車間調度問題的特點與指標分析

羅哲 顧曉猛 何循來

摘要：本文從車間調度的主要內容出發，綜述了當前車間調度問題的研究分類方法以及在實際生產中車間調度問題的各方面特點，其中重點就車間調度問題在按照加工系統的復雜性分類方法上進行了詳細闡述，總結了車間調度問題的分派規則與調度指標，以期為車間調度問題的研究拓展提供良好的借鑒。

Abstract： Based on the main content of workshop scheduling， this paper summarizes the current research and classification methods of workshop scheduling problems and the characteristics of various aspects of workshop scheduling problems in actual production， elaborates the workshop scheduling problem in the classification method according to the complexity of the processing system in detail， and summarizes the dispatching rules and scheduling indicators of the workshop scheduling problem， in order to provide a good reference for the research and development of the workshop scheduling problem.

關鍵詞：車間調度;生產計劃;調度特點;調度性能

Key words： workshop scheduling;production planning;scheduling characteristics;scheduling performance

中圖分類號：TH164? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）11-0289-02

0? 引言

近幾十年來，隨著科學技術的不斷發展和進步，生產過程發生了翻天覆地的變化，工業生產正向著技術更加先進、規模更加龐大、復雜程度更高的方向發展，對于企業的管理和生產過程的監控不斷提高。為了適應這種變化并滿足工廠的要求，企業的管理者必須根據市場上的原料供應、產品的需求以及自身的情況來對生產過程加以控制，以實現企業利益最優化。而車間調度解決的就是企業在生產過程中，以生產為中心，通過對有效的資源進行合理指揮、控制和調節，進而達到提高經濟效益目的的問題[1]。車間調度的優化工作在提高生產效率和降低生產成本方面起著非常重要的作用，車間調度問題也已成為現代制造企業自身生存和發展的基礎，越來越引起人們的關注與研究[2-3]。本文分別就車間調度的主要內容、分類方式、問題特點、分派規則、調度指標等方面展開分析，探討車間調度問題的相關特性情況。

1? 車間調度的主要內容

車間調度覆蓋的時間范圍是從對產品已知或可以預知需求的時候開始，然后一直持續到銷售完成的這一段時間為止。在整個過程中客戶會對產品的性能提出要求，工廠自身的生產能力也有一定的限制，由于這兩方面約束的存在，所以生產加工過程需要進行計劃和安排。通過計劃和安排就可以使工廠能夠在規定的時間內均衡生產負荷并順利完成生產任務。這樣就不會有制品過多的積壓以致流動資金停滯的現象發生。具體到生產車間中，就是要對生產資源進行合理分配，即在一定的時間內對共享資源和生產任務進行排序，滿足企業以及客戶的需求的一些性能指標。

車間調度主要是對企業的日常活動進行檢查、控制、調節以及指揮，來協調和平衡企業生產中的一些不平衡和矛盾，避免生產過程中脫節現象的發生，有效的把生產單位和生產的各個工作環節統一起來。車間調度的主要內容包括：

①檢查設備的準備情況，了解并掌握工作設備的是否運轉正常，及時調整設備的加工對象和任務，督促設備的維護和修理等。

②調配生產力，調整勞動組織，協調各生產環節，使所有的加工過程能夠順利完成。

③檢查生產資料的供應情況、工廠內的運輸狀況，以及與有關部門相配合情況，保證原材料的供應，保證在制品和半成品加工的完成和加工完成的產品正常入庫。

由此可見車間調度在生產過程中的重要性，所以人們不斷的對其進行研究與探索，力求尋得最優的車間調度算法，進而提高生產設備的加工效率和操作管理的水平。

2? 車間調度問題的分類方法與特點

2.1 車間調度問題的分類方法

鑒于國內外專家、學者在車間調度問題的研究分析上存在方向上的差異性，所以對于車間調度問題的分類方法也是多種多樣的。目前獲得普遍共識的分類方法是由Graves等人提出來的分類方法，其分類方法是基于車間調度的不同標準來進行分類[4]，可概括為四種類型。

2.1.1 依據加工系統分類

①單機調度問題;該類問題研究的是車間中僅有一臺機器，所有的生產加工任務都需要在這臺機器上完成。對于這類問題一般是根據工件的加工時間以及不同工件的交貨期限等，進行生產任務排序。

②并行機器調度問題;該類問題研究的是在整個并行機器系統中，包含的所有機器都相同且每個工件可以在任何一臺空閑機器上加工，然后每個加工完的工件釋放一臺機器離開系統。

③開放車間調度問題;該類問題研究的是當所有工件的加工都沒有先后要求的情況下，各工序之間也不存在工藝路線約束的問題。該類問題的工件加工可以從任意一道工序開始，并在任意一道工序結束。

④作業車間調度問題;該類問題研究的是n個工件要在m臺機器上進行加工的問題。該類問題不同工件的工序間沒有工藝路線的約束，同一個工件的工序要按照指定的加工路線加工且在加工過程中不能中途停止，直到這道工序加工完成，在全部的加工過程中工件的加工路徑可以不同。

⑤流水車間調度問題;該類問題研究的是n個待加工的工件在m臺機器上加工，且每個工件在機器上的加工順序都相同，工序的加工過程不能中斷直到工序加工完成為止的問題，也被稱為同順序車間調度問題。

2.1.2 依據優化準則分類

根據優化準則的不同可將車間調度問題分為基于費用與基于性能這兩類車間調度問題。在實際生產過程中，需要對費用和性能兩方面因素進行綜合考慮，但在車間調度的理論研究時一般只考慮車間調度性能的優劣。

2.1.3 依據生產環境分類

基于不同的生產環境，可將車間調度問題大致分為隨機性和確定性這兩類車間調度問題，其中隨機性車間調度問題研究的是工件加工時間與交貨期限等參數都是隨機產生的變量的情況;確定性車間調度問題研究的是工件加工時間與交貨期限等參數都是已知的情況。

2.1.4 依據加工特點分類

依據加工特點的不同，可將車間調度問題分為靜態與動態車間調度問題。其中，靜態車間調度指的是所有的作業全部處于待加工狀態，調度確定以后所有作業的加工順序即被確定。動態車間調度比較復雜，在動態車間調度中，待加工工件依次進入加工系統加工，而加工完成的工件又不斷離開加工系統，在加工過程中還必須考慮作業環境中不斷出現的設備損壞和加工超時等動態擾動。因此動態車間調度要根據系統中隨時變化的情況及時對調度進行調整。

2.2 車間調度問題的特點

在實際生產作業中，車間調度問題往往存在各種各樣的特點，但總的概括起來普遍存在如下幾個方面的特點：

2.2.1 復雜性

由于在加工過程中要對加工作業進行裝卸，設備進行維護以及加工作業的搬運等，而這些方面又是相互交叉影響的，以至對于每個作業均要考慮準備時間、到達時間等一系列的問題，所以實際的車間調度是非常復雜的。車間調度問題在交貨期和工件的加工工藝的約束下對性能指標進行優化，在計算量上屬于完全NP-hard問題，即隨著問題規模的增大，對應求解的計算量將會呈指數增長，所以一些常規的優化方法無法解決。

2.2.2 動態隨機性

在實際的生產調度系統中會經常伴隨著如工件加工時間隨機、工件到達時間不定等一系列的不確定因素，且實際生產系統中時常會發生一些突發和不可抗的偶然事件，如加工設備的損壞、修復或者客戶要求更改工件的交貨期等。

2.2.3 多目標性

實際的車間調度通常是由一些相互影響相互制約的多目標組成。例如加工作業的加工完成時間和作業提前加工完成所產生的存儲費用這兩個目標，如果加工完成時間過小就會使工件提前完成，由此就會產生附加的存儲費用使生產成本過高，所以這兩個目標之間就是相互耦合的。

3? 車間調度問題的分派規則和調度指標

3.1 分派規則

車間調度問題的分派規則指根據企業自身的情況以及所加工工件工藝條件的不同等，基于特定的加工規則，將每一臺處理機與其對應的生產資源對待加工作業進行排序。主要的分派規則有優先選擇加工時間最短的工件、優先選擇交貨期最早的工序、優先選擇同臺機器上工件隊列中最先的工序等。學者們通過大量的實驗結果發現，對于優先選擇最短加工時間的工序來進行分配，對于大多數的車間調度性能指標均能取得較好結果，這個結論已被大量仿真研究所證實[5]。如果客戶對產品有特殊的需求，我們可以根據具體情況來選擇車間調度的分配原則。

3.2 調度指標

影響車間調度問題的因素通常可以分為兩種：一種是生產企業內部的因素，它主要包括工廠的生產能力、加工設備的可用性、原料的供應性、產品的投產期等;另一種則是客戶及待加工作業自身的因素，它主要包含產品的交貨期、產品批量的大小、加工作業的工藝要求、產品的成本限制等。對于這些影響因素可分為可知因素與不可知因素，其中，可知因素又可細分為必須滿足因素和基本滿足因素兩種。對于生產能力、交貨期限則往往是必須滿足的。對于生產成本則只需要基本滿足亦或是達到一定程度就好。對于設備故障、原料供應不足、生產任務變化等因素往往事先是不可知的。調度指標是評價調度方案優劣程度的一個標準。在實際生產中，常用的調度指標有如下幾點：①調度性能指標;主要涵蓋生產資源利用率的大小、生產周期的長短等方面，本質是通過將生產能力最大化來達到提高經濟效益的目的。②成本指標;主要包括加工費用的多少、換線成本的大小、工人工資的多少、超過交貨期的罰款等。③客戶滿意度指標;主要包括延期零件數量的多少、超過交貨期時間的長短等方面，而在實際的車間生產調度中，企業一般會以滿足制造周期最短、總流程時間最小以及交貨期等為調度的優化目標。

4? 總結

良好的車間調度對企業合理利用資源，實現生產利益最大化起著舉足輕重的作用。本文概述了車間調度的主要內容，而后介紹了車間調度問題的分類方法與特點，最后探討了車間調度問題的分派規則與調度指標。對于車間調度理論與方法的研究目前還在不斷擴展，通過本文的論述，期待為車間調度問題的進一步深入研究提供可行的參考與借鑒。

參考文獻：

[1]王建朝，袁逸萍，李曉娟，熊宗慧.關鍵鏈約束理論解決柔性車間調度問題[J].機械設計與制造，2019（2）：30-33.

[2]靳彬鋒，畢利.基于遺傳算法的多目標車間調度[J].組合機床與自動化加工技術，2019（4）：157-160.

[3]譚艷艷.幾種改進的分解類多目標進化算法機器應用[D].西安：西安電子科技大學，2013.

[4]Graves S..A review of production scheduling [J].Operations Research， 1981，29（4）： 646-667.

[5]孫志峻.智能制造系統車間生產優化調度[D].南京航空航天大學，2002.