韓忠華, 史海波，劉 昶，張 波

HAN Zhong-hua1,2, SHI Hai-bo2, LIU Chang2, ZHANG Bo3

（1. 中國(guó)科學(xué)院 研究生院，北京 100049；2. 中國(guó)科學(xué)院 沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所 工業(yè)信息學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110016；3. 長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，長(zhǎng)春 130062）

0 引言

近年來(lái)客車行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，給客車企業(yè)的生存與發(fā)展造成了巨大的壓力。由于客車行業(yè)具有產(chǎn)量低、品種多的特點(diǎn)，所以自動(dòng)化水平都不是很高，與其它汽車行業(yè)相比屬勞動(dòng)密集型企業(yè)，基本上靠手工操作。另外，客戶定制已成為客車生產(chǎn)的必然趨勢(shì)。某客車股份有限公司是中國(guó)最大的客車制造商，其制造模式是面向客戶定制，甚至面向客戶設(shè)計(jì)，導(dǎo)致客車生產(chǎn)品種多、批量小、工藝復(fù)雜，隨著行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)加劇，客戶的交貨期要求越來(lái)越短，這就需要制造部門既能滿足柔性制造，又要滿足較短的交貨期；同時(shí)，隨著業(yè)務(wù)量的不斷增長(zhǎng)，生產(chǎn)的不均衡為制造部門的計(jì)劃、現(xiàn)場(chǎng)管理帶來(lái)了更大的壓力。生產(chǎn)品種和生產(chǎn)過(guò)程多樣性使得生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)組織復(fù)雜化，帶來(lái)諸多生產(chǎn)管理上的困難。目前SAP給出的日生產(chǎn)計(jì)劃指派到關(guān)鍵工位，對(duì)車間的生產(chǎn)指揮調(diào)度有一定支持。但由于計(jì)劃的粒度粗，無(wú)計(jì)劃完成情況的實(shí)時(shí)反饋，無(wú)計(jì)劃完成情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況反映不是很全面，特別是對(duì)于具有典型的混合流水車間特點(diǎn)的涂裝車間生產(chǎn)管理意義不大，難以滿足承裝吊裝的要求。倒排的優(yōu)勢(shì)是從目標(biāo)倒推，所以排產(chǎn)結(jié)果一定滿足吊裝點(diǎn)要求。倒排產(chǎn)是基于拉式生產(chǎn)模式，與該企業(yè)客車生產(chǎn)線的特點(diǎn)一致。所以根據(jù)廠方的要求，涂裝車間采用倒排產(chǎn)邏輯進(jìn)行詳細(xì)排產(chǎn)。但是由于產(chǎn)能等原因在倒排產(chǎn)的實(shí)施過(guò)程中，倒排產(chǎn)過(guò)程中常常會(huì)引發(fā)排產(chǎn)沖突。所以本文從倒排產(chǎn)的實(shí)施入手，分析倒排產(chǎn)沖突的原因，給出解決倒排產(chǎn)沖突的解決方案。

1 涂裝車間計(jì)劃排產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車間計(jì)劃排產(chǎn)是企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃的重要組成部分，是車間活動(dòng)的基礎(chǔ)。車間排產(chǎn)系統(tǒng)通過(guò)考慮排產(chǎn)目標(biāo)，根據(jù)班組能力、設(shè)備能力、均衡生產(chǎn)、工藝約束以及生產(chǎn)中的交疊、重疊和并行等因素來(lái)確定工序的加工班組或者設(shè)備及開工、完工時(shí)間。通過(guò)優(yōu)化排序合理安排生產(chǎn)，達(dá)到滿足交貨期要求，縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率的目的。

涂裝車間計(jì)劃排產(chǎn)系統(tǒng)主要為涂裝車間的ABCF線和GHUR線以及電泳車間提前給出計(jì)劃產(chǎn)出車輛的排產(chǎn)計(jì)劃，指導(dǎo)車間的實(shí)際生產(chǎn)。據(jù)該企業(yè)客車業(yè)務(wù)現(xiàn)狀，涂裝車間與承裝車間之間的吊裝點(diǎn)影響整個(gè)生產(chǎn)線的進(jìn)度。據(jù)此涂裝車間計(jì)劃排產(chǎn)系統(tǒng)以吊裝點(diǎn)的吊裝計(jì)劃序列為基礎(chǔ)，在滿足吊裝序列的基礎(chǔ)上對(duì)涂裝生產(chǎn)進(jìn)行倒序排產(chǎn)，獲得每輛在車每個(gè)排產(chǎn)工序的開工時(shí)間和完工時(shí)間。計(jì)劃排產(chǎn)系統(tǒng)根據(jù)車輛工藝工時(shí)、班組設(shè)置、規(guī)則設(shè)置以及SAP系統(tǒng)給的吊裝和焊裝序列等數(shù)據(jù)，對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行排產(chǎn)。

利用本系統(tǒng)ABCF線和GHUR線可單獨(dú)進(jìn)行排產(chǎn)。根據(jù)車間的生產(chǎn)現(xiàn)狀，排產(chǎn)過(guò)程中電泳車間采用根據(jù)ABCF線和GHUR線的計(jì)劃產(chǎn)品進(jìn)行按比例分配的排產(chǎn)方式。根據(jù)涂裝現(xiàn)有的業(yè)務(wù)需求，涂裝計(jì)劃排產(chǎn)系統(tǒng)的總體物理架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 計(jì)劃排產(chǎn)系統(tǒng)物理總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

ABCF線和GHUR線都具有訪問(wèn)排產(chǎn)系統(tǒng)的權(quán)限，可分別進(jìn)行排產(chǎn)。通過(guò)計(jì)劃排產(chǎn)系統(tǒng)的ABCF線和GHUR線的客戶端，先對(duì)排產(chǎn)需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，然后觸發(fā)存放在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中的排產(chǎn)過(guò)程，排產(chǎn)結(jié)束后將排產(chǎn)結(jié)果返回到排產(chǎn)的客戶端。同時(shí)排產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器要定期的從追蹤數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)中獲得SAP排出的吊裝序列和焊裝序列數(shù)據(jù)。并在排產(chǎn)過(guò)程前加載從生產(chǎn)追蹤系統(tǒng)獲取的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)進(jìn)度信息。

圖2 涂裝排產(chǎn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

計(jì)劃排產(chǎn)系統(tǒng)邏輯總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示：排產(chǎn)系統(tǒng)可從生產(chǎn)追蹤系統(tǒng)獲得SAP系統(tǒng)排產(chǎn)的吊裝計(jì)劃和焊裝計(jì)劃以及現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)狀態(tài)信息，并通過(guò)維護(hù)車間模型數(shù)據(jù)、車輛的工藝工時(shí)數(shù)據(jù)、排產(chǎn)約束規(guī)則、車間計(jì)劃管理、工作日歷管理、產(chǎn)能分析等數(shù)據(jù)；選擇排產(chǎn)日期，進(jìn)行計(jì)劃排產(chǎn)；可對(duì)排產(chǎn)結(jié)果與上次排產(chǎn)結(jié)果進(jìn)行沖突校驗(yàn)，并顯示排產(chǎn)結(jié)果。

2 倒排產(chǎn)算法應(yīng)用研究

倒排產(chǎn)算法也叫倒序排產(chǎn)法，是指將確定的訂單完成時(shí)間作為起點(diǎn)，然后安排各道工序，找出各工序的開工日期，進(jìn)而得到訂單的最晚開工日期。排產(chǎn)計(jì)算由合同的交貨日期開始，進(jìn)行倒序計(jì)算，以便確定每道工序的完工日期。倒排產(chǎn)算法在本排產(chǎn)系統(tǒng)中解釋為從吊裝序倒推到最后一道工序（第M個(gè)工序），再?gòu)淖詈笠坏拦ば蛞恢钡雇苹氐谝坏拦ば?，采用倒排產(chǎn)算法獲取的每道工序（第N-1道工序，N≤M）時(shí)間對(duì)列是基于已經(jīng)排過(guò)的工序（第N道工序）時(shí)間對(duì)列推出。

在倒排產(chǎn)的過(guò)程中，每道工序時(shí)間隊(duì)列的處理有三個(gè)要點(diǎn)：

對(duì)于工序，從最后一個(gè)工序（第M個(gè)工序）往前倒推，一直推到第一個(gè)工序。

對(duì)于某個(gè)工序的車從給下一個(gè)工序交車時(shí)間最晚的車開始排，排到交車時(shí)間最早的車。

對(duì)于某工序的某個(gè)單車，已排過(guò)的工序（第N道工序）開始時(shí)間作為本工序要排的這輛車的最晚完工時(shí)間（第N-1道工序）。

對(duì)于涂裝車間，倒排產(chǎn)的實(shí)施就是根據(jù)吊裝計(jì)劃要求的吊裝序，確定涂裝上線序列及時(shí)間，并且給出車輛在生產(chǎn)過(guò)程中每道工序的施工班組或者設(shè)備及開工、完工時(shí)間，計(jì)劃時(shí)間精確到分鐘。首先對(duì)排產(chǎn)車輛按照吊裝上線時(shí)間要求進(jìn)行降序排列，然后從涂裝的最后一道工序開始進(jìn)行排產(chǎn)，從吊裝上線時(shí)間最晚的車輛開始，根據(jù)完工時(shí)間要求和工序工時(shí)，確定車輛的施工班組或者設(shè)備及最晚開工時(shí)間，直到本工序前的所有車輛處理完畢；將排產(chǎn)車輛在本道工序的最晚開工時(shí)間作為前一道工序的最晚完工時(shí)間，也就是本工序的排產(chǎn)結(jié)果作為前一道工序排產(chǎn)過(guò)程的輸入，并按照車輛在前一道工序的完工時(shí)間要求降序排列，依次確定車輛在前一道工序的施工班組或者工位及最晚開工時(shí)間；按工序倒序依次處理，直到所有的要求排產(chǎn)車輛在涂裝第一道工序排產(chǎn)完成。倒排產(chǎn)的具體實(shí)施過(guò)程如圖3所示，圖中展示的是簡(jiǎn)化表示的20日和21日兩天的倒排產(chǎn)結(jié)果。

3 產(chǎn)生沖突原因分析

圖3 倒排算法演示圖

對(duì)圖3的倒排產(chǎn)演示圖進(jìn)行分析，就會(huì)發(fā)現(xiàn)從吊裝序列倒推所得到的排產(chǎn)數(shù)據(jù)其中的規(guī)律性。對(duì)于一個(gè)工序（第N-1工序）的所要排產(chǎn)的車是從時(shí)間最大的車開始排，全部車的最晚完工時(shí)間是基于已排過(guò)的工序（第N工序）的開工時(shí)間，這樣就確定這個(gè)工序倒排產(chǎn)的最晚完工時(shí)間，是這個(gè)工序的已排過(guò)的工序（第N工序）最晚開工車的開工時(shí)間。在倒排產(chǎn)過(guò)程中，一個(gè)吊裝日的全部車在一個(gè)工序最大值覆蓋時(shí)間是：前一個(gè)吊裝日的車在此工序的最大完工時(shí)間到本吊裝日最大完工時(shí)間的時(shí)間間隔。對(duì)于有并行工位的工序是同樣的情況。如果一個(gè)吊裝日所有車的排產(chǎn)覆蓋時(shí)間的大于這個(gè)時(shí)間間隔，則會(huì)引起沖突。進(jìn)一步分析，一個(gè)吊裝日的車某一個(gè)工序的如果不發(fā)生沖突，就是本次排產(chǎn)的吊裝日在這個(gè)工序的最小開工時(shí)間大于上一個(gè)吊裝日的車在本工序的最大完工時(shí)間。如圖3所示，21日吊裝的車在工序3的如果發(fā)生沖突，即在工序3排產(chǎn)的21日吊裝的車的最小開工時(shí)間（即車輛100的開工時(shí)間）小于已排產(chǎn)的20日吊裝的車的最大完工時(shí)間（即車輛70的完工時(shí)間）。

3.1 產(chǎn)能不足

一個(gè)吊裝日要生產(chǎn)的車在瓶頸工序（找到瓶頸工序）的總工時(shí)大于這個(gè)工序配置班組（設(shè)備的提供的工時(shí)決定于所配置的班組的工作時(shí)間）總工時(shí)，例如一個(gè)設(shè)備的配置班組的總工時(shí)是21小時(shí)15分（有效工作時(shí)間），這是如何算出的：一天的時(shí)間是24個(gè)小時(shí)，工作時(shí)間是各個(gè)工作時(shí)間段之和（8：15-12：00 13：30-19：5920：00- 23：591：00-7：30）累加到一起是21小時(shí)15分，這道工序要加工的車的總工作時(shí)間之和是23小時(shí)，所以這個(gè)工序配置班組即使設(shè)備利用率達(dá)到100%也根本作不完這些加工任務(wù)。這表現(xiàn)為極限產(chǎn)能不足。

如果考慮到設(shè)備利用率 OEE，工序間車的轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，特殊的加工工藝要求，例如漆房加工每個(gè)車的時(shí)間間隔是5分鐘，工序節(jié)拍不一致時(shí)導(dǎo)致的生產(chǎn)等待時(shí)間，在上下班時(shí)間（換班組的情況下），做這個(gè)工序的班組快要下半時(shí)，所剩余時(shí)間不夠再生產(chǎn)一個(gè)車，上述情況就會(huì)浪費(fèi)一些加工時(shí)間，這種對(duì)時(shí)間的浪費(fèi)在單車工時(shí)比較長(zhǎng)的工序表現(xiàn)的尤其嚴(yán)重，所以設(shè)備的目標(biāo)利用率達(dá)不到100%。所以長(zhǎng)工時(shí)的工序的目標(biāo)設(shè)備利用率一般控制的80%左右。有效工作時(shí)間就是該工序的班組能提供的總加工時(shí)間與目標(biāo)設(shè)備利用率的乘積。當(dāng)這道工序要加工的車的總工作時(shí)間之和大于該工序的有效工作時(shí)間的情況下，就體現(xiàn)為產(chǎn)能不足。產(chǎn)能不足是引起的倒排產(chǎn)沖突的主要原因，即這工序的班組所能提供的排產(chǎn)時(shí)間工時(shí)排不下要排產(chǎn)的生產(chǎn)任務(wù)。

3.2 吊裝計(jì)劃不合理

吊裝計(jì)劃問(wèn)題中隱含著兩個(gè)引起沖突的情況，首先討論一種簡(jiǎn)單的情況，就是累計(jì)加工時(shí)間長(zhǎng)的車應(yīng)該先上線后吊裝，例如做多遍彩條工序的車，這種車的凈加工時(shí)間遠(yuǎn)超過(guò)客車在涂裝車間平均停留時(shí)間，因此種車在涂裝上線序列中應(yīng)該先上線，在吊裝序列中應(yīng)該后吊裝。如果吊裝序列安排的不合理，累計(jì)加工時(shí)間長(zhǎng)的車后上線先吊裝，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)序列的等待和阻塞，導(dǎo)致沖突。

另一個(gè)吊裝計(jì)劃安排不合理的情況，同時(shí)也是倒排產(chǎn)沖突的一個(gè)主要原因。在倒排產(chǎn)過(guò)程中，一個(gè)吊裝日的全部車在一個(gè)工序最大值覆蓋時(shí)間是：前一個(gè)吊裝日的車在此工序的最大完工時(shí)間到本吊裝日最大完工時(shí)間的時(shí)間間隔。由于這個(gè)時(shí)間間隔是基于吊裝序列的最晚吊裝時(shí)間得出，相鄰的兩個(gè)吊裝日的最晚吊裝時(shí)間如果相同，則這個(gè)時(shí)間間隔是24小時(shí)；如果相鄰的兩個(gè)吊裝日的最晚吊裝時(shí)間如果不相同，則這個(gè)時(shí)間就會(huì)出現(xiàn)不等于24小時(shí)的情況，如果前一個(gè)吊裝序列覆蓋時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致兩次排產(chǎn)時(shí)間間隔過(guò)短，即不到24小時(shí)。則會(huì)使增大沖突的情況。

3.3 生產(chǎn)中工序節(jié)拍不一致

由于工序間的節(jié)拍不一致使得，這主要是由于每天下的吊裝計(jì)劃中的車在做一道工序的時(shí)候，單車的工時(shí)不一致。導(dǎo)致在排產(chǎn)時(shí)造成等待，加長(zhǎng)排產(chǎn)的覆蓋時(shí)間。

3.4 倒排產(chǎn)算法內(nèi)在原因

排產(chǎn)結(jié)果給出的是車輛的在每道工序的最晚開工時(shí)間，并且在倒排過(guò)程中沒有考慮異常情況。所以如果按照排產(chǎn)結(jié)果安排實(shí)際生產(chǎn)，屬于緊后生產(chǎn)，一旦出現(xiàn)異常情況，就會(huì)出現(xiàn)延遲。如果要解決這個(gè)問(wèn)題，就要在排產(chǎn)過(guò)程在每道工序前設(shè)置工序松弛時(shí)間。這就會(huì)增加每個(gè)工序排產(chǎn)的覆蓋時(shí)間，這會(huì)導(dǎo)致沖突加劇。

4 沖突解決方案

4.1 增大產(chǎn)能

產(chǎn)能不夠時(shí)應(yīng)該增加產(chǎn)能，這里需要注意的是，如果是按班組排產(chǎn)的只要增加班組就可以了。如果是按位置排產(chǎn)，并是班組和位置是一對(duì)一的情況，就需要班組和位置同時(shí)增加。

4.2 減少要吊裝的車

當(dāng)產(chǎn)能不能增加時(shí)，應(yīng)該減少要吊裝的車輛。將吊裝計(jì)劃減下來(lái)的車改到下一天吊裝。

4.3 調(diào)整吊裝序

除了要把吊裝計(jì)劃中凈工時(shí)長(zhǎng)的車放后面吊裝外，最主要的時(shí)候要整理吊裝計(jì)劃。將吊裝提前，適當(dāng)?shù)奶崆暗跹b計(jì)劃，不會(huì)影響生產(chǎn)進(jìn)程，即將吊裝序列規(guī)定一個(gè)最晚的吊裝時(shí)間，將比這個(gè)最晚的吊裝時(shí)間的車都前，其實(shí)質(zhì)也是一種收縮處理。

4.4 局部收縮

對(duì)于遇到瓶頸工序后的工序，當(dāng)時(shí)間隊(duì)列被展開時(shí)，需要收縮時(shí)間對(duì)列，這要犧牲一些總工作時(shí)間，也會(huì)增加單車的加工時(shí)間，但會(huì)減少?zèng)_突發(fā)生的概率。主要是針對(duì)生產(chǎn)中工序節(jié)拍不一致和倒排產(chǎn)算法內(nèi)在原因兩個(gè)引起沖突的原因進(jìn)行處理。通過(guò)局部收縮整體調(diào)整各工序的覆蓋時(shí)間梯度，起到調(diào)整生產(chǎn)節(jié)拍和減弱緊后算法帶的影響。

5 結(jié)論

由于客車在各工序的生產(chǎn)時(shí)間存在極大的不確定性（手工作業(yè)），涂裝工藝路徑的可變性，同一類型工作中心的重復(fù)性，以及緊急定單的插入等眾多因素的存在，這些不利的因素給涂裝車間的排產(chǎn)帶來(lái)很大的困難。采用倒排產(chǎn)算法在保證客戶交貨期的前提下，充分發(fā)揮班組和設(shè)備能力，縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率。針對(duì)在倒排產(chǎn)實(shí)施過(guò)程出現(xiàn)的排產(chǎn)沖突，采用增大產(chǎn)能與調(diào)整吊裝序等方法進(jìn)一步增強(qiáng)和完善倒排產(chǎn)算法，獲得良好的效果，得到涂裝生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃，能夠指揮涂裝車間的生產(chǎn)。

[1]習(xí)小英,鄒海峰,王英明,姜莉莉.單件小批量生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃的倒排產(chǎn)算法研究[J].現(xiàn)代制造工程,2004,(9)：5-7.

[2]張焱.客車混流生產(chǎn)組織[J].客車技術(shù)與研究,2001,23(3)：4-5.

[3]呂希勝,史海波,潘福成.制絲線計(jì)劃與調(diào)度系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2009,31(1)：83-86.

[4]邱文坪,史海波,尚文利.混流汽車總裝配線上的零部件優(yōu)化配送方案研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2008,(1)：138-140.

[5]嚴(yán)洪森,夏琦峰,朱雯如,劉霞玲.汽車裝配車間生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度的同時(shí)優(yōu)化方法[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào),2002,28(6)：911-919.

[6]程序,吳澄. 規(guī)模項(xiàng)目調(diào)度問(wèn)題的分解和協(xié)調(diào)優(yōu)化方法[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)[J],2009,49(1)：157-160.

[7]季建華,趙平,顧巧論.基于大規(guī)模定制的流程工業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化方法及應(yīng)用研究[J].信息與控制,2008,37(3)：362-369.