0 引言

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

1 柴油機制造企業(yè)MES 系統(tǒng)

1.1 柴油機制造企業(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)化中生產計劃與生產過程的脫節(jié)問題。通過現(xiàn)場調研和需求的分析，目前大多數(shù)柴油機制造企業(yè)已引入大量數(shù)控設備，但尚未實現(xiàn)集中管理，各數(shù)控車間現(xiàn)場管理混亂，生產狀態(tài)反饋不準確或不及時，導致車間生產管理變成“黑箱作業(yè)”，尤其在生產調度過程中采用人工經驗調度，導致設備利用率低下，工人績效不高，交貨期難以保證。由此可見，為了實現(xiàn)柴油機制造企業(yè)生產過程的可視化、調度的科學化以及管理的全局優(yōu)化，MES 是企業(yè)資源計劃系統(tǒng)和設備控制系統(tǒng)之間不可或缺的橋梁和紐帶，是柴油機制造企業(yè)信息化建設發(fā)展的關鍵之一。

1.2 ERP/MES/PCS 信息集成分析

    在柴油機制造企業(yè)的信息化建設中，MES 是伴隨著經營計劃與制造過程的統(tǒng)一而產生的。

    一方面數(shù)控設備需要得到來自業(yè)務部門的制造數(shù)據(jù)，包括NC 程序、工藝規(guī)程、刀具信息、機床設置信息、圖紙信息等，MES可以對來自ERP 軟件的生產管理信息進行細化、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)控設備為業(yè)務部門提供實時狀況、設備工況、故障報告、生產統(tǒng)計等信息，MES 可以通過采集設備、儀表的狀態(tài)數(shù)據(jù)，以實時監(jiān)控底層設備的運行狀態(tài)，再經過分析、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，并將生產狀況及時反饋給計劃層。

2 基于MES 的柴油機制造企業(yè)車間單元調度系統(tǒng)設計

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

    車間調度是生產計劃實施過程中的一個關鍵環(huán)節(jié)，它不僅影響到企業(yè)資源的合理配置，而且還關系到各種與產品生產相似的操作。車間調度的基本思想是：如何在多個不同的生產作業(yè)中合理地利用共享資源進行生產，減少生產作業(yè)時間，提高企業(yè)的經濟效益。車間調度的目標是將作業(yè)合理地安排到各設備。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。

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

圖1 柴油機制造企業(yè)MES 車間單元調度系統(tǒng)的基本框架

2.2 車間單元調度系統(tǒng)的功能分析與設計

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

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

    （2）計劃調度模塊。該模塊的主要功能是根據(jù)下達的各項生產任務，及其所對應的工藝信息進行車間資源與制造能力檢查，同時根據(jù)生產任務中的工件信息進行車間內的單元構建，并應用調度算法，制定車間工序級作業(yè)計劃，對調度結果可進一步進行人工調整。

3 柴油機制造企業(yè)車間作業(yè)調度模型構建及算法

3.1 柴油機制造企業(yè)單元調度問題描述及模型構建

    需要訪問一系列相似機器的零件組成零件組，這些零件組在相關單元中被加工處理，柴油機制造企業(yè)單元調度就是要解決零件調度和單元調度兩大問題。由于柴油機本身價值高，產品復雜，因此，在生產實際中交貨期和成本就成為影響其經濟效益的關鍵因素。鑒于此，考慮到實際生產中一些特殊零件需要訪問多個生產單元，從而引起單元間移動，本文構建了一個非線性數(shù)學模型。該模型可以減少完工時間、單元間移動以及調整成本，有利于提高單元的生產效率。這一調度模型的設計過程。

3.2 基于TOC 的遺傳- 分散搜索混合算法設計

    針對本文提出的柴油機制造企業(yè)車間調度模型，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 大學的 Holland 教授提出的，后經由 De Jong，Goldberg 等人歸納總結，形成一類模擬進化算法。遺傳算法搜索最優(yōu)解的方法是模仿生物的進化過程，主要使用選擇算子、交叉算子與變異算子來進行不斷進化，從而產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定，初始種群內的個體之間交叉、 變異、 新個體的產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生最終解的方法。他介紹了解的相關集以及一系列指標，包括相對于遺傳算法等其他算法的隨機設計。1998 年Glover 給出了分散搜索算法的新型簡化模板，并引起了其他學者的關注，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行比較，結果表明，文中提出的方法更適合柴油機企業(yè)這種復雜而大規(guī)模的問題，對單元內零件順序和單元順序的排定更具科學性和指導性。本文還對標準的分散搜索算法進行了重復性試驗，結果表明，在解決多目標問題時，雖然標準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）引導收斂方向，避免早熟收斂，加快了算法的搜索速度。

4 結束語

    本文結合柴油機制造企業(yè)生產的實際，設計了基于MES 的車間單元調度系統(tǒng)。為了保證產品交貨期，減少單元間移動次數(shù)和機器的調整成本，該系統(tǒng)以成本為目標，建立了一個多目標函數(shù)模型，針對該模型的特點進一步設計了算法模塊，模塊采用基于TOC 的遺傳- 分散搜索混合算法對實際調度問題進行求解，使車間單元調度系統(tǒng)更具指導意義。 

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本文標題：面向柴油機制造企業(yè)基于MES/ERP的車間單元調度探究

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