CN101364108B - 复杂大系统环境下的基于事件驱动的车间作业动态调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及复杂大系统环境下的基于事件驱动的车间作业动态调度方法。本发明的目的在于提供一种车间作业调度方法以解决现有车间作业动态调度中在给定全局静态调度结果的前提下，如何对不同事件进行快速响应的问题。该方法从ERP系统中导入需求、库存等数据，并获得订单的全局静态调度结果。当工厂产生事件时，该系统根据ERP系统传入的事件信息，对事件作出响应，并反馈给ERP系统。这使得工厂实际加工情况尽量接近工单排程计划优化方案的同时，能够针对设备故障恢复、物料上线延期等不同突发事件，给出不同的优化调整，使得设备资源的分配更为合理，有效提高了企业利用生产资源的效率，降低生产成本，最大程度满足生产所需的各类约束条件。

Description

复杂大系统环境下的基于事件驱动的车间作业动态调度方法

技术领域：

本发明涉及一种车间作业动态调度方法，尤其是复杂大系统环境下的基于事件驱动的车间作业动态调度方法。

背景技术：

车间作业动态调度在现代机械制造、加工等行业中有着举足轻重的作用。它为企业实现精细化管理，在保证质量的情况下，按定单交货期的约束按时交货，成为决定企业市场竞争力的主要因素。

调度问题分为静态调度和动态调度问题。静态调度问题是指所有有待安排加工的工作均处于待加工状态，因而进行一次调度后，各工件的加工顺序都被确定，在以后的加工过程中就不再改变。动态调度是指工件依次进入待加工状态，各种工件不断进入系统接受加工，同时又不断有完成了加工的工件离开。因此动态调度要根据系统中工件的状况，不断地进行调度。实际的制造系统中多数是Job Shop型，而且往往是动态变化的。

由于需要考虑作业环境中不断出现的动态扰动，如作业的加工超时、设备的损坏等。因此，动态调度要根据系统中作业、设备等的状况，不断地进行基于事件驱动的动态调度。而动态调度算法(如规则调度)是启发式算法，不能实现全局最优调度，在很多情况下甚至不能对最终的全局调度进行评估。

因此一些研究者提出静态调度和动态调度相结合的方法，如滚动调度和被动调度相结合等，初始全局静态调度能够对一段时间内的工件进行全局调度，使得调度结果具有宏观上的全局优化意义。而在动态调度时，根据静态调度的结果，作进一步的调度。由于全局静态调度向车间定期提前释放定单， 使得调度者可以预知部分未到达工件的信息。有预测的动态调度算法在每个决策时刻充分利用对未来信息的预测，相对没有预测的动态算法可以改善调度的全局性能。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种复杂大系统环境下基于事件驱动的车间作业动态调度方法，主要解决现有车间作业动态调度中在给定全局静态调度结果的前提下，如何对不同事件进行快速响应的问题。该系统从ERP系统中导入需求、库存等数据，并获得订单的全局静态调度结果。当工厂产生事件时，该系统根据ERP系统传入的事件信息，对事件作出响应，并反馈给ERP系统。这使得工厂实际加工情况尽量接近工单排程计划优化方案的同时，能够根据工序约束情况，针对设备故障恢复、物料上线延期、工时汇报、排程方案更新等不同的事件，给出不同的优化调整策略，生成派工指令及预警信号。

一种复杂大系统环境下基于事件驱动的车间作业动态调度方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

①服务器获取初始全局静态调度结果，动态监听事件队列，直到获取可处理事件。

②服务器对所获事件进行分析处理，获得待动态调度设备组集合及设备组上待动态调度工序集合。

③服务器对待动态调度工序集合进行物料确定，进一步获得物料满足的动态调度工序集合。

④服务器对物料满足的待动态调度工序集合进行动态调度，在客户端反馈动态调度结果。

所述步骤①中动态监听事件队列，是通过持续重复以下动作实现的：采用每隔一定的系统时间单位，扫描一次事件队列。

所述步骤①中的动态调度事件包括：工时汇报事件、工序时间监控事件、当前设备产能突然少量增加事件、当前物料能力突然少量增加事件、获得全局静态调度结果事件。

所述工时汇报事件，是指工单的一个工序加工完毕所产生的事件，且该工序所在加工设备组上其它工序参与动态调度，该工序若存在同工单下道工序，则也参与动态调度。

所述工序时间监控事件，是指系统存在一个监控时间监控队列，该队列中首个工序的计划开工时刻与当前时刻的差值等于某个阈值所产生的事件；

所述时间监控队列存放着部分参与全局静态调度的工序，且该队列在不同事件的处理过程中，将进行相应更新。

所述当前设备产能突然少量增加事件，是指对故障设备修复、采购获得新设备、工作日开始时刻设备开机等各项原因导致的设备产能突然少量增加事件。

判断“少量”的依据，是通过与某个阈值进行比较获得的。

所述当前物料能力突然少量增加事件，即当某物料能力比预期的更大所产生的事件，系统进行动态调度，使得受此物料限制的工序得以派工。

所述获得全局静态调度结果事件，即若系统外部要对全局静态调度结果进行修改，则需要将修改的结果作为一个事件输入到系统。

所述全局静态调度结果的输入与更新是通过事件的形式传入系统：若该全局静态调度结果没有更新，则在处理其它事件时，都是使用原全局静态调度结果。

所述步骤①中获取可处理事件，是按照“先进先出”原则依次读取事件队列中的一个事件。

所述步骤②中待动态调度设备组集合，是在参与全局静态调度中的各设备组中，挑选出于由本次事件引发的需要动态调度的设备组；当事件处理完毕，则对应的待动态调度设备组集将被清空。

所述步骤②中设备组上待动态调度工序集合，是指当前时刻所有参与全局静态调度的设备组上进入动态调度窗口的工序，按照加工设备组不同，组成的各集合；该集合在事件过程中会被更新，但在事件处理完毕时，仍然会存在，作为下次事件处理的对象。

所述步骤③中物料确定是指待动态调度设备组集合中设备组的待动态调度工序集合中每一道工序，根据库存物料情况，为其分配物料；若该工序物料不足，则不参与动态调度。

所述步骤④中对物料满足的待动态调度工序集合进行动态调度是指，依次对待动态调度设备组集合中每个设备组的物料满足的待动态调度工序集合进行动态调度：对每个物料满足的待动态调度工序集合，需要按照计划开工时刻对工序排序，在满足约束的前提下，优先对排在较前面的工序进行派工；若有工序由于约束的限制，必须尽快派工，而设备组产能不足时，需要替代设备组。

本发明实现了根据全局静态调度的结果，针对工厂实时发生的不同事件进行动态重调度。全局静态调度为在动态调度进行之前确定工单滚动进入预测窗口的顺序而对调度问题中全体工单用某种规则进行的初始排序。全局静态调度是对未来的一个宏观上较长期的预测，保证动态调度满足约束的能力 及优化性能，是对动态调度的指导。而动态调度是根据实际情况对全局静态调度的结果作进一步的调整和细化，弥补了全局静态调度在未来信息不可知情况下，调度结果偏离实际的缺陷，动态调度中的全局调度性能也将以初始可行调度的性能为基准进行比较。这样，就使得设备资源的分配更为合理，有效提高了企业利用生产资源的效率，降低生产成本，并最大程度满足生产所需的各类约束条件。

附图说明：

图1是应用了一种复杂大系统环境下基于事驱动的车间作业动态调度方法的硬件拓扑结构示意图；

图2是本发明方法中一种复杂大系统环境下基于事驱动的车间作业动态调度方法流程示意图；

图3是本发明方法中动态监听事件队列仿真模型示意图；

图4是本发明方法中事件分析处理流程示意图；

图5是本发明方法中对待动态调度工序集合进行物料确定流程示意图；

图6是本发明方法中动态调度流程示意图。

具体实施方式：

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明方法的实现基于如图1所示的硬件拓扑结构，服务器从各终端及数据库获取所需信息，然后在服务器端根据工厂加工状况，作实时车间调度，防止违法加工工艺等诸多约束的情况发生，生成实时派工指令处理，反馈给各客户端。

在终端、服务器及数据库的硬件选择时，客户端的功能主要是客户端可以采用通用的PC机，也可以是多台独立的小型服务器构成，其基本要求是具 有一定的运算能力、输入输出功能、以及将运算结果通过网络传输出去的功能，并能够接受远程服务器运算的结果。

客户端的基本配置为：

计算机主机：PIII500MHZ以上；

记忆容量：256MB以上；

硬盘空间：20GB以上；

显示器：1024×768真彩色显示器，建议使用1280×1024或更高配置；

磁盘需求：16倍速以上之CD-ROM或DVD-ROM；

当工厂规模不大时，服务器端可以采用通用的PC机，但建议采用大型服务器以适应大型加工企业，其基本要求是具有较好的运算性能、具有较强的数据存储及维护能力，网络传输高效稳定。

服务器端的基本配置为：

计算机主机：Celon2.66G以上；

记忆容量：1GB以上；

硬盘空间：160GB以上；

显示器：1024×768真彩色显示器，建议使用1280×1024或更高配置；

磁盘需求：16倍速以上之CD-ROM或DVD-ROM；

数据库采用ACCESS数据库，同时也支持如SQL Server等数据库系统。

本实施例的实现方法如图2所示，包括以下步骤：

1、请参阅图3，服务器动态监听事件队列，直到获取可处理事件，各步骤的具体细节描述如下：

服务器动态监听事件队列，采用每隔一定的系统时间单位，扫描一次事件队列。该过程不断循环直到事件队列中监测到事件，继续下一步骤。本发 明中，动态调度事件主要包含：

(1)工时汇报事件，即当某工单的某工序加工完毕。动态调度需要利用产能释放的设备。

(2)工序时间监控事件，即系统监控时间监控队列中首个工序的的计划开工时刻与当前时刻的差值是否等于某个阈值。该事件用以解决工时汇报无法将所有工单的所有工作派工完毕的问题，如工单首道工序无法通过前工序工时汇报而动态调度的问题，或某工序虽然由于前工序工时汇报而进行动态调度，但无法派工(动态调度失败)之后，无法再次启动动态调度的问题。

(3)当前设备产能突然少量增加事件。即对故障设备修复、采购获得新设备、工作日开始时刻设备开机等各项原因导致的设备产能突然少量增加事件，进行动态调度，以利用该部分增加的设备产能，并且判断“少量”的依据，是通过与某个阈值进行比较获得的。(设备产能大量增加或产能减小，则需要重新进行全局静态调度，该过程不在本系统中考虑。)

(4)当前物料能力突然少量增加事件。即当某物料能力比预期的更大时，进行动态调度，使得受此物料限制的工单得以派工。并且判断“少量增加”的依据，是通过与某个阈值进行比较获得的。(物料能力大量增加或能力减小，则需要重新进行全局静态调度，该过程不在本系统中考虑。)

(5)获得全局静态调度结果事件。动态调度的前提是，必须要有全局静态调度的结果。若系统外部要对全局静态调度结果进行修改，则需要将修改的结果作为一个事件输入到系统。系统接收的全局静态调 度的结果，即每个工单的每道工序已经分配不同设备组加工，并且其计划开工时刻和计划完工时刻确定。该结果将在动态调度中进一步调整，并具体为每个工单的每道工序分配设备组内的不同设备加工。全局静态调度为在动态调度进行之前确定工单滚动进入预测窗口的顺序而对调度问题中全体工单用某种规则进行的初始排序。全局静态调度是对未来的一个宏观上较长期的预测，保证动态调度满足约束的能力及优化性能，是对动态调度的指导而动态调度是根据实际情况，对全局静态调度的结果作进一步的调整和细化，弥补了全局静态调度在未来信息不可知情况下，调度结果偏离实际的缺陷。动态调度中的全局调度性能也将以初始可行调度的性能为基准进行比较。全局静态调度的计算结果须足够粗糙度，保证初始调度结果的抗扰动性，降低调度信息不完全所造成的影响。

服务器按照“先进先出”原则依次读取事件队列中的一个事件。在同一时间动态调度系统只对一个事件进行处理。当事件队列中存在多个事件时，只有当前一个事件处理完毕，系统才会读取下一个事件。

2、请参阅图4，服务器对所获事件进行分析处理，获得待动态调度设备组集合及设备组上待动态调度工序集合，各步骤的具体细节描述如下：

2.1、初始化待动态调度设备组集合为空集合。

2.2、判断事件类型是否为获得全局静态调度结果事件：若是，则进行如下处理；否则继续。

(1)清空所有设备组上的待动态调度工序集合。

(2)在全部参与全局静态调度的工序中，查找所有计划开工时刻与当前时刻的差值小于阈值Δt₁的工序。其中Δt₁为一个经验阈值，用以控制 进入动态调度的工序的时间窗口大小。

(3)判断这些工序中是否存在工单的首道工序，或同工单前道工序已工时汇报的工序：若存在，则将满足条件的工序按照计划开工时刻顺序插入到对应加工设备组的待动态调度工序集合。

(4)将所有待动态调度工序集合非空，且存在空闲设备的设备组，添加到待动态调度设备组集合。

(5)将所有工单的首道工序按照计划开工时刻排序，放入时间监控队列。并转到步骤3

2.3、判断事件类型是否为工时汇报事件：若是，则进行如下处理；否则继续。

(1)释放工时汇报的工序的加工设备产能，即该设备当前状态为空闲。并判断加工设备组上待动态调度工序集合是否为空，若非空，则将加工设备组添加到待动态调度设备组集合。

(2)判断该工序是否存在同工单下道工序。若有，则将该工序插入到时间监控队列。若无，则转到步骤3。

(3)判断同工单下道工序计划开工时刻与当前时刻的差值是否小于阈值Δt₂。若是，则将该工序按照计划开工时刻顺序插入到设备组上的待动态调度工序集合。并判断对应加工设备组上是否有空闲设备，若有，则将该设备组添加到待动态调度设备组集合。其中Δt₂为一个经验阈值，用以控制进入动态调度的工单的时间窗口。并转到步骤3。

2.4、判断事件类型是否为工序时间监控事件：若是，则进行如下处理；否则继续。

(1)获得时间监控事件反馈的工序(时间监控队列第一个工序，且满足 其计划开工时刻与当前时刻的差值等于阈值Δt₁)。

(2)判断该工序是否在对应加工设备组的待动态调度工序集合：若否，则将该工序加入到对应加工设备组的待动态调度工序集合。

(3)判断对应加工设备组是否存在空闲设备，若存在，则将对应加工设备组添加到待动态调度设备组集合。并转到步骤3。

2.5、判断事件类型是否为当前设备产能突然少量增加事件：若是，则将产能增加的设备组添加到待动态调度设备组集合；否则继续。

2.6、判断事件类型是否为当前物料能力突然少量增加事件：若是，则进行如下处理；否则继续。

(1)获得所有当前物料能力突然少量增加的物料。

(2)依次在不同设备组的待动态调度工序集合中查找，使用此物料且物料标记不足的工序。

(3)判断这些工序对应的加工设备组是否存在空闲设备，并将具有空闲设备的设备组插入到待动态调度设备组集合，并转到步骤3。

3.服务器判断待动态调度设备组集合是否非空：若非空，则转到步骤4；若否，则转到步骤1。

4.请参阅图5，服务器对待动态调度工序集合进行物料确定，进一步获得物料满足的动态调度工序集合，各步骤的具体细节描述如下：

依次取一个待动态调度的设备组。在该设备组上待动态调度工序集合中按顺序依次取一道工序。察看其库存可用量，判断该工序是否有足够的物料：若有，则将物料分配给该工序；否则判断该工序是否有替代物料，若有替代物料，则将物料分配给该工序，否则标记该工序物料不足。当该设备组上待动态调度工序集合遍历完毕，则判断该设备组待动态调度工序集合中是否存 在有足够的物料的工序：若该设备组待动态调度工序集合中不存在有足够的物料的工序，则该设备组从待动态调度的设备组集合中删除。

5.判断是否有未访问的待动态调度设备组：若是，重复步骤4；若否，继续下一步。

6.服务器对物料满足的待动态调度工序集合进行动态调度，在客户端反馈动态调度结果，具体过程请参阅图6，包括以下步骤：

6.1、依次取属于同个设备组上且满足物料的待动态调度工序集合。

6.2、动态调度，下达派工任务。动态调度采用工序计划开工时刻对待动态调度工序集合中工序排序。取排在最前的工序。若设备有足够的产能加工该工序，则对该工序进行派工，否则取下一个工序。如此下去，直到有一个工序被派工，或者待动态调度工序集合访问完毕。对于没有派工下去的工序，需要判断是否调整全局静态调度的结果，即修正其计划开工时刻，便于在未来能够被派工。(此操作会影响到时间监控队列)且对于没有派工下去的工序，若有加工时间上的约束，则通过其约束的强弱，与一个经验阈值进行比较，判断该工序是否为紧急工序。对于派工成功的工序，将工序从本设备组待动态调度工序集合中删除。

6.3、判断是否存在紧急且派工失败的工序：若不存在，则转到步骤6.5；若存在，则进行设备组替代。

每个工序在输入时都有一个设备组列表，设备组列表中存在一个或多个可加工该工序的设备组。且考虑到加工成本等因素，每个设备组都有一个加工该工序的优先级。优先级越高，该设备租越优先被选择用于加工该工作。

依次取一个紧急且派工失败的工序，则从该工序使用设备组列表中选取 优先级比当前设备组优先级低，且存在空闲设备的设备组。若找到，则进行用该设备组替代，并标记该工序设备组替代成功。若找不到，则从该工序使用设备组列表中选取优先级最高的设备组替代当前设备组，并标记该工序设备组替代失败。(若该工序没有经历过设备组替代，则该工序使用设备组为该工序使用设备组列表中优先级最高的设备组。若该工作经历过设备组替代，则所使用的设备组的与设备组列表中各设备组而言，优先级较低。因此若替代过，且派工失败，需要重新恢复原设备组，则直接选择优先级最高的设备组。)

6.4、判断是否存在设备组替代成功的工序：若不存在，则转到步骤6.5；否则，将工序从本设备组待动态调度工序集合中删除，并插入到替代设备组的待动态调度工序集合中。将替代设备组插入到待动态调度设备组集合中。

6.5判断是否有未访问的待动态调度设备组。若存在，则回到步骤6.1。否则，在客户端反馈动态调度结果，并回到步骤1。

综上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (10)

1.一种复杂大系统环境下基于事件驱动的车间作业动态调度方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

①服务器获取初始全局静态调度结果，动态监听事件队列，直到获取可处理事件；

②服务器对所获事件进行分析处理，获得待动态调度设备组集合及设备组上待动态调度工序集合；

③服务器对待动态调度工序集合进行物料确定，进一步获得物料满足的待动态调度工序集合；

④服务器对物料满足的待动态调度工序集合进行动态调度，在客户端反馈动态调度结果；

所述步骤①中动态监听事件队列，是通过持续重复以下动作实现的：采用每隔一定的系统时间单位，扫描一次事件队列；

所述步骤①中获取可处理事件，是按照“先进先出”原则依次读取事件队列中的一个事件；

所述步骤②中待动态调度设备组集合，是在参与全局静态调度中的各设备组中，挑选出于由本次事件引发的需要动态调度的设备组；当事件处理完毕，则对应的待动态调度设备组集将被清空；

所述步骤②中设备组上待动态调度工序集合，是指当前时刻所有参与全局静态调度的设备组上进入动态调度窗口的工序，按照加工设备组不同，组成的各集合；该集合在事件过程中会被更新，但在事件处理完毕时，仍然会存在，作为下次事件处理的对象； 

所述步骤③中物料确定是指待动态调度设备组集合中设备组的待动态调度工序集合中每一道工序，根据库存物料情况，为其分配物料；若该工序物料不足，则不参与动态调度；

所述步骤④中对物料满足的待动态调度工序集合进行动态调度是指，依次对待动态调度设备组集合中每个设备组的物料满足的待动态调度工序集合进行动态调度：对每个物料满足的待动态调度工序集合，需要按照计划开工时刻对工序排序，在满足约束的前提下，优先对排在较前面的工序进行派工；若有工序由于约束的限制，必须尽快派工，而设备组产能不足时，需要替代设备组。

2.根据权利要求1所述的一种复杂大系统环境下基于事件驱动的车间作业动态调度方法，其特征在于：所述步骤①中的动态监听的事件包括：工时汇报事件、工序时间监控事件、当前设备产能突然少量增加事件、当前物料能力突然少量增加事件、获得全局静态调度结果事件。

3.根据权利要求2所述的一种复杂大系统环境下基于事件驱动的车间作业动态调度方法，其特征在于：所述工时汇报事件，是指工单的一个工序加工完毕所产生的事件，且该工序所在加工设备组上其它工序参与动态调度，该工序若存在同工单下道工序，则也参与动态调度。

4.根据权利要求2所述的一种复杂大系统环境下基于事件驱动的车间作业动态调度方法，其特征在于：所述工序时间监控事件，是指系统存在一个监控时间监控队列，该队列中首个工序的计划开工时刻与当前时刻的差值等于某个阈值所产生的事件；

5.根据权利要求4所述的一种复杂大系统环境下基于事件驱动的车间作业动态调度方法，其特征在于：所述时间监控队列存放着部分参与全局静态调度的 工序，且该队列在不同事件的处理过程中，将进行相应更新。

6.根据权利要求2所述的一种复杂大系统环境下基于事件驱动的车间作业动态调度方法，其特征在于：所述当前设备产能突然少量增加事件，是指对故障设备修复、采购获得新设备、工作日开始时刻设备开机各项原因导致的设备产能突然少量增加事件。

7.根据权利要求6所述的一种复杂大系统环境下基于事件驱动的车间作业动态调度方法，其特征在于：判断“少量”的依据，是通过与某个阈值进行比较获得的。

8.根据权利要求2所述的一种复杂大系统环境下基于事件驱动的车间作业动态调度方法，其特征在于：所述当前物料能力突然少量增加事件，即当某物料能力比预期的更大所产生的事件，系统进行动态调度，使得受此物料限制的工序得以派工。

9.根据权利要求2所述的一种复杂大系统环境下基于事件驱动的车间作业动态调度方法，其特征在于：所述获得全局静态调度结果事件，即若系统外部要对全局静态调度结果进行修改，则需要将修改的结果作为一个事件输入到系统。

10.根据权利要求9所述的一种复杂大系统环境下基于事件驱动的车间作业动态调度方法，其特征在于：所述全局静态调度结果的输入与更新是通过事件的形式传入系统：若该全局静态调度结果没有更新，则在处理其它事件时，都是使用原全局静态调度结果。 

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