CN116897323A - 用于在考虑长期目标的情况下为操作多个生产过程中涉及的多个资源提供短期分派决策的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明要求保护一种用于为操作多个生产过程中涉及的多个资源提供分派决策的系统，每个生产过程包括多个生产操作，其中所述系统包括至少一个处理器，所述处理器被配置成执行以下步骤：a)通过使用生产操作持续时间的预测值来获得包含用于生产订单集合的生产操作的长期生产调度；b)从所获得的长期生产调度导出针对所有后续操作分派决策的合适订单发布日期、分派序列和/或资源选择的分派推荐；c)获得所述生产订单集合中的已发布子集，每个具有发布日期和到期日期并且包括所有可能的分派序列和它们之间的逻辑依赖性的信息，以生产所请求的产品；d)基于在所述多个生产过程中涉及的所述多个资源的所述操作期间被监测的操作约束以及所导出的分派推荐来迭代地计算有限数量的后续操作分派决策，所述后续操作分派决策支持有利于关于长期目标来优化总体生产过程的决策制定；e)通过所述至少一个处理器访问输出设备来将每个所计算的操作分派决策输出到生产执行器，所述生产执行器可以连接到输出设备，并且被使得能够通过根据所述后续操作分派决策操作所述多个生产过程来执行生产订单的已发布子集。

Description

用于在考虑长期目标的情况下为操作多个生产过程中涉及的 多个资源提供短期分派决策的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于为操作多个生产过程中涉及的多个资源提供分派决策的系统和方法，其中每个生产过程包括多个生产操作。
背景技术
在该情境中，分派决策通常是在考虑短期目标的情况下做出的。
本发明可以应用于过程自动化和过程监测标准自动化系统的世界中，以用于控制各种各样可想象的机器和工厂。这样的技术特别地覆盖了制造操作管理(MOM)领域内可以提供的宽范围的产品。
在该情境中，存在宽范围的IT解决方案来将接近于技术和/或后勤(logistical)过程的实际硬件连接到驱动该安装的客户端的应用层。因此，制造执行系统(MES)已经被开发以满足面向服务的架构(SOA)的所有要求，以无缝地集成到完全集成自动化(TIA)中。
这种需求非常经常地需要在主干(backbone)中相当复杂和精密的软件解决方案，该软件解决方案实现了完全集成自动化的方法。鉴于此，软件工程师非常经常地使用生产建模软件来定义工厂模型以及其标准操作过程，并且借助于高级图形语言来创建相应的新软件，该高级图形语言标识软件内的活动的工作流。随后，高级图形语言的该字符串/术语被翻译成可在机器语言级别上执行的基于客户端的软件语言。该翻译需要编程方面的巨大努力，并且需要认真的测试来检查所翻译的程序是否与高级图形语言的原始字符串/术语表现相同。
在MES环境内，提供了用于详细生产调度(DPS)的软件，该软件涉及所有制造资源上的生产操作的排序和定时。最重要的是，该软件旨在创建可执行的且优化的生产调度，根据该调度，生产操作将在生产中执行。在该调度将被计算之前，PDS软件需要被馈送有来自工厂数据库的主要输入，诸如：
a)工厂逻辑布局和材料流约束；
b)装备和人员标准生产率；
c)装备和人员的可用性、日历和状态；
d)关于生产方式(配方、工艺路线(routing)等)、过程和业务约束的知识；
e)存储约束，如根据一个或多个订单生产的产品的中央缓冲区；
f)由生产资源提供的技能。
与这些信息一起，DPS软件构建工厂和该工厂内的生产过程的其内部模型。随后，通过将调度算法应用于工厂资源和生产过程的该内部工厂模型，DPS软件计算可执行的生产调度，该生产调度不违反任何物理、后勤生产约束和/或商业约束，并且通常在生产过程执行之前优化制造性能。因此，生产调度与生产执行阶段的详细计划相关，即，调度可以被视为详细的操作性生产计划。
对于详细调度计划所必要的一些数据仅能够在实际执行之前被估计/预测，例如，操作持续时间，如自主导向载具(AGV)上的运输时间或机器上的处理时间。因此，来自实时环境的反馈必须连续地被并入，以保证调度可以被执行。可靠的调度仅能够针对短期计划范围来生成。
根据US 7,962,233 B2，已知一种用于处置生产扰动/机会事件的系统，该系统包括具有运行MES软件的数据处理单元的网络，该MES软件用于控制/监测操作生产组件的生产过程。生产建模器定义了生产过程的工厂模型，并且生产调度器生成用于执行针对生产组件的操作过程的可执行生产调度。生产执行器遵循所生成的可执行生产调度来执行生产过程，并且生产扰动/机会事件标识器检测生产扰动事件并且标识生产机会事件，该生产机会事件允许维持生产过程的效率至少尽可能接近于由生产调度器最初生成的可执行生产调度所给出的效率。生产调度器重新计算并入了所标识的生产机会事件的经修正的可执行生产调度，并且生产执行器现在遵循重新计算的可执行生产调度来执行生产过程。
但是这样的调度仅能够针对短期计划范围来生成。经常涉及长期目标，在决策中也应当考虑这些长期目标。这样的长期目标的一个重要示例是个体订单的到期日期(duedate)。需要避免迟的递送，但是订单不应当被过早完成。由于潜在决策问题的复杂性随着需要计划的不同任务的数量而增加，因此在高混合小批量生产中，针对这样的场景的调度计划特别地具有挑战性。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于为操作多个生产过程中涉及的多个资源提供分派决策的方法，其中使得所使用的生产调度能够考虑短期和长期方面。本发明也应当满足足够的质量。
根据独立权利要求的特征，通过一种方法和一个或多个装置或系统、优选地是分布式系统来实现上述目的。在从属权利要求中描述了本发明的优选实施例。从属权利要求的特征与彼此以及与独立权利要求的特征的任何组合是可能的。
本发明的一方面是一种用于为操作多个生产过程中涉及的多个资源提供分派决策的系统，每个生产过程包括多个生产操作，其中所述系统包括至少一个处理器，所述处理器被配置成执行以下步骤：
a)通过使用生产操作持续时间的预测值来获得包含用于生产订单集合的生产操作的长期生产调度；
b)从所获得的长期生产调度导出针对所有后续操作分派决策的合适订单发布日期、分派序列和/或资源选择的分派推荐；
c)获得所述生产订单集合中的已发布子集，每个具有发布日期和到期日期并且包括所有可能的分派序列和它们之间的逻辑依赖性的信息，以生产所请求的产品；
d)基于在所述多个生产过程中涉及的所述多个资源的所述操作期间被监测的操作约束以及所导出的分派推荐来迭代地计算有限数量的后续操作分派决策，所述后续操作分派决策支持有利于关于长期目标来优化总体生产过程的决策制定；
e)通过所述至少一个处理器访问输出设备来将每个所计算的操作分派决策输出到生产执行器，所述生产执行器可以连接到输出设备，并且被使得能够通过根据所述后续操作分派决策操作所述多个生产过程来执行生产订单的已发布子集。
所述至少一个处理器优选地被配置成重复步骤c)、d)和e)，直到长期生产需要被适配或重新计算和/或任何其他数量和/或质量要求被满足。
所计算的有限数量的所述操作分派决策可以附加地以甘特图显示在输出设备上。
根据本发明的实施例，所述至少一个处理器附加地被配置成返回来自生产执行器的反馈，以用于根据d)的迭代计算。
所述长期目标应当包括订单应当在其处完成的到期日期。
订单的优化序列是来自反向调度的结果，所述反向调度即选择订单的最后操作，并且在它们的到期日期之前尽可能迟地对它们进行调度，其目的是在到期日期之前完成订单。使用反向迭代导致了这样的分派决策，其中没有操作在其到期日期之后完成。但是操作尽可能迟地完成，同时尝试最小化资源使用。
仅那些其在长期生产调度中的订单开始时间接近于当前时间的分派推荐应当被并入到所述有限数量的后续操作分派决策的计算中。
可以通过放松至少一个预确定生产约束来构建所获得的长期生产调度，以便降低一次包括所述生产订单集合中的所有订单的长期生产调度的复杂性。放松(操作)生产约束可以是例如由一个订单生产的产品被存储在机器旁边；从而使得AGV能够在它们的货物可以在机器上被处理之前递送这些货物。另一种可能性是放松在材料流方面的约束。
针对每个生产操作，应当确定持续时间和所需的材料和/或其他资源量。机器和执行序列应当被选择以使得处理、运输和设置时间尽可能短。
在计算所述有限数量的后续操作分派决策期间，用于执行生产操作的所需材料和/或资源的可用性应当被实时检查。
通过耦合的和/或可连接的生产调度器，最终可以重新计算长期生产调度(反馈回路)。在计算所述有限数量的后续操作分派决策之前，提供了长期生产调度计划的生产调度器多半离线运行。
生产过程包括多个生产操作，其包括生产性操作和非生产性操作。生产性操作是在一件产品上的工作。非生产性操作可以是消耗时间和/或消耗资源的操作，如：
a)用于资源的工具任务；
b)资源的激活和去激活；
c)资源的设置操作；
d)产品的运输；以及
e)产品的装载和/或卸载。
本发明可以被实现为使用离线解决方案的框架，该离线解决方案提供了长期生产调度，以优化次要目标，并且然后在短期决策过程、通常是实时调度中使用该信息。这可以应用于任何动态生产环境中。
1)关注长期目标(在实时决策制定过程中不能够被考虑)的离线过程，所述离线过程聚焦于生产过程的最重要的限制/约束，同时放松不太关键的限制。
2)使用来自工厂的生产执行器的生产执行反馈以及离线结果的实时过程，以便采取在线决策来控制在下一个步骤中哪些过程/操作应当在机器或运输资源上执行。
本发明的进一步方面是一种用于为多个生产过程中涉及的多个资源的操作提供短期生产调度决策的方法，每个生产过程包括多个生产操作，所述方法包括以下步骤：
a)通过使用生产操作持续时间的预测值来获得包含用于生产订单集合的生产操作的长期生产调度；
b)从所获得的长期生产调度导出针对所有后续操作分派决策的合适订单发布日期、分派序列和/或资源选择的分派推荐；
c)获得所述生产订单集合中的已发布子集，每个具有发布日期和到期日期并且包括所有可能的分派序列和它们之间的逻辑依赖性的信息，以生产所请求的产品；
d)基于在所述多个生产过程中涉及的所述多个资源的所述操作期间被监测的操作约束以及所导出的分派推荐来迭代地计算有限数量的后续操作分派决策，所述后续操作分派决策支持有利于关于长期目标来优化总体生产过程的决策制定；
e)通过所述至少一个处理器访问输出设备来将每个所计算的操作分派决策输出到生产执行器，所述生产执行器可以连接到输出设备，并且被使得能够通过根据所述后续操作分派决策操作所述多个生产过程来执行订单的已发布子集。
优选地，步骤c)、d)和e)被连续地重复，直到长期生产调度已经被适配或重新计算为止。
上面针对所述系统所描述的实施例可以类似地应用于所述方法和计算机程序(产品)以及计算机可读存储介质。
该系统可以由硬件、固件和/或软件或者它们的组合来实现。
计算机可读存储介质存储可由计算机的一个或多个处理器执行的指令，其中所述指令的执行使计算机系统执行所述方法。
计算机程序(产品)由计算机的一个或多个处理器来执行，并且执行所述方法。
附图说明
当结合附图阅读时，从以下详细描述最好地理解本发明的前述和其他方面。出于说明本发明的目的，在附图中示出了目前优选的实施例，然而，要理解的是，本发明不限于所公开的具体手段。附图中包括的是以下各图：
图1描绘了根据本发明的关于制造执行系统(MES)的活动和主要信息流的示意性概述，
图2示出了关于所生成的生产调度计划的示意性概述，该计划以甘特图来显示。
具体实施方式
调度生成方案需要大量的数据输入，以便能够生成生产调度计划。最重要的数据源是保存或定义BoP(过程清单)的系统，BoP可以被确定为指定排序和优先序(precedence)和/或优先级约束的解决方案(这与被存储在例如MES系统中的所有可执行BoP的显式静态定义形成对照)。
在该示例中，给出了生产环境，其具有灵活的机器，这些机器需要不同的共享工具以用于不同的操作。此外，还应当考虑机器之间的自动化运输、序列相关的设置时间、以及AGV与机器之间的移交时间。每个产品订单附带生产操作集合，这些操作应按顺序被处理。
鉴于上述示例，图1图示了关于制造执行系统MES的活动和主要信息流的示意性概述。任何用数字编号的箭头应指示数据和/或数据流的流动。在1和2处，来自包括生产执行单元的生产执行器P的数据流去往MES系统MES，并且反之亦然。在5和6处，来自操作调度决策系统RS的数据流可以去往附加的执行系统ES，并且反之亦然。附加执行系统ES可以是用于自主导向载具的分派系统和/或材料提供系统。
在12和13处，附加执行系统ES也可以与MES系统通信。在8和11处，来自数据库DB的数据流可以包含车间数据源(例如来自SAP)并且反之亦然。数据库中所收集的数据可以是生产订单集合，该生产订单具有开始时间和到期日期，并且包括在开始时所引入的排序和约束，这些排序和约束带来了生产操作的序列以及它们之间的逻辑依赖性。数据收集还可以包括操作持续时间的预测值。操作调度决策系统本身在3处将其调度决策转发给MES系统，并且在4处，MES系统将反馈数据返回给操作调度决策系统。
在3之后，由操作调度决策系统输出所计算的操作分派决策可以利用输出设备来完成，在该输出设备中，可以示出甘特图。
该方法现在提供了如下机会：即，操作调度决策系统根据长期调度的知识进行决策，该知识可以来自未示出的离线调度系统，并且包含生产约束集合。
在9处，操作调度决策系统从长期生产调度PS获得针对所有后续操作分派决策的合适订单发布日期、分派序列和/或资源选择的所导出的分派推荐。
后续调度决策可以构建操作生产调度。在4处，由操作调度决策系统获得该生产订单集合中的由例如MES系统发布的已发布子集。
在10处，在长期生产调度中还考虑了用于执行生产的所需材料和/或资源的可用性。可以通过放松至少一个预确定生产约束来构建长期生产调度，以便降低包括所述生产订单集合中的所有订单的长期生产调度的复杂性。例如，仅有的存储设施是其中可以存储所生产产品的中央缓冲区(＝资源约束)。在该示例中，资源约束被放松，即产品可以被存储在机器旁边。这去耦合了运输和机器可用性之间的强关系，并且将产生略微乐观的调度。
操作生产约束可以在生产过程期间由执行单元来监测，并且监测反馈可以经由MES系统被转发到操作调度决策系统。
借助于所计算的操作分派决策的有限集合，可以优化订单的序列。由操作调度决策系统基于在多个生产过程中涉及的多个资源的所述操作期间被监测的操作约束以及所导出的分派推荐来迭代地计算有限数量的后续操作分派决策，所述后续操作分派决策支持有利于关于长期目标来优化总体生产过程的决策制定。
获得生产订单集合的已发布子集、所述迭代计算以及输出计算的结果可以被(连续地)重复，直到长期生产调度已经被适配或重新计算为止。
在9处，通过在来自操作调度决策系统的反馈之后重新计算调度，新的经修正的长期生产调度也是可能的。
在7处，可以通过MES系统从操作调度决策系统返回和/或转发经修正的调度决策。
通过将订单的开始时间以这样的方式放置在该序列中，使得该订单尽可能接近于其到期日期而完成，从而使这种优化成功。每个订单具有发布日期和到期日期。
最后，目标是在尽可能接近于到期日期完成订单的每个产品，因为提前完成需要附加的存储容量，并且推迟完成会引发罚款并降低客户满意度。
因此调度是反向迭代的，针对订单选择最后的操作，并且尽可能迟地调度它们。它们在到期日期之前完成，并且没有任何操作在其到期日期之后完成。这最小化了资源使用。
根据本发明的实施例，选择可能在下一步骤中被固定。如果存在在当前时间之前已经开始的订单，则可以适配该调度。每个订单的开始时间由长期生产调度来提供。在该调度的(在线)计算期间，代替在所有可调度选项之间进行选择，仅考虑其中离线开始时间接近当前时间的那些订单。例如，如果当前时间是下午3:10，则不考虑具有由长期生产调度提供的开始时间下午4:10的订单。优选地，预确定当前时间周围的范围，例如一个小时，其中考虑具有落在该范围内的开始时间的订单。这降低了复杂性，并且导致了相对于到期日期的订单分配。
根据图2的示例将针对小型生产环境来呈现，该环境具有假定的两个静态(即，不可移动)组装模块、以及工业机器人，该工业机器人可以执行生产操作以及在两个组装模块之间的运输操作(这意味着，我们可以想到静态机器人的可移动夹具，或者我们甚至可以考虑可移动机器人)。
图2中的部分调度以甘特图来表示。在顶部，存在表示订单持续时间(例如一个小时)的一部分的时间线。当前时间可以是下午3：10。那么时间线的结束将表示下午4:10。所调度的操作的示例被示出为灰色条，并且没有明确地命名。
生产操作可以包括生产性操作和非生产性操作。生产性操作是在一件产品上的工作。非生产性操作可以是消耗时间和/或消耗资源的操作，如：
a)用于资源的工具任务；
b)资源的激活和去激活；
c)资源的设置操作；
d)产品的运输；以及
e)产品的装载和/或卸载。
该方法可以由诸如微控制器或微处理器之类的至少一个处理器、专用集成电路(ASIC)、任何种类的计算机(包括诸如平板计算机、智能电话或膝上型计算机之类的移动计算设备)或者控制室或云中的一个或多个服务器来执行。
例如，该系统和/或计算机的处理器、控制器或集成电路和/或另一处理器可以被配置成实现本文中描述的动作。
上面描述的方法可以经由计算机程序(产品)来实现，该计算机程序包括一个或多个计算机可读存储介质，其上存储有可由计算系统的一个或多个处理器执行的指令。指令的执行使计算系统执行与上面描述的方法的动作相对应的操作。
用于实现本文中描述的过程或方法的指令可以在非暂时性计算机可读存储介质或存储器上提供，该介质或存储器诸如高速缓存、缓冲器、RAM、闪存、可移除介质、硬盘驱动器、或其他计算机可读存储介质。处理器施行或执行指令来训练和/或应用用于控制系统的经训练的模型。计算机可读存储介质包括各种类型的易失性和非易失性存储介质。各图中所图示或本文中描述的功能、动作或任务可以响应于存储在计算机可读存储介质中或其上的一个或多个指令集来执行。这些功能、动作或任务可以独立于特定类型的指令集、存储介质、处理器或处理策略，并且可以由软件、硬件、集成电路、固件、微代码以及诸如此类单独地或组合地操作来执行。同样地，处理策略可以包括多处理、多任务、并行处理以及诸如此类。
已经参考本发明的实施例和示例详细描述了本发明。然而，在权利要求所覆盖的本发明的精神和范围内，可以实现变化和修改。作为替代表述的短语“A、B和C中的至少一个”可以规定：可以使用A、B和C中的一个或多个。
本文中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并且不意图限制本发明的示例实施例。如本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指示。
要理解的是，所附权利要求中记载的元素和特征可以以不同的方式被组合，以产生同样落入本发明范围内的新权利要求。因此，尽管下面所附的从属权利要求仅从属于单个独立或从属权利要求，但是要理解，可以替代地使这些从属权利要求从属于任何前面或后面的权利要求，无论是独立权利要求还是从属权利要求，并且这样新的组合应被理解为形成本说明书的一部分。
权利要求中记载的元素都不意图是手段加功能(means-plus-function)元素，除非使用短语“用于……的部件”，或者在方法权利要求的情况下使用短语“用于……的操作”或“用于……的步骤”。
虽然上面已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，可以对所描述的实施例做出许多改变和修改。因此，所意图的是，前述描述被视为说明性的而非限制性的，并且要理解的是，实施例的所有等同物和/或组合意图被包括在本描述中。

Claims (13)

1.用于为操作多个生产过程中涉及的多个资源提供分派决策的系统，每个生产过程包括多个生产操作，其中所述系统包括至少一个处理器，所述处理器被配置成执行以下步骤：
a)通过使用生产操作持续时间的预测值来获得包含用于生产订单集合的生产操作的长期生产调度；
b)从所获得的长期生产调度导出针对所有后续操作分派决策的合适订单发布日期、分派序列和/或资源选择的分派推荐；
c)获得所述生产订单集合中的已发布子集，每个具有发布日期和到期日期并且包括所有可能的分派序列和它们之间的逻辑依赖性的信息，以生产所请求的产品；
d)基于在所述多个生产过程中涉及的所述多个资源的所述操作期间被监测的操作约束以及所导出的分派推荐来迭代地计算有限数量的后续操作分派决策，所述后续操作分派决策支持有利于关于长期目标来优化总体生产过程的决策制定；
e)通过所述至少一个处理器访问输出设备来将每个所计算的操作分派决策输出到生产执行器，所述生产执行器可以连接到输出设备，并且被使得能够通过根据所述后续操作分派决策操作所述多个生产过程来执行生产订单的已发布子集。
2.根据前一项权利要求所述的系统，其中所述至少一个处理器被配置成重复步骤c)、d)和e)，直到长期生产调度已经被适配或重新计算为止。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中来自生产执行器的反馈被返回，以用于根据d)的迭代计算。
4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的系统，其中所述长期目标包括订单应当在其处完成的到期日期。
5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的系统，其中在计算所述有限数量的后续操作分派决策期间，用于执行生产操作的所需材料和/或资源的可用性被实时检查。
6.根据前述权利要求1或2中任一项所述的系统，其中获得长期生产调度是通过放松至少一个预确定生产约束来构建的，以便降低一次包括所述生产订单集合中的所有订单的长期生产调度的复杂性。
7.根据权利要求4所述的系统，其中仅那些其在长期生产调度中的订单开始时间接近于当前时间的分派推荐被并入到所述有限数量的后续操作分派决策的计算中。
8.根据权利要求1或2所述的系统，其中每个生产过程可以包括生产性生产操作和非生产性生产操作。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所计算的有限数量的所述操作分派决策可以以甘特图显示在输出设备上。
10.用于为多个生产过程中涉及的多个资源的操作提供短期生产调度决策的方法，每个生产过程包括多个生产操作，所述方法包括以下步骤：
a)通过使用生产操作持续时间的预测值来获得包含用于生产订单集合的生产操作的长期生产调度；
b)从所获得的长期生产调度导出针对所有后续操作分派决策的合适订单发布日期、分派序列和/或资源选择的分派推荐；
c)获得所述生产订单集合中的已发布子集，每个具有发布日期和到期日期并且包括所有可能的分派序列和它们之间的逻辑依赖性的信息，以生产所请求的产品；
d)基于在所述多个生产过程中涉及的所述多个资源的所述操作期间被监测的操作约束以及所导出的分派推荐来迭代地计算有限数量的后续操作分派决策，所述后续操作分派决策支持有利于关于长期目标来优化总体生产过程的决策制定；
e)通过所述至少一个处理器访问输出设备来将每个所计算的操作分派决策输出到生产执行器，所述生产执行器可以连接到输出设备，并且被使得能够通过根据所述后续操作分派决策操作所述多个生产过程来执行生产订单的已发布子集。
11.根据权利要求10所述的方法，其中步骤c)、d)和e)被重复，直到长期生产调度已经被适配或重新计算为止。
12.计算机程序，其由计算机的一个或多个处理器执行，以便执行根据权利要求10或11所述的方法。
13.计算机可读存储介质，其具有根据前一项权利要求所述的计算机程序。
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