本文是一篇工程管理论文，本文针对W公司作业车间多目标生产调度问题，提出了一种改进粒子群的优化算法。将聚群思想引入粒子群算法中，以解决普通粒子群算法陷入局部最优的问题。
第1章 绪论
1.1 研究背景与目的
1.1.1 研究背景
随着《中国制造2025》战略规划的落地，及供给侧结构性改革的稳定有序推进，中国经济正处于向高质量发展转型的关键时期，制造业发展不仅是社会进步的基础、经济增长的关键，更是立国之本、兴国之器、强国之基。同时，中国制造 2025 明确提出加快工业化与信息化的深度融合，推动传统制造业升级转型，向智能制造迈进。
随着国际环境的日趋复杂，大国之间的竞争也趋于白热化，国防力量的加强也已成为必然之势。我国航空事业的突飞猛进，对航空产品的需求也是趋于多元化，研制产品的数量、种类近年来也是快速增长，此类产品多品种、小批量，且制造过程复杂、要求高、耗时长，对生产组织管理的要求越来越高。为了应对发展形势变化、保持竞争优势，航空制造企业纷纷采用柔性生产模式来实现多品种、小批量的产品生产。
制造企业的柔性生产模式体现在作业车间和供应链的反应能力上，要求制造企业能够根据需求变化做出快速响应。作业车间是制造企业的主体，是制造企业生产的核心，是制造企业从事生产制造或提供服务以直接产生经济效益的一线单位。
作业车间的柔性包括车间内资源（工人与设备）的使用和资源的安排两个方面：使用的柔性是指一个资源不同时刻可以用于多个工件的多道工序加工；安排的柔性是指工件的加工资源不是固定或预先确定的，具有可选择性。柔性生产能够及时响应内部或外部的变化，拥有快速、低成本地切换生产品种的能力，且能够精准调整产能，使之和需求保持一致，避免产能不足或产能过剩。在实际生产中，作业车间需要根据生产计划的要求来组织日常生产活动的工作，即车间内的柔性资源配置与调度，它是生产运营管理中的核心部分，关系着响应能力和生产效率的高低，对于缩短产品生产周期、提高设备利用率和工人劳动生产率都有着重要影响。
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1.2 多品种小批量作业车间调度研究现状
1.2.1 作业车间调度国内外研究现状
二十世纪五十年代中期，诸多学者就开始研究作业车间调度问题（Job-Shop Scheduling Problem，JSP），其调度模型即是典型的NP-hard组合。调度问题逐渐受到工程技术、应用数学、运筹学和经济学等领域等科学家的重视，他们利用线性规划、整数规划、目标规划、动态规划及决策分析方法，研究并提出了一系列具有代表意义的调度和优化策略，用于制造企业提高生产效率和降低生产成本[1]。
1954年，Johnson通过对两台加工设备的排产问题进行研究，以Flow-Shop型调度问题为出发点，针对作业车间调度问题提出了启发式的Johnson规则用以实现最小化的完工时间，这被视为调度理论研究的开始[2]。Story运用数学规划法解决作业车间调度优化问题[3]，与此同时，Gavett在此基础上提出优先分配原则，进一步对车间调度问题进行优化[4]。随着调度理论研究的不断深入，更多的学者调整研究方向，基于生产实际现状，即从简单调度环境调整为复杂调度环境，探索出一些复杂调度理论方法，20世纪70年代，更多的学者将作业车间调度问题划归为NP-hard问题，至此，进入启发式算法时代，如Panwalker等人通过总结前人的理论研究经验，结合作业车间实际情况，归纳出113条调度优化规则，为后来的分派规则法奠定了理论研究基础，同时，也诞生了一系列启发式算法[5]。王彦凯等人先提出了一种多目标数学模型（MOHFSP-DRP），该模型同时考虑了DRP和器件的可调处理模式。该模型的双目标是最大限度地减少制造跨度和整个设备的能耗。然后提出一种改进的多目标鲸鱼优化算法（IMOWOA）来求解MOHFSP-DRP，并获得基于帕累托的最优解集[6]。张富生对根据某公司作业车间调度问题展开调研，对问题进行数学描述和简化，建立了静态调度算法模型，同时采用改进后的遗传算法进行仿真验证，其中对编码译码和解码、对初始种群选择、目标函数和遗传算子等进行了改进，通过仿真验证了改进后遗传算法的可行性；再次，结合滚动窗口技术和作业车间静态调度遗传算法，研究了一种以事件驱动和周期驱动重新调度相结合的动态调度策略 [7]。
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第2章 多品种小批量W公司调度现状分析
2.1 W公司生产现状
W公司隶属航空工业集团下的一个辅机公司，始建于上世纪50年代末期，历史醇厚。专门从事航空电机、电作动、照明及机载计算机的开发研究和制造，产品广泛应用于各种飞机的操纵、燃油、电源、发动机、环控、导航、轰炸和告警等系统。经过六十多年发展，公司在飞机座舱盖升降、襟翼收放、飞控配平/调效等领域形成了传统优势项目，确定了以航空电作动和驱动装置等六大专业为核心，按照“电机+”思路，推进专业拓展。
W公司产品生产以多品种、小批量的生产订单为主，装配产品结构复杂、精度要求高、加工难度大。公司拥有完善的机加体系、特种工艺和试验检验资质，能够全面满足航空、航天等多方面电机、照明装备需要，在检测、材料成型、试验、热处理及表面处理等方面具有专业技术能力。在机加能力方面，公司目前拥有 700 余台/套生产、检验、检测设备，基本全部采用自动化批产设备，先进程度处于国内领先地位。公司研制的产品已成功应用于航空航天各类重大国防项目，在行业整体产业布局中具有极为重要的配套支撑作用。
W公司作业车间加工设备齐全，车间建设精益生产单元，针对多品种小批量产品的生产可以满足基本市场需求，但单元与单元之间、主制车间与辅制车间转工机动性差，作业车间柔性不足，其生产设备受加工工艺、生产场地等条件限制而不能完优化重组，车间现场如图2.1所示。
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2.2 W公司生产现状
2.2.1 W公司生产情况
W公司也面临与其他国企相同的现状，即加工设备自动化水平不一，作业人员的作业能力差距明显，同时管理水平也未能跟上行业发展水平，应对设备故障、紧急插单等突发情况应变能力不足。
为了应对多品种、小批量这种生产模式，W公司的生产作业车间将设备按工艺原则布置属于柔性作业车间。同时作业车间的资源往往存在性能差异，如生产设备的新旧、工人的熟练程度与经验高低等，导致了它们的生产效率和成本的不同；其次，设备的性能、工人技术的差异也带来了成本的不同，生产的排产还会影响到工人排班，那么，随着各种生产资源的投入使用，各种生产资源都会存在不同程度的损耗，突发的设备故障、人员岗位变动等都会影响柔性作业车间的生产排产，设备的维护及资源的投入使用也是符合实际的。
随着各航空工业主机精益化和准时化生产管理工具的引入，以及成本管控意识的提高，各主机单位对配套生产单位的需求模式发生转变，由原来的订货会（集中订货）转变为按节拍需求订货，加之其他因素，如综合排产不准确、服务保障等临时订单，造成各配套生产单位生产模式由“多品种、小批量”转变为“多批次、多品种、小批量”，需求批次的增加，使得配套单位原本有序的生产组织模式发生波动，如何在不影响原有生产交付节点、生产成本可控的前提下，确保客户紧急订单有效实现，成为本文研究的一个重要方面。
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第3章 柔性作业车间多目标生产调度问题 ......................... 18
3.1 调度问题及目标描述 .......................... 20
3.2 多目标调度优化模型建立 .......................... 21
第4章 基于紧急插单的柔性车间生产调度研究 .................................. 31
4.1 考虑紧急插单下的调度模型 ...................................... 32
4.1.1 模型参数设定 .................................... 32
4.1.2 调度优化目标 ................................... 33
第5章 W公司生产调度系统的设计与开发 ................................... 41
5.1 调度系统设计概述 ............................ 41
5.1.1 需求分析...................................... 41
5.1.2 整体功能分析 ....................................... 43
第5章 W公司生产调度系统的设计与开发
5.1 调度系统设计概述
5.1.1 需求分析
系统开发前对与生产订单相关的主要操作人员开展需求分析调研，主要内容调研如下：
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在对各个操作人员的调研中，形成主要的系统开发需求线路，主要集中在对基础数据、生产流程、看板等几方面，主要调研内容如下：
（1）基础数据需求
生产用基础数据来源于上游系统，基础数据由PDM集成至结构化工艺系统，结构化工艺系统集成供应链管理系统，供应链管理系统集成至调度系统，包括产品BOM、零组件BOM、工艺资源、工艺规程、定额、设备、工装工具等信息。
（2）生产流程
调度系统在生产计划有编制功能，且生产计划可下达至相应工段，实现计划由上至下传递，信息由下至上反馈的流程。
生产数据采集：机床在制品、机床加工节拍、工装使用情况、程序准备情况等基本信息可以在调度系统实时显示或查询，便于生产人员快速搜寻信息。
转工件跟踪：作业车间存在多项零组件转至热表处理厂进行表面处理工作，系统可实现转出时间、转入时间、转出数量等信息记录跟踪模块，通过反馈使计划人员及时掌握车间加工的实际状态。
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第6章 结论与展望
我国航空事业的突飞猛进，对航空产品的需求也是趋于多元化，研制产品的数量、种类近年来也是快速增长，此类产品多品种、小批量，且制造过程复杂、要求高、耗时长，对生产管理的要求越来越高。为了应对发展形势变化、保持竞争优势，航空制造企业纷纷采用柔性生产模式来实现多品种、小批量的产品生产。基于此，本文W公司作业车间为例，就多目标及紧急插单调度问题开展研究。现将本文主要工作内容总结如下：
1.在对国内外有关多目标调度和紧急插单调度优化问题的相关研究调查基础之上，结合W公司作业车间的业务特点对作业车间的基本情况进行简介，对作业车间的生产能力、设备情况进行概述，对柔性作业车间调度方法进行阐述和分析为后文的相关研究奠定了基础。
2.针对多品种小批量的柔性混流生产使得调度方案多变、差异大的问题，构建一套基于多目标的柔性混流作业车间调度模型，采用聚群的思想改进粒子群优化算法，形成调度优化方案。同时，以作业车间实例数据验证所提出的算法正确性，得到模型及算法的有效性。
3.针对多项目的状态下，面对新品紧急插单时需要考虑现加工零组件的需求优先级、设备加工能力、确定产量指标，平衡紧急插单与劳动力、物料供应、生产技术之间的关系，提出一种基于序关系法的指标评价体系，基于最小化完成时间构建了调度模型，并提出一种基于交叉选择的多目标蝗虫优化算法，解决紧急插单的动态调度问题。
4.结合软件模块设计的相关原则，本文开发了作业车间调度系统，并通过前测试案例验证了软件模块的可行性。
参考文献（略）