车用空调装配车间集成化生产作业管理系统
0 引言
车用空调制造企业是一种典型的汽车零部件制造企业，主要是根据汽车主机厂的要求进行相应车用空调产品的设计、生产和配送，其生产模式是一种典型的客户订单驱动的组装生产模式。车用空调制造企业大多同时为多个汽车主机厂供货。为了适应各主机厂不同车型的需求，车用空调制造企业一般有多条装配生产线，且每条生产线又需要通过调整工位、设备和工装夹具等，来装配多种装配工艺相似的产品。
目前，车用空调制造企业的生产管理大多还处于手工管理阶段，其装配车间生产作业管理面临诸多亟需解决的问题。例如，生产作业计划及调整信息不能及时下达到装配生产线;装配生产线的生产进度、异常事件信息等不能及时反馈到管理层;管理人员不能实时掌控装配车间生产情况，使得生产作业计划的制定和调度比较盲目;装配作业管理比较混乱，经常发生错产、误产及交货延迟的现象等。因此，车用空调装配车间迫切需要一套集成化的生产作业管理支持系统，以实现整个装配生产作业管理的透明化、实时化和可控化。
随着制造资源计划(Manufacturing ResourcePlanning，MRP II)/企业资源计划(Euterprise Resource Planning，ERP)、准时生产(Just in Time，JIT)、制造执行系统(Manufacturing __execution System，MES)等先进管理思想和理念的日趋成熟，基于这些先进思想和理念的车间生产作业管理方面的研究和应用得到了国内外许多专家和学者的高度重视，也取得了许多重要的研究成果。例如，构建了一种前连续后离散的混合生产作业计划体系框架，并描述了其功能要求及信息联系，研究了这种混合生产模式的作业计划排程问题;文献分析了基本作业方式的“通用一特例”关系，提出了全面研究上述基本作业方式的通用作业计划的概念，建立了通用作业计划模型并采用蚁群算法加以优化;文献提出和分析了一种利用MES闭环信息控制，以优化车间生产作业计划调度的方法;文献用Muh-Agent方法对车间生产作业管理单元进行了分析和设计，并建立了分布式环境下车问协同作业的组织结构、系统架构和一种基于敏捷制造车间模式的生产信息管理系统;运用集成定义方法(Integrated DEFinition methed，IDEF)建立了一种新的车间生产作业管理控制模型，该模型使得车间信息传递更快捷，提高了车间管理的集成化水平和生产效率，并利用Petri网验证了模型的有效性;文献根据生产计划与控制的不同层次需求，提出了一种将MRP II，JIT，约束理论(Theory of Constraints，TOC)三者相融合的生产作业管理方法，构建了生产作业计划管理与控制模型;采用事件驱动和周期驱动相结合的调度策略，提出了基于多目标免疫遗传算法的动态调度优化模型，设计了面向交货期性能最优的柔性作业车间调度算法;文献提出了基于生产流程网络图的时间并行倒推算法，构建了混合流程生产作业动态网络图，并用逆工艺路径的时间并行倒推算法来编制作业计划等。
综上所述，可见国内外在车间生产作业计划的制定、优化调度和管控模式等方面进行了大量的研究，在车间生产作业管理信息系统及其与ERP等系统的集成运行等方面也取得了许多有价值的成果，但在生产作业管理如何实时延伸到车间设备和操作工人，以及如何实现生产作业管理与生产现场设备和操作工人之间集成运行等方面，还有待深入研究。本文借鉴以上研究成果，结合作者所在课题组前期发明的一种软硬件一体化的“网络化制造系统中的多功能交互式信息终端”(该终端能较方便地实现企业设计和管理层与生产现场设备及操作工人之间的实时信息交互和业务协同，已获国家发明专利)，针对车用空调装配车间生产作业管理的特点和信息化需求，提出并研究了一种能支持从装配任务的制定和下达、作业信息的实时采集和反馈，到生产进度的实时监控和作业计划的实时调整等集成运行的车用空调装配车间生产作业管理系统。
1 系统体系结构
车用空调装配车间集成化生产作业管理系统的体系结构包括基于多功能交互式信息终端的数据采集与信息交互层、生产作业管理核心功能层、与其他信息系统集成接口层、系统支撑层和交互界面层等，如图1所示。
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图1 车用窄调类装配车间集成化生产作业管理系统的体系结构
(1)基于多功能交互式信息终端的数据采集与信息交互层通过生产现场的多功能交互式信息终端，把制造执行系统的功能和应用延伸到车间的生产装备和操作工人，从而实现生产作业管理端与装配生产现场及操作工人的集成运行。一方面，现场操作工人能够实时接收到与装配任务相关的信息，如生产作业任务单、作业指导书、物料配送信息等;另一方面，装配生产现场的进度信息、质量信息、物料信息、生产异常事件信息等能实时反馈到生产作业管理端。
(2)生产作业管理核心功能层车间生产作业管理系统是MES的一个重要组成部分，其核心功能主要是实现生产作业计划的制定、下发和接收，生产任务的分配、监控和调度，生产现场信息的采集、反馈和分析等集成运行，包括生产作业计划管理、生产作业进度监控、数据采集、综合报表与查询、文档管理等功能模块。
(3)与其他信息系统集成接口层企业其他信息系统层包括CAx、产品数据管理(Product DataManagement，PDM)、ERP、供应链管理(SuppyChina Management，SCM)等涉及企业产品设计、经营管理、供应链管理等的信息系统。车间生产作业管理系统可以通过集成接口，与这些系统实现数据传递和信息共享。
(4)系统支撑层网络、数据库和信息安全等是系统运行的基础和支撑。部管理人员、装配车间管理人员、装配线班长和操作工人等。
2 系统功能结构
车用空调装配车间集成化生产作业管理系统包括生产作业计划管理、生产作业进度监控、数据采集、综合报表与查询、文档管理、集成接口等功能模块。系统功能结构如图2所示。
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图2 车用空调装配车间集成化生产作业管理系统的功能结构
(1)系统管理主要包括用户管理、权限管理、公告管理和系统日志管理等功能。
(2)基础数据管理主要对员工及班次、装配线及装配工位、装配物料清单(Bill of Material，BOM)、装配工艺、信息终端、生产异常事件等基础数据进行设置、管理和维护。
(3)生产作业计划管理主要包括生产作业计划制定、下达、接收以及调度和查询等。
(4)数据采集指通过多功能交互式信息终端，对生产作业记录数据、生产异常事件信息、生产过程质量信息、装配线缺料信息、完工人库信息等进行实时采集。
(5)生产作业进度监控模块指通过多种方式，实时监控生产作业进度，包括：①通过系统查询界面，实时查询生产作业进度和生产现场状况信息;②通过管理端的可视化界面，动态监控各条生产线的运行情况;③通过车间LED大屏幕，动态显示生产进度情况、生产线异常情况等信息;④将生产进度关键信息通过短信发送到相关人员手机上，使企业相关管理人员、现场操作工人以及授权客户通过多种方式和渠道，实时掌握或了解生产进度信息和订单执行情况。
(6)文档管理主要是对作业指导书和工艺文件等资料进行管理和维护。装配生产现场操作工人通过多功能交互式信息终端，可以实现对装配作业指导书和工艺文件等资料的实时查询和浏览。
(7)综合查询与报表指为管理人员提供的生产进度、库存、生产异常事件、生产绩效等统计和分析报表。
(8)集成接口主要实现本系统与MES中的物料、质量、设备等其他模块的集成，以及与ERP系统、产品设计系统、手机短信息系统等外部系统的集成。
3 系统运行流程
车用空调装配车间生产作业管理系统的主要目的是支持装配生产作业计划的制定与下达、生产任务接收与执行、生产作业计划与任务的动态调度、生产现场信息动态采集、产品完工入库和统计分析等业务的集成运行。系统运行流程如图3所示。
图3 车用空调装配车间生产作业管理系统业务集成运行流程
该系统运行流程的主要特点有：
(1)通过多功能交互式信息终端，生产现场工人能实时接收装配线生产任务和装配工艺文档，并能对装配生产作业现场数据进行实时采集与反馈，实现整个生产作业过程无纸化运行，既增强了信息传递的实时性，又避免了人工传递的复杂性和易错性。
(2)通过管理端、多功能交互式信息终端和集成接口等，实现了生产计划层与装配生产现场及操作工人的有机联接，形成了装配生产任务从制定、下达、执行到反馈和控制的闭环系统。一方面生产管理人员可动态掌握车间生产作业实时状态信息，有利于对车间生产的高效组织、管理和调度;另一方面，生产现场操作工人可实时接收生产任务的下达和调度信息，有利于车间生产现场对任务的快速响应和优化组织，提高生产效率。
4 系统实现的关键技术
4.1 基于遗传算法的车用空调装配车间生产作业动态调度方法
4.1.1 车用空调装配车间生产作业动态调度问题描述
车用空调制造企业装配车间一般拥有多条装配生产线，每条生产线可装配多种装配工艺相似的产品。其生产作业动态调度问题可描述为：有n/种待装配产品任务({P1，...，Pn))在m条装配生产线{M1，...，Mm}上装配。车间实时事件信息(如设备故障、缺料等)通过车间现场多功能交互式信息终端，实时传到调度子系统，并进行重新调度。调度需要考虑以上动态信息，以及延期交货惩罚、质量损失、装配成本消耗等约束，合理安排调度期内的各装配任务，使得完成总任务的质量损失最小、延期惩罚最小、加工费用最少。其调度模型为：
(1)目标函数
车用空调制造企业的客户(主机厂)多采用JIT生产模式，要求车用空调制造企业准时、准量供货，如果延迟交货将会受到主机厂的罚款。因此延期处罚、质量、成本成为车用空调装配生产作业调度最为关注的问题。
式(1)～式(6)中：LD1为第i种产品的完工时间;Di指第i种产品为保证交货期的最迟完工时间;FKi为第i种产品单位时间延期完工的惩罚值;第i种产品在第J条装配线装配，其单位产品装配时间为tij装配质量为Qd，装配成本为Cd;PLd为第i种产品在第条线上装配的优先级;TR为在第J条装配线上，优先级低于第i种产品的第1种产品的装配总时间;JrF;j为第J条装配线在装配完第i种产品之前的故障时间;TH为装配线换产品的调整时间;PN;i为第i种产品在第歹条线装配的产品数量;PCi为第i种产品的单价;WR，Wo，Wc为权重指标。
(2)约束条件
为保证换产品时物料配备，每种产品以批量L分配到生产线上连续装配，其任务批次为K，;PKi为第i种产品最后一批次的批量数。
4.1.2 基于遗传算法的车用空调装配车间生产作业调度算法
遗传算法(Genetic Algorithm，GA)是一种能处理车间生产作业调度这一复杂和非线性问题的有效方法。基于GA的车用空调装配车间生产作业调度问题的求解有五个基本步骤：染色体编码、生成初始群体、计算适应度、遗传操作(选择、交叉、变异)、调度优化结果。下面以具体的调度实例说明算法求解过程。
(1)问题描述
某车用空调制造企业在一调度期内要在Ml，Mz，M3三条线上装配J48CC，YY5，CV7，CD340四种产品。设定批量L一10，换线调整时间TH=10，各数据如表1所示。
表1 五种产品、三条装配线的实例
对于以上车用空调装配线装配任务调度问题，不同产品不同批次K在不同的生产线上加工就构成不同的排列。有序数列。O={Oij...，OIKJ
}(i代表第i种产品，k代表i种产品的第k批，k代表在第j条线上装配)总能表示出最优的调度方案。对O进行编码，首先定出每种产品的批次K。，总批次Ki决定染色体基因的个数，本例中总批次为22;再综合考虑产品的最迟完工时间以及延期完工惩罚值定出优先级，优先级高的排在编码数列的前面，本例中产品优先级排序为{P1，P4，P2，P3)，编码的基因座与优先级相同;每个基因座内的位置先后表示产品批次，并用数字“1，2，3”表示装配线。染色体编码方式如图4所示。
图4 编码方式
(3)生成初始群体
采用随机方法生成若干个个体的集合，该集合称为初始种群。初始种群中个体的数量S称为种群规模。本例中根据以上的编码方式，利用Cell(S)一[Fix(1)(rand())，...，Fix(22)(rand())]随机生成S=20个合法的初始种群，每个染色体拥有22个基因。
(4)计算适应度
为了引导遗传搜索，应定义一个适应度函数。遗传算法法则是努力将基因的适应度函数最大化。适应度函数由目标函数变换而成。通过式(1)、式(4)和式(5)分别计算出每代群体中所有个体的(R，Q，C)，并统计出每代群体中的最大值和最小值。经过对(R，Q，C)的标准化处理，定义的适应度函数
式(11)中WR，Wo,Wc是权重，在本例中取值为0.4，0.3，0.3。利用式(11)计算出初始种群每个个体的适应度值。
(5)遗传操作
选择：根据初始种群各染色体的适应度值，采用轮盘赌方法，从初始种群中选择出20个后代种群。交叉：设定交叉概率P。一0.85，采用部分映射交叉方法(Partially Mapping Crossover，PMX)，对以上选择出的后代种群中85%的染色体进行逐对交叉;该交叉方法是同基因座基因间的交叉，不会产生非法染色体。
变异：设定变异概率Pc=0.05，采用基于次序的互换变异方法，以0.05的概率进行变异。先随机地产生两个变异位置，然后交换这两个变异位置上的基因。
修复:为保证经过变异的染色体的可行性，采用修复策略设计算子。先根据已知建立判断刃矩阵A(表示i产品不能在1条线装配)，如a,}2表示第一种产品不能在第二条线上装配;再将变异后的种群个体与矩阵A比较，判断出非法染色体的非法基因，利用随机数产生合法基因并替换非法基因。
遗传操作变化过程如图5所示。
图5 调度的退传操作过程简图
(6)优化调度结果
设定遗传运算的终止进化代数T=45，循环将变异结果的种群蕈复以上4～5步。通过遗传算法求解得到较优的调度结果，用甘特图表示，单位为10 min(如图6)。
图6 优化调度结果甘特图
当生产到30 min时，装配线1发生故障，修复时间预计20 min。故障信息通过车间现场多功能交互式信息终端实时传到调度子系统，调度子系统立即重新执行以上GA调度运算，得到发生故障后的较优调度方案，用甘特图表示，单位为10 min(如图7)。
图7 发生故障后的优化调度结果甘特图
4.2 基于组件技术的装配线生产作业执行情况可视化动态监控系统
车用空调类制造企业装配车间一般有多条装配生产线，有的生产线还要求装配多种不同的产品。虽然同一生产线装配的产品装配工艺有相似性，但也经常需要灵活调整装配工位来动态配置生产线。另外，在监控生产作业执行情况时，每条生产线都有许多相同的事件，如故障分析、负荷分析、任务进度查询、生产预测等。基于以上特点，本文提出和开发了一套基于组件技术的装配线生产作业执行情况可视化动态监控子系统。
本系统开发设计的一个核心思想是将装配工位和生产事件定义成一系列组件，这些组件通过提供的接口在需要时可任意重复调用，然后根据生产任务中产品装配工艺和作业执行情况监控的需要，对组件进行动态调用，再通过图形化人机交互界面(Graphics User Interface，GUI)便可形成一个装配线生产作业执行情况实时化和可视化的动态监控界面。基于以上思想建立的系统实现框架如图8所示。
图8 一种基于组件技术的装配生产线可视化动态监控系统的实现框架
图8所示的系统实现框架结构分为四层：①网络与数据库支撑层，用于支撑整个系统的运行，其中采用多功能交互式信息终端，实时采集的生产过程数据存储于数据库后，可供各功能组件调用;②核心组件层，该层基于组件技术的思想，经过建模分析后，将装配工位与事件方法等定义成一系列组件模块;③核心功能层，通过调用组件层的各功能组件实现系统监控功能;④用户操作层，通过GUI实现人机交互。
基于组件的装配生产线可视化动态监控系统的实现流程如图9所示。流程描述如下：
图9 基于组件的装配生产线可视化动态监控系统的实现流程
(1)通过对装配线各工位分析和建模，建立工位组件库。
(2)根据作业任务中装配产品的工艺要求，动态选择对应的工位组件来定制装配生产线。
(3)产品装配过程中，信息终端将采集的生产现场进度、物料、质量等信息传到中心数据库中。
(4)如果该条生产线上没有作业记录或设备故障，则运行相关任务检查模块和故障检查模块;如果生产线正常运行，则系统实时从数据库中读取作业任务信息，以及终端采集的相关数据信息，并运行负荷查询、进度检查和生产预测等功能模块。以上系统运行结果，以一定的频率刷新计算机监控界面，并可根据需要刷新车间LED大屏幕，或将关键信息通过手机短信方式发送给相关人员。
如果在系统中设置的生产线模拟布局与工厂实际布局相似，则从计算机屏幕上便能实时直观地监视到车间运行情况，如哪些生产线在正常生产、生产任务是什么、生产任务的进度如何、产品质量状况如何;哪些生产线没有生产任务;哪些生产线处于停线状态，停线原因是什么等。
本系统的开发采用的是基于Java 2平台企业版(Java 2 platform Enterprise Edition，J2EE)的开发架构。图10给出的是系统中一个任务进度组件实例。
图10 装配生产线可视化动态监控系统中的一个任务进度组件实例
5 应用案例
目前，本文所述的管理系统已在重庆南方英特空调有限公司得到应用。该企业主要从事车用空调系统、车用发动机冷却系统等系列产品的设计、开发、制造和销售;主要加工冷凝器核心关键件，外购其他部件进行组装生产;其装配车间共有九条装配线，装配生产包括长安、福特、马自达、沃尔沃、铃木等主机厂的40余种不同规格型号的车用空调产品。近年来，随着企业面临的市场竞争日益激烈，传统手工管理方式下的生产管理模式越来越阻碍了企业生产过程的优化组织，以及企业对市场变化快速响应能力的提升。为此，企业实施了一套制造过程信息化系统——南方英特空调制造执行系统(SAI-MES)。SAI-MES的实施和应用，有效地提升了企业的生产管理水平和生产制造能力。目前，SAI-MES已成为南方英特空调车间生产管理的有效支撑工具。
装配车间集成化生产作业管理系统是SAI—MES的重要内容之一，包括生产作业计划管理、生产现场数据采集、生产作业进度监控和综合查询与分析等功能模块。系统集成运行和应用情况如图11所示。
图11 系统集成运行和应用情况简图
系统的成功应用，实现了从装配生产作业计划的制定和下达、作业信息的实时采集和反馈，到生产进度的实时监控和作业计划的实时调整等的集成运行，有效地提升了企业装配车间的生产作业管理水平。主要表现在以下几方面：
(1)实现了生产作业管理端与装配作业现场之间信息传递的电子化和无纸化，提高了生产作业管理过程中信息交互的及时性和准确性。
(2)实现了生产进度监控的实时化和透明化，管理人员可通过多种方式，实时了解和掌控装配车间生产作业执行情况，大大减少了错产、误产及交货延迟等现象。
(3)实现了生产作业计划从制定、下达、执行，到反馈和调整的闭环运行，进一步提高了企业车间生产过程的优化组织能力和对市场变化的快速响应能力。
6 结束语
本文针对车用空调装配车间在手工管理模式下生产作业管理信息交互性差、生产作业进度实时监控困难等问题，构建了一种支持生产作业管理端与装配作业现场集成运行的车用空调装配车间集成化生产作业管理系统;构建了该系统的体系结构、功能结构和运行流程;建立了一种质量、成本和延期完工惩罚等多目标优化的车用空调装配车间生产作业动态调度模型，并用具体实例说明和验证了基于GA求解方法;研究了基于组件技术的装配线生产作业执行情况可视化动态监控实现技术。在该系统的支持下，实现了车用空调装配车间从生产作业计划的制定和下达、作业信息的实时采集和反馈，到生产进度的实时监控和作业计划的实时调整等的集成运行。