引自：《新一代智能化數(shù)控系統(tǒng)》（作者：陳吉紅，楊建中，周會(huì)成）

系統(tǒng)的排產(chǎn)調(diào)度要根據(jù)訂單信息、產(chǎn)品工藝信息、資源信息等，通過合理的規(guī)則或算法，定制合理優(yōu)化的詳細(xì)計(jì)劃，將訂單分解成任務(wù)均衡地分配給各資源中心，并且將實(shí)時(shí)生產(chǎn)狀態(tài)與計(jì)劃結(jié)合，接收加工反饋信息，智能動(dòng)態(tài)調(diào)整排產(chǎn)計(jì)劃，達(dá)到交期產(chǎn)能精確預(yù)測(cè)、工序生產(chǎn)與資源供應(yīng)最優(yōu)的目的。

傳統(tǒng)的自動(dòng)化排產(chǎn)調(diào)度技術(shù)只能在單一場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)靜態(tài)排產(chǎn)，而要實(shí)現(xiàn)智能化高級(jí)排產(chǎn)調(diào)度，在不同場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)高級(jí)排產(chǎn)，動(dòng)態(tài)排產(chǎn)需要考慮到生產(chǎn)線的各種調(diào)度影響因素，以現(xiàn)有可用資源、設(shè)備等條件，以最大效率、最節(jié)約資源等為優(yōu)化目標(biāo)，將生產(chǎn)任務(wù)分配到最合理的設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)。

「1. 調(diào)度排產(chǎn)實(shí)際需求 」

立足于生產(chǎn)線現(xiàn)有設(shè)計(jì)，調(diào)度排產(chǎn)的實(shí)際需求總結(jié)如下：

（1）緊急訂單插隊(duì)生產(chǎn)。當(dāng)生產(chǎn)線正在生產(chǎn)時(shí)，如果遇到緊急訂單，生產(chǎn)線能夠使緊急訂單優(yōu)先生產(chǎn)。

（2）特定任務(wù)指定機(jī)床生產(chǎn)。當(dāng)工藝人員完成新產(chǎn)品G代碼編制之后，根據(jù)公司規(guī)定需要進(jìn)行新產(chǎn)品工藝試制，即檢驗(yàn)新產(chǎn)品的工藝是否正確、合理。此時(shí)需要有工作人員的參與，該任務(wù)需要在指定的機(jī)床上進(jìn)行。

（3）機(jī)床熱插拔。機(jī)床熱插拔指機(jī)床能夠在生產(chǎn)線運(yùn)行過程中動(dòng)態(tài)地加入生產(chǎn)線的生產(chǎn)，也可以離線不生產(chǎn)。生產(chǎn)線中的機(jī)床需要定期做檢查與校正，也可能臨時(shí)需要一臺(tái)機(jī)床脫離生產(chǎn)線做其他任務(wù)，也可能生產(chǎn)過程中某臺(tái)機(jī)床出現(xiàn)故障，為了不影響生產(chǎn)線其他設(shè)備正常工作，生產(chǎn)線需考慮機(jī)床的熱插拔問題。

（4）工件等待鎖定。當(dāng)工件加工任務(wù)已被導(dǎo)入控制系統(tǒng)，可對(duì)其進(jìn)行等待鎖定，暫時(shí)不進(jìn)行加工，待時(shí)機(jī)到來，可解除等待鎖定，完成對(duì)其進(jìn)行加工。

（5）任務(wù)按期完成?？刂葡到y(tǒng)導(dǎo)入工單時(shí)，可以設(shè)置任務(wù)的指定完成時(shí)間。對(duì)于有指定完成時(shí)間的任務(wù)，應(yīng)保證其不超期完成，或超期時(shí)間最短。

（6）效率高。使完成所有任務(wù)的時(shí)間盡量短。

針對(duì)以上需求，可以建立以ExCode執(zhí)行指令建模的管控系統(tǒng)，通過ExCode腳本化指令，實(shí)現(xiàn)設(shè)備資源的泛化，指令的依賴關(guān)系，流程的路徑選擇等功能，形成多智體的調(diào)度排產(chǎn)系統(tǒng)。

「2. 生產(chǎn)線調(diào)度影響因素分析 」

1）排產(chǎn)應(yīng)考慮刀具的調(diào)度時(shí)間

柔性生產(chǎn)線中每個(gè)加工中心的刀庫都有容量限制。當(dāng)加工不同種類的零件時(shí)，若新工藝所需刀具機(jī)床不具備，這時(shí)就需要調(diào)度刀具機(jī)械手進(jìn)行換刀。換刀過程中，機(jī)床需停機(jī)等待，所以刀具準(zhǔn)備的時(shí)間應(yīng)該納入排產(chǎn)調(diào)度的考慮因素。

2）一個(gè)工件一道工序

柔性生產(chǎn)線工藝設(shè)置為一個(gè)工件一道工序，即輸送進(jìn)入生產(chǎn)線的物料只加工一次，完成加工后便作為成品送離生產(chǎn)線。對(duì)于多道工序的工件，將其每一道序依次作為一個(gè)“工件”輸入生產(chǎn)線，如先將工件WP1的第一道工序O11作為一個(gè)任務(wù)輸入生產(chǎn)線，該任務(wù)完成后，將工件WP1的第二道序O12再作為一個(gè)任務(wù)輸入生產(chǎn)線……

采取“一個(gè)工件一道工序”工藝設(shè)置的主要原因如下：

（1）不同工件不同工序之間的裝夾自動(dòng)化實(shí)施較難。通常各工序間需要進(jìn)行夾具的更換，而不同工件工序之間的裝夾要求會(huì)存在差異。對(duì)于自動(dòng)化生產(chǎn)線來說，其面向多品種零件，自動(dòng)化更換夾具很難實(shí)施、裝夾精度難以保證。而目標(biāo)客戶對(duì)零件的加工精度要求較高，不宜實(shí)施自動(dòng)化裝夾。

（2）加工中心擁有對(duì)許多零件一次加工到位的能力。由于該柔性生產(chǎn)線采用四軸和五軸加工中心作為加工主體，加工中心作為一種通用化機(jī)床，其對(duì)于許多零件具備一次加工到位的能力。

（3）一個(gè)工件一道序更具柔性。對(duì)于多品種、小批量零件，一個(gè)工件一道序更具有柔性，可快速地進(jìn)行工序的切換。

3）擾動(dòng)因素

緊急訂單插隊(duì)、機(jī)床熱插拔等功能都要求排產(chǎn)系統(tǒng)在調(diào)度條件發(fā)生變化后進(jìn)行重新計(jì)算，為了適應(yīng)產(chǎn)線的生產(chǎn)環(huán)境變動(dòng)，采用事件驅(qū)動(dòng)重調(diào)度，當(dāng)發(fā)生擾動(dòng)因素的時(shí)候，重新進(jìn)行排產(chǎn)計(jì)算。觸發(fā)系統(tǒng)重調(diào)度的事件，即擾動(dòng)因素有：機(jī)床上下線、刀具信息變化、補(bǔ)充物料、待排產(chǎn)任務(wù)增加。

（1）機(jī)床上下線：當(dāng)生產(chǎn)線在進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，如果產(chǎn)線中某些機(jī)床由于故障、檢修等原因需要停止生產(chǎn)，這時(shí)生產(chǎn)線會(huì)將此機(jī)床下線。如果原調(diào)度方案中分配了任務(wù)至該機(jī)床，則需要重新進(jìn)行排產(chǎn)計(jì)算。當(dāng)有新的機(jī)床接入產(chǎn)線時(shí)，如果待加工任務(wù)中有此臺(tái)機(jī)床可以加工的，則也會(huì)重新進(jìn)行排產(chǎn)計(jì)算。

（2）刀具變化。當(dāng)生產(chǎn)線在進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，如果某臺(tái)機(jī)床發(fā)生刀具損壞，那么此時(shí)的排產(chǎn)條件已經(jīng)發(fā)生變化。如果后續(xù)有需要此刀具的待加工任務(wù)，那其排產(chǎn)方案已經(jīng)不正確，此時(shí)需要重新進(jìn)行排產(chǎn)。相反，如果生產(chǎn)線中心刀庫補(bǔ)充了一些刀具，而這些刀具又正是后面帶加工任務(wù)所缺的，那么也需要進(jìn)行重新排產(chǎn)。

（3）補(bǔ)充物料。對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行物料補(bǔ)充后，可能會(huì)使一些生產(chǎn)任務(wù)的生產(chǎn)條件齊備，那么這樣就會(huì)影響排產(chǎn)，此時(shí)應(yīng)該進(jìn)行重新排產(chǎn)。

（4）待排產(chǎn)任務(wù)增加。當(dāng)有新的任務(wù)加入排產(chǎn)后，明顯會(huì)對(duì)原來生成的調(diào)度方案產(chǎn)生影響，此時(shí)會(huì)進(jìn)行重排。

「3. 智能排產(chǎn)系統(tǒng) 」

排產(chǎn)規(guī)劃問題，是基于有限的資源和指定的約束，有一個(gè)優(yōu)化目標(biāo)。優(yōu)化目標(biāo)可以是多種事物，例如：利潤(rùn)最大化、最大化員工或客戶的滿足度、消耗時(shí)間的最小化等。而實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的能力依賴于可用資料的數(shù)量，如人員數(shù)量、時(shí)間、預(yù)算、機(jī)器等。與這此資源相關(guān)的約束也必然計(jì)算在內(nèi)，例如，一個(gè)人的工作小時(shí)數(shù)，他們可使用（操作）的機(jī)臺(tái)數(shù)量，設(shè)備之間的兼容性等。排產(chǎn)系統(tǒng)可以幫助有效地解決約束滿足問題，在本排產(chǎn)系統(tǒng)中，對(duì)每個(gè)有效的約束分?jǐn)?shù)計(jì)算中，組合了啟發(fā)式和元啟發(fā)式算法。

上述的大部分案例都屬于NP-complete/NP-hard問題，它的定義是：對(duì)于一個(gè)問題，（1）在合理時(shí)間內(nèi)可以容易地驗(yàn)證一個(gè)給定的解；（2）在合理時(shí)間內(nèi)，目前尚沒有行之有效的解法能找到其絕對(duì)最優(yōu)解。

目前針對(duì)這種問題的常見的有兩種技術(shù)來解決，但是這兩種方法仍不足夠解決此類問題。這兩種方法分別是：（1）暴力求解算法(盡管是一些優(yōu)化過、相對(duì)聰明的暴力算法變種)，但獲得其解所需的時(shí)間非常長(zhǎng)，尤其是時(shí)間復(fù)雜度非常高。（2）快速算法，例如在Binpacking問題中，先裝入最大項(xiàng)，但得到的解離絕對(duì)最優(yōu)解仍存在相當(dāng)大距離的。而本排產(chǎn)系統(tǒng)集成了一些更智能的算法，盡可能多縮小候選解的范圍，可以在合理的時(shí)間內(nèi)，對(duì)這些規(guī)劃問題找到相對(duì)較優(yōu)解。

通常來說，一個(gè)規(guī)劃問題至少包括兩個(gè)約束：硬約束與軟約束。硬約束指不可被違反的約束。例如，一個(gè)教師在同節(jié)的時(shí)間內(nèi)不能同時(shí)上兩門課、一個(gè)工件在一個(gè)時(shí)刻不能同時(shí)在兩個(gè)機(jī)床上加工等；軟約束指可以違反但是應(yīng)該盡量避免的約束。例如，工件加工的總時(shí)間之和應(yīng)該最短等。在排產(chǎn)系統(tǒng)中，會(huì)給每個(gè)硬約束和軟約束相應(yīng)的分?jǐn)?shù)，對(duì)每一個(gè)計(jì)算出的解求出約束分?jǐn)?shù)，相比較得到相對(duì)最優(yōu)解。

本排產(chǎn)系統(tǒng)能處理如工單任務(wù)分配、刀具路徑規(guī)劃、機(jī)器任務(wù)的分配等各種模型，結(jié)合一些較優(yōu)的算法與模型的約束，在有限時(shí)間內(nèi)得出相對(duì)最優(yōu)的結(jié)果。以下為排產(chǎn)系統(tǒng)處理的一個(gè)模型——任務(wù)分配（參見圖1）。

圖1 系統(tǒng)排產(chǎn)結(jié)果圖

在柔性產(chǎn)線中，排產(chǎn)系統(tǒng)主要解決每個(gè)工件分配給哪臺(tái)機(jī)床，加工的次序等問題。在該模型中，主要有兩種約束，一種約束是硬約束，包括一臺(tái)機(jī)床一次性只能加工一個(gè)零件，具的數(shù)量是有限的，所以多臺(tái)機(jī)床不能在同一時(shí)間段使用同一把刀具，以及某些工件只能使用特定的機(jī)床加工，另一種約束是軟約束，包括加工零件的優(yōu)先級(jí)，工單總體加工時(shí)間盡可能小。

排產(chǎn)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互依靠數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫能夠有效管理數(shù)據(jù)，保障其一致性并能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。對(duì)于應(yīng)用于系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互的數(shù)據(jù)庫，不需要復(fù)雜查詢，但是希望能有較高的讀寫性能，因此選擇非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。

排產(chǎn)系統(tǒng)從功能上可以劃分為數(shù)據(jù)解析、任務(wù)條件驗(yàn)證、計(jì)算和可視化，其流程如圖2所示。

圖2 排產(chǎn)流程圖

（1）數(shù)據(jù)解析：主要功能就是解析從數(shù)據(jù)庫提取過來的任務(wù)和機(jī)床信息，需要將任務(wù)和機(jī)床信息轉(zhuǎn)化為編程對(duì)象；

（2）任務(wù)條件驗(yàn)證：主要是將暫時(shí)不生產(chǎn)的和物料、刀具條件不滿足的任務(wù)排除；

（3）計(jì)算：此部分是排產(chǎn)算法的實(shí)現(xiàn)，將傳送過來的任務(wù)進(jìn)行排產(chǎn)計(jì)算；

（4）可視化：計(jì)算過后的任務(wù)結(jié)果，即寫進(jìn)了數(shù)據(jù)庫供硬件控制系統(tǒng)生產(chǎn)使用，也進(jìn)行可視化直觀展示加工計(jì)劃。