離散制造業企業的生產調度

降低制造成本，保證按時交貨，是企業經營永恒的主題，也是制造業企業生產計劃與調度部門永恒的職能。當今，制造業企業面臨的外部環境日趨復雜多變。無論軍方還是民用，無論是消費品還是投資品，需求變化越來越快，產品生命周期越來越短。為了生存和發展，很多離散制造企業采用多品種、小批量、快速響應的制造策略。在各種資源都越來越昂貴的總趨勢下，制造業更注重高效地運用有限的資源和現有資本裝備，縮短制造周期，降低制造成本。

生產調度在制造系統中的地位和作用

一般制造業企業中，生產計劃、調度、車間現場管理三個職能形成一種遞階結構，調度職能是制造執行系統（ＭＥＳ）的組成部分。ＭＥＳ所處的地位正是計劃層與現場管理層（ＳＦＣ）的中介，車間調度是ＭＥＳ的主要功能之一，它的敏捷性在很大程度上決定著整個制造系統的敏捷性。

制造業企業的生產調度有時也稱為作業計劃，就是在現有的工藝、機器設備、基礎設施和環境（如數量、互聯關系等）配置條件下，在一個時段（調度期）上，為全部機器編排一系列工序的開工完工時刻表，稱為調度表。調度表的可視化表示可以用基于機器的甘特圖或基于工序的甘特圖，顯示出所有機器上全部作業的起止時刻。

ＪＳＰ的由來

ｊｏｂ ｓｈｏｐ是離散型制造業中最多見的一類車間，一個ｊｏｂ ｓｈｏｐ的任務是零件加工或者是部件／總成／產品的裝配。ＪＳＰ（ｊｏｂ ｓｈｏｐ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ）是這類車間調度問題的總稱。在ＪＳＰ中，機器可以是一臺機器、一級機器、一個柔性制造單元（ＦＭＣ），或者是現場一個組織生產資源的區域。這些工作中心可以按工藝專業化組織，也可以按產品制造流程或成組單元組織，研究中常統稱為機器。ＪＳＰ的約束多是工藝規定的工序次序和工時。目標可以是最大完工時刻最小、延誤期最小、在交貨期準時完工、機器空閑時間最少、在制品存量最小、設備或人力利用率達到滿意水平、設備負荷均衡等等。調度問題求解的結果是一張可供執行調度表（ｓｃｈｅｄｕｌｅ）。

中小批量機械制造業中，每一工序都獨占機器，工序不可分解，工序的加工不可被搶斷，不同的機床上能加工的工序集可以不同。工件的工藝序、獨占機器和不可搶斷這三種約束是不可軟化、不可松弛的。

制造系統是一類復雜的系統，它的結構走遞階的，只有多目標、多資源、多約束、動態性、隨機性等特點，調度實務的復雜程度遠超出上述的靜態調度問題。敏捷制造車間的生產具有多品種、小批量、制造周期短的特點，不確定事件（如訂單隨機到達、加工超工時、機器故障等）出現的頻率明顯高于傳統制造車間。敏捷制造的車間調度更多地表現為動態調度問題。一個動態的車間里，調度職能還要處理很多相關信息，如在制工件的當前位置及數量、新投放的工藝序、工時、交貨期、當前機器集的狀態和能力、要獲取隨機變量、不確定事件的統計信息等。

ＪＳＰ的意義

１、實踐意義。調度問題廣泛存在了制造業的生產和服務業的運作中。在多品種、小批量、快速響應個性化需求的市場環境下，車間調度能力制造業企業核心競爭力的重要方面，研究生產調度問題可以為生產調度實務提供更有效的支持。因此，生產調度是系統工程和工業工程的重要課題之一，是各種先進制造模式中生產管理的重要研究內容。

調度職能對于準時交貨、設備利用率和庫存量有直接的影響，優化的調度方案可以極大地提高生產和運作的效率，同時降低制造成本。調度表還與很多其它經營管理活動有關，如生產計劃的可行性分析、銷售部門接受訂單的提前期、生產線的人力調配、設備保養維修、物料采購供應計劃。在機械制造業的離散生產過程中，一個工件制造過程９５％的時間在搬運和等待，５％的加工時間里，切削時間僅占３０％，其余７０％的時間用于零件裝夾及定位、還用于刀具、測量、機床調整、消除屑末等，多數機器９０％的時間處于閑置狀態，通過調度職能挖掘車間潛力還有很大的余地。

目前，國內外許多實際制造系統仍主要靠計劃調度人員的經驗和專業知識。但是，即使靜態調度問題，尋優計算量也是隨問題規模成指數增長的，遠非人腦的計算能力所能及。當代，動態、不確定型車間調度問題中大量的優化運算工作更是驚人，調度專家的經驗和直覺已不能勝任。國內很多制造業企業生產管理仍靠主觀臆斷和手工計算。計劃、調度和派發效率低，生產計劃柔性差，優化程度低，及時交貨率低，伴隨高庫存、低周轉率、客戶響應速度慢。而我國是制造業大國，但還不是制造業強國。短時期內制造業的裝備不可能大規模更新換代，但是僅靠現有的裝備，通過調度技術進步就能在相當大程度上改進生產系統的效率，增加競爭力。

２、理論意義。生產調度研究成果為提高制造系統性能提供重要的基礎理論，為調度職能的設計及計算機調度軟件的開發提供理論支持。與先進制造系統相應，工業工程界近年提出了先進計劃與調度系統ＡＰＳ（Ａｄｖａｎｃｅ Ｐｌａｎｎｉｎｇ ａｎｄ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）的概念。

無論靜態模型還是動態模型，ＪＳＰ都有極廣泛的應用背景。動態車間是典型的離散事件動態系統，項目管理、物流管理、供應鏈管理等領域廣泛存在的很多運作管理問題也可以抽象成為ＪＳＰ模型。因此，ＪＳＰ建模和求解方法也對其它問題的理論研究有所裨益，動態調度問題引起了工業工程和自動控制領域學者的極大興趣。

作為算法設計與分析的一個典型對象，靜態ＪＳＰ是一類有約束組合優化問題。算法理論認為，調度問題是ＮＰ難（ＮＰ－ｈａｒｄ）問題，到目前為止尚未找到實際可用的優化算法。求解有約束組合優化問題的高效算法是算法研究領域的重要課題，更是所有工程設計及優化領域備受關注的課題。

ＪＳＰ主要的內容及研究現狀

１、主要研究內容。調度策略、調度問題建模技術、高效優化算法是生產調度研究的三個主要問題。調度策略是指特定生產類型下應采取的調度行動、規則及制造系統的性能評價指標；建模技術研究如何描述機器集、工件集、工序集和工時集之間的關系，如何將這些關系和調度策略、性能指標表達成約束條件和目標函數的形式；算法研究主要探索如何在滿足約束條件前提下搜索到使目標函數最優或滿意的解——優化的調度表。

①靜態、確定型ＪＳＰ建模技術、求解算法。各種派發規則的優劣是調度策略研究重要內容。隨著算法理論和優化技術的發展，許多新的優化方法已應用到ＪＳＰ中，目的是搜索全局最優調度表。優化目標也從單目標發展到帶有互相沖突的多個目標。算法研究的主要內容有計算復雜度、近優性和搜索效率等。

②動態ｊｏｂ Ｓｈｏｐ具有多種隨機性或不確定性，許多不確定因素能使機器集、工件集、工序集、工時集可能改變，造成調度表規定的時間表中斷，靜態ＪＳＰ的一張優化調度表往往不能一以貫之。中斷或變化發生后，面臨調度表修復或重構問題，新調度表引起車間現場的一系列調整，進而導致生產線物料供應和物流的調整，由此提出了調度穩定性的問題。調度策略應對中斷的能力稱為調度職能的適應性。工序加工實際消耗工時往往具有隨機性，調度表對這類小幅度隨機波動的抵御能力是魯棒性研究的內容。動態調度策略研究主要針對各種動態環境下動態調度策略的適應性和魯棒性。各種引起重調度的因素特性的辨識、重調度策略和重調度觸發機制是動態ＪＳＰ研究的內容。

③重調度觸發機制的實現還需要實時獲得主計劃數據和車間現場動態數據，生產動態數據庫系統的體系結構、數據傳輸量、計算開銷、實時性等問題就成為調度器工業原型開發中要解決的問題。

④調度表的性能最終要落實到生產系統的技術經濟指標，但是調度表的性能常不能輕易直接在現場進行實驗驗證，只能在仿真環境中進行實驗驗證或評估。因此，仿真平臺的建立和仿真實驗設計成為該領域重要的研究課題之一。

⑤機器配置策略、工件投放生產線的策略、機器維修保養策略等對調度策略和模型有很大影響。因此，可重構制造系統的調度研究受到關注，計劃、調度及現場管理的分工集成也是重要的研究內容，這涉及ＥＲＰ／ＭＥＳ／ＳＦＣ的分工、集成及接口的研究。

２、研究現狀。對ＪＳＰ已經進行了廣泛的研究，產生了多種策略、多種數學模型和求解方法，尚無系統性研究結論，沒有形成統一的框架。調度策略問題是實踐性很強的問題，模型構造和算法設計也仍然是一種技藝，異彩紛呈的方法不斷提出。即使在工業發達國家，調度問題理論研究與工業界不斷發展的生產調度實務之間也存在很大的距離。

不同企業的制造執行系統是不同的，實際的生產過程千差萬別，系統中機器配置和資源、調度目標、調度策略均多種多樣，一個企業在不同市場形勢下的調度問題也可能大相徑庭。因此，難有一個包羅萬象的、普遍適用的調度策略、調度模型和算法。每一類制造業必須發展自己的調度技術，要開發定制的專用調度系統，必須深入了解對象系統的運行特點，這需要精深的專門知識和經驗。

已有一些國外軟件公司提供生產管理軟件系統，其中包括生產調度模塊，但通用調度軟件系統面向某一大類制造行業，必須具有足夠的可擴展性方能用于特定企業。實用中，調度模塊與計劃模塊、現場管理模塊的組裝往往必須依企業的實務定制。國外的生產管理軟件中，調度模塊的建模方法、優化算法多將問題簡化。但價格高，服務尚未本地化。調度軟件的功能和效能依賴了其使用的調度策略和算法，有的軟件只使用少數幾種簡單調度規則。國內無生產管理軟件系統供應商，企業定制調度軟件困難。與散見于文獻的研究成果相比，成功的應用個案較少，原因是學者們往往孤立地研究調度策略、建模技術和優化算法，多數文獻僅在高度簡化的模型上探討算法，目標函數的構造也缺乏實際背景，新算法研究成果用于軟件開發的少。數字化制造技術與生產調度技術之間存在“信息鴻溝”，這阻礙著先進制造系統的效益發揮。該領域雖然進行了很多研究，但是離支持當今的生產調度實務仍有很大距離。生產調度領域的技術進步需要工業界、信息技術界和學術界的長期通力合作。

（作者單位：西安交通大學管理學院）