1 绪论
1.1 研究背景
随着全球经济的快速发展，制造业的生产模式发生了改变。最初是以产品为导向的大批量生产模式，企业获得规模经济效益；但随着顾客的个性化需求发展，出现了以顾客为导向的多品种、小批量生产模式。随着互联网经济的快速发展，“互联网+”成为制造业的未来。顾客到制造（Customer to Manufacture，C2M）的生产模式就是在工业互联网背景下产生的，它的提出源于德国工业4.0的概念，指现代工业的自动化、智能化、网络化、定制化和节能化。其目标是通过互联网把不同的生产线连接在一起，运用计算机系统随时交换数据。其特点是一对一的订单生产，按需生产出个性化定制产品，既消除了库存，也消除了产品从工厂到顾客的中间环节成本，大幅降低了企业经营成本，提高了资金周转率，从而降低了产品价格，使顾客和企业互惠互利。C2M生产模式成为制造业发展的一种趋势。2015年7月，全球首个C2M电子商务平台上线，订单销量从最初的每月4 000单发展到每月50万单，说明了发展速度之快。C2M生产模式是典型的多品种、小批量生产，对制造业产生了重要的影响，主要表现在以下几个方面。
（1）传统的大批量生产模式与客户的个性化需求发生矛盾，企业的规模经济效益受到市场的冲击，传统的大批量生产模式难以适应市场要求。
（2）客户的产品需求呈现多样化、多变性和单件小批量的特点。客户对产品的需求波动很大，企业需要根据市场动态调整生产计划来满足客户的个性化需求。
（3）产品的生命周期明显缩短，同类产品多样性变化快，为了满足快速变化的市场需求，企业需要根据客户需求快速更新产品的种类。
（4）经济发展由“粗放型”转向“集约型”，企业需要对资源做到精准调配，尽量压缩生产成本，才能提高企业的利润和市场竞争力。
（5）为了更好地响应客户的个性化定制需求，企业的制造系统MES与ERP系统必须实时互动。
综上所述，多品种、小批量的生产特点导致了生产过程中存在频繁的作业切换，以及需要作业切换时间，降低了设备利用率和生产效率。例如，在机械制造行业，目前多品种、小批量的生产制造企业的机械加工时间大约占生产周期的54%，而更换工件、更换夹具等作业切换活动的时间则占生产周期的40%，明显降低了机器利用率和生产效率。德国某研究所调查了6个不同行业的企业实际生产情况，调研数据显示：产品实际加工时间仅占生产周期的15%，而产品的等待、切换、排队和搬运的时间占生产周期的85%。在C2M生产模式下，该问题更加凸显。通过对某航空紧固件企业的调研发现，有些工序的作业切换时间甚至是加工时间的十几倍，如在冷镦工序中，工件的加工时间非常短，单件工件的加工时间一般只有0.016秒，但是作业切换时间长达3到4个小时，花费时间较多的是安装原料输送固定装置，以调节刀与下模距离为例，就需要将原料输送线、粗冲线和精冲线三条线调节为一条线。
很多企业在制订生产计划时，要么直接忽略了作业切换时间；要么将作业切换时间纳入加工时间，没有单独考虑作业切换时间；要么根据经验直接给出每个工序固定的作业切换时间，这都与实际生产情况不符。实际上，不同的作业排序产生的作业切换时间不同，但是由于多品种、小批量的产品特点，生产重复性极低，无法获得不同排序产生的作业切换时间，导致不能有效地缩短作业切换时间和提高设备利用率，给制订生产计划和生产调度带来了困扰。
目前常用的调度规则主要有：先到先服务（First Come First Served，FCFS）准则、最短加工时间（Shortest Process Time，SPT）优先准则、最早工期（Earliest Due Date，EDD）优先准则和最长加工时间（Longest Processing Time，LPT）准则。这些调度规则都没有考虑缩短作业切换时间的问题，不能解决多品种、小批量生产模式产生的频繁作业切换问题。
通过对几家多品种、小批量生产企业进行调研，以某航空紧固件企业为例，该企业2014年加工的产品种类有近8 000种，并且每种产品还包含多个型号，可见该企业的多品种特征非常明显。由于在生产中存在频繁的作业切换过程，影响了设备利用率和产品交付率，导致该企业的产品交付率只有40%。企业也考虑了频繁的作业切换时间带来的问题，根据经验给出了各个工序固定的作业切换时间数值，主要目的是为了平衡工人的加工工时，这对于缩短作业切换没有任何意义，目前该企业采用的调度方案主要有以下几种。
（1）制订生产计划时缺乏相关的作业切换时间数据。生产任务主要依据粗略的订单优先分级进行排序，对于实际生产过程因为加工任务差异性导致的不同作业排序产生不同的作业切换时间忽略不计。
（2）根据工序给出宽泛的作业切换数值用于生产工时计算，这也是导致企业作业切换时间延长的原因。
（3）车间调度员和操作工人主要遵循先到先加工的原则，没有考虑不同作业排序产生的作业切换时间问题，一方面导致了频繁的作业切换，极大地浪费了时间，另一方面使作业计划与实际生产进度脱节，影响了产品的生产周期。
（4）由于该企业产品的重复率很低，跨批量，定人定机生产，调度员为了平衡工人的生产效率，安排任务会采取小批量和大批量结合，加工特征简单的任务和加工特征复杂的任务相结合的调度方案。
上述调度方案不能有效地缩短作业切换时间，如何降低作业切换时间和提高机器利用率是离散型制造企业面临的关键问题之一，该问题已经成为制造系统研究的热点之一。近年来，很多学者考虑了作业切换时间的问题，主要有排序依赖作业切换单机、并行机调度研究，指的是不同作业排序产生不同的作业切换时间，这种情况比较符合实际生产情况。排序独立于作业切换时间的并行机调度研究，指的是工件切换时产生作业切换时间，该值固定且与作业排序无关，这种情况是实际生产情况的简化，便于问题求解。考虑作业切换时间的成组调度研究，其主要根据工件的结构、尺寸等外观特征进行成组，或者根据工件的工艺进行成组，对于外形结构相似度高但是加工特征有差异的产品来说，成组效果并不好。
综上所述，C2M生产模式产生了频繁切换，如何缩短作业切换时间来提高设备等资源利用率和产品交付率，是车间优化调度需要解决的主要问题。