顧晨陽(yáng)

上海交通大學(xué)機(jī)械工程與動(dòng)力學(xué)院,上海 200240

?

基于啟發(fā)式算法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線物料準(zhǔn)時(shí)化配送

顧晨陽(yáng)

上海交通大學(xué)機(jī)械工程與動(dòng)力學(xué)院,上海 200240

本文結(jié)合公司當(dāng)前的物料配送系統(tǒng)，指出其目前存在的問(wèn)題，提出了一套啟發(fā)式算法。首先以生產(chǎn)節(jié)拍為基本單位，設(shè)置一個(gè)生產(chǎn)周期，以此分別計(jì)算出物料的需求量、配送車(chē)輛的車(chē)輛數(shù)、配送周期、以及配送人員的等待時(shí)間。然后求出最短的配送人員等待時(shí)間，以此狀態(tài)下的生產(chǎn)周期作為實(shí)際配送的生產(chǎn)周期，從而展開(kāi)物料配送。 最后本文結(jié)合公司的實(shí)際問(wèn)題，運(yùn)用啟發(fā)式算法求解出實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)化配送的方案。

物料配送準(zhǔn)時(shí)化啟發(fā)式算法生產(chǎn)節(jié)拍

1　公司生產(chǎn)線及物料配送介紹

1.1概述

F公司是一家生產(chǎn)多功能復(fù)印機(jī)的制造型企業(yè)。其生產(chǎn)線布局如圖1所示，為直線型布局，主要分為一條主裝配線和兩條子部品裝配線。同時(shí)在生產(chǎn)線附近設(shè)置有一個(gè)線邊倉(cāng)庫(kù)，生產(chǎn)線的發(fā)料是通過(guò)這個(gè)線邊倉(cāng)庫(kù)完成的。

F公司的生產(chǎn)車(chē)間采用物料集中配送的方式進(jìn)行配送，即根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃，提前一天準(zhǔn)備第二天生產(chǎn)所需的原材料和零部件，將其送至線邊倉(cāng)庫(kù)，然后等到第二天生產(chǎn)線正常工作時(shí)，物料配送人員根據(jù)料車(chē)所載物料的不同，對(duì)不同工位同時(shí)進(jìn)行發(fā)料。

配送車(chē)輛：R型多功能復(fù)印機(jī)的生產(chǎn)線上的物料配送料車(chē)，尺寸為100 cm*100 cm*55 cm。

工位(料臺(tái))：F公司的工位可分為3部分：料臺(tái)，操作臺(tái)以及周轉(zhuǎn)箱放置區(qū)域。生產(chǎn)線工作人員將料臺(tái)上的物料消耗完以后會(huì)將空的周轉(zhuǎn)箱放在工位最下方的周轉(zhuǎn)箱放置區(qū)域，物料配送人員在發(fā)料完畢以后，會(huì)回收周轉(zhuǎn)箱。

1.2問(wèn)題分析

F公司目前的配送模式，采用的是一種較為粗放式的配送模式，物料中心首先根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃，結(jié)合制造BOM，計(jì)算出第二天一天物料的需求總量，之后在生產(chǎn)開(kāi)始之前將這部分的物料從倉(cāng)庫(kù)中劃分出來(lái)，并送往生產(chǎn)線附近的線邊倉(cāng)庫(kù)。

而接下去的物料配送任務(wù)就分配給配送人員，只要求配送人員當(dāng)天將這些物料全部配送至相關(guān)工位即可。但是如何配送、一次配送多少數(shù)量，哪些種類(lèi)卻沒(méi)有給出明確的規(guī)定。因此配送人員只能根據(jù)各自的喜好來(lái)進(jìn)行配送，有些配送人員為了避免頻繁的配送勞動(dòng)，采取的是過(guò)量配送；有些配送人員為了貪圖配送簡(jiǎn)便，每次只配送一種或者幾種物料，將一輛料車(chē)的物料完畢之后再換另外的幾種物料配送，所以生產(chǎn)線經(jīng)常因?yàn)槲锪隙倘卑l(fā)生停線。

圖1　生產(chǎn)線布局Fig.1　The Layout of Production Line

圖2　配送車(chē)輛Fig.2　Distribution Vehicle

圖3　工位Fig.3　Station

實(shí)際上，F(xiàn)公司生產(chǎn)線物料配送的混亂，是由于對(duì)配送人員不正確的配送方式和配送方法造成的，而究其根本，是由于F公司的物流部門(mén)的管理不當(dāng)，缺少用科學(xué)的方法來(lái)管理生產(chǎn)線的物料配送模式，正是由于F公司對(duì)于物料配送沒(méi)有一個(gè)系統(tǒng)、詳細(xì)的規(guī)定和計(jì)劃，使得配送人員沒(méi)有作業(yè)指導(dǎo)書(shū)可以依靠，只能憑借經(jīng)驗(yàn)和喜好，隨心隨意的進(jìn)行配送，進(jìn)而導(dǎo)致了整個(gè)配送系統(tǒng)的混亂。

2　啟發(fā)式算法

首先對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線進(jìn)行劃分，分成若干個(gè)區(qū)域。然后以生產(chǎn)節(jié)拍為基本單位設(shè)置一個(gè)生產(chǎn)周期TS，再根據(jù)該生產(chǎn)周期，結(jié)合制造BOM計(jì)算出在該生產(chǎn)周期內(nèi)，各生產(chǎn)區(qū)域需要的物料種類(lèi)和數(shù)量；其次，根據(jù)物料的需求量計(jì)算出配送這些物料需要的車(chē)輛數(shù)，由于大多數(shù)情況下是非整車(chē)配送，因此需要以平衡配送人員的勞動(dòng)強(qiáng)度以及配送車(chē)輛的高裝載率為約束，用以提高配送的效率；第三，在配送車(chē)輛以高裝載率配送的前提下，計(jì)算出配送車(chē)輛的配送周期，然后根據(jù)生產(chǎn)周期來(lái)調(diào)整配送車(chē)輛的發(fā)車(chē)順序，計(jì)算出配送人員的等待時(shí)間；最后，累計(jì)所有配送人員的等待時(shí)間，以此總等待時(shí)間ΔT最小為目標(biāo)函數(shù)，最終找出最適合的生產(chǎn)周期，以達(dá)到人員利用率最高的生產(chǎn)線物料準(zhǔn)時(shí)化配送的目標(biāo)。啟發(fā)式算法的流程如圖5所示。

第一步：計(jì)算一個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)各個(gè)區(qū)域?qū)ξ锪系目傂枨罅?。?dāng)以生產(chǎn)節(jié)拍C為基本單位設(shè)定好一個(gè)生產(chǎn)周期TS=n*C后，可以結(jié)合制造BOM計(jì)算出各個(gè)區(qū)域在生產(chǎn)周期TS內(nèi)的物料的需求量Di，計(jì)算公式如下：

(1)

dij—表示在區(qū)域i內(nèi)，種類(lèi)為j的物料的需求量

Ei—表示區(qū)域i用于堆放物料區(qū)域的空間容量

圖4　啟發(fā)式算法流程圖

第二步：計(jì)算一個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)各區(qū)域需要的配料車(chē)輛的車(chē)輛數(shù)。由于在一個(gè)生產(chǎn)周期在對(duì)一個(gè)區(qū)域進(jìn)行配送所需的配送車(chē)輛的車(chē)次的多少，取決于該生產(chǎn)周期內(nèi)物料需求量的多少，在大多數(shù)情況下，物料的需求量大于一輛配送車(chē)輛的容載量，但不等于一輛配送車(chē)輛容載量的整數(shù)倍。在這種情況下，不但需要多輛配送車(chē)輛進(jìn)行整車(chē)配送，同時(shí)也需要一輛配送車(chē)輛進(jìn)行非整車(chē)配送。同時(shí)，由于配送的物料量存在差異，這對(duì)配送人員意味著配送時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度存在差異，因此配送人員在配送物料時(shí)需要不斷地適應(yīng)變化的工作量，這樣就很容易使得配送人員產(chǎn)生心理和生理上的疲勞，最終導(dǎo)致發(fā)生配送錯(cuò)誤的情況?；谝陨系目紤]，首先計(jì)算出配料車(chē)輛的車(chē)輛數(shù)，計(jì)算公式如下：

(2)

Ni—表示區(qū)域i所需的配送車(chē)輛

Qi—表示一輛配送車(chē)輛的容載量

其次，需要對(duì)配送車(chē)輛的情況進(jìn)行約束，為了平衡配送人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)為了提高效率，也要滿足配送車(chē)輛的高搭載率，需要對(duì)式(2)進(jìn)行約束，如下所示：

(3)

η—表示配送車(chē)輛的搭載率

A—表示現(xiàn)有配送車(chē)輛數(shù)量

Mi—表示區(qū)域i對(duì)配送人員的需求量

B—表示配送人員數(shù)量

第三步：計(jì)算各區(qū)域的配送車(chē)輛的配送周期。一輛配送車(chē)輛進(jìn)行一次物料配送的配送周期主要由配料時(shí)間、發(fā)料時(shí)間以及倉(cāng)庫(kù)到工位間的往返行程時(shí)間構(gòu)成，其計(jì)算公式如下：

(4)

Tik—表示區(qū)域i中第k輛配送車(chē)輛的配送周期

Tikp—表示區(qū)域i中第k輛配送車(chē)輛的配料時(shí)間

Tikf—表示區(qū)域i中第k輛配送車(chē)輛的發(fā)料時(shí)間

Tikx—表示區(qū)域i中第k輛配送車(chē)輛的行程時(shí)間

Sik—表示區(qū)域i中第k輛配送車(chē)輛的實(shí)際配送量

μ—表示單件物料配料時(shí)的時(shí)間系數(shù)

ρ—表示單件物料發(fā)料時(shí)的時(shí)間系數(shù)

di—表示倉(cāng)庫(kù)到區(qū)域i的行車(chē)距離

ν—表示配送車(chē)輛的行進(jìn)速度

第四步：計(jì)算配送人員的等待時(shí)間。在計(jì)算出配送車(chē)輛的配送周期以后，將其與生產(chǎn)周期相比較，會(huì)出現(xiàn)以下幾種情況：

情況一：配送周期大于生產(chǎn)周期，在此情況下，將無(wú)法完成對(duì)物料的準(zhǔn)時(shí)化配送，所以此情況是不被允許的。

情況二：配送周期小于生產(chǎn)周期,這種情況首先滿足的了準(zhǔn)時(shí)化配送的基本要求。在此基礎(chǔ)上，同一區(qū)域內(nèi)，如果任意兩個(gè)配送周期疊加以后的時(shí)間大于一個(gè)生產(chǎn)周期的時(shí)間，那么表示這些配送車(chē)輛必須同時(shí)出發(fā)進(jìn)行物料配送，否則將無(wú)法在當(dāng)前生產(chǎn)周期結(jié)束之前將下一生產(chǎn)周期需要的物料全部配送。所以在此情況下，每一輛配送車(chē)輛都需要配備一個(gè)配送人員，因此要計(jì)算該區(qū)域內(nèi)配送人員的等待時(shí)間，只要將一個(gè)生產(chǎn)周期的時(shí)間減去一個(gè)配送周期的時(shí)間就可以得出配送該車(chē)輛的人員的等待時(shí)間，然后將所有的等待時(shí)間求和，其計(jì)算公式如下：

(5)

情況三：在配送周期小于生產(chǎn)周期的基礎(chǔ)上，在同一區(qū)域內(nèi)，如果有兩個(gè)或者兩個(gè)以上的配送周期疊加以后的時(shí)間小于一個(gè)生產(chǎn)周期的時(shí)間，那么表示所有的配送車(chē)輛沒(méi)有必要同時(shí)出發(fā)進(jìn)行物料配送，那么可以是一個(gè)配送人員將一輛配送車(chē)輛的物料配送完畢后對(duì)第二輛的配送車(chē)輛的物料再進(jìn)行配送。在這種情況下，需要對(duì)所有的配送車(chē)輛進(jìn)行組合，盡可能地減少同時(shí)配送的情況，從而減少配送人員的等待時(shí)間，提高勞動(dòng)效率。所以該區(qū)域內(nèi)的等待時(shí)間可以根據(jù)以下計(jì)算公式得出：

(6)

zi—表示區(qū)域i需要進(jìn)行同時(shí)配送的的最少車(chē)輛數(shù)

第五步：計(jì)算整個(gè)生產(chǎn)線的配送人員的總等待時(shí)間。在得出所有區(qū)域的等待時(shí)間之后，就可以很快的計(jì)算出生產(chǎn)線所有配送人員的總等待時(shí)間。計(jì)算公式如下：

(7)

3　實(shí)際應(yīng)用

首先結(jié)合F公司實(shí)際情況對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行數(shù)字化定義：

①生產(chǎn)節(jié)拍：120秒。

②配送車(chē)輛行進(jìn)速度：1 m/s。

③物料根據(jù)外觀尺寸的大小劃分為大中小三類(lèi)，分別對(duì)應(yīng)4、2、1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)空間單位。

④每個(gè)工位料臺(tái)的堆放容量為40標(biāo)準(zhǔn)單位，每輛料車(chē)的堆放容量為100標(biāo)準(zhǔn)單位。

⑤將生產(chǎn)線劃分為5個(gè)區(qū)域，具體布局以及料車(chē)行進(jìn)路線如圖6所示。具體距離如表1所示。

圖5　生產(chǎn)線布局Fig.5　The Layout of Production Line

Table 1Material distribution route list of different production area

線邊倉(cāng)庫(kù)至區(qū)域路徑距離區(qū)域1O→P→A21m區(qū)域2O→P→A→B31m區(qū)域3O→P→C21m區(qū)域4O→P→C→D29m區(qū)域5O→P→C→D→E37m

計(jì)算：

第一步：首先各生產(chǎn)周期下各個(gè)區(qū)域的物料需求，如表2所示。

從表2可以得知，在生產(chǎn)周期為600秒的情況下，區(qū)域1中，一個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)所需物料的體積為245個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單位，超過(guò)了該區(qū)域的容量，因此在接下去的計(jì)算過(guò)程中，將去除對(duì)生產(chǎn)周期為600秒時(shí)的計(jì)算。

表2　Ts=120、240、360、480、600秒時(shí)物料需求量

第二步：計(jì)算配送車(chē)輛的車(chē)輛數(shù)。

由于每輛配送車(chē)輛的容量為100標(biāo)準(zhǔn)單位，那么在計(jì)算出物料需求量的情況下可以很快的得出配送車(chē)輛的車(chē)輛數(shù)，但是由于在一般情況下，物料需求量不為配送車(chē)輛容量的整數(shù)倍，那么勢(shì)必需要考慮到車(chē)輛搭載率的問(wèn)題。為了減少配送人員在心理上和生理上的疲勞，平衡不同配送車(chē)輛的搭載率是在計(jì)算車(chē)輛的同時(shí)需要考核的一個(gè)指標(biāo)。在將同一區(qū)域的配送車(chē)輛搭載率均衡化后，搭載率過(guò)低的情況將被去除。配送車(chē)輛的車(chē)輛數(shù)以及搭載率均衡化后的結(jié)果如表3所示。

表3Ts=120、240、360、480秒時(shí)配送周期及平均搭載率

Tabel 3Distribution vehicles and average carrying rate when Ts=120、240、360、480 s

區(qū)域各生產(chǎn)周期下的配送車(chē)輛的車(chē)輛數(shù)及平均搭載率Ts=120sTs=240sTs=360sTs=480s車(chē)輛數(shù)搭載率車(chē)輛數(shù)搭載率車(chē)輛數(shù)搭載率車(chē)輛數(shù)搭載率1149%198%273.5%298%2148%196%272%296%3174%274%374%398.7%4172%272%372%396%5173%273%373%397.3%

由表3可知，當(dāng)生產(chǎn)周期為120秒時(shí)，區(qū)域1與區(qū)域2的車(chē)輛搭載率只有49%與48%，這說(shuō)明配送車(chē)輛始終輸入半空載狀態(tài)，車(chē)輛的利用率非常低。這樣配送并不合理，所以在接下去的計(jì)算過(guò)程中，將去除對(duì)生產(chǎn)周期設(shè)置為120秒時(shí)的計(jì)算。

第三步：計(jì)算配送車(chē)輛的配送周期。

對(duì)于單輛配送車(chē)輛的配送周期，主要由三部分組成，即配料時(shí)間，發(fā)料時(shí)間以及從倉(cāng)庫(kù)至工位的往返時(shí)間。配料時(shí)間與發(fā)料時(shí)間與需求物料的種類(lèi)和數(shù)量有關(guān)；倉(cāng)庫(kù)至工位的往返時(shí)間與途中的路徑長(zhǎng)短有關(guān)。具體結(jié)果如表4所示：

由表4可知，當(dāng)生產(chǎn)周期為240秒時(shí)，區(qū)域1與區(qū)域2的配送車(chē)輛的配送周期分別為332.2秒和318.2秒，都超過(guò)了生產(chǎn)周期，因此接下去的計(jì)算步驟，將去除生產(chǎn)周期為240秒時(shí)的計(jì)算。

第四步：計(jì)算配送人員的等待時(shí)間。

由于配送周期的不同，對(duì)于計(jì)算配送人員等待時(shí)間的計(jì)算公式也有所不同，因此首先需要判斷的是各個(gè)區(qū)域中，是否存在任意兩個(gè)或者兩個(gè)以上的配送周期相加以后的時(shí)間大于生產(chǎn)周期的情況發(fā)生。從表4可以得出，而當(dāng)生產(chǎn)周期為480秒時(shí)，區(qū)域2，4，5中，任意兩輛配送車(chē)輛的配送周期相加都小于生產(chǎn)周期，所以區(qū)域1中的兩輛配送車(chē)輛只要依次配送即可，區(qū)域4，5中，只需兩輛配送車(chē)輛同時(shí)配送，等配送完畢之后再配送剩余的物料。因此，配送人員的等待時(shí)間如表5所示：

表4　Ts=240、360、480秒時(shí)配送周期

表5　Ts=360、480秒時(shí)配送人員等待時(shí)間

從表5可知，在生產(chǎn)周期為480秒時(shí)，在區(qū)域2，4，5中，由于配送車(chē)輛不必要同時(shí)進(jìn)行物料配送，相對(duì)應(yīng)的可以減少配送人員的數(shù)量，同時(shí)由于有的配送人員需要在一個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)對(duì)兩輛配送車(chē)輛進(jìn)行配送，所以等待時(shí)間也會(huì)相應(yīng)減少。所以與生產(chǎn)周期為360秒的情形比較，在生產(chǎn)周期為480秒情況下，配送人員減少兩名，配送人員的等待時(shí)間減少28秒。所以將生產(chǎn)周期設(shè)置為480秒(四倍生產(chǎn)節(jié)拍)，配送人員的等待時(shí)間最短，為1702.7秒。

4　效果確認(rèn)

經(jīng)過(guò)第三節(jié)的計(jì)算，我們得出將生產(chǎn)周期設(shè)置為480秒(四倍生產(chǎn)節(jié)拍)時(shí)，本文提出的準(zhǔn)時(shí)化配送模式的效率將達(dá)到最大值。為了驗(yàn)證本文提出的準(zhǔn)時(shí)化配送模式的效果，本節(jié)將通過(guò)配送車(chē)輛數(shù)、配送車(chē)輛搭載率、配送人員數(shù)量、配送人員利用率(即實(shí)際工作時(shí)間/制度工作時(shí)間)等指標(biāo)對(duì)F公司原有的配送模式與本文提出的準(zhǔn)時(shí)化配送模式進(jìn)行比較。由于原有的配送模式時(shí)有發(fā)生斷料與物料呆滯現(xiàn)象，準(zhǔn)時(shí)化配送的前提就是杜絕斷料與物料呆滯，所以本節(jié)不就這兩方面進(jìn)行比較。

圖6　兩種配送模式下配送車(chē)輛數(shù)和平均搭載率的比較

Fig.6Comparison of the quantity of distribution vehicle and average carry rate from the 2 distribution pattern

從圖7中可以看出，與原有配送模式相比較，準(zhǔn)時(shí)化配送模式下配送車(chē)輛的車(chē)輛數(shù)只需要13輛就可以完成配送任務(wù)。從平均搭載率方面，雖然原有配送模式下的搭載率較高，但這是因?yàn)榕渌腿藛T為了減少工作時(shí)間，每次配送都是過(guò)載配送，這里存在著物料損壞的隱患，所以準(zhǔn)時(shí)化配送模式下97%的搭載率相對(duì)合理。

圖7　兩種配送模式下配送人員數(shù)和平均利用率的比較

Fig.7Comparison of the quantity of distribution person and average utilization rate from the 2 distribution pattern

從圖8中可以看出，在原有配送模式下需要16個(gè)配送人員完成的配送任務(wù)，在準(zhǔn)時(shí)化配送模式下只需要10名配送人員就可以完成配送工作，節(jié)約了公司的人力成本。人員利用率方面，也從原有的52%提高到了69%，這也大大提高了員工的工作效率。

所以綜合各個(gè)方面，本文提出的準(zhǔn)時(shí)化配送模式相對(duì)于原有的配送模式，在各個(gè)方面都所有改善，為公司降低了成本，提高了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

5　結(jié)論

本文以F公司內(nèi)物料配送為研究對(duì)象，分析目前存在的問(wèn)題，建立準(zhǔn)時(shí)化配送模型，采用啟發(fā)式算法對(duì)其進(jìn)行求解，最后通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了該算法的可行性和有效性，為國(guó)內(nèi)制造型企業(yè)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)化物料配送提供了參考。

[1]黨立偉.離散型生產(chǎn)系統(tǒng)準(zhǔn)時(shí)化物料配送方法的優(yōu)化研究[D].上海交通大學(xué)，2013.

[2]蔡苗.混流裝配線上物料配送系統(tǒng)的研究[D].機(jī)械科學(xué)研究總院，2007.

[3]Robin Hanson, Anna Brolin. A comparison of kitting and continuous supply in in-plant materials supply[J]. International Journal of Production Research, 2013,51(4):979-992.

[4]Castillo I,Peters BA. Unit load and material-handling considerations in facility layout design[J]. International Journal of Production Research, SEP 2002,40(13):2955-2989.

Based on the Heuristic Algorithm to Achieve the Production Line Material on-time Delivery

GuChenyang

SchoolofMechanicalEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240

in this paper, combined with the company's current material distribution system, pointed out the existing problems, and put forward a set of heuristic algorithm. First, the production of the beat as the basic unit, set up a production cycle, in order to calculate the demand for the material, the number of vehicles distribution vehicles, distribution cycle, as well as the waiting time for the delivery personnel. Then find the shortest delivery personnel waiting time, in order to state the production cycle as the actual distribution of the production cycle, so as to expand the distribution of materials. Finally, this paper combined with the actual problems of company, using heuristic algorithm to solve the realization of the project on time distribution.

Material distributionPunctualityHeuristic algorithmProduction rhythm

1006-8244(2016)01-040-06

U116.1

B