排程系统中关于任务优先级的需求延伸与设计构思

无论是面向销售订单的MPS，还是基于多工序制约关系的APS，还是具体车间生产中针对单一工序的任务作业调度优化，都存在基于被排程对象(例如销售订单、生产工单、工序任务)的优先级进行优化的需求场景。当我们仅在宏观、较高层次的角度考虑，任务优先级是相当简单的。无非是实现“确保高优先级的任务(以下将所有排程对象统称为任务)，更优先于低优先级的任务执行，即优先级越高越早执行”这一简单的要求。尽管上述的需求描述容易理解，且可以大概设想实现起来并不复杂。但当我们在具体的项目中遇到该需求时，则有可能需要针对该需求的不同分支情况作深入展开，并需要针对不同分支作情况作不同层次、权重分析后，才能在OptaPlanner/Timefold中更好实现。本文将归纳我们在具体项目过程中，面对任务优先级这一需求时，考虑到的情况分支与设计思想。在系统中具体实现，特别该需求OptaPlanner/TimeFold中对应的具体模型与约束实现逻辑及相应代码，则属于我们产品与项目的内容，无法在此完全公开。而在我们的《OptaPlanner/Timefold实践课程》中会提供相应的设计资料与示例代码。

优先级的简单理解 = 误解

　　所谓的“任务优先级”需求，我们在进行系统设计初期，对其并不太重视，因为这基本上算是一种任务排序要求，例如我们需要对一些任务进行排序，优先级越高的越靠前，反映在时间上就越早执行。在SQL或Java中仅需一个Order By子句或一个JavaStream的Collections.sort方法即可实现。但当我们细心分配用户的需求时才发现，情况远没有我们设想的那么简单。因为“通过排序来实现任务优先级”，仅局限于所有任务均处于同一任务序列内的情况，例如，对于同一个设备的待执行任务序列，通过对序列按优先级排序，即可轻松实现优先级越高，越早执行。实际需求需要视情况按不同的分支处理但事实是，我们真正需要面对的场景，并非如此简单，可以归纳如下：

1.多个任务序列并行，且争抢资源，甚至资源冲突

　　我们的排程系统面对的往往是多个序列，还是以生产设备与待加工任务序列的场景为例，有可能我们的系统面对的是多个设备，也就是存在多个并行的序列，优先级需求指的是在多个设备上实现，而非单一设备上。即需要考虑将大批量的任务分配到多个设备上时，在分配方案上如何实现跨设备的任务优先级需求。

2. 资源不足场景下的资源优先级

　　此外，有可能因为产能问题，并无法保证所有任务均可以分配到合理设备；即资源不足时，任务优先级的高低问题。这种情况就不再是根据优先级安排任务的执行选择次序问题，而是需要在有限制的资源条件下，尽可能保证高优先级的任务获得资源；即若资源确实不足的情况下，需要放弃部分任务的资源分配时，尽可能先放弃低优先级的任务。因此，这是一个根据任务优先级进行任务取舍问题，而不是任务的执行时间问题，与我们初始考虑的情况有本质区别。但从业务上，它仍然是任务优先级问题。

3. 若因为产能问题，有部分无法保证交付时间时，优先级的作用

　　当可用资源量不足，但可以通过往后延迟任务的执行时间，来将所有任务都分配到合适的资源。可以理解为，资源的空间维度(数量)不足，通过时间维度来实现分配到位。若任务均存在要求交付时间时，那么面对任务优先级需求时，则反映为，尽可能保证高优先级的任务不被延误(即保证高优先级任务在交付时间前完成)。从另一个角度看，就是若必须有部分任务无法保证交期，则优先级越低的任务越优先放弃交期保证。

4. 任务优先级与其它需求的冲突

　　在实际的排产项目需求中，不可能只基于优先级进行资源分配与任务时间安排，还需要考虑众多其它因素，例如：成本 - 某些生产资源尽可能满足了任务优先级要求，但该加工次序将会引起具体的换摸成本。又如：基于任务优先级排好的资源，有可能无法实现最优的“任务-资源”匹配原则。诸如此类问题，会使得整个优化模型形成一个多目标优化模型。因此，第4点不仅在任务优先级的需求中遇到。不在本文讨论重点。后续我们会针对排产及相关问题中，多目标优化的场景独立一篇出来讨论。
进行了上述分类后，因应任务优先级需求实现，即可根本不同的场景类别分别设计对应的约束来实现。例如：

1. 针对多个任务序列进行排程时，通过推导出来的任务完成时间与就绪时间之差作为惩罚评分基础。

2. 对于资源(设备)不足情况，当对于未被分配到设备的任务进行惩罚时，可考虑将为每个任务设定一个因素的惩罚评分值为基础。

3. 对于已产生延误的任务，可以考虑将其延误程度(例如完成时间与交付时间之差)作为惩罚评分的基础。

4. 对于优先级需求与其它需求的竞争冲突的情况，并非仅属于优先级方面的问题，而是优先级需求与其它需求的权重问题。可以根本实际情况综合考虑不同约束的重要程度，设定不同的额外权重来定义不同约束的重要程度，或评分层次来实现不同需求的层次隔离。

　　上述第1，2，3三种情况其评分逻辑各不相同，但均需要注意：必须将满足惩罚条件任务的优先级纳入评分逻辑中，作为影响评分结果的一个重要因子之一，从而实现不同场景下的任务优先级约束关于优先级的定义无论是MPS还是APS中，任务的优先级需要根据实际情况来实同，排程系统只能基于这些已定义好的优先级字段值，在排程过程中进行针对性的优化。而在具体项目实践中，定义任务的优先级，也有非常多的情况。例如：根本任务的紧急程度定义优先级，如： 可见以下式子定义：p = d / (t1 - max(t2, t3))，其中p为任务优先级的字段值，d为该任务的生产时长, t1为任务的交付时间，t2为任务的就绪时间，t3为当前时间. 当然也有可能根据人工对客户、质量、时间、资源等因素的综合考虑，“人工”定义的情况。对于规划系统而言，任务的优先级是一种输入，这种存在多因素扰动、且容易变更的逻辑，应该放在规划系统外实现，至少需要在规划系统的前置处理程序(例如待排数据的展开阶段)中实现。

<完>