CN103093301A - 生产管理方法及用于执行该方法的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生产管理方法及用于执行该方法的系统。首先，组织间跟踪和追踪系统及时地促进沿着供应链的中断的识别和处理。然而，这些系统通常在供应链管理（SCM）和企业资源计划系统（ERP）等级操作，因此缺少生产流程的知识和对生产流程的控制。本发明通过提出一种用于将IEC 62264中定义的制造操作与EPCIS兼容的实时跟踪和追踪系统相结合的新颖架构来消除物流和生产IT之间的隔阂。该系统利用基于逻辑的复合事件处理来检测供应链中的关键中断，并且启动生产日程的重新排定。结果表明，在存在未预期的事件的情况下，该重新排程算法使延迟和库存成本最小化，同时避免了由频繁变动引起的“紧张日程表”。

Description

生产管理方法及用于执行该方法的系统

技术领域

本发明涉及根据权利要求1所述的、制造执行系统（MES）中的生产管理方法以及根据权利要求9所述的用于执行该方法的系统。

背景技术

近年来，汽车以及其它产业中外部采办和全球化的趋势导致生产流程越来越分散。这些流程通常依赖于涉及地理上分布在世界各地的大量公司的长的且复杂的物流网络。这些流程日益增加的复杂性导致易于出错，并因此导致供应商的货物及时到达生产设施的不确定性。通过沿着供应链实时监控并记录货物的装运可以减小这种不确定性。RFID和其它Auto-ID技术的最近进展推动了这种跟踪&追踪系统。由于物流流程通常涉及几个公司，所以需要共同的数据标准。具有其EPCIS规范[4]的EPC网络被广泛用于跟踪&追踪应用，并且可被视为事实上的标准。

所收集的跟踪&追踪数据可被用于分析材料流并确定与计划流程的关键偏离。根据pfohl等（2008），可以区分三个主要类别的风险：

i）采购物流和供应风险（例如，供应商零部件交付提前/延后），

ii）配送物流和需求风险（例如，生产期限改变），以及

iii）流程和控制风险（例如，在自己的生产流程内的质量违规或机器故障）。

一旦检测到这种中断，所涉及的公司必须决定如何处理它们。例如，输入材料的延迟到达可能需要对生产线内的作业重新排序-特别是在准时生产（Just-in-Time，JIT）和排序生产（Just-In-Sequence，JIS）设置的情况下。由于许多这种中断在短时间内被知晓，生产计划已经确定并且被分派给生产系统。如果必须执行该阶段的变化，则需要制造流程和当前生产状态的详细知识。由于这些详细操作知识仅可用到制造执行层（例如，在ISA-95[1]/IEC 62264[2]中定义的），因此当前对更高等级的企业IT的中断管理方法不适合于处理许多类型的短期冲突。

核心挑战之一是如何将组织间跟踪&追踪信息用于有效的生产计划和控制。实现这种系统需要在不同的公司之间横向地以及在企业IT的从车间到ERP/SCM的不同等级之间纵向地交换跟踪&追踪信息。现今的基于RFID的方案主要部署于单个公司内的生产物流领域。这种纵向RFID数据整合是使用RFID中间件来实现的。在组织间定位中采用RFID可以提高沿着供应链提供的信息的速度、准确度和透明度。由于在组织间环境下标准化是必须的，因而EPCIS（EPCglobal，2007）得到很多关注。

然而，EPCIS的当前版本不能满足有效的中断管理。目的是最小的一组扩展集以尽可能地符合标准。

本发明的目的是提供一种制造执行系统（MES）中的生产管理方法，该方法如下克服了上述问题：

-对现有系统中应用的标准进行根本改变以用于新的方案；

-跨供应链和制造运营管理之间的隔阂；

-使延迟和库存成本最小化，同时避免由频繁变动引起的“紧张日程表”。

该目的是通过权利要求1中给出的、与用于制造执行系统（MES）中的生产管理的方法有关的特征以及根据权利要求9所述的系统解决的。

发明内容

一种用于企业资源计划系统（以下称为ERP系统）和制造执行系统（以下称为MES）的生产管理方法，所述MES包括：

-生产管理系统，

-生产排程器，以及

-事件处理器，

所述方法包括以下步骤：

A.从所述ERP系统向所述生产管理系统发送订单，所述订单包含：

-要生产的产品，

-产品流程，

-所需的原材料，以及

-产品期限；

B.向所述生产排程器发送日程表，所述日程表包含：

-至少步骤A的顺序；

-对从库存中取什么原材料以及何时完成该产品的说明；

C.当生产作业必须完成时，从所述生产排程器向所述事件处理器发送通知；

D.由跟踪&追踪系统接收与所述原材料的预期交付的有关信息；所述跟踪&追踪系统将原材料的观察或者与所需原材料的交付有关的偏离通知给所述事件处理器；

E.所述事件处理器通过函数（（2）、（3）、（4））对所述观察和偏离执行情况识别，所述情况识别检测由于所需原材料的交付偏离而对至少一个流程参数具有影响的情况；

F.所述事件处理器根据所述情况识别向所述生产排程器通知：

-所述原材料，以及

-所述原材料交付的预期时间和供应时间；

G.基于步骤F中通知的数据，所述生产排程器通过优化流程参数和/或通过使得日程表中所需变动的数目最小化，来执行生产作业的日程重新排定。

上述方法允许：

-利用基于事件的反应生产顺序优化在生产水平上进行中断管理；

-利用公司的制造运营管理使所提出的架构与跨公司的跟踪&追踪功能无缝结合；

-为了能够对关键中断/偏离短期反应，利用EPCIS兼容的事件处理机制扩展制造执行系统MES，以能够支持对供应链中关键情况的识别并触发适当的生产日程重新排定。

附图说明

现在参照附图更详细地描述本发明的工作原理，其中：

图1:将供应链信息结合到生产运营管理中；

图2：概念性的架构；

图3：EPCIS事件和主数据本体的摘录（用于基于IEC 61512和IEC62264的事件字段bizStep和bizLocation）；

图4：事件处理器的输入/输出（I/O）；

图5：嵌入在生产网络中的库存模型的图形表示；

图6：排程策略对与最佳截止日期的偏离的影响；

图7：每个排程策略所需的日程表变动次数；

图8：示范产品；

图9：正常情况：从ERP向MES发出订单；

图10：由EPCIS事件引起的由EPCIS库通知的偏离情况。

具体实施方式

图1示出在根据EPCIS标准[4]的供应管理和根据ISA95/88[1]、[2]的生产运营管理的交集中所提出的基于事件的反应生产订单优化方法的位置。所提出的架构将跨公司的跟踪&追踪功能与公司的制造运营管理无缝结合。为了能够对关键中断作出短期反应，利用EPCIS兼容的事件处理机制扩展制造执行系统，EPCIS兼容的事件处理机制扩展支持对供应链中关键情况的识别并触发适当的生产日程重新排定。

1、总的系统架构

参考图2。总的架构包括：

i）沿着供应链的多个公司交换对象跟踪信息用的中心组件，以及

ii）依赖于该信息的分布式组件集合。后者执行用于监控和优化公司流程的应用。

沿着供应链收集的对象跟踪信息可被用于优化公司内的生产进程表。当必须跨多个公司实现对象的跟踪&追踪时，该系统架构基于产业标准EPC信息服务EPCIS，EPCglobal 2007[4]。该标准提供数据元素规范、接口定义和事件机制。下面提出的架构基于EPCIS标准接口和数据元素，并且说明EPCIS库可以怎样结合在MES层内并且引入到IEC62264[2]中。

下面描述根据图2的系统的概念性架构以及相应的组件。

1.1EPCIS库

EPCIS库负责存储要在参与的公司当中共享的EPCIS事件和主数据。除了事件规范中的一些扩展以外，该方案依赖于标准EPCIS库，例如，IBM的全球信息可追溯性服务器（Info-Sphere Traceability Server）、SAPObjectEvent库或者开源工具Fosstrak。EPCIS库包含EPCIS查询和捕获接口。EPCIS库的更一般的并且非标准化的实施例是（物流）跟踪&追踪系统。

1.2扩展的制造执行系统

制造流程的计划和执行由制造执行系统MES来实现。根据IEC 62264[2]、[3]，MES可以包括诸如生产执行、材料管理、生产分派、生产跟踪、生产资源管理和详细的生产排程等功能。现有的MES提供这些功能，并且主要集中在具体的生产排程组件及其与组织间跟踪&追踪系统的结合。该结合是通过利用复合事件处理器引擎以及用于优化具体生产日程表的组件来扩张现有的生产管理系统来实现的。下面描述以下三个MES组件的功能：

-生产管理系统

-事件处理器，以及

-生产排程器。

1.3生产管理系统

该生产管理系统包括MES的基本功能。具体来说，它包含用于生产执行、生产跟踪和监控、生产分派、生产资源管理和产品定义管理的组件。在我们的架构内，生产管理系统因而负责：

i）确认诸如供应商零部件、机器或工人等的所需资源的可用性，

ii）通过与流程控制等级互动来分派和执行订单，

iii）跟踪生产作业的当前状态，以及

iv）将生产订单状态报告给其它组件（ERP、事件处理器）。

该生产管理系统例如利用B2MML协议从ERP接收主生产程序和产品定义（包括材料清单BOM）。B2MML是根据标准ISO/IEC 62264用于企业资源计划（ERP）和MES之间结合的共同协议。该主生产程序和产品定义被用于初始化生产排程器，这反过来又提供用于执行的具体生产日程表。当检测到具体产生日程表的执行有问题时，向事件处理器触发生产事件。

1.4事件处理器

为了使MES能够向EPCIS库发送事件并且能够对供应链中的延迟或机器故障等事件作出反应，将事件处理器添加到MES。为此，该事件处理器实现EPCIS捕获和查询接口。该事件处理器形式上分析到来的事件，以检测与当前的具体生产计划有关的关键情况。当观察到关键情况时，事件处理器决定要执行的补偿策略。补偿策略可以启动日程重新安排或者向EPCIS库发送外部事件。如前面所指出的，EPCIS库的前述功能也包括在更一般的跟踪&追踪系统中。

1.5生产排程器

生产排程器负责基于给定的主生产程序、产品定义和工厂布局产生具体的生产计划。生产排程器支持最初生产日程表的生成并且还支持当生产或物流网络中发生中断时的日程重新排定。日程重新排定计算使得生产作业的订单最小化并使得日程表所需变动的数目最小化的成本。

1.6企业资源计划

企业资源计划系统（ERP）处理订单管理并且提供主生产程序，该主生产程序还可以包含各个订单的优先级。这些日程表指定为满足要求所需的某个产品的数量。

在下文中，重点针对事件的表示以及基于逻辑的事件处理与反应排程机制的结合进行描述。

2、事件和主数据表示

在讨论事件处理器和生产排程器的功能之前，解释在本系统中使用的事件和主数据表示。组织间数据交换基于EPCIS标准。该部分由以下两部分组成：

i）扩展EPCIS事件词汇以表达确认计划和偏离计划。该扩展使得能够沿着供应链传达问题以及为此的变动，以减小不确定性。

ii）基于XML的EPCIS事件语法以形式语义学为基础。通过从给定的事件推断隐含的知识能够以更精确的方式实现情况和补偿策略的规范。

2.1EPCIS事件和扩展

EPCIS标准定义了主数据和事件数据的基于XML的规范。根据EPDglobal（2007），事件数据在商务交易的执行期间产生并因此随着时间增长。在事件定义中，可以引用不依赖于时间的主数据元素。

一般来说，所有EPCIS事件必须具有事件类型和至少一个指定的事件字段。最一般的事件类型是EPCIS事件，具有必要的事件字段“事件时间”。其它标准事件类型（即，对象事件ObjectEvent、聚合事件AggregationEvent、交易事件TransactionEvent和数量事件QuantityEvent）衍生于该一般的基本类别。ObjectEvent代表发生于一个或多个物理对象的事件，每个物理对象由唯一的标识符来代表。在EPCIS标准中，由以EPC Tag Data标准（EPCglobal，2008）（作为选择，可以使用其它标准，如数据通用编号系统（DUNS））定义的电子产品代码（EPC）代表物理对象。在某一商务步骤（bizStep）、商务交易（businessTransaction）或状态（disposition）内，该事件可被用于表示在某一位置（bizLocation）处已经观察到具有给定EPC的对象。对于其它事件类型和事件的详细讨论，参考EPCIS规范EPCglobal，2007[4]。

当事件类型允许观察利用对象进行的操作时，它们后面被表示为观察事件。除了观察事件以外，还需要当前没有被EPCIS标准覆盖的解释事件，用于传达沿着供应链的实际流程和计划流程之间的偏离。这是重要的，因为关注偏离的公司不一定检测到偏离，并且通常不希望向其它公司披露具体计划。为了使该标准能够用于表达解释事件，同时使所需的扩展最小化，建议将两个新的操作，即“偏离（DEVIATION）”和“确认（CONFIRM）”添加到现有的操作类型“添加（ADD）”、“观察（OBSERVE）”和“删除（DELETE）”中。与表示观察事件的操作“OBSERVE”相反，“DEVIATION”意味着已经观察到不期望的事件。具有操作“CONFIRM”的事件是指按照计划准确接收到事件的情况。所提出的当前扩展使得能够确认计划并且传达关于观察时间、涉及的数量、观察到的对象质量和观察位置从计划的偏离。通常在所涉及的公司之间的双边合同中规定在公司之间传达解释事件的条件。沿着供应链的计划偏离的及时传达可以减小负面影响。

2.2EPCIS事件的形式语义学

EPCIS规范[4]定义了如何使用基于XML的语法表达事件和主数据。使用自然语言非正式地定义词汇的含义。尽管XML语法足以用于公司之间的标准化的信息交换，但是形式语义的缺乏妨碍了对事件的自动解释和分析。例如，该系统必须知道“延时”和“偏离计划”之间的层次关系（延时暗示偏离计划），来推断出对偏离的所有一般反应也必须应用于延时情形。本体（Ontologies）（Guarino，1995）提供这种用于指定典型地作为一级逻辑的子集的各项之间的逻辑关系的形式语言。图3示出EPCIS事件本体的摘录。为了例示在事件定义中可以怎样引用主数据本体，使用从IEC 61512/62264[2]得到的物理位置和制造流程本体。

一般来说，在本体中使用逻辑谓词来表达类别（谓词的元一）以及类别之间的关系（谓词的元二）。因此，本体断言采用形式C(x)或R(x，y)，其中C表示类别，R表示关系，并且项x，y代表具体对象。因此，如图3中所示，类别代表事件类型，而属性代表事件字段。例如，断言ObjectEvent(e1),Assembly(p1)和bizStep(e1，p1)表示我们在类型为Assembly的bizStep p1中观察到EPCIS ObjectEvent e1。量词

和逻辑连结词∨,∧,→等可被用于根据最小类别形成复合类别描述。例如，作为Obj ectEvent并且具有属于类别Assembly的bizStep的每个个体也是类别ReceivedInAssembly的事件这一事实可以通过以下公式来表达：←

$\mathrm{ReceivedInAssembly}\left(x\right)\←\mathrm{ObjectEvent}\left(x\right)^\∃y.((\mathrm{Assembly}\left(y\right)^$ $\mathrm{bizStep}(x,y))$

满足该公式的新到来的ObjectEvents x被自动归类为ReceivedInAssembly事件而不明确地陈述对应的断言。因此针对ReceivedInAssembly事件定义的所有情况识别和补偿处理规则都被自动应用于该新事件。EPCIS事件本体从而减少了情况识别和补偿策略所需的规则数目，简化了它们在设计时的规范，并且另外支持逻辑一致性检查。

3、事件处理器

事件处理组件的目标是基于时间戳事件流、当前生产日程表和预计库存水平动态识别情况，特别是关键情况。为此，事件处理组件激活适当的计数器操作，包括重新排定并向EPCIS库发送新的外部事件。如图4中所示，事件处理器可被分成如下所述的三个子组件：

3.1注册

3.2情况识别，以及

3.3补偿处理

3.1注册

注册组件分析由计划员接收到的具体生产计划，以订阅相关事件并且更新情况识别组件中的当前计划数据。具体生产计划指定在给定的时间点所需的资源（即，材料和最终产品）。假定生产计划

是描述材料消耗的元组集(p,m,q,t)，p∈P代表根据BOM的材料标识符，m∈M代表机器标识符或位置，表示在时间t∈T所需的资源p的量。表1中的算法1描述了查询如何订阅EPCIS库的事件机制以及所需的资源可利用性如何提供给情况识别组件。在本文中我们采用来自面向对象编程的概念来表示矢量的元素。例如，我们用表达式x.a来表示矢量x∈X={(a,b,c)|a∈A∧b∈B∧c∈C}的分量a。

表1：算法1

用于注册相关EPCIS事件并更新可用性计划的过程。

要求：资源消耗计划R，观察列表L

该算法保持用于存储已经注册的资源的EPC或EPCClassID的观察列表L。用于将物流信息结合到生产流程中的关键函数是用于制造物料清单（MBOM）中的不同资源类别的内部标识符到在EPCIS跟踪&追踪系统内使用的外部标识符的映射。通过使用lookupEPC方法在算法1的行中实现该映射。尽管在生产环境中使用基于类别的材料识别以保持生产的灵活性，但是为了跟踪&追踪，基于项目的识别通常是必须的（特别是在JIT/JIS流程中）。lookupEPC方法的不同实施可用于覆盖各种设置。通过定义EPCClass/EPC标识符到MBOM（类别）标识符的精确映射可以解决内部标识符和外部标识符之间的不同。基于标识符的结构，在许多情况下可以从项目标识符直接导出类别标识符，例如，通过EPC代码的第一部分定义EPC为urn:epc:idpat:sgtin:0614141.112345.400的项目的EPC类别urn:epc:idpat:sgtin:0614141.112345.*。

当识别出外部EPC或EPCClass时，该算法验证对应的回叫查询是否已经注册在EPCIS存储卡中（行4）。如果未注册，则注册新的查询（行6和行8）。EPCIS标准提供必须由所有EPCIS库实施的预定查询（SimpleEventQuery）的集合。细节请参考EPCglobal（2007）的8.2.7.1节。由于情况识别通常需要比较实际流程行为与预期流程行为，所以必须对材料可用性有关的计划进行更新。可以通过将具有操作“REQUIRED”的ObjectEvent添加到本体（行3）在本地表示这种更新。由于该操作仅利用事件处理器，所以它不必是组织间标准[??]的一部分。对于给定的r∈R，该事件指定在位置r.m处材料r.p必须可用的时间r.t。为了简洁，我们使用以下缩写来表示EPCIS事件本体内的ObjectEvent：

$\mathrm{ObjectEvent}(e,t,l,s,b,a,d)\⇔\mathrm{ObjectEvent}\left(e\right)^\mathrm{timestamp}(e,t)$

∧location(e,l)∧bizStep(e,s)∧businessTransaction(e,b)∧

action(e,a)∧disposition(e,d)

尽管标识符e和时间戳t对于所有事件类型来说都是必须的，但是所有其它关系都是可选的。没有被定义的属性用“.”来表示。

3.2情况识别

可以基于观察事件集合描述诸如供应商零部件的早到或晚到、机器故障或其它中断等的复杂情况。按照复杂事件处理领域中的大多数方法，通过使用事件模式指定事件之间的相关性来定义每个情况。事件模式可被看作是匹配某些事件组合的模板。在文献中已经提出了范围广泛的不同事件模式语言。基于规则的事件模式语言有赖于此。基于规则的方法具有以下优点：将先前节中引入的用于推导事件层次的逻辑形式与事件模式语言提供的附加语言结构和时间推导方法相结合。

在下文中，依赖于由Anicic等定义的事件模式定义[6]。事件模式由最小的事件或者复合事件构成，并且将所提出的逻辑形式扩展为：

P::=pr(t₁,...,t_n)|P WHERE t|q|(P).q

|P BIN P|NOT(P).[P，P]               (1)

pr代表具有任意项t₁、…、t_n的n序列谓词，q∈R是非负的有理数，WHERE可以用于使用项t定义约束条件，并且BIN是二进制运算符，其表示由Allen（1983）[7]定义的时间关系中的一个。这些时间运算符包括代表事件顺序的SEQ、表示两个事件在同一时间点发生的“AND”以及指定两个事件中至少一个必须发生的“OR”。在我们的范例中，pr主要采用（最小的）EPCIS事件，如ObjectEvent。注意，情况再次被处理为复合事件，即，pr(t₁,...，t_n)←p。

一般来说，在分布式生产网络的情况下，可以区分三种类型的检测偏离：

i）通过将由EPCIS库跟踪的实际材料流与公司的本地计划进行比较来检测偏离，

ii）公司经由EPCIS解释事件接收偏离通知，或者

iii）将来自EPCIS库的实际对象跟踪信息与通过预测算法确定的预期材料流信息进行本地比较。

使用以下三个简单事件模式，规则（2）至规则（4），例示这三种方法。它们根据计划的可用性和交付期限确定输入材料或者具有唯一标识符e的输出产品是否延迟。

规则2通过将在给定的位置1观察到对象的时间t₁与根据生产计划在该位置处需要该对象的时间t₂进行比较来实施第一方法。然而，如果在已经接收到交付时我们检测到延迟，那么对于适当的反应而言通常太迟了。该跨组织跟踪和追踪系统给出两个选择，用于较早的检测。规则3以偏离事件替换实际观察，并由此实施第二方法。规则4最后利用来自EPCIS库的历史跟踪和追踪数据的富集（rich set），以基于当前可利用的观察计算适当的交付时间。在该例子中，预测函数为：

交付估计（deliveryEstimation）:L×L→T

允许基于某一货物/原材料的当前位置和目的地估计到达时间t∈T。该函数可能的实施从简单地使用以前订单的平均交付周期变化至使用支持向量机、神经网络或仿真模型的更复杂的预测模型。

一般来说，供应链中的时间延迟仅是产生计划和控制所关注的一种情况。然而，由于所提出的EPCIS事件表达和模式语言是非常具有表现力的，所以可以类似地检测诸如质量偏离、错误指向等其它关键情况。此外，通过利用事件的形式语义学，可以验证情况定义的一致性。前面提到的函数（2）、（3）和（4）例如影响运输时间或交付时间。

3.3补偿处理

一旦检测到关键情况，应该发出通知并且如果可能的话启动补偿措施。因此，在设计时必须定义补偿策略集合（参见图4）。可以使用所提出的规则机制实现这些补偿策略。补偿规则具有以下形式：

comp←P

其中P是根据定义（1）的情况描述，comp是规则引擎的内置谓词之一或结合。由于补偿规则的数目可能很容易超过几千个，所以需要一种紧凑简洁的语言。我们的基于逻辑的模型支持该需求，因为事件层次可被用于定义不同抽象等级的规则，其减小所需规则的数目。另外，基本的形式模型可被用于补偿策略的一致性检查。

作为例子，设想用于供应链中检测到的延迟的补偿处理策略。逻辑推理机制自动提供如下知识：在情况识别组件中检测到的情况“实际延迟”、“被通知的延迟”和“预期的延迟”是“延迟”情况的全部子类别。这通过以下定义来保证：

Delay(x)←ObjectEvent(x)∧delay(x,y)

基于该定义，可以定义用于所有类型的延迟的一般的（并且极简单的）补偿规则。

notifyScheduler(‘time’,p,t1,t2)←delay(e,t1,t2)∧lookupEPC^-1(e,p)  (5)

一旦检测到延迟，规则触发内置的谓词notifyScheduler，其调用生产排程器的更新方法。该方法当前在“时间”和“数量”方面支持材料可用性的更新并且支持产品生产“截止日期”的变动。为通报延迟，该谓词另外采用材料标识符p（根据MBOM）、预期时间t₁和观察到的/估计的时间t₂。为了将外部EPCIS标识符e映射到内部MBOM标识符p，使用在前几段中引入的lookupEPC方法的逆方法lookupEPC^-1。

4、反应生产排程

如上面所讨论的，生产排程器负责计算具体的生产日程表。在该背景下，必须考虑到两个不同的方面。一方面是关于特定的机器应该执行哪个任务（具体的机器排程）的决定，另一方面是材料供应（面向库存的排程）。由于后者易受物流事件影响（特别是在JIT/JIS设置中），所以重点讨论EPCIS事件对面向库存的排程的影响。可以将具体的机器排程随时间的变化集成在模型中。

4.1反应排程算法

所提出的反应生产排程方法的目的是：每次事件处理器更新交付计划或者生产时限时，计算生产作业J^P的成本最小化顺序。生产作业需要来自库存的撤回作业J^W集合。由交付作业J^D补充库存。该依赖关系在图5中示出，并且在下文中讨论。

生产作业J^P：

生产作业j∈J^P是三元组j=(p,d,s)，其中p∈P代表最终产品的MBOM材料类别标识符，

代表截止日期，二者都是从经由生产管理器接收到的生产订单导出的。生产作业的最佳起始时间

由生产排程器来计算。当notifyScheduler(‘duedate’,p,t1,t2)方法被事件处理器调用时，生产作业被如下更新：

J^P=J^P\(p,t1,s)及J^P=J^P ∪(p,t2,s)。

一般来说，更新触发下面的日程重排算法。

交付作业J^D：

每个生产作业需要来自库存的组件集合（非空的）。因此生产排程需要与材料交付J^D有关的信息。这由元组m=(p，q，t)来描述，其中p∈P是MBOM标识符，是数量，

是交付时间。在排程期间，交付作业J^D的集合被用于验证是否在给定的时间点可能存在撤回作业集合。当上述生产作业完成时，通过方法notifyScheduler(‘quantity’,p,t1,t2)和notifyScheduler(‘time’,p,t1,t2)更新交付作业的集合。

撤回作业J^W：

可以通过用于指定特定产品所需的每种材料的量的函数

来确定某一（与特定是同义词）生产作业所需的撤回作业。产品p_end∈P的撤回作业的总集由JW p_end={(p,q,t)|(p,q)2mbom(p_end)^t∈N}给出，其中t定义产品的材料撤回时间j_end，并且依赖于生产作业的日程表，见公式（8）。根据赋予生产作业的符号，撤回作业w∈J^W是撤回作业J^W集合的元素。

重新排程算法：

该算法旨在计算包含在J^P中的生产作业的最佳日程表，即，日程表定义所有j∈J^P的起始点j.s。因此日程表是向每个作业分配起始时间的总函数选择函数σ的目标是成本函数的最小化，例如，由与到截止日期的距离|σ(j)-j.d|给出的提前/延时。然而，在重新排程的背景下，只有在显著改善的情况下，才改变日程表σ_old。为了将改善量化，另外使用距离函数edit计算最佳日程表和当前日程表之间的差异。必须根据库存系统选择该函数。例如，考虑到高架仓库，生产作业之间可能存在任意置换。在此情况下，使用汉明距离实施edit（Hamming，1950）。因此，用于选择最佳日程表的优化问题可被公式化如下，其中w∈[0,1]代表“重新排程阈值”（w=1始终选择最佳日程表，而w=0导致具有最小变动的日程表）。注意，在有些情况下，需要|σ(j)-j.d|和edit的归一化。

为了确保在没有足够存货（见公式（7））、没有足够的时间从仓库向机器运输部件（见公式（8））和没有足够的生产能力（见公式（9））的情况下，不安排生产作业，必须保持以下约束条件。函数prep定义给定的撤回作业和生产作业的运输时间。常数PROD_CAPACITY定义多少生产作业可以并行执行。

$\∀j\∈J^P,{\∀j}^{\′}\∈J_{j\·p}^W:j^{\′}.t-\mathrm{prep}(j^{\′},j)=j.s---\left(8\right)$

$\∀t\∈T:\left|\right\{j\∈J^P|j.s=t\}|\≤\mathrm{PROD}\_\mathrm{CAPACITY}---\left(9\right)$

该优化问题可以利用完全幺模约束矩阵表示为混合整数线性程序。因此，使用该单一算法可以有效地解决该问题。在此根据期限过程参数总结能力/生产能力、运输时间和性能。

4.2评估结果

为了调查基于事件的排程策略对生产性能的影响，使用仿真来测量作业的提前/延时和所需的重新排程的步骤。我们仿真了用于制造两个产品类型的生产线，每个产品类型需要来自库存的两种不同的供应商零部件。达到30%的预期材料交付被延迟。随机产生用于通知该延迟的相应EPCIS ObjectEvent；使用规则3导出实际延迟。这两种产品的生产占用一个时间空档，并且该生产线每次处理单个订单（PROD CAPACITY=1）。仿真运行包括10个日程表，总共具有200个离散的时间空档。在日程表的生产开始之前，我们假定生产作业可以在没有约束的情况下改变。因此，使用汉明距离测量两个日程表之间的差异。已经针对三个不同的策略完成了仿真：

切换策略：

基线情境，其中不考虑EPCIS事件。当由于缺少供应商零部件而不能执行订单时，切换至该日程表的末端，或者（如果需要）切换至下一日程表。

排程策略：

当从事件处理器接收到EPCIS事件时，计算新的最佳日程表，该日程表使得对于所有的j∈J^D、与截止日的距离|σ(j)-j.d|最小。这对应于利用公式（6）和w=1重新排程。

重新排程策略（w=0.5）：

重新排程策略另外考虑所需要的重新排程步骤的数目与该日程表的最优性之间的折中。对于该仿真运行，使用了w=0.5。

图6示出针对导致日程表变动的200个仿真运行中91个仿真运行的、与截止日期的绝对累积距离。与基线策略相比，总是选择最佳时间表（排程策略）使累积的提前/延时减小50%。重新排程策略仅使累积的提早/延时提高43%，但是与最佳排程策略相比，只需要小的重新排程步骤共享。图7中示出该日程表中所需要的变动数目。在该仿真中，从最佳排程改变到重新排程算法使重新排程步骤的数目减少了78%，同时性能只减少了7%。因此，所述仿真表明，特别是在需要手工作业来实施日程表的变动的情境下，考虑性能改善和重新排程步骤的数目之间的折中是必要的。

5、参考实施方式

基于西门子SmartAutomation实验室实现了该系统的构思的第一个证据。该SmartAutomation实验室是用于实际测试新技术、产品和自动化解决方案的工业研究单位。该实验室包括两部分，一部分在卡尔斯鲁厄，该部分涉及过程工业，另一个部分在纽伦堡，该部分涉及离散的制造业。这两个实验室都允许用于在符合真实状况的真实工厂中开发、规范并试运行的新方法的评估。它们在尺度上被缩小，例如，较小的传送带，但是由真实状态的技术自动化系统和软件建成，因而提供了良好的基础用于进一步的评估、测试和样机研究。

该实施方式的基础是西门子MES系统SIMATIC IT，其提供如第3节中引入的生产管理系统的函数。作为评估的一部分，通过用于处理EPCIS事件的组件SmartSIT来扩展SIMATIC IT。为了能够“包括”组件“事件处理器”和“生产排程器”，通过连接器将SIMATIC IT扩展到EPCIS库和RFID读取器底层结构。使用Prolog规则引擎和用于事件的ETALIS语言来实现该事件处理器，见http://code.google.com/p/etalis。当前使用混合整数线性编程解决机lpsolve来实现该生产排程器的原型，见http://Ipsolve.sourceforge.net。为了处理和配置已安装的RFID底层结构，使用SIMATIC RFManager。SIMATIC RFManager还负责通过利用EPCglobal（2005）中指定的其ALE协议向SmartSIT发送ecReport来提供读取器事件。

利用SmartSIT组件，可以在考虑来自物流网络的信息的情况下，完成SIMATIC IT中的生产作业的生产排程和分派。例如，在计划流程中可以考虑不久将会到达试运行站的材料，或者可以以短期提醒服务高优先级客户的产品请求。

图9示出正常的情况：从ERP向MES给出订单。在图9中，MES包括在1.2节中详细解释的三个组件：生产管理系统、生产排程器和事件处理器。事件m_sched（主日程表）描述在给定的截止日期之前必须生产哪个产品类型。因此，它是生产作业列表，这些生产作业是元组(p,d)，其中p是产品id，d是截止日期。prod_def（产品定义）：定义特定产品类型的生产流程，还包含需要那些原材料。arr_plan（到达计划）描述原材料预期/计划什么时间交付。它是三元组(p,q,t)集合，其表示id为q的产品的、为q的量将在时间t到达。日程表sched（日程表）描述，针对m_shced中的每个生产作业，何时从库存取得哪些材料以及该产品何时完成。

图10描述了该情况，其中来自EPCIS库的通知由EPCIS事件引起：

e：与先前注册的epc对象有关的事件eventNotification(e)或者与生产有关的信息productionEvent(e)。如果前面提到的事件中的一个到达，则所描述的活动开始。

事件notifyScheduler(type,p,t1,t2)具有以下参数：

type：定义通过事件处理器的情况识别检测到的偏离类型，例如，时间、数量、截止日期；

p：根据MBOM的材料标识符；

t1,t2：预期时间t1和服务/估计时间t2。

所使用的标识符和变量的列表

arr_plan（到达计划）：描述原材料预期/计划何时交付，三元组(p,q,t)集合

d截止日期

e与先前注册的epc对象有关的事件[eventNotification(e)]或者与生产[productionEvent(e)]有关的信息

J^D交付作业，交付作业集合

J^P生产作业，生产作业集合

J^W撤回作业，撤回作业集合

m_sched(主日程表J^P):[B2MML]描述在给定的截止日期之前必须生产哪个产品类型；生产作业列表，这些生产作业是二元组(p,d)

p根据MBOM的材料标识符；产品标识符；材料类别标识符

P情况描述

pr具有任意项的n阵列谓词

prod_def(产品定义J^P):[B2MML]产品定义，其定义特定产品类型的生产流程，还包含需要那些原材料

s起始时间

sched(日程表):该日程表描述，针对m_sched中的每个生产作业，什么时间从库存取得哪些材料以及该产品什么时间完成

type定义通过事件处理器的情况识别检测到的偏离类型，例如，时间、数量、截止日期

t时间，到达时间

t₁,t₂原材料交付的预期时间t₁和服务/估计时间t₂

所使用的缩写列表

ALE 应用水平事件

B2MML 企业制造标记性语言企业制造标记性语言

BOM 材料清单

EPC 电子产品代码

EPCIS 电子产品代码信息服务

ERP 企业资源计划系统

ID 标识，识别

JIS 排序生产

JIT 准时声场

MBOM 制造物料清单

MES 制造执行系统

RF 射频

RFID 射频识别

SCM 供应链管理

引用文献列表

[1]ANSI/ISA-95.00.01-2000 Enterprise-Control System IntegrationPart 1:Models and Terminology

[2]IEC 62264-1 Enterprise-control system integration–Part 1:Models and terminology

[3]IEC 62264-2 Enterprise-control system integration-Part 2:Object model attributes

[4]EPC Information Services(EPCIS)Version 1.0.1 SpecificationSource:http://www.epcglobalinc.org;http://www.gs1.org/gsmp/kc/epcgloba l/epcis

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[8]Luckham and Vera,1995

Claims (11)

1.一种用于以下被称为ERP系统的企业资源计划系统和以下被称为MES的制造执行系统的生产管理方法，所述MES包括：

-生产管理系统，

-生产排程器，以及

-事件处理器，

所述方法包括以下步骤：

A.从所述ERP系统向所述生产管理系统发送订单，所述订单包含：

-要生产的产品，

-产品流程，

-所需的原材料，以及

-所述产品的截止日期；

B.向所述生产排程器发送日程表，所述日程表包含：

-至少步骤A的所述订单；

-对从库存中取何种原材料以及将何时完成所述产品的说明；

C.当必须完成生产作业时，从所述生产排程器向所述事件处理器发送通知；

其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

D.通过跟踪和追踪系统接收与所述原材料的预期交付有关的信息；所述跟踪和追踪系统将对原材料的观察或者与所需原材料的交付有关的偏离通知给所述事件处理器；

E.所述事件处理器通过函数（（2）、（3）、（4））对所述观察和偏离执行情况识别，所述情况识别检测由于所需原材料的交付偏离而对至少一个流程参数具有影响的情况；

F.所述事件处理器根据所述情况识别向所述生产排程器通知：

-所述原材料，以及

-所述原材料的交付的预期时间和服务时间；

G.基于步骤F中通知的数据，所述生产排程器通过优化流程参数并且/或者通过使得所述日程表中所需变动的数目最小化，来执行生产作业的重新排程。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

步骤D中的所述跟踪和追踪系统是电子产品代码信息服务库，以下被称为EPCIS。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

步骤E或G中的所述流程参数为：

-运输事件和/或

-性能和/或

-能力；

其中所述优化考虑产生的成本。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，

生产作业j∈J^P是生产作业集合J^P中的元素，该生产作业由3元组j=(p,d,s)定义，包括：

p：材料类别标识符

d：截止日期，以及

s：由所述生产排程器计算出的起始时间；

材料交付m∈J^D是材料交付集合中的元素，该材料交付由3元组m=(p,q,t)定义，包括：

p：材料类别标识符，

q：数量，

t：交付时间。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

撤回作业w∈J^W,J^W表示撤回作业集合，撤回作业被分配给特定的生产作业j，所述撤回作业w指定特定产品所需的每种材料的数量，并且其中在步骤F中，在排程期间，交付作业集合J^D被用于验证在给定的时间点是否存在撤回作业w∈J^W。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

步骤F的重新排程算法，所述重新排程算法基于如下日程表，该日程表是函数

其向每个生产作业j分配起始时间，并且将由与截止日期的距离|σ(j)-j.d|给出的提前/延时最小化，其中j.d指定生产作业j的截止日期。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，

在步骤D中所述跟踪和追踪系统将对于沿着供应链的原材料的观察通知给所述事件处理器。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，

所需原材料的偏离基于：

通过比较实际材料流与本地计划进行的检测，或者

实际对象跟踪信息与预期材料流信息的比较，后者通过预测算法确定。

9.一种系统，其具有用于执行权利要求1至8之一中的步骤的装置。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述装置包括以下用MES表示的制造执行系统，所述MES包括：

-生产管理系统，

-生产排程器，以及

-事件处理器，

以及跟踪和追踪系统。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，

跟踪和追踪系统是EPCIS兼容的。

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