CN104240041A

CN104240041A - 用于调度制造过程的方法和系统

Info

Publication number: CN104240041A
Application number: CN201410516265.7A
Authority: CN
Inventors: P.方塔诺特
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2010-02-24
Publication date: 2014-12-24
Also published as: US20100217418A1; CN101813936A; EP2224384A1

Abstract

本发明公开了用于对由企业资源规划所规划并由车间的设备进行生产的制造过程进行调度的方法和系统，其中在制造执行系统内提供生产调度器以调度所述制造过程的任务，该系统包括：能够借助甘特图来显示当前生产调度表的生产调度器；能够为车间每个设备在甘特图中显示已经被调度的时间段和那些仍未被调度的时间段的生产调度器；用于为特定设备选择仍未被调度的时间段的选择器；用于针对该特定设备查询生产数据库以找到适合仍未被调度的时间段的至少一个任务的查询模块；以及能够在找到单个任务的情况下调度该任务或者在找到多个任务的情况下借助通过用户交互所输入的决策或者借助通过选择偏好自动确定的决策来调度至少一个所找到的任务的生产调度器。

Description

用于调度制造过程的方法和系统

本申请是申请日为2010年2月24日、申请号为201010126311.4、发明名称为“用于调度制造过程的方法和系统”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于对由企业资源规划（ERP）所规划并由车间（shop floor）的设备进行生产的制造过程进行调度的方法和系统，其中在制造执行系统（MES）中，提供生产调度器以调度所述制造过程的任务。

背景技术

如众所周知的，用于对由企业资源规划（ERP）所规划并由车间进行生产的制造过程进行调度的方法提供制造执行系统（MES），以用于调度并实施所调度的制造过程并控制在工厂底层（plant floor）进行的相应生产步骤。

特别地，企业资源规划（ERP）是包括硬件装置和相应的软件应用的系统，以用于规划企业的商业资源，企业的商业资源即物料供应、人力资源管理、采购、订单、利润、财务、库存控制、客户管理等等，而术语“车间”已被用于指示支持对在制造过程中所涉及的单个机器进行控制的系统，其中例如通过测量每个机器每小时所生产的部件的数量或者其运行参数、所生产的部件的质量等等来进行控制。

如在图1中所示意性表示的那样，MES是在ERP上层与车间下层之间提供计算机器和软件工具1-n的中间层，所述软件工具包括用于生产订单管理的软件工具1和用于生产建模的软件工具2，该用于生产订单管理的软件工具1从ERP接收生产请求，该用于生产建模的软件工具2支持选择和管理在制造过程中要涉及的资源（即员工、机器和物料）的阶段，以便在所要求的时间约束内实现所规划的制造过程。

因此，制造执行系统需要对工厂设备进行建模以便调度活动和控制活动。尽管关注的是同一组机器，但调度活动具有不同的目标并且可能需要不同的模型方法。在这方面，词汇“计划”和“调度表”被作为同义词使用，然而术语“规划”还可以被意指为处理总体资源和宏观任务的更高层面活动，而“调度”被意指为考虑到个体资源和详细活动的某种“更详细的规划”。在任何情况下，规划和调度二者都共享相同的甘特图隐喻（metaphor）并且可以使用类似的交互式图形工具。

到目前为止，术语“交互式调度”被用来描述借助某些帮助人类调度员构造可行并且可靠的生产计划的交互式工具来为工厂、厂房或者生产场所构建生产调度表的过程。要调度的生产操作通过在已知的时间量内使工厂的一个或多个资源（例如机器、物料、员工）保持忙碌的任务来表示。

在生产调度的早期，使用大的白板。当前，使用基于交互式甘特图的隐喻的基于计算机的图形工具（对照图2）。通常，这样的工具赋予用户借助指点装置（鼠标、轨迹球或者触摸屏）使表示任务的图形对象在屏幕上移动的能力，其中这些任务是生产调度表的一部分。有可能使该生产调度表通过计算机算法被自动构建，但即使在这种情况下，人类调度员最终也想要如下能力：在甘特图上以图形形式显示所得到的计划并且交互式地执行对该计算机生成的调度表的某些改变。

对生产调度表进行人工干预是相当复杂的任务。即使可以用简单动作（如指点、点击和移动）来交互式执行的各个改变是明确的，这些改变对所得到的调度表的影响也可能是广泛的并且难以概述。因而，由于如下几个原因而可能难以获得产生合理并可行的调度表这一目标：生产任务可能受到优先关系或者受到资源的有限可用性的约束。通常，只能在可用机器（或者更一般地，资源）的受限子集上调度每个任务。该子集可以针对每个不同的任务而改变：生产数据库被用于为每个不同种类的生产操作并且为每个不同的产品存储在每个单个任务中所涉及的资源（诸如物料、设备和人员）的详细情况。在某些情况下，特别是在被包括在生产调度表中的任务的数量比较高时，这种复杂性可能令人困惑并且对于操作员来说难以管理。

另外，所有现有的基于甘特图范例（paradigm）的图形工具将其主要关注点放在所调度的实体上，所调度的实体是表示与生产订单有关的活动的各个任务。这种方式不能很好地适应如下这些情况，在这些情况中用户更关心设备工作负荷而不是生产订单的状态：用户必须总是在甘特图上移动各个任务，以便保证某个机器的负荷是适当的，但是由于将注意力从一个任务转移到另一任务，可能丧失对设备效率的关注。

创建详细的生产调度表的普通方法是使用“交互式机器甘特图”：这是基于计算机的图形用户界面（图2），其中甘特图的每条线都表示特定设备的时间线，并且在这些线中的每条线上所显示的图形对象序列表示每个机器随着时间的推移将要执行哪些任务。这些任务可以通过某种自动调度算法被指派给甘特图上的机器，或者可以由用户本身手动地每次设置一项任务。

用户具有交互式地使这样的任务在甘特图上水平地（即在时间上改变这些任务的位置）或者垂直地（即将任务指派给不同的设备）移动的能力。为了减轻在每次改变之后对是否产生了某些不可行的操作进行验证的负担，某些图形工具可以在该动作中帮助人类调度员。例如可以使用颜色来突显涉及该任务的特别状况（准时的任务可以被着上绿色、延迟的任务可以被着上红色、灰色区域可以表示设备停机时期）或者图标可以示出特定约束（例如，必须被固定在某个特定位置的任务）的存在。

如果使计算机用户界面的图形性能发挥杠杆作用，则有可能在每次人机交互期间指导用户的移动：对此的实例在如下的交互式甘特图中实现，该甘特图是Siemens® Simatic IT® Predictive Detailed Scheduler Interactive Solution（预测性详细调度器交互式解决方案）(见图3)的一部分。每当用户开始在交互式甘特图上移动任务时，便显示黄色区域以突显该特定任务可以被设置在哪里：系统自动地检查对于这样的任务的定时约束并且查询生产数据库以获得设备子集，其中在该设备子集上可以调度该特定任务。接下来使用该信息来指导用户，实际上遵循所突显的区域，该用户能够在生产调度表上快速地认出对于这样的任务来说可行的位置。

这是一种在生产计划的构造方面极大地协助用户的工具，但在某些情况下，该工具具有缺点、即用户必须关注要被移动的任务：他/她必须首先选择他想要移动哪个单独的任务，随后该工具可以建议该任务可以被移动到哪里。在用户必须注意某个特定设备的工作负荷而不是遵循所规划的生产订单的情况下，不同种类的工具可能是有帮助的。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供用于调度生产过程的方法和系统，该方法和系统关注于调度有效和可靠的生产过程的需求并且允许用于生成生产调度表的更加自动化的方式。

根据本发明，在方法方面，该目的通过一种用于对由企业资源规划（ERP）所规划并由车间的设备进行生产的制造过程进行调度的方法来实现，其中在制造执行系统（MES）内，提供生产调度器以调度所述制造过程的任务，所述方法包括以下步骤：

－借助甘特图来显示当前的生产调度表；

－在甘特图中针对车间的每个设备显示已经被调度的时间段和那些仍未被调度的时间段；

－为特定设备选择仍未被调度的时间段；

－针对该特定设备查询生产数据库以找到适合该仍未被调度的时间段的至少一个任务；以及

－在找到单个任务的情况下调度该任务或者在找到多个任务的情况下借助通过用户交互所输入的决策或者借助通过选择偏好自动确定的决策来调度所找到的任务中的至少一个。

根据本发明，在系统方面，该目的通过一种用于对由企业资源规划（ERP）所规划并由车间的设备进行生产的制造过程进行调度的系统来实现，其中在制造执行系统（MES）内，提供生产调度器以调度所述制造过程的任务，所述系统包括：

-能够借助甘特图来显示当前的生产调度表的所述生产调度器；

-能够在甘特图中针对车间的每个设备显示已经被调度的时间段和那些仍未被调度的时间段的所述生产调度器；

-用于为特定设备选择仍未被调度的时间段的选择器；

-用于针对该特定设备查询生产数据库以找到适合仍未被调度的时间段的至少一个任务的查询模块；以及

-能够在找到单个任务的情况下调度该任务或者在找到多个任务的情况下借助通过用户交互所输入的决策或者借助通过选择偏好自动确定的决策来调度所找到的任务中的至少一个的所述生产调度器。

因此，所述方法和所述系统提供交互式地构建生产调度表的快速方式，从而针对感兴趣的特定设备维持对甘特图的关注，而不是关注于需要被移动以构建调度表的特定任务。所述方法和所述系统也非常有助于执行生产调度表的局部改变、例如在针对车间层面上的设备的控制显示器处所输入的局部改变，其中非常经常地在给定设备的被调度的时间线中找到了需要被填充的一些间隙。对于这两种情况，所述方法和所述系统可以根据用户偏好和众所周知的标准的集合来保证局部最优化的可能性。与其它在甘特图上对调度进行交互式操作的已知装置相比，用户将优选这种更多地关注于设备负荷和效率而不是生产订单的程序。当已经识别出“瓶颈”设备并且在用户想要将其注意力转换到生产调度表的其它部分之前该用户例如想要使该设备的利用率最大化时，本发明将被特别用于支持其它已知系统。此外，本发明的解决方案还使得人类调度员能够在如下方面定义其个体偏好：如何最终决定在迄今为止未被调度的间隙中调度哪个任务（特别是当对生产数据库的查询识别出可以适合于该间隙的多于一个的任务时）。

在本发明的优选实施例中，对选择偏好的设定被视为对本发明的有利贡献。因此，可以通过挑选下列优化参数之一或者下列优化参数的组合来设定选择偏好：

a）优选使特定设备的所估计的建立时间最小化的任务；

b）优选使特定设备的所估计的完成延迟最小化的任务；

c）优选具有通过查询所找到的任务的最早发布日期的任务；以及

d）优选使机器利用率最大化的任务。

根据用户的实际关注点，该用户当前可以识别其对调度表的个体需求并相应地设定选择偏好。

在另一优选实例中，可以通过逐渐评估每个优化参数来确定选择偏好并且对与所确定的选择偏好相比已经获得最高评估结果的任务进行调度。该选项允许用户将不同的优化参数相对于彼此进行权衡并且实现最终选择偏好的某种模糊确定。因此，本发明的另一优选实施例可以为优化参数的组合提供决策树，由此针对每个优化参数定义分叉标准。

本发明的另一优选实施例可以在如下识别方面提供对调度的进一步改进：识别未被调度的时间段中的哪一个将针对在生产数据库中所查询的哪些生产任务被选择为下一时间段。因此，可以根据时间段选择偏好来选择未被调度的时间段。这例如可以包括通过针对特定设备估计保持未被调度的时间段的空闲成本来识别时间段选择偏好。

附图说明

图1示意性地表示根据现有技术的用于管理并控制制造过程的方法；

图2示意性地表示根据当前技术水平的基于计算机的交互式甘特图的实例；

图3示意性地表示根据当前技术水平的在Siemens® Simatic IT® Predictive Detailed Scheduler Interactive（PDS－I）解决方案范围内的甘特图的实例；

图4示意性地表示图3的现在包括创新解决方案的实例；以及

图5示意性地表示用于对生产过程进行调度的系统。

具体实施方式

通过基于计算机的交互式甘特图2的实例的表示来示出用于创建详细生产调度表的普通方法。所示出的甘特图2是未进一步示出的基于计算机的图形用户界面的一部分，其中根据甘特图2的索引1至索引11来编号的每一行表示特定机器（见图2中“设备”下方）的时间线。显示在这些行中的每一行上的图形对象序列表示每个机器随着时间的推移将要执行哪个任务。该行上的灰色矩形表示被确认要被调度以便在各个机器中的每一个上进行处理的任务。具有虚线的矩形表示打算被调度、但是尚未被确认要被调度的任务。黑色条示出相应机器的特定停机时间。

图3示意性地表示根据当前技术水平的在Siemens® Simatic IT® Predictive Detailed Scheduler Interactive（PDS－I）解决方案范围内的甘特图的实例。该解决方案协助用户将任务设置在每个机器的时间线上。当用户想要在交互式甘特图上移动任务（并且例如通过鼠标点击来抓取该任务）时，该解决方案通过突显可行的目标位置来自动地为用户给出猜测。使这些可行的目标位置在虚线圆内部作为明亮区域可见（例如被着上黄色），用户一开始从用于要被调度的任务的上部视图移动任务，该明亮区域就显现出来，并且在已经完成移动并且任务已经到达用于现在被调度的任务的下部视图中的新位置之后，该明亮区域消失。图3特别示出为“被调度（scheduled）”的任务和“要被调度(to be scheduled)”的任务提供单独视图（分别是下部和上部视图）的甘特图。在该实例中，已经“要被调度”的任务T在“被调度”的生产计划上被移动。该解决方案借助虚线圆C为该特定任务在能够处理该任务的机器（在这里是“BUFFER－01”和“BUFFER-02”）的时间线上突显可行的时间跨度（时间段）。通过使任务T落在由该圆C所围绕的时间线上，该任务被调度。

图4现在示意性地表示图3的现在包含创新解决方案的实例。该解决方案现在提供使用通常的“指点和点击”动作在交互式甘特图上的特定设备上调度任务T1和T2的可能性。该解决方案以相当简单和直观的方式来工作。一旦用户（例如借助工具栏或者通过选择选项）激活了该功能并且然后对甘特图视图使用指点装置（鼠标、轨迹球或触敏屏幕），该用户就可以点击特定机器的时间线的“空闲”部分。利用该动作（其还可以借助自动的空闲时间段选择偏好来激活），该用户/该选择方案选择在该特定机器上尚未有任务被调度的时间段。该选择方案随后针对该特定设备查询生产数据库以找到最佳地适合于所挑选的时间段的任务。通过该查询步骤所找到的任务T1和T2被列在图4中的甘特图的上部的“要被调度”部分中。所选择的时间段以及通过查询所找到的相应任务在甘特图的上部和下部二者中通过虚线圆被突显出来。

在甘特图的上部中显示被猜测为最适合选择的任务的动态地创建的预览。通过工具提示，用户可以查询一些关于任务的详细情况。然后，用户可以被请求确认该所建议的最适合选择，或者该解决方案本身可以在甘特图的下部中确认该任务（在找到单个任务的情况下）。在找到多个任务的情况下，用户本身可以挑选所找到的那些任务中的至少一个，或者该解决方案本身可以借助预先定义的选择偏好来选择最佳地适合于机器的生产调度表（甘特图中的机器的时间线）上的所选择的空闲时隙的至少一个任务。

通过设定选择偏好，可以以非常直观的方式来配置对要由该IT解决方案所执行的所建议的“最适合”挑选的任务的选择。在下文中讨论可能的标准集合的实例。可以通过任务对所估计的准备时间（setup time）的最小化所具有的影响来自动地挑选任务，换句话说，导致最少建立时间的任务优选于导致更长建立时间的其它任务。下一标准可以关注于所估计的完成延迟的最小化。对于该标准，具有最大完成延迟的任务优选于具有更小完成延迟的其它任务。另一标准可以关注于相应任务的最早发布日期（release date）。在这里，具有最早发布日期的任务优选于具有较新发布日期的其它任务。另一标准可以评价机器利用率。使机器利用率最大化的那些任务必然优选于导致较小的机器利用率的那些任务。当然，两个或更多个前述标准的任何合理组合也可以适于定义用于自动的或者交互式的用户直观调度的选择偏好。

通过根据用户的偏好来配置以上标准，该解决方案提供一种对生产调度表的改变进行操作的方式，从而确保所调度的选择的局部最优性。

从概念（conceptual）角度来看，可以将该解决方案看作为对图3中所示的现有技术解决方案的补充，因为其以对称方式起作用。这种在任务调度方面的范例转移现在显著改变用户交互或自动例程在甘特图上的工作方式，从而与之前通过更关注于对当前在甘特图的“要被调度”部分中所列出的任务进行调度而这样做相比，现在明显地更关注于特定机器的利用率。

图5现在示意性地表示用于调度生产过程的系统10。制造执行系统MES被耦合到工厂底层（也即一般使用的车间）和企业资源规划ERP二者。在制造执行系统内，提供数据库DB来存储从要被执行的生产订单中所导出的生产任务。同样在制造执行系统MES内，提供生产调度器工作区14，使得能够调度由MES和工厂底层12所执行的生产过程。生产调度器工作区或多或少是具有显示器和输入装置的普通交互式计算机工作区。由制造执行系统并且在制造执行系统内通过在与制造执行系统相关联的（在这里未详细示出的）服务器上执行的程序代码来提供生产调度器功能。

现在，可以完全由用户或者自动输入和用户输入的混合来实现调度，或者通过相应的软件例程来自动完成调度，而自动输入和用户输入二者的结果或者完全自动的调度必须由用户确认和/或控制和/或授权。

在这里，根据本发明的对生产过程进行调度的方法的关注点在于，对尚未针对工厂底层12的特定设备被调度的时间段的识别。在第一步骤S1中，通过用户交互或者通过自动的时间选择偏好来选择尚未被调度的一个时间段，其中该自动的时间选择偏好例如可以关注于特定机器的空闲成本。通过在调度器工作区14的显示器上所示出的甘特图的下部中的虚线矩形范围来表示所选择的时间段（同样对照图4）。在第二步骤S2中，针对包括该特定机器的生产任务的任何生产订单来查询数据库DB。然后在第三步骤S3中，任何通过该查询所识别出来的生产任务被示出为甘特图的上部中的被填充有要被调度的任务的虚线矩形范围。在第四步骤S4中，通过查询所找到的并在甘特图的上部中所示出的生产任务通过用户交互或者通过根据预先定义的选择偏好的自动例程来确认并因此进入示出所有最终被调度的任务的甘特图的下部中。一旦完成了这四个步骤，只要用户或者自动的时间段选择偏好仍然识别出尚未被调度的时间段，程序就返回到第一步骤S1。

因此，本程序关心对更高的机器利用率的需求，而不是关注于根据图2和3中所示的现有技术的程序的关注点，这些根据现有技术的程序列出尚未被调度的任务以便通过用户交互使那些任务被调度。因此，根据本发明的选择偏好只递送当前遵守如下各项的那些任务：就特定机器的利用率而言的用户偏好、如前面所述的任何可能的内部偏好、以及可能的限制，该可能的限制可以针对在查询过数据库之后最终被列在甘特图的上部中的那些任务而被排除。

Claims

1.一种用于对由企业资源规划（ERP）所规划并由车间（12）的设备进行生产的制造过程进行调度的方法，其中在制造执行系统（MES）内，提供生产调度器以调度所述制造过程的任务（T1，T2），所述方法包括以下步骤：

－借助甘特图（2）来显示当前的生产调度表；

－在甘特图中针对车间（12）的每个设备显示已经被调度的时间段和那些仍未被调度的时间段；

－为特定设备选择仍未被调度的时间段；

－针对该特定设备查询生产数据库（DB）以找到适合该仍未被调度的时间段的至少一个任务（T1，T2）；以及

－在找到单个任务的情况下调度该任务（T1，T2），或者在找到多个任务的情况下借助通过选择偏好自动确定的决策来调度所找到的任务中的至少一个。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括步骤：

－通过挑选下列优化参数之一或者下列优化参数的组合来设定选择偏好：

a）优选使特定设备的所估计的建立时间最小化的任务；

b）优选使特定设备的所估计的完成延迟最小化的任务；

d）优选使机器利用率最大化的任务。

3.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括步骤：通过逐渐评估每个优化参数来确定选择偏好并且对与所确定的选择偏好相比已经获得最高评估结果的任务进行调度。

4.根据前面的权利要求2或3所述的方法，进一步包括步骤：通过针对优化参数中的每一个定义分叉标准来确定决策树。

5.根据前面的权利要求中的任何一个所述的方法，进一步包括步骤：根据时间段选择偏好来选择未被调度的时间段。

6.根据权利要求5所述的方法，其中通过针对特定设备估计保持未被调度的时间段的空闲成本来识别所述时间段选择偏好。

7.一种用于对由企业资源规划（ERP）所规划并由车间（12）的设备进行生产的制造过程进行调度的系统（10），其中在制造执行系统（MES）内，提供生产调度器（14）以调度所述制造过程的任务（T1，T2），所述系统包括：

-能够借助甘特图（2）来显示当前的生产调度表的所述生产调度器（14）；

-能够在甘特图（2）中针对车间（12）的每个设备显示已经被调度的时间段和那些仍未被调度的时间段的所述生产调度器（14）；

-用于为特定设备选择仍未被调度的时间段的选择器；

-用于针对该特定设备查询生产数据库（DB）以找到适合仍未被调度的时间段的至少一个任务（T1，T2）的查询模块；以及

-能够在找到单个任务的情况下调度该任务（T1，T2）或者在找到多个任务（T1，T2）的情况下借助通过选择偏好自动确定的决策来调度所找到的任务中的至少一个的所述生产调度器（14）。

8.根据权利要求7所述的系统，进一步包括用于通过挑选下列优化参数之一或者下列优化参数的组合来设定选择偏好的装置：

a）优选使特定设备的所估计的建立时间最小化的任务；

b）优选使特定设备的所估计的完成延迟最小化的任务；

d）优选使机器利用率最大化的任务。

9.根据权利要求7或8所述的系统，进一步包括用于通过逐渐评估每个优化参数来确定选择偏好并且对与所确定的选择偏好相比已经获得最高评估结果的任务进行调度的装置。

10.根据前面的权利要求8或9所述的系统，进一步包括用于通过针对优化参数中的每一个定义分叉标准来确定决策树的装置。

11.根据前面的权利要求7至10中的任何一个所述的系统，进一步包括能够根据时间段选择偏好来选择未被调度的时间段的所述生产调度器。

12.根据权利要求11所述的系统，其中通过针对特定设备估计保持未被调度的时间段的空闲成本来识别所述时间段选择偏好。