余鵬飛 姜 康 曹文鋼

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

基于人機(jī)協(xié)同機(jī)制的動(dòng)態(tài)作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)研究**

余鵬飛 姜 康 曹文鋼

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

針對離散制造業(yè)的單件、小批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，根據(jù)企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)特點(diǎn)和需求，在分析車間動(dòng)態(tài)調(diào)度系統(tǒng)調(diào)度流程的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)模塊功能，構(gòu)建了以生產(chǎn)批次為單位、拖期個(gè)數(shù)及生產(chǎn)周期最小為目標(biāo)的優(yōu)化模型，采用先到先服務(wù)、優(yōu)先級等規(guī)則對該調(diào)度模型的最優(yōu)近似解進(jìn)行求解。在調(diào)度過程中，采用基于事件的調(diào)度策略，同時(shí)充分考慮到人在系統(tǒng)中的主觀能動(dòng)性，開發(fā)了基于人機(jī)協(xié)同機(jī)制的動(dòng)態(tài)作業(yè)車間調(diào)度系統(tǒng)。

人機(jī)協(xié)同機(jī)制；動(dòng)態(tài)調(diào)度；調(diào)度管理系統(tǒng)；甘特圖

車間調(diào)度一直是企業(yè)車間管理的重點(diǎn)，良好的調(diào)度系統(tǒng)對于縮短生產(chǎn)周期，減少拖期，優(yōu)化生產(chǎn)有著重要意義[1]。車間調(diào)度是對生產(chǎn)計(jì)劃的補(bǔ)充和完善，貫穿于企業(yè)的整個(gè)生產(chǎn)過程，是保證車間生產(chǎn)在動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)環(huán)境下能夠高效運(yùn)行的關(guān)鍵[2]。近些年來，越來越多的專家學(xué)者熱衷于研究車間調(diào)度問題，動(dòng)態(tài)車間調(diào)度問題尤為熱點(diǎn)。在車間作業(yè)調(diào)度問題的研究中，劉想德、張根保發(fā)現(xiàn)隨著系統(tǒng)復(fù)雜度的增加，采用復(fù)雜的優(yōu)化調(diào)度技術(shù)是不明智的，系統(tǒng)的復(fù)雜性、隨機(jī)性越大，采用的調(diào)度策略應(yīng)該越簡單，采用優(yōu)先規(guī)則，是一種可以選擇的策略[3]；Panwalkar和IskaDder[4]對各種不同的規(guī)則進(jìn)行了歸納和總結(jié)；Montazeri Metal等針對實(shí)際的車間調(diào)度，列舉了常見的20條規(guī)則，并分析了這些規(guī)則對調(diào)度系統(tǒng)的影響[5]。然而這些研究往往著眼于單方面優(yōu)化，沒有考慮人、原材料、設(shè)備、環(huán)境等其他因素對生產(chǎn)調(diào)度的影響，這往往與生產(chǎn)實(shí)際過程相差很大。針對生產(chǎn)過程的隨機(jī)和不確定性以及資源的約束的變化，邵新宇、饒運(yùn)清等提出了一種動(dòng)態(tài)優(yōu)化算法與手動(dòng)調(diào)整結(jié)合的人機(jī)協(xié)同的動(dòng)態(tài)調(diào)度機(jī)制[6]，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)甘特圖來進(jìn)行排產(chǎn)，但是無法改變設(shè)備的工作時(shí)間等其他相關(guān)因素。

在前人研究以及調(diào)研的基礎(chǔ)上，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際和企業(yè)需求，本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了適合離散制造車間調(diào)度需求的人機(jī)協(xié)同的動(dòng)態(tài)作業(yè)車間調(diào)度系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)需求分析

生產(chǎn)調(diào)度是制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)的重要組成部分，是車間生產(chǎn)管理的核心和關(guān)鍵技術(shù)。生產(chǎn)調(diào)度是連接計(jì)劃和生產(chǎn)的關(guān)鍵性活動(dòng)。良好的生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，有效處理生產(chǎn)中的突發(fā)狀況，以提高生產(chǎn)活動(dòng)的柔性，確保生產(chǎn)的均衡和穩(wěn)定。系統(tǒng)除了應(yīng)具有的基本調(diào)度功能外，還應(yīng)該允許人員進(jìn)行計(jì)劃的手動(dòng)調(diào)整，具備信息反饋機(jī)制，可以溝通生產(chǎn)相關(guān)的各個(gè)部門，有效應(yīng)對突發(fā)事件。

1.2 人機(jī)協(xié)同的調(diào)度機(jī)制

人機(jī)協(xié)同的動(dòng)態(tài)調(diào)度機(jī)制的基本思想是在生產(chǎn)調(diào)度過程中，調(diào)度員可依據(jù)知識經(jīng)驗(yàn)對調(diào)度優(yōu)化方案進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整和修改，以彌補(bǔ)調(diào)度優(yōu)化算法中的不足，適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)生產(chǎn)環(huán)境。對于隨機(jī)發(fā)生的突發(fā)事件，首先考慮盡可能少地改變現(xiàn)行計(jì)劃，通過調(diào)整調(diào)度因素，如：優(yōu)先級、設(shè)備工作日歷等，借助甘特圖等工具，對現(xiàn)行計(jì)劃進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。

1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由系統(tǒng)管理、任務(wù)指派與過程監(jiān)控、信息反饋機(jī)制3個(gè)模塊所組成。系統(tǒng)管理模塊負(fù)責(zé)用戶信息的添加、修改、刪除、權(quán)限，以及車間日歷的制定；任務(wù)指派與過程監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)生產(chǎn)調(diào)度、任務(wù)指派、過程監(jiān)控、突發(fā)事件處理等；信息反饋機(jī)制模塊協(xié)調(diào)生產(chǎn)活動(dòng)中信息的傳遞和反饋，如：報(bào)警、下達(dá)指令等。具體體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.4 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

在實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境中，生產(chǎn)過程的隨機(jī)性和不確定因素，各種突發(fā)事件頻繁發(fā)生，完全依靠計(jì)算機(jī)的調(diào)度往往不能滿足實(shí)際需要，只有人的適當(dāng)參與，將人的知識、經(jīng)驗(yàn)與計(jì)算智能結(jié)合起來，以降低動(dòng)態(tài)調(diào)度的復(fù)雜性，才能保持生產(chǎn)的穩(wěn)定性。綜合考慮，本調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)具有的主要流程如圖2所示。

2 調(diào)度模型

2.1 問題描述

車間調(diào)度的問題可以描述為：假設(shè)車間有q臺加工設(shè)備，設(shè)備集M={m1,m2,…,mq}，有p個(gè)任務(wù)需要加工，任務(wù)集task={T1,T2,…,Tp}，其中，第i個(gè)任務(wù)的工件個(gè)數(shù)為ki，第i個(gè)任務(wù)工件的工序集為task[i]·process={Oi1,Oi2,…,Oiw}，w為該工件的工序數(shù)。每道工序可以在多臺不同的機(jī)床上加工，工序的加工時(shí)間隨機(jī)床的性能不同而變化，同時(shí)考慮生產(chǎn)過程中隨機(jī)性、不確定因素，如設(shè)備故障、緊急插單等。調(diào)度的目標(biāo)是為各工序選擇合適的機(jī)床task[i]·process[j]·equipment[z]，確定每臺機(jī)床上各工件工序的最佳加工順序及任務(wù)工序開工時(shí)間Sij，使得生產(chǎn)周期F和拖期個(gè)數(shù)N最小。

此外，還應(yīng)滿足以下約束：

(1)同一時(shí)刻同一臺機(jī)床只能加工一個(gè)工件。

(2)同一任務(wù)同一工序的工件必須在同一臺機(jī)床上連續(xù)加工。

(3)任務(wù)之間相互獨(dú)立。

(4)同一工件的工序之間有先后約束，不同工件之間沒有先后約束。

Sij=max{Eij-1,EQmn-1}

(1)

Eij=min{EQij1+Sij,EQij2+Sij,EQijm+Sij}

(2)

F=max{E1,E2,...,En}

(3)

(4)

其中：式(1)求解工序任務(wù)的計(jì)劃開始時(shí)間Sij；Eij-1表示該任務(wù)的上一道工序的計(jì)劃結(jié)束時(shí)間；EQmn-1表示該加工設(shè)備上一工序任務(wù)的結(jié)束時(shí)間；式(2)計(jì)算工序任務(wù)在哪臺機(jī)床上進(jìn)行加工；Eij表示工序任務(wù)計(jì)劃結(jié)束時(shí)間；EQijm表示第i個(gè)任務(wù)的第j道工序在第m臺機(jī)床上的加工時(shí)間；式(3)用于確定生產(chǎn)周期F；En為第n個(gè)任務(wù)的計(jì)劃結(jié)束時(shí)間；式(4)求解任務(wù)的拖期個(gè)數(shù)N；Dn表示第n個(gè)任務(wù)的交貨期。

2.2 調(diào)度規(guī)則選擇及突發(fā)事件處理

為了使調(diào)度結(jié)果更滿足生產(chǎn)實(shí)際，平衡各生產(chǎn)設(shè)備的負(fù)荷，使拖期個(gè)數(shù)最小，生產(chǎn)周期較短，選擇調(diào)度規(guī)則如下：

(1)采用先到先服務(wù)和優(yōu)先級相結(jié)合的方式進(jìn)行調(diào)度，先到先安排，對于同時(shí)到達(dá)的情況再考慮其優(yōu)先級。

(2)對于下一個(gè)任務(wù)工序的機(jī)床選擇：選擇加工該任務(wù)工序結(jié)束時(shí)間最早的機(jī)床進(jìn)行加工。

(3)如果有兩個(gè)相鄰工序任務(wù)在同一臺機(jī)床上加工，而且優(yōu)先級低的任務(wù)工序只能在該機(jī)床上加工，而優(yōu)先級高的可以在其他機(jī)床加工，在優(yōu)先級高的不超期的情況下，把這臺機(jī)床分配給優(yōu)先級低的任務(wù)工序，如圖3所示。

(4)對于訂單取消情況，停止本訂單任務(wù)，移除該訂單信息，對車間未加工的任務(wù)工序重新調(diào)度。

(5)針對緊急插單的情況，根據(jù)插單任務(wù)的優(yōu)先級，把插單任務(wù)分配給機(jī)床進(jìn)行加工。

(6)對于調(diào)度結(jié)果中拖期的工序，調(diào)度員手動(dòng)調(diào)整調(diào)度因素或重新調(diào)度。

(7)對于設(shè)備出現(xiàn)故障情況，將正在加工的工序轉(zhuǎn)移至其它能夠加工此任務(wù)的機(jī)床待其當(dāng)前任務(wù)結(jié)束后進(jìn)行加工。

2.3 調(diào)度步驟

Step1:計(jì)劃分批，細(xì)化為車間任務(wù)。

Step2:根據(jù)交貨期、加工時(shí)間、工作時(shí)間、調(diào)度日期，計(jì)算任務(wù)的優(yōu)先級。

Step3：建立任務(wù)集task[]和設(shè)備集equipment[]，并進(jìn)行初始化。

Step4：根據(jù)工藝文件和設(shè)備生產(chǎn)能力，確定各個(gè)任務(wù)工序在每臺機(jī)床的加工時(shí)間，對機(jī)床不能加工的任務(wù)用極大值M表示，取M=1 000。

Step5：根據(jù)先到先服務(wù)和優(yōu)先級等規(guī)則，進(jìn)行自動(dòng)生產(chǎn)調(diào)度，并生成調(diào)度甘特圖。

Step6：根據(jù)甘特圖和調(diào)度的結(jié)果，查看是否滿足生產(chǎn)指標(biāo)：若滿足，生成派工單和加工單，指導(dǎo)生產(chǎn)；若不滿足，手動(dòng)調(diào)整調(diào)度因素，如：優(yōu)先級、機(jī)床工作時(shí)間等，返回Step5，直到滿足生產(chǎn)指標(biāo)。

2.4 調(diào)度實(shí)例

現(xiàn)將4個(gè)任務(wù)：T1、T2、T3、T4，對應(yīng)18個(gè)工件，17道工序調(diào)度到6臺機(jī)床：eq0、eq1、eq2、eq3、eq4、eq5上進(jìn)行加工，每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級及其工序任務(wù)的可選機(jī)床和對應(yīng)的加工時(shí)間如表1所示。其中，假設(shè)機(jī)床初始時(shí)刻都處于空閑狀態(tài)；“-”表示該工序任務(wù)不能在該機(jī)床上進(jìn)行加工；優(yōu)先級信息由訂單的交貨期、標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)以及工件個(gè)數(shù)信息計(jì)算得；O0101表示任務(wù)T1的第一道工序任務(wù)。根據(jù)調(diào)度模型進(jìn)行調(diào)度，可得到如表2和表3所示的調(diào)度規(guī)劃和圖4 所示的調(diào)度甘特圖。表2給出了整個(gè)車間任務(wù)的加工信息。表3給出了每臺機(jī)床的派工信息。圖4以甘特圖的形式顯示了每個(gè)任務(wù)的每道工序的開始、結(jié)束時(shí)間以及該工序任務(wù)的加工機(jī)床，供調(diào)度員參考。對于不滿足生產(chǎn)指標(biāo)的調(diào)度結(jié)果，調(diào)度員可調(diào)節(jié)調(diào)度因子進(jìn)行重新調(diào)度，如調(diào)整工序任務(wù)的優(yōu)先級，調(diào)整瓶頸機(jī)床的工作日歷等。對于生產(chǎn)過程中的意外情況，該系統(tǒng)可通過信息反饋機(jī)制，把相關(guān)信息反饋給車間管理人員或相關(guān)作業(yè)人員，以及時(shí)對意外事故進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果信息反饋給管理人員。

表1 車間任務(wù)的基本信息

任務(wù)工件數(shù)工序優(yōu)先級加工時(shí)間/mineq0eq1eq2eq3eq4eq5T14O01012．8101215---O01022．88126-12-O01032．816--10--O01042．8--12--10T25O02012．7-10---16O02022．710-8-12-O02032．7208-14--O02042．7---1216-O02052．7-241832-18T35O03013．21814-12--O03023．2-1315-12-O03033．2-1715---T44O04015．110---1216O04025．1--1814-15O04035．1-12--12-O04045．118---12-O04055．1---1620-

表2 車間任務(wù)調(diào)度信息

工序號所用機(jī)床時(shí)間/min加工開始結(jié)束是否超期O0101eq010040未超期O0102eq264064未超期O0103eq31064104未超期O0104eq510104144未超期O0201eq110050未超期O0202eq01050100未超期O0203eq18100140未超期O0204eq312140200未超期O0205eq218200290未超期O0301eq312060未超期O0302eq41260120未超期O0303eq215120195未超期O0401eq412048未超期O0402eq51548108未超期O0403eq412120168未超期O0404eq412168216未超期O0405eq316216280未超期

表3 機(jī)床加工順序

機(jī)床工序任務(wù)順序開始時(shí)刻/min結(jié)束時(shí)刻/mineq0O0101→O02020100eq1O0201→O02030140eq2O0102→O0303→O020540290eq3O0301→O0103→O0204→O04050280eq4O0401→O0302→O0403→O04040216eq5O0402→O010448148

3 系統(tǒng)原型

本文中設(shè)計(jì)的生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)體系，利用Java技術(shù)，在Eclipse平臺上開發(fā)出適應(yīng)于離散制造企業(yè)的調(diào)度系統(tǒng)。

(1)系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理模塊包括用戶管理和車間日歷兩部分。用戶管理，主要提供用戶信息的維護(hù)，包括用戶基本信息的添加、修改、刪除，權(quán)限授予，修改密碼等；車間日歷，主要負(fù)責(zé)制定以及修改各生產(chǎn)車間的工作日歷，是作業(yè)車間生產(chǎn)調(diào)度和各車間的正常生產(chǎn)活動(dòng)的基礎(chǔ)。該模塊主要功能界面如圖5所示。

(2)任務(wù)指派與過程監(jiān)控

任務(wù)指派和過程監(jiān)控是該系統(tǒng)的核心模塊，主要包括計(jì)劃管理、加工計(jì)劃調(diào)度、加工計(jì)劃審核、生產(chǎn)任務(wù)派工和車間任務(wù)管理五個(gè)部分。車間計(jì)劃管理，負(fù)責(zé)接收主生產(chǎn)計(jì)劃、對計(jì)劃進(jìn)行分批、追蹤生產(chǎn)所需的資源、處理突發(fā)事件等。加工計(jì)劃調(diào)度是該模塊的核心功能，負(fù)責(zé)對分批的計(jì)劃作為整體進(jìn)行自動(dòng)調(diào)度，生成調(diào)度甘特圖、調(diào)度因素的變更、調(diào)度結(jié)果的重新生成、調(diào)度結(jié)果的審核管理、生產(chǎn)任務(wù)派工等。該模塊主要功能頁面如圖6和圖7所示。

(3)信息反饋機(jī)制

信息反饋機(jī)制負(fù)責(zé)是協(xié)調(diào)各模塊之間的關(guān)系，溝通各部門、人員，負(fù)責(zé)信息傳遞。

4 結(jié)語

本文依據(jù)人機(jī)協(xié)同機(jī)制的基本原理，在分析車間動(dòng)態(tài)調(diào)度系統(tǒng)的調(diào)度流程基礎(chǔ)上，結(jié)合企業(yè)的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)并開發(fā)了人機(jī)協(xié)同的動(dòng)態(tài)作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)。首先，通過對訂單的分批操作，將處理后的小批量作為整體，以生產(chǎn)批次為單位，拖期個(gè)數(shù)和生產(chǎn)周期最少為目標(biāo)，采用優(yōu)先級、先到先服務(wù)等規(guī)則，進(jìn)行車間自動(dòng)調(diào)度。然后，依據(jù)人的知識經(jīng)驗(yàn)，參照甘特圖，對調(diào)度方案進(jìn)行調(diào)整。對于生產(chǎn)過程中的突發(fā)事件，采用基于事件的策略，通過警報(bào)機(jī)制將突發(fā)事件和管理人員建立聯(lián)系，對車間任務(wù)進(jìn)行重新調(diào)度。本系統(tǒng)采用人機(jī)協(xié)同的機(jī)制，將調(diào)度過程不易通過算法優(yōu)化的問題，通過人的經(jīng)驗(yàn)予以彌補(bǔ)，更符合動(dòng)態(tài)作業(yè)車間調(diào)度的需求實(shí)際。

[1]MESA International. The benefits of MES: a report from the field[R]. MESA International White Paper Number1,1997.

[2]喻道遠(yuǎn)， 劉子義.單件小批量生產(chǎn)的車間作業(yè)調(diào)度研究[J].現(xiàn)代制造工程, 2007(2)：61-63.

[3]劉想德，張根保.柔性作業(yè)車間動(dòng)態(tài)調(diào)度方法研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014(5)：243-245.

[4]Panwalker S S，Iskander W A. A survey of scheduling[J]. Operations Research, 1977，25(1)：45-61.

[5]Momazeri M，Van Wassehove L N.Analysis of scheduling rules of an FMS[J].International Journal Product Research, 1986，13(5)：533-549.

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Dynamic job scheduling system research based on man-machine coordinated mechanism

YU Pengfei, JIANG Kang, CAO Wengang

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, CHN)

Aimed at the characteristics of discrete manufacturing of single piece and small batch production, according to the characteristics and needs of actual production enterprises, the analysis of the workshop scheduling process design based on the dynamic scheduling system should have the function of the module. Build the batch for production units, the target of minimizing tardiness number and the production cycle optimization model, uses the first come first service, priority rules for the scheduling model to solve the optimal approximate solution. In the process of scheduling, the scheduling strategy based on events, while fully considering the subjective initiative of people in the system, develop a dynamic job shop scheduling system based on man-machine coordinated mechanism.

man-machine cooperation mechanism; dynamic scheduling; scheduling management system; Gantt chart

*國防基礎(chǔ)科研重大項(xiàng)目(No.A1120131044)；國防技術(shù)基礎(chǔ)項(xiàng)目(JSZL2014210B001)

F273；TH16

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.12.025

余鵬飛，男，1990年生，碩士，研究方向?yàn)槠髽I(yè)數(shù)字化管理與管理可視化。

(編輯 李 靜)

2016-05-24)

161233