CN109164766B - 多工种车间的生产控制系统 - Google Patents

Abstract

一种多工种车间的生产控制系统，包括：工艺信息存储模块、生产调度算法模块、生产执行反馈模块以及动态调度控制模块，其中：工艺信息存储模块与生产调度算法模块相连并传输调度需要的加工信息，生产调度算法模块与生产执行反馈模块相连并传输生产计划信息，生产执行反馈模块与动态调度控制模块相连并传输生产过程突发的动态事件信息，动态调度控制模块与生产执行反馈模块相连并传输生产计划变更信息并最终实现多工种控制。本发明针对一次生产控制需对多个产品进行排程，同时考虑不同产品之间设备、工装资源的冲突以及车间内既包含机加工，又包含手工加工的环境。

Description

多工种车间的生产控制系统

技术领域

本发明涉及的是火箭制造领域的技术，具体是一种多工种车间的生产控制系统。

背景技术

铆接车间主要承担火箭箭体壳体的铆接装配工作，加工产品多达60种，铆接车间的生产控制是指在车间工人总数一定的条件下，确定每个产品的加工人数、单个产品内每道工序的加工人数(仅针对手工工序)、每道工序的开始和结束时间，以实现所有产品总的完工时间最短。现有生产控制由调度员手动完成，一个产品通常包含上百道工序，调度员一次需要对数十种产品同时进行排程，因此，调度员一次排程的数据量在上千条，不同产品之间还需要考虑设备、工装资源的冲突，这给手动调度带来了很大的难度。当发生资源缺套和质量问题等动态事件时，调度员不能有效地对当前排程结果及时做出调整，动态调度滞后且效率低下。

发明内容

本发明针对现有系统无法实现对多产品、多工种车间进行生产调度及控制，考虑现有系统算法计算复杂度高、动态调整能力差的缺陷，提出一种多工种车间的生产控制系统，针对一次生产控制需对多个产品进行排程，同时考虑不同产品之间设备、工装资源的冲突以及车间内既包含机加工，又包含手工加工的环境。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种多工种车间控制系统，包括：工艺信息存储模块、生产调度算法模块、生产执行反馈模块以及动态调度控制模块，其中：工艺信息存储模块与生产调度算法模块相连并传输调度需要的加工信息，生产调度算法模块与生产执行反馈模块相连并传输生产计划信息，生产执行反馈模块实时监测生产现场，与动态调度控制模块相连并传输生产过程突发的动态事件信息，动态调度控制模块与生产执行反馈模块相连并传输根据动态事件信息导致的生产计划变更信息并最终实现多工种控制。

技术效果

与现有技术相比，本发明通过考虑人员分配对加工周期的影响，并通过算法设计对人员分配以及生产调度进行同时优化，降低总加工周期达26.5％；本发明通过对现场各工位的加工状态进行实时反馈，并通过动态调度控制模块实现对生产的智能化管控，提高生产控制效率达66.7％。

附图说明

图1为本发明系统示意图；

图2为生产调度算法示意图；

图3为资源缺项动态调度策略示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及的一种多工种车间生产控制系统，包括：工艺信息存储模块、生产调度算法模块、生产执行反馈模块以及动态调度控制模块，其中：

所述的工艺信息存储模块包括：基础工艺信息单元和制造资源信息单元，其中：基础工艺信息单元从车间现有工艺系统获得工艺规程信息，基础工艺信息单元与制造资源信息单元相连并传输工序名称信息，基础工艺信息单元与生产调度算法模块相连并传输排程需求的工艺规程信息，制造资源信息单元与生产调度算法模块相连并传输排程需求的制造资源信息。

所述的生产调度算法模块包括：生产调度数据采集单元、PWIM扰动单元、编码解码单元、模拟退火单元、资源冲突处理单元和生产计划输出单元，其中：生产调度数据采集单元从工艺信息存储模块获得排程需要的加工信息，生产调度数据采集单元与PWIM扰动单元相连并传输排程需要的加工信息，PWIM扰动单元与编码解码单元相连并传输邻域解信息，编码解码单元与模拟退火单元相连并传输候选解和邻域解信息，模拟退火单元与资源冲突处理单元相连并传输冲突资源的调度信息，资源冲突处理单元与生产计划输出单元相连并传输生产计划信息，生产计划输出单元与生产执行反馈模块相连并传输生产计划信息。

所述的生产执行反馈模块包括：生产计划执行单元、生产实时监控单元和生产过程信息反馈单元，其中：生产计划执行单元从生产调度算法模块获得生产计划信息，生产计划执行单元与生产实时监控单元相连并传输生产计划执行情况信息，生产实时监控单元与生产过程信息反馈单元相连并传输生产过程监控信息，生产过程信息反馈单元与动态调度控制模块相连并传输生产过程监控信息。

所述的动态调度控制模块包括：生产过程信息接收单元、动态调度算法单元和变更生产计划输出单元，其中：生产过程信息接收单元从生产执行反馈模块获得生产过程监控信息，生产过程信息接收单元与动态调度算法单元相连并传输突发的动态事件信息，动态调度算法单元与变更生产计划输出单元相连并传输变更的生产计划信息，变更生产计划输出单元与生产执行反馈模块相连并传输变更的生产计划信息。

本发明涉及上述系统的动态资源优化方法，根据复合工序问题的复杂度以及实际车间的问题的规模情况建立模型，对模型进行编码解码处理后得到候选解，进一步通过扰动策略及模拟退火过程对候选解进行优化，最后采用基于事件的动态调度方法实现动态资源优化。

所述的建立模型，具体为：

①模型的决策变量为：和其中：为产品j中工序i的加工人数，为产品j中工序i的完工时间；

②模型的目标函数为：Minimize Z，即每道手工工序的加工人数、每道工序的开始和结束时间，以实现所有产品总的完工时间Z最短。

③模型的约束包括：

1)产品j工序i的实际加工时间约束：其中：为产品j中工序i的实际加工时间，工序i的额定工时为工序集合为：N_j＝{1,...,|N_j|}，产品j由M_j个工人负责加工，待加工产品集J＝{1，...，|J|}，为产品j工序i的加工人数，加工人数分别有一个人数上限和人数下限，且人数上限不超过M_j；

2)当工序i是工序k的紧前工序，那么工序k的完工时间大于等于工序i的完工时间和工序k的加工时间的约束： k∈N_j,且i是k的紧前工序，

3)当产品j₁和产品j₂发生资源冲突，不失一般性，假设产品j₁优先级高于j₂，工序i₁是产品j₁在冲突资源上的最后一道工序，工序i₂是产品j₂在冲突资源上的第一道工序，那么工序i₂的完工时间大于等于工序i₁的完工时间和工序i₂的加工时间的约束：

4)产品j的完工时间的约束：其中：c^j为产品j的完工时间；

5)所有产品的完工时间的约束：Z≥c^j，

6)决策变量的取值范围的约束：为正整数，

所述的编码解码处理，具体是指一个待加工工序的序列即为解的编码。为得到一个可行的调度方案，解码技术需要将当前可用的工人分配给不同工序，并确定各道工序的开始加工时间和结束时间。

所述的通过扰动策略对候选解进行优化是指采用成对换机制(Pair WiseInterchange Mechanism，PWIM)的扰动策略产生新的邻域解，即随机选取两道工序并相互交换位置。

所述的模拟退火过程对候选解进行优化是指在一定温下比较候选解和邻域解的适应度函数，并以预设概率接受适应度函数表现较差的解作为新的候选解，然后降低温度并重新进行所述比较，直至满足循环终止条件。

所述的资源冲突处理是指不同产品按照紧急程度优先进行排序，当多个产品同时请求同一个制造资源(设备和工装)时，会优先将该制造资源分配给较紧急的产品。

所述的基于事件的动态调度方法是指：当有动态事件时，生产控制系统产生相应的动态调度策略，更新生产计划。

所述的动态事件包括：资源缺项、设备故障、技术变更、临时任务和质量问题。

所述的相应的动态调度策略，具体包括：

针对资源缺项，即某道工序开工前，所需资源没有到位，导致该工序无法按时开工的情况。资源包括标准件、零部件、工装、工具和辅料。如图3所示，当发生资源缺项时，调度员输入缺项资源的预期到达时间，系统根据预期到达时间长短决定是否调整生产计划，当预期到达时间小于系统规定的阀值时，那么保持生产计划不变；当预期到达时间大于系统规定的阀值时，那么调整生产计划。

所述的生产计划的调整包含：

①判断资源缺项工序是否为关键工序，系统根据工艺规程信息中的工序约束信息判断，当只有完成该工序后，才能进行其它工序的加工，则该工序为关键工序。否则，该工序为非关键工序。

②如果资源缺项工序为关键工序，那么暂停该产品生产，将工人分配给其它产品未完成的工序，对其它产品在当前生产状态下重新排程，并更新它们的生产计划；如果资源缺项工序为非关键工序，那么将工人优先分配给该产品其它可加工工序，再给其它产品，对该产品和其它产品在当前生产状态下重新排程，并更新它们的生产计划。

针对设备故障，如由于刀具损坏等问题导致设备停工。当发生设备故障时，系统会将设备状态更新为停工，并将该机加工工序及之后受影响的工序右移；(右移是指，当发生动态事件时，保持排程顺序不变，向右推迟所有受影响的工序的加工。)

针对技术变更，即车间工艺员对产品工艺流程做出修改。当发生技术变更时，系统会保留未修改工序的排程，对于修改工序进行重新排程。

针对临时任务，即车间在生产过程中接收到生产计划处下达的生产任务派工单。当出现临时任务时，系统会从紧急程度较低的加工产品中抽取一定数量的工人，进行临时任务的排程；对于这部分紧急程度较低的加工产品，在剩余工人配备下，对它未完成的工序进行重新排程。

针对质量问题，即某道工序加工不过关或某个产品加工不过关。当某道工序加工不过关时，系统会对该道工序及未完成的工序进行重新排程；当某个产品加工不过关时，系统会对该产品进行重新排程。

具体实施过程为：车间配备手工工作小组和机加工工作小组，主要加工产品为产品A和产品B，共有的制造资源为工装C和设备D，两个产品的加工信息如表1所示。

表1

产品B的优先级高于产品A，产品A配备10名操作工人(8人负责手工，2人负责机加工)，产品B配备12名操作工人(10人负责手工，2人负责机加工)，利用本专利的生产调度算法，得到产品A的加工周期为25天，产品B的加工周期为22天。产品A、B的总加工周期为25天。

利用车间原有的调度方法，得到产品A的加工周期为34天，产品B的加工周期为25天。产品A、B的总加工周期为34天。因此，和车间原有的调度方法对比，本专利的生产调度算法将总加工周期降低了26.5％。

原有的生产控制系统处理一次动态事件的时间平均在30分钟左右，沟通反馈(以电话为主)的滞后性以及手动排程的繁琐性使动态调度的效率较低。本专利的生产控制系统通过生产执行反馈模块，使车间能够及时获取动态事件并作出反应，利用动态调度控制模块快速地调整生产计划，处理一次动态事件的时间平均在10分钟左右，将生产控制效率提高了66.7％。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (8)

1.一种多工种车间的生产控制系统，其特征在于，包括：工艺信息存储模块、生产调度算法模块、生产执行反馈模块以及动态调度控制模块，其中：工艺信息存储模块与生产调度算法模块相连并传输调度需要的加工信息，生产调度算法模块与生产执行反馈模块相连并传输生产计划信息，生产执行反馈模块实时监测生产现场，与动态调度控制模块相连并传输生产过程突发的动态事件信息，动态调度控制模块与生产执行反馈模块相连并传输根据动态事件信息导致的生产计划变更信息并最终实现多工种控制；

所述的工艺信息存储模块包括：基础工艺信息单元和制造资源信息单元，其中：基础工艺信息单元从车间现有工艺系统获得工艺规程信息，基础工艺信息单元与制造资源信息单元相连并传输工序名称信息，基础工艺信息单元与生产调度算法模块相连并传输排程需求的工艺规程信息，制造资源信息单元与生产调度算法模块相连并传输排程需求的制造资源信息；

所述的生产调度算法模块包括：生产调度数据采集单元、PWIM扰动单元、编码解码单元、模拟退火单元、资源冲突处理单元和生产计划输出单元，其中：生产调度数据采集单元从工艺信息存储模块获得排程需要的加工信息，生产调度数据采集单元与PWIM扰动单元相连并传输排程需要的加工信息，PWIM扰动单元与编码解码单元相连并传输邻域解信息，编码解码单元与模拟退火单元相连并传输候选解和邻域解信息，模拟退火单元与资源冲突处理单元相连并传输冲突资源的调度信息，资源冲突处理单元与生产计划输出单元相连并传输生产计划信息，生产计划输出单元与生产执行反馈模块相连并传输生产计划信息；

所述的生产执行反馈模块包括：生产计划执行单元、生产实时监控单元和生产过程信息反馈单元，其中：生产计划执行单元从生产调度算法模块获得生产计划信息，生产计划执行单元与生产实时监控单元相连并传输生产计划执行情况信息，生产实时监控单元与生产过程信息反馈单元相连并传输生产过程监控信息，生产过程信息反馈单元与动态调度控制模块相连并传输生产过程监控信息；

所述的动态调度控制模块包括：生产过程信息接收单元、动态调度算法单元和变更生产计划输出单元，其中：生产过程信息接收单元从生产执行反馈模块获得生产过程监控信息，生产过程信息接收单元与动态调度算法单元相连并传输突发的动态事件信息，动态调度算法单元与变更生产计划输出单元相连并传输变更的生产计划信息，变更生产计划输出单元与生产执行反馈模块相连并传输变更的生产计划信息。

2.根据权利要求1所述系统的动态资源优化方法，其特征在于，根据复合工序问题的复杂度以及实际车间的问题的规模情况建立模型，对模型进行编码解码处理后得到候选解，进一步通过扰动策略及模拟退火过程对候选解进行优化，最后采用基于事件的动态调度方法实现动态资源优化。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的建立模型，该模型的决策变量为：和其中：为产品j中工序i的加工人数，为产品j中工序i的完工时间；

模型的目标函数为：Minimize Z，即每道手工工序的加工人数、每道工序的开始和结束时间，以实现所有产品总的完工时间Z最短；

模型的约束包括：

1)产品j工序i的实际加工时间约束：其中：为产品j中工序i的实际加工时间，工序i的额定工时为工序集合为：N_j＝{1,...,|N_j|}，产品j由M_j个工人负责加工，待加工产品集J＝{1，...，|J|}，为产品j工序i的加工人数，加工人数分别有一个人数上限和人数下限，且人数上限不超过M_j；

2)当工序i是工序k的紧前工序，那么工序k的完工时间大于等于工序i的完工时间和工序k的加工时间的约束：k∈N_j,且i是k的紧前工序，

3)当产品j₁和产品j₂发生资源冲突，不失一般性，假设产品j₁优先级高于j₂，工序i₁是产品j₁在冲突资源上的最后一道工序，工序i₂是产品j₂在冲突资源上的第一道工序，那么工序i₂的完工时间大于等于工序i₁的完工时间和工序i₂的加工时间的约束：j₂∈J,

4)产品j的完工时间的约束：其中：c^j为产品j的完工时间；

5)所有产品的完工时间的约束：

6)决策变量的取值范围的约束：为正整数，

4.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的编码解码处理，具体是指一个待加工工序的序列即为解的编码；为得到一个可行的调度方案，解码技术需要将当前可用的工人分配给不同工序，并确定各道工序的开始加工时间和结束时间。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的通过扰动策略对候选解进行优化是指采用成对交换机制的扰动策略产生新的邻域解，即随机选取两道工序并相互交换位置。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的模拟退火过程对候选解进行优化是指在对应温度下比较候选解和邻域解的适应度函数，并以预设概率接受适应度函数表现较差的解作为新的候选解，然后降低温度并重新进行所述比较，直至满足循环终止条件。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的资源冲突处理单元将不同产品按照紧急程度优先级进行排序。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的基于事件的动态调度方法是指：当有动态事件时，生产控制系统产生相应的动态调度策略，更新生产计划；

所述的动态事件包括：资源缺项、设备故障、技术变更、临时任务和质量问题。