车间调度问题的特点与指标分析

罗哲 顾晓猛 何循来

摘要：本文从车间调度的主要内容出发，综述了当前车间调度问题的研究分类方法以及在实际生产中车间调度问题的各方面特点，其中重点就车间调度问题在按照加工系统的复杂性分类方法上进行了详细阐述，总结了车间调度问题的分派规则与调度指标，以期为车间调度问题的研究拓展提供良好的借鉴。

Abstract： Based on the main content of workshop scheduling， this paper summarizes the current research and classification methods of workshop scheduling problems and the characteristics of various aspects of workshop scheduling problems in actual production， elaborates the workshop scheduling problem in the classification method according to the complexity of the processing system in detail， and summarizes the dispatching rules and scheduling indicators of the workshop scheduling problem， in order to provide a good reference for the research and development of the workshop scheduling problem.

关键词：车间调度;生产计划;调度特点;调度性能

Key words： workshop scheduling;production planning;scheduling characteristics;scheduling performance

中图分类号：TH164                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）11-0289-02

0  引言

近几十年来，随着科学技术的不断发展和进步，生产过程发生了翻天覆地的变化，工业生产正向着技术更加先进、规模更加庞大、复杂程度更高的方向发展，对于企业的管理和生产过程的监控不断提高。为了适应这种变化并满足工厂的要求，企业的管理者必须根据市场上的原料供应、产品的需求以及自身的情况来对生产过程加以控制，以实现企业利益最优化。而车间调度解決的就是企业在生产过程中，以生产为中心，通过对有效的资源进行合理指挥、控制和调节，进而达到提高经济效益目的的问题[1]。车间调度的优化工作在提高生产效率和降低生产成本方面起着非常重要的作用，车间调度问题也已成为现代制造企业自身生存和发展的基础，越来越引起人们的关注与研究[2-3]。本文分别就车间调度的主要内容、分类方式、问题特点、分派规则、调度指标等方面展开分析，探讨车间调度问题的相关特性情况。

1  车间调度的主要内容

车间调度覆盖的时间范围是从对产品已知或可以预知需求的时候开始，然后一直持续到销售完成的这一段时间为止。在整个过程中客户会对产品的性能提出要求，工厂自身的生产能力也有一定的限制，由于这两方面约束的存在，所以生产加工过程需要进行计划和安排。通过计划和安排就可以使工厂能够在规定的时间内均衡生产负荷并顺利完成生产任务。这样就不会有制品过多的积压以致流动资金停滞的现象发生。具体到生产车间中，就是要对生产资源进行合理分配，即在一定的时间内对共享资源和生产任务进行排序，满足企业以及客户的需求的一些性能指标。

车间调度主要是对企业的日常活动进行检查、控制、调节以及指挥，来协调和平衡企业生产中的一些不平衡和矛盾，避免生产过程中脱节现象的发生，有效的把生产单位和生产的各个工作环节统一起来。车间调度的主要内容包括：

①检查设备的准备情况，了解并掌握工作设备的是否运转正常，及时调整设备的加工对象和任务，督促设备的维护和修理等。

②调配生产力，调整劳动组织，协调各生产环节，使所有的加工过程能够顺利完成。

③检查生产资料的供应情况、工厂内的运输状况，以及与有关部门相配合情况，保证原材料的供应，保证在制品和半成品加工的完成和加工完成的产品正常入库。

由此可见车间调度在生产过程中的重要性，所以人们不断的对其进行研究与探索，力求寻得最优的车间调度算法，进而提高生产设备的加工效率和操作管理的水平。

2  车间调度问题的分类方法与特点

2.1 车间调度问题的分类方法

鉴于国内外专家、学者在车间调度问题的研究分析上存在方向上的差异性，所以对于车间调度问题的分类方法也是多种多样的。目前获得普遍共识的分类方法是由Graves等人提出来的分类方法，其分类方法是基于车间调度的不同标准来进行分类[4]，可概括为四种类型。

2.1.1 依据加工系统分类

①单机调度问题;该类问题研究的是车间中仅有一台机器，所有的生产加工任务都需要在这台机器上完成。对于这类问题一般是根据工件的加工时间以及不同工件的交货期限等，进行生产任务排序。

②并行机器调度问题;该类问题研究的是在整个并行机器系统中，包含的所有机器都相同且每个工件可以在任何一台空闲机器上加工，然后每个加工完的工件释放一台机器离开系统。

③开放车间调度问题;该类问题研究的是当所有工件的加工都没有先后要求的情况下，各工序之间也不存在工艺路线约束的问题。该类问题的工件加工可以从任意一道工序开始，并在任意一道工序结束。

④作业车间调度问题;该类问题研究的是n个工件要在m台机器上进行加工的问题。该类问题不同工件的工序间没有工艺路线的约束，同一个工件的工序要按照指定的加工路线加工且在加工过程中不能中途停止，直到这道工序加工完成，在全部的加工过程中工件的加工路径可以不同。

⑤流水车间调度问题;该类问题研究的是n个待加工的工件在m台机器上加工，且每个工件在机器上的加工顺序都相同，工序的加工过程不能中断直到工序加工完成为止的问题，也被称为同顺序车间调度问题。

2.1.2 依据优化准则分类

根据优化准则的不同可将车间调度问题分为基于费用与基于性能这两类车间调度问题。在实际生产过程中，需要对费用和性能两方面因素进行综合考虑，但在车间调度的理论研究时一般只考虑车间调度性能的优劣。

2.1.3 依据生产环境分类

基于不同的生产环境，可将车间调度问题大致分为随机性和确定性这两类车间调度问题，其中随机性车间调度问题研究的是工件加工时间与交货期限等参数都是随机产生的变量的情况;确定性车间调度问题研究的是工件加工时间与交货期限等参数都是已知的情况。

2.1.4 依据加工特点分类

依据加工特点的不同，可将车间调度问题分为静态与动态车间调度问题。其中，静态车间调度指的是所有的作业全部处于待加工状态，调度确定以后所有作业的加工顺序即被确定。动态车间调度比较复杂，在动态车间调度中，待加工工件依次进入加工系统加工，而加工完成的工件又不断离开加工系统，在加工过程中还必须考虑作业环境中不断出现的设备损坏和加工超时等动态扰动。因此动态车间调度要根据系统中随时变化的情况及时对调度进行调整。

2.2 车间调度问题的特点

在实际生产作业中，车间调度问题往往存在各种各样的特点，但总的概括起来普遍存在如下几个方面的特点：

2.2.1 复杂性

由于在加工过程中要对加工作业进行装卸，设备进行维护以及加工作业的搬运等，而这些方面又是相互交叉影响的，以至对于每個作业均要考虑准备时间、到达时间等一系列的问题，所以实际的车间调度是非常复杂的。车间调度问题在交货期和工件的加工工艺的约束下对性能指标进行优化，在计算量上属于完全NP-hard问题，即随着问题规模的增大，对应求解的计算量将会呈指数增长，所以一些常规的优化方法无法解决。

2.2.2 动态随机性

在实际的生产调度系统中会经常伴随着如工件加工时间随机、工件到达时间不定等一系列的不确定因素，且实际生产系统中时常会发生一些突发和不可抗的偶然事件，如加工设备的损坏、修复或者客户要求更改工件的交货期等。

2.2.3 多目标性

实际的车间调度通常是由一些相互影响相互制约的多目标组成。例如加工作业的加工完成时间和作业提前加工完成所产生的存储费用这两个目标，如果加工完成时间过小就会使工件提前完成，由此就会产生附加的存储费用使生产成本过高，所以这两个目标之间就是相互耦合的。

3  车间调度问题的分派规则和调度指标

3.1 分派规则

车间调度问题的分派规则指根据企业自身的情况以及所加工工件工艺条件的不同等，基于特定的加工规则，将每一台处理机与其对应的生产资源对待加工作业进行排序。主要的分派规则有优先选择加工时间最短的工件、优先选择交货期最早的工序、优先选择同台机器上工件队列中最先的工序等。学者们通过大量的实验结果发现，对于优先选择最短加工时间的工序来进行分配，对于大多数的车间调度性能指标均能取得较好结果，这个结论已被大量仿真研究所证实[5]。如果客户对产品有特殊的需求，我们可以根据具体情况来选择车间调度的分配原则。

3.2 调度指标

影响车间调度问题的因素通常可以分为两种：一种是生产企业内部的因素，它主要包括工厂的生产能力、加工设备的可用性、原料的供应性、产品的投产期等;另一种则是客户及待加工作业自身的因素，它主要包含产品的交货期、产品批量的大小、加工作业的工艺要求、产品的成本限制等。对于这些影响因素可分为可知因素与不可知因素，其中，可知因素又可细分为必须满足因素和基本满足因素两种。对于生产能力、交货期限则往往是必须满足的。对于生产成本则只需要基本满足亦或是达到一定程度就好。对于设备故障、原料供应不足、生产任务变化等因素往往事先是不可知的。调度指标是评价调度方案优劣程度的一个标准。在实际生产中，常用的调度指标有如下几点：①调度性能指标;主要涵盖生产资源利用率的大小、生产周期的长短等方面，本质是通过将生产能力最大化来达到提高经济效益的目的。②成本指标;主要包括加工费用的多少、换线成本的大小、工人工资的多少、超过交货期的罚款等。③客户满意度指标;主要包括延期零件数量的多少、超过交货期时间的长短等方面，而在实际的车间生产调度中，企业一般会以满足制造周期最短、总流程时间最小以及交货期等为调度的优化目标。

4  总结

良好的车间调度对企业合理利用资源，实现生产利益最大化起着举足轻重的作用。本文概述了车间调度的主要内容，而后介绍了车间调度问题的分类方法与特点，最后探讨了车间调度问题的分派规则与调度指标。对于车间调度理论与方法的研究目前还在不断扩展，通过本文的论述，期待为车间调度问题的进一步深入研究提供可行的参考与借鉴。

参考文献：

[1]王建朝，袁逸萍，李晓娟，熊宗慧.关键链约束理论解决柔性车间调度问题[J].机械设计与制造，2019（2）：30-33.

[2]靳彬锋，毕利.基于遗传算法的多目标车间调度[J].组合机床与自动化加工技术，2019（4）：157-160.

[3]谭艳艳.几种改进的分解类多目标进化算法机器应用[D].西安：西安电子科技大学，2013.

[4]Graves S..A review of production scheduling [J].Operations Research， 1981，29（4）： 646-667.

[5]孙志峻.智能制造系统车间生产优化调度[D].南京航空航天大学，2002.