陳 娟，王宗忠

(1.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院，廣州 510510;2.廣東工業(yè)大學，廣州 510090)

1 特許連鎖模具制造網(wǎng)格下的制造單元

目前我國模具制造業(yè)尚處于不發(fā)達階段:大多數(shù)模具制造企業(yè)規(guī)模小，缺乏關(guān)鍵設(shè)備，加工手段原始，生產(chǎn)效率低下;企業(yè)各自為戰(zhàn)，分散化經(jīng)營，行業(yè)整體聯(lián)系松散;模具設(shè)計、工藝與操作流程不規(guī)范，質(zhì)量無法保證;模具生產(chǎn)管理流程不規(guī)范，無法有效控制制造成本和交貨期。反觀國際模具制造市場的最新發(fā)展趨勢，一些大型生產(chǎn)廠商一直試圖減少模具供應(yīng)商的數(shù)量以減少管理的復(fù)雜性，并增大采購批量獲得折扣來降低成本，此外，延遲付款和分期付款的付款方式業(yè)經(jīng)成為入圍大企業(yè)供應(yīng)商的必須服從的條款。這些弊端造成了我國模具尤其是大型、精密、復(fù)雜、長壽命模具供不應(yīng)求的局面，使得國內(nèi)大多數(shù)模具企業(yè)缺乏國際市場競爭力，不具備承接大公司或大模具訂單的能力。弱化或打破企業(yè)間的壁壘，進行行業(yè)資源整合是擺在全行業(yè)面前重要而迫切的課題。針對這種情況，筆者所在的研究小組提出了用特許連鎖的經(jīng)營模式來改造模具行業(yè)的新思路［1-2］。我們認為，根據(jù)中國模具行業(yè)的現(xiàn)狀，特許連鎖是實現(xiàn)行業(yè)資源整合的較好方式。同時，我們借鑒了近幾年國內(nèi)外一些專家學者提出的開放式網(wǎng)格服務(wù)結(jié)構(gòu)OGSA［3］來構(gòu)造模具制造系統(tǒng)?；谀＞咧圃熘匈Y源配置的重要性和困難性，我們將物理意義上的制造資源與相應(yīng)的基本管理方法相結(jié)合，形成具有提供某類服務(wù)能力的制造網(wǎng)格單元，對其進行標準化封裝，并提供一組接口，所有的網(wǎng)格服務(wù)都通過這些接口實現(xiàn)。簡單和基礎(chǔ)的服務(wù)可以形成更復(fù)雜、更高級、更抽象的服務(wù)，這樣層層迭進就可以十分方便的實現(xiàn)資源配置的快速性和高效性、制造過程的標準化以及制造系統(tǒng)的擴展。例如，我們將設(shè)計、加工、裝配、存儲、運輸?shù)戎圃飙h(huán)節(jié)看作服務(wù)過程，將內(nèi)部的資源，如設(shè)備和人力資源，連同其中的計劃過程、調(diào)度過程以及管理過程一起封裝成制造網(wǎng)格系統(tǒng)的組成元素——網(wǎng)格單元，該單元只通過接口與外界聯(lián)系，完成相應(yīng)的制造服務(wù)(任務(wù))。將上述特許連鎖經(jīng)營理念與網(wǎng)格化制造模式相結(jié)合得到模具特許連鎖制造網(wǎng)格的示意圖如圖1所示。

圖1 模具特許連鎖制造網(wǎng)格

在統(tǒng)一承接了客戶的模具訂單后，作為網(wǎng)格中心的連鎖總部(大型模具企業(yè))將訂單以企業(yè)制造項目(在模具企業(yè)，一套模具為一個項目)的方式來進行管理，從事以下幾方面的工作:①承擔主要的訂單設(shè)計任務(wù)(這是因為大多數(shù)模具企業(yè)不具有設(shè)計能力)，如果某些加盟企業(yè)具有小訂單的設(shè)計能力，可考慮將設(shè)計任務(wù)分配給它們;②制定項目物流規(guī)劃方案，確定項目所需的物料數(shù)量、種類，采購這些物料的時機，這些物料在各個存儲單元之間的合理分布，選擇何種運送路線等等;③制定實際制造任務(wù)分配方案，即按各個加盟企業(yè)的實力將項目(如果企業(yè)能夠承擔整個項目)或工件任務(wù)分配給它們;④對加盟企業(yè)項目或任務(wù)執(zhí)行過程進行監(jiān)控，包括質(zhì)量控制，成本控制和進度控制。對加盟企業(yè)而言，要考慮的是如何將連鎖總部分配的項目(如果是項目則先要對項目進行分解)或任務(wù)，與提供該項服務(wù)的某個具體網(wǎng)格單元(設(shè)計、制造、倉儲、運輸?shù)?匹配，匹配所依據(jù)的信息主要是每個網(wǎng)格單元的能力和動態(tài)負荷。對網(wǎng)格單元而言，在承接了某項具體的網(wǎng)格需求后，其所要決策的是單元內(nèi)部具體設(shè)備和人員的實時調(diào)配問題，即確定某項任務(wù)由哪個人/哪臺設(shè)備何時開始、何時完成。具體到制造單元，它負責將上層加盟企業(yè)分發(fā)下來的生產(chǎn)訂單(零部件生產(chǎn)計劃)進行分解，并根據(jù)底層設(shè)備控制層的生產(chǎn)信息編制詳細作業(yè)計劃，將各作業(yè)在各加工資源上排序，并在生產(chǎn)執(zhí)行過程中通過生產(chǎn)跟蹤反饋的信息及時對計劃進行調(diào)整。

2 模具網(wǎng)格制造單元生產(chǎn)調(diào)度

要根據(jù)模具生產(chǎn)的特點來界定模具網(wǎng)格制造單元生產(chǎn)調(diào)度問題的性質(zhì)。首先，模具的每個零件包含多道工序，每道工序由不同種類的機器加工而成，因而模具制造單元生產(chǎn)調(diào)度屬于多機問題。第二，模具生產(chǎn)是面向訂單的，訂單的獲得具有很大的隨機性，這意味著從上層加盟企業(yè)層分配到模具制造單元的生產(chǎn)訂單(工件)是陸續(xù)不斷的、不定時的，因而模具制造單元生產(chǎn)調(diào)度屬于動態(tài)調(diào)度。第三，模具生產(chǎn)是單件生產(chǎn)，一般每種模具只生產(chǎn)一套，因此到達模具制造單元的工件其工藝路線一般不同，因而模具制造單元生產(chǎn)調(diào)度屬于Job-Shop問題。另外，在對模具企業(yè)進行調(diào)研的過程中，我們發(fā)現(xiàn)，模具零件的工藝路線一般是由參加過該套模具設(shè)計的設(shè)計人員擔任工藝計劃員預(yù)先確定的，模具零件就依照這條工藝路線來加工，只在極個別的情況下，才會發(fā)生工藝路線的改變。故在本文中，擬按確定工藝路線來討論模具制造單元生產(chǎn)調(diào)度問題。第四，在模具的加工過程中，突發(fā)事件多，且工件加工時間等參數(shù)不確定，故模具制造單元生產(chǎn)調(diào)度屬于隨機性問題。最后，模具生產(chǎn)的目標是要在保證模具質(zhì)量和交貨期的基礎(chǔ)上，最大限度地降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)收益。故模具制造單元生產(chǎn)調(diào)度通常屬于多目標決策問題。

總而言之，模具制造單元生產(chǎn)調(diào)度屬于多機、多任務(wù)、有復(fù)雜約束、不同任務(wù)具有不同工藝路線、任務(wù)不斷不定時輸入輸出的Jop-shop類隨機調(diào)度，是生產(chǎn)調(diào)度問題中較復(fù)雜的一類，屬于NP完全問題。它的基本任務(wù)是圍繞模具零件的加工制造，解決并行加工的多個零件如何共享有限資源以最大限度地滿足加工成本、交貨期的問題。它不但要對零件的各道工序任務(wù)在各個資源上的加工順序和時間進行安排，而且要監(jiān)控制造單元生產(chǎn)中出現(xiàn)的意外情況(包括上層加盟企業(yè)下達的生產(chǎn)訂單信息的改變和下層設(shè)備控制層反饋的異常信息)對原先做好的工序任務(wù)安排進行實時的再調(diào)整，是一個持續(xù)更新、動態(tài)變化的過程。

3 基于優(yōu)先規(guī)則的啟發(fā)式調(diào)度算法

與其它算法相比，啟發(fā)式算法具有以下優(yōu)點［4］:①收斂速度快，能在較短的時間內(nèi)得到讓人滿意的解;②算法編程簡單，易于實現(xiàn)且容易修改;③不需要建立問題的數(shù)學模型;④是針對求解的某類具體問題設(shè)計的，依賴于問題的具體特征，利用了專門的知識和經(jīng)驗，只要設(shè)計得當就可能得到特定問題的較優(yōu)解。基于此，本文針對模具制造單元生產(chǎn)調(diào)度問題設(shè)計了一種基于優(yōu)先規(guī)則的可進行并行作業(yè)調(diào)度的啟發(fā)式算法［5］，現(xiàn)用類C語言來描述該啟發(fā)式算法:

4 算法驗證與分析

設(shè)某模具制造單元的機器情況如表1:

表1 模具制造單元機器設(shè)備

現(xiàn)有6個工件同一周期排產(chǎn)，它們的工藝路線、工序加工時間、工序加工成本、交貨期如表2(注:表中C(5，10)(7，8)表示某道工序要用CNC機床加工，用C1加工的時間是5、成本是10，用C2加工的時間是7，成本是8):

表2 工藝計劃

根據(jù)上述算法獲得生產(chǎn)計劃的甘特圖如圖2所示。

圖2 甘特圖

J1、J2、J3、J4、J5、J6 的完工時間分別是 16、25、28、37、19、23，即只有J4有少量誤工。工件加工的總成本為(10+4+6)+(4+6+3+6)+(5+6+9+6)+(8+5+5+6+6)+(6+5+5)+(2+6+7+7+4)=137，加工成本應(yīng)當在119和154之間變動。

工件的加工情況和機器的利用情況如表3、表4所示。

表3 工件加工情況

表4 機器利用率

經(jīng)過多次變換單元內(nèi)各類機器的數(shù)目和工件加工路線，仍然用該算法來進行作業(yè)排序，仿真結(jié)果都證明該種啟發(fā)式算法基本能夠滿足誤工工件數(shù)量少、兼顧加工成本盡可能小的原則，并且該種算法具有一定的收斂速度。在此不一一列出。

5 結(jié)束語與創(chuàng)新點

實際上，單純從算法的角度來看，對本文所探討的制造單元生產(chǎn)調(diào)度問題的給定實例，該種啟發(fā)式調(diào)度算法只包含對工件和機器的有限搜索、排序及不等式判斷，其時間復(fù)雜度應(yīng)是實例大小的多項式，可以快速對問題求解。同時，由于該算法在每個均分時段的起始時刻搜索在某類機器上等待排產(chǎn)的工件的工序任務(wù)及其個數(shù)、某類機器的可用機床個數(shù)，因此該算法可實現(xiàn)對實際生產(chǎn)過程中上層加盟企業(yè)和下層設(shè)備異常情況的及時反應(yīng)并對生產(chǎn)計劃作出及時調(diào)整，能夠滿足特許連鎖網(wǎng)格制造單元的生產(chǎn)調(diào)度需求。

本文創(chuàng)新點:①本文的調(diào)度算法是針對特許連鎖經(jīng)營模式下的模具網(wǎng)格制造單元制定的;②該調(diào)度算法是一種新的行之有效的基于規(guī)則的啟發(fā)式算法。

［1］陳慶新，田文生，陳新，等.特許連鎖模式下的模具制造網(wǎng)格系統(tǒng)架構(gòu)［J］.計算機集成制造系統(tǒng)，2003，9(7):595-600.

［2］陳娟，陳慶新，陳新.特許連鎖經(jīng)營模式下的模具制造系統(tǒng)建模［J］.制造業(yè)自動化，2004(增刊):58-66.

［3］Foster I，Kesselman C，Nick J et al.The Physiology of the Grid:An Open Grid Services Architecture for Distributed Systems Open Grid Service Infrastructure.Global Grid Forum，2002.

［4］刑文訓，謝金星.現(xiàn)代優(yōu)化計算方法［M］.北京:清華大學出版社，1999.

［5］毛寧，劉霞，林潔瑜.關(guān)于M類機器的非流水復(fù)雜作業(yè)排序問題的一種啟發(fā)式算法［J］.工程數(shù)學學報，1996，6(13):65-73.