准确理解制造执行系统（MES）（四）

----作业计划的优化(1)

同济大学中德学院  沈斌 教授

上文提出了实施MES是企业提高经济效益的最佳切入点，为什么呢？总的来说，企业通过实施MES系统，可以在以下主要几个方面获得显著的益处：

    1）通过作业计划的优化，在同样生产资源环境下，可以提高10-20%的效益，其基本原理将在本文进一步分析论述。

    2）根据精确的生产进度控制，实现“准时生产法”，减少原材料库存、在制品积存量50%左右。

    3）通过合理的作业计划和实时的智能生产调度，提高生产设备的利用率（OEE，Overall Equipment Effectiveness设备综合效率）一倍。

    4）实现了生产过程的透明化，最大限度地保证最小的产品交货误期。

    5）实现产品质量的实时监控，保证质量原因的追溯率100%。

    6）合理配置人力资源，通过精确的工作量和薪酬的计算，调动员工的积极性。

    以上2-6点，将另文分析阐述。

1、作业计划概述

主生产计划给出了最终产品的交货期限，如果要转换成各生产周期内的原材料和零件的需求计划，这还需根据工厂的实际生产能力确定零件的加工批量与完成期限，才下达给车间或制造岛。车间作业计划编制就是按一定的排序准则将规定的任务按周、日、小时具体分配给指定的工作地进行加工，确保完成生产计划的要求，如图1所示。

主生产计划中的最终产品是由各种零件构成的，每种零件都按一定的加工顺序进行制造。因此，作业计划包括分配各种零件的投入期和产出期，并规定完成这些加工工序的地点。它实际上由下列二个步骤组成：

（1）确定制造设备负荷。即将各项加工任务分配至各工作地。这时每个工作地将有一长队的工件等待加工处理。在计划周期内，各项任务的加工总工时应与工作地实际生产能力相平衡。

（2）作业排序。是确定各项任务通过给定工作地的先后加工顺序。为此，必须确定这一列任务中的排队准则，各项任务将按此顺序加工。当一项任务完成后，即转入下一个工作地的任务队列中，成为下一个工作地的制造设备负荷。

 图 1 多品种中小批量厂级作业计划流程图

过去，对于简单的、只包含几个加工工序的生产环境，排序是依靠有经验的调度员来做的，它们所使用的工具一般是图表，如甘特图。在排序计划执行时，靠人工修改和维护生产作业排序。这种人工排序一般只是凭经验定性地进行，有时也运用几个分配准则。人工排序不能保证排序结果达到最优，它取决于排序人员对生产情况的熟悉程度。另外，对于车间作业排序这样比较复杂的问题，用人工借助于图表也是很难排出一个令人满意的计划的。

    随着计算机在企业管理中应用的日益普及，在许多复杂的多工序生产环境中，已经开始实现了计算机排序，这种排序实质上是一个算法模型，它利用计算机的存储量大、计算快、逻辑推理能力强等特点，能够完成详细记录中间排序结果和反复迭代的功能，或是在作出可行的排序结果后，根据计算机中记录的车间或制造岛的加工状态和期望的未来需求，提供更合乎当前实际情况的排序信息。

2、作业优化排序模型

作业排序是在有限资源约束下，如何安排零件的加工顺序，使其给定的目标函数达到最优。作业排序的优化目标包括以下几个方面：

    （1）总加工工时最短；

（2）零件平均通过时间最短；

（3） 机床利用率最高；

（4）不按期交货或交货误期最少；

（5）加工总成本最低；

（6）原材料、在制品库存量最低。

以上目标有的是相互相成的，如目标（1）总加工工时最短，也许实现目标（5）加工总成本最低。有的是相互排斥的，如为了实现目标（3） 机床利用率最高，就有可能导致了不能实现目标（6）原材料、在制品库存量最低。

因此，在编制作业计划时，根据实际情况，有时可以进行单目标优化编制；有时需多个目标的优化编制。在这方面，国内外专家进行了大量的算法研究。

设有ｎ种零件，要在ｍ台机器上加工。每种零件根据工艺要求，要按一定顺序通过这些设备。一种零件在一台设备上加工一次称为一道工序，每种加工零件总有若干道工序组成。作业排序问题就是研究在满足约束条件的基础上，找到一个使目标函数最优的各种零件在每台设备上的加工顺序。一般说来，约束条件如下：

（1）加工顺序约束：每种零件仅当其第ｊ道工序加工完成后，第ｊ＋１道工序才能开始加工。

（2）资源约束：一台设备不能同时加工多于一种的零件。

（3）工序不可中断约束：每一零件一旦开始在一台设备上加工，则本道工序不能被中断，必须待该零件的这道工序加工结束后，该设备才能加工其它零件。

这是车间作业排序最普遍的问题，每种作业任务可以要求按任何一种可能的顺序在一组设备上加工。因此，作业排序的优化实际上是广泛组合的最优化问题，如ｎ个零件在单台设备上加工，则先后加工顺序有n!种（n的阶乘，如5个零件，就有5！=120种先后加工顺序）。如ｎ个零件经过ｍ台机床加工时，作业排序的算法有(n!)*m之多，这是一个巨大的排列数字，即使利用计算机也无法逐一（遍历）计算，故只能根据优化的目标建立近似的数学模型，然后进行排序的优化。下文将举例分析论述。

参考文献：

沈斌,陈炳森,张曙.《生产系统学》（第二版）.同济大学出版社，1999