1 引言
模具是汽车零部件的重要工艺装备，其生产方式属于单件订单生产，由于产品本身的订单随机性、品种多样性、加工复杂性等特点，使得车间生产情况多变，时常出现设备故障、零部件返工返修、拖期交货等情况，这些不确定因素就决定了进行合理地计划排产的难度较大，目前我国汽车模具企业排产基本是基于无限生产能力，车间生产任务的开、完工时间完全是按零件的提前期算出的[1]，因此排定的作业计划很不准确，无法精确指导车间实际生产。
计划排产是车间生产管理的核心，影响着物料流动、生产进度、设备利用等众多方面。只有很好的解决了计划排产问题，才能有效地对车间作业进行管理和控制，才能使得企业的整个生产过程有机地结合在一起，才能保证生产流程连贯有序地进行。作业计划排产的核心是作业排序，解决计划排产问题的实质就是如何实现合理、优化地生产作业排序。近几十年来，车间作业排序问题的研究取得了很大进展，也产生了一些成果，如分枝定界法、整数规划法、遗传算法、拉格朗日松弛法、神经网法等，但这些方法要么在实际应用中比较困难，要么在求解单件车间工序问题上效果不明显[2]。因此，建立一种基于有限生产能力的、能够实现作业排序优化的计划排产思想，是解决目前汽车模具企业单件生产计划排产问题的最有效、最现实的方法。
2 基于有限生产能力的计划排产方法与步骤
基于有限生产能力的计划排产是指在保证不超过生产设备负荷能力的前提下，合理地确定所有工件在设备上的加工顺序，以及设备加工每道工序的开始和完工时间。
本文的计划排产过程主要包括三个步骤:排产数据准备、生产作业排序优化、设备资源负荷计算。基于有限能力的计划排产业务流程如图1所示。
图1有限生产能力的排产业务流程
2.1 排产数据准备
排产数据准备是排产的基础，为计划排产提供必要的数据支持，具体包括ERP主生产计划信息查询、CAPP工艺信息查询、工厂日历设置、资源能力设定等内容。
2.1.1 ERP主生产计划信息
主生产计划是一个重要的ERP计划层次，是确定每一个具体的产品在每一个具体时间段的生产计划，它在计划模块中起承上启下，从宏观到微观计划的过渡作用[3]。通过计划排产系统与ERP系统的集成，从主生产计划中查询制约车间排产的条件，主要包括模具铸件到位时间、设计完成时间、首轮样件时间、全序样件时间、交货期等，实时读取主生产计划中的这些信息，能够在模具计划排产中起约束作用。
2.1.2 CAPP生产工艺信息查询
生产工艺信息是汽车模具生产过程的技术准备工作中的一项重要内容，是制定生产计划与调度生产的重要依据，包括加工路线、加工工时、设备能力等，是计划排产依赖的主要基础信息。通过计划排产系统与CAPP系统的集成，实现工艺信息的实时读取与调用。
2.1.3 工厂日历设置
工厂日历是企业用来编排计划的特殊形式的日历，它连续地给出了有效的实际工作日编号，是计划排产过程中一切生成与执行的时间基准，主要包括工作日、公休日、节假日以及加班日期等相关信息。
2.1.4 资源能力设定
在实际应用中，工作中心实际能力的计算对排产的准确性起着至关重要的作用，是车间有限能力排产的依据。一个工作中心可以由数台加工性质相同的设备组成，也可将数台不同加工性质的加工设备所构成的一个加工单元划分为一个工作中心。工作中心的定额能力按照以下公式计算：工作中心的定额能力﹦每日工作班次数×每班工作小时×效率×利用率，其中效率﹦完成定额工时数/实际投入工时数；利用率﹦实际投入工时数/计划工时数[4]。通过这种相对准确的能力计算方法，以提高资源能力估算的精确性。
2.2 生产作业优化排序
2.2.1 启发式算法简介
启发式算法是一个基于直观或经验构造的算法，在可接受的花费(时间、占用空间等)下给出待解决组合优化问题每一个实例的一个可行解[5]。在汽车模具生产过程中，动态因素较多，各种优化条件约束随时可能改变，这使传统的生产调度优化理论在应用于作业排序问题时存在很大局限，如建模困难、求解复杂等。启发式方法因其易于实现、计算复杂度低等原因，目前应用得最为广泛。
本文在按照时间进程逐次为每台设备安排一个加工对象时，利用预先定义好的优先规则作为启发条件，从候选的等待作业中选取优先级最高的作业安排加工，如果无法满足交货期，则通过调整加工优先级，重新进行排序，经过若干次反馈就可以得到优化的排序结果。
2.2.2 加工优先级设定
设定模具的加工优先级是基于启发式算法作业排序的基础。由于模具企业对交货期要求特别严格，所以将交货期视为优先级设定的重要因素。另外，由于现实生产环境处于动态变化中，如经常发生紧急订单、零件返工返修、设备故障等情况，这些变化是在作业排序时必须考虑的，所以必须充分发挥人的作用。
因此，除了以交货期为优先规则的模具优先级外，还要给模具零件和设备设定优先级。零件优先级是根据实际情况和经验人为设定的；设备优先级是为了均衡设备负荷，按任务最少选择设备。将三者结合起来，一起构成工序的加工优先级，如图2所示。
图2 工序加工优先级构成
2.2.3 基于启发式算法的作业排序优化
本文使用如下设定：
① {P1,P2,P3……Pm}——m台设备；
② {J1,J2,J3……Jn}——n个工件；
③ Qij——工件Ji的第j道工序；
④ {Dt}——各套模具交货期的集合；
⑤ {Qt}——各零件未安排作业的第1道工序的集合；
⑥ t——步数，每排一道工序称一步；
⑦ St——t步之前已排序的工序构成的作业集合。
图3 作业排序优化函数
图3所示的排序函数是启发式算法在作业排序中的具体应用。排序算法具体步骤如下：
① 根据ERP主生产计划得到各模具的交货期，从CAPP中的加工路线和加工时间得到各个工序的加工提前期，输入工序的加工优先级，并将它们储存起来；
② 初始化:设t＝1, St为空，总工序数为N；
③ T＝min{Dt},求出T对应的零件Ji，若Ji数目大于1,则根据零件优先级选择Ji,并从{Qt}中找出零件Ji的工序Qij；
④ 从{P1，P2，P3……Pm}中找出工序Qij所对应的设备Pj，若满足条件的Pj数目大于1,根据设备优先级选择Pj，即将此工序排在任务最少的设备上；
⑤ 把已排工序Qij放入{St}中,并从{Qt}中删除此工序,并将Qij的紧后工序{Qt}中；
⑥ 令t＝t+1，若t小于N，则转移到第③步；若t大于N，则计算排定的计划是否满足交货期，若计划超出交货期，则调整零件优先级，更新加工优先级，重新进行排序，否则结束。
2.3 生产资源负荷计算
经过作业排序后，每台设备都安排了加工对象，由于工序的加工提前期已知，同时工厂日历和工作中心的定额能力也已预先设置，即可计算出设备加工每道工序的开始、完工时间，从而可以得到设备的累积负荷，如果累积负荷超过设备的实际负荷能力，则必须通过调整工序的加工优先级，进行重新排产，或者采取加班、外委等方式，满足生产条件。
3 结论
本文结合汽车模具单件生产特点，将启发式算法应用于作业排序中，研究了一种基于有限生产能力的计划排产方法。上述排产方法提高了中小企业的计划排产有效性，对于我国生产计划排产理论的研究与发展起到了积极促进作用。
参考文献
1. 饶运清，计春阳.MRPⅡ实施中面向有限能力的车间排产问题研究.计算机辅助设计与制造, 2002(3):17-21
2. 谭夏梅,何宝新.启发式算法在单件车间工序排序问题中的应用.现代机械,2002(1):9-11
3. 潘尔顺.生产计划与控制.上海交通大学出版社,2003
4. 刘世龙,郑鹏.车间作业计划中面向无限能力计划排产方法的研究.技术与应用, 2004:40-43
5. 邢文训,谢金星.现代优化计算方法.清华大学出版社,1999
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本文标题：ERP系统面向单件生产的车间作业计划排产问题的研究
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