制造成本低和相應市場變化能力迅速等目標，這些都要求中小型制造企業(yè)的調度系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性和實現(xiàn)能力。因此，現(xiàn)有的落后生產計劃管理模式不僅難以滿足生產要求，也嚴重影響著公司的成本管理，造成公司效益提高緩慢，競爭力不強。具體體現(xiàn)如下：
2.1 當前制造業(yè)企業(yè)生產調度體系弊端在生產中的體現(xiàn)
（1）主觀與經(jīng)驗性。在組織生產時，經(jīng)常出現(xiàn)工藝流程、工時定額不完善等情況。生產計劃與調度嚴重依賴管理者的經(jīng)驗、技巧，基礎數(shù)據(jù)精確度低，缺乏科學的理論基礎和現(xiàn)代管理理論的支撐，沒有一個全面細致到位的科學調度安排。計劃的及時性、均衡性、應變性差，造成在實際生產過程中，調度頻繁，生產效率低下等不良現(xiàn)象。
（2）拖期嚴重。工序流程周轉不暢、產品生產周期不能滿足客戶訂單要求的交貨期，零部件的制造周期不能滿足裝配要求的交付期，并且各零件的加工狀態(tài)無法追蹤，生產過程的進度不能動態(tài)反映，嚴重影響了公司的信譽和市場競爭力。
（3）生產調度系統(tǒng)未能與庫存管理系統(tǒng)進行有效集成，無法查看即時的生產現(xiàn)場信息或庫存情況。生產發(fā)生變化時計劃調整困難，響應速度慢，不能滿足快速響應的要求。倉庫擺放大量零部件和半成品，可裝配現(xiàn)場仍頻繁缺件，庫存的零部件不是產品裝配所需的零部件。
（4）生產計劃未能充分進行資源的平衡。一方面，部分設備能力不能滿足生產需求，成為加工的瓶頸，而部分設備卻有能__力富余；另一方面，計劃調度人員僅僅根據(jù)所主管的型號安排計劃，沒有考慮到生產能力的平衡，使整個生產過程時緊時松，人員和機器不能達到很好的利用。
2.2 現(xiàn)行調度在企業(yè)實際生產中的缺陷表現(xiàn)
（1）延遲性。生產車間的實時動態(tài)變化，統(tǒng)計數(shù)據(jù)不能夠及時地反饋到調度部門，在時間上存在很大的滯后性。調度人員對數(shù)據(jù)手工分析，進而產生調度指令，時間上又有了一段延遲，信息處理和反饋速度慢。由于信息滯后，生產調度人員難以及時、全面地掌握生產信息，增加了對生產異常情況的處理難度，嚴重制約了生產正常進行。對車間缺乏有效的生產監(jiān)控機制（包括生產計劃監(jiān)控、零件進度監(jiān)控與產品或訂單進度監(jiān)控等），很難對生產進度實現(xiàn)有效管控，超差品常常得不到及時補救與處理。目前，調度管理基本上是采用反饋控制，該法是根據(jù)實際執(zhí)行結果的反饋信息來調節(jié)和控制生產系統(tǒng)行為，具有時滯性，缺乏靈活性和適應性。
（2）不準確性。在調度管理工作中，從數(shù)據(jù)的匯總、傳遞、分析到指令的下達等工作，基本采用手工處理，且難以達到優(yōu)化的目的。由于人工采集的信息數(shù)據(jù)具有不可靠性和不完整性，一方面容易造成決策者錯誤決策，另一方面不能向客戶反映生產進度情況，降低了生產的透明度。
（3）調度低效率。由于系統(tǒng)本身的復雜和非線性行為、隨時間變化的行為、信息集成的因素等原因，造成了車間信息客觀上的不確定和復雜性，輕重緩急得不到合理安排，優(yōu)先級的零件得不到及時安排，關鍵、瓶頸設備得不到合理使用，造成資源浪費；難加工、周期長的零件不能按期完成，拖延產品齊套時間，影響交期。生產過程的脫期任務變?yōu)榫o急任務，導致計劃頻頻變更、生產系統(tǒng)運作效率低下。不能用數(shù)字說話，達不到科學管理的要求。沒有考慮到人力資源的重要性，沒有引入人工激勵機制，沒有將人工的心理因素引入到生產調度，從而在一定程度上導致了企業(yè)的效率不高。
（4）缺乏全局性和科學性。由于調度人員的智力、經(jīng)驗和處理能力的限制導致調度缺乏全局性和科學有效性，造成生產計劃和生產安排及生產工序之間不協(xié)調、物流不暢，生產缺料和車間在制品大的情況同時存在。
2.3 生產計劃和調度系統(tǒng)信息不完備
（1）信息的缺乏。信息的不統(tǒng)一、不完整、不及時等諸多問題已經(jīng)影響到企業(yè)生產經(jīng)營，造成整個生產系統(tǒng)處于應急的狀__態(tài)，原材料不能按時到位，延長了交貨期，有時貨物不能按時送達；生產現(xiàn)場的管理混亂，原材料和半成品堆放隨意，影響生產車間的對外形象。
（2）信息的復雜性。這主要取決于人們處理大量信息的能力，如分類、簡約等來獲取有用的信息。
（3）生產調度軟件的問題。由于目前的智能調度系統(tǒng)并不能真實反映實際生產中經(jīng)常出現(xiàn)的不確定性，而現(xiàn)實生產中的不可預測擾動經(jīng)常導致智能算法的最優(yōu)解決方案并不能很好執(zhí)行。如果按照這些算法進行生產計劃的安排，會造成正反饋的累積效應，使得計劃越來越脫離實際。
2.4 生產調度系統(tǒng)中的失控
實際生產過程中，會遇到各種各樣的情況，有局部的，也有整體的；有內部的，也有外部的；有工藝方面的，也有設備方面的；有主觀因素，也有客觀因素。這些問題一旦出現(xiàn)，小則造成生產被動，大則造成生產過程中斷，計劃難于完成。我國工業(yè)雖已形成較為完整的生產體系，但技術裝備和管理水平仍然比較落后，尤為突出的是由于缺乏生產計劃造成宏觀生產失控，以及調度系統(tǒng)不完善導致實時監(jiān)控紊亂等方面的問題。
2.5 綜合管理能力弱
管理基礎薄弱，生產管理基礎數(shù)據(jù)相對較少，缺乏科學的管理方法和工具是大多數(shù)制造企業(yè)亟待解決的問題。目前大多數(shù)制造企業(yè)仍然采用制度化管理，這種層次過多、劃分過細的組織結構造成信息的上傳下達緩慢。部門間分割管理，造成調度計劃協(xié)調困難甚至相互矛盾，難以實現(xiàn)企業(yè)的全局最優(yōu)。不符合現(xiàn)在靈活、快速、多變的生產制造特點，難以快速響應市場變化。同時各管理層各自編制的計劃之間經(jīng)常存在矛盾沖突，當產品到達現(xiàn)場時才進行解決，經(jīng)常產生連鎖不良反應。
2.6 部門間缺乏有效溝通
多個生產計劃之間缺乏協(xié)商，在實施過程中經(jīng)常互相沖突。各型號產品在定計劃時，相關資源處于空閑狀態(tài)，表面上看，產品交貨節(jié)點可以保證，但是，由于各型號產品是同一時間內引用了相同的生產資源，在實際生產中，各產品會相互沖突，互相占用資源，生產節(jié)點無法保證。傳統(tǒng)生產過程中，在工藝設計階段人們關心的是加工方法的選擇，加工順序的確定，以及以手冊和經(jīng)驗為依據(jù)的工藝參數(shù)的確定等純技術設計，而不關心生產計劃調度的內容和生產車間的實際狀態(tài)。同理，在生產計劃和調度過程中，人們把注意力放在生產進度和資源分配，而不考慮工藝過__程和工序設計的細節(jié)問題。以卡萊橡膠制品有限公司為例，由于生產車間環(huán)境的變化，大約有30%的工藝加工計劃在實施時需更改，這些更改往往只由調度人員進行，沒有專業(yè)工藝人員參加，勢必造成加工質量與加工效率的下降。在實際的生產過程中，過長的計劃凍結期也會帶來較大的負面影響：設備故障、人為操作失誤、物料供應短缺、工藝流程過長等因素使得部分半成品被迫離線，而過長的計劃凍結期會造成生產線旁半成品的大量累積，導致整個計劃不能按時完成，延誤了其它產品的生產。半成品的大量離線積壓，會造成轉運過程中不必要的質量損失和成本損失，也會造成部分產能的空閑累積。另外，在生產作業(yè)計劃和實際作業(yè)之間存在偏差，還有需求變化、預測不準、庫存控制指標不合理、外協(xié)計劃未落實、生產作業(yè)計劃銜接失誤、設備維修計劃失誤等。
2.7 企業(yè)中存在信息化孤島
企業(yè)在調度管理時，自動化設備的加工信息不能與電腦建立關聯(lián)。由于缺乏準確、及時的企業(yè)數(shù)據(jù)和狀況分析，導致調度管理失職。在傳統(tǒng)生產中，降低產品成本主要通過批量優(yōu)勢來實現(xiàn)，但隨著用戶對產品需求的快速變化，不是按照產能生產、而是按照客戶需求生產，用戶要求制造企業(yè)提供質量高、成本低、交貨準時和多樣化的產品。因而自動化孤島模式已經(jīng)不再適應現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)的生產要求。目前制造業(yè)，特別是機械工業(yè)中生產調度和過程優(yōu)化控制相互脫節(jié)，在過程控制和管理信息系統(tǒng)之間存在著“信息鴻溝”，割裂了流程企業(yè)經(jīng)營管理與生產控制。顯而易見，關鍵是如何選擇實時關系數(shù)據(jù)庫，使企業(yè)中大大小小的“自動化孤島”、“信息化孤島”的信息能夠流暢地進入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。生產調度方式已經(jīng)不滿足現(xiàn)代生產的需求，現(xiàn)行生產調度的優(yōu)劣評估目前沒有一個明確的評價系統(tǒng)。
3 系統(tǒng)集成視角下的生產調度方法及其改進
生產調度問題同時也受到工廠管理方法的影響，在不同的管理方法下，調度問題的優(yōu)化目標、優(yōu)化策略及其優(yōu)化數(shù)學模型均不同，幾乎每一個生產環(huán)境都是唯一的，很難用一個生產環(huán)境的調度方案，去解決另一個生產環(huán)境的生產調度。一旦求解的問題改變，相應的問題建模方法和調度軟件就要改變，而原先的算法也不再適用，必須重新?lián)Q用新的方法建立數(shù)學模型和求解優(yōu)化，即缺乏較為通用的建模方法和優(yōu)化算法。由此可以看出，系統(tǒng)的“適應性”和“實用性”是目前企業(yè)計劃調度系統(tǒng)的瓶頸所在。與此同時，由于各種隨機因素，如機器故障、操作工人的熟練程度、環(huán)境參數(shù)等影響，只能得到加工時間的一個大概數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的可能變化范圍，很少能獲得精確的加工時間。因此，將加工時間按模糊數(shù)處理更加符合生產實際，更能保證調度的可行性。
國內外企業(yè)界己把注意力轉移到節(jié)能降耗、少投入多產出的高效生產模式上。即集直接數(shù)字控制、監(jiān)控優(yōu)化、生產調度、經(jīng)營決策等功能于一體的綜合自動化模式(CIPS)。其核心問題是充分發(fā)揮信息在生產指揮調度中的輔助決策作用，有利于從更大范圍更高層次上優(yōu)化資源的配置，從而提高企業(yè)的社會經(jīng)濟效益。由于生產環(huán)境的動態(tài)性，生產領域知識的多樣性，調度問題的復雜性，必須將人、數(shù)學方法和信息技術結合起來進行生產領域管理調度問題的研究。近20年來，國際生產工程學會(CIRP)曾總結了40種先進的制造模式，無論哪一種制造模式都是以優(yōu)化的生產調度為基礎的[8]。盡管調度方法逐漸走向復雜化和多元化，但是它們基本上可以歸結為4種類型：基于運籌學的方法、啟發(fā)式調度方法、基于仿真的方法和基于人工智能的方法。規(guī)則調度法是根據(jù)人們在生產實踐中所總結、提煉出的很多行之有效的經(jīng)驗和規(guī)則(通常稱其為調度規(guī)則)來決定下一步操作的調度方法。Panwalker等人總結了113個啟發(fā)式調度規(guī)則，將其分為簡單規(guī)則、復合規(guī)則、啟發(fā)式規(guī)則，并對各規(guī)則的適應情況做了總結[9]。隨著分布式人工智能的發(fā)展，特別是多Agent技術在生產調度領域的應用，促使基于多Agent技術的生產調度系統(tǒng)研究成為了生產調度領域中的一個重要的研究方向。目前有關車間調度問題的較高效算法的研究與設計仍是整個生產調度領域的重要研究內容。迄今雖然有些新算法產生，但其性能還有待進一步研究和驗證?，F(xiàn)有的研究生產調度的方法主要有OPT(優(yōu)化生產技術)；PFS(過程流調度)；SCM(供應鏈管理)等。由于調度問題涉及面廣、因素復雜，單純的運籌學方法、隨機優(yōu)化方法，離散事件仿真和人工智能方法等，尚不能對調度問題進行全面而有效的求解。實際生產當中，企業(yè)生產調度問題不只是針對某幾臺設備，而是生產全過程，需要構建起覆蓋整個企業(yè)生產過程的、簡單有效的全流程級動態(tài)調度模型。在過去幾十年中，通常和其他的方法結合使用，人們將許多算法應用于調度領域，但是人們使用各種調度算法需要特定的應用環(huán)境，判斷何種算法適合何種環(huán)境是一個很有現(xiàn)實意義的問題。
在現(xiàn)實生產環(huán)境中，生產任務的種類、批量、加工設備、工__裝狀況和任務進度等因素千變萬化，針對不同的加工環(huán)境，車間調度系統(tǒng)應能快速地選擇或組合相應的調度模型和算法。實際上在計劃與調度過程中，影響系統(tǒng)決策的不確定性因素廣泛存在。在確定性假設下得到的最優(yōu)計劃和調度在實際生產過程中由于不確定因素的影響往往變?yōu)榇蝺?yōu)，甚至不可行，但不確定條件下的計劃與調度優(yōu)化仍然沒有得到充分的解決和實際應用。車間生產調度問題的復雜性和現(xiàn)實生產對優(yōu)化調度的應用需求，促使從事現(xiàn)代制造研究人員提出很多解決方法，從而推動車間生產調度理論與實踐的發(fā)展。實際生產中，各種工藝約束，資源約束，生產能力約束等平行存在，這就需要對生產作業(yè)進行合理的調度安排。而一個好的調度安排需要一個好的優(yōu)化調度算法。以往車間調度系統(tǒng)只能適應某個具體車間環(huán)境且只能得到時間最短、設備負荷平衡一般的調度方案，這將嚴重影響企業(yè)的發(fā)展。生產計劃與調度面臨的難題包括不確定性的描述與求解、計算復雜性、基礎數(shù)據(jù)采集、調度模型及其解算方法等。從已有的研究看，最優(yōu)化方法雖然可以得到“最優(yōu)解”，但單獨應用優(yōu)化模型無法考慮各種影響因素，難以反映制造的本質特征和動態(tài)運行過程，影響了模型及解的可信性、有效性，而仿真方法、啟發(fā)式規(guī)則、人工智能以及遺傳算法等具有計算效率高、適應性強等優(yōu)點，在生產計劃與調度研究中得到重視。因此，難有一個包羅萬象的、普遍適用的調度策略、調度模型和算法。
綜上所述，雖然對車間調度領域的研究已有六十多年的歷史，但是至今仍未形成一套完備的系統(tǒng)理論和方法。主要存在的問題如下：
（1）將算法進一步的實用化。現(xiàn)在許多的研究只注重算法本身，而將算法廣泛地運用到實際中真正解決實際問題，且能給企業(yè)帶來巨大效益的應用成果卻少之又少，因此如何綜合應用現(xiàn)有優(yōu)化算法，真正的提高車間調度的信息化水平有待于進一步的研究。由于實際調度問題的高度復雜性和現(xiàn)有計算條件的局限性決定了不可能把實際調度中所有影響因素都納入考慮之中，NFL（No Free Lunch theorem）定理表明不存在萬能的適用于任何問題的優(yōu)化算法，因此探索各算法的適用范圍也是一件重要的研究工作。建立系統(tǒng)的算法框架有利于該領域的發(fā)展，并揚長避短發(fā)展混合型算法，從而提高算法的性能。
（2）進一步確保解的次優(yōu)性。總的來說，生產調度問題的研究方法主要有精確算法和近似算法。前者只能解決小規(guī)模的車間調度問題，雖然已有不少的改進，但是距離實用還有一段較大__的距離。近似算法由于能在合理的時間產生比較滿意的解，而被廣泛應用于實際調度中，但是往往對解的次優(yōu)性不能評估，所以解的次優(yōu)性的保障及定量評估問題也是下一步要解決的問題。
（3）探索新的調度算法。針對于現(xiàn)有生產調度算法所存在的局限性，應與生物工程及應用數(shù)學等交叉學科相結合，探索新的實用算法。系統(tǒng)、全面、合理的生產調度方法，己經(jīng)成為先進制造技術實踐的基礎和關鍵。
4 不確定條件下的生產調度策略及評價指標
4.1 不確定條件下的生產調度策略
針對不確定條件下的生產調度策略問題，近年來出現(xiàn)了一些新方法用來解決NP難題，目前已經(jīng)形成了以下策略。
（1）并行或分布策略。為適合不同車間控制結構與高度復雜問題的需要，不少學者利用并行或分布策略來解決車間調度問題。如用多智能體結構的分布式?jīng)Q策方法對柔性加工系統(tǒng)(FMS)進行動態(tài)調度。
（2）分解與成組策略。利用分解生產計劃或成組技術的調度策略，可以大大降低問題的計算復雜性和規(guī)模，求得調度問題的較優(yōu)解，同時優(yōu)化系統(tǒng)的一些性能指標。
（3）人機交互策略。大量的研究成果表明：人機協(xié)同交互的策略可以減少系統(tǒng)的搜索空間，可在有限時間、背景知識條件下解決困難的問題。交互反應式調度的主要優(yōu)點是：在交互反應排產之前，通過智能算法(如GA、PSO和ANN等)得到最優(yōu)調度計劃；一旦最優(yōu)排產計劃出現(xiàn)紊亂和擾動時，可通過交互反應，進行快速修復，使得調度方案能夠快速適應變化。采用基于多智能體系統(tǒng)(MAS)的混合方法是解決模型的準確性、實用性和求解可行性的有效途徑。
（4）動態(tài)重調度策略。預測控制是上世紀70 年代后期產生的一類新型的計算機控制算法，其基礎是3個基本原理：預測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正。其與其他傳統(tǒng)最優(yōu)控制的根本區(qū)別在于，在預測控制中優(yōu)化不是一次離線進行，而是反復在線進行。不是用一個對全局相同的優(yōu)化性能指標，而是在每一時刻有一個相對于該時刻的優(yōu)化性能指標。它放棄了全局最優(yōu)的概念，通過在向優(yōu)化每個滾動區(qū)間，使系統(tǒng)在此區(qū)間內達到最優(yōu)，通過滾動而得到較為滿意的控制結果。這使預測控制在工業(yè)過程控制中取得了廣泛的應用。這一思想同樣可以用于生產調度系統(tǒng)中。方劍等針對Job-shop 調度問題，提出了基于工件的滾動調度的方法[10]。張純剛等運用基于預測控制的滾動優(yōu)化的思想，對機器人路徑進行規(guī)劃[11]。把這種思想用于生產調度，主要的研究內容在于怎樣確定滾動窗口，以及怎樣進行再調度以保證生產的連續(xù)性。車間制造過程的隨時性和不確定性需要不斷地進行重調度，以處理突發(fā)的事件?；谀壳暗难芯浚瑢τ趧討B(tài)調度的具體策略有：周期調度、連續(xù)調度、事件驅動調度、周期與事件驅動混合調度、周期與連續(xù)調度混合的策略等[12]。因此發(fā)展重調度和在線調度系統(tǒng)，建立具有魯棒性的動態(tài)集成模型有現(xiàn)實意義。
（5）生產計劃、調度與監(jiān)控集成策略。生產計劃與調度的集成研究具有全局優(yōu)化的特征，也符合先進制造模式的思想，同時提高了生產系統(tǒng)的柔性。全局調度與局部控制相結合：生產調度管理系統(tǒng)必須在宏觀上把握生產的全過程，又必須對每一個車間和裝置的具體生產作出指導，以保證生產的優(yōu)質高效。傳統(tǒng)生產作業(yè)計劃、調度和控制三者是相互獨立的，將三者結合的集成研究具有全局優(yōu)化的特征，符合先進制造模式的思想，是目前研究領域中的熱點問題。
（6）異地生產調度策略。作為敏捷制造模式的關鍵技術之一，異地生產調度策略也成為近期的研究熱點，具有比較廣闊的應用前景。
（7）生產調度工作要以預防為主、以生產進度計劃為依據(jù)，這是生產調度工作的基本原則。生產調度工作的靈活性必須服從計劃的原則性，要圍繞完成計劃任務來開展調度業(yè)務。貫徹預防為主的原則，就是要抓好生產前的準備工作，避免各種不協(xié)調的現(xiàn)象產生。在組織生產過程中，不僅要抓配套保證需要，還要抓原輔料保證需要，防止只抓出產不抓投入，抓后不抓前的做法。通過對生產系統(tǒng)內、外部條件的觀察、調查、預測和分析，預測生產系統(tǒng)可能出現(xiàn)的結果，將預測結果與期望結果進行比較，對可能存在的偏差或隱患提前采取處理措施，以獲得預期的生產結果。生產調度工作要從實際出發(fā)，要經(jīng)常深入生產第一線，掌握第一手資料，及時了解和準確地掌握生產活動中千變萬化的情況，摸清客觀規(guī)律，深入細致地分析研究問題。把調度的生產指令規(guī)范化、具體化，使調度工作有計劃性、合理性、預見性，保證生產調度的各環(huán)節(jié)緊密銜接。加強生產調度管理，建立上下貫通、左右協(xié)調、集中統(tǒng)一、靈活高效的生產調度系統(tǒng)，及時了解、掌握生產進度，研究分析影響生產的各種因素，采取相應對策，是保證企業(yè)安全穩(wěn)定生產的關鍵。因此生產調度就要及時了解掌握各類影響因素，組織有關部門、有關人員處理解決這些不平衡因素，消除隱患，來保證生產長周期安全運行，保證生產計劃按要求實現(xiàn)。
（8）完善成本預算。企業(yè)成本控制的一個重要方面就是全面實行成本預算管理，包括預算編制、預算實施、預算差異分析、事后對標管理、經(jīng)濟活動分析等。實踐中的預算可以時刻生產進行差異分析，有效的加強對管理薄弱環(huán)節(jié)的控制，充分的提高生產設備的利用率及減少變動成本的浪費，從總體上降低生產成本。建立健全專門的預算管理機構，加強企業(yè)各部門間的信息溝通和相互約束，加強對預算執(zhí)行情況的監(jiān)督與考核，并對預算中不合理的地方做出調整，根據(jù)部門對預算的執(zhí)行情況，把成本管理的責、權、利落實到每個職工，將成本指標與工作績效掛鉤，嚴格考核、獎罰，通過預算管理的全過程來激發(fā)員工。
4.2 生產調度系統(tǒng)評價指標
企業(yè)生產調度方案評估系統(tǒng)，是面向制造企業(yè)，結合企業(yè)的生產特點、生產訂單、生產工藝和基礎數(shù)據(jù)等信息，構建的智能決策系統(tǒng)。計劃實施評價是計劃目標與其實現(xiàn)情況的檢查、對比和分析。實際的生產往往對一個調度問題有多個方面的優(yōu)化目標，在生產過程中這些目標之間可能發(fā)生沖突，導致調度方案無法產生符合預期的優(yōu)化效果。多個目標常常是交織在一起，需要用一種優(yōu)化算法來找到幾個目標的平衡點，這樣就更增加了調度算法的復雜性，也增加了生產調度評估的難度。企業(yè)實際生產環(huán)境差異性很大，基于不同的考慮，對于不同的生產方式，企業(yè)生產調度評估的側重點不同。比如有的側重于效率，有的側重于客戶的滿意度。因此程序不應該一成不變的設定評定指標，而應根據(jù)實際情況的需要，由專家靈活的選擇。不同企業(yè)的制造執(zhí)行系統(tǒng)是不同的，實際的生產過程千差萬別，系統(tǒng)中機器配置和資源、調度目標、調度策略均多種多樣，一個企業(yè)在不同市場形勢下的調度問題也可能大相徑庭。計劃實施過程中的所有不確定因素，會使計劃的實際與預期的目標相偏離。而提高對環(huán)境的響應能力最根本的是制造系統(tǒng)要將自身的資源進行合理快速的重構，通過內部變化來適應外部環(huán)境的變化。實施評價是一種反饋行為，它可以為計劃的調整或者新計劃的編制提供依據(jù)和經(jīng)驗。有必要定期把計劃的實際執(zhí)行結果與原始目標比較，作出系統(tǒng)、客觀的評價。計劃實施的評價可以在計劃的過去、現(xiàn)在和將來之間建立起認識的橋梁，增強制造系統(tǒng)適應市場的變化能力，它是制造業(yè)策略的目標。
生產調度系統(tǒng)評價指標體系如表1所示。每方面又各自包含多項評估指標，較為全面的概括了生產調度方案評估的內容。每項核心能力下屬的指標是該項能力的不同程度反映，在實際操作中，企業(yè)就可以根據(jù)自身的需求和基礎數(shù)據(jù)的特點靈活的選用評估指標。這些指標在進行調度評估時可以作為確定性因素考慮。而對于設備故障、原料供應變化、生產任務變化等非正常情況都是事先不能預見的，在進行調度評估時作為非確定性因素考慮。對于當今大多數(shù)的制造企業(yè)，生產策略評估的基本準則仍是安全、質量，成本、交付與服務并重的原則。這要求企業(yè)運用先進的理論、科學的工具和與時俱進的創(chuàng)新思維，構建一套實用的生產調度管理系統(tǒng)，通過有效的企業(yè)基礎數(shù)據(jù)采集、存儲、處理、傳遞、算法分析、評價與改進，要充分發(fā)揮信息的作用，把生產線上的反映生產狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息集中于實時關系型數(shù)據(jù)庫，再利用各種數(shù)據(jù)挖掘手段和工具進行開發(fā)，使之變?yōu)楣芾頉Q策信息，為生產調度決策提供依據(jù)，及時反饋，以達到生產管理水平的持續(xù)改進。生產調度系統(tǒng)評估目標主要有：
表1 常用的生產調度評價指標
（1）驗證先進合理的生產調度算法。通過優(yōu)化調度算法，優(yōu)化生產指標參數(shù)。
（2）為生產決策提供重要依據(jù)。生產調度系統(tǒng)可以為生產相關部門提供基本數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是進行生產決策的基礎。良好的生產作業(yè)排序方案是編制生產作業(yè)計劃的重要依據(jù)。同時，生產調度方案的順利實施要靠生產、供應、工藝等部門的密切協(xié)作來完成。
（3）提高生產管理水平。生產調度系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫及其管理模塊的建立，促進了生產相關數(shù)據(jù)的規(guī)范化，對生產設備、產品、零件、加工工藝等實行有效管理，為整個生產管理系統(tǒng)的建立與運行提供條件。
5 結論及展望
適應市場的變化需要制造業(yè)在向多品種、小批量的生產模式轉變，在這種模式下車間級的組織與控制方式對其生產調度要求更高，因此需要一個先進適用的調度系統(tǒng)，通過計算機進行準確的數(shù)據(jù)處理，對于下達的生產任務進行一定程度上的智能優(yōu)化調度，最大程度地減少生產過程中的非增值時間。車間生產調度系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為一個提高車間生產效率、提高企業(yè)競爭力的關鍵技術。其發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
（1）集成化。車間生產調度系統(tǒng)與工藝系統(tǒng)等其他系統(tǒng)的集成已經(jīng)是車間生產發(fā)展驅使的必然結果，發(fā)展方向是計劃調度控制一體化集成。只有將調度和控制綜合考慮，實現(xiàn)信息與功能的集成，才能形成一個適應生產環(huán)境不確定性和市場需求多變性的全局優(yōu)化的高質量、高柔性、高效益的智能生產系統(tǒng)。因此，調度系統(tǒng)應能與現(xiàn)有企業(yè)的信息基礎結構進行通信和信息交換，并作為信息基礎結構的一部分，這也是生產調度理論和方法的研究方向之一。信息化則可以在很大程度上使現(xiàn)有管理方式規(guī)范化，增加管理的透明度、增強各部門之間的溝通，使企業(yè)信息流、資金流、物流暢通無阻。調度層在CIMS結構中占有很大的比重，涉及生產進行的各個方面，其是承上啟下、維持生產進行的中間環(huán)節(jié)。
（2）動態(tài)化。在加工過程遇到擾動和故障時，調度方法能根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)修改原定的加工順序和調度系統(tǒng)的所有資源，使系統(tǒng)持續(xù)地、優(yōu)化地運行；生產計劃的安排基于實時能力信息和生產資源，能獲取實時生產和調度信息，企業(yè)資源利用得到優(yōu)化。對生產異常進行動態(tài)調度，系統(tǒng)每發(fā)一組指令，都要在當前的模型環(huán)境下運行這些調度指令，預測其后果，在不發(fā)生沖突并有利于調度目標的情況下，才能執(zhí)行調度指令，保證生產能夠在異常情況下也能夠得以正常的運行。如果動態(tài)調度結果影響到下游分廠的生產，應及時將本分廠的調度結果通知給下分廠，下分廠即可對本廠的作業(yè)計劃進行調整，保證生產的順暢進行。進行動態(tài)調度時要在原有模型環(huán)境的基礎上進行，減少大范圍調整造成的生產混亂的局面。通過將動態(tài)多變的復雜生產調度與控制問題，轉化為分散到各個決策節(jié)點上的局部決策問題，由于局部決__策相對與全局決策規(guī)模小，借助于節(jié)點間的協(xié)調、合作實現(xiàn)制造系統(tǒng)的整體調度與控制功能。
（3）高效智能化。尋找新的調度算法，該算法應該快速、高效地找到大規(guī)模調度問題的最優(yōu)或次優(yōu)解，并能對找到的解進行評估。其中，混合車間調度算法是當前和未來的研究熱點之一。車間生產調度系統(tǒng)的算法正在朝著人工智能技術方向發(fā)展，如遺傳算法、蟻群算法及模擬退火算法等。智能化的計算機具有學習功能，可以從舊有調度案例中獲取調度規(guī)則用于指導工作，從而避開無法綜合考慮所有影響因素的難題。由于MAS能夠充分體現(xiàn)人類的社會智能，對開放、動態(tài)的現(xiàn)實環(huán)境具有良好的靈活性和適應性，因此MAS理論受到重視并迅速發(fā)展，在制造領域(如車間資源配置、生產調度與控制、生產管理決策等)獲得越來越多的應用。
（4）柔性化。在傳統(tǒng)的車間調度問題的研究中，僅考慮每一工件具有唯一確定加工工藝路線的情況。隨著加工技術、自動化技術的發(fā)展，特別是FMS的出現(xiàn)，工件加工工藝路線必須唯一確定的傳統(tǒng)限制己被突破，工件具有多個可選擇的加工路線，即路徑柔性己成為生產的實際需求。車間生產調度系統(tǒng)正在由單目標優(yōu)化向多目標優(yōu)化發(fā)展，使車間調度更貼近實際車間的情況。
（5）排程可視化、最優(yōu)化、精準化。在生產能力負荷范圍內避免拖期及無辜等待時間，對計劃變更能做出快速的響應。排程系統(tǒng)為柔性的，滿足生產組織的靈活性，支持插單功能，同時也支持數(shù)據(jù)的自動調整與修正等。提升計劃的精確度及效率，建立高精度的未來生產計劃，實現(xiàn)可視化和目標管理，以分鐘的精度建立。工廠的每一臺機器設備或者每位工作人員從明天到未來的生產計劃，并且導出可行的生產指令。
隨著生產調度研究的深入及調度算法與生產實踐的進一步相結合，生產調度研究已經(jīng)從理論探索轉移到實際應用階段。目前，在基礎數(shù)據(jù)的制定和規(guī)范方面做了大量的工作，如物料的編碼管理等，為企業(yè)進一步的信息化集成奠定了良好的規(guī)范化基礎，促進企業(yè)向現(xiàn)代企業(yè)模式的轉變，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供動力。將信息技術與現(xiàn)代管理技術、工業(yè)過程控制技術等相結合，通過信息化帶動工業(yè)化進而取得企業(yè)的進步和發(fā)展將是企業(yè)的必由之路。大規(guī)模動態(tài)復雜生產調度系統(tǒng)是未來研究中的一個熱點與難點，對于生產調度問題這一具有NP-Hard特性的研究，隨著應用數(shù)學方法的發(fā)展，必然朝著集成化、動態(tài)實用化、多目標化、高度優(yōu)化方向深入。
摘自《自動化博覽》2011年十二期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號