第二篇 不确定生产调度管理理论和方法

第2章 生产调度中不确定因素及其干扰影响

调度是生产系统管理的核心，生产任务的顺利实施与完成，最终要靠合理的生产调度来保证。在实际的生产调度管理中，总会遇到一些无法预料和准确判断的不确定因素，给调度管理带来困难，干扰生产调度的执行，影响正常的调度效果。因此，对生产调度中不确定因素及其干扰影响的分析是非常必要的。本章主要探讨生产调度中不确定因素的来源和分类、不确定因素的扰动描述及其干扰影响、不确定因素管理。

2.1 不确定因素的来源与分类

2.1.1 不确定因素的来源

在企业生产过程中会存在多种不确定因素，其主要来源可以分为人员、设备设施、生产任务、环境及其他方面。

1．人员方面

生产系统是由人和机组成，人与其所控制的机器相互制约、相互配合，并以人为主导完成生产任务的系统[133]。在现代生产系统中，随着科技的进步，机械设备的精确度不断提高，而人由于其生理、心理、技能等影响可能产生诸多不确定性。人员是调度的主体，其不确定性直接影响生产任务的完成时间以及产品和服务质量，甚至严重影响到整个生产系统。人员不确定性主要体现在其工作效率、误操作、完成工作质量等方面。人的差异很大，文化水平、职业经验、性格特征、情绪变化等都因人而异。在生产系统中，影响人的不确定性的共性因素主要有工作环境压力、技能水平以及工作条件等。

2．设备设施方面

在生产调度过程中，设备设施的正常运行对于整个生产系统来说至关重要，设备设施性能状态的好坏直接影响生产产品和提供服务的质量。这里的设备设施主要指直接支持生产的机械设备和基础设施。设备设施不确定性体现在设备设施的完好程度和工作效率两方面，具体来说有设备故障、仪器仪表失灵、车辆速度降低、设备作业效率降低、设备设施处理时间增加等。

3．生产任务方面

现在企业生产需要面对多样化、个性化的产品和服务市场，并且要求做出快速响应。因此生产系统必须面对实际生产需求和任务的不确定性变化，如意外任务、紧急订单、服务需求波动等。这些生产任务的不确定性变化可使原有生产调度计划无法正常进行，须重新编排，进而影响到原有计划产品交货期或服务完成期。

4．环境及其他方面

生产系统处于自然和社会环境中，自然和社会环境的不确定性变化不可避免地会干扰正常的生产系统。例如，环境温度过高将增加生产冷凝和冷却的负荷和时间，环境温度过低将增加生产加热的负荷和时间，恶劣天气将导致户外生产效率降低甚至停止，物料或能源（电力等）供应短缺将减缓甚至中断生产，突发社会事件会对生产系统产生干扰等。

2.1.2 不确定因素的起因

“不确定因素”是指对一个过程或参数缺乏准确的知识或预测。不确定因素除了来自事物内在，还可能因主观理解、判断以及信息的不完整而产生。生产调度管理中不确定因素的起因主要有：

（1）缺乏信息，可分多种情况。例如，质信息的缺乏，不知道将会发生什么；量的缺乏，知道事件可能发生，但没有确定模型，本质上是随机的。

（2）缺乏准确的度量、描述和判断。例如，测量的误差；语言描述的模糊性，这是语言自身固有特性决定的；近似，用近似模型和数据来代替复杂问题或信息不完备变量；判断识别上的误差等。

（3）信息或证据的冲突，信息和证据越多越容易出现错误，越容易产生矛盾和冲突的不确定性。

2.1.3 不确定因素的分类

为了有针对性地处理不确定因素，要在不确定因素特点分析的基础上对其进行分类。根据不确定性因素的起因及发生特性，可将生产调度管理中的不确定因素分为系统固有的不确定因素和主观造成的不确定因素。

系统固有的不确定因素。这类不确定因素主要包括系统运行的参数变化、设备作业时间和作业能力偏差、人为或设备干扰造成的作业效率变化、交通阻塞等。由于实际生产工艺复杂，系统运行干扰因素较多，或者由于数据本身就难于观测，造成生产系统运行参数的不确定性变化和偏差。通常这类不确定因素具有概率统计规律，在生产调度建模和分析时可借助概率工具对其进行处理。

主观造成的不确定因素。这类不确定性因素主要包括生产任务不确定性、环境变化以及对生产系统描述时的不确定因素。这些不确定因素是利用人的主观知识对系统参数进行预测和分析时，由于人们知识水平所限而产生的。在生产调度建模和分析中，可借助于模糊理论等反映主观性的理论和方法对其进行处理。

根据不确定因素的频度、幅度及其对生产系统的干扰影响方式和程度，可将其分为三类，分别是：Ⅰ类不确定因素，频度较高，幅度和影响相对较小或可控；Ⅱ类不确定因素，频度较低，幅度和影响相对较大；Ⅲ类不确定因素，频度低，但可破坏生产系统正常运行。

Ⅰ类不确定因素，可为渐变型不确定因素或离散型干扰事件，这类不确定因素对系统的影响较为缓慢，对系统的影响程度没有明显分界，例如流水车间作业时间偏差，一次误操作导致作业延误等。一次或几次这样的不确定因素对系统扰动程度不大，但其具有明显的累加特性，随着同类不确定性的逐渐增多，原生产调度计划将变得不可行，可通过不确定优化方法控制Ⅰ类不确定因素的影响。

Ⅱ类不确定因素，通常为离散型干扰事件，这类不确定因素虽然发生的频率较低，但对生产系统的影响较大，可能干扰生产调度执行，降低原调度方案的有效性。通常这类不确定因素影响的范围较小，并且考虑生产计划执行的连续型，可以通过局部调整原方案的方法来处理Ⅱ类不确定因素，这也是干扰管理的基本思想。

Ⅲ类不确定因素，指那些发生频度很低、变化幅度大、且可破坏生产系统正常执行的离散事件。这类不确定因素特点是在短时间内发生较大变化，对生产系统影响严重，一般需要对现有调度方案进行较大规模的调整或重新生成调度方案。为了尽快恢复生产执行，可采用应急调度对Ⅲ类不确定因素其进行管理。

2.2 不确定因素描述及其干扰影响

2.2.1 不确定因素的描述

生产调度中主要关注的是资源失效、时间、作业量等因素。因此，主要分三类讨论不确定因素的描述方法。

资源失效：主要指人员、生产设备设施资源失效，通常可以用生产资源失效事件或者生产资源有效时间占比来描述。生产资源失效事件在数学描述上可以用离散变量表示。生产资源有效时间占比指生产资源可正常使用时间与总时间之比，为连续型变量。如果这些变量符合统计规律，可以采用随机变量来表示。根据对实际运行历史数据的分析，统计出不确定参数变量所服从的概率分布。主观造成的不确定因素可以采用模糊理论进行处理和分析，如某机械设备失效程度表示为：{v1/r1,v2/r2,…,vn/rn}，其中v表示设备失效程度描述，r表示对相应设备失效程度描述的隶属度值。

时间：主要指人员以及机械设备的作业完成时间、各类任务开始和结束时间，以及受环境等不确定因素影响的任务完成时间，这类不确定因素通常为连续型变量。如果这些时间变量符合统计规律，可进行不确定的参数统计规律分析，用随机变量来描述。在实际操作中，要依据历史数据分析、归纳出某一参数满足何种概率分布，困难时，简便的方法是统计出参数位于某个区间内，用区间来描述参数不确定性。不确定参数可以表示为：θi∈[θi min,θi max]，其中θi min、θi max为参数θi可能取值的下限和上限，这两个量可以通过对历史数据分析获得。

作业量：主要指生产涉及作业任务量、作业能力、储存能力等。在生产调度系统中，这些不确定因素变量通常为整数变量。其描述可以采用随机变量、模糊变量、区间变量等不确定变量表示形式。

2.2.2 不确定因素的干扰影响

生产系统中存在多种不确定因素，这些不确定因素对生产调度有以下影响。

1．影响生产进度，无法按期完成生产任务

人员及其主导的机械设备工作效率的不确定性将会影响局部的生产效率和进度，对于串联结构的生产系统来说，甚至会波及整个生产系统进度，无法按期完成生产任务。人员的误操作和设备设施失效将会破坏正常的生产秩序，甚至造成生产的停滞。由于生产资源的稀缺性和生产能力的有限性，频繁插单、变更订单等生产任务变化将会影响原有订单任务的进度，甚至导致整个生产调度体系混乱。此外，环境因素可干扰生产效率和影响生产进度。

2．影响生产连续性、均衡性，增加生产成本

部分人员及其主导的机械设备工作效率降低将会导致生产作业的不连续和不均衡，造成生产资源的等待和浪费，增加生产成本。人员的误操作和设备设施失效容易造成工件报废以及不合格服务。生产任务变化可能带来机械设备的超负荷运作以及人员加班等问题，增加生产成本。环境因素不确定性也会导致生产资源的浪费。生产任务的不确定性势必对库存水平造成影响，从而导致系统失调。

不确定因素对码头生产调度的影响举例：在码头生产系统中，船舶抵港是典型的不确定因素，码头公司无法准确预知船舶抵港时间并按照预定进行作业。由于集装箱船舶实行班轮制，船舶在抵港前码头须事先安排靠泊位置和装卸机械，并组织集装箱进港。当船舶由于天气或上一挂靠港延误造成船舶推迟抵港，先前安排的泊位、岸桥等生产资源将处于等待状态，并且抵港的推迟势必造成离港的推迟从而影响后续船舶的靠泊，如果调整靠泊计划将引起港内搬运箱成本的增加。

2.3 不确定因素管理

不确定因素往往会影响生产调度的效果，甚至使整个生产调度系统失效，常表现为调度方案难以顺利执行或性能指标下降。因此，在制定调度方案时需要考虑如何应对和处理生产调度中的不确定因素，以应对风险。

2.3.1 生产调度模型中引入不确定因素

生产调度中存在多种不确定因素，其性质特点不同，在进行生产调度管理时需要有针对性地应对和管理。针对生产调度管理中的Ⅰ类不确定因素，主要利用不确定优化方法控制其干扰影响，基本模型如下：

模型中：

c为系数向量，可以是产品单位成本系数或产品加工时间等；

x为决策向量，可以是待求产品处理量或其在某工序处理次序等；

d为资源失效不确定量，表示人员请假、设备故障等不确定因素；

θ为时间不确定量，表示各类作业时间以及任务开始和完成时间等不确定性因素；

ρ为作业不确定量，表示作业任务量、处理能力等不确定因素。

目标函数J可以是生产成本、生产周期等，根据具体情况决定。F表示不确定变量的特征函数，可以表示数学期望、机会函数等，详见第3章。g(c,x,d,θ,ρ)≥0和h(c,x,d,θ,ρ)=0分别为生产过程的等式约束和不等式约束。不确定性参数d、θ和ρ可通过对生产过程的数据统计或经验知识分析确定。

上述方法可有效控制频繁发生、小扰动不确定因素的负面影响。针对第Ⅱ类不确定因素，可以采用干扰管理的思想对其建模处理，通过对方案最小的修改达到恢复正常生产的目的，详见第4 章内容。针对第Ⅲ类不确定因素，可采用应急调度方法对其进行建模处理。

2.3.2 生产调度执行中减少不确定因素干扰

为了在生产调度执行过程中降低不确定因素干扰的影响，可以采取如下措施。

针对生产人员的不确定性：

（1）加强人员管理，了解人员在思想、健康、工作、生活等方面存在的问题及不稳定因素，解决实际困难，避免因环境压力引起的工作效率下降和人为失误；

（2）定期对工作人员进行业务培训和教育，提高人员综合素质，同时努力掌握新技术、新工艺，熟练操作流程，加深对生产流程和技术等方面的理解，减少失误的发生；

（3）改善工作条件，科学地安排工作强度，避免在超负荷以及高压力下工作等；

（4）让工作人员了解工作对象的设计、制造缺陷以及可靠性，工作人员了解后可以尽量避免[133]。

针对设备设施的不确定性：

（1）可以有效利用先进的监测诊断技术，在故障萌芽时期及时发现，及时处理，避免更严重的干扰影响；

（2）可以充分利用预防性维修，将预防性维修时间尽量控制在最佳维修周期内，以此来提高设备设施的可靠性，从而减少故障的发生，提高整个生产系统效率；

（3）合理使用设备，根据设备工艺特点安排任务，严格按照规程操作；

（4）加强设备备品配件管理，对易损性工具要及时做好配件准备，减少设备故障停机时间，提高设备运转率。

针对生产任务的不确定性：

（1）可以同客户建立长效合同机制，降低生产任务的不确定性，即使生产任务变化也可以协作进行应对；

（2）可以建立实时动态的信息监控网络和机制，及时了解市场和客户信息，尽早处理。