復(fù)雜產(chǎn)品制造系統(tǒng)多采用面向訂單、多品種、小批量的生產(chǎn)組織方式；具有產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造周期較長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)與工藝差異較大、工藝穩(wěn)定和工藝定額數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性差、在制數(shù)量龐大、生產(chǎn)安排困難等特點(diǎn)，使生產(chǎn)計(jì)劃與作業(yè)的控制面臨極大的挑戰(zhàn)。如何解決復(fù)雜環(huán)境下生產(chǎn)計(jì)劃與控制，是需要進(jìn)行深入研究的問題。

    針對(duì)這些存在的問題，眾多學(xué)者基于MRP、JIT、TOC、APS等理論提出了各種計(jì)劃與控制方法，研究的重點(diǎn)包括模式探索、算法改進(jìn)、模型研究等，然而這些成果在實(shí)際生產(chǎn)中的有效應(yīng)用并不廣泛。主要的原因包括以下幾個(gè)方面：現(xiàn)有的研究往往比較注重理論本身或者算法相關(guān)問題，很少關(guān)注企業(yè)系統(tǒng)性的應(yīng)用研究；現(xiàn)有研究中所采用的調(diào)度方法往往在性能上難以適應(yīng)車間大數(shù)據(jù)量的計(jì)算需求，而且算法的柔性較差，魯棒性不足；所開發(fā)調(diào)度系統(tǒng)在用戶的體驗(yàn)與交互性方面有所欠缺，難于支撐用戶對(duì)系統(tǒng)邊界條件的補(bǔ)充定義、求解結(jié)果和過程的干預(yù)。

    基于APS的原理，針對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品制造系統(tǒng)計(jì)劃不穩(wěn)定的情況，嘗試針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)車間的應(yīng)用需求建立一種基于約束理論(TOC)及啟發(fā)式規(guī)則的生產(chǎn)計(jì)劃與控制方法。該方法在計(jì)劃層面采用MRP計(jì)算需求，在隨后的作業(yè)控制中融入DBR方法，通過在交貨期約束下的瓶頸資源排產(chǎn)拉動(dòng)非瓶頸資源的排序，幫助企業(yè)提高產(chǎn)銷率；瓶頸資源的任務(wù)快速排產(chǎn)和非瓶頸資源的任務(wù)快速排序采用可配置的啟發(fā)式規(guī)則組合模型，利用啟發(fā)式規(guī)則調(diào)度簡(jiǎn)單、快速、靈活的特點(diǎn)，快速實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)任務(wù)的基于有限能力的計(jì)劃與調(diào)度。

1 計(jì)劃與控制方法概述

    1.1 傳統(tǒng)方法的不足及APS的提出

    在現(xiàn)有的ERP中，通常將計(jì)劃按照時(shí)間的長(zhǎng)短分成不同的階段，采用了物料需求計(jì)劃、能力需求計(jì)劃、有限能力排程等手段來達(dá)到滿足訂單的目的。這種控制模式對(duì)于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、成品類型少且組合件類型少的生產(chǎn)企業(yè)較為適用，而對(duì)于生產(chǎn)不穩(wěn)定且產(chǎn)品類型與數(shù)量龐大的企業(yè)而言，這種模式則難以滿足其需求。高級(jí)計(jì)劃與排程(APS)的出現(xiàn)在一定程度上彌補(bǔ)了這一缺陷。APS是一種基于供應(yīng)鏈管理和約束理論的先進(jìn)計(jì)劃與排產(chǎn)工具，包含了大量的數(shù)學(xué)模型、優(yōu)化及模擬技術(shù)，優(yōu)勢(shì)在于基于約束的實(shí)時(shí)計(jì)劃與預(yù)警功能。通過與現(xiàn)有的ERP及MES系統(tǒng)的集成，APS能夠很好地解決復(fù)雜產(chǎn)品制造系統(tǒng)中的生產(chǎn)計(jì)劃與控制方面的難題，有關(guān)APS的文獻(xiàn)目前已經(jīng)很多，是當(dāng)前生產(chǎn)計(jì)劃與控制領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。采用APS的計(jì)劃與控制模型見圖1。

圖1 APS下的計(jì)劃與控制模型

    1.2 基于TOC及啟發(fā)式規(guī)則的計(jì)劃與控制方法

    APS通用的模型在實(shí)現(xiàn)層面采用了以下3種模式：

    (1)基于模擬仿真的模式；(2)基于TOC的模式和擴(kuò)展；(3)基于數(shù)學(xué)建模一算法的模式。3種模式中TOC模式較適用于多品種、小批量、具有多層BOM的復(fù)雜產(chǎn)品制造環(huán)境。本文參考APS的通用計(jì)劃模型，采用TOC理論作為基礎(chǔ)，同時(shí)針對(duì)TOC理論在瓶頸資源快速排產(chǎn)和非瓶頸資源快速排序方面的不足，結(jié)合基于規(guī)則的啟發(fā)式調(diào)度，提出了基于TOC和啟發(fā)式規(guī)則的離散制造車間計(jì)劃與控制方法，見圖2。

圖2 基于TOC和啟發(fā)式規(guī)則的計(jì)劃與控制方法框架

    基于TOC及啟發(fā)式規(guī)則的計(jì)劃與控制方法的核心，是利用瓶頸資源拉動(dòng)車間整體計(jì)劃和有效產(chǎn)出。在長(zhǎng)期計(jì)劃層面以MRP為核心，采用訂單—主生產(chǎn)計(jì)劃—物料需求計(jì)劃的經(jīng)典模式得到零部件的凈需求，隨后可利用TOC緩沖模型的發(fā)貨緩沖和裝配緩沖計(jì)算出零部件的齊套/交付計(jì)劃。在短期作業(yè)控制層面以TOC為核心，以短期計(jì)劃窗口期內(nèi)的任務(wù)為輸入，利用齊套/交付計(jì)劃進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算并辨別瓶頸資源，隨后利用啟發(fā)式規(guī)則調(diào)度進(jìn)行瓶頸資源的有限能力排產(chǎn)，基于排產(chǎn)的結(jié)果和交付計(jì)劃，再次利用啟發(fā)式規(guī)則對(duì)非瓶頸資源進(jìn)行作業(yè)排序，最后在瓶頸排產(chǎn)與非瓶頸排序的作業(yè)指導(dǎo)下進(jìn)行車間的作業(yè)控制，并將加工信息反饋到系統(tǒng)中來，為下一輪的作業(yè)控制提供實(shí)時(shí)信息。

    這種方法在框架上參考了APS的通用模型，對(duì)具體功能進(jìn)行了細(xì)化，同時(shí)針對(duì)企業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀做了一些適用性的調(diào)整�？偟膩碚f，這一方法結(jié)合了傳統(tǒng)計(jì)劃方法、TOC理論以及啟發(fā)式規(guī)則的優(yōu)點(diǎn)：MRP模式能夠得到面向訂單和訂單交付的每一項(xiàng)零部件精確的凈需求；而TOC則抓住了生產(chǎn)過程中瓶頸資源制約的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，最大程度地提高有效產(chǎn)出，實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化；啟發(fā)式規(guī)則的應(yīng)用使車間作業(yè)控制更加靈活、快速和柔性。

2 基于TOC的計(jì)劃控制方法

    基于TOC與啟發(fā)式規(guī)則的生產(chǎn)計(jì)劃與控制方法的車間控制層面采用了TOC理論中的DBR方法。DBR是一種基于TOC理論，以系統(tǒng)瓶頸為重點(diǎn)，圍繞制約環(huán)節(jié)挖潛進(jìn)行整體優(yōu)化并實(shí)現(xiàn)持續(xù)改善的一套工作方法。本文主要針對(duì)多瓶頸下DBR的實(shí)現(xiàn)問題進(jìn)行討論。

    2.1 多瓶頸下的DBR實(shí)現(xiàn)

    現(xiàn)有DBR方法大多考慮單個(gè)瓶頸下的計(jì)劃與控制，但實(shí)際的系統(tǒng)中往往存在著多個(gè)瓶頸，且這些瓶頸之間存在著一定的工藝順序關(guān)聯(lián)，這種情況下的DBR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜。

    多瓶頸資源下的排產(chǎn)方法主要包括3個(gè)步驟：首先，針對(duì)所有瓶頸資源進(jìn)行短周期的粗排產(chǎn)；然后，在排產(chǎn)結(jié)果中分析瓶頸資源的任務(wù)之間是否存在順序關(guān)聯(lián)，針對(duì)存在順序關(guān)聯(lián)的瓶頸資源工序，計(jì)算其工序間的松弛分配情況；最后，針對(duì)過松或過緊的松弛分配，調(diào)整排產(chǎn)并得到最終的排產(chǎn)結(jié)果。

    在瓶頸資源排產(chǎn)的基礎(chǔ)上，還要針對(duì)多瓶頸下的作業(yè)控制提出相關(guān)的策略。以2個(gè)瓶頸同時(shí)存在于某一產(chǎn)品的工藝路線中為例，可以將產(chǎn)品的所有工序分為瓶頸前工序、瓶頸間工序以及瓶頸后工序。對(duì)于瓶頸前工序，采用拉式作業(yè)控制；對(duì)于瓶頸后的工序，采用推式作業(yè)控制；對(duì)于瓶頸間的工序，以前、后瓶頸的計(jì)劃節(jié)點(diǎn)為基點(diǎn)，按照前緊后松的策略確定各個(gè)工序的計(jì)劃節(jié)點(diǎn)，保證瓶頸計(jì)劃的實(shí)行。多瓶頸下的生產(chǎn)計(jì)劃與控制示意圖見圖3。

圖3 多瓶頸下的DBR方法

    2.2 DBR的其他關(guān)鍵問題

    復(fù)雜產(chǎn)品制造系統(tǒng)的一個(gè)很大的特點(diǎn)是生產(chǎn)物流的不穩(wěn)定性和不平衡性，而這正是TOC理論以及DBR方法關(guān)注的重點(diǎn)——追求物流的平衡。為了有效地實(shí)施DBR方法，達(dá)到上述要求，還需要在瓶頸識(shí)別、瓶頸資源排產(chǎn)、非瓶頸資源的作業(yè)排序等方面深入研究。

    (1)瓶頸資源的識(shí)別。

    首先利用MRP方法，在無限能力的條件下給出粗略的物料需求計(jì)劃，進(jìn)而得出各個(gè)工作中心在未來一段時(shí)間的總負(fù)荷，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，按照前松后緊的策略將負(fù)荷分布在時(shí)間軸上，可得到工作中心基于時(shí)間軸的負(fù)荷率曲線，由此分析出瓶頸所在。

    (2)瓶頸資源的有限能力排產(chǎn)。

    在瓶頸資源任務(wù)量較少時(shí)，可以根據(jù)人工的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行手工排產(chǎn)；而當(dāng)任務(wù)量較大，工藝、工時(shí)數(shù)據(jù)不太準(zhǔn)確的情況下，可采用啟發(fā)式的規(guī)則調(diào)度，計(jì)算量小且快速，但無法保證結(jié)果的質(zhì)量；當(dāng)工藝、工時(shí)數(shù)據(jù)十分準(zhǔn)確時(shí)，可采用人工智能優(yōu)化算法。無論采用何種策略，首要目標(biāo)都是最大程度地保證瓶頸資源的高利用率，同時(shí)兼顧成本、時(shí)間等相關(guān)目標(biāo)。

    (3)非瓶頸資源的作業(yè)排序。

    對(duì)于非瓶頸資源而言，應(yīng)當(dāng)基于瓶頸資源的排產(chǎn)計(jì)劃以及零部件的齊套/交付計(jì)劃制定自身的作業(yè)計(jì)劃，這樣同時(shí)保證了瓶頸資源的計(jì)劃執(zhí)行和零部件的按時(shí)交付；此外，作業(yè)排序還應(yīng)該同時(shí)兼顧調(diào)度中一些常見的目標(biāo)，如成本、制造周期等，因此還需將一些輔助的規(guī)則(成本相關(guān)、工時(shí)相關(guān)等)應(yīng)用到作業(yè)排序中來。上述需求可以利用啟發(fā)式規(guī)則的分層組合實(shí)現(xiàn)。

3 啟發(fā)式規(guī)則的分層組合

    DBR方法中，瓶頸資源的排產(chǎn)和非瓶頸資源的作業(yè)排序是兩個(gè)重要的步驟，這兩部分內(nèi)容中，啟發(fā)式規(guī)則都起到了重要的作用。

    啟發(fā)式規(guī)則調(diào)度的優(yōu)點(diǎn)是不必進(jìn)行大量的計(jì)算，避開了“組合爆炸問題”，只要選擇了合適的規(guī)則便可產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)度策略，方便易行。本文在現(xiàn)有的啟發(fā)式規(guī)則的基礎(chǔ)上，采用了可配置的分層規(guī)則作用方式，提高啟發(fā)式規(guī)則應(yīng)用的有效性和適應(yīng)性。

    3.1 可配置的分層規(guī)則

    目前確定的調(diào)度規(guī)則已經(jīng)超過100多種，其中運(yùn)用較為廣泛的主要有FCFS、SPT、LPT、EDD、SCR、MWKR、LWKR及MOPNR等。不同的調(diào)度規(guī)則具有不同適用條件，用于滿足不同的調(diào)度目標(biāo)。單獨(dú)的規(guī)則作用往往只能滿足一類目標(biāo)，而在現(xiàn)有規(guī)則的基礎(chǔ)上做一些新的方法設(shè)計(jì)則能得到改善。本文采用一種可配置的分層組合法，將現(xiàn)有的基本調(diào)度規(guī)則按照當(dāng)前需求組合起來，用于車間現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)度。分層組合方法的示意圖如圖4所示。

圖4 啟發(fā)式規(guī)則的分層組合

    基本規(guī)則層可配置多個(gè)常用的基本規(guī)則，如FCFS、SPT、EDD等，按照其標(biāo)準(zhǔn)的公式計(jì)算出在制任務(wù)的基本優(yōu)先級(jí)；在基本規(guī)則的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)對(duì)其基本優(yōu)先級(jí)的數(shù)值進(jìn)行敏感度設(shè)置和數(shù)值過濾，得到多個(gè)排序規(guī)則，通�？啥�義2個(gè)，分為主排序規(guī)則和輔助排序規(guī)則，分別考慮首要因素和次要因素；組合規(guī)則層將各個(gè)排序規(guī)則按照次序組合起來，并最終指派到相關(guān)的車間或資源，通過不同的作用方式，生成任務(wù)隊(duì)列，指導(dǎo)車間或資源的派工與生產(chǎn)準(zhǔn)備。

    在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，采用面向?qū)ο蟮能浖�設(shè)計(jì)原則，將基本規(guī)則抽象為接口，供排序規(guī)則調(diào)用；在排序規(guī)則層，調(diào)用基本規(guī)則的接口獲取基本優(yōu)先級(jí)，設(shè)置數(shù)值敏感度及相關(guān)限制值，得到排序優(yōu)先級(jí)；最終在組合規(guī)則層中按照一定的作用方式完成對(duì)作業(yè)任務(wù)的排序。上述各個(gè)參數(shù)及相關(guān)接口的實(shí)現(xiàn)都可以由用戶按照自身需求進(jìn)行配置，提高了啟發(fā)式規(guī)則的適用性。

    3.2 分層規(guī)則的作用方式

    指派到車間或資源的組合規(guī)則可以有多種不同的作用方式，較為實(shí)用的有順序作用方式和查表作用方式。兩種作用方式示意圖見圖5。

圖5 兩種不同的規(guī)則作用方式

    (1)順序作用方式。

    順序作用方式按照排序規(guī)則的主次順序依次計(jì)算任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。在生成任務(wù)隊(duì)列時(shí)，首先按照主排序規(guī)則的優(yōu)先級(jí)排序，得到一個(gè)較為粗略的隊(duì)列；隨后按照輔助排序規(guī)則的優(yōu)先級(jí)排序，對(duì)已有隊(duì)列進(jìn)行更為細(xì)致的劃分。以非瓶頸資源的作業(yè)排序?yàn)槔�，主�?guī)則應(yīng)該基于瓶頸資源排產(chǎn)和零件的產(chǎn)出計(jì)劃來制定，輔助規(guī)則可以考慮工時(shí)優(yōu)先規(guī)則，提高非瓶頸資源的加工流暢性。

    (2)查表作用方式。

    查表作用方式綜合考慮主排序規(guī)則和輔助排序規(guī)則，將兩者的值組合起來，通過查閱定義好的真值表得到最終的排序優(yōu)先級(jí)。這種方式實(shí)際上平等地考慮了2個(gè)排序規(guī)則，沒有主次之分�；�本規(guī)則計(jì)算出來的值需要對(duì)其進(jìn)行離散化，將其分為不同的等級(jí)。需要注意的是，等級(jí)的劃分不可過細(xì)，避免維護(hù)大量的真值表數(shù)據(jù)，而且過細(xì)的數(shù)據(jù)分級(jí)在實(shí)際應(yīng)用中并沒有太大的意義。

    兩種作用方式各有特點(diǎn)。順序作用方式按照主次順序考慮控制目標(biāo)，層次分明、邏輯清晰；查表作用方式同時(shí)兼顧2種控制目標(biāo)，詳細(xì)定義每一種組合下的優(yōu)先級(jí)，能夠?qū)��?shí)際的經(jīng)驗(yàn)很好地融入系統(tǒng)，但需要定期人工維護(hù)真值表。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

    為了驗(yàn)證上述方法在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用效果，本文在MES系統(tǒng)中構(gòu)建了基于上述方法的計(jì)劃與調(diào)度子系統(tǒng)，并在相關(guān)工廠進(jìn)行了應(yīng)用與驗(yàn)證，見圖6。

圖6 MES中的車間計(jì)劃與調(diào)度子系統(tǒng)典型界面

    該系統(tǒng)基于J2EE平臺(tái)，采用了Spring等開源框架，具有很好的開放性。在模型層，參考PSLX規(guī)范及SP95規(guī)范實(shí)現(xiàn)了相關(guān)的數(shù)據(jù)模型，具有很好的通用性，能夠表達(dá)離散制造車間中的大多數(shù)問題；在核心業(yè)務(wù)邏輯層，構(gòu)建了大量的通用業(yè)務(wù)接口，供上層業(yè)務(wù)邏輯調(diào)用；在表現(xiàn)層，使用了JSP、報(bào)表工具、JGantt插件等多種展現(xiàn)工具，提供了良好的用戶圖形化接口。

    該系統(tǒng)在某航空制造企業(yè)中得到了應(yīng)用。該企業(yè)現(xiàn)有的產(chǎn)品種類達(dá)1000多個(gè)，零件的制造周期平均在3個(gè)月左右，在制零件批次數(shù)量長(zhǎng)期保持在3萬以上，面臨著較大的供貨壓力。通過系統(tǒng)在該企業(yè)的實(shí)施，零組件的準(zhǔn)時(shí)交付率達(dá)到90％以上，零件生產(chǎn)周期平均縮短了30％左右，證明了本文論述方法的有效性與實(shí)用性。

5 結(jié)束語

    本文分析了復(fù)雜產(chǎn)品制造系統(tǒng)的生產(chǎn)計(jì)劃與控制的應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)了在實(shí)際應(yīng)用方面的難點(diǎn)與不足；嘗試建立基于TOC及啟發(fā)式規(guī)則的復(fù)雜產(chǎn)品制造系統(tǒng)生產(chǎn)計(jì)劃與控制方法；設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了相關(guān)計(jì)劃與調(diào)度系統(tǒng)(或軟件模塊)并在工廠得到了應(yīng)用。經(jīng)實(shí)踐證明，該方法對(duì)解決多品種、小批量離散制造企業(yè)在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏、數(shù)據(jù)樣本龐大、擾動(dòng)因素繁多環(huán)境下的車間計(jì)劃與控制問題具有較好的應(yīng)用前景和價(jià)值。

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本文標(biāo)題：基于TOC及啟發(fā)式規(guī)則的生產(chǎn)計(jì)劃與控制方法

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