61、小批量系列的通用可扩展生产计划与控制系统

最新推荐文章于 2025-10-08 10:57:10 发布

Light

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分类专栏：工业物联网与智能制造的未来文章标签：工业4.0 智能工厂网络物理系统

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小批量系列的通用可扩展生产计划与控制系统

1. 引言

如今，大多数公司都面临着有效且高效运营的迫切需求。由于许多业务参数的可预测性降低，全球市场变得更加动态，传统的生产和物流系统设计与运营方式已难以应对新挑战。这些挑战主要源于供应链全球化、产品周期缩短、大规模定制以及交付速度提升。

以汽车行业为例，目前大众市场车辆通常采用连续流制造系统生产，由高效的生产线和装配线组合而成。车辆遵循既定的生产步骤顺序直至组装完成。集中式生产计划与控制方法虽能确保生产流程顺畅，但需要在 IT 基础设施和生产设备上进行大量投资，且更适合需求确定的市场，而这种市场并非普遍存在。

汽车行业的新趋势，如电动汽车的推出和工业 4.0 技术的应用，给现有生产系统带来了挑战。这些挑战包括销售市场的波动性导致对灵活性的需求增加、不可预见的技术发展、更短的生产周期以及产品个性化程度的提高。

工业 4.0 的愿景为解决这些挑战提供了思路，即通过智能工厂的概念。智能工厂具有可扩展性，通过分散控制策略（如多智能体系统用于物料流和程序规划）以及物联网和网络物理系统等技术实现高度灵活的运营。在智能工厂的范畴内，需要探索分散式程序规划方法以及网络物理系统在装配任务中的应用。SMART FACE 项目开发了一种半集中式生产计划方法，本文旨在探讨这一概念的潜力、优势和待解决的问题。

2. 基于网络物理系统的工业 4.0

“工业 4.0”这一术语近年来被广泛讨论，但定义不一。不过，所有相关研究都认同通过连接现实世界和数字世界来提升生产和增值系统。工业 4.0 实现了公司内部和公司之间所有流程、控制和管理层面的垂直和水平整合，相关技术使货物制造和服务提供能够实现高效、分散和灵活的控制。

从技术角度看，工业 4.0 基于嵌入式系统的网络物理系统（CPS），并集成到物联网和服务的通信基础设施中。实现 CPS 需要多种技术达到一定成熟度，Bischoff 等人的研究确定了七个关键技术领域，包括通信、传感器、人机交互、软件和系统技术等。

通信方面，无线实时通信对于 CPS 应用至关重要，因为 CPS 通常包含移动设备或执行本地决策的对象。传感器为 CPS 提供所需数据，智能传感器还能提供信息。人机交互需要高可用性的无缝接口。高效的软件和系统技术（如机器学习和多智能体系统）确保 CPS 在制造和物流应用中的成功实施。SMART FACE 项目在提升智能传感器、定位、路径规划和多智能体系统等技术的同时，重点关注小批量生产系列的程序规划。

3. 智能工厂与智能物流

过去五年德国的工业 4.0 研究项目显示，大部分项目集中在生产领域。然而，仅改进生产技术以实现自控和自主制造系统，无法达成高效和自组织的增值生产网络目标。公司内机器的水平虚拟连接和物理互联是成功实施基于 CPS 的工业 4.0 的关键因素，因此生产和装配单元之间以及不同公司之间的高效物料流至关重要。

物流在产品生命周期中是重要环节，但与生产仍存在差距，尤其是在规划和控制以下的功能方面。SMART FACE 项目致力于开发智能高效的物流流程及其规划和控制，有助于在整个供应链和生产链中实现基于 CPS 的工业 4.0 的集成应用。

4. 冲突领域：确定性规划与分散控制

采用分散控制系统涉及自主性程度的战略权衡，主要存在以下两个冲突点：
- 从确定性到概率性 ：传统分层控制系统的确定性与自组织和自主 CPS 中事件的概率性之间存在权衡。使用自主和自控实体可提高灵活性，避免不同实体组之间的依赖，增强系统对新需求和性能变化的适应性。但目前的建模和仿真工具难以对这类灵活系统的控制和行为进行确定性预测。单个自主实体的行为是确定的，支持实时决策，但多个自主实体组的协作或群体行为则不再具有确定性。最终，当确定性规划的事件无法发生时，人们更倾向于具有一定高概率的非确定性预测事件。
- 从预规划序列到最大灵活性 ：定时规划和集中控制与 CPS 的按需行为之间存在权衡。自主系统存在闲置和等待时间的风险，会降低生产率。系统中实体的技能数量越多，这种风险越低。除了为实体赋予更多技能，还可以通过在有限时间窗口内进行本地预规划来解决问题，但这需要付出规划成本。充分利用新的灵活性需要公司管理层转变思维，管理层和操作人员也需要学习如何使用新系统。在生产线上出现故障时，传统生产线的生产率会降为零，而灵活系统仅受影响的部分停止生产。按需行为的主要优势是能以最小的努力应对系统的一般变化。

5. 概念方法

SMART FACE 项目基于三个成熟的基本原则构建基于 CPS 的生产系统：
- 批量规划 ：这是一种常见的制造订单履行顺序规划方法。与生产线的连续制造过程不同，批量生产技术可以计算在生产过程转换或产品变更前制造相似产品的最佳数量。批量大小和调度仍是当前的研究热点，例如在两步或两阶段订单拣选系统中，通过将大量客户订单合并为拣选订单，可以减少拣选员的行走时间。SMART FACE 概念中的体积周期方法类似于此，在规定时间内整合一定数量的生产订单。
- 分形公司 ：该概念将生产线的刚性连接分解为分散的自相似单元。分形是一种在不同尺度下具有相似外观的图形结构，在自然科学和数学的混沌理论中有研究。将分形概念应用于生产工厂，每个分形单元都是自主、动态和自相似的，能够自我组织和优化，但遵循公司的基本战略。分形单元需要高效的信息和通信系统，SMART FACE 项目将这一概念应用于规划和车间生产控制之间的衔接。
- 自主工作小组 ：这是劳动分工和组织的一种特殊形式。小团队承担复杂任务，团队成员自主组织和控制子任务，传统的管理职能（如工作准备、组织和输出监控）被下放给团队。自主工作小组可以提高效率、灵活性并减少规划工作量，但也存在不公平性和需要管理层和员工转变思维的问题。随着自动化程度的提高，团队成员主要作为机器操作员，绩效差异得到平衡，该概念变得更具吸引力。

在这个新的概念中，分形公司的自相似单元由 CPS 表示，同时结合人类工人形成新的自主工作小组形式，利用大量自动化 CPS 来弥补工作绩效不均的缺点。

6. 利用灵活性潜力

传统汽车装配线按严格的线性顺序执行多个工艺步骤，虽然可以优化流程以提高整体性能，但存在明显的缺点。单个机器故障可能导致整个装配线停止，而且随着大规模定制和电动汽车市场的发展，产品多样性显著增加，给集中和线性组织的生产系统带来了巨大挑战。

一项关于汽车装配结构和依赖关系的案例研究表明，约 76%的装配步骤具有灵活性，即这些步骤可以在当前时间点之前或之后执行。但要利用这种灵活性并不容易，需要应对新的挑战并进行重大概念变革。

为了量化引入相关概念的预期效果，可以创建灵活性图。图中顶点表示装配过程步骤，边表示它们之间的依赖关系。通过灵活性图可以识别关键路径，即图中最长的路径，该路径上的任何延迟都可能导致产品交付延迟。图中的灰色箭头表示某些步骤的灵活性潜力，这些步骤可以提前或推迟执行。

为了实现这种灵活性并降低故障风险，有两个重要的设计方面：
- 自相似装配岛 ：基于分形公司的理念，装配岛具有多种功能，并配备智能传感器以应对环境变化。例如，当车辆检测到附近装配岛的故障时，岛上的工业机器人可以动态提供支持，但这也需要在生产规划中考虑岛屿之间的明确运输，与传统装配线的传送带运输方式不同。
- 能力冗余 ：提供冗余能力可以在故障发生时重新安排任务，例如多个能够执行相同任务的装配岛或车辆。这使得生产在故障情况下能够继续进行，并应对大规模定制的需求，但会增加冗余成本，需要在投资成本与可能的收益损失和合同罚款之间进行权衡。

此外，这种分散式智能工厂的设计还考虑了可扩展性和适应性。通过灵活集成装配站和运输车辆，可以添加新的工业建筑，并且可以根据工作负载动态调整车辆和站点的数量，以提高性能并节省能源。

需要强调的是，人类工人在这种分散式智能工厂中仍然是不可或缺的，因为人类具有最高的灵活性。随着机器复杂性的增加，工人的要求和技能也需要相应提高，同时可以通过自适应监控和辅助系统来支持工人的工作。

以下是一个简单的 mermaid 流程图，展示了智能工厂中生产流程的基本逻辑：

graph LR
    A[客户订单] --> B[生产规划]
    B --> C[装配岛任务分配]
    C --> D{是否有故障?}
    D -- 否 --> E[正常生产]
    D -- 是 --> F[冗余资源调度]
    E --> G[产品完成]
    F --> E

表格：关键技术及其作用
| 技术领域 | 作用 |
| ---- | ---- |
| 通信 | 无线实时通信支持 CPS 移动设备和本地决策 |
| 传感器 | 为 CPS 提供数据和信息 |
| 人机交互 | 提供高可用性的无缝接口 |
| 软件和系统技术 | 如机器学习和多智能体系统确保 CPS 实施 |

列表：实现灵活性的设计方面
1. 自相似装配岛：多功能、智能传感器、应对环境变化
2. 能力冗余：多个可执行相同任务的资源、应对故障和定制需求

7. 生产计划的新方法：体积周期

在生产计划领域，传统的方法在应对当今复杂多变的市场环境时逐渐显现出局限性。而体积周期作为一种新的生产计划方法，在 SMART FACE 概念中具有重要意义。

体积周期的核心思想是在规定的时间内整合一定数量的生产订单。这类似于批量规划的理念，但又有其独特之处。传统的批量规划主要侧重于计算在生产过程转换或产品变更前制造相似产品的最佳数量，而体积周期更强调在一个特定的时间框架内，对不同类型的生产订单进行合理整合。

这种方法的优势在于能够更好地适应市场需求的多样性和波动性。通过在规定时间内集中处理一定数量的订单，可以提高生产效率，减少生产过程中的切换成本。例如，在汽车制造中，不同客户的订单可能具有不同的配置要求，如果按照传统方式逐个处理这些订单，会导致频繁的生产调整，增加成本和时间。而体积周期方法可以将这些订单在一定时间内进行整合，统一安排生产，从而提高整体的生产效率。

为了实现体积周期方法，需要以下几个步骤：
1. 订单收集 ：在规定的时间窗口内，收集所有的生产订单。这需要建立一个有效的订单管理系统，能够及时准确地获取客户的订单信息。
2. 订单分析 ：对收集到的订单进行分析，了解订单的类型、数量、配置要求等信息。根据这些信息，对订单进行分类和排序，以便后续的整合处理。
3. 订单整合 ：根据生产能力和资源状况，将订单进行合理整合。在整合过程中，需要考虑订单之间的兼容性和生产顺序，以确保生产过程的顺畅进行。
4. 生产计划制定 ：根据整合后的订单信息，制定详细的生产计划。生产计划应包括每个生产阶段的时间安排、资源分配等内容，以确保生产任务能够按时完成。

以下是一个简单的表格，展示了体积周期方法的实施步骤：
| 步骤 | 描述 |
| ---- | ---- |
| 订单收集 | 在规定时间窗口内收集所有生产订单 |
| 订单分析 | 分析订单类型、数量、配置要求等信息 |
| 订单整合 | 根据生产能力和资源状况整合订单 |
| 生产计划制定 | 制定详细的生产计划，包括时间安排和资源分配 |

8. 生产控制系统的概念

生产控制系统在整个生产过程中起着至关重要的作用，它负责确保客户订单能够按照计划顺利完成。在 SMART FACE 项目中，提出了一种基于软件代理的生产控制系统概念。

这个系统的核心是在车间的物理实例上部署软件代理。这些软件代理具有自主决策和控制的能力，能够根据订单信息和生产环境的实时情况，自动调整生产过程。

生产控制系统的工作流程如下：
1. 订单接收 ：软件代理接收客户订单信息，并将其存储在系统中。
2. 任务分配 ：根据订单信息和生产资源状况，软件代理将生产任务分配给相应的生产单元，如装配岛、运输车辆等。
3. 实时监控 ：软件代理实时监控生产过程的各个环节，包括生产进度、设备状态、物料供应等信息。
4. 动态调整 ：当生产过程中出现异常情况时，如设备故障、物料短缺等，软件代理能够根据实时信息自动调整生产计划，重新分配任务，以确保生产的连续性。
5. 反馈与优化 ：软件代理将生产过程中的数据和信息反馈给系统，以便对生产计划和控制系统进行优化和改进。

以下是一个 mermaid 流程图，展示了生产控制系统的工作流程：

graph LR
    A[订单接收] --> B[任务分配]
    B --> C[实时监控]
    C --> D{是否有异常?}
    D -- 否 --> E[继续生产]
    D -- 是 --> F[动态调整]
    F --> C
    E --> G[产品交付]
    C --> H[反馈与优化]