【文章內容簡介】 ..............591 / 70前言改革開放以來，隨著經濟的發(fā)展，人民生活水平的提高，汽車已經進入越來越多的家庭，伴隨著汽車業(yè)的蓬勃發(fā)展，輪胎制造業(yè)也煥發(fā)了行業(yè)的青春。根據行業(yè)統(tǒng)計，2022年，2022年全年產，%。巨大的產量為輪胎制造企業(yè)帶來了巨大的收益，同時也給企業(yè)生產帶來了巨大的壓力。并不斷提高自身的競爭力，來參與國際化的競爭。十一五期間, 我國輪胎工業(yè)實現了持續(xù)快速增長,雖然遇到了全球金融危機, 但在國家大力實施拉動內需政策下, 輪胎產銷基本得到恢復 [1]。我國目前輪胎的總產量已躍居全球首位，占全球總產量的1/4，到目前為止我國已經能生成2022多種規(guī)格的輪胎，涵蓋子午線和斜交型載重、轎車、農業(yè)、工程機械和工業(yè)車輛等六大類輪胎。當前我國輪胎企業(yè)面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，一方面在國際貿易中，出現貿易壁壘，貿易保護主義抬頭，經常出現打壓我國輪胎出口的問題，近幾年, 我國輪胎出口貿易遇到不小的挫折，輪胎出口先后遇到美國、巴西、印度、秘魯、土耳其等國的反傾銷制裁。另一方面我國很多輪胎企業(yè)中存在原料等存在嚴重的浪費現象，而且生產效率低下，很難保證產品在規(guī)定的交貨期內交貨，嚴重影響我國輪胎企業(yè)在國內外客戶中的企業(yè)信譽，究其原因在于很多輪胎生產企業(yè)的生產計劃調度仍然依賴人工完成，信息靠人工傳遞，規(guī)范性差，報表效率低，缺乏正確的、科學的、可行的生產調度方案，使得論壇生產車間設備使用不均衡現象普遍存在，不科學的生產調度嚴重阻礙了輪胎企業(yè)生產效率的提高。在這種情況下，設計良好的科學的輪胎生產調度計劃，對于輪胎企業(yè)的生產效率的提高有著極為重要的意義。近年來隨著計算機計技術的迅猛發(fā)展，計算機在提升傳統(tǒng)產業(yè)、發(fā)展新興產業(yè)上發(fā)揮了重要作用，成為促進傳統(tǒng)產業(yè)技術進步和支撐新興產業(yè)發(fā)展的重要工具 [2]。目前計算機已經廣泛應用于輪胎生產企業(yè)，現代化的輪胎生產不僅要求計算機對整個的任務過程，生產過程進行全程控制和優(yōu)化，而且要在獲取生產全部過程盡可能多的信息基礎上，對整個的生產進行全方位的控制調度，和對全部任務的綜合管理。所謂的生產管理是指計劃、調度、和控制，這三個方面是生產管理的三個基本過程。優(yōu)化生產計劃和生產調度成為增強企業(yè)的競爭力、提高企業(yè)的經濟效益和社會效益的關鍵因素 [3]。輪胎企業(yè)的生產調度，不僅是輪胎生產企業(yè)生產運行的指揮調度中心，也是該類企業(yè)生產管理的核心組成部分之一，同時也是其獲得經濟效益的重要來源 [4]。目前，我國雖然已經步入橡膠工業(yè)大國，但是還算不上橡膠工業(yè)強國，雖然已經具有了向橡膠工業(yè)強國邁進的雄厚基礎，但我國的橡膠工業(yè)面臨的依然是機遇與挑戰(zhàn)并存 [5]，力爭通過大調整，大轉變，大重組使我國在“十三五期間”步入橡膠工業(yè)強國的行列。輪胎制造行業(yè)是一個生產規(guī)模較大，資源和勞動力密集的行業(yè)，良好的生產計劃的制定對企業(yè)的生產過程和實際收益具有重大的意義。我國輪胎生產行業(yè)普遍面臨生產計劃主要靠人工制定，生產效率不高的困境，因此提高企業(yè)調度計劃制定水平是我國制造業(yè)亟待解決的問題。研究生產調度對我國橡膠生產企業(yè)有著重要的意義，能夠加快我國橡膠工業(yè)邁向橡膠工業(yè)強國的步伐，在橡膠企業(yè)中生產調度是計算機集塵制造系統(tǒng)的組成部分，連接著管理層和控制層 [6],在橡膠企業(yè)的生產管理中起著舉足輕重的作用，現代輪胎制造業(yè)需要系統(tǒng)的、可行的、高效的生產調度方法。研究高效生產調度的方法，對于縮短輪胎的生產周期，確保輪胎按時交貨，降低輪胎的生產成本有著極為重要的意義，特別是在當前經濟全球化競爭激烈的市場環(huán)境下，對提高輪胎生產企業(yè)的核心競爭力有著重要的實用價值。同時有助于調高輪胎生產企業(yè)的全面高效的自動化水平，并為輪胎生產企業(yè)帶來可觀的經濟效益。輪胎在硫化車間硫化是輪胎生產環(huán)節(jié)中最重要的一個工序，在這個環(huán)節(jié)中，硫化一條輪胎需要花費很長時間，合理的調度就愈顯重要。單純依靠人工制定調度計劃，很難滿足各種要求，如準時貨期、花費成本最低等。利用計算機的強大的運算能力通過設計分析生產環(huán)境的特點，建立數學模型，將訂單信息輸入，通過大量的計算，能夠得出相對較好的調度結果。利用這種調度結果進行生產，不僅能夠提高企業(yè)生產效率和收益，而且可以節(jié)能減排，降低污染和浪費。因此投入大量精力進行此方面的研究，對輪胎企業(yè)和國家都具有很現實的意義。 3 / 70第一章緒論 生產調度的描述生產調度通常是生產過程的作業(yè)計劃， 例如某機器上工件的加工順序，以及要加工點的工件如何劃分批次。從本質上分，調度問題可以為開環(huán)調度和閉環(huán)調度。所謂開環(huán)調度是指研究工件加工的順序，所有的客戶訂購的產品，在機器上排序生產，不考慮其他的因素，閉環(huán)調度是指，除了考慮工件的加工順序之外，還要考慮產品批次的大小等。顯然閉環(huán)調度的復雜性遠遠大于開環(huán)調度的復雜性，目前對閉環(huán)調度的處理通常使用近似方法，首先確定批量大小，然后再確定加工順序。生產調度的問題基本上可以概述為：對于某一項可分解生產任務，在特定的約束條件下，分派生產所需要的資源，安排子任務的生產時間，并對子任務進行排序，目標是產品的最短的制造時間，或者最低產品成本。其中生產所需要的資源主要包括：人力資源、資金、生產原料、生產設備等，評價目標好的的指標一般有：產品的生產周期短，總成本低和生產設備利用率低等。生產調度的形式可以描述為：n 個工件，m 臺機器加工，每一個工件需要在m 臺中的一臺或者多臺加工，假設第 i 個工件 ，在第 j 臺機上加工ni?1加工時間為 Pij，加工操作位 Oij 沒一個工件的準備時間為 Rij，工件的j?1交貨期為 Dij，交貨期是指必須在規(guī)定的時間內交貨，每一個工件有相應的工藝流程，工件按照工藝的約束在機器上按順序加工。所謂調度可以看做是，在一定的約束條件下工件如何分配到機器上加工，本質上來說調度就是將工件在機器上排序，其要符合以下兩點要求：（1）符合產品工藝上的約束（可行調度） ；（2）對應的執(zhí)行的目標調度是最優(yōu)的 [7]；生產調度問題是一類復雜的問題，研究難度非常大，給學者的研究帶來了不小的困難，當前生產調度的研究還有很多問題沒有解決，很多實際的生產調度還停留在理論層次，大部分生產調度的算法研究只做了一些簡單的假設，過于簡單，與實際的生產差距較大。目前很多企業(yè)的調度還是靠人工完成，耗費了大量的人力物力，不利于企業(yè)成本的控制。生產調度存在著一下的共同特點；（1） 復雜性，由于產品種類繁多，各種產品的生產工藝多種多樣，生產環(huán)境的條件復雜多變，生產調度問題的復雜程度會隨著問題的規(guī)模的增加成指數增長，早已被證明為 NP 完全問題。（2） 約束性，約束條件主要是指產品往往有自己的工藝流程，設備，需要的原料，產品的原料，產品的庫存，產品的交貨期等等。（3） 不確定性，產品的生產設備故障會偶爾發(fā)生，存在不確定性，產品的物料運輸的不確定性等，使得調度問題具有不確定性（4） 多目標性，生產調度優(yōu)化的目標很多，比如產品的利潤，產品的生產周期，產品的交貨期等，這些目標往往存在沖突，使得同時優(yōu)化所有的目標達到最優(yōu)不太可能實現。生產調度，是生產過程一個關鍵的模塊（如圖 11） ，是整個先進制造系統(tǒng)發(fā)展的核心，高效的調度方法是實現提高生產效益的關鍵方法，能夠增強企業(yè)的核心競爭力，目前生產調度的研究主要分為兩個方面，一方面是對調度的建模，一方面是調度算法的設計，是個一個交叉性的研究領域，涉及非常多的學科，如數學，運籌學，計算機，控制工程，工業(yè)工程等等。其中建模研究的是調度的模型，調度的規(guī)則，調度的目標函數等等，算法主要研究的是指算法的設計，收斂性，優(yōu)化等問題。生產過程決策信息管理信息調度信息工況信息測量信息經營決策管理系統(tǒng)生產調度監(jiān)控系統(tǒng)控制系統(tǒng)決策層管理層調度層監(jiān)控層控制層信息控制目標利潤最大生產經營經營管理優(yōu)化調度先進控制操作優(yōu)化故障診斷復雜控制常規(guī)控制圖 11 調度在生產過程中的作用Figure 11 The role of scheduling in the production process5 / 70 生產調度的問題分類生產調度從不同的角度可以有多種分類方式，表 11 給出了生產調度常見的分類方式。表 11 調度分類表Table 11 scheduling classification車間調度類型需求產生的來源 開環(huán)車間，閉環(huán)車間加工系統(tǒng)復雜度 單機問題，并行多機問題， flow shop， job shop加工性能指標 基于調度費用，基于調度性能生產環(huán)境特點 確定性調度，隨機性調度作業(yè)加工特點 靜態(tài)實時調度，動態(tài)實時調度工件加路線致性 有序加工，無序加工生產調度還可以依據不同的生產設備環(huán)境進行分類，可以分為以下幾類：（1） 作業(yè)車間調度：作業(yè)車間調度是指要加工的產品有多道工序，每道工序由不同的設備完成，每個產品有不同的加工路徑。作業(yè)車間調度是調度最基本的一種類型；（2） 流水車間調度：流水車間調度是指要加工的產品有多道工序，每道工序由不同的設備完成，每個產品不同的加工路徑相同。生產線像流水一樣產品從一端流入，從另一端流出；（3） 開放式車間調度：開放式車間調度是指要加工的產品有多道工序，每道工序由不同的設備完成，每個產品內部的工序是任意的，沒有次序的限制，工序可以任意排列。生產過程可以分為連續(xù)，間歇，離散的制造過程，分類的依據在于生產的產品的性質。連續(xù)的生產過程是指，從原料到產品要經過某些專用設備，設備連續(xù)工作，產品的輸出是連續(xù)的。間歇的生產過成是指每個產品經過多個生產的工序，每個工序之間是離散的，而工序之間是連續(xù)的。離散的制造過程是說，產品分批次加工，每個工件都有自己的特性，例如機械加工是典型的離散加工過程。相應的生產調度也可以分為離散的生產調度，間歇的生產調度等。生產調度的研究最早在 1954 年，Johnson 研究了兩臺機器的調度問題，之后很多學者紛紛加入了研究的行列，經過 50 多年的研究，車間調度領域取得了豐碩的成果，這一時期產生了很多重要的調度方法 [8]。調度的優(yōu)化實質上就是調度模型的求解，目前調度的求解分為精確的求解，和近似的求解。精確求解的比較典型的方法有，解析法和枚舉法，近似的求解主要有啟發(fā)式方法，構造方法等一下是幾種常見的方法：（1）枚舉方法分支界定法，是枚舉法中最典型的一類方法，其思想是將整個問題劃分，分解成小的子問題，然后對子問題進行分析，如果子問題能夠在域內求解，再將子問題分支。此法實質上求解相應子問題域的相對應問題的松弛問題。（2）鄰域搜索算法鄰域搜索算法是通過從鄰域內不斷尋找解來替換當前域內的解一種方法，這種算法的缺點在于運行時間長，但往往解的可靠性高。（3）啟發(fā)式方法啟發(fā)式方法具有很多的優(yōu)點，在生產中應用廣泛，雖然啟發(fā)式具有計算復雜度低，簡單，容易實現的特點，但是啟發(fā)式方法不具備全局性的特點。許多年來，學者們進行了廣泛的研究，并不斷創(chuàng)造出新的調度規(guī)則，主要分為簡單規(guī)則、復合規(guī)則、啟發(fā)式規(guī)則三類 [9]。由于啟發(fā)式調度規(guī)則簡單，易于實現，計算復雜度低等原因，因此在生產中得到了廣泛的應用，但啟發(fā)式規(guī)則主要缺點是求出的解不一定滿足所有的約束條件, 并且無法確定解的優(yōu)劣, 常需要專家的介入 [10] 。（4）運籌學的方法運籌學方法能從理論上求取最優(yōu)解，其思想是將復雜的生產調度問題簡化成為數學規(guī)劃模型，數學模型的求解通過分支界定法或動態(tài)規(guī)劃法進行的 [11]。此類方法主要適合于處理較小規(guī)模的調度問題。但由于大部分生產調度問題非常復雜，究其本質，這是數學中一個規(guī)模很大的組合優(yōu)化問題。并且其計算量會由于問題規(guī)模的增大而出現爆炸性增長，是一個典型的 NP 完全問題。另外，運籌學方法存在著很大的局限性，這種方法往往加入了與實際情況不符的假設，容易造成所研究的理論與真實的使用之間存在很大的差距。（5）拉格朗日松弛法拉格朗日松弛法是一種較好的解決調度問題的方法，因其能為復雜的調度問題提供好的次優(yōu)解，并且有對給出的次優(yōu)解進行定量評估的能力，所以成為解決調度問題的一種非常廣泛方法 [12]。拉格朗日松弛法仍然存在著一定的缺點，例如與分枝定界法相比，更加耗時。拉格朗日松弛法得到的是原問題的一個界, 不能保證獲得原問題的最優(yōu)解, 甚至不能保證獲得可行解。7 / 70當今輪胎企業(yè)之間的競爭越來越激烈，產品的壽命周期變得越來越短暫，客戶的需求也越來越多，這使得調度成為日益復雜的工作。面對著這些變化和隨時可能發(fā)生的生產加工環(huán)境的改變，生產經營決策者必須多方面的考慮問題，解決諸多相互聯系但又相互矛盾的問題。輪胎制造過程普遍存在規(guī)模大、約束復雜、不確定性強、多目標和生產管理模式多樣等特點，傳統(tǒng)調度方法無法滿足這類復雜制造過程生產調度的需要，導致現在的企業(yè)人工調度的現象還普遍存在采用手工方式進行的現象，企業(yè)所制定的生產調度計劃，基本上沒有考慮訂單、生產設備、原材料、工藝等很多的與調度有關的因素。企業(yè)沒有能力處理生產過程中的突發(fā)事件，對此也很難做出快速的、準確的響應，企業(yè)很難通過合理有效的生產調度對產品的生產作出安排，來降低產品的生產成本。以上問題直接影響到企業(yè)的信譽、企業(yè)生產效率和生產產品成本。為了解決生產車間上述的問題，很多專家研究機構和企業(yè)對多目標生產調度問題正在進行大量的研究。隨著中國改革開放的不斷深化，中國經濟正在蓬勃發(fā)展，良好的市場環(huán)境和巨大的市場，促使汽車工業(yè)的高速發(fā)展，世界各國的輪胎生產企業(yè)紛紛在中國投資建廠，經濟的全球化加速了，國外輪胎生產企業(yè)向中國轉移的步伐加快，目前全球前十位的輪胎生產企