0 引言
制造执行系统，即Manufacturing Execution System（MES），有助于消除车间生产与上层管理之间信息沟通的壁垒，促进工业信息化的发展。从收到订单到产品制造完成的整个过程中，MES对其进行优化管理，根据获取的实时数据对车间生产进行指导、优化车间调度。20世纪末，美国先进制造研究机构（AMR）提出了制造执行系统MES这一概念，并同时提出了三层企业集成模型，如图1所示，分别为企业级的计划层，生产级的执行层，过程级的控制层，而MES处于计划层和控制层之间，主要关注生产管理与优化，是帮助车间提高效率的必要方法之一。
图1 三层企业执行模型
1 MES体系架构
生产过程中的实时数据应及时传递给MES，同时企业管理层也应及时更新生产计划传递给MES，把计划层和控制层的信息进行交互，打通企业的连续信息流，进行统一分析规划排程，出现生产扰动能够及时处理。MES与ERP系统连接，可以获取车间基本数据、生产计划与订单详情；MES与现场生产设备连接，可以获取生产信息、质量信息。“ERP/MES/SFC”彼此协同，使全部信息流构成一个闭环。结合离散型制造车间的特点和MES的相关知识，设计MES总体框架与数据交互，如图2所示。
图2 MES总体框架与数据交互
2 扰动分析
离散型制造车间调度问题，可以描述为：给定一个设备的集合和一个工件的集合，每种工件均有一定的数量，每种工件有不同且已确定的工艺路线，每道工序至少一台设备可以加工。在保证工艺路线的前提下，合理安排各个工件在各个设备上的加工顺序，减少等待时间，使调度方案满足要求，确保在交货期前完成任务。此外当设备上的加工工件改变时，需要卸下前工件、更换夹具工具等，会对后一工件的准备时间有所影响，本文将其简化计入加工时间内，准备时间记为零,但应满足以下要求：①任一工件只有在前一工序完成后，才能进行下一工序；②工序的加工时间和加工设备一一对应，且已经确定；③设备在同一时间，只允许加工一种工件；④某道工序执行后，非扰动影响不能中途停工。
假设车间生产若干工件，总计n件，列为集合N={1，2，3…，n}，车间有m台的设备，列为集合M={1，2，3…，m}，工件加工完毕总计j道工序（0≤j≤m）；第i个加工件的第j道工序用Oij表示，其在第k台设备上加工，用Oijk表示；开始加工时间用Sijk表示，加工用时用Tijk表示；工件i的最后一道工序用ei表示，其开始加工时间用Sieik表示，加工用时用Tieik表示。若当前车间调度为最佳方案，然后在加工过程中出现了生产扰动，其工序开始加工时间用S′ijk表示，加工用时用T′ijk表示，主要考虑车间生产过程中的三种的扰动情况：
①新增急单：生产过程中新增紧急任务（n+1），产生新的工序集｛O（n+1）jp｝，S（n+1）jp和T（n+1）jp分别表示新增急单各工序的开始时间和加工时间。
②生产延误：由于人员操作错误或工作不熟练等造成的工序延时
间生产中断，修复时间tkm之后，设备重新开始工作，其恢复后的开始工作时间
所有任务生产时间的最小值为最优解，即最后完成加工的时刻，保证最小
3 扰动评估
MES能够对采集的生产实时数据进行分析，对出现的生产扰动及时进行车间调度。依据生产扰动的影响等级，可以分成三类：缓冲吸收扰动，修复调度，重新调度。当时车间生产遇到扰动事件之后，对扰动产生的影响进行分析，判断能否自行缓冲吸收该扰动；若不行，依据优先规则选择调度工序，依据订单缓急进行修复；若扔不行，则终止该调度计划并重新调度。
扰动事件产生会影响交货期，其变为J′
w是新任务（n+1）的总工序数；m是新任务（n+1）加工需要的总设备数；max{△toijk}为最大延时时长；max{tkm}为最大维修时长。
因扰动事件影响导致延时的交货期为J′，扰动影响的交货期与原交货期的偏差值设为参数φ：
u是扰动出现后原调度中所有设备的平均空闲时间，vq是扰动产生后设备q的加工空闲时间。
缓冲吸收扰动：依据曾经交货期的数据统计，对新任务建立缓冲吸收的方式，交货期的满意程度设为β，扰动导致的交货期偏差值，如果在置信水平内φ＞1-β，选择缓冲吸收扰动，在相应设备空闲时间内进行加工；如果交货期的偏差值在置信水平外，缓冲吸收无法有效应对扰动，选择其他方法。
修复调度：依据优先分配规则进行修复，主要考虑两个原则：①工件的开始加工时间，优先调度较早开始加工的工件；②工件的优先等级，优先调度较高优先级的任务。重新调度：若车间内出现了影响较大的生产扰动，应用上述两个方式无法完成调度，则需要完全重新调度，更改部分工件的交货期与限制，重新生产调度排程，但频繁的重新调度会导致车间生产不稳定。
4 算例应用
假设现有6个任务，在6个设备上加工。表1中，数据“3（240）”，表示任务1的第3道工序，在设备M2上加工，加工用时240。图3为静态作业排程方案，全部任务加工完成时间为1560。
图3 静态调度甘特图
表1 6乘6算例加工任务数据
假设两种生产扰动，应用上述分析的调度方案进行处理。①若在900时刻，设备M3出现故障停止运行，其维修时间是100，即重新开始加工时刻是1000，向后静态平移，缓冲吸收该扰动。②若在700时刻，插入两个新任务，加工数据为“7”｛2（130），4（160），3（180），6（140），1（190），5（120）｝、“8”{1（130），3（80），6（120），2（150），5（190），4（100）}，计划交货期是1900；这种情况，无法缓冲吸收和调度修复，需要重新调度，应用算法求得调度的最优排程计划。这两种情况是实际车间生产中常见的扰动，选择不同的调度方案进行优化生产，不但能够较大程度上满足各项加工任务的交货期，而且利用缓冲吸收和修复调度的方法对较小的生产扰动及时处理，在原排程计划的基础上进行调整使生产连续稳定，降低了完全重新调度对生产的不稳定影响。
5 结束语
本文强调了MES对工业信息化的推动作用，分析了MES在实际生产过程的重要地位，有助于实现生产信息的交互集成。通过研究车间调度的问题，分析生产扰动的特点及其影响，构建了离散型制造车间MES的调度模型，对不同生产扰动情况进行分析，证明该方法对生产扰动有一定的指导意义，提高了车间调度的可操作性，优化了生产管理。
