《離散制造生產(chǎn)計(jì)劃智能調(diào)度技術(shù)規(guī)范》

ICS

CCS

T

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/CIXXX-2023

離散制造生產(chǎn)計(jì)劃智能調(diào)度技術(shù)規(guī)范

TechnicalSpecificationforIntelligentSchedulingofProductionPlanning

inDiscreteManufacturing

（征求意見稿）

2023-X-X發(fā)布2023-X-X實(shí)施

中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)會(huì)?發(fā)布

離散制造生產(chǎn)計(jì)劃智能調(diào)度技術(shù)規(guī)范

1范圍

本文件規(guī)定了離散制造的生產(chǎn)計(jì)劃智能調(diào)度技術(shù)規(guī)范的術(shù)語和定義、全局級(jí)生產(chǎn)計(jì)劃智

能排程策略、車間級(jí)生產(chǎn)作業(yè)智能調(diào)度、人機(jī)物制造資源動(dòng)態(tài)配置方法。

本文件適應(yīng)于在大規(guī)模離散的生產(chǎn)計(jì)劃智能調(diào)度的研究、設(shè)計(jì)、技術(shù)路線，可作為智能

制造中離散生產(chǎn)調(diào)度的技術(shù)依據(jù)。

2規(guī)范性引用文件

本文件沒有規(guī)范性引用文件。

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1

圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GraphNeuralNetwork）

圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種用于處理圖數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)模型，通過考慮節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系，可

以有效地處理非結(jié)構(gòu)化的圖數(shù)據(jù)，其核心思想是將節(jié)點(diǎn)的特征信息與其鄰居節(jié)點(diǎn)的特征信息

進(jìn)行交互和聚合。

3.2

編碼-解碼（Encoding-Decoding）

編碼器的作用是將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一個(gè)有意義的、低維度的表示形式。解碼器的任務(wù)是

將編碼表示解碼為與原始數(shù)據(jù)盡可能相似的重構(gòu)數(shù)據(jù)。

3.3

負(fù)荷控制理論（LoadControlTheory）

負(fù)荷控制理論通過調(diào)整生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)流程來控制系統(tǒng)的負(fù)荷，以使系統(tǒng)在

可控范圍內(nèi)保持穩(wěn)定和高效運(yùn)作。其主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的資源優(yōu)化和生產(chǎn)效率的提高。

3.4

ERP系統(tǒng)（EnterpriseResourcePlanningSystem）

ERP系統(tǒng)是一種綜合性的企業(yè)管理信息系統(tǒng)，涵蓋了多個(gè)功能模塊，包括財(cái)務(wù)、人力

資源、生產(chǎn)制造、采購(gòu)、銷售和供應(yīng)鏈管理等。其主要目的是集成和優(yōu)化企業(yè)的各種業(yè)務(wù)流

1

程，提高效率和管理水平。

3.5

BOM表（BillofMaterials）

BOM表是制造企業(yè)用于記錄產(chǎn)品組成部件清單的重要文檔。它是一個(gè)結(jié)構(gòu)化的記錄，

詳細(xì)列出了產(chǎn)品所需的所有部件、原材料、工具和其他必要項(xiàng)目，并提供它們的數(shù)量、規(guī)格

和描述等詳細(xì)信息。

3.6

MRP系統(tǒng)（MaterialRequirementsPlanning）

MRP系統(tǒng)是一種生產(chǎn)計(jì)劃和物料控制系統(tǒng)，主要用于確定制造產(chǎn)品所需的原材料、零

部件和其他物料的需求量，并生成相應(yīng)的采購(gòu)計(jì)劃。

4總體設(shè)計(jì)

4.1基本原則

（1）對(duì)標(biāo)國(guó)家重大需求。以國(guó)家需求為研究命題導(dǎo)向，以研究成果轉(zhuǎn)化落地為研究目

標(biāo)。

（2）緊跟學(xué)科和工程前沿。以前沿科學(xué)技術(shù)驅(qū)動(dòng)智能制造的發(fā)展創(chuàng)新。

（3）生產(chǎn)計(jì)劃智能調(diào)度的核心目標(biāo)是以客戶需求為導(dǎo)向，全面考慮客戶需求的變化和

特殊要求，同時(shí)優(yōu)化生產(chǎn)資源的配置，最大限度地提高生產(chǎn)效率和資源利用率。此外，生產(chǎn)

計(jì)劃智能調(diào)度還致力于實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的精細(xì)化管理，包括生產(chǎn)進(jìn)度和生產(chǎn)能力等方面。

（4）生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度應(yīng)遵循科學(xué)的管理方法和技術(shù)手段，以確保生產(chǎn)計(jì)劃的制定和執(zhí)行

符合最佳實(shí)踐。在制定生產(chǎn)計(jì)劃時(shí)，應(yīng)建立合理的計(jì)劃目標(biāo)，并制定切實(shí)可行的計(jì)劃方案。

4.2全局級(jí)生產(chǎn)計(jì)劃智能排程策略

4.2.1全局級(jí)生產(chǎn)計(jì)劃智能排程策略概述

隨著智能制造時(shí)代的到來，定制化制造變得越來越普遍。傳統(tǒng)的生產(chǎn)計(jì)劃排程策略已經(jīng)

不能滿足現(xiàn)實(shí)中的生產(chǎn)需求，例如動(dòng)態(tài)變化的生產(chǎn)環(huán)境、相互沖突的生產(chǎn)計(jì)劃排程目標(biāo)和復(fù)

雜的多約束生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)等。然而，智能排程策略通過先進(jìn)的人工智能優(yōu)化算法，充分考慮企業(yè)

全部工廠的產(chǎn)能分布、訂單需求、物流供應(yīng)鏈以及各類約束條件，從而能夠自動(dòng)生成全局最

優(yōu)的生產(chǎn)計(jì)劃。因此，采用全局級(jí)生產(chǎn)計(jì)劃智能排程策略已成為必然趨勢(shì)。

全局級(jí)排程的核心是一系列高級(jí)人工智能算法，如約束優(yōu)化、博弈論和深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)等。

這些算法能夠解決大規(guī)模復(fù)雜的組合優(yōu)化問題，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化的排程。同時(shí)，數(shù)字孿

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生、仿真評(píng)估等技術(shù)手段可以在實(shí)際執(zhí)行之前提前評(píng)估不同計(jì)劃方案的績(jī)效，從而輔助決策

制定。全局排程系統(tǒng)還可以直接連接工廠層執(zhí)行系統(tǒng)，進(jìn)行閉環(huán)調(diào)度，以實(shí)現(xiàn)理論計(jì)劃與實(shí)

際生產(chǎn)的協(xié)同優(yōu)化。采用全局級(jí)智能排程，不僅可以優(yōu)化產(chǎn)能利用率、縮短交貨期和降低庫(kù)

存，還可以根據(jù)市場(chǎng)需求的變化主動(dòng)調(diào)整計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)優(yōu)化。全局級(jí)智能排程與制造執(zhí)行

系統(tǒng)（ManufacturingExecutionSystem，MES）、倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)（WarehouseManagementSystem，

WMS）、先進(jìn)規(guī)劃排程系統(tǒng)（AdvancedPlanning&SchedulingSystem，APS）等系統(tǒng)深度

融合，構(gòu)成了一個(gè)協(xié)同的數(shù)字化生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)體系。

總體來說，全局級(jí)生產(chǎn)計(jì)劃智能排程是智能制造時(shí)代中產(chǎn)能協(xié)同優(yōu)化的重要基礎(chǔ)，也是

企業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)之一。采用全局級(jí)智能排程策略能夠?qū)崿F(xiàn)

更高水平的生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化，提升生產(chǎn)效率、降低成本，并適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的市場(chǎng)需求。

4.2.2全局級(jí)生產(chǎn)計(jì)劃智能排程技術(shù)結(jié)構(gòu)

在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，生產(chǎn)線上部署了數(shù)百個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器以兩秒的頻率上傳數(shù)據(jù)。

由于設(shè)備之間的交互頻度非常高，為了解決瞬時(shí)的高并發(fā)情況，本文設(shè)計(jì)了采用消息系統(tǒng)進(jìn)

行異步處理的方案。常用的消息系統(tǒng)包括Kafka、RabbitMQ和ActiveMQ。當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

和分析時(shí)，可能涉及到大量的數(shù)據(jù)。為了提高查詢速度，可以將數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)的結(jié)果緩存到

Redis中。此外，考慮到MongoDB作為一種高性能的NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)，其查詢速度遠(yuǎn)快于本

地存儲(chǔ)的日志文件。因此，在本文中選擇使用MongoDB來存儲(chǔ)一些監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，這樣就無需

設(shè)計(jì)各種不同的數(shù)據(jù)表來存儲(chǔ)各個(gè)模塊產(chǎn)生的日志數(shù)據(jù)。另外，本文中大量的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存

儲(chǔ)方面采用了MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。

3

圖1技術(shù)結(jié)構(gòu)圖

本文的生產(chǎn)計(jì)劃智能排程技術(shù)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由以下幾個(gè)層次構(gòu)成：

Web層：該層實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)進(jìn)程和物料使用情況的可視化，用于監(jiān)控和控制全局生產(chǎn)進(jìn)

度。

服務(wù)層：該層包括一系列的排產(chǎn)算法，以及用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)和緩存數(shù)

據(jù)的Redis數(shù)據(jù)庫(kù)。排產(chǎn)算法用于生成全局最優(yōu)的生產(chǎn)計(jì)劃，MongoDB用于存儲(chǔ)一些關(guān)鍵

的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，而Redis則用于緩存數(shù)據(jù)以提高訪問速度。

消息層：該層采用異步處理的方式來解決生產(chǎn)消息的瞬時(shí)高并發(fā)情況，并將指令下發(fā)到

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。

這種分層框架將系統(tǒng)進(jìn)行了微服務(wù)化，各個(gè)服務(wù)之間通過接口進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)隔

離和邏輯解耦。每個(gè)層次都承擔(dān)著不同的功能，從可視化到排產(chǎn)算法再到消息處理，使整個(gè)

系統(tǒng)更加模塊化、可擴(kuò)展和靈活。這樣的架構(gòu)能夠提高生產(chǎn)計(jì)劃智能排程系統(tǒng)的效率和性能，

并為企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)提供可靠的支持。

4.2.3基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的全局級(jí)生產(chǎn)計(jì)劃智能排程算法

（1）作業(yè)的圖式表示：

本工作的圖示表示涉及到將車間與網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行映射，以便從網(wǎng)絡(luò)中提取特定作業(yè)的表

示。在柔性車間作業(yè)排程問題中，涉及到設(shè)備、訂單和周轉(zhuǎn)等三個(gè)方面。每個(gè)訂單都包含一

4

個(gè)樹狀作業(yè)集，因此每個(gè)訂單的作業(yè)集自然形成了一個(gè)圖的結(jié)構(gòu)，通常是樹狀網(wǎng)絡(luò)。為了從

訂單的圖結(jié)構(gòu)中獲取作業(yè)的表示，需要將訂單的圖結(jié)構(gòu)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)與一個(gè)生產(chǎn)作業(yè)對(duì)應(yīng)起

來，同時(shí)每個(gè)作業(yè)與其目標(biāo)產(chǎn)品形成一對(duì)一的關(guān)系。因此，目標(biāo)產(chǎn)品的屬性也可以用作節(jié)點(diǎn)

的屬性。生產(chǎn)和原材料之間的關(guān)系構(gòu)成了圖結(jié)構(gòu)中的邊和節(jié)點(diǎn)的含義。因此，在本工作中，

這樣定義了圖結(jié)構(gòu)上的邊和節(jié)點(diǎn)的含義：

節(jié)點(diǎn)：在訂單的圖結(jié)構(gòu)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表訂單中的一種物料。節(jié)點(diǎn)具有基本屬性，

包括該物料的儲(chǔ)存量和需求量。訂單的圖結(jié)構(gòu)是一種樹形結(jié)構(gòu)，其中節(jié)點(diǎn)分為葉子

節(jié)點(diǎn)和非葉子節(jié)點(diǎn)兩種類型。

葉子節(jié)點(diǎn)：在訂單的圖結(jié)構(gòu)中，葉子節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的物料是一種原材料。葉子節(jié)點(diǎn)是訂單中

不再進(jìn)行進(jìn)一步加工或轉(zhuǎn)化的物料節(jié)點(diǎn)。

非葉子節(jié)點(diǎn)：在訂單的圖結(jié)構(gòu)中，非葉子節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的物料是訂單的成品或半成品。由于

作業(yè)和目標(biāo)產(chǎn)品之間是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此一個(gè)非葉子節(jié)點(diǎn)還對(duì)應(yīng)著一個(gè)作業(yè)。根據(jù)作業(yè)

的不同，該節(jié)點(diǎn)還具有生產(chǎn)類型屬性，用于描述節(jié)點(diǎn)所代表的作業(yè)的特征。

邊：在訂單的圖結(jié)構(gòu)中，邊是一種有向邊，代表生產(chǎn)過程中的關(guān)系。邊從生產(chǎn)的材

料指向生產(chǎn)的目標(biāo)產(chǎn)品。

本工作的圖網(wǎng)絡(luò)計(jì)算包括以下環(huán)節(jié)：

1.作業(yè)嵌入：對(duì)于每個(gè)非葉子節(jié)點(diǎn)（即作業(yè)節(jié)點(diǎn)），匯集其孩子節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)信息，將

其轉(zhuǎn)化為作業(yè)的嵌入表示。

2.訂單嵌入：針對(duì)每個(gè)訂單的樹形圖，匯集信息并補(bǔ)充訂單的基礎(chǔ)信息，生成訂單的

嵌入表示。

3.設(shè)備嵌入：計(jì)算全局和設(shè)備相關(guān)的特征信息，用于表示設(shè)備的嵌入。

4.擴(kuò)大作業(yè)感知野：在與設(shè)備實(shí)際相關(guān)的每個(gè)作業(yè)節(jié)點(diǎn)上，通過匯集高層信息的方式

擴(kuò)大作業(yè)的感知野，并求解出一個(gè)值。

5.聚合全局策略：將相關(guān)作業(yè)節(jié)點(diǎn)上的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算得到的值拼接起來，形成全局向量，

用于聚合全局策略。

（2）算法設(shè)計(jì)：

如圖2所示，圖模型上的計(jì)算過程分為4個(gè)步驟。首先，從模擬器中獲取所需的原始特

征域。其次，在圖模型結(jié)構(gòu)上進(jìn)行第一層網(wǎng)絡(luò)計(jì)算。接下來，在作業(yè)節(jié)點(diǎn)上匯集全局等信息，

以擴(kuò)大感知野，并在可選作業(yè)上進(jìn)行第二層網(wǎng)絡(luò)計(jì)算。最后，通過強(qiáng)化學(xué)習(xí)的策略選擇一個(gè)

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作業(yè)進(jìn)行執(zhí)行。整個(gè)計(jì)算過程是基于圖模型的，通過多層網(wǎng)絡(luò)計(jì)算和全局信息匯集，以實(shí)現(xiàn)

任務(wù)的選擇和執(zhí)行。

圖2基于圖模型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

作業(yè)嵌入是第一層計(jì)算的第一步，涉及作業(yè)節(jié)點(diǎn)之間的消息傳遞和計(jì)算。由于訂單圖模

型是一個(gè)樹形結(jié)構(gòu)，因此可以通過對(duì)其進(jìn)行后根深度優(yōu)先遍歷來依次訪問每個(gè)節(jié)點(diǎn)，以進(jìn)行

消息傳遞和計(jì)算。在此步驟中，消息傳遞按邊的方向進(jìn)行單向傳播，并在傳播過程中對(duì)節(jié)點(diǎn)

進(jìn)行計(jì)算。圖3展示了作業(yè)節(jié)點(diǎn)之間的消息傳遞和計(jì)算過程。在該圖中，綠色的作業(yè)節(jié)點(diǎn)接

收來自一個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)（白色）和一個(gè)非葉子節(jié)點(diǎn)（紅色）的信息，這些信息被用來生成原始

特征信息（綠色矩形）。非葉子節(jié)點(diǎn)（紅色）和葉子節(jié)點(diǎn)（白色）的原始特征信息通過編碼

器進(jìn)行計(jì)算，生成新的特征。然后，這些計(jì)算后的特征被求平均值，并與原始特征信息（綠

色矩形）進(jìn)行特征連接，形成新的特征。最后，通過解碼器輸出消息，以便進(jìn)行下一步的計(jì)

算。整個(gè)計(jì)算過程采用了"編碼-解碼"的模式，新輸出的節(jié)點(diǎn)特征維度與原始維度保持一致。

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圖3在作業(yè)節(jié)點(diǎn)之間的消息傳遞和計(jì)算

4.2.4全局級(jí)生產(chǎn)計(jì)劃智能排程流程

負(fù)荷控制理論（LoadControlTheory，LCT）已被證明是一種有效的訂單控制方法，適

用于離散生產(chǎn)制造系統(tǒng)。其基本思想是通過控制生產(chǎn)車間的輸入和輸出來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能均衡、降

低庫(kù)存、縮短生產(chǎn)提前期等目標(biāo)。相比其他生產(chǎn)計(jì)劃和控制方法，負(fù)荷控制理論更適用于面

向訂單生產(chǎn)的作業(yè)環(huán)境。通過使用訂單池，避免待投放的生產(chǎn)訂單任務(wù)對(duì)車間生產(chǎn)狀況產(chǎn)生

影響，從而避免生產(chǎn)過程的堵塞，使車間生產(chǎn)更易于管理，并獲得穩(wěn)定的績(jī)效。LCT在訂

單加工全過程中的作用階段如圖4所示。

圖4負(fù)荷控制理論的控制框架

（1）訂單接收：訂單接收是生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)作的前提，包括通過訂單評(píng)審判斷訂單的可接

收性，并根據(jù)訂單產(chǎn)品工藝要求設(shè)置交貨期。在訂單接收階段，生產(chǎn)系統(tǒng)確定了生產(chǎn)批量大

小、訂單加工的工藝路線、機(jī)器加工的工藝參數(shù)以及最終交付的交貨期等信息。針對(duì)每個(gè)訂

單的生產(chǎn)工序，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以確定可選擇的機(jī)器集合和所需加工時(shí)間等信

息。通過這些信息，可以準(zhǔn)確確定每個(gè)工藝路線上機(jī)器的實(shí)際生產(chǎn)負(fù)荷水平，以適應(yīng)實(shí)際生

產(chǎn)過程的需求。根據(jù)訂單需求的負(fù)荷水平、車間內(nèi)已接收但未釋放的訂單的負(fù)荷水平以及已

釋放的訂單的負(fù)荷水平，可以評(píng)估總體負(fù)荷需求對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的影響。如果負(fù)荷需求量不超過

車間生產(chǎn)資源的能力，則訂單可以接收；如果負(fù)荷需求量超過車間生產(chǎn)資源的能力，則需拒

絕訂單或?qū)τ唵芜M(jìn)行調(diào)整后再接收。對(duì)于超過生產(chǎn)資源能力的部分，如果企業(yè)判斷通過加班

等方式可以滿足需求，則可以直接接收訂單；如果企業(yè)判斷無法彌補(bǔ)生產(chǎn)能力的不足，則需

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要與客戶協(xié)商，調(diào)整交貨期等要求，以確定是否接收訂單。

（2）訂單池：訂單池是指已經(jīng)接收但尚未被釋放到車間進(jìn)行加工的訂單的集合。在訂

單接收后，訂單會(huì)先進(jìn)入訂單池中等待進(jìn)一步的處理。訂單池的作用是對(duì)接收到的訂單進(jìn)行

統(tǒng)一管理和調(diào)度，以便更好地滿足生產(chǎn)系統(tǒng)的需求。在訂單池中，訂單可以根據(jù)不同的優(yōu)先

級(jí)、交貨期等進(jìn)行排序，以便確定加工的順序和時(shí)間。

（3）訂單釋放：已經(jīng)被接收并進(jìn)入訂單池的訂單將周期性地投放到車間進(jìn)行加工。通

過計(jì)算待投放訂單所需的物料總量和生產(chǎn)負(fù)荷，可以預(yù)估訂單加工的開始時(shí)間。然而，此時(shí)

生產(chǎn)能力可能已經(jīng)發(fā)生變化，瓶頸可能出現(xiàn)漂移，也可能出現(xiàn)意料之外的瓶頸。因此，在訂

單被釋放之前，需要再次審核待釋放訂單的內(nèi)容，判斷當(dāng)前待投放的訂單是否滿足生產(chǎn)需求，

是否需要推遲執(zhí)行。這樣可以避免生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)的訂單過早完成，導(dǎo)致生產(chǎn)資源閑置和浪費(fèi)，

也可以防止干擾因素引起的負(fù)荷超載。訂單投放策略的制定將影響已經(jīng)在生產(chǎn)車間中釋放待

加工的訂單數(shù)量和正在加工的訂單數(shù)量，從而影響車間的在制品庫(kù)存水平。負(fù)荷控制理論通

過限制進(jìn)入車間的訂單數(shù)量，從而限制在制品數(shù)量和生產(chǎn)提前期。

（4）車間派工：一方面，它可以確定訂單加工的順序，另一方面，它可以確定單個(gè)訂

單內(nèi)的加工順序。這對(duì)于車間的任務(wù)分配非常重要，它不僅可以幫助決定即將進(jìn)行生產(chǎn)加工

的訂單，還可以確定剩余訂單等待開始加工所需的時(shí)間。

（5）加工中心：加工中心是指用于進(jìn)行訂單加工和生產(chǎn)的實(shí)際工作區(qū)域。在加工中心

中，通過合理的布局和設(shè)備配置，可以有效地組織和安排訂單的加工過程。加工中心通常包

括不同的車間和工作站，每個(gè)工作站都有相應(yīng)的設(shè)備和工具，用于完成特定的加工操作。在

加工中心中，訂單根據(jù)車間的負(fù)載和資源的可用性，按照預(yù)定的順序進(jìn)行加工。加工中心的

任務(wù)是根據(jù)訂單的工藝要求和加工能力，確保訂單按時(shí)完成，并保持高質(zhì)量的生產(chǎn)水平。通

過合理的調(diào)度和協(xié)調(diào)，加工中心可以最大程度地提高生產(chǎn)效率和資源利用率，以滿足客戶需

求并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)目標(biāo)。

如圖示5所示，生產(chǎn)計(jì)劃主要包括中期計(jì)劃和短期計(jì)劃。完整的生產(chǎn)計(jì)劃流程如下：

1)每月中旬之前，各地經(jīng)銷商根據(jù)自身的營(yíng)銷情況將產(chǎn)品型號(hào)、數(shù)量等需求數(shù)據(jù)發(fā)送

給企業(yè)的銷售部門。

2)銷售部門根據(jù)訂單需求和市場(chǎng)情況，對(duì)當(dāng)月的任務(wù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和處理，制定銷售訂

單的月度計(jì)劃表。

3)銷售部門將產(chǎn)品需求的月度計(jì)劃表發(fā)送給生產(chǎn)部門。

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4)生產(chǎn)部門根據(jù)產(chǎn)品需求訂單的類型，將同類型的產(chǎn)品生產(chǎn)任務(wù)劃分為批次，進(jìn)行生

產(chǎn)排程。

5)根據(jù)生產(chǎn)技術(shù)部門管理的BOM文件以及倉(cāng)庫(kù)管理中心對(duì)零部件庫(kù)存的統(tǒng)計(jì)，MRP

系統(tǒng)制定生產(chǎn)車間的月度生產(chǎn)計(jì)劃和物料采購(gòu)計(jì)劃。

6)庫(kù)存中的零部件分為采購(gòu)件和自制件，自制件需要在車間根據(jù)采購(gòu)回來的原材料進(jìn)

行加工。

7)當(dāng)采購(gòu)訂單完成后，計(jì)劃員通過系統(tǒng)獲取物料充足的信息，并將零部件的加工任務(wù)

指令下達(dá)到相應(yīng)的車間。

圖5生產(chǎn)計(jì)劃流程

如圖6所示，車間調(diào)度方案的相關(guān)流程，包括任務(wù)訂單的接收、訂單任務(wù)分解、編制車

間調(diào)度方案、生產(chǎn)能力審核等。

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圖6車間生產(chǎn)調(diào)度流程

（1）接收訂單：接收訂單后，定制款產(chǎn)品和不需要訂單評(píng)審的普通款產(chǎn)品將經(jīng)過訂單

評(píng)審會(huì)議。會(huì)議的目的是對(duì)這些訂單進(jìn)行評(píng)審和審查。隨后，這些訂單將被分派給生產(chǎn)部門

的計(jì)劃員，并等待進(jìn)一步的分解和處理。

（2）訂單任務(wù)分解：生產(chǎn)部的計(jì)劃員根據(jù)企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）系統(tǒng)中的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)清

單（BOM表），將訂單任務(wù)需求中的產(chǎn)品種類和數(shù)量逐級(jí)分解為相應(yīng)的零部件種類和零部

件數(shù)量，同時(shí)確定訂單任務(wù)所需的輔助零部件、工裝等資源的型號(hào)和數(shù)量。為了確定零部件

的種類和數(shù)量，計(jì)劃員需要從最終成品的種類和數(shù)量開始，逆向推導(dǎo)至原始物料的需求信息。

（3）編制車間調(diào)度方案：生產(chǎn)部的計(jì)劃員根據(jù)分解后的零部件種類和數(shù)量信息，并結(jié)

合企業(yè)的庫(kù)存情況，確定需要進(jìn)行生產(chǎn)加工的零部件種類和數(shù)量。計(jì)劃員根據(jù)零部件的工藝

路線，對(duì)零部件任務(wù)進(jìn)行分類匯總，并將具有相同工藝路線的零部件安排在同一個(gè)加工生產(chǎn)

單元內(nèi)進(jìn)行加工。在每個(gè)生產(chǎn)單元內(nèi)，計(jì)劃員將同一類型的零部件組合成一個(gè)生產(chǎn)加工批次。

這些成組的訂單將按照交貨期、加工開始時(shí)間、優(yōu)先度等信息進(jìn)行排序，以得到最終的調(diào)度

方案。

（4）審核生產(chǎn)能力：將訂單與工序?qū)?yīng)的設(shè)備生產(chǎn)能力需求進(jìn)行比較，以及與設(shè)備當(dāng)

前的生產(chǎn)能力進(jìn)行對(duì)比。對(duì)于超出設(shè)備生產(chǎn)能力的訂單，將其放入下一周期的生產(chǎn)隊(duì)列中等

待加工。當(dāng)設(shè)備的生產(chǎn)能力需求小于設(shè)備當(dāng)前的生產(chǎn)能力時(shí)，將訂單隊(duì)列中的訂單按照排序

進(jìn)行投放。在確定訂單的加工順序時(shí)，需要考慮訂單的開始時(shí)間、優(yōu)先級(jí)等信息，并進(jìn)行相

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應(yīng)的排序。根據(jù)排序結(jié)果，制定最終的調(diào)度方案。

4.3車間級(jí)生產(chǎn)作業(yè)智能調(diào)度

4.3.1車間級(jí)生產(chǎn)作業(yè)智能調(diào)度概述

在當(dāng)今快速迭代的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，優(yōu)化生產(chǎn)流程和提高生產(chǎn)效率已成為企業(yè)提升競(jìng)爭(zhēng)

力的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的車間調(diào)度方式往往依賴人工經(jīng)驗(yàn)，然而在處理復(fù)雜、大規(guī)模的生產(chǎn)任務(wù)時(shí)，

這種方式往往力不從心，無法有效地應(yīng)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的變化和不確定性，調(diào)度效率和效果有限。

為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，車間級(jí)作業(yè)生產(chǎn)智能調(diào)度被引入作為一種新型調(diào)度模式，借助先進(jìn)的人工

智能技術(shù)，如機(jī)器學(xué)習(xí)和優(yōu)化算法，對(duì)車間生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行智能化調(diào)度。

在車間級(jí)作業(yè)生產(chǎn)智能調(diào)度系統(tǒng)中，通過收集和分析大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠?qū)W習(xí)和

理解生產(chǎn)流程，生成最優(yōu)生產(chǎn)計(jì)劃。智能調(diào)度系統(tǒng)不僅考慮當(dāng)前的生產(chǎn)狀態(tài)，還能預(yù)測(cè)未來

的生產(chǎn)需求和狀況，使調(diào)度決策更加全面和準(zhǔn)確。這種調(diào)度模式能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)資源的高效配

置，減少生產(chǎn)中的浪費(fèi)，提高生產(chǎn)效率。

此外，智能調(diào)度系統(tǒng)還具有高度的靈活性和適應(yīng)性。面對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的突然變化，例如原

材料供應(yīng)中斷、設(shè)備故障等，智能調(diào)度系統(tǒng)能夠快速地進(jìn)行決策調(diào)整，保障生產(chǎn)的穩(wěn)定進(jìn)行。

同時(shí)，通過不斷的學(xué)習(xí)和優(yōu)化，智能調(diào)度系統(tǒng)能夠持續(xù)提升其調(diào)度性能，適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境和需

求的變化。

4.3.2車間級(jí)生產(chǎn)作業(yè)智能調(diào)度技術(shù)

在現(xiàn)代定制化制造業(yè)中，面臨著作業(yè)隨機(jī)到達(dá)、機(jī)器故障、訂單取消或修改等隨機(jī)事件

和變化的頻繁發(fā)生。同時(shí)，制造過程變得越來越精細(xì)，車間調(diào)度的難度和復(fù)雜度也隨之增加。

傳統(tǒng)的車間調(diào)度方法已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代制造業(yè)的需求。為了適應(yīng)這種變化，生產(chǎn)任務(wù)和生產(chǎn)

資源的分配需要根據(jù)實(shí)時(shí)需求進(jìn)行靈活調(diào)整。

本文提供了一種可行的解決方案，該解決方案旨在應(yīng)對(duì)車間調(diào)度中的隨機(jī)事件和變化。

它包括針對(duì)作業(yè)隨機(jī)到達(dá)、機(jī)器故障以及訂單取消或修改等情況的應(yīng)急處理機(jī)制。此外，解

決方案還考慮了生產(chǎn)過程中的精細(xì)化要求，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)任務(wù)和生產(chǎn)資

源進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

（1）數(shù)據(jù)采集：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)車間生產(chǎn)全過程的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集，可以采用多種技術(shù)手

段來獲取設(shè)備狀態(tài)、物料信息、人員出勤等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)。其中包括傳感器、RFID（射頻

識(shí)別）、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)。通過布置傳感器和RFID設(shè)備，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、

負(fù)載、溫度、振動(dòng)等參數(shù)。傳感器可以收集設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并記錄設(shè)備的運(yùn)行日志。

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這些數(shù)據(jù)可以用于監(jiān)控設(shè)備的健康狀態(tài)和利用率。

（2）生產(chǎn)建模：通過數(shù)字孿生技術(shù)，可以在虛擬環(huán)境中精確地模擬車間的運(yùn)行情況，

并與實(shí)際生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)同步。同時(shí)，借助3D建模技術(shù)，可以創(chuàng)建逼真的三維模型，準(zhǔn)

確展現(xiàn)車間的布局、設(shè)備的位置和工序的流程。這樣的數(shù)字化建模系統(tǒng)能夠?yàn)樯a(chǎn)管理和優(yōu)

化提供重要依據(jù)，幫助實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的可視化、可分析和可優(yōu)化。

（3）基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的注意力圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與訓(xùn)練：本文設(shè)計(jì)了一種基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的

雙注意力圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)柔性車間生產(chǎn)作業(yè)的智能調(diào)度。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖4所示。

首先，該系統(tǒng)獲取操作、機(jī)器和生產(chǎn)環(huán)境的原始特征，并將其輸入調(diào)度智能體網(wǎng)絡(luò)。調(diào)度智

能體網(wǎng)絡(luò)由雙注意力網(wǎng)絡(luò)、特征拼接網(wǎng)絡(luò)和智能決策網(wǎng)絡(luò)組成，用于增強(qiáng)特征的表達(dá)能力和

決策動(dòng)作的選擇。其中，雙注意力網(wǎng)絡(luò)采用圖注意力機(jī)制來對(duì)操作和機(jī)器的特征進(jìn)行計(jì)算，

以捕捉它們之間的關(guān)系和重要性。為了不丟失原始的操作和機(jī)器特征信息，將操作和機(jī)器的

特征與雙注意力網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的特征進(jìn)行特征拼接，并將其輸入到智能決策網(wǎng)絡(luò)中。

智能決策網(wǎng)絡(luò)根據(jù)當(dāng)前的生產(chǎn)環(huán)境和機(jī)器狀態(tài)，采樣選擇一個(gè)操作機(jī)器對(duì)作為決策的動(dòng)

作。選擇的動(dòng)作將發(fā)送到車間環(huán)境中執(zhí)行。執(zhí)行動(dòng)作后，車間環(huán)境會(huì)更新調(diào)度狀態(tài)，并返回

一個(gè)獎(jiǎng)勵(lì)給調(diào)度智能體，以反饋動(dòng)作的效果和質(zhì)量。通過不斷執(zhí)行這個(gè)過程，調(diào)度智能體可

以根據(jù)反饋不斷優(yōu)化自己的決策策略，以實(shí)現(xiàn)更好的生產(chǎn)效率。

圖4方法架構(gòu)

強(qiáng)化學(xué)習(xí)的性能與獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)的設(shè)計(jì)密切相關(guān)，而獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)的設(shè)計(jì)需要根據(jù)柔性車間的優(yōu)

化目標(biāo)確定。合理的獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)設(shè)計(jì)可以使智能體選擇更優(yōu)的調(diào)度策略，從而提高生產(chǎn)效率。

雙注意力網(wǎng)絡(luò)包含注意力增強(qiáng)層，采用多頭注意力機(jī)制來關(guān)注全局生產(chǎn)狀態(tài)特征，具有

強(qiáng)大的自適應(yīng)特征提取和融合能力。在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)規(guī)模來設(shè)計(jì)注意力頭數(shù)，并采

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用異構(gòu)圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來更好地表示實(shí)時(shí)生產(chǎn)狀態(tài)。這樣的設(shè)計(jì)有助于學(xué)習(xí)全局特征，以實(shí)現(xiàn)智

能調(diào)度。

圖5（a）展示了一個(gè)例子的初始狀態(tài)，其中“Start”，“End”代表兩個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)表示

生產(chǎn)的開始和結(jié)束，代表機(jī)器節(jié)點(diǎn)，代表操作節(jié)點(diǎn)，黑色有向

線代表操作的優(yōu)先級(jí)關(guān)??系(?，=三1類,2帶,3)有顏色的無向虛線??代?(?表,?機(jī)=器1,可2,3以)加工的操作。在強(qiáng)化學(xué)習(xí)

中，動(dòng)作必須是一個(gè)合格的操作，即它的前一個(gè)操作已完成或作業(yè)對(duì)應(yīng)的第一個(gè)操作，并且

與之兼容的機(jī)器處于空閑狀態(tài)。執(zhí)行動(dòng)作后，狀態(tài)圖會(huì)更新為只保留操作所選機(jī)器之間的連

線，同時(shí)刪除該操作與其他機(jī)器之間的連線。此外，還會(huì)生成一個(gè)即時(shí)獎(jiǎng)勵(lì)，用于指導(dǎo)智能

體選擇最優(yōu)策略。重復(fù)上述步驟，直到所有操作都完成。圖5（b）展示了一個(gè)完整的解決

方案的示例，其中每一個(gè)操作都分配了一臺(tái)機(jī)器形成一個(gè)調(diào)度方案。通過這種調(diào)度方案，可

以確保每個(gè)操作都按照預(yù)定的順序和時(shí)間進(jìn)行加工，并最大程度地提高生產(chǎn)效率和資源利用

率。

（a）（b）

圖5實(shí)例析取圖

（4）柔性車間生產(chǎn)作業(yè)實(shí)時(shí)調(diào)度模型評(píng)估：為了評(píng)估模型在實(shí)時(shí)調(diào)度中的性能，可以

將測(cè)試集作為獨(dú)立的數(shù)據(jù)集，用于模型的評(píng)估。將測(cè)試集輸入到訓(xùn)練好的模型中，觀察模型

的調(diào)度效果和性能指標(biāo)，如生產(chǎn)效率、任務(wù)完成時(shí)間等。

設(shè)計(jì)不同的測(cè)試場(chǎng)景，包括具有不同作業(yè)數(shù)量和機(jī)器數(shù)量的情況。通過在這些不同場(chǎng)景

下測(cè)試模型，評(píng)估模型對(duì)于不同規(guī)模和復(fù)雜度的生產(chǎn)環(huán)境的適應(yīng)能力。這有助于了解模型的

泛化性能和可擴(kuò)展性。

通過對(duì)模型在不同測(cè)試場(chǎng)景和實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中的性能評(píng)估，可以更全面地了解模型的優(yōu)勢(shì)和

局限性，并為進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化提供指導(dǎo)。同時(shí)，還可以為生產(chǎn)管理人員提供決策支持，

幫助他們做出更準(zhǔn)確和有效的調(diào)度決策，以提高生產(chǎn)效率、減少資源浪費(fèi)。

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4.4人機(jī)物制造資源動(dòng)態(tài)配置方法總體思路介紹

在制造企業(yè)的生產(chǎn)階段中，人、機(jī)器和物料是不可或缺的三大資源。然而，當(dāng)前許多企

業(yè)大多將精力集中在改進(jìn)原料和提升機(jī)器先進(jìn)性上，對(duì)人員與機(jī)器及物料的優(yōu)化配置關(guān)注較

少。在勞動(dòng)力成本日益上升的今天，如何合理地結(jié)合人員和機(jī)器，并優(yōu)化人員配置和物料分

配，以提高資源利用效率，變得尤為重要。

人機(jī)物制造資源動(dòng)態(tài)配置方法是一種自動(dòng)化制造方法，它根據(jù)實(shí)時(shí)需求情況，通過定制

化的算法和技術(shù)，靈活地分配和調(diào)度人力、機(jī)器和庫(kù)存等各種資源，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的最大

化和資源利用的最優(yōu)化。

在研究人機(jī)物制造資源動(dòng)態(tài)配置時(shí)，如何協(xié)調(diào)好人員和機(jī)器間的關(guān)系是核心部分，包括

了任務(wù)分配關(guān)系以及人機(jī)交互關(guān)系。任務(wù)分配關(guān)系主要涉及如何正確劃分人員和機(jī)器的工作

職責(zé)，保證人員與機(jī)器有條不紊地配合協(xié)作，以及設(shè)計(jì)高效的任務(wù)動(dòng)態(tài)分配策略，提高整個(gè)

生產(chǎn)車間的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。人機(jī)交互的趨勢(shì)是最大程度地便利人員的交互操作，按照人員的意圖

需求，簡(jiǎn)單順暢地輸入信息，快速直觀地收到反饋信息。其次，在生產(chǎn)線上設(shè)置了物料緩存

區(qū)，要保證緩存區(qū)內(nèi)時(shí)刻有物料在等待加工，本文采用一種物料分配方法，計(jì)算出最小安全

庫(kù)存量和最大安全庫(kù)存量，在此區(qū)間內(nèi)能夠保證生產(chǎn)工位間的流動(dòng)平衡性。最后，利用系統(tǒng)

仿真建模的方法可以更好地解決復(fù)雜且機(jī)器數(shù)量眾多的人機(jī)物配置問題。仿真方法能夠考慮

員工差異、機(jī)器故障等不確定因素，從而更準(zhǔn)確地反映實(shí)際生產(chǎn)情況。

總的來說，人機(jī)物制造資源動(dòng)態(tài)配置方法是一種綜合應(yīng)用多種技術(shù)和改進(jìn)的定制制造方

法，它可以幫助企業(yè)提高生產(chǎn)效率、降低成本并提高產(chǎn)品質(zhì)量。

4.5人機(jī)物制造資源動(dòng)態(tài)配置策略

4.5.1人機(jī)物配置概述

人機(jī)物配置問題是指在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中針對(duì)給定的機(jī)器數(shù)量，如何合理地分配作業(yè)人員

數(shù)量以及每個(gè)機(jī)器的物料分配的問題。研究人機(jī)物配置問題的目的是在保持低人力成本、最

大化資源利用和最佳人機(jī)配置的前提下，實(shí)現(xiàn)最大產(chǎn)出。

在人機(jī)物配置問題中，人、物料和機(jī)器設(shè)備是三種主要資源。在機(jī)器設(shè)備維護(hù)管理健全

且原材料市場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定的情況下，作業(yè)人員可以根據(jù)其工作技能水平和熟練程度來操作不同

復(fù)雜程度的機(jī)器設(shè)備。同時(shí)，也需要根據(jù)不同的作業(yè)員支付不同的技能工資。在降低人力成

本的前提下，提出合理的人機(jī)配置方案，選擇最合適的作業(yè)人員來操作相應(yīng)的機(jī)器設(shè)備對(duì)于

減少人工成本非常重要。

14

人機(jī)配置涉及人和機(jī)器資源在各種可能的生產(chǎn)配置關(guān)系中做出選擇，以獲得最佳效益。

為了更好地經(jīng)營(yíng)管理，企業(yè)需要考慮如何合理配置人機(jī)資源，以獲取最大收益。人機(jī)關(guān)系是

指人機(jī)配置系統(tǒng)整合后的綜合性能。如圖6所示，研究人機(jī)配置問題時(shí)，首先應(yīng)對(duì)人機(jī)關(guān)系

進(jìn)行分類。人機(jī)關(guān)系包括人機(jī)的合理配置、人機(jī)的合理劃分和人機(jī)信息的合理轉(zhuǎn)換。

圖6人機(jī)關(guān)系組成

在人機(jī)系統(tǒng)中，人機(jī)分配可以分為以下四種情況：一人一機(jī)、一人多機(jī)、多人一機(jī)和多

人多機(jī)。合理的人機(jī)配置能夠最大程度地提高人和機(jī)器的利用率，并有效地進(jìn)行信息傳遞，

實(shí)現(xiàn)人機(jī)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。

在精益生產(chǎn)管理模式中，追求設(shè)備利用率的最大化，以最大限度地提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率。

其中最常見的配置模式是"一人多機(jī)"，即一個(gè)工人同時(shí)操作兩臺(tái)或多臺(tái)機(jī)器。在這種模式下，

當(dāng)操作員在一臺(tái)機(jī)器前進(jìn)行操作時(shí)，其他機(jī)器理論上處于加工狀態(tài)。當(dāng)操作員完成該臺(tái)機(jī)器

的操作后，機(jī)器自動(dòng)進(jìn)行工作，操作員移動(dòng)到下一臺(tái)機(jī)器進(jìn)行同樣的操作。最理想的狀態(tài)是

當(dāng)操作員到達(dá)一臺(tái)機(jī)器時(shí)，該機(jī)器剛好完成加工。這樣的循環(huán)重復(fù)動(dòng)作直到完成一個(gè)作業(yè)。

人機(jī)配置的研究和分析的最重要和最終目標(biāo)是降低勞動(dòng)力成本，提高生產(chǎn)效率，并使企

業(yè)獲得更全面的利益，前提是實(shí)際生產(chǎn)正常進(jìn)行。衡量的標(biāo)準(zhǔn)是人機(jī)配置率。雖然機(jī)器利用

率越高越好，但也要確保不超過人員的限制利用率。

在工作人員和機(jī)器數(shù)量相對(duì)穩(wěn)定的情況下，需要合理分配每臺(tái)機(jī)器所需的工作物料。在

生產(chǎn)線上，首先可以根據(jù)訂單需求結(jié)合物料的廢料比例，預(yù)估完成生產(chǎn)任務(wù)所需的物料量。

其次，根據(jù)每臺(tái)機(jī)器的加工順序、生產(chǎn)速度、成品率等因素，將物料分配給機(jī)器。然后實(shí)時(shí)

更新物料消耗情況，并及時(shí)從倉(cāng)庫(kù)補(bǔ)充，以避免影響產(chǎn)品交付時(shí)間。物料配置的最終目標(biāo)是

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充分利用資源，提高生產(chǎn)效率。

4.5.2人機(jī)物配置影響因素分析

在進(jìn)行人機(jī)物配置的過程中，存在許多影響因素。這些因素通常包括產(chǎn)品加工時(shí)間、路

徑選擇、設(shè)備布局、機(jī)器切換、加工批量和加工順序等。這些因素大多是可確定的，并且相

對(duì)容易操作。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中，也會(huì)出現(xiàn)許多無法預(yù)料的因素，例如人員的適應(yīng)性和熟

練程度、生產(chǎn)任務(wù)的變化以及機(jī)器設(shè)備的故障等。所有這些因素都給人機(jī)物的分配帶來了一

定的困難。主要可以將這些影響因素分為人的因素、機(jī)器的因素和其他影響因素三大類。

人的因素主要包括人體尺寸參數(shù)、操作熟練程度、路徑選擇和作業(yè)適應(yīng)能力。人體尺寸

參數(shù)主要涉及操作員在固定操作空間和要素情況下的作業(yè)姿態(tài)。操作熟練程度包括對(duì)機(jī)器設(shè)

備操作的熟練程度、操作速度和準(zhǔn)確性。路徑選擇涉及操作員在操作過程中的走動(dòng)、搬運(yùn)和

搬運(yùn)工具選擇。作業(yè)適應(yīng)能力主要指操作員在生產(chǎn)過程中適應(yīng)各種技能的能力，反映了其是

否能夠掌握多種技能。

機(jī)器的因素主要包括生產(chǎn)線布局、機(jī)器的自動(dòng)化程度、機(jī)器換模效率和設(shè)備故障。生產(chǎn)

線布局采用不同的方式，如線性布局和矩陣式布局。機(jī)器的自動(dòng)化程度直接影響到在發(fā)生突

發(fā)情況且無人在旁時(shí)是否能夠自動(dòng)停機(jī)。機(jī)器換模效率在很大程度上影響設(shè)備的生產(chǎn)效率。

設(shè)備故障指設(shè)備在生產(chǎn)過程中無法正常操作、磨損或堵塞的情況，設(shè)備故障的發(fā)生會(huì)影響產(chǎn)

品的生產(chǎn)。

其他影響因素主要包括產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)流程和物料分配。產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝是指將

原材料或半成品加工成成品所采用的方法，不同的方法對(duì)機(jī)器加工的精度、操作員的要求以

及每臺(tái)機(jī)器分配的物料量都會(huì)有所不同。產(chǎn)品的生產(chǎn)流程是指一個(gè)產(chǎn)品的全過程，在進(jìn)行人

機(jī)物配置時(shí)，企業(yè)會(huì)將機(jī)器的處理步驟集成在一起，實(shí)現(xiàn)一人多機(jī)或多人多機(jī)的人機(jī)配置。

在生產(chǎn)過程中，根據(jù)每臺(tái)機(jī)器的生產(chǎn)任務(wù)分配物料，以實(shí)現(xiàn)資源的充分合理利用。

4.5.3人機(jī)物制造資源動(dòng)態(tài)配置策略分析

1、人機(jī)任務(wù)分配

本文使用人機(jī)協(xié)作生產(chǎn)單元任務(wù)分配與作業(yè)調(diào)度集成決策方法，該方法綜合考慮產(chǎn)品的

裝配工序及其工序之間的優(yōu)先順序，結(jié)合人機(jī)協(xié)作生產(chǎn)單元中的機(jī)器人和操作工人等生產(chǎn)資

源，根據(jù)操作工人和機(jī)器人的生產(chǎn)能力和優(yōu)勢(shì)，將裝配工序分配給合適的生產(chǎn)資源，包括操

作工人或者機(jī)器人或者協(xié)作的操作工人和機(jī)器人。之后將任務(wù)分配與作業(yè)調(diào)度過程集成決策，

更加適應(yīng)現(xiàn)有的生產(chǎn)裝配現(xiàn)狀，從而減少產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)間，降低產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)成本，

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提高操作工人與機(jī)器人的協(xié)作效率，提高產(chǎn)品生產(chǎn)過程的自動(dòng)化率，提高生產(chǎn)效率。具體步

驟如下：

步驟一、獲取人機(jī)協(xié)作生產(chǎn)單元產(chǎn)品裝配工序和生產(chǎn)資源，構(gòu)建裝配工序集合和生產(chǎn)資

源集合，并確定各個(gè)裝配工序之間的優(yōu)先順序。

步驟二、根據(jù)步驟一構(gòu)建的裝配工序集合和生產(chǎn)資源集合，綜合考慮生產(chǎn)資源的優(yōu)勢(shì)和

特點(diǎn)，結(jié)合每個(gè)裝配工序的可選生產(chǎn)資源，確定各個(gè)裝配工序的生產(chǎn)資源集合和工序時(shí)間集

合。

步驟三、根據(jù)步驟二構(gòu)建的生產(chǎn)資源集合和工序時(shí)間集合以及步驟一確定的裝配工序優(yōu)

先順序，優(yōu)化目標(biāo)為完工時(shí)間最小、生產(chǎn)總成本最低和裝配過程自動(dòng)化率最高，構(gòu)建人機(jī)協(xié)

作生產(chǎn)單元任務(wù)分配與作業(yè)調(diào)度集成決策模型，并通過非支配排序遺傳算法進(jìn)行求解，得到

目標(biāo)函數(shù)更優(yōu)的人機(jī)協(xié)作任務(wù)分配與作業(yè)調(diào)度集成決策方案。

2、物料分配

在生產(chǎn)線上，設(shè)備之間設(shè)置了物料緩存區(qū)，緩存區(qū)系統(tǒng)是制造系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部

分，用于協(xié)調(diào)各個(gè)設(shè)備之間的工作。這個(gè)區(qū)域既不能完全充滿，也不能完全為空。如果緩存

區(qū)充滿，前一臺(tái)設(shè)備生產(chǎn)完成的產(chǎn)品將滯留在該設(shè)備，導(dǎo)致生產(chǎn)線堵塞；如果緩存區(qū)為空，

下一臺(tái)設(shè)備將處于空閑狀態(tài)，從而降低生產(chǎn)效率。因此，在生產(chǎn)過程中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)物料

的狀態(tài)，一旦出現(xiàn)異常，及時(shí)檢測(cè)出問題所在，并采取相應(yīng)策略以確保生產(chǎn)線正常運(yùn)行。

緩沖區(qū)物料庫(kù)存分配問題是一個(gè)帶有整數(shù)變量的非線性問題，目標(biāo)封閉函數(shù)不一定可以

存在一個(gè)封閉函數(shù)形式的目標(biāo)解。由于一個(gè)目標(biāo)在目前生產(chǎn)線各個(gè)工位的實(shí)際任務(wù)執(zhí)行以及

作業(yè)的持續(xù)時(shí)間一般都常常是以其屬于隨機(jī)的流動(dòng)變化來衡量，因此可能會(huì)造成目前生產(chǎn)線

各個(gè)局部的線路堵塞，嚴(yán)重時(shí)甚至還有可能間接造成一個(gè)全線性的工作系統(tǒng)中斷，而對(duì)于目

前生產(chǎn)線中各個(gè)目標(biāo)和工作緩存區(qū)的合理配置則常常能很好地解決目前生產(chǎn)線各個(gè)工位間

的流動(dòng)不平衡性。

（1）最小安全庫(kù)存量計(jì)算：

根據(jù)生產(chǎn)線可靠度的不同要求，以平均修復(fù)時(shí)間的不同置信上限作為最長(zhǎng)修復(fù)時(shí)間。假

設(shè)對(duì)生產(chǎn)線可靠度要求為95%，則置信水平的臨界值為1.64，根據(jù)查正態(tài)概率分布表可得：

???

式中：-機(jī)器故障最大修復(fù)時(shí)?間?=???+1.64?(??)

???

??-表示設(shè)備故障間隔時(shí)間的數(shù)學(xué)期望值，即平均故障時(shí)間；

?

??17

-設(shè)備故障間隔時(shí)間，即故障修復(fù)時(shí)間；

當(dāng)機(jī)器?(?出?)現(xiàn)故障情況時(shí)，由緩存區(qū)對(duì)后續(xù)工序進(jìn)行輸送工件，直到機(jī)器故障得以修

復(fù)。其最??大修復(fù)時(shí)間如下所示：????

22

????2

(??+)??+?

???22?

式中：-故障機(jī)器??維修=時(shí)?間?的?對(duì)+數(shù)?均?值(?；?)=?+??[??1]

?-?故障機(jī)器維修時(shí)間的對(duì)數(shù)方差；

2

??-置信上限系數(shù)

最小?安全庫(kù)存是指前一工序的機(jī)器出現(xiàn)故障停機(jī)時(shí)，其庫(kù)存量能滿足下一工序機(jī)器需求

量的最小值。即滿足下面的公式：

，由上面的公式得到最小安全庫(kù)存量計(jì)算公式如下：

???

???≥?????

22

????2

(??+)??+

22??

式中：-第?i?個(gè)?=工序?機(jī)??器+的?最?小安??全?庫(kù)?存?量=；[?+??[??1]]???

???-表示下一機(jī)器的需求量，即需要從前一工件存儲(chǔ)區(qū)中獲取的工件數(shù)量；

由上??式可知，生產(chǎn)線的最小安全庫(kù)存量與生產(chǎn)線的瓶頸設(shè)備的最小生產(chǎn)率、可靠度高低、

發(fā)生故障的機(jī)器的修復(fù)時(shí)間等等有關(guān)，最低安全庫(kù)存對(duì)可靠性要求很高。維修技術(shù)的穩(wěn)定性

和維修時(shí)間呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，瓶頸機(jī)器的可靠性和生產(chǎn)率與相應(yīng)的安全技術(shù)和庫(kù)存量呈正相

關(guān)的關(guān)系。由此可知，可能發(fā)生故障的生產(chǎn)線的可靠性和生產(chǎn)率要求越低，平均故障修復(fù)時(shí)

間和恢復(fù)生產(chǎn)的時(shí)間越短，維修的技術(shù)越穩(wěn)定，瓶頸機(jī)器的可靠性和生產(chǎn)率越低，此時(shí)，最

低安全庫(kù)存越小。

（2）最大安全庫(kù)存量計(jì)算：

在生產(chǎn)過程中，本文定義了生產(chǎn)線的最大機(jī)器庫(kù)存，為在生產(chǎn)階段的庫(kù)存設(shè)計(jì)和控制提

供直接的依據(jù)和參考，合理設(shè)計(jì)設(shè)備的庫(kù)存控制，不僅能保證后續(xù)設(shè)備在安裝故障時(shí)的正常

生產(chǎn)，同時(shí)充分利用生產(chǎn)車間的庫(kù)存，降低生產(chǎn)成本，在原設(shè)備發(fā)生故障的情況下，通過車

間的完整庫(kù)存，有效減少生產(chǎn)時(shí)間和效率的損失。在設(shè)備出現(xiàn)故障停機(jī)時(shí)，緩存區(qū)

的壓力會(huì)大大增加，極易形成堵塞。前面i-1臺(tái)機(jī)器正常工?作?的概率公式為：???1

??1?=1??1????

?1?=Π1?1?=?

式中：-表示前i-1臺(tái)機(jī)器正?常?=工?作1的+概?2率+；?+???1

??1

?1?

18

-表示第i臺(tái)機(jī)器的故障率；

??L-表示連續(xù)求和；

最大安全庫(kù)存量在計(jì)算時(shí)，假設(shè)前面i-1臺(tái)機(jī)器不會(huì)發(fā)生故障停機(jī)，且故障機(jī)器在被修

復(fù)時(shí)緩沖區(qū)所達(dá)到的最大值。根據(jù)上述條件可得最大安全庫(kù)存量為：

???1

???1=????1+???min?(,???+??(??))

由上面公式可得：??

[?2?2]

??1??12

??????1+2???1+2???1

??1?

?=?+??+??[??1]

1

????

4.6人機(jī)協(xié)作通信技術(shù)??min?(?,??+??(?))

4.6.1人機(jī)協(xié)作通信概述

近年來，人機(jī)協(xié)作的概念引起了許多研究興趣。與傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人不同，人機(jī)協(xié)作結(jié)

合了機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)與人類工人的靈活性和認(rèn)知技能，可以在一個(gè)共享的制造環(huán)境中一起工作，

機(jī)器人需要準(zhǔn)確地理解人類的意圖，并能夠與人密切互動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)高效的人機(jī)協(xié)作，需要

解決人機(jī)與機(jī)器人之間的通信渠道。人機(jī)協(xié)作通信是指人類與機(jī)器人或機(jī)器設(shè)備之間進(jìn)行信

息傳遞、指導(dǎo)和合作的過程。它是實(shí)現(xiàn)有效的人機(jī)協(xié)作的關(guān)鍵要素，確保人員能夠與機(jī)器人

或機(jī)器設(shè)備進(jìn)行互動(dòng)和溝通，以共同完成任務(wù)和實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。人機(jī)協(xié)作通信需要簡(jiǎn)潔明了、

準(zhǔn)確無誤，并適應(yīng)不同人員和機(jī)器人/設(shè)備的特點(diǎn)和需求。隨著技術(shù)的進(jìn)步，基于視覺的手

勢(shì)識(shí)別作為人機(jī)交互的界面得到了有效的應(yīng)用。

4.6.2人機(jī)協(xié)作通信技術(shù)

手勢(shì)識(shí)別是指通過計(jì)算設(shè)備對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)解釋。為了與人類工人合作，機(jī)器人需要

正確地理解人類的手勢(shì)，并基于手勢(shì)有效地采取行動(dòng)。在人機(jī)協(xié)作制造環(huán)境中，應(yīng)該在人類

和機(jī)器人之間提供一種自然的手勢(shì)交流形式。

本文提出了一種特殊的基于視覺的人機(jī)協(xié)作手勢(shì)識(shí)別