当我们在说多品种变批量混线生产作业调度问题时，我们在说什么？

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作者|王爱民

转载自智能制造随笔

原标题：多品种变批量混线生产作业调度问题内涵的解析

全文总计4481字，需阅读10分钟，以下为正文：

多品种变批量生产具有品种丰富和批量变化的特点，具有研制性产品与批产性产品共用制造资源的现象。

面向多品种变批量生产的快速响应制造执行的核心之一是车间作业的优化调度排产。

多品种变批量的运行形式主要体现为品种、批次、数量方面的变比例组成，也可以理解为单件、小批、中批、大批等不同作业模式的混合运行，

对以制造资源优化配置为目标的作业调度提出了新的挑战。

为了有效地化解批产性产品生产所追求的效率与研制性产品生产所追求的柔性之间的矛盾问题，以可重构制造思想为指导，

以具有批量生产和加工质量一致性要求的产品，在单元内形成流水式生产的形式解决效率问题，以普通零件在单元外展开离散式生产的形式，解决柔性问题。

以单元内外制造资源能力的共享配置与作业调度思想的统一为基础，形成了较为完整的混线生产作业调度技术思路。

从作业类型上而言，混线生产调度体现为单元内流水作业与单元外离散作业的混合。

01

混线生产概念及其运行机制

混线生产概念是指多类型产品在同一条生产线上并行生产，在产品类型上体现为研制性产品与批产性产品的变比例组成。

在生产组织上具有变批次、变数量的特点，其表现形式是单件、小批、中批、大批等生产任务混合进行，是多品种变批量生产模式的典型运行形式。

在我国企业逐步转化为多品种变批量生产模式的趋势下，通过作业调度技术的研究解决资源的优化配置问题具有重要的理论和现实意义。

混线生产运行形式与传统的生产组织相比，在机制、技术等方面具有更高程度的复杂性，具体描述如下：

（1）效率与柔性兼顾的矛盾问题

对于具有一定批量的产品，其理想运行形式是刚性的专业化流水生产线，能够发挥批量优势并实现效率上的提升；

而对于单件小批的产品，其理想运行形式是机群式布局基础上的离散式制造，强调对多品种的适应性，追求的是柔性。

因此，效率与柔性兼顾是混线生产的基础矛盾；

（2）流水与离散作业模式的混合

混线生产要求流水式与离散式两种模式的混合，流水式生产强调资源集合的逻辑组合以及生产节拍，离散式生产强调资源的柔性配置。

在向多品种变批量生产模式转变过程中，传统的大批量型生产方式需要重视柔性，

而以研制为主的单件小批型生产方法需要重视效率，最终都体现为流水与离散作业模式的混合；

（3）复杂的制造资源优化配置问题

首先需要解决在job-shop离散制造环境下，面向具有一定批量的产品生产任务，

如何通过制造资源的逻辑组合形成一条虚拟的“短线”或者“小流水”生产线。

并且由于当前制造工艺并非面向批产规划，所以存在工序作业时间不均的现象，还必须同时保证流水式生产节拍；

另外，由于共用同一条生产线，还必须解决流水式生产所用设备与离散式生产所用设备能力共享分配问题。

因此，面向流水与离散混合作业要求，为了解决资源的优化配置问题，对作业调度技术提出了新的挑战。

02

混线生产作业调度方法

（1）混线生产作业调度问题分析

任何企业在进行制造执行时，对于精密件、关键件、重要件以及大批量生产件等，都会采取重点关注的处理策略。

典型的应用如汽车生产行业，对于批量较大、关键、重要或者共用零件的生产，

采取组织专用或准专用的设备集合的方法，实现准流水式的连续生产，而其他零件的生产则采用离散式生产；

在军工领域中的典型应用体现为应急动员批产，其构建目标是在短时、不确定生产环境下实现多品种、变批量武器装备的快速生产，

采取的方法主要是以武器装备中关键、重要或者精密的零件为核心分配制造资源，

形成流水式连续生产专线，以提高重点关注零件的生产效率和加工质量的一致性水平，具有流水式制造单元的思想，

其它的普通零件则基于设备能力的共享进行穿插、协调生产，总体上则表现为流水式生产和离散式生产的结合，

并且形成“战场需求变化->生产任务调整->制造资源优化配置”的快速调整、协调运行的机制和效果。

综上所述，多品种变批量混线生产作业调度具有复杂的内涵，体现了流水式与离散式两种运行模式的综合。

而我国目前的现状是车间大多采用机群式布局，如何在离散制造环境下实现流水式生产、

如何解决流水与离散混合运行模式下的资源优化配置、如何建立面向混线生产的统一调度约束等，都是作业调度面临的新的挑战。

（2）离散制造环境下的流水生产方式

传统的Job-shop作业调度方式认为同一工序下多个零件是一个整体，在前一工序的零件没有全部完成加工时后续工序无法开始加工，

Job-shop作业调度的这种假设使得作业方案中零件内各工序之间的生产是不连贯的。

Job-shop作业调度方式生成的作业方案具有较高的柔性，但生产效率和加工质量一致性水平较低，

车间物流周转复杂，从第一个零件开始加工到最后一个零件完成加工的制造周期（Make-Span）较长。

在混线生产中对于大批量生产的零件，或精密、关键等零件需要协调安排形成“短线”或“小流水”的生产，

同时在车间中仍然存在大量的以离散生产方式进行生产的零件。因此，如何在离散制造环境下，

在制造资源物理位置不变的情况下，通过制造资源的逻辑关系合理分配形成某种程度的流水式运行效果，

对于提高车间生产效率和改善加工质量具有重要的促进作用。离散制造环境下的离散生产和流水生产的对比分析如图1所示。

图1 离散与流水生产方式的比较

流水式生产的核心是按照节拍进行生产。传统的流水式生产中由于订单相对固定，多采用刚性的固定生产线来实现，

零件的工艺路线制定的依据之一即流水生产节拍，零件内各个工序的加工时间几乎相等的，保证了生产的平顺性。

但对于多品种变批量生产而言，在制造执行过程中不仅要保证采用流水式生产零件的平顺性，

还要考虑订单中存在采用离散方式进行生产的零件，需要保证车间的柔性。同时，订单的品种、批次和数量是持续发生变化的，

所以无法为一个生产任务中采用流水方式生产的零件建立生产专线，必须综合考虑两种作业形式。

同时，在制定工艺路线时，对连续生产考虑存在明显的不足，各个工序的加工时间普遍存在一定程度的差异。

这些都为离散制造环境下的流水式生产提出了技术挑战。

基于上述原因分析，就形成了混线生产下流水生产需要解决的问题：

1）工时差别大，采用流水方式生产的零件，其工序间的加工时间差别较大；

2）在设备共享方面，采用流水方式生产的零件没有专用的生产线，需要与采用离散方式生产的零件共享制造资源；

3）保证混线生产中采用流水方式进行生产的零件能够保持平顺。

（3）面向混线生产的资源优化配置方法

离散生产模式将车间的设备按照类型分别组织，适合多品种、小批量的生产，生产柔性高，但生产效率低下；

而流水生产模式中车间内存在固定生产线，具有生产效率高、加工质量一致性水平高，但缺乏柔性的特点。

对于多品种变批量的混线生产，其关心的重点是提高生产效率，保证按时交货，

同时保证关键、重要、精密、大件等关注零件（即关重件）的加工质量的一致性水平，

形成综合关重件流水式生产和普通零件离散式生产的混线运行形式。因此，结合实际情况，

针对流水式生产运行要求，引入逻辑制造单元的概念，作为资源优化配置的基础。

逻辑制造单元的表现形式为基于任务和制造资源动态组合下的作业计划，体现了与调度思想的融合。

但需要指出的是，由于生产任务的不稳定性，制造资源的逻辑组合并不稳定，

此时的制造资源组合并不对设备的物理位置进行调整，而是采取逻辑关联的方式展开。

混线生产机制综合离散生产模式与流水生产模式的优点，其本质上是对制造资源进行合理的逻辑关系组织以适应多品种、变批量、研产并重的混线生产模式，

即针对关重件生产任务综合考虑后续工序的资源占用情况，实现多制造资源的协同分配，

进行设备的逻辑组织重组，保证资源调度分配的连续占用，形成流水式运行效果；

而对于普通零件则进行离散式生产，由于采用流水方式生产的零件工序间加工时间存在差异，

导致生产节拍无法实现完全、纯粹的流水式运行机制，因此用于流水式生产的制造资源会出现空闲，

普通零件可以穿插在资源的空闲时段展开，同时一些生产设备不会被规划进入逻辑制造单元，普通零件也可以使用这些设备进行生产。

在获取生产任务后，根据零件的工艺特性和加工特性，将零件分为关重件和普通零件，

以工艺相似为基础，建立若干流水式生产零件集合，根据组合情况和设备情况将生产车间的生产设备在逻辑角度分为若干个流水生产单元，

不同的零件集合在不同的流水式生产单元中生产，而不属于流水式生产零件集合的普通零件，

则可以在不同生产单元间或者生产单元外寻找设备的空闲时间进行生产。流水式生产零件集合是随任务而变化的，

逻辑制造单元的构成也是随动变化的，如图2所示。

图2 面向混线生产的逻辑制造单元变化示意图

在进行生产任务1时设备的逻辑关系如图2中分组方式1，而在进行生产任务2时设备的逻辑关系如图2中分组方式2。

由此可见混线生产下的逻辑制造单元特点是：

①逻辑组合：设备不进行物理属性的变化，只是打破原行政组织进行逻辑组合；

②动态性：对于不同的生产订单设备可能采用不同的逻辑关系形成制造单元；

③资源能力共享：对于一类流水式生产零件尽量在一个逻辑制造单元内完成生产，

逻辑制造单元内的设备以生产节拍保证为最重要的任务，只在设备空闲时才进行采用离散方式生产的零件。

（4）混线生产作业调度约束问题分析

采用不同作业模式进行生产的零件，其所包含的作业调度约束有较大的区别，由于混线生产中流水作业与离散作业共用统一的制造资源集合，

资源的优化配置也是以能力共享分配为基础的，因此，需要建立统一的作业调度约束，

为作业调度算法提供良好的数据基础。流水式作业与离散式作业调度约束的区别主要表现在以下几个方面：

1）工序间约束：

对于采用离散方式生产的零件，工序之间存在着严格的先后关系，零件内两个相邻的工序间一次性完成零件的周转；

对于采用流水生产的零件，在零件内的前驱工序完成一定数量的生产后，当前工序就可以开始加工，

随着生产的进行，前驱工序完成加工的零件不断流入当前工序。因此需要寻找统一的最早可开工时间计算方法，建立统一的生产调度工序间约束。

2）工序加工设备约束：

采用离散方式生产的零件，每一道工序只能在一台指定的设备上进行生产加工；

而对于采用流水方式进行生产的零件，为了保证流水生产的平顺性，需要追求零件工序间具有相似的加工工时，

对于加工时间较长的工序，采用加工设备组方式进行加工，因此需要建立并行设备加工与普通加工相统一的工序加工设备约束。

3）工序选择加工设备约束：

采用离散方式生产的零件，其加工工序在选择加工设备时，在所有的可选设备范围内都是可以进行自由选择的；

而对于采用流水方式进行生产的零件，其首道工序同样可以不受约束地进行选择，

而后续工序尽量在首道工序所在加工单元的设备集合内进行选择，或者以当前形成的逻辑制造单元内的设备集合为核心进行优先选择，

使零件能够实现单元内的流水加工。因此需要建立统一的工序选择加工设备约束，实现混线生产作业调度。

4）加工工序选择约束：

采用离散方式生产的零件的工序，在选择加工工序时所有的可调度工序都是相同的。

而对于流水生产调度为了保证生产的连续性，已经开始加工零件的可调度工序应具有较高的选择优先级。

因此需要建立一种新的加工工序选择约束条件，保证调度过程中采用流水生产方式生产零件的连续性和生产节拍。

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作者介绍：王爱民。北京理工大学数字化制造研究所所长，长期从事MES、APS等技术研究、系统开发与实施应用。

资料来源：智能制造随笔
文章编辑：Blean
投稿方式：kaizen@benchmarklean.cn

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