一类FJS生产计划与调度集成机制的研究

杜丽婕　王艳红

【摘 要】在制造车间复杂的生产模式下，综合考虑客户需求变化、机器生产能力限制及设备利用效率等作用因素，研究了问题规划、集成方法和方法策略分析这三方面的基础上，提出一种以整体方法为建模策略，整体求解模式与集成求解模式为求解策略的集成机制。这一集成机制使得柔性作业车间生产计划与调度的建模与求解更能符合实际生产。

【关键词】计划与调度；集成机制；集成方法

中图分类号： TH186 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）09-0142-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.09.066

The research for integrated mechanism of production planning and scheduling for a kind of Flexible Job-shop

DU Li-jie WANG Yan-hong

（School of Information Science and Engineering，Shenyang University of Technology， Shenyang， Liaoning 110870，China）

【Abstract】Under the complex production mode of manufacturing workshop，considering factors such as customer demand change，machine productivity limitation and equipment utilization efficiency，studying the three aspects of problem planning，integration method and strategy analysis，an integrated mechanism is proposed based on the whole approach as modeling strategy，the whole solution mode and the integrated solution mode as solving strategy.It makes the modeling and solving of the production planning and scheduling in the flexible job-shop more consistent with the actual production.

【Key words】Planning and scheduling；Integrated mechanism；Integrated method

0 引言

隨着制造车间的复杂化，生产计划与调度作为企业运营管理的两大核心问题，一直为企业管理者所重视。生产计划是确定生产什么及生产批量是多少的过程；调度则是确定各工件各工序安排在什么时间的哪些机器上进行生产的过程[1]。很明显，两问题之间存在着密切的关联性。特别是在复杂度较高的柔性作业车间（FJS）下，为制定更合理的生产目标与切实准确的调度排产，应将计划问题与调度问题集成处置。然而，解决计划与调度集成问题的首要任务是确定恰当的集成机制。

1 问题描述与分析

1.1 问题描述

本文所探讨的集成机制是在当前复杂的FJS生产环境下，为制定出切实可行的运营生产规划，考虑客户需求变化、机器生产能力限制及设备利用效率等作用因素，研究一类生产计划与调度集成问题的集成优化机制，从而搭建集成优化问题的数学模型，最终实现降低生产总费用，缩短总生产时间，提高资源利用率的优化目标。

1.2 问题分析

集成优化研究是一类NP-hard问题，而FJS环境下的此类集成问题研究难度更是大幅增加。事实上，对于该类问题的处理一般包括以下关键步骤：集成机制、集成建模、求解算法和算例运行。可见，集成机制是求解集成优化问题的首要任务。这里所涉及的集成机制是采用何种思想方式来实现计划与调度问题的协同优化建模，即是对实际集成优化问题进行数学模型数量化的一种转化思想和策略，从而得到更加合理的数学模型，并应用于后续求解。因此，为提出具体问题的集成机制，需要进行问题规划、集成方法和方法策略分析这三方面的研究。

2 问题规划

问题规划的本质是将计划问题与调度问题进行综合分析、协同求解。“分而治之”地处理两问题会造成制定的计划目标不可行；而不考虑计划需求的调度执行可能造成完工期的拖延、生产相关总费用过高等。因此，以集成方式进行问题的协同优化，则要考虑计划问题的核心——计划目标、生产平衡原则和目标需求原则，调度问题的核心——调度目标、工件工序排序原则、机器加工顺序原则和机器生产能力原则以及FJS问题的核心——机器可选原则、加工工位唯一原则和工序状态唯一原则。

3 集成方法

3.1 概述与分类

集成方法是在问题规划后，对所提出集成机制的一种方法化的归纳与提炼，从而使得理论化的集成机制得以具体化，便于后续建模对思想机制的应用实现。

对于生产计划与调度集成问题在优化方法方面的成果，可将其分成两大类：一类是递阶方法[2]，另一类是整体方法[1]。前者借鉴一种求解集成问题时递阶分解的思想，具体建模机制是先将待研究问题分为计划层与调度层，进行分层规划，再将各层次的规划过程构成一个迭代优化的闭环，进一步循环协调，最终得到综合考虑计划作用因素与调度作用因素的可行优化方案。后者则是为满足集成处理的需求应运而生的一种整体优化思想，具体机制是在构建问题模型时同步包含计划问题约束与调度问题约束，而完成求解的过程可针对性采用不同的算法以求得优化后的方案。若求解时，同时处理两问题的约束，即称为整体求解模式；若利用分解技术或迭代方法，即称为集成求解模式。

3.2 方法策略分析

3.2.1 递阶方法

由递阶方法的建模机制，可得其优点是思想结构较简单，易实现，大大降低了求解过程的复杂度。Sikora R等探究了一类多机flowshop环境的集成问题，其递阶求解过程：先分别处理各问题模块，再将测试模块作为反馈环[3]。Riane F对hybrid flowshop的集成问题深入研究，提出了一种两阶段决策支持系统，该系统采用递阶方法，具体如下：（1）将计划与调度分解；（2）进一步将计划与调度构成闭环或反馈机制[2]。

然而，FJS环境的灵活性使得其集成问题具有较强复杂性，目前还没有成果利用该方法完成最终求解。可见，随着复杂生产车间的普遍应用，将递阶方法独立作为求解集成问题的建模机制的研究意义不大。

3.2.2 整体方法

以整体优化为机制的整体方法，保证了集成解的可行性。其優势在于可以处理规模大或层次复杂的问题，但求解过程较有难度。对利用该方法机制的成果进行总结：（1）研究集成问题的多采用整体方法作为建模机制，并利用集成求解模式[4-5]。（2）随着计算处理能力的提高，Zhang X D则在集成方法的基础上，采用整体求解模式进行问题机制与途径的深层探索[6]。其目的是找到更准确表述问题、更精确化处理问题的思想与手段。综上所述，整体方法的建模机制具有更广阔的研究前景。

4 集成机制

由前文问题规划、集成方法、方法策略分析这三方面的研究，可知，本文所研究的FJS的集成问题综合考虑了客户需求变化、机器能力限制及生产效率等关键因素，制定计划与调度协同优化目标，在最小化总费用的同时缩短过程时间，提出将整体方法作为建模策略，对各层次作用因素进行模型上的融合；在求解策略上，吸取整体求解模式与集成求解模式的优点，以整体思想为求解主体，迭代反馈为辅助调整，进行求解思路的实现。以上建模策略与求解策略一并作为生产计划与调度问题的集成机制，据此进行后期数量关系建模与求解思路的算法实现，最终为生产计划与调度提供科学的辅助决策信息，使生产运营管理更加科学化、高效化、可控化。

5 结论

本文对FJS的批量计划与调度集成问题进行了全过程分析。首先从问题描述与分析入手，紧接着对批量计划与调度的任务进行了集成规划。然后对集成方法策略进行了全面深刻的总结，分析两方法的各自优缺点。最后提出了一种将整体方法作为建模策略，以整体求解模式与集成求解模式共同作为求解策略的集成问题机制，为复杂车间的集成问题提供一种新颖、可执行的求解思路。

【参考文献】

[1]安玉伟，严洪森.柔性作业车间生产计划与调度集成优化求解策略[J].自动化学报， 2013， 39（9）：1476-1491.

[2]Riane F， Artiba A， Iassinovski S. An integrated production planning and scheduling system for hybrid flowshop organizations[J]. International Journal of Production Economics， 2001， 74（1–3）：33-48.

[3]Sikora R， Chhajed D， Shaw M J. Integrating the lot-sizing and sequencing decisions for scheduling a capacitated flow line[J].Computers & Industrial Engineering， 1996， 30（4）：659-679.

[4]Lasserre J B. An integrated model for job-shop planning and scheduling. Management Science， 1992， 38（8）： 1201-1211.

[5]Urrutia EDG， Aggoune R， Dauzère-Pérères S （2014） Solving the integrated lot-sizing and job-shop scheduling problem. Int J Prod Res 17（52）：5236-5254.

[6]Zhang X D， Yan H S. Integrated optimization of production planning and scheduling for a kind of job-shop. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2005， 26（7-8）： 876-886.