面向智能制造對(duì)離散型制造業(yè)的生產(chǎn)流程優(yōu)化的研究綜述

陳雅夢(mèng)

長(zhǎng)春理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130000

近年來(lái)，《中國(guó)制造2025》行動(dòng)綱領(lǐng)在推進(jìn)信息化和工業(yè)化深度融合這一戰(zhàn)略任務(wù)中提出了要實(shí)施智能制造工程的要求，提出了開(kāi)發(fā)智能可控的裝備并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、建設(shè)重點(diǎn)領(lǐng)域的智能工廠、數(shù)字化車間等重要任務(wù)和目標(biāo)，并做分類實(shí)施試點(diǎn)示范和應(yīng)用推廣。隨著國(guó)家對(duì)智能制造發(fā)展和制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的大力推行，很多離散型制造企業(yè)在面對(duì)市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品個(gè)性化、生產(chǎn)周期等需求，以及在生產(chǎn)管理和優(yōu)化中遇到的限制時(shí)，將企業(yè)向智能制造進(jìn)行戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型。在生產(chǎn)流程中引入信息管理系統(tǒng)和技術(shù)設(shè)備，將人工智能帶入車間及工廠，幫助企業(yè)整體順利實(shí)現(xiàn)全面的信息化、數(shù)字化，在實(shí)際運(yùn)行中呈現(xiàn)出對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的設(shè)備運(yùn)作、物料及產(chǎn)品狀態(tài)的更透明、更精準(zhǔn)的把握，幫助作業(yè)人員更便捷地察覺(jué)和解決生產(chǎn)管理中的問(wèn)題。

本文根據(jù)近些年關(guān)于面向智能制造在生產(chǎn)流程優(yōu)化研究方面的相關(guān)文獻(xiàn)，以涉及“生產(chǎn)流程優(yōu)化”和“智能制造”的所包含層次內(nèi)容為主題和關(guān)鍵詞，通過(guò)文獻(xiàn)檢索網(wǎng)站進(jìn)行文獻(xiàn)查詢，對(duì)近幾年文獻(xiàn)進(jìn)行收集、歸納，總結(jié)出該主題研究發(fā)展現(xiàn)狀的切入點(diǎn)，并討論目前國(guó)內(nèi)智能制造在離散型制造業(yè)的生產(chǎn)流程優(yōu)化的發(fā)展及面臨的挑戰(zhàn)。

1 離散型制造業(yè)對(duì)智能制造的要求

1.1 離散型制造業(yè)的生產(chǎn)流程優(yōu)化

離散型制造業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程的特點(diǎn)不同于流程工業(yè)，它的生產(chǎn)批量較少，但品種比較多。各類產(chǎn)品工藝程序是有差別的，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理復(fù)雜，刀具、工裝種類繁多，人工管理工作量大，容易導(dǎo)致多種物料或半成品的供應(yīng)和堆積的情況，有時(shí)現(xiàn)場(chǎng)較易發(fā)生不確定事件。此外，離散型制造企業(yè)的生產(chǎn)中常伴隨著因下游產(chǎn)業(yè)或客戶的需求變化而產(chǎn)生的生產(chǎn)計(jì)劃不固定、反饋信息滯后等問(wèn)題。

生產(chǎn)流程的優(yōu)化一般都包含生產(chǎn)過(guò)程中的產(chǎn)品工藝改進(jìn)、生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)平衡的調(diào)整、產(chǎn)品品質(zhì)與合格率、生產(chǎn)工序能力、產(chǎn)品物流規(guī)劃、減少在制品積壓和設(shè)備閑置浪費(fèi)等方面。在傳統(tǒng)優(yōu)化方式上，不得不提及基礎(chǔ)工業(yè)工程和精益生產(chǎn)，工業(yè)工程的基本方法有程序分析、動(dòng)素分析、工序調(diào)整等，針對(duì)車間生產(chǎn)中的作業(yè)過(guò)程，觀察并注重其持續(xù)改進(jìn)和標(biāo)準(zhǔn)化；而精益生產(chǎn)是工業(yè)工程專業(yè)研究中由來(lái)已久的管理思想，無(wú)論在提高生產(chǎn)率、提升產(chǎn)品質(zhì)量還是庫(kù)存管理等改進(jìn)方案中，精益思想承擔(dān)著關(guān)鍵角色，但對(duì)于離散型制造業(yè)在面對(duì)自身復(fù)雜的生產(chǎn)情況時(shí)，仍存在一些基于技術(shù)、設(shè)備等客觀條件而難以達(dá)到的生產(chǎn)管理能力，例如，因無(wú)法精確地、及時(shí)地監(jiān)測(cè)和收集生產(chǎn)節(jié)拍、瓶頸工序、廢品率、設(shè)備運(yùn)行情況等生產(chǎn)數(shù)據(jù)，而導(dǎo)致生產(chǎn)計(jì)劃的制定和決策分析困難、信息孤島等。而應(yīng)用智能制造能為精益生產(chǎn)乃至整個(gè)生產(chǎn)流程提升提供一定的保證，隨著信息技術(shù)和智能技術(shù)的升級(jí)，簡(jiǎn)化在生產(chǎn)管理上的很多麻煩。

1.2 智能制造改善離散型制造業(yè)的生產(chǎn)流程

總結(jié)前人對(duì)智能制造的理解，本文認(rèn)為智能制造是建立在生產(chǎn)自動(dòng)化、數(shù)字化的基礎(chǔ)上，向柔性化、高度集成化和智能化發(fā)展的技術(shù)及系統(tǒng)，對(duì)制造過(guò)程中的信息進(jìn)行索取和分析，具有自主學(xué)習(xí)、自主判斷、自主決策能力。 它依靠制造工廠提供對(duì)物料、產(chǎn)品、設(shè)備等信息的傳遞，對(duì)車間情況“快速反應(yīng)”，解決生產(chǎn)調(diào)度、快速換模等問(wèn)題使生產(chǎn)變得更加柔性化。因此，離散型企業(yè)的制造生產(chǎn)過(guò)程對(duì)智能制造提出的要求在于提升整體生產(chǎn)能力，包括提升生產(chǎn)效率、工序能力、產(chǎn)品品質(zhì)，使生產(chǎn)制造系統(tǒng)更透明化、柔性化，從而適應(yīng)市場(chǎng)變化和客戶需求。

2 面向智能制造的生產(chǎn)流程優(yōu)化

2.1 在生產(chǎn)調(diào)度方面

生產(chǎn)的調(diào)度和控制一直以來(lái)都是離散型制造業(yè)在生產(chǎn)管理上的攻克點(diǎn)。生產(chǎn)調(diào)度需要以當(dāng)前的生產(chǎn)進(jìn)度計(jì)劃為依據(jù)，從實(shí)際出發(fā)及時(shí)掌握生產(chǎn)進(jìn)度，準(zhǔn)確和快速是基本要求，能應(yīng)對(duì)生產(chǎn)協(xié)作中復(fù)雜且快速的情況、未實(shí)現(xiàn)的程序和意外故障，縮小和恢復(fù)與原計(jì)劃差距?，F(xiàn)代工廠須具備預(yù)防和應(yīng)對(duì)多種影響因素的能力，保持整個(gè)生產(chǎn)的連續(xù)運(yùn)行。對(duì)生產(chǎn)調(diào)度的改進(jìn)，一方面采用集合控制系統(tǒng)與信息化裝備的方式，例如應(yīng)用MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）一類的信息管理系統(tǒng)，并結(jié)合ERP（企業(yè)資源計(jì)劃）的生產(chǎn)計(jì)劃指導(dǎo)，劉勝輝[1]指出單件小批企業(yè)MES 的作業(yè)計(jì)劃與調(diào)度需要從產(chǎn)品設(shè)計(jì)等模塊，輸入工藝約束、優(yōu)先級(jí)、工作中心能力、設(shè)備能力、均衡生產(chǎn)等信息，為物流調(diào)度等模塊提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、計(jì)劃制定和物流調(diào)度的全過(guò)程的一體化。針對(duì)離散型制造業(yè)其自身工藝的可間斷性、可替代性等特點(diǎn)及車間復(fù)雜的生產(chǎn)和信息環(huán)境，潘穎[2]基于多Agent技術(shù)建立MES 框架與ERP/MRPII 和底層控制系統(tǒng)的集成，主要解決離散車間柔性作業(yè)條件下的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)度問(wèn)題。另一方面，很多研究學(xué)者在運(yùn)用智能運(yùn)算上為CPS（信息物理系統(tǒng)）、MES 等系統(tǒng)創(chuàng)新了高性能的算法，為相應(yīng)的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)求解最優(yōu)調(diào)度的計(jì)算。張儉龍[4]采用Petri 網(wǎng)建模分析指導(dǎo)生產(chǎn)線加工，將可以全局搜索的模擬退火算法和快速收斂的遺傳算法兩者混合。商滔[4]將智能制造單元的布局形式與傳統(tǒng)制造單元融合，通過(guò)全自動(dòng)加工島對(duì)中央信息控制器的實(shí)時(shí)反饋以及產(chǎn)品傳送帶，將目標(biāo)定為機(jī)器人行走能量消耗和加工產(chǎn)品能量消耗，設(shè)計(jì)了嵌套模擬退火算法(SA)、嵌套粒子群算法(PSO)和嵌套SA-PSO 算法三種求得最優(yōu)解，得到生產(chǎn)調(diào)度的最優(yōu)化。

2.2 在物流及倉(cāng)儲(chǔ)方面

生產(chǎn)流程中需要對(duì)原材料、半成品、零部件、成品等物料進(jìn)行配送、倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)存和調(diào)用，一方面應(yīng)減少不增值活動(dòng)，一方面應(yīng)保證現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地上不堆積物料且生產(chǎn)線上不缺料，這是精益生產(chǎn)管理中的必要要求，而智能制造能實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)、快速、連續(xù)的規(guī)劃。在傳感技術(shù)、RFI 技術(shù)等技術(shù)與AGV 等自動(dòng)化工具的輔助下，智能化集成到物流系統(tǒng)可獲得實(shí)時(shí)物流的跟蹤及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化共享。王漢敏[5]通過(guò)物料配送系統(tǒng)，對(duì)產(chǎn)品裝配過(guò)程中的物料實(shí)時(shí)配送，建立車輛路徑優(yōu)化模型，并采用遺傳算法對(duì)該模型進(jìn)行求解。陳雷[6]在輔料配盤工作中通過(guò)AGV 對(duì)輔料補(bǔ)貨、入庫(kù)，通過(guò)機(jī)器人RCS 系統(tǒng)對(duì)輔料貨架定位、調(diào)度距離合適的機(jī)器人去輔料貨架長(zhǎng)距離找貨并確定相應(yīng)配盤工作臺(tái)，并利用WMS 維持暫存區(qū)輔料庫(kù)存平衡?！柏浀饺恕敝悄芘浔P模式減少工作人員找貨、搬運(yùn)和等待的時(shí)間，使運(yùn)行成本在預(yù)期內(nèi)降低52%。

2.3 在設(shè)備管控及物聯(lián)網(wǎng)方面

《中國(guó)制造2025》提出實(shí)現(xiàn)智能制造的重要工程之一就是智能制造裝備的研發(fā)，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)智能制造必須依靠對(duì)智能設(shè)備的管控。陳志成[7]認(rèn)為為促進(jìn)企業(yè)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，必須提高設(shè)備和工業(yè)機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化水平，例如為企業(yè)研發(fā)適合產(chǎn)品工藝流程的DCS 分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。林景山[8]指出應(yīng)該著力發(fā)展數(shù)控機(jī)床互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，包括智能化加工、監(jiān)控、維修等技術(shù)。

在制造過(guò)程中對(duì)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理離不開(kāi)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的支持，物聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)化、平臺(tái)化的管理。CPS 是物聯(lián)網(wǎng)目前最主要實(shí)現(xiàn)方式，是《中國(guó)制造2025》的戰(zhàn)略核心，是工業(yè)4.0 的實(shí)質(zhì)。CPS 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流與信息流互聯(lián)，同時(shí)具有物理性和虛擬性，實(shí)現(xiàn)離散式控制。王磊、劉強(qiáng)[9]創(chuàng)新了一種CM-CPS 的LAIMS架構(gòu)輕裝配智能制造系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)可以將系統(tǒng)軟硬件信息在橫向和縱向同時(shí)集成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)全生命周期的智能制造管理。劉建鑫[10]以智能化制造單元管控體系為研究方向，創(chuàng)建了制造單元管按系統(tǒng)（CPS-MCMCS）模型，重在實(shí)現(xiàn)物理環(huán)境與信息系統(tǒng)交互的無(wú)關(guān)性。

2.4 在車間作業(yè)方面

在生產(chǎn)工序優(yōu)化上，智能制造進(jìn)一步體現(xiàn)了它的優(yōu)越性。 結(jié)合精益生產(chǎn)的理念，陳響文[11]在實(shí)施MES 的同時(shí)結(jié)合TOC 對(duì)車間作業(yè)程序進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)MES 加強(qiáng)工位的信息化、將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)反饋給計(jì)劃制定層，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)找尋生產(chǎn)流程中的“瓶頸”，在“瓶頸”工序前設(shè)置緩沖區(qū)域，推拉結(jié)合，運(yùn)用工業(yè)工程方法——程序分析、動(dòng)作要素改進(jìn)等方法進(jìn)行優(yōu)化。這是又一個(gè)精益生產(chǎn)與智能制造中信息系統(tǒng)結(jié)合優(yōu)化生產(chǎn)流程的案例。在車間內(nèi)的產(chǎn)線布置上，陳運(yùn)軍[12]認(rèn)為對(duì)智能制造的柔性生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)，應(yīng)以安裝在行走導(dǎo)軌上的機(jī)器為基礎(chǔ)，例如同時(shí)負(fù)責(zé)兩臺(tái)數(shù)控車床、兩臺(tái)數(shù)控加工中心的上下料工作。生產(chǎn)線中還應(yīng)配置由回轉(zhuǎn)上料機(jī)構(gòu)與取料機(jī)構(gòu)組成的自動(dòng)上料系統(tǒng)和自動(dòng)換夾具系統(tǒng)，并在取料臺(tái)上方安裝視覺(jué)系統(tǒng)。當(dāng)更換加工產(chǎn)品時(shí)，機(jī)器人只需做出有限調(diào)整，就可以很快進(jìn)行不同產(chǎn)品的加工，體現(xiàn)了較高的柔性特征。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的總結(jié)，可以得到以下結(jié)論。

（1）具備先進(jìn)的、科學(xué)的生產(chǎn)管理方式是企業(yè)應(yīng)對(duì)快速變化的外部和內(nèi)部環(huán)境、提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要條件。因此對(duì)于離散型制造業(yè)來(lái)說(shuō)，面向智能制造的發(fā)展成為一種必然趨勢(shì)。智能系統(tǒng)和技術(shù)提高制造系統(tǒng)反應(yīng)能力、自主調(diào)控和決策能力，面對(duì)工廠及車間的復(fù)雜的流程情況，能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)有智能化性質(zhì)的“自動(dòng)化”工廠，走向高質(zhì)量的發(fā)展。

（2）傳統(tǒng)的工業(yè)工程改進(jìn)流程的方式與智能制造的關(guān)系是不可拆分的，從一個(gè)生產(chǎn)工序到整個(gè)產(chǎn)品生命周期，智能制造的思想基礎(chǔ)是精益思想，它的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是精益化管理、目標(biāo)最優(yōu)化計(jì)算、數(shù)據(jù)信息傳遞。同樣，在今天，精益思想的實(shí)現(xiàn)也要通過(guò)智能制造提供保證。因此，質(zhì)量更高的生產(chǎn)流程離不開(kāi)智能化的支持，也無(wú)法脫離精益生產(chǎn)的本質(zhì)，兩者必須齊驅(qū)并進(jìn)，才能助力企業(yè)在生產(chǎn)流程優(yōu)化上越走越遠(yuǎn)。

（3）隨著制造業(yè)面向個(gè)性化的小批量、多品種的離散型生產(chǎn)模式的發(fā)展，智能制造也將隨之實(shí)現(xiàn)更多的突破。智能制造的應(yīng)用范圍也將不斷延伸到各種產(chǎn)業(yè)，出現(xiàn)更多不同的功能模塊和范式，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和智能裝備的研究開(kāi)發(fā)也要不斷實(shí)現(xiàn)更新迭代，服務(wù)于企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，節(jié)約人力物力等資源，提升產(chǎn)品和服務(wù)的品質(zhì)，加快產(chǎn)品生產(chǎn)周期，為企業(yè)乃至社會(huì)帶來(lái)更多的效益。