裝配車間自動排產系統的研究與實現

郭冬陽

[摘 要] 現有的APS排產軟件多是針對機加車間，很少涉及裝配車間，而裝配過程是產品組裝、交付的關鍵。在有限的資源能力情況下，生產任務組織得越精細、越緊湊，生產過程就會越順暢、效率越高。文中建立的裝配車間自動排產模型，能夠統籌考慮企業全局的能力和資源，預判生產環節中的各種資源沖突，并按照人工設定的資源占用優先級，盡可能設計出相對合理的工序級執行計劃，指導企業形成以裝配過程為中心的節拍式生產節奏。

[關鍵詞] 節拍式裝配；期量標準；排產模型；規則庫

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 09. 040

[中圖分類號] F270.7 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2019）09- 0089- 03

0 前 言

當今全球制造行業的生產模式正逐步向多品種、小批量、敏捷型的方式轉變，在這種模式下，企業的生產任務往往難以與資源有效匹配，且科研與批產任務交叉，資源沖突頻發，計劃完成率和設備利用率很低。且物資配套、零件加工和產品裝配等環節關聯性較差，無法形成以產品裝配為中心的節拍式生產節奏，進而導致企業的在制品積壓與配套缺件并存的現象時常發生。

合理的生產周期、相對穩定的裝配生產節拍是解決上述問題的有效方法，裝配車間的生產計劃管理得越精細、有序、合理，整個生產環節就越順暢。因此，本文試圖建立裝配車間的排產模型，為企業生產任務的有序進行提供精準的數據支撐。

1 裝配車間排產模型現狀

企業生產調度的排產模型，已有較多研究成果，但研究多是集中在機加車間的模型，對于裝配車間的調度模型研究較少[1]，且存在兩個方面的問題：

1.1 缺乏針對多品種小批量環境下工序級的調度排產

裝配車間的生產任務不同于機加車間，具有多個品種（型號）、多個批次混合生產，BOM復雜、工藝復雜、環節眾多等特點。且裝配過程中需要人工與設備的交叉工作：人工側重于裝調，設備側重于測試。因此現有的調度模型和算法，很難在有限資源及能力情況下，確定各工件（或任務）的加工人員和設備、加工開完工時間或加工順序等，從而無法使某項或多項生產指標（如制造周期、總拖期工件數及總拖期時間等）達到最優。

1.2 缺乏規避風險的能力

裝配過程中父子件的缺件裝配、質量問題、專項任務插單等不可控的風險，對整個制造過程影響極大。而這些風險在前期的調度排產中，是不可預知的，很難事先考慮在調度模型中，因此目前的研究成果都未能很好地解決此類風險。

基于以上問題，本文將研究裝配車間的排產模型并予以實現。對該模型的研究意義在于：一方面制造過程的排產問題復雜度高、應用面廣，與其他領域的諸多調度問題及TSP、BPP和VRP等組合優化問題具有很強的內在相似性，是一類典型的復雜系統優化問題。對該類制造過程的調度問題，采用傳統的調度模型難以取得令人滿意的效果，而自動排產調度是求解該類問題的有效手段；另一方面通過自動排產模型，將企業的生產過程以相對合理的節拍展現出來，能夠對企業的運營決策、資源能力、環境協調等因素進行指導，有效提高企業的生產管理和自動化制造水平。

2 自動排產系統的設計與實現

2.1 排產模型的建立

在討論排產模型[2]前，有必要對模型的用語進行闡述，以某企業在日常生產管理中的通用術語為例：“圖號”用來表示產品的代碼；“bom關系”用來表示父件、子件產品之間的升級關系；產品的“節拍工序”是該產品生產過程中的關鍵工序或者瓶頸工序，節拍工序之間只能串行進行，整個產品的生產周期由該節拍工序確定。以A（父件）的結果對B（子件）進行排產為例，父件和子件均只包含一個節拍工序。

A的節拍周期大于等于B的節拍周期見圖1。

如圖1所示，A的節拍工序是3天，B的節拍工序是2天，已知A的3個小批A1、A2、A3的節拍工序的開工、完工時間。則可以得出B的3個小批B1、B2、B3節拍工序的開工、完工時間，以節拍工序為基準，算出節拍工序前后的工序開工、完工時間即可，從而保證B1滿足A1、B2滿足A2、B3滿足A3。

A的節拍周期小于B的節拍周期見圖2。

如圖2所示，A的節拍工序是2天，B的節拍工序是3天，已知A的3個小批A1、A2、A3的節拍工序的開工、完工時間，則可以得出B的3個小批B1、B2、B3節拍工序的開工、完工時間，以節拍工序為基準，算出節拍工序前后的工序開工、完工時間即可，從而保證B1滿足A1、B2滿足A2、B3滿足A3。

2.2 系統的整體設計思路

排產系統的設計如下。在系統自動排產前，需要人工錄入排產所需的基礎數據、資源優先級等參數。自動排產引擎[3]是系統的核心部件，由排產算法和排產規則庫驅動。人工啟動排產引擎，系統將排產的結果存儲在數據庫中，并通過UI界面與用戶進行實時交互。系統的各功能組件如圖3所示。

（1）基礎數據是系統排產的初始化數據。系統不采用企業的標準工藝基礎數據，原因在于標準的裝配工藝路線劃分過于精細、且標準工時期量不統一，不便于計算機按照固定的規則進行處理。因此，需要人工將產品的工藝路線進行合并和拆分，形成便于計算機識別的基礎數據；

（2）資源優先級參數用于在系統排產過程中，當同一資源或者設備發生沖突時，由系統自動判別優先將資源分配于哪個批次的哪個產品上使用，以保證優先級高的產品能夠準時交付；

（3）排產算法是系統排產的邏輯思想，對算法本身的參數、算子的改進設計以及各種基礎調度算法混合的研究，以期獲得更加高效的調度算法，而實際的生產調度過程中，決策者的經驗知識和偏好對調度問題的求解起著至關重要的作用；

（4）自動排產引擎是系統的核心部件，當用戶輸入需要排產的型號、批次、投產數量等參數時，由該引擎執行后，獲取排產的結果，并將結果存儲在數據庫中；

（5）排產規則庫主要用于處理父件和子件的時間關系。由于排產算法采用倒排邏輯，因此規則庫的作用是：當排出父件的生產節拍后，如何確定子件的生產節拍能夠保證父件正常開工的前提下，使子件的安排更緊湊合理；

（6）圖形接口主要將排產的結果通過圖形化的形式展示出來，便于用戶直觀地分析結果，并能夠做到與數據庫的結果聯動。使用戶在界面上修改數據時，可以將數據實時地存儲在數據庫中。

3 裝配車間自動排產的效果分析

以上提出的排產模型已經在P企業進行了實際應用，極大地降低了計調人員管控車間計劃任務的難度。例如：某產品的全年排產，手工排產到班組時需要3天，而通過系統排產時僅僅需要1分鐘。當車間的全年任務量是多個型號、多個批次滾動投產時，由系統自動排產，不僅極大地縮短了排產的時間，而且能夠提高排產的正確性，減少手工排產時容易出現的跨周期考慮不完全、跨資源設備產生沖突的現象。

4 結 語

本文提出的制造過程裝配排產調度技術，將制造企業的產品制造過程以相對合理的生產節拍展現出來，實現了從總裝到零件（物資）的生產（采購）計劃倒排、生產過程的監控、斷點（風險）提前識別和預警、生產過程中斷后的延遲期量分析、各單元的生產能力平衡，對企業的決策、資源能力、環境協調等因素進行指導，可以有效提高企業的生產管理和制造自動化水平。

主要參考文獻

[1]閆華，劉強.基于ERP環境下的高級計劃排程系統[J].中國制造業信化，2010， 39（19）：35-39.

[2]楊龍，梅軍，劉茂輝.基于混合集合規劃的大規模生產排程算法的研究[J]. 中國企業運籌學， 2011（5）：56-60.

[3]胡嵐，涂海寧，劉建勝. 基于混合遺傳算法的Job-Shop調度問題的研究[J]. 現代制造工程， 2006（9）： 112- 126.