工業(yè)工程生產(chǎn)線規(guī)劃的模塊化研究

韓輝

摘要利用模塊化設(shè)計思想，提出一種基于模塊化的生產(chǎn)線規(guī)劃方法。通過遺傳算法對模塊進行構(gòu)建或重構(gòu)。從而實現(xiàn)生產(chǎn)線的快速構(gòu)建與重構(gòu)，以適應(yīng)市場產(chǎn)品多變的需求。

關(guān)鍵詞模塊化設(shè)計生產(chǎn)線規(guī)劃遺傳算法多agent

中圖分類號：F270 文獻標(biāo)識碼：A

筆者利用模塊化設(shè)計思想，提出了一種基于模塊化的生產(chǎn)線規(guī)劃方法。該方法將可重構(gòu)單元作為生產(chǎn)線的基礎(chǔ)模塊，通過對基礎(chǔ)模塊的增刪或調(diào)整，達到了改變單元和生產(chǎn)線的加工能力的目的，以適應(yīng)市場產(chǎn)品多變的需求。

一、可重構(gòu)單元

制造單元是制造系統(tǒng)的最基本單元，也是先進生產(chǎn)模式實施的基礎(chǔ)。它集高效率、高柔性和高質(zhì)量于一體，不僅適合中小制造企業(yè)，而且通過組合不同加工能力的單元，可構(gòu)建出滿足大型制造企業(yè)需求的生產(chǎn)線系統(tǒng)。因此，單元的構(gòu)建與重構(gòu)，是實現(xiàn)生產(chǎn)線快速構(gòu)建與重構(gòu)的基礎(chǔ)。

（一）可重構(gòu)單元的設(shè)備。

在制造單元內(nèi)，除緩沖站和物流傳送設(shè)備外，其結(jié)構(gòu)核心是加工設(shè)備。許多企業(yè)為使加工設(shè)備適應(yīng)未來的加工需求，通常選擇功能較強的加工設(shè)備。但實際上，生產(chǎn)中80%的加工中心只應(yīng)用了其20%的功能。這種通過保留過多的功能冗余，提高設(shè)備乃至生產(chǎn)線加工柔性的辦法，會造成投資浪費。

為降低單元內(nèi)設(shè)備的功能冗余。提高設(shè)備的利用率，便于單元的功能拓展，應(yīng)按工藝要求選擇功能互補型設(shè)備；為便于單元的重構(gòu)，單元內(nèi)的加工設(shè)備按串聯(lián)方式布置，并在車間內(nèi)建立相應(yīng)的公共地基。單元內(nèi)配置的加工設(shè)備的類型和數(shù)量可按工藝優(yōu)化的原則，通過更換、增刪和調(diào)整排列次序進行單元重構(gòu)，從而適應(yīng)零件加工需求的變化。通常，當(dāng)加工對象發(fā)生變化且調(diào)整前后加工費用的差額大于調(diào)整費用時，需進行調(diào)整，否則，不必替換設(shè)備或改變設(shè)備的物理布局，而只需對單元進行動態(tài)邏輯重構(gòu)。納入動態(tài)邏輯重構(gòu)單元內(nèi)的設(shè)備可以是生產(chǎn)線上相鄰單元內(nèi)的設(shè)備。如果用這種方式仍不能獲得所需加工能力?？梢酝ㄟ^互聯(lián)網(wǎng)，組合異地單元的加工設(shè)備，構(gòu)建虛擬單元完成加工任務(wù)。

（二）基于多目標(biāo)規(guī)劃的單元構(gòu)建。

依據(jù)前面提到的可重構(gòu)單元設(shè)備的選擇要求，選定所需設(shè)備后，就要進行單元構(gòu)建。單元構(gòu)建包括設(shè)備分組、零件分組以及單元布置。目前，單元構(gòu)建的算法有多種，側(cè)重點各不相同，但一般都局限于獨立解決問題的一個方面，而忽視三方面要素的交互影響，從而制約了單元構(gòu)建目標(biāo)的最佳實現(xiàn)。通過分析，單元構(gòu)建模型的目標(biāo)函數(shù)可定義為：

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即工件的平均流程時間最短。式中為工件總數(shù)；tp為工件數(shù)p的流程時間，包括其加工時間以及在設(shè)備和單元間的轉(zhuǎn)移時間。約束條件包括：（1）每臺設(shè)備或每個零件只能屬于一個單元；（2）單元內(nèi)設(shè)備功能互補，并保持負(fù)荷均衡；（3）單元內(nèi)至少分配一個零件；（4）工件所屬單元至少包含一臺可加工其作業(yè)的設(shè)備；（5）按工藝順序要求加工零件；（6）零件的轉(zhuǎn)移時間與路程成正比；（7）單元內(nèi)設(shè)備數(shù)應(yīng)少于設(shè)備總數(shù)。

加入約束條件后的目標(biāo)函數(shù)采用傳統(tǒng)方法很難求解。為此，作者應(yīng)用遺傳算法提出一種基于多目標(biāo)規(guī)劃的單元構(gòu)建方法，并采用二維編碼方案對問題域進行編碼，即染色體各基因座由兩位元素（x1，x2）組成，x1表示該設(shè)備或零件所屬單元編號，x2表示該設(shè)備或零件的位置或排序權(quán)重。這樣，設(shè)備染色體代表設(shè)備的分組和排序，零件染色體代表零件的分組和排序。而一條由設(shè)備染色體和產(chǎn)品染色體組成的二維染色體，就代表一種設(shè)備規(guī)劃與零件排序方案，從而同時解決了單元構(gòu)建的三方面問題。初始染色體采用隨機方式產(chǎn)生，并利用約束條件檢驗其有效性。適應(yīng)度函數(shù)定義為：

=

為目標(biāo)函數(shù)，分子為當(dāng)代所有個體目標(biāo)值之和，是轉(zhuǎn)換后的適應(yīng)度函數(shù)。針對二維編碼特點，交叉算子采用一點與兩點匹配交叉相結(jié)合的方法。變異操作時，對同一染色體中出現(xiàn)的重復(fù)基因要進行相應(yīng)的匹配交換。此外，為加快算法收斂速度，迭代過程中將動態(tài)保留歷代優(yōu)解。通過該方法構(gòu)建的單元是一組由加工設(shè)備串聯(lián)構(gòu)成的自治化整體，并且加工設(shè)備的功能彼此互補，冗余較低。在實際加工中，單元中加工設(shè)備的類型和數(shù)量還可以根據(jù)產(chǎn)品族的不同進行調(diào)整和重構(gòu)。

二、基于模塊化的生產(chǎn)線規(guī)劃

生產(chǎn)線的規(guī)劃形式取決于生產(chǎn)類型，其基本形式可分為4種：產(chǎn)品原則布置、工藝原則布置、成組原則布置和固定工位式布置。依據(jù)這些原則，先后出現(xiàn)了機群式制造系統(tǒng)、剛性制造系統(tǒng)和柔性制造系統(tǒng)。相比而言，后者能加工較多的零件品種，但只限于所設(shè)定的同族零件內(nèi)。因此，為使規(guī)劃設(shè)計出的生產(chǎn)線既能夠滿足當(dāng)前的加工需求，又能夠在加工需求在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化時，很容易進行調(diào)整重構(gòu)。作者利用模塊化的設(shè)計思想，以可重構(gòu)單元作為構(gòu)建生產(chǎn)線的基礎(chǔ)模塊，提出一種基于模塊化的生產(chǎn)線規(guī)劃方法。

基于可重構(gòu)單元的生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)可將重構(gòu)單元作為單元模塊，通過在生產(chǎn)線基型結(jié)構(gòu)上靈活組合，實現(xiàn)生產(chǎn)線的快速構(gòu)建和重構(gòu)。

生產(chǎn)線基型結(jié)構(gòu)是由物流出入口、緩沖站、物流主通道等組成，其布局形式直接影響生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)線基型結(jié)構(gòu)與各模塊之間通過緩沖區(qū)將各物流傳送系統(tǒng)相連，并通過對模塊的增刪或調(diào)整改變單元和生產(chǎn)線的加工能力，實現(xiàn)生產(chǎn)線的快速構(gòu)建和重構(gòu)，以適應(yīng)市場產(chǎn)品多變的需求。這種采用模塊化設(shè)計方法構(gòu)建的生產(chǎn)線，具有易于重構(gòu)、易于動態(tài)組織、具有較高的柔性、易于實施多品種并行生產(chǎn)和混流生產(chǎn)等優(yōu)點。□

（作者：桂林電子科技大學(xué)CSIP中心，副研究員，碩士）