引自：《新一代智能化數(shù)控系統(tǒng)》（作者：陳吉紅，楊建中，周會成）

系統(tǒng)的排產(chǎn)調(diào)度要根據(jù)訂單信息、產(chǎn)品工藝信息、資源信息等，通過合理的規(guī)則或算法，定制合理優(yōu)化的詳細計劃，將訂單分解成任務均衡地分配給各資源中心，并且將實時生產(chǎn)狀態(tài)與計劃結合，接收加工反饋信息，智能動態(tài)調(diào)整排產(chǎn)計劃，達到交期產(chǎn)能精確預測、工序生產(chǎn)與資源供應最優(yōu)的目的。

傳統(tǒng)的自動化排產(chǎn)調(diào)度技術只能在單一場景中實現(xiàn)靜態(tài)排產(chǎn)，而要實現(xiàn)智能化高級排產(chǎn)調(diào)度，在不同場景實現(xiàn)高級排產(chǎn)，動態(tài)排產(chǎn)需要考慮到生產(chǎn)線的各種調(diào)度影響因素，以現(xiàn)有可用資源、設備等條件，以最大效率、最節(jié)約資源等為優(yōu)化目標，將生產(chǎn)任務分配到最合理的設備進行生產(chǎn)。

「1. 調(diào)度排產(chǎn)實際需求 」

立足于生產(chǎn)線現(xiàn)有設計，調(diào)度排產(chǎn)的實際需求總結如下：

（1）緊急訂單插隊生產(chǎn)。當生產(chǎn)線正在生產(chǎn)時，如果遇到緊急訂單，生產(chǎn)線能夠使緊急訂單優(yōu)先生產(chǎn)。

（2）特定任務指定機床生產(chǎn)。當工藝人員完成新產(chǎn)品G代碼編制之后，根據(jù)公司規(guī)定需要進行新產(chǎn)品工藝試制，即檢驗新產(chǎn)品的工藝是否正確、合理。此時需要有工作人員的參與，該任務需要在指定的機床上進行。

（3）機床熱插拔。機床熱插拔指機床能夠在生產(chǎn)線運行過程中動態(tài)地加入生產(chǎn)線的生產(chǎn)，也可以離線不生產(chǎn)。生產(chǎn)線中的機床需要定期做檢查與校正，也可能臨時需要一臺機床脫離生產(chǎn)線做其他任務，也可能生產(chǎn)過程中某臺機床出現(xiàn)故障，為了不影響生產(chǎn)線其他設備正常工作，生產(chǎn)線需考慮機床的熱插拔問題。

（4）工件等待鎖定。當工件加工任務已被導入控制系統(tǒng)，可對其進行等待鎖定，暫時不進行加工，待時機到來，可解除等待鎖定，完成對其進行加工。

（5）任務按期完成?？刂葡到y(tǒng)導入工單時，可以設置任務的指定完成時間。對于有指定完成時間的任務，應保證其不超期完成，或超期時間最短。

（6）效率高。使完成所有任務的時間盡量短。

針對以上需求，可以建立以ExCode執(zhí)行指令建模的管控系統(tǒng)，通過ExCode腳本化指令，實現(xiàn)設備資源的泛化，指令的依賴關系，流程的路徑選擇等功能，形成多智體的調(diào)度排產(chǎn)系統(tǒng)。

「2. 生產(chǎn)線調(diào)度影響因素分析 」

1）排產(chǎn)應考慮刀具的調(diào)度時間

柔性生產(chǎn)線中每個加工中心的刀庫都有容量限制。當加工不同種類的零件時，若新工藝所需刀具機床不具備，這時就需要調(diào)度刀具機械手進行換刀。換刀過程中，機床需停機等待，所以刀具準備的時間應該納入排產(chǎn)調(diào)度的考慮因素。

2）一個工件一道工序

柔性生產(chǎn)線工藝設置為一個工件一道工序，即輸送進入生產(chǎn)線的物料只加工一次，完成加工后便作為成品送離生產(chǎn)線。對于多道工序的工件，將其每一道序依次作為一個“工件”輸入生產(chǎn)線，如先將工件WP1的第一道工序O11作為一個任務輸入生產(chǎn)線，該任務完成后，將工件WP1的第二道序O12再作為一個任務輸入生產(chǎn)線……

采取“一個工件一道工序”工藝設置的主要原因如下：

（1）不同工件不同工序之間的裝夾自動化實施較難。通常各工序間需要進行夾具的更換，而不同工件工序之間的裝夾要求會存在差異。對于自動化生產(chǎn)線來說，其面向多品種零件，自動化更換夾具很難實施、裝夾精度難以保證。而目標客戶對零件的加工精度要求較高，不宜實施自動化裝夾。

（2）加工中心擁有對許多零件一次加工到位的能力。由于該柔性生產(chǎn)線采用四軸和五軸加工中心作為加工主體，加工中心作為一種通用化機床，其對于許多零件具備一次加工到位的能力。

（3）一個工件一道序更具柔性。對于多品種、小批量零件，一個工件一道序更具有柔性，可快速地進行工序的切換。

3）擾動因素

緊急訂單插隊、機床熱插拔等功能都要求排產(chǎn)系統(tǒng)在調(diào)度條件發(fā)生變化后進行重新計算，為了適應產(chǎn)線的生產(chǎn)環(huán)境變動，采用事件驅(qū)動重調(diào)度，當發(fā)生擾動因素的時候，重新進行排產(chǎn)計算。觸發(fā)系統(tǒng)重調(diào)度的事件，即擾動因素有：機床上下線、刀具信息變化、補充物料、待排產(chǎn)任務增加。

（1）機床上下線：當生產(chǎn)線在進行生產(chǎn)時，如果產(chǎn)線中某些機床由于故障、檢修等原因需要停止生產(chǎn)，這時生產(chǎn)線會將此機床下線。如果原調(diào)度方案中分配了任務至該機床，則需要重新進行排產(chǎn)計算。當有新的機床接入產(chǎn)線時，如果待加工任務中有此臺機床可以加工的，則也會重新進行排產(chǎn)計算。

（2）刀具變化。當生產(chǎn)線在進行生產(chǎn)時，如果某臺機床發(fā)生刀具損壞，那么此時的排產(chǎn)條件已經(jīng)發(fā)生變化。如果后續(xù)有需要此刀具的待加工任務，那其排產(chǎn)方案已經(jīng)不正確，此時需要重新進行排產(chǎn)。相反，如果生產(chǎn)線中心刀庫補充了一些刀具，而這些刀具又正是后面帶加工任務所缺的，那么也需要進行重新排產(chǎn)。

（3）補充物料。對生產(chǎn)線進行物料補充后，可能會使一些生產(chǎn)任務的生產(chǎn)條件齊備，那么這樣就會影響排產(chǎn)，此時應該進行重新排產(chǎn)。

（4）待排產(chǎn)任務增加。當有新的任務加入排產(chǎn)后，明顯會對原來生成的調(diào)度方案產(chǎn)生影響，此時會進行重排。

「3. 智能排產(chǎn)系統(tǒng) 」

排產(chǎn)規(guī)劃問題，是基于有限的資源和指定的約束，有一個優(yōu)化目標。優(yōu)化目標可以是多種事物，例如：利潤最大化、最大化員工或客戶的滿足度、消耗時間的最小化等。而實現(xiàn)這些目標的能力依賴于可用資料的數(shù)量，如人員數(shù)量、時間、預算、機器等。與這此資源相關的約束也必然計算在內(nèi)，例如，一個人的工作小時數(shù)，他們可使用（操作）的機臺數(shù)量，設備之間的兼容性等。排產(chǎn)系統(tǒng)可以幫助有效地解決約束滿足問題，在本排產(chǎn)系統(tǒng)中，對每個有效的約束分數(shù)計算中，組合了啟發(fā)式和元啟發(fā)式算法。

上述的大部分案例都屬于NP-complete/NP-hard問題，它的定義是：對于一個問題，（1）在合理時間內(nèi)可以容易地驗證一個給定的解；（2）在合理時間內(nèi)，目前尚沒有行之有效的解法能找到其絕對最優(yōu)解。

目前針對這種問題的常見的有兩種技術來解決，但是這兩種方法仍不足夠解決此類問題。這兩種方法分別是：（1）暴力求解算法(盡管是一些優(yōu)化過、相對聰明的暴力算法變種)，但獲得其解所需的時間非常長，尤其是時間復雜度非常高。（2）快速算法，例如在Binpacking問題中，先裝入最大項，但得到的解離絕對最優(yōu)解仍存在相當大距離的。而本排產(chǎn)系統(tǒng)集成了一些更智能的算法，盡可能多縮小候選解的范圍，可以在合理的時間內(nèi)，對這些規(guī)劃問題找到相對較優(yōu)解。

通常來說，一個規(guī)劃問題至少包括兩個約束：硬約束與軟約束。硬約束指不可被違反的約束。例如，一個教師在同節(jié)的時間內(nèi)不能同時上兩門課、一個工件在一個時刻不能同時在兩個機床上加工等；軟約束指可以違反但是應該盡量避免的約束。例如，工件加工的總時間之和應該最短等。在排產(chǎn)系統(tǒng)中，會給每個硬約束和軟約束相應的分數(shù)，對每一個計算出的解求出約束分數(shù)，相比較得到相對最優(yōu)解。

本排產(chǎn)系統(tǒng)能處理如工單任務分配、刀具路徑規(guī)劃、機器任務的分配等各種模型，結合一些較優(yōu)的算法與模型的約束，在有限時間內(nèi)得出相對最優(yōu)的結果。以下為排產(chǎn)系統(tǒng)處理的一個模型——任務分配（參見圖1）。

圖1 系統(tǒng)排產(chǎn)結果圖

在柔性產(chǎn)線中，排產(chǎn)系統(tǒng)主要解決每個工件分配給哪臺機床，加工的次序等問題。在該模型中，主要有兩種約束，一種約束是硬約束，包括一臺機床一次性只能加工一個零件，具的數(shù)量是有限的，所以多臺機床不能在同一時間段使用同一把刀具，以及某些工件只能使用特定的機床加工，另一種約束是軟約束，包括加工零件的優(yōu)先級，工單總體加工時間盡可能小。

排產(chǎn)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互依靠數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫能夠有效管理數(shù)據(jù)，保障其一致性并能實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。對于應用于系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互的數(shù)據(jù)庫，不需要復雜查詢，但是希望能有較高的讀寫性能，因此選擇非關系型數(shù)據(jù)庫。

排產(chǎn)系統(tǒng)從功能上可以劃分為數(shù)據(jù)解析、任務條件驗證、計算和可視化，其流程如圖2所示。

圖2 排產(chǎn)流程圖

（1）數(shù)據(jù)解析：主要功能就是解析從數(shù)據(jù)庫提取過來的任務和機床信息，需要將任務和機床信息轉化為編程對象；

（2）任務條件驗證：主要是將暫時不生產(chǎn)的和物料、刀具條件不滿足的任務排除；

（3）計算：此部分是排產(chǎn)算法的實現(xiàn)，將傳送過來的任務進行排產(chǎn)計算；

（4）可視化：計算過后的任務結果，即寫進了數(shù)據(jù)庫供硬件控制系統(tǒng)生產(chǎn)使用，也進行可視化直觀展示加工計劃。