基于生产节拍的计划排产研究①

王 强

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111）

1 引言

生产计划是串联物料配送、制造执行和数据采集的主线。计划排产是MES的核心模块，准确的计划排产结果是指导生产执行和物料准时配送的基础。多品种、小批量生产模式下，产线调整比较频繁，生产节拍不固定，生产节拍调整后，按原有的参数无法满足新的生产节拍排产要求。本文将着重介绍基于生产节拍的计划排产思路及解决方法。

2 生产节拍的概念

生产节拍是指以客户需求为依据，确定的产品在工位间流动的间隔时间，即台位可用生产时间与需求量之比。

从生产节拍的概念来看，生产节拍是一个时间概念，单位为h；而不是日产1辆车、日产2辆车的说法。但这两种说法可以进行转换，如果工作日历为8 h，日产1辆时生产节拍为8 h，日产2辆时生产节拍为4 h。

3 计划排产的数学模型

计划排产实际上是一个车间调度问题，车间调度问题通常定义如下：在一定的约束条件下，把有限的资源在时间上按照一定的顺序分配给若干个任务，以满足或优化一个或多个性能指标。

以车体制造为例，属于典型的流水线生产模式，其计划排产问题可表示为：

k

种车型在

n

个台位上进行生产，每个车型有

m

道工序，每个车型的工序数量可能不一样，每道工序只在一个台位上生产，每个车型按相同的工艺路线进行生产。计划排产概括的数学模型定义为：假设有

k

个车型，每个车型有

m

道（实际情况可能每个车型的工序数不一定相同，先假设都相同）工序需要分配，每个车型的工序安排在同一个台位，有

n

个台位，

T

车型

a

的工序

b

需要的准备、加工的时间，如果车型

a

的工序

b

分配到台位

j

上，则

X

=1，否则为0，每个工序只能分配给一个台位，那么计划排程的数学模型如下。

每个台位的排产时间

所有台位的平均排产时间

每个台位的排产均衡率

整个产线的排产均衡率

排产目标为产线均衡率达到最高，即

4 计划排产的影响因素

排产的主要目的是明确哪个工序什么时间在哪个台位上进行生产。影响排产准确性的主要因素有排产策略、车型生产顺序、工序前后关系、工序和工位对应关系、工序和台位的指定关系、台位的占用情况、台位的工作日历和工序的工艺周期等。

其中，起决定性作用的因素如下：

1）排产策略指排产的算法。按一定的规则识别出最优先的工序、最佳的台位。

2）车型生产顺序。明确编组中每辆车的生产次序。

3）工艺周期。是工序准备和生产的时间总和，主要生产通过现场实时获取，其数值的准确性至关重要，直接影响排产时工序占用台位的时间。

4）工序和工位的对应关系。一个工序只能对应一个工位，一个工位可以对应多个工序。工艺策划只维护工序和工位的对应关系，至于某个工序具体使用现场的哪个台位，在进行计划排产时指定。工位和台位的对应关系如图1所示。

图1 工位和台位的对应关系

5）工位。是多个作业能力相同台位的组合，工艺策划时只维护工序和工位的对应关系，而不会指定具体的台位。一条产线由多个工位组成，根据工序的前后关系布置工位，使产线形成流水线。

6）台位。是最小的物理作业区域，多个作业能力相同的台位组成工位。

7）台位的工作日历。即设置台位可用于排产的时间范围，工作日历一般和作业班次关联。

5 计划排产的调整规则

按生产节拍排产的主要影响因素台位日历、台位数量和工序的工艺周期。

各因素之间的关系可使用如下计算公式表达：台位数量=生产节拍下工位对应工序的工艺周期总和/台位日历，即

式中，

n

是台位数量；

T

是车型

a

的工序

b

的工艺周期；

a

是车型；

m

是车型

a

中使用某个工位的工序数量；

d

是日产量（每天需要生产的车型数量）；

T

是台位日历。当

n

不是整数时，向上取整。

当生产节拍发生变化时，单因素的调整更易于实现，见下表。前述的几个因素中工序和工位的对应关系、工序前后关系不变。考虑台位数量受现场布局、工艺装备和资金投入等影响，一般不会新增；工艺周期因工艺策划部门考虑人员投入、设备能力等因素而设置，相对固定；则只剩下台位日历可调整。实际生产中，也确实是通过安排加班、增加班次来提升产量。但台位日历最多为24 h，如果已设置为24 h仍然无法满足生产节拍，则应考虑压缩工艺周期或增加台位。

表 计划调整可行性分析

?

6 程序设计

基于以上调整规则，按照流程进行程序设计，如图2所示。

步骤1：计算按生产节拍每个工位应使用的台位数量，输入生产节拍、工序周期和台位日历，输出台位数量。

图2 按生产节拍排产的流程

步骤2：判断计算得出的需要台位数量是否大于工位 现有可用的台位数量。台位数量计算结果如图3所示。

步骤3：若需要台位数量不大于工位现有可用台位数量，则给工位下可用台位设置产品线属性，设置产品线属性后，可将某项目的工序优先排产到相关台位上。台位的产线设置如图4所示。

图4 台位的产线设置

步骤4：若需要台位数量大于工位现有可用台位数量，则应判断计算需要台位数量时的台位工作日历是否已设置为24 h。

步骤5：若台位日历未达到24 h，则调整台位的工作日历，直到计算出的所有工位的需要台位数量都不大于现有可用台位数量（即满足步骤3）。

步骤6：若台位日历已达到24 h，计算出所有工位的需要台位数量仍然大于现有可用台位数量，则需考虑压缩工艺周期或增加台位数量，由工艺策划部门进行变更，该情况较少出现，一般仅单方面修改台位的工作日历即可满足生产节拍。

利用计划排产平台的可扩展性，通过二次开发实现将上述逻辑转化为配置计划排产资源（台位的产品线属性、台位工作日历）。

7 应用效果

在计划排产平台中，根据设置好的台位数量、台位工作日历，进行自动排产，排产结果满足生产节拍排产需求。如图5所示，某工序使用3个台位，台位日历为16 h，可满足日产4辆的生产节拍。划排产结果如图5所示。

图5 计划排产结果

同时，开发计划报表，用于展示计划排产结果及现场实际执行状态。计划报表如图6所示。

图6 计划报表

经实践证明，当生产节拍发生变化时，利用以上开发的程序，可快速实现计划排产资源的批量调整和配置，保证了计划排产的准确性，取得了较好的应用效果。

8 结束语

本文分析了生产节拍调整后，计划排产相关影响因素的调整规则，通过二次开发，实现批量维护计划排产的资源，使计划排产平台快速适应生产节拍，保证了生产计划的准确性，满足了生产管理需求，为离散型制造业优化计划排产提供了解决方案。