一种基于模拟退火算法的高级计划排程系统

1.本发明涉及到智能工厂，尤其涉及一种基于模拟退火算法的高级计划排程系统。


背景技术：

2.随着信息技术的飞速发展，制造业的信息传递也越来越方便，客户的需求越来越个性化发展，制造业面临的不再是传统的款式单一，批量较大的订单，而是个性化、小批量、多款式的订单。随着订单类型发生变化，生产排程的方案组合也越来越多，订单小型化的出现导致工厂换线频率越来越高，换模时间过长，导致生产效率低下。在多品种、小批量的生产模式下，快速的制定出可行的生产计划就显得尤其重要，成为了对工厂管理的一个评定标准。当下中小型企业大多采用人工排程的方式，在面对多品种、小批量的订单时，很难在短时间内制定出可行的生产计划；同时人工排程难以考虑资源约束和能力约束，容易导致排程计划超出工厂的生产能力；同时当发生突发状况时，人工排程难以快速做出响应，迅速给出新的生产计划。
3.高级计划排程系统主要是解决工厂的生产计划排程和生产调度问题。同时，也对企业的资源配置进行优化，综合考虑工厂的资源约束和加工产能的约束，对计划的开始时间和完成时间进行预估，在给定的条件下制定出多种可行方案，对方案进行评估选择出最优方案，进而提高企业的管理水平和决策能力。
4.流水作业车间排程的方法有很多，主要包括最优化方法，启发式方法，近似方法，智能优化算法。最优化方法虽然能够提供最优的排程，但离实际运用存在较大距离。最优化方法计算过程复杂，忽略了许多实际因素。诸如动态规划、分支定界算法等基于最优化的方法，由于其所求最优解的局限性，只能对部分可行解做出所谓的最优化判断，因此只能解决小规模的排程题。各种启发式或近似方法虽然能够在合理时问内获得比较满意的排程结果，实际应用也非常广泛，但是一般不能对结果的次优性进行评估，与最优解的距离也就不得而知了。遗传算法模拟了生物进化的过程，从初始解出发经过多次迭代进化的过程进化到最优解空间。遗传算法受进化次数和种群规模的限制，容易形成早熟。退火算法模拟物理学固体的退火过程，实际的求解中，它先从初始解的邻域内搜索新解，搜索的新解采用metropolos接受准则来判断是否接受新解，直到不再接受新解为止的最小值搜索算法。


技术实现要素：

5.针对上述存在的问题，本发明提供了一种基于模拟退火算法的高级计划排程系统，利用模拟退火算法的邻域搜索、跳出局部最优的特性，在比较复杂的解空间当中避免局部最优，得出解决方案种群中的最优方案，解决流水作业车间的排程问题。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于模拟退火算法的高级计划排程系统，该系统包括：工厂管理模块、库存管理模块、生产排程管理模块和生产计划展示模块；
7.所述工厂管理模块与库存管理模块为生产排程管理模块提供了所需要的排程条
件和数据，所述生产排程管理模块与生产计划展示模块相连，由生产排程管理模块得出来的目标排程方案在生产计划展示模块进行展示；
8.所述工厂管理模块与工厂的数据库进行连接，对工厂的设备信息、员工信息、加工工艺卡片、bom表进行存储；
9.所述库存管理模块用于对工厂仓库里的成品的订单号、数量、型号进行实时显示，同时对原材料的库存进行管理，并分为安全库存和实时库存；
10.所述安全库存用于为仓库设置原材料的最低警报线，当实时库存低于安全库存时，进行报警处理，提示原材料即将不足，需要提前进货，避免后续影响生产；
11.所述生产排程管理模块用于工厂中的订单管理、排产管理、排产范围管理、调度规则管理和约束条件管理；
12.所述订单管理用于对工厂从客户所接受到的订单进行管理，以及对客户临时对订单的修改做出相应的信息处理，其中包括订单导入、订单查询和订单修改；
13.所述排产管理用于选定排程的规则，所述排产范围管理用于对排程计划的开始时间点以及结束时间点进行确定，同时对超出生产能力的订单进行标记；
14.所述调度规则管理用于在加工设备加工完一个订单后，暂存区中存在多个订单时，对其中的订单号选择优先级，通过考虑最短加工时间或暂存区数量最小化来进行订单号选择的判定；
15.所述约束条件管理用于在生产排程时考虑有多少条产线用于生产，以及产线上面有多少可出勤员工，暂存区能够储存多少在制品，通过模拟退火算法，在满足约束条件的同时给出最优的高级排程计划；
16.所述生产计划展示模块用于对排程得出的结果进行展示，通过采用表格和甘特图的方式，展示出每一天的具体工位的任务排班，或浏览一段时间内的宏观计划排程安排。
17.进一步地，所述工厂管理模块包括设备管理、员工管理和bom表管理，所述设备管理用于对新引进的设备信息进行添加，对正在维修中的设备进行标记，对已经淘汰报废的设备信息进行删除；
18.所述员工管理用于对产线上员工的工位分配、员工的数量和出勤情况进行管理，所述加工工艺管理用于对产品的加工流程、准备时间和加工时间进行记录；
19.所述bom表管理用于记录生产单位成品所需要的原材料的型号和数量，为后续排程提供数据支持，为后续的计划排程进行了资源约束。
20.进一步地，所述工厂管理模块还包括加工工艺管理，加工工艺管理包括新增工艺、工艺信息展示he1工艺修改；
21.所述新增工艺有手动在工厂管理模块中直接新建加工工艺卡片和从excel中导入表格两种功能；
22.所述工艺信息展示是对产品的具体的加工流程进行展示，其中的信息包括了产品的订单号、工序号、工序名称、计划数量、准备工时、加工工时、加工所需要的设备型号和数量，以及具体的加工操作步骤；
23.所述工艺修改用于对工厂中机器升级或者是对工艺进行了优化之后，将新的工艺更新到工艺卡片之中，工艺修改还包括工艺删除操作，是对工厂内不再生产的产品型号对其工艺删除避免占用内存。
24.进一步地，显示实时库存是把仓库中的各种货物的数量、型号、位置实时的显示出来，同时显示出仓库的可利用空间的大小，方便对货物的统计、拿取和存放工作。
25.进一步地，所述订单管理包括订单导入、订单查询和订单修改；
26.所述订单导入用于对新的订单到达后，将订单里的产品型号、数量、交期时间以及附加要求记录到数据库中保存；
27.所述订单查询用于通过输入订单号、客户编号或者产品型号来检索出所有具有相同搜索特征的订单信息；
28.所述订单导入用于将从客户那边得到的新的订单信息输入到排程系统当中，输入方式选择手动输入或excel进行导入；
29.所述订单修改用于对已经输入到系统中的订单的信息进行修改，当客户后续更改订单信息以及人工输入订单信息发生错误时，能够对已经输入系统中的订单信息进行修改或者删除。
30.进一步地，所述排产管理是对主生产计划制定时的优先级规则的管理，其中具体包括顺序排产、逆序排产、最大订单量、最早到达时间、最早交期时间、最短空余时间和最小订单量，当订单信息全部输入到系统中后，通过确定排产的时间范围已经所需要参与的订单号，根据选定的排产规则生成主生产计划。
31.进一步地，所述调度规则管理用于机器加工完一个订单后，在暂存区中存在多个订单实体时，选定订单实体的规则，所述约束条件管理包含了人力资源约束，物料资源约束和暂存区大小的约束；
32.当主生产计划确定后，加工线的第一道工序会按照主生产计划进行生产，但生产线会存在暂存区有多个订单号实体的情况，为了避免后续机器频繁换模，将后续的机器组分开加工不同订单的实体，在每个暂存区都具有多种选择实体的规则，包括先到先服务、库存最小化、设备利用率最大化，设备利用率最高和最短加工时间规则，考虑约束条件，采用模拟退火算法对在不同暂存区的选择规则进行模拟推算，得出车间作业计划。
33.本发明的有益效果：
34.本发明中通过采用退火算法，并对生产情况的约束进行考虑，提出了最短交期时间、最大订单量、先到先服务等多种调度方案，通过退火算法的领域搜索，并采用metropolos接受准则判断是否接受新解，并在最后得出的几个方案当中进行评测，选出最符合设定目标的作业排程方案。
35.本发明采用了b/s的部署方式，减少了对硬件的要求，同时系统有管理员权限，系统管理者通过管理员账号和密码登录系统，可以对系统里面的功能模块进行调整，也可以对其他登录人员的权限进行设置，避免信息泄露。
36.本发明提供的基于模拟退火算法的高级计划排程系统，对订单数据和系统基本数据是支持采用excel表格直接导入的，减少了人工输入的成本，同时也可以避免人为操作所导致的错误，加快了数据准备的速度，提高了排程系统的高效性。
37.本发明操作具有简便性，不需要大量的工作经验，通过模拟退火算法可以快速得出可行方案，减少了工厂生产的等待时间，对约束条件的考虑，使得排程结果具有可行性，不会发生超出资源能力的情况，采用系统排程也可以快速应对突发情况，只需要对应修改系统中的信息即可快速重排，提升了企业的反应能力。
附图说明
38.图1为本发明实施例提供的系统组成图；
39.图2为本发明实施例提供的工厂管理模块的结构图；
40.图3为本发明实施例提供的加工工艺管理模块的结构图；
41.图4为本发明实施例提供的库存管理模块的结构图；
42.图5为本发明实施例提供的生产排程管理模块的结构图；
43.图6为本发明实施例提供的订单管理模块的结构图。
具体实施方式
44.以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。
45.目前国内工厂大多还采用手动排程的方式，这就造成效率低、工作量大、排程结果较差的情况，手动排程只能适合小规模的排程问题，当订单量较大之后，手动排程就会很难实现，这个时候很多工厂就会按订单到达时间的先后，或者是哪个订单交期靠前优先生产哪个，这样会造成换模次数多，设备利用率差的，生产效率低下的问题。本发明中通过采用退火算法，并对生产情况的约束进行考虑，提出了最短交期时间、最大订单量、先到先服务等多种调度方案，通过退火算法的领域搜索，并采用metropolos接受准则判断是否接受新解，并在最后得出的几个方案当中进行评测，选出最符合设定目标的作业排程方案。
46.本发明采用了b/s的部署方式，通过网页部署的系统，用户不需要下载客户端文件，减少了对硬件的要求，同时系统有管理员权限，系统管理者通过管理员账号和密码登录系统，可以对系统里面的功能模块进行调整，也可以对其他登录人员的权限进行设置，在员工离职后，系统管理员可以直接删除系统中该员工的账号，避免信息泄露。
47.如图1所示，在本发明实施例中，一种基于模拟退火算法的高级计划排程系统，所述基于模拟退火算法的高级计划排程系统，包括：工厂管理模块、库存管理模块、生产排程管理模块和生产计划展示模块；
48.工厂管理模块：用于对工厂的设备信息、员工信息、加工工艺卡片、bom表进行存储和修改，供使用者查看；所述工厂管理模块对工厂的设备信息、员工信息、加工工艺卡片、bom表进行存储。
49.如图2所示，工厂管理模块包括设备管理、员工管理、加工工艺管理和bom表管理。
50.所述设备管理用于对工厂内部加工设备的型号、状态、台数等信息进行管理；所述员工管理用于对工人的岗位、智能、出勤率进行管理；所述加工工艺管理用于对工厂所生产的产品工艺进行记录，用于指导各种型号的产品生产，展示产品的生产流程；
51.所述bom表管理用于展示生产一个成品所需要的各种原材料的型号和数量，为物料需求计划提供了数据支持，为后续的计划排程进行了资源约束。
52.如图3所示，加工工艺管理包括新增工艺、工艺信息展示和工艺修改；
53.所述新增工艺包含了在系统中内部新建工艺卡片和从excel中导入表格两种功能；
54.所述工艺信息展示是对产品的具体的加工流程进行展示出来，其中的信息包括了产品的订单号、工序号、工序名称、计划数量、准备工时、加工工时、加工所需要的设备型号和数量，以及具体的加工操作步骤；
55.所述工艺修改用于对工厂中机器升级或者是对工艺进行了优化之后，将新的工艺更新到工艺卡片之中，工艺修改还包括工艺删除操作，是对工厂内不再生产的产品型号对其工艺删除避免占用内存。
56.库存管理模块：用于对工厂仓库里的成品的订单号、数量、型号进行实时显示，同时对原材料的库存进行管理；
57.如图4所示，库存管理模块包括安全库存和实时库存；
58.所述安全库存主要是为各种原材料定义一个库存安全指标，当实际库存低于安全库存时，会进行提醒，这样可以省去订货提前期的计算问题，并且比较直观的反映出什么时间点该进行订货，避免因为原材料不足影响生产的情况；
59.所述实时库存是把仓库中的各种货物的数量、型号、位置实时显示，比较方便对货物的统计和拿取工作，同时可显示出仓库的可利用空间的大小，方便货物的存放；
60.生产排程管理模块：用于工厂中的订单管理、排产管理、排产范围管理、调度规则管理和约束条件管理；
61.生产计划展示模块；用于对排程得出的结果进行展示，通过表格和甘特图的方式，既可以展示出每一天的具体工位的任务排班，也可以形象生动地浏览较长一段时间的宏观计划排程安排；
62.如图5所示，生产排程管理模块用于工厂中的订单管理、排产管理、排产范围管理、调度规则管理和约束条件管理；
63.所述订单管理用于对工厂从客户所接受到的订单进行管理，以及对客户临时对订单的修改做出相应的信息处理；
64.如图6所示，所述订单管理包括订单导入、订单查询和订单修改；
65.所述订单导入用于将从客户那边得到的新的订单信息输入到排程系统当中，其中可以手动输入也可以采用excel进行导入，从而大大降低人工工作强度；
66.所述订单查询用于从系统中查询相应的订单信息，直观的观察出后续工厂的工作量的大小，订单查询可以查询出订单号、客户编号、产品型号和产品数量；
67.所述订单修改用于对已经输入到系统中的订单的信息进行修改，当客户后续更改订单信息以及人工输入订单信息发生错误时，可以对已经输入系统中的订单信息进行修改或者删除。
68.所述排产管理用于选定排程的规则，是最短交期时间、最大订单量、先到先服务等排产的优先级进行选择；
69.所述排产范围管理用于对排程计划的开始时间点以及结束时间点进行确定，同时对超出生产能力的订单进行标记并剔除；
70.所述调度规则管理用于在机器加工完一个订单后，暂存区中存在多个订单时，对其中的订单号选择的优先级，通过考虑最短加工时间或暂存区数量最小化来进行订单号选择的判定；
71.所述约束条件管理用于在生产排程时考虑有多少条产线用于生产，以及产线上面有多少员工是可以出勤的，暂存区可以储存多少在制品等约束，在满足约束条件的同时给出最优的高级排程计划；
72.所述调度规则管理用于机器加工完一个订单后，在暂存区中存在多个订单实体
时，选定订单实体的规则，所述约束条件管理包含了人力资源约束，物料资源约束和暂存区大小的约束，当主生产计划确定后，加工线的第一道工序会按照主生产计划进行生产，但生产线并不是流水线的生产方式，会存在暂存区存在多个订单号实体的情况，为了避免后续机器频繁换模的情况，将后续的机器组分开加工不同订单的实体，在每个暂存区都具有多种选择实体的规则，包括先到先服务、库存最小化、设备利用率最大化，设备利用率最高和最短加工时间等规则，考虑约束条件，采用模拟退火算法对在不同暂存区的选择规则进行模拟推算，先从初始解的邻域内搜索新解，采用metropolos接受准则判断是否接受新解，并在最后得出的几个方案当中进行评测，选出最符合设定目标的作业排程方案，得出车间作业计划。
73.所述生产计划展示用于对主生产计划、车间作业计划进行展示，通过表格和甘特图相结合的方式进行展示，采用表格可以方便查看具体的每个机器的车间作业计划，方便单独打印出来用于指导生产，可以快速查询，所述甘特图方便对整体的生产计划顺序进行调节，通过手动拉动可以直观的看出计划生产量是否超出生产能力以及相同的时间点是否有多个计划安排产生了冲突。
74.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非限制于本文所描述的形式，不应当被看作是对其他实施例的排除，而是可以用于各种其他组合、环境和修改，并能够在本文所描述构思范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。