一、生产调度内涵

目前，我国制造企业在批量性产品生产时，存在任务分批交付的不确定性、工时等基础数据的不准确性、长期手工形式的生产管理导致的现场执行状态及其反馈信息的不完备性等问题。如何在非常规的动态制造转型环境下进行生产调度的决策就成为迫切需要解决的核心问题。制造企业多品种变批量生产形式需要化解的核心矛盾在于批产型产品的效率和研制型产品的生产柔性，提高批产型产品生产效率和加工质量一致性水平的理想形式是采用单元化的思想，实现在单元内形成短线或者小流水的生产运行效果，而提高研制型产品生产柔性是采用离散式制造形式，两者综合导致了多品种变批量生产组织具有单元内流水式生产与单元外离散式生产相结合的混合模式，为生产调度提出了新的技术挑战。

1.排程和调度的概念分析

排程是在考虑能力和设备的前提下，在物料数量一定的情况下，安排生产任务的生产顺序、优化生产顺序、优化选择生产设备，使等待时间减少，平衡各机器和工人的生产负荷。调度是基于既定的排程方案，面向生产现场的实际资源状态和执行进度信息，进行和调整作业派工。排程主要面向计划任务，而调度主要面向现场执行的动态调整，因此，一般可以称之为计划排程和动态调度。需要指出的是，有些行业或地区习惯将其称为排程，甚至笼统称之为计划、排程或者调度，但其含义范围基本一致。

计划排程与动态调度的概念侧重点有一定的差异，具体如下：

（1）应用时机差异。计划排程一般偏重于开始执行前的全局统筹作业安排，动态调度强调过程执行中的执行现场时机调整，但一般而言，在车间已有任务在制执行的状态下，计划排程也必须考虑到现场任务的执行状态进行作业方案的更新，这种情况等同于动态调整，也是计划排程的常态。

（2）应用状态差异。计划排程偏重于静态的总体评估，而动态调度偏重于动态的现场调整，两者维护的是同一个作业方案。

（3）应用重点差异。不同类型的生产对于排程和调度的应用重点存在一定的差异，对于以机器设备为核心的多品种变批量生产，一般强调计划的权威性和指导性，体现为“重计划、轻调度”，即一旦作业方案确定，尽量避免执行过程中的调整；对于以人力、场地资源为核心的大型、单件装配型生产，由于约束问题的复杂性以及人力资源的灵活性，导致难以获得精确意义上的计划排程作业方案，因此普遍采用“轻计划、重调度”的方式进行过程组织，即计划排程给出相对量化的作业方案，主要是按照交货期规定的时间节点，过程执行依靠现场的调度配置，这种形式有一定的灵活性，但难以有效提升资源利用率和保证产品的交货期。

2.生产调度的内涵分析

生产调度性能的优劣直接制约了离散制造企业多品种变批量生产模式的运行效果，是能否落实快速响应制造执行的核心技术。传统的生产调度概念偏重于作业计划的优化排程，并衍生出了大量的优化调度算法，对于基础数据准确、业务流程稳定、少品种大批量的制造执行具有一定的适应性，但在我国制造业生产向多品种变批量生产模式转变的趋势下，面临着来自任务、流程、数据、执行等层面的变动影响，导致我国离散制造企业的制造执行水平总体上仍然处于手工管理阶段，虽然目前有大量的面向静态、理想执行的优化调度算法研究成果，但由于无法对动态的生产扰动事件进行快速响应，从而无法真正展开应用。总体而言，一方面是多品种变批量生产模式提出了柔性调度和动态调度的新挑战；另一方面是目前的调度研究由于假设过多而偏离实际，不能反映多品种变批量生产模式下的快速响应制造执行问题背景，如何解决两者之间的差距，就成为需要解决的核心问题。

针对传统的集中于作业优化排程调度算法研究无法解决多品种变批量生产模式快速响应制造执行的问题，必须突破仅仅局限于作业排程的生产调度概念，应从生产的含义入手，从广义的调度，结合快速响应制造执行的需求，进行生产调度的定义和研究。

面向快速响应制造执行的生产涉及业务流、作业流、信息流三者之间的交互协作。业务过程协调和作业周转是信息流的载体，作业流对业务协调和信息传递具有驱动和牵引作用，业务过程协调指导工件流转并进而支持信息传递，三者关联协作，才能有效地支撑快速响应制造执行。面向快速响应制造执行的生产调度，必须综合考虑制造信息管理、业务过程协同、作业周转控制、作业执行状态采集、混线生产作业调度和动态调度等环节的关联关系，跳出为作业调度问题而研究调度算法的处理思路，从全局的角度，建立全面的生产调度解决方案，以解决多品种变批量生产模式所要求的快速响应协同调度问题。

面向快速响应制造执行的生产调度内涵可定义为：以多品种变批量生产模式为研究与应用背景，以支持快速响应制造执行为目标，以生产中的业务、信息和作业等的关联关系为基础，从广义生产调度的角度，通过业务过程协调、工艺过程驱动的周转控制、混线生产作业优化排产、生产扰动驱动的动态调度等环节系统化综合处理的思路，形成以作业优化排程与动态调度为核心，以业务协同与信息控制为支撑的生产调度技术体系，达到有序、协调、可控和高效的快速响应制造执行结果。

二、压件生产策略

在离散型制造企业，订单生产周期是指订单从车间开始投产到全部成品产出所经历的整个生产过程的全部时间。一个生产订单的生产是要按照产品工艺流程的规定，从首道工序开始，然后传递到下一道工序，直至最后一道工序加工完成。订单生产周期的长短与加工工件或在制品在工序间的传递方式有很大关系。

在制品工序间传递的方式及对订单生产周期产生的影响

压件生产策略不仅用于实现生产线中加工工序的统一建模问题，同时也保证了生产中流水式工序传递作业的连续性。生产线中制品的生产一般具有多个连续的工序，各个工序有粗、精之分，各工序的执行时间也不同，为了保证制品能够串行流出，必须结合工序间的时间差异，在某些工序环节设定一定数量的在制品，形成压件生产的形式，从而化解工序加工时间不均匀的问题。压件生产对于订单生产周期有突出的影响，下面介绍压件生产机制中主要采用的三种方式：顺序移动方式、平行移动方式和顺序加平行混合移动方式。

下面通过一个例子来说明这三种方式的特点、区别以及对订单生产周期的影响。

例如车间接收到一个“生产4件A产品的订单”，A产品生产工艺流程规定需要通过4道加工步骤，并且单件制品在各道工序中所需要的生产时间分别为t1＝20 min，t2＝5 min，t3＝40 min，t4＝10 min。

1.顺序移动方式

顺序移动方式是指每批制品在上一道工序加工完毕后，整批地移送到下一道工序进行加工的移动方式，其订单生产周期如图3－22所示。顺序移动方式的优点是制品运输次数少、设备利用较为充分以及管理简单等，其缺点主要体现为加工周期比较长。顺序移动是传统的离散式加工生产最常见的移动生产方式，尤其在对于质量要求比较严格，要求批次工序制品全部检验后才能周转到下一道工序进行生产的情况。

图3-22　顺序移动方式下订单生产周期

顺序移动的加工周期公式如3－1所示：

其中n为制品的加工数量，m为制品的加工工序数，ti为工序i的单件加工时间。

根据计算可以得出，采用顺序移动方式的订单生产周期为300 min，其特点是每道工序在这4件产品上所花的时间是连续且不停顿的。

2.平行移动方式

平行移动方式是指一批零件中的每个零件在前一道工序完工后，立即传送到下一道工序继续加工的移动方式，其订单生产周期如图3－23所示。平行移动方式的优点是加工周期短，其缺点主要体现为运输频繁、设备空闲时间多而零碎且不便利用。对于平行移动的调度处理比较复杂，一般是将一批平行移动的批量拆分为同等数量的订单进行计划排程，但在设备选择方面优先选择某道工序第一个工件所选择设备，可以近似拟合出平行移动的生产效果。

图3-23　平行移动方式下订单生产周期

平行移动的加工周期公式如公式3－2所示：

式中，tl为最长的单件加工时间。

根据计算可以得出，采用平行移动方式的订单生产周期为195 min，其特点是第1道和第3道工序在4件产品上所花的时间是连续且不停顿的，而第2道和第4道工序在这4件产品上所花的时间是不连续的，有中断和等待的状态。

库存运行管理活动

3.平行顺序移动方式

平行顺序移动方式，是顺序移动方式和平行移动方式的结合使用，是指一批零件在一道工序上尚未全部加工完毕，就将已加工好的一部分零件转入下道工序加工，以恰好能使下道工序连续地全部加工完该批零件为条件的移动方式，其订单生产周期如图3－24所示。平行顺序移动的优点是设备利用率高，其缺点是管理复杂。平行顺序移动能够有效地降低计划排程的复杂性，同时避免了出现设备空闲时间零碎的现象。加工周期及计算公式如公式3－3所示：

具体做法：

当ti＜ti＋1时（前道工序单件时间小于后道工序单件时间），制品按平行移动方式转移；

当ti≥ti＋1时，以该工序最后一个制品的完工时间为基准，往前移动（n－1）×ti＋1作为制品在（i＋1）工序的开始加工时间。

图3-24　平行顺序移动方式下订单生产周期

根据计算可以得出，采用平行顺序移动方式的订单生产周期为240 min，其特点是每道工序在这4件产品上所花的时间是连续且不停顿的，如图3－24所示。

通过以上分析可以看出，顺序移动方式使得工序的组织与计划工作变得简单，每道工序的加工时间连续且不停顿，提高了工效，但是大多数产品有等待加工的现象，生产周期最长；平行移动方式使得订单生产周期最短，在制品占用量最少，但是存在前后工序时间不相等，存在加工时间中断和制品等待的情况；平行顺序移动方式使每道工序的加工时间连续，在一定程度上消除了加工的等待时间，订单生产周期介于以上两者之间，是个取长补短的方法，但也面临着组织管理比较复杂的问题。因此，企业需要根据自身的业务特点和生产要求，采取合适的压件生产策略进行生产调度，确保生产作业的连续性。

车间作业调度算法

三、车间作业调度算法

通过对生产调度的内涵的分析，在生产调度资源优化配置、约束分析以及节拍保障技术的基础上，提出了生产作业调度算法。根据调度方式的不同策略，将调度算法分成了人机交互调度算法和自动调度算法。

1.人机交互调度算法

人机交互调度并不是完全由操作人员手工生成的作业计划，而是通过计算机辅助计算得到工序的顺序、最早可开始时间以及可用设备等约束信息，以此辅助操作人员做出决策，人机交互调度的算法流程如图3－25所示。

（1）操作者通过人机交互界面以鼠标点选的方式选择待调度工序，将待调度工序设置为pss，r。

（2）在操作者选择待调度工序后需要由计算机辅助计算待调度工序的最早可开始加工时间和待调度工序的可选设备。通过对基础调度数据中待调度工序所关联的加工工种进行搜索就可以获得待调度工序的可选设备。计算待调度工序的最早可开始加工时间则较为复杂：(www.daowen.com)

当s＝1时，工序的最早可开始时间等于物料的下达日期，即DCs，r＝DRr，o。

当s＞1时，首先计算工序的压件数量，当该制品采用离散方式生产时，压件数量等于工序的计划加工数量，即NFs，r＝NPs，r。根据待调度工序单件加工时间、辅助生产时间、压件数量和制品前道工序计算待调度待工序的最早可开始加工时间，计算公式如公式3－4所示：

图3-25　人机交互调度的算法流程

（3）通过人机交互界面将计算结果传达给操作者。通过对可选择设备的反色显示为操作人员提供可选择设备信息。通过在可选设备上最早可开始时间到待调度工序所属制品的交货期之间划线的方式为操作人员提供可用加工时间区域。

（4）通过人机交互界面由操作者选择加工设备和调度方式，如选择的设备为Mn，t。

（5）根据操作者选择的调度的方式由计算机辅助选择处理策略，如果选择的调度方式为紧前方式调度则转至步骤（6），如果选择调度方式为插入方式则转至步骤（7）。

（6）获取设备Mn，t上最后一个调度块的计划加工结束时间，采用公式3－5计算工序pss，r的计划加工开始时间PBs，r，n，l，采用计划完成时间算法计算工序pss，r的计划加工完成时间PEs，r，n，l，转至步骤（11）。

（7）为操作者提供插入准则选择界面，操作者通过该界面选择插入基准工序pss″，r″，n，l′。

（8）获取设备Mn，t上基准调度块的设备内前道工序的计划加工完成时间PEs″，r″，n，l′－1，采用公式3－6计算工序pss，r的计划加工开始时间PBs，r，n，l，采用计划完成时间算法计算工序pss，r的计划加工完成时间PEs，r，n，l。

（9）将基准工序和制品内后道工序在加工序列中的位置向后移动一位，即基准工序从pss″，r″，n，l′变更为pss″，r″，n，l′＋1，将pss，r插入到pss″，r″，n，l′的位置上，pss，r变更为pss，r，n，l′，采用计划完成时间算法计算工序pss，r，n，l的计划加工完成时间PEs，r，n，l。

（10）计算机辅助判断待调度工序调度后产生的调度块是否与基准调度块冲突，如果PEs，r，n，l＞PBs″，r″，n，l＋1则对后续调度工序进行调整，否则转至步骤（11）。

（11）判断该工序的调度是否导致生产延期，如果没有延期即PEs，r，n，l≤DDr，则完成调度，否则生产延期，即PEs，r，n，l＞DDr，标记该制品生产已经延期。

2.自动调度算法

自动生产调度过程不需要操作者对调度过程进行任何的操作，由计算机根据制造资源、生产计划信息和当前设备的生产队列等信息，在调度规则、调度约束和混线调度节拍保障机制的支持下，完成作业计划的排程，自动调度算法流程如图3－26所示。

首先，从基础数据中读取生产计划信息，而后判断生产计划内是否含有关重件，如果含有关重件，则首先采用混线生产流水调度算法完成对关重件的调度，随后采用混线生产离散调度算法完成对非关重件的调度，最后生成作业计划。

可调度工序集是两种调度算法中都使用的一个概念，可调度工序集即指所有没有制品内前道工序或者制品内前道工序已经调度的工序的集合。只有属于可调度工序集的工序才是可以进行调度操作的。

混线生产流水调度算法

（1）从调度资源基础信息处获取采用流水方式生产的制品和带有逻辑制造单元的设备信息。

（2）采用以优先级筛选规则为首要规则的工序选择规则从可调度工序集合中选择唯一一个待调度工序，如果可调度工序集合为空则转至步骤（7）。

（3）如果待调度工序的工序选择优先级位于普通优先级范围内，则采用公式3－7为待调度工序所属制品的未调度工序进行工序选择优先级调整。

（4）采用公式3－8计算该调度工序所需要加工设备数量，利用以优先级筛选规则为首要规则的设备选择规则从所有可选设备中选取规定数量的加工设备。

（5）通过公式3－9计算工序的最早可开始时间，结合加工工时，利用计划完成算法计算工序的计划加工结束时间。

（6）转至步骤（2）。

（7）调度结束。

混线生产离散调度算法

（1）从调度资源基础信息处获取采用离散方式生产的制品和设备信息。

（2）采用以优先级筛选规则为首要规则的工序选择规则从可调度工序集合中选择唯一一个待调度工序，如果可调度工序集合为空则转至步骤（7）。

（3）采用公式3－8计算该调度工序所需要的加工设备数量，利用以优先级筛选规则为首要规则的设备选择规则从所有设备中选取唯一一个加工设备。

（4）通过公式3－9计算工序的最早可开始时间，结合加工工时利用计划完工算法计算工序的计划加工结束时间。

（5）转至步骤（2）。

（6）调度结束。

生产数据采集方式

四、生产数据采集

对于制造企业来说，生产过程离不开生产数据的支持，只有了解生产现场的详细产能数据，才能在接下来的生产排程中进行精细的排产计划。因此，生产数据采集是MES的一个重要功能，生产任务一旦下达到工序工位，MES就开始采集工位上的生产数据。

1.生产数据采集的定义

生产数据采集是指MES通过数据采集接口来获取并更新与生产管理功能相关的各种数据和参数，以便生产管理人员进行精细化的生产管理。如果MES不能及时、准确地获取生产现场的生产信息，生产管理人员就无法对生产执行做出及时有效的管理和决策。

2.生产数据采集的种类

生产数据包含了各种生产要素再生产过程中的过程信息。

（1）工位生产人员信息，如工位生产人员在哪个工位上干过活，以及上工、下工的时间记录等信息。

（2）物料信息，如物料被工位接收的信息（包括时间、工序工位、数量以及用于哪个订单生产）、物料被使用的信息（包括时间、工序工位、使用量、剩余量以及用于哪个订单生产）。

（3）工位任务生产过程信息，如每个工位任务的生产开始时间、中间暂停时间、生产结束时间、每个加工工步的工时消耗信息。

（4）在制品消息，如在制品被工位接收的消息（包括时间、工序工位、数量以及用于哪个订单生产）、在制品被使用的信息（包括时间、工序工位、使用量、剩余量以及用于哪个订单生产）和在制品被返工的信息（包括时间、工序工位、返工量、哪个订单）。

（5）生产中触发的非正常流程信息，如物料异常（扣留）情况的处理信息，在制品异常（下线维修）情况的处理信息。

（6）生产设备及工装的技术参数信息，如生产设备及工装上各种传感器的实时数据。

3.生产数据采集的方式

目前，对制造企业车间生产现场数据采集的方式主要有两种，包括手工数据采集和自动数据采集。

（1）手工采集。手工采集是指由工位上的生产操作人员采用手工方式将数据信息录入到MES的工位生产客户端。具体的信息录入方式包括通过屏幕键盘或外接键盘输入文字和数字信息、单击屏幕上的按钮触发事件以及扫码枪读取条码包含的信息。

（2）自动采集。自动采集是指由系统定时或者不定时地从设备终端中自动采集数据。具体的信息采集方式有：采用RFID技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取数据；通过数据接口采集设备数据，主要设备类型可以是数控机床、机器人、PLC以及各种测量设备等。

在流程型生产企业，生产自动化程度较高，主要采用自动化的设备数据采集方式，大量的数据来自PLC；在离散型制造企业，生产自动化程度不是太高，主要采用手工录入方式进行数据采集，并结合一些条码扫描方式和RFID标签识别方式。在CYL－MES中的工位生产客户端就是一个重要的工位数据采集终端。