云制造系统调度：振华重工智能管理平台研发及应用

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：与经典制造系统相比，云制造模式下的调度问题具有自己的特点。云制造环境下的调度系统位于“云端”的云制造服务平台，调度系统与制造资源之间靠互联网连接，这种远程网络连接方式导致云端的调度系统难以对物理资源层发生的动态干扰事件做出及时有效的响应。因此，云制造任务调度需要使用更加智能和高效的方法。图11-3云制造调度系统结构图③跨企业任务调度。

云制造是基于云计算、物联网、大数据、面向服务技术等新兴信息技术发展起来的一种新的制造模式。经过多年发展，云制造的研究已经具有一定影响，对其各项关键技术的研究与应用也取得了丰硕的成果。随着传统的车间作业环境、柔性制造系统到复杂的分布式制造系统、面向服务的网络化制造环境的发展，制造系统变得越来越复杂，系统的动态性和不确定性更加突出，使得解决复杂制造环境下的调度问题变得越来越困难。

调度问题是云制造系统的核心问题之一。与经典制造系统相比，云制造系统在任务、服务、资源、优化目标、不确定性等方面都存在较大差异。从制造任务的角度来看，云制造系统中的任务具有个性化和大规模的特点；从制造服务的角度来看，云制造是一种面向服务的制造模式，云制造调度问题不再是简单的工序与设备的匹配，而要考虑制造服务的柔性、关联性、可组合性以及任务与服务的映射关系。另一方面，由于云制造资源分布在不同的地理位置，云制造调度还需要考虑物流和任务转移成本等因素。此外，云制造模式下存在多个利益相关方，包括服务使用者、服务提供者和服务管理者等，云制造调度的优化目标不仅要考虑时间、成本和质量等因素，还要考虑不同角色之间复杂的利益关系。最后，云制造系统中的动态性、不确定性更加凸显，干扰事件更加普遍，导致解决云制造环境下的调度问题更加困难。

结合云制造环境的新特点，制造计划与调度可分为分为短期运作层、中期战术层、长期战略层。短期运作层是根据中长期制定的采购销售生产等计划，在能力需求的约束下制定具体业务操作级别的执行方案，主要包括生产调度与车间控制、营销补货计划与运输计划等；中期战术层关注以用户需求预测为向导的协作网络内部结构优化，包括企业能力外包决策、每个节点的能力设置/扩展决策，并根据用户需求决定产品在协作网络各类节点中的生产/供应/分销运输数量，典型的如主生产计划；长期战略层决定产品类型、规划现在/将来的各种企业能力（包括生产基地个数和地点等），基本确定企业的协作网络结构和每个节点的功能定位与能力需求，典型的如粗能力计划等。

与经典制造系统相比，云制造模式下的调度问题具有自己的特点。传统制造系统中的调度决策系统通常位于车间层，制造资源与调度系统的连接距离更“近”，使得调度决策系统能够更容易地实现对突发事件和不确定性事件的响应。云制造环境下的调度系统位于“云端”的云制造服务平台，调度系统与制造资源之间靠互联网连接，这种远程网络连接方式导致云端的调度系统难以对物理资源层发生的动态干扰事件做出及时有效的响应。因此，在云制造环境下，对于干扰事件和系统状态的预测是一个十分重要的问题。

（1）云制造调度问题的特点

①制造服务由于云制造是一种面向服务的制造模式，在云制造环境下与任务进行调度和匹配的不再是传统的制造设备，而是制造服务。云制造服务具有较强的柔性，而且服务和服务间具有关联关系。此外，在云制造任务调度过程中还要考虑到云服务池规模的动态增长。

②制造资源在云制造环境下，制造资源通过虚拟化和服务化之后形成制造服务。虽然这些制造服务在云端的服务云池中被统一管理，但是制造服务所映射的制造资源却分布在不同地理位置的制造企业中。因此，在云制造任务调度过程中不仅要考虑服务之间的关联性，还要考虑任务在分布式制造资源之间传输时所需的物流时间和物流成本。

③制造任务云制造服务平台中，制造任务具有个性化、大规模的特点，这也是云制造不同于传统制造模式的重要特点。因此，云制造任务调度需要使用更加智能和高效的方法。

④系统动态性与不确定性虽然在经典的车间调度问题中也存在系统的动态性、干扰事件和不确定事件，但是在云制造环境下，这些不确定事件和干扰容易发生且更不容易被控制，对系统运行带来的影响也更大。

（2）云制造调度的过程

在云制造环境下，服务需求者根据自己的制造需求向云制造平台提交任务。云制造平台及时有效地调动云资源池中的软件和硬件资源，执行相应的产品加工过程以完成服务用户的需求。在该过程中，服务的调度技术是关键环节之一。云制造调度问题包括资源调度和任务调度两类问题，区别在于调度的着眼点不同。云制造调度过程分为制造任务分解与处理、云平台虚拟资源调度、跨企业任务调度和企业级任务调度四个方面。图11-3所示为云制造调度系统结构图。

①制造任务分解与处理。服务需求方将制造任务需求发送到云制造服务平台，制造任务的分解与处理是实现制造任务与制造服务匹配的前提。每个制造任务被分解为由多个子任务构成的子任务有向图（子任务链），用属性标签的形式对不同任务的子任务进行多维描述与管理，以支持子任务和服务实例的优化匹配与调度。

②云平台虚拟资源调度。云制造平台中的虚拟资源调度分为计算资源调度和制造资源调度两种。计算资源是云制造服务平台架构的基础，它可以提供底层的计算能力和存储能力，因此计算资源的调度是制造资源调度的基础。计算资源调度分为基础设施即服务层资源调度、平台即服务层资源调度和软件即服务层资源调度。制造资源调度包括经典的智能制造设备资源调度（如数控设备、3D打印机、智能机器人）和其他制造资源（如物流资源、人力资源、数据资源）。

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图11-3　云制造调度系统结构图

③跨企业任务调度。由于云制造平台中存在众多提供服务的企业，制造任务需要在多个企业之间进行分配与协同执行。跨企业任务调度需要考虑不同企业的服务能力、资源利用程度和服务质量等因素，调度的优化目标需要考虑多个制造任务需求的优化目标。物流因素是跨企业调度必须考虑的因素（包括物流时间和物流成本），也是云制造调度与云计算任务调度的一个重要区别。

④企业级任务调度。云制造任务的执行最终需要在车间层进行，因此车间层的任务调度问题是云制造调度需要考虑的另一方面。云制造调度系统中产生的调度方案通过网络传递给不同制造企业的车间层，车间制造系统根据当前企业自身的固有任务量和云制造平台下放的制造任务生成优化的车间层调度方案，最终按期完成云制造任务。车间层中产生的干扰事件（如设备宕机、设备周期性维护、物料短缺）需要及时反馈到云平台，以便云平台通过全局优化调度实现对服务网络局部干扰的有效响应。

（3）云制造调度技术运用

云制造调度技术不仅涉及云制造平台中虚拟资源的调度问题，还要考虑网络化制造环境下跨企业的任务和资源调度问题，以及车间层调度问题。因此，云制造调度技术需要云平台调度技术、网络化制造调度技术和车间层调度技术作为支撑。此外，在云制造系统环境中与调度问题密切相关的理论和技术还包括云制造服务组合理论与技术，以及云制造供需匹配理论。上述云制造调度相关理论和支撑技术的研究与实现，需要一批基础性理论和技术作为支撑。

①云制造服务组合技术与云制造调度技术相辅相成。服务组合技术需要利用复杂网络理论对云环境下制造服务之间复杂多变的关联关系进行描述和建模，在此基础上利用网络相关理论将云制造服务组合问题抽象为网络中节点之间的关联关系研究。

②云制造供需匹配技术从任务和服务的角度对云制造调度问题进行建模，将云制造调度问题抽象为任务集合与服务集合之间的动态映射问题。云制造供需匹配技术需要运用基于多智能体的技术和实时仿真等方法对云制造任务服务供需匹配问题进行问题描述和供需匹配方案优化，从而实现动态环境下制造服务与任务需求之间的优化匹配。

③在云制造平台虚拟资源调度问题研究中，需要针对云制造平台中的制造资源和计算资源的不同特点，分别进行资源和服务调度问题的研究。目前针对云制造计算资源调度问题的研究相对较多，针对制造资源的调度问题研究相对少一些。

④网络化制造环境下的跨企业调度也是实现云制造调度的关键，不仅需要考虑网络化制造环境下的供应链资源优化调度问题，还要考虑制造任务执行过程中的物流资源因素，因为云制造环境下的物流是实现制造任务执行过程的必要因素。

⑤车间层调度问题是云制造调度问题的基石。无论上层云平台中产生的优化服务调度方案还是企业间的任务调度计划，最终制造任务的执行过程都在车间层实现。车间层调度的相关支撑技术包括车间作业调度技术、柔性车间作业调度技术、虚拟制造单元调度技术和多智能体制造系统调度技术等。

振华重工制造业流动机械智能调度管理平台研发及应用

上海振华重工（集团）股份有限公司是一家重型装备制造行业知名企业，为国有控股A、B股上市公司，控股方为世界500强之一的中国交通建设股份有限公司。振华长兴基地具有4.93km岸线、334万m2的封闭区域，作为大型重型设备制造单位，各类叉车、牵引车、吊车、登高车、门机等是主要生产作业工具，每车每天需要进行间隔10min～3h，日接单平均20次左右的频繁作业调度。所有用车申请、作业调度、过程监控、用车反馈等相关数据记录、统计全部依靠人工完成，随着振华长兴基地业务量的增加，各类生产车辆使用频次越来越高，依靠人工电话调度无法满足车辆使用需要，对于车辆的使用记录及成本核算也极为不便，运营管理成本居高不下。

为解决上述问题，通过综合利用4G、GPS、北斗差分增强定位、流动机械物联网、GIS地图、云计算、大数据等现代通信和信息技术，进行技术融合与工业互联网应用创新，研发流动机械智能调度管理平台，建设现代化、信息化的流动机械综合调度集控管理中心，实现远程申请、智能化生产调度、安全监控、数据采集、成本归集与各项管理数据分析自动化，减少专职管理人员。

流动机械及生产人员移动终端通过中国电信4G网络接入流动机械智能调度管理云平台，同时该平台通过VPN专线对接振华ERP系统及生产调度中心。平台的功能主要分为基础信息管理、车辆实时监控、车辆任务调度、车辆维保管理、统计分析、驾驶员应用、调度人员应用等。

通过平台（图11-4）实施应用达到以下成果。

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图11-4　流动机械智能调度管理平台

①流动机械信息化。对全部叉车、牵引车、吊车、登高车、门机等流动机械及车辆，实现封闭区域内的精确实时定位；实时采集流动机械发动机运行状况及起重、牵引、承压等作业数据，监控安全生产过程；依据发动机运行数据，分析设计各类流动机械个性化按需维修保养模型。

②生产调度智能化。根据企业的日常生产实际，面向各部门的生产及管理人员（生产人员、驾驶员、调度及管理人员）实现各类流动机械的远程一键申请，就近、并单、插单等生产智能化调度；实现生产人员及流动机械驾驶员的双向作业反馈和使用评价；实现流动机械生产过程的物资消耗管理等无纸化办公。基于业务预约、车辆实时定位数据基础，采用功能预植，实现智能化调度，淘汰了申请单筛选、流动机械与操作司机、工作任务的配对、流动机械位置查询与确认流程，将原有5min/单的调度时间缩减为30s/单。

③成本归集自动化。基于各类流动机械生产作业的全方位数据采集，实现各项成本基础数据的管理自动化；设计开发生产成本多纬度分析及统计归集模型，精确统计驾驶员、生产人员、调度人员的考勤、用车成本及定额管理，实现成本自动归集及精确管理目标。

云制造系统调度：振华重工智能管理平台研发及应用

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