專利名稱：用于調度制造過程的方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于對由企業資源規劃(ERP)所規劃并由車間(shopfloor)的設備進行生產的制造過程進行調度的方法和系統，其中在制造執行系統(MES)中，提供生產調度 器以調度所述制造過程的任務。
背景技術：
如眾所周知的，用于對由企業資源規劃(ERP)所規劃并由車間進行生產的制造過 程進行調度的方法提供制造執行系統(MES)，以用于調度并實施所調度的制造過程并控制 在工廠底層(plant floor)進行的相應生產步驟。特別地，企業資源規劃(ERP)是包括硬件裝置和相應的軟件應用的系統，以用于 規劃企業的商業資源，企業的商業資源即物料供應、人力資源管理、采購、訂單、利潤、財務、 庫存控制、客戶管理等等，而術語“車間”已被用于指示支持對在制造過程中所涉及的單個 機器進行控制的系統，其中例如通過測量每個機器每小時所生產的部件的數量或者其運行 參數、所生產的部件的質量等等來進行控制。如在圖1中所示意性表示的那樣，MES是在ERP上層與車間下層之間提供計算機 器和軟件工具1-n的中間層，所述軟件工具包括用于生產訂單管理的軟件工具1和用于生 產建模的軟件工具2，該用于生產訂單管理的軟件工具1從ERP接收生產請求，該用于生產 建模的軟件工具2支持選擇和管理在制造過程中要涉及的資源(即員工、機器和物料)的 階段，以便在所要求的時間約束內實現所規劃的制造過程。因此，制造執行系統需要對工廠設備進行建模以便調度活動和控制活動。盡管關 注的是同一組機器，但調度活動具有不同的目標并且可能需要不同的模型方法。在這方面， 詞匯“計劃”和“調度表”被作為同義詞使用，然而術語“規劃”還可以被意指為處理總體資 源和宏觀任務的更高層面活動，而“調度”被意指為考慮到個體資源和詳細活動的某種“更 詳細的規劃”。在任何情況下，規劃和調度二者都共享相同的甘特圖隱喻(metaphor)并且 可以使用類似的交互式圖形工具。到目前為止，術語“交互式調度”被用來描述借助某些幫助人類調度員構造可行并 且可靠的生產計劃的交互式工具來為工廠、廠房或者生產場所構建生產調度表的過程。要 調度的生產操作通過在已知的時間量內使工廠的一個或多個資源(例如機器、物料、員工) 保持忙碌的任務來表示。在生產調度的早期，使用大的白板。當前，使用基于交互式甘特圖的隱喻的基于計 算機的圖形工具(對照圖2)。通常，這樣的工具賦予用戶借助指點裝置(鼠標、軌跡球或者 觸摸屏)使表示任務的圖形對象在屏幕上移動的能力，其中這些任務是生產調度表的一部 分。有可能使該生產調度表通過計算機算法被自動構建，但即使在這種情況下，人類調度員 最終也想要如下能力在甘特圖上以圖形形式顯示所得到的計劃并且交互式地執行對該計 算機生成的調度表的某些改變。對生產調度表進行人工干預是相當復雜的任務。即使可以用簡單動作(如指點、點擊和移動)來交互式執行的各個改變是明確的，這些改變對所得到的調度表的影響也可 能是廣泛的并且難以概述。因而，由于如下幾個原因而可能難以獲得產生合理并可行的調 度表這一目標生產任務可能受到優先關系或者受到資源的有限可用性的約束。通常，只能 在可用機器(或者更一般地，資源)的受限子集上調度每個任務。該子集可以針對每個不 同的任務而改變生產數據庫被用于為每個不同種類的生產操作并且為每個不同的產品存 儲在每個單個任務中所涉及的資源(諸如物料、設備和人員)的詳細情況。在某些情況下， 特別是在被包括在生產調度表中的任務的數量比較高時，這種復雜性可能令人困惑并且對 于操作員來說難以管理。另外，所有現有的基于甘特圖范例(paradigm)的圖形工具將其主要關注點放在 所調度的實體上，所調度的實體是表示與生產訂單有關的活動的各個任務。這種方式不 能很好地適應如下這些情況，在這些情況中用戶更關心設備工作負荷而不是生產訂單的狀 態用戶必須總是在甘特圖上移動各個任務，以便保證某個機器的負荷是適當的，但是由于 將注意力從一個任務轉移到另一任務，可能喪失對設備效率的關注。創建詳細的生產調度表的普通方法是使用“交互式機器甘特圖”這是基于計算機 的圖形用戶界面(圖2)，其中甘特圖的每條線都表示特定設備的時間線，并且在這些線中 的每條線上所顯示的圖形對象序列表示每個機器隨著時間的推移將要執行哪些任務。這些 任務可以通過某種自動調度算法被指派給甘特圖上的機器，或者可以由用戶本身手動地每 次設置一項任務。用戶具有交互式地使這樣的任務在甘特圖上水平地(即在時間上改變這些任務 的位置)或者垂直地(即將任務指派給不同的設備)移動的能力。為了減輕在每次改變之 后對是否產生了某些不可行的操作進行驗證的負擔，某些圖形工具可以在該動作中幫助人 類調度員。例如可以使用顏色來突顯涉及該任務的特別狀況(準時的任務可以被著上綠 色、延遲的任務可以被著上紅色、灰色區域可以表示設備停機時期)或者圖標可以示出特 定約束(例如，必須被固定在某個特定位置的任務)的存在。如果使計算機用戶界面的圖形性能發揮杠桿作用，則有可能在每次人機交互期 間指導用戶的移動對此的實例在如下的交互式甘特圖中實現，該甘特圖是Siemens SimaticIT Predictive DetailedScheduler Interactive Solution(預測性詳細調度器 交互式解決方案)(見圖3)的一部分。每當用戶開始在交互式甘特圖上移動任務時，便顯 示黃色區域以突顯該特定任務可以被設置在哪里系統自動地檢查對于這樣的任務的定時 約束并且查詢生產數據庫以獲得設備子集，其中在該設備子集上可以調度該特定任務。接 下來使用該信息來指導用戶，實際上遵循所突顯的區域，該用戶能夠在生產調度表上快速 地認出對于這樣的任務來說可行的位置。這是一種在生產計劃的構造方面極大地協助用戶的工具，但在某些情況下，該工具具有缺點、即用戶必須關注要被移動的任務他/她必須首先選擇他想要移動哪個單獨 的任務，隨后該工具可以建議該任務可以被移動到哪里。在用戶必須注意某個特定設備的 工作負荷而不是遵循所規劃的生產訂單的情況下，不同種類的工具可能是有幫助的。
發明內容
因此，本發明的目的在于提供用于調度生產過程的方法和系統，該方法和系統關注于調度有效和可靠的生產過程的需求并且允許用于生成生產調度表的更加自動化的方 式。根據本發明，在方法方面，該目的通過一種用于對由企業資源規劃(ERP)所規劃 并由車間的設備進行生產的制造過程進行調度的方法來實現，其中在制造執行系統(MES) 內，提供生產調度器以調度所述制造過程的任務，所述方法包括以下步驟-借助甘特圖來顯示當前的生產調度表；
-在甘特圖中針對車間的每個設備顯示已經被調度的時間段和那些仍未被調度的 時間段；-為特定設備選擇仍未被調度的時間段；-針對該特定設備查詢生產數據庫以找到適合該仍未被調度的時間段的至少一個 任務；以及-在找到單個任務的情況下調度該任務或者在找到多個任務的情況下借助通過用 戶交互所輸入的決策或者借助通過選擇偏好自動確定的決策來調度所找到的任務中的至 少一個。根據本發明，在系統方面，該目的通過一種用于對由企業資源規劃(ERP)所規劃 并由車間的設備進行生產的制造過程進行調度的系統來實現，其中在制造執行系統(MES) 內，提供生產調度器以調度所述制造過程的任務，所述系統包括-能夠借助甘特圖來顯示當前的生產調度表的所述生產調度器；-能夠在甘特圖中針對車間的每個設備顯示已經被調度的時間段和那些仍未被調 度的時間段的所述生產調度器；-用于為特定設備選擇仍未被調度的時間段的選擇器；-用于針對該特定設備查詢生產數據庫以找到適合仍未被調度的時間段的至少一 個任務的查詢模塊；以及-能夠在找到單個任務的情況下調度該任務或者在找到多個任務的情況下借助通 過用戶交互所輸入的決策或者借助通過選擇偏好自動確定的決策來調度所找到的任務中 的至少一個的所述生產調度器。因此，所述方法和所述系統提供交互式地構建生產調度表的快速方式，從而針對 感興趣的特定設備維持對甘特圖的關注，而不是關注于需要被移動以構建調度表的特定任 務。所述方法和所述系統也非常有助于執行生產調度表的局部改變、例如在針對車間層面 上的設備的控制顯示器處所輸入的局部改變，其中非常經常地在給定設備的被調度的時間 線中找到了需要被填充的一些間隙。對于這兩種情況，所述方法和所述系統可以根據用戶 偏好和眾所周知的標準的集合來保證局部最優化的可能性。與其它在甘特圖上對調度進行 交互式操作的已知裝置相比，用戶將優選這種更多地關注于設備負荷和效率而不是生產訂 單的程序。當已經識別出“瓶頸”設備并且在用戶想要將其注意力轉換到生產調度表的其 它部分之前該用戶例如想要使該設備的利用率最大化時，本發明將被特別用于支持其它已 知系統。此外，本發明的解決方案還使得人類調度員能夠在如下方面定義其個體偏好如何 最終決定在迄今為止未被調度的間隙中調度哪個任務(特別是當對生產數據庫的查詢識 別出可以適合于該間隙的多于一個的任務時)。在本發明的優選實施例中，對選擇偏好的設定被視為對本發明的有利貢獻。因此，可以通過挑選下列優化參數之一或者下列優化參數的組合來設定選擇偏好a)優選使特定設備的所估計的建立時間最小化的任務；b)優選使特定設備的所估計的完成延遲最小化的任務；c)優選具有通過查詢所找到的任務的最早發布日期的任務；以及d)優選使機器利用率最大化的任務。根據用戶的實際關注點，該用戶當前可以識別其對調度表的個體需求并相應地設 定選擇偏好。在另一優選實例中，可以通過逐漸評估每個優化參數來確定選擇偏好并且對與所 確定的選擇偏好相比已經獲得最高評估結果的任務進行調度。該選項允許用戶將不同的優 化參數相對于彼此進行權衡并且實現最終選擇偏好的 某種模糊確定。因此，本發明的另一 優選實施例可以為優化參數的組合提供決策樹，由此針對每個優化參數定義分叉標準。本發明的另一優選實施例可以在如下識別方面提供對調度的進一步改進識別未 被調度的時間段中的哪一個將針對在生產數據庫中所查詢的哪些生產任務被選擇為下一 時間段。因此，可以根據時間段選擇偏好來選擇未被調度的時間段。這例如可以包括通過 針對特定設備估計保持未被調度的時間段的空閑成本來識別時間段選擇偏好。
圖1示意性地表示根據現有技術的用于管理并控制制造過程的方法；圖2示意性地表示根據當前技術水平的基于計算機的交互式甘特圖的實例；圖3示意性地表示根據當前技術水平的在Siemens Simatic IT Predictive Detailed Scheduler Interactive(PDS-I)解決方案范圍內的甘特圖的實例；圖4示意性地表示圖3的現在包括創新解決方案的實例；以及圖5示意性地表示用于對生產過程進行調度的系統。
具體實施例方式通過基于計算機的交互式甘特圖2的實例的表示來示出用于創建詳細生產調度 表的普通方法。所示出的甘特圖2是未進一步示出的基于計算機的圖形用戶界面的一部 分，其中根據甘特圖2的索引1至索引11來編號的每一行表示特定機器(見圖2中“設備” 下方)的時間線。顯示在這些行中的每一行上的圖形對象序列表示每個機器隨著時間的推 移將要執行哪個任務。該行上的灰色矩形表示被確認要被調度以便在各個機器中的每一個 上進行處理的任務。具有虛線的矩形表示打算被調度、但是尚未被確認要被調度的任務。黑 色條示出相應機器的特定停機時間。圖3示意性地表示根據當前技術水平的在Siemens Simatic IT Predictive Detailed Scheduler Interactive (PDS-I)解決方案范圍內的甘特圖的實例。該解決方 案協助用戶將任務設置在每個機器的時間線上。當用戶想要在交互式甘特圖上移動任務 (并且例如通過鼠標點擊來抓取該任務)時，該解決方案通過突顯可行的目標位置來自動 地為用戶給出猜測。使這些可行的目標位置在虛線圓內部作為明亮區域可見(例如被著 上黃色)，用戶一開始從用于要被調度的任務的上部視圖移動任務，該明亮區域就顯現出 來，并且在已經完成移動并且任務已經到達用于現在被調度的任務的下部視圖中的新位置之后，該明亮區域消失。圖3特別示出為“被調度(scheduled)”的任務和“要被調度(to bescheduled)”的任務提供單獨視圖(分別是下部和上部視圖)的甘特圖。在該實例中，已 經“要被調度”的任務T在“被調度”的生產計劃上被移動。該解決方案借助虛線圓C為該 特定任務在能夠處理該任務的機器(在這里是“BUFFER-01”和“BUFFER-02”)的時間線上 突顯可行的時間跨度(時間段)。通過使任務T落在由該圓C所圍繞的時間線上，該任務被 調度。圖4現在示意性地表示圖3的現在包含創新解決方案的實例。該解決方案現在提 供使用通常的“指點和點擊”動作在交互式甘特圖上的特定設備上調度任務Tl和T2的可能 性。該解決方案以相當簡單和直觀的方式來工作。一旦用戶(例如借助工具欄或者通過選 擇選項)激活了該功能并且然后對甘特圖視圖使用指點裝置(鼠標、軌跡球或觸敏屏幕)， 該用戶就可以點擊特定機器的時間線的“空閑”部分。利用該動作(其還可以借助自動的 空閑時間段選擇偏好來激活)，該用戶/該選擇方案選擇在該特定機器上尚未有任務被調 度的時間段。該選擇方案隨后針對該特定設備查詢生產數據庫以找到最佳地適合于所挑選 的時間段的任務。通過該查詢步驟所找到的任務Tl和T2被列在圖4中的甘特圖的上部的 “要被調度”部分中。所選擇的時間段以及通過查詢所找到的相應任務在甘特圖的上部和下 部二者中通過虛線圓被突顯出來。在甘特圖的上部中顯示被猜測為最適合選擇的任務的動態地創建的預覽。通過工 具提示，用戶可以查詢一些關于任務的詳細情況。然后，用戶可以被請求確認該所建議的最 適合選擇，或者該解決方案本身可以在甘特圖的下部中確認該任務(在找到單個任務的情 況下)。在找到多個任務的情況下，用戶本身可以挑選所找到的那些任務中的至少一個，或 者該解決方案本身可以借助預先定義的選擇偏好來選擇最佳地適合于機器的生產調度表 (甘特圖中的機器的時間線)上的所選擇的空閑時隙的至少一個任務。通過設定選擇偏好，可以以非常直觀的方式來配置對要由該IT解決方案所執行 的所建議的“最適合”挑選的任務的選擇。在下文中討論可能的標準集合的實例。可以通 過任務對所估計的準備時間(setuptime)的最小化所具有的影響來自動地挑選任務，換句 話說，導致最少建立時間的任務優選于導致更長建立時間的其它任務。下一標準可以關注 于所估計的完成延遲的最小化。對于該標準，具有最大完成延遲的任務優選于具有更小完 成延遲的其它任務。另一標準可以關注于相應任務的最早發布日期(release date)。在 這里，具有最早發布日期的任務優選于具有較新發布日期的其它任務。另一標準可以評價 機器利用率。使機器利用率最大化的那些任務必然優選于導致較小的機器利用率的那些任 務。當然，兩個或更多個前述標準的任何合理組合也可以適于定義用于自動的或者交互式 的用戶直觀調度的選擇偏好。通過根據用戶的偏好來配置以上標準，該解決方案提供一種對生產調度表的改變進行操作的方式，從而確保所調度的選擇的局部最優性。從概念(conceptual)角度來看，可以將該解決方案看作為對圖3中所示的現有技 術解決方案的補充，因為其以對稱方式起作用。這種在任務調度方面的范例轉移現在顯著 改變用戶交互或自動例程在甘特圖上的工作方式，從而與之前通過更關注于對當前在甘特 圖的“要被調度”部分中所列出的任務進行調度而這樣做相比，現在明顯地更關注于特定機 器的利用率。
圖5現在示意性地表示用于調度生產過程的系統10。制造執行系統MES被耦合到 工廠底層(也即一般使用的車間)和企業資源規劃ERP 二者。在制造執行系統內，提供數 據庫DB來存儲從要被執行的生產訂單中所導出的生產任務。同樣在制造執行系統MES內， 提供生產調度器工作區14，使得能夠調度由MES和工廠底層12所執行的生產過程。生產調 度器工作區或多或少是具有顯示器和輸入裝置的普通交互式計算機工作區。由制造執行系 統并且在制造執行系統內通過在與制造執行系統相關聯的(在這里未詳細示出的)服務器 上執行的程序代碼來提供生產調度器功能。現在，可以完全由用戶或者自動輸入和用戶輸入的混合來實現調度，或者通過相 應的軟件例程來自動完成調度，而自動輸入和用戶輸入二者的結果或者完全自動的調度必 須由用戶確認和/或控制和/或授權。在這里，根據本發明的對生產過程進行調度的方法的關注點在于，對尚未針對工 廠底層12的特定設備被調度的時間段的識別。在第一步驟Sl中，通過用戶交互或者通過 自動的時間選擇偏好來選擇尚未被調度的一個時間段，其中該自動的時間選擇偏好例如可 以關注于特定機器的空閑成本。通過在調度器工作區14的顯示器上所示出的甘特圖的下 部中的虛線矩形范圍來表示所選擇的時間段(同樣對照圖4)。在第二步驟S2中，針對包括 該特定機器的生產任務的任何生產訂單來查詢數據庫DB。然后在第三步驟S3中，任何通過 該查詢所識別出來的生產任務被示出為甘特圖的上部中的被填充有要被調度的任務的虛 線矩形范圍。在第四步驟S4中，通過查詢所找到的并在甘特圖的上部中所示出的生產任務 通過用戶交互或者通過根據預先定義的選擇偏好的自動例程來確認并因此進入示出所有 最終被調度的任務的甘特圖的下部中。一旦完成了這四個步驟，只要用戶或者自動的時間 段選擇偏好仍然識別出尚未被調度的時間段，程序就返回到第一步驟Si。因此，本程序關心對更高的機器利用率的需求，而不是關注于根據圖2和3中所示 的現有技術的程序的關注點，這些根據現有技術的程序列出尚未被調度的任務以便通過用 戶交互使那些任務被調度。因此，根據本發明的選擇偏好只遞送當前遵守如下各項的那些 任務就特定機器的利用率而言的用戶偏好、如前面所述的任何可能的內部偏好、以及可能 的限制，該可能的限制可以針對在查詢過數據庫之后最終被列在甘特圖的上部中的那些任 務而被排除。
權利要求
一種用于對由企業資源規劃(ERP)所規劃并由車間(12)的設備進行生產的制造過程進行調度的方法，其中在制造執行系統(MES)內，提供生產調度器以調度所述制造過程的任務(T1，T2)，所述方法包括以下步驟-借助甘特圖(2)來顯示當前的生產調度表；-在甘特圖中針對車間(12)的每個設備顯示已經被調度的時間段和那些仍未被調度的時間段；-為特定設備選擇仍未被調度的時間段；-針對該特定設備查詢生產數據庫(DB)以找到適合該仍未被調度的時間段的至少一個任務(T1，T2)；以及-在找到單個任務的情況下調度該任務(T1，T2)，或者在找到多個任務的情況下借助通過用戶交互所輸入的決策或者借助通過選擇偏好自動確定的決策來調度所找到的任務中的至少一個。
2.根據權利要求1所述的方法，進一步包括步驟-通過挑選下列優化參數之一或者下列優化參數的組合來設定選擇偏好a)優選使特定設備的所估計的建立時間最小化的任務；b)優選使特定設備的所估計的完成延遲最小化的任務；c)優選具有通過查詢所找到的任務的最早發布日期的任務；以及d)優選使機器利用率最大化的任務。
3.根據權利要求1或2所述的方法，進一步包括步驟通過逐漸評估每個優化參數來 確定選擇偏好并且對與所確定的選擇偏好相比已經獲得最高評估結果的任務進行調度。
4.根據前面的權利要求2或3所述的方法，進一步包括步驟通過針對優化參數中的 每一個定義分叉標準來確定決策樹。
5.根據前面的權利要求中的任何一個所述的方法，進一步包括步驟根據時間段選擇 偏好來選擇未被調度的時間段。
6.根據權利要求5所述的方法，其中通過針對特定設備估計保持未被調度的時間段的 空閑成本來識別所述時間段選擇偏好。
7.一種用于對由企業資源規劃(ERP)所規劃并由車間(12)的設備進行生產的制造過 程進行調度的系統(10)，其中在制造執行系統(MES)內，提供生產調度器(14)以調度所述 制造過程的任務(Tl，T2)，所述系統包括-能夠借助甘特圖(2)來顯示當前的生產調度表的所述生產調度器(14)；_能夠在甘特圖(2)中針對車間(12)的每個設備顯示已經被調度的時間段和那些仍未 被調度的時間段的所述生產調度器(14)；-用于為特定設備選擇仍未被調度的時間段的選擇器；-用于針對該特定設備查詢生產數據庫(DB)以找到適合仍未被調度的時間段的至少 一個任務(Tl，T2)的查詢模塊；以及_能夠在找到單個任務的情況下調度該任務(T1，T2)或者在找到多個任務(Τ1，Τ2)的 情況下借助通過用戶交互所輸入的決策或者借助通過選擇偏好自動確定的決策來調度所 找到的任務中的至少一個的所述生產調度器(14)。
8.根據權利要求7所述的系統，進一步包括用于通過挑選下列優化參數之一或者下列優化參數的組合來設定選擇偏好的裝置a)優選使特定設備的所估計的建立時間最小化的任務；b)優選使特定設備的所估計的完成延遲最小化的任務；c)優選具有通過查詢所找到的任務的最早發布日期的任務；以及d)優選使機器利用率最大化的任務。
9.根據權利要求7或8所述的系統，進一步包括用于通過逐漸評估每個優化參數來確 定選擇偏好并且對與所確定的選擇偏好相比已經獲得最高評估結果的任務進行調度的裝置。
10.根據前面的權利要求8或9所述的系統，進一步包括用于通過針對優化參數中的每 一個定義分叉標準來確定決策樹的裝置。
11.根據前面的權利要求7至10中的任何一個所述的系統，進一步包括能夠根據時間 段選擇偏好來選擇未被調度的時間段的所述生產調度器。
12.根據權利要求11所述的系統，其中通過針對特定設備估計保持未被調度的時間段 的空閑成本來識別所述時間段選擇偏好。
全文摘要
本發明公開了用于對由企業資源規劃所規劃并由車間的設備進行生產的制造過程進行調度的方法和系統，其中在制造執行系統內提供生產調度器以調度所述制造過程的任務，該系統包括能夠借助甘特圖來顯示當前生產調度表的生產調度器；能夠為車間每個設備在甘特圖中顯示已經被調度的時間段和那些仍未被調度的時間段的生產調度器；用于為特定設備選擇仍未被調度的時間段的選擇器；用于針對該特定設備查詢生產數據庫以找到適合仍未被調度的時間段的至少一個任務的查詢模塊；以及能夠在找到單個任務的情況下調度該任務或者在找到多個任務的情況下借助通過用戶交互所輸入的決策或者借助通過選擇偏好自動確定的決策來調度至少一個所找到的任務的生產調度器。
文檔編號G06Q10/00GK101813936SQ20101012631
公開日2010年8月25日 申請日期2010年2月24日 優先權日2009年2月25日
發明者P·方塔諾特 申請人:西門子公司