0 引言

    隨著計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，我國柴油機(jī)制造企業(yè)也加快了信息化建設(shè)步伐，本文以柴油機(jī)制造企業(yè)生產(chǎn)實際為背景，提出了基于制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的車間單元調(diào)度系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對制造過程中車間層合理調(diào)度與控制，來縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)資源的利用率，最終提高企業(yè)的管理水平和經(jīng)濟(jì)效益。

1　柴油機(jī)制造企業(yè)MES 系統(tǒng)

1.1　柴油機(jī)制造企業(yè)對MES 的需求

    MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）是美國AMR 公司在上世紀(jì)90 年代初提出的，是上層的計劃管理系統(tǒng)與底層工業(yè)控制之間面向車間層的管理信息系統(tǒng)，目的是為了有效的解決整體優(yōu)化中生產(chǎn)計劃與生產(chǎn)過程的脫節(jié)問題。通過現(xiàn)場調(diào)研和需求的分析，目前大多數(shù)柴油機(jī)制造企業(yè)已引入大量數(shù)控設(shè)備，但尚未實現(xiàn)集中管理，各數(shù)控車間現(xiàn)場管理混亂，生產(chǎn)狀態(tài)反饋不準(zhǔn)確或不及時，導(dǎo)致車間生產(chǎn)管理變成“黑箱作業(yè)”，尤其在生產(chǎn)調(diào)度過程中采用人工經(jīng)驗調(diào)度，導(dǎo)致設(shè)備利用率低下，工人績效不高，交貨期難以保證。由此可見，為了實現(xiàn)柴油機(jī)制造企業(yè)生產(chǎn)過程的可視化、調(diào)度的科學(xué)化以及管理的全局優(yōu)化，MES 是企業(yè)資源計劃系統(tǒng)和設(shè)備控制系統(tǒng)之間不可或缺的橋梁和紐帶，是柴油機(jī)制造企業(yè)信息化建設(shè)發(fā)展的關(guān)鍵之一。

1.2　ERP/MES/PCS 信息集成分析

    在柴油機(jī)制造企業(yè)的信息化建設(shè)中，MES 是伴隨著經(jīng)營計劃與制造過程的統(tǒng)一而產(chǎn)生的。

    一方面數(shù)控設(shè)備需要得到來自業(yè)務(wù)部門的制造數(shù)據(jù)，包括NC 程序、工藝規(guī)程、刀具信息、機(jī)床設(shè)置信息、圖紙信息等，MES可以對來自ERP 軟件的生產(chǎn)管理信息進(jìn)行細(xì)化、分解，將來自計劃層操作指令傳遞給底層控制層。

    另一方面，數(shù)控設(shè)備為業(yè)務(wù)部門提供實時狀況、設(shè)備工況、故障報告、生產(chǎn)統(tǒng)計等信息，MES 可以通過采集設(shè)備、儀表的狀態(tài)數(shù)據(jù)，以實時監(jiān)控底層設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，再經(jīng)過分析、計算與處理，從而方便、可靠地將控制系統(tǒng)與信息系統(tǒng)整合在一起，并將生產(chǎn)狀況及時反饋給計劃層。

2　基于MES 的柴油機(jī)制造企業(yè)車間單元調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計

2.1　基于MES 的柴油機(jī)制造企業(yè)車間單元調(diào)度系統(tǒng)框架

    車間調(diào)度是生產(chǎn)計劃實施過程中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它不僅影響到企業(yè)資源的合理配置，而且還關(guān)系到各種與產(chǎn)品生產(chǎn)相似的操作。車間調(diào)度的基本思想是：如何在多個不同的生產(chǎn)作業(yè)中合理地利用共享資源進(jìn)行生產(chǎn)，減少生產(chǎn)作業(yè)時間，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。車間調(diào)度的目標(biāo)是將作業(yè)合理地安排到各設(shè)備。并合理安排作業(yè)的加工次序和加工開始時間，使各種約束條件被滿足。

    在充分考慮柴油機(jī)制造企業(yè)生產(chǎn)實際的基礎(chǔ)上，建立了基于MES 的柴油機(jī)制造企業(yè)車間單元調(diào)度系統(tǒng)的基本框架圖，如圖1 所示。

圖1 柴油機(jī)制造企業(yè)MES 車間單元調(diào)度系統(tǒng)的基本框架

2.2　車間單元調(diào)度系統(tǒng)的功能分析與設(shè)計

    根據(jù)對單件小批生產(chǎn)及管理流程的分析，并綜合技術(shù)方案的可行性和經(jīng)濟(jì)性因素，車間單元調(diào)度系統(tǒng)的功能模塊主要包括以下幾個方面。

    （1）任務(wù)管理模塊。該模塊的主要功能是接收來自ERP 的生產(chǎn)計劃，并根據(jù)庫存信息和工時定額等因素，進(jìn)行生產(chǎn)任務(wù)的更改、取消和下達(dá)操作。

    （2）計劃調(diào)度模塊。該模塊的主要功能是根據(jù)下達(dá)的各項生產(chǎn)任務(wù)，及其所對應(yīng)的工藝信息進(jìn)行車間資源與制造能力檢查，同時根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)中的工件信息進(jìn)行車間內(nèi)的單元構(gòu)建，并應(yīng)用調(diào)度算法，制定車間工序級作業(yè)計劃，對調(diào)度結(jié)果可進(jìn)一步進(jìn)行人工調(diào)整。

3　柴油機(jī)制造企業(yè)車間作業(yè)調(diào)度模型構(gòu)建及算法

3.1　柴油機(jī)制造企業(yè)單元調(diào)度問題描述及模型構(gòu)建

    需要訪問一系列相似機(jī)器的零件組成零件組，這些零件組在相關(guān)單元中被加工處理，柴油機(jī)制造企業(yè)單元調(diào)度就是要解決零件調(diào)度和單元調(diào)度兩大問題。由于柴油機(jī)本身價值高，產(chǎn)品復(fù)雜，因此，在生產(chǎn)實際中交貨期和成本就成為影響其經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵因素。鑒于此，考慮到實際生產(chǎn)中一些特殊零件需要訪問多個生產(chǎn)單元，從而引起單元間移動，本文構(gòu)建了一個非線性數(shù)學(xué)模型。該模型可以減少完工時間、單元間移動以及調(diào)整成本，有利于提高單元的生產(chǎn)效率。

3.2　基于TOC 的遺傳- 分散搜索混合算法設(shè)計

    針對本文提出的柴油機(jī)制造企業(yè)車間調(diào)度模型，提出基于TOC 的遺傳- 分散搜索混合算法，將遺傳算法與分散搜索算法聯(lián)合起來，既保證了分散搜索算法的大規(guī)模搜索又增強(qiáng)了遺傳算法跳出局部最優(yōu)的能力，同時以約束理論（TOC）引導(dǎo)收斂方向，避免早熟收斂，加快了算法的搜索速度。

    （1）遺傳算法（GA）基本原理

    遺傳算法（GA）是由美國 Michigan 大學(xué)的 Holland 教授提出的，后經(jīng)由 De Jong，Goldberg 等人歸納總結(jié)，形成一類模擬進(jìn)化算法。遺傳算法搜索最優(yōu)解的方法是模仿生物的進(jìn)化過程，主要使用選擇算子、交叉算子與變異算子來進(jìn)行不斷進(jìn)化，從而產(chǎn)生一代又一代的種群。具體體現(xiàn)在遺傳算法中初始種群的設(shè)定，初始種群內(nèi)的個體之間交叉、 變異、 新個體的產(chǎn)生及種群的更新等方面。

    （2）分散搜索算法（SS）基本原理

    分散搜索算法是最早由Glover 于1977 年提出的用于解決整數(shù)規(guī)劃問題的方法。起初Glover 將分散搜索算法描述為利用一系列初值產(chǎn)生最終解的方法。他介紹了解的相關(guān)集以及一系列指標(biāo)，包括相對于遺傳算法等其他算法的隨機(jī)設(shè)計。1998 年Glover 給出了分散搜索算法的新型簡化模板，并引起了其他學(xué)者的關(guān)注，這一模板包含以下五種方法 ：

    1. 多樣性生成方法

    2. 解改進(jìn)方法

    3. 參考集更新方法

    4. 子集生成方法

    5. 解合并方法

    （5）算法可行性分析

    為了評估文中提出的基于TOC 的遺傳- 分散搜索混合算法的性能，使用了Lingo 8.0 將其與分支定界法進(jìn)行比較，結(jié)果表明，文中提出的方法更適合柴油機(jī)企業(yè)這種復(fù)雜而大規(guī)模的問題，對單元內(nèi)零件順序和單元順序的排定更具科學(xué)性和指導(dǎo)性。本文還對標(biāo)準(zhǔn)的分散搜索算法進(jìn)行了重復(fù)性試驗，結(jié)果表明，在解決多目標(biāo)問題時，雖然標(biāo)準(zhǔn)算法采用基于種群的全局搜索策略，較少地利用搜索過程的隨機(jī)性，提高了搜索的集中性和多樣性，然而本文提出的方法既保證了分散搜索算法的大規(guī)模搜索又增強(qiáng)了遺傳算法跳出局部最優(yōu)的能力，同時以約束理論（TOC）引導(dǎo)收斂方向，避免早熟收斂，加快了算法的搜索速度。

4　結(jié)束語

    本文結(jié)合柴油機(jī)制造企業(yè)生產(chǎn)的實際，設(shè)計了基于MES 的車間單元調(diào)度系統(tǒng)。為了保證產(chǎn)品交貨期，減少單元間移動次數(shù)和機(jī)器的調(diào)整成本，該系統(tǒng)以成本為目標(biāo)，建立了一個多目標(biāo)函數(shù)模型，針對該模型的特點進(jìn)一步設(shè)計了算法模塊，模塊采用基于TOC 的遺傳- 分散搜索混合算法對實際調(diào)度問題進(jìn)行求解，使車間單元調(diào)度系統(tǒng)更具指導(dǎo)意義。

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本文標(biāo)題：柴油機(jī)制造企業(yè)基于MES/ERP的車間單元調(diào)度探究

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