2.4 可重构的复杂制造系统生产计划与调度集成体系

上一节以举例的方式阐述了复杂制造系统的生产计划与调度体系结构的构建，完整的体系结构应该是由这14个模型构建起的一系列相互关联、彼此照应的模型组，支持对复杂制造系统生产管理领域中涉及生产计划与调度各方面、各层次的业务问题及过程的全面描述，并能够从全局和动态的角度刻画系统的关系与行为，实现生产计划与调度体系结构系统化、可重构的需求目标。支持实际生产环境下生产计划与调度业务的组织与优化。

从业务应用的角度出发，我们更加关注的是生产计划与调度集成体系的整体性业务关系和动态可重构的协同能力。本节将从这两方面入手，分别从前文构建的复杂制造系统生产计划与调度体系结构中提炼出系统化的静态业务功能关系和动态业务过程逻辑。为突出集成体系的整体表达，这里隐去了其背后蕴含的两层内容：一是关于各业务功能基于体系结构模型的规范表达，可以参考2.3节讨论体系结构的构建时给出的方法与过程；另一个是关于业务功能所涉及的实际计划与调度问题的解决方法和实现过程，将在本书第2篇分章节加以研究和讨论。

2.4.1　体系结构的业务功能关系

复杂制造系统生产计划与调度集成体系结构的各项业务功能可以划分为三个层次，如图2-28所示。

（1）中期生产计划层

中期生产计划层包括投料控制与设备维护计划，用于确定每日的投料数量以及工件的完工时间、设备的维护计划等。该层的决策结果是下层计划和调度活动（包括短期计划层中的静态调度和实时派工或在线优化层中的动态调度）的输入。

（2）短期生产计划层

短期生产计划层包括各种离线的静态调度优化问题，如全局的车间生产调度和局部的瓶颈区调度、批加工设备调度等，各业务模块分别负责完成不同类型的调度任务，相互之间存在协同关系。短期生产计划层的输出是经过优化的工序级作业任务计划。

（3）实时派工或在线优化层

该层涉及的都是动态的调度优化问题，需要依据实时工况对决策的结果做出判断或调整。其中，实时派工可以以中期或短期生产计划调度的结果为指导，通过动态地在每一个决策点上利用局部信息快速地决策派工。在线优化是针对实时工况的变化对既定的调度决策进行调整或修正的过程。

3个业务功能层次之间的关系如表2-7所示。

2.4.2　体系结构的业务过程逻辑

在2.4.1节描述的生产计划与调度集成体系的业务功能层次只是从静态上给出了体系结构的业务功能类的关系，这些功能在应用中是根据实际需要通过动态配合发挥作用的，图2-29概括描述了这些业务类型在逻辑上的协同关系。

从图2-29中可见，每一类业务问题对外可能与多种业务问题发生协同关系，如中期生产计划层的投料计划与短期生产计划层的工件排程、瓶颈设备调度，以及实时派工/在线优化层的批加工设备实时调度都存在协同关系。有些业务问题和过程在层次定位和协作关系上是相似的，比如短期生产计划层中加工区域瓶颈设备调度和批加工设备调度之间，是相同层面的两个相似问题。其实，在同一业务问题模块内部，由于解决问题的方法不同，也有可能存在多种不同的功能模块。所有这些都表征了复杂制造系统生产计划与调度集成体系的多样性和灵活性，也正因为如此，需要在体系结构的实际运用中，根据对象生产系统的实际特点以及所处的特定状态，加以合理集成和重构，才可真正达成实用性效果。

2.4.3　体系结构的特点分析

对于复杂制造系统生产计划与调度体系结构的研究，是为了支持对于复杂的生产计划与调度领域各类问题的更全面的认识和更科学的描述，并在此基础上能够适应实际系统和状态的需要加以灵活的组合运用。由于计划与调度系统功能的多样性，以及问题求解和实现方法的多样性，计划调度系统功能与实现方法之间存在多对多的关系，在实际系统运行中需要视情况而定。复杂制造系统生产计划与调度体系对于这种灵活性的支持能力源于其组件化的特点和可重构的能力。

（1）组件化

在第1章曾提到关于复杂制造系统生产计划与调度的研究虽然时间长、成果多，但大部分的研究工作还是面向局部问题，呈现相对独立的态势，借助于标准通用的业务描述模型有望改变这种局面。

生产计划与调度体系结构的基本思路是将常用子问题、常用策略和算法进行组件化封装，便于在不同类型的调度业务中有选择的调用。这一组件化特点也使得各企业可以根据实际需要，选择体系中适用的组件建立定制化的生产计划与调度体系结构。例如，如果企业目前处于高度不确定性环境下，同时生产的产品品种很多，订单变化很快，可以直接采取中期生产计划和实时派工或在线优化两层结构，同时按照自己需求选取相应的组件（如中期生产计划、动态投料控制、实时调度、设备维护调度在线优化等）；如果一段时期内，企业的产品品种相对固定，生产环境相对稳定，则可以采取中期生产计划、短期生产计划和实时派工或在线优化三层结构，同时选取相应的组件（如中期生产计划、投料控制、工件调度、多批加工设备调度、投料控制在线优化、工件排序在线优化等），以期获得更加优化的调度结果。

组件化并非新概念且在各行各业一直备受重视。组件化基于可重用的目的，将复杂的计划调度系统按照分离关注点的形式，拆分成多个独立的组件，实现业务解耦，以系统内部模块化的灵活有机整合应对计划调度决策需求的多样化。复杂的计划调度系统的构建是组件集成的结果，每个组件有自己独立的版本，独立编译测试和部署。将系统组件化以后，能够实现完整意义上的按决策需求进行计划调度配置管理。在软件组件层面实现计划调度方法后，对其进行开发、测试、打包、发布的控制管理较为灵活，例如一个通用组件小版本升级，对外提供的接口没有发生任何变化，其他组件完全不需要再进行开发和测试，但这需要研究人员对业务有更深层次上的理解。

（2）可重构

体系结构能够根据生产线环境状态灵活重构，比如在信息充分时，能够给出全局考虑的调度优化方案；在决策时刻信息未知时，采用实时派工（中期计划-派工两层结构）；在决策时刻可以预知部分未来信息时，可以进行有预测的在线优化（中期计划-短期计划-在线优化三层结构）。或者在高负载中心进行调度及在线优化，轻负载中心直接使用启发式规则。

基于复杂制造系统生产计划与调度体系结构，指在每一次实际的生产计划与调度方案的产生过程中，由于实现环境不同，所用到的计划调度系统功能及各系统功能实现方法不一定相同。需要分析特定环境，驱动各计划调度系统协同，通过具体方法实现功能，形成特定的计划调度方案，完成一次生产管理的决策过程。图2-30表示了从计划调度通用结构向具体问题个性应用的多层次多步骤的求解过程，图2-31表示了生产线环境驱动的计划调度体系的重构过程。

图2-31突出了生产线状态评估及预测、生产线环境、计划调度作用效果、具体任务、对MRPPS体系功能要求、各环节的反馈综合信息对MRPPS体系重构的驱动作用。生产线状态评估及预测将重构方向、约束和目标反馈给MRPPS体系，MRPPS体系将反馈信息转化为对MRPPS系统的具体功能要求，由相应的MRPPS系统合作执行具体任务，执行的表现形式为计划调度结构、周期以及作用区域。建立MRPPS体系是为多重入复杂制造系统生产计划与调度提供支持平台和分析环境，帮助决策者进行综合权衡寻找杠杆区域，并获得长期的整体性能优化。这个过程离不开生产线状态分析，后者既是前者的约束，也是其可重构的驱动力。另外，MRPPS系统及其功能设计与实现，离不开软件领域相关技术，如框架技术、软件组件技术、数据库技术、仿真技术。

综上所述，MRPPS体系是系统的系统，是描述如下过程的高层次描述体：分析多重入复杂制造生产线状态数据，确定生产线整体优化方向，重新配置功能上互相独立、数据上互相联系的MRPPS系统，推动生产系统向决策主体期望的状态发展，成员系统也在此过程中发生知识与功能上的扩展。