面向輥道運(yùn)輸?shù)娜嵝粤魉疅o人車間緩沖區(qū)自動(dòng)化物流調(diào)度與控制方法

祝 軍

（上海海得自動(dòng)化控制軟件有限公司，上海 201114）

0 引言

智能物流可以感知、思維、推理、路徑規(guī)劃和決策等，是連接供應(yīng)鏈和制造的重要環(huán)節(jié)，也是打造智能工廠的基石。未來智能物流將融入智能制造工藝流程，智能物流控制系統(tǒng)將負(fù)責(zé)生產(chǎn)設(shè)備和被處理對(duì)象的銜接工作，起到承上啟下的作用。柔性流水車間（Flexible Flow Shop，F(xiàn)FS）是指每個(gè)在制品（Work In Process，WIP）都有相同的包含多個(gè)工序的加工流程，且每個(gè)加工工序有多臺(tái)并行機(jī)器的制造環(huán)境[1]。為避免由于上下道工序之間生產(chǎn)節(jié)拍不同以及設(shè)備異常而造成擁堵或斷供，工序之間往往設(shè)置一定容量的緩沖區(qū)。針對(duì)柔性流水車間緩沖區(qū)容量的配置和優(yōu)化問題，現(xiàn)有技術(shù)中已有較多研究[2～6]，例如在限制WIP總數(shù)的條件下使系統(tǒng)產(chǎn)能最大化，以及在滿足產(chǎn)能需求的條件下使WIP總數(shù)最小化等。然而無人車間中，針對(duì)柔性流水車間緩沖區(qū)物流自動(dòng)化中的一些問題，包括如何銜接上下道工序?qū)崿F(xiàn)緩沖區(qū)物流自動(dòng)化輸送，以使并行設(shè)備負(fù)載均衡、避免出現(xiàn)擁堵或斷供問題、以及設(shè)備故障后WIP重調(diào)度等，尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)方法。為此，本文提出一種面向輥道運(yùn)輸?shù)娜嵝粤魉疅o人車間緩沖區(qū)自動(dòng)化物流調(diào)度與控制方法。

1 問題描述

某柔性流水無人車間緩沖區(qū)與上下道工序的關(guān)系如圖1所示。圖中給出了一個(gè)柔性流水無人車間的兩個(gè)工序，其中工序1有5臺(tái)并行生產(chǎn)設(shè)備，工序2有4臺(tái)并行生產(chǎn)設(shè)備，每個(gè)工序的所有并行設(shè)備具有同樣的加工能力。進(jìn)入該車間的每個(gè)WIP都有相同的生產(chǎn)流程：工序1→工序2，工序1產(chǎn)出的WIP從工序2的上方進(jìn)入。

圖1 某柔性流水無人車間緩沖區(qū)與上下道工序的關(guān)系圖

工序1和工序2之間有一個(gè)采用輥道輸送方式的緩沖區(qū)，可以存放工序1產(chǎn)出的WIP。如圖中所示有14節(jié)輥道，每節(jié)輥道可存放一個(gè)WIP，并且每節(jié)輥道獨(dú)立可控。該緩沖區(qū)自動(dòng)化物流的需求主要是銜接上下道工序?qū)崿F(xiàn)緩沖區(qū)物流自動(dòng)化輸送，并使并行設(shè)備負(fù)載均衡、避免出現(xiàn)擁堵或斷供問題、以及設(shè)備故障后WIP重調(diào)度。主要難點(diǎn)如下：

1）緩沖區(qū)物流自動(dòng)化輸送

自動(dòng)調(diào)度與控制WIP從上道工序進(jìn)入緩沖區(qū)，并從緩沖區(qū)進(jìn)入下道工序的響應(yīng)設(shè)備。

2）設(shè)備負(fù)載均衡

由緩沖區(qū)向工序輸送WIP時(shí)，確保下道工序的設(shè)備具有均衡的供應(yīng)能力，避免出現(xiàn)斷供和過剩問題。

3）設(shè)備故障自適應(yīng)

下道工序的某臺(tái)設(shè)備故障時(shí)，緩沖區(qū)能適應(yīng)設(shè)備故障，不引起緩沖區(qū)擁堵，并重新實(shí)現(xiàn)在線設(shè)備負(fù)載均衡。

4）控制指令動(dòng)態(tài)生成

面向不同種類、起點(diǎn)和終點(diǎn)隨機(jī)的實(shí)時(shí)調(diào)度任務(wù)，動(dòng)態(tài)生成控制指令序列。

2 調(diào)度方法

為有效銜接上下道工序?qū)崿F(xiàn)柔性流水無人車間緩沖區(qū)物流的自動(dòng)化輸送，以使并行設(shè)備負(fù)載均衡、避免出現(xiàn)擁堵或斷供問題，以及實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障后WIP重調(diào)度，本文提出柔性流水車間的基于輥道的緩沖區(qū)智能物流調(diào)度系統(tǒng)，包括緩沖區(qū)設(shè)置、設(shè)備側(cè)動(dòng)態(tài)調(diào)度、緩沖區(qū)側(cè)動(dòng)態(tài)調(diào)度、初始化調(diào)度和設(shè)備故障重調(diào)度5個(gè)模塊，各個(gè)模塊互相調(diào)用，其架構(gòu)如圖2所示。

圖2 調(diào)度模塊架構(gòu)圖

1）緩沖區(qū)設(shè)置模塊

用于對(duì)工序內(nèi)在線的各臺(tái)并行設(shè)備進(jìn)行緩沖區(qū)設(shè)置，避免出現(xiàn)斷供問題。對(duì)于在線的設(shè)備M，綜合考慮其所在工序與上道工序的生產(chǎn)節(jié)拍、緩沖區(qū)總?cè)萘?、所在工序WIP入口與每臺(tái)設(shè)備的距離、設(shè)備負(fù)載均衡等因素，設(shè)置設(shè)備M的緩沖區(qū)起始位置Buffer_M_start和容量Buffer_M_size，以及各個(gè)緩沖區(qū)WIP的拉動(dòng)方向。設(shè)備M緩沖區(qū)的起始位置Buffer_M_start應(yīng)靠近設(shè)備M，其緩沖區(qū)應(yīng)為連續(xù)的Buffer_M_size節(jié)輥道，且每節(jié)輥道具有獨(dú)立可控的動(dòng)力電機(jī)，從Buffer_M_start到設(shè)備M的路徑上不應(yīng)設(shè)置其他設(shè)備緩沖區(qū)，設(shè)備緩沖區(qū)起始位置和容量設(shè)置可以根據(jù)實(shí)際物流情況多次調(diào)整以實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡和避免出現(xiàn)斷供，如M所在工序生產(chǎn)節(jié)拍比上道工序快，則設(shè)備緩沖區(qū)可以設(shè)置盡量大的容量以避免設(shè)備斷供。各個(gè)緩沖區(qū)WIP的拉動(dòng)方向應(yīng)與WIP流入方向一致，以此確定各個(gè)緩沖區(qū)之間WIP的物流調(diào)度的方向。

2）設(shè)備側(cè)動(dòng)態(tài)調(diào)度模塊

用于處置設(shè)備產(chǎn)生的WIP調(diào)度請(qǐng)求，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)過程中的自動(dòng)物流輸送。對(duì)于空閑設(shè)備M的WIP請(qǐng)求，搜索該設(shè)備的緩沖區(qū)Buffer_M，若Buffer_M內(nèi)不存在沒有任務(wù)的WIP，則將該請(qǐng)求存入靜態(tài)請(qǐng)求表Require_static；若Buffer_M內(nèi)存在沒有任務(wù)的WIP，則將緩沖區(qū)內(nèi)沒有任務(wù)且最靠近Buffer_M_start的WIP調(diào)度到設(shè)備M，同時(shí)統(tǒng)計(jì)Buffer_M內(nèi)沒有任務(wù)的WIP和運(yùn)往Buffer_M的WIP總數(shù)，若其小于Buffer_M_size，則產(chǎn)生一個(gè)對(duì)其上游緩沖區(qū)Buffer_M’的WIP請(qǐng)求，該請(qǐng)求的處置方式與空閑設(shè)備M的WIP請(qǐng)求處置方式一致。

3）緩沖區(qū)側(cè)動(dòng)態(tài)調(diào)度模塊

用于處置緩沖區(qū)內(nèi)部產(chǎn)生的WIP調(diào)度請(qǐng)求，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)過程中的自動(dòng)物流輸送。對(duì)于進(jìn)入設(shè)備M的緩沖區(qū)Buffer_M的WIP，檢查靜態(tài)請(qǐng)求表Require_static，若設(shè)備M或Buffer_M的前方緩沖區(qū)存在靜態(tài)請(qǐng)求，則根據(jù)時(shí)間先后或優(yōu)先級(jí)等選擇一個(gè)作為WIP請(qǐng)求，將其從Require_static中刪除，然后調(diào)用設(shè)備側(cè)動(dòng)態(tài)調(diào)度模塊處置該WIP請(qǐng)求。

4）初始化調(diào)度模塊

用于系統(tǒng)初始化時(shí)的緩沖區(qū)物流調(diào)度，以實(shí)現(xiàn)緩沖區(qū)物流從靜態(tài)到自動(dòng)物流輸送。首先，調(diào)用緩沖區(qū)設(shè)置模塊，對(duì)工序內(nèi)的各臺(tái)在線并行設(shè)備進(jìn)行緩沖區(qū)設(shè)置；然后對(duì)于設(shè)備緩沖區(qū)外部的WIP，確認(rèn)WIP兩側(cè)的緩沖區(qū)距離，將該WIP調(diào)度到較近的緩沖區(qū)；最后對(duì)于在線的設(shè)備產(chǎn)生的WIP調(diào)度請(qǐng)求，調(diào)用設(shè)備側(cè)動(dòng)態(tài)調(diào)度模塊。

5）設(shè)備故障重調(diào)度模塊

用于處置設(shè)備故障后緩沖區(qū)的WIP，以避免出現(xiàn)擁堵問題。當(dāng)設(shè)備M故障時(shí)，將M所在工序與其上道工序的緩沖區(qū)物流任務(wù)全部停止，將M設(shè)置為離線，然后調(diào)用初始化調(diào)度模塊，以實(shí)現(xiàn)該區(qū)域物流的重調(diào)度。

3 控制方法

面向輥道運(yùn)輸?shù)娜嵝粤魉囬g緩沖區(qū)，基于上節(jié)提出的緩沖區(qū)自動(dòng)化物流調(diào)度方法可以銜接上下道工序?qū)崿F(xiàn)緩沖區(qū)物流自動(dòng)化輸送，并使并行設(shè)備負(fù)載均衡、避免出現(xiàn)擁堵或斷供問題、以及設(shè)備故障后WIP重調(diào)度，給出不同種類、起點(diǎn)和終點(diǎn)隨機(jī)的實(shí)時(shí)調(diào)度任務(wù)。為使調(diào)度任務(wù)可執(zhí)行，下面給出動(dòng)態(tài)生成控制指令序列的控制方法，主要包括路徑規(guī)劃和指令解析兩個(gè)模塊。

1）路徑規(guī)劃模塊

用于給出調(diào)度任務(wù)起點(diǎn)到終點(diǎn)的最優(yōu)路徑。對(duì)于面向輥道運(yùn)輸?shù)娜嵝粤魉囬g緩沖區(qū)，可采用求解單源最短路徑的Dijkstra算法[7]。為提高算法效率，對(duì)Dijkstra算法做適應(yīng)性改造，當(dāng)搜索到調(diào)度任務(wù)終點(diǎn)時(shí)，提前結(jié)束算法。

2）指令解析模塊

給出實(shí)現(xiàn)WIP沿規(guī)劃路徑進(jìn)行自動(dòng)化輸送的指令序列。主要包括三組指令：一是WIP在同一個(gè)方向前進(jìn)時(shí)，輥道電機(jī)啟停順序和方向；二是在WIP到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，擋板和輥道電機(jī)的指令組合；三是WIP換向時(shí)，升降氣缸、擋板和輥道電機(jī)的指令組合，其中升降氣缸用于切換WIP到其法線輸送方向，擋板用于確保WIP到達(dá)輥道連接位置且不過沖，從而避免因過沖無法實(shí)現(xiàn)換向。

4 應(yīng)用案例

制藥行業(yè)某口服液滅菌柔性流水無人車間包括六個(gè)工序：裝盤工序、疊盤工序、滅菌工序、風(fēng)冷工序、拆盤工序和卸盤工序，每個(gè)工序均有多臺(tái)并行設(shè)備。基于本文所提方法，針對(duì)面向輥道運(yùn)輸?shù)娜嵝粤魉疅o人車間裝盤設(shè)備緩沖區(qū)，實(shí)現(xiàn)了緩沖區(qū)自動(dòng)化物流調(diào)度與控制標(biāo)準(zhǔn)化算法模塊，如圖3所示為制藥行業(yè)某口服液滅菌柔性流水無人車間全局圖上的動(dòng)態(tài)看板。

圖3 無人車間動(dòng)態(tài)看板

其中在全局圖上顯示了整個(gè)車間生產(chǎn)和物流的動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀況，從下到上分別是裝盤工序、疊盤工序、滅菌工序、風(fēng)冷工序、拆盤工序和卸盤工序，黃色的矩形框用于顯示W(wǎng)IP在輥道上的運(yùn)行情況，藍(lán)色直線顯示的是目前規(guī)劃的某個(gè)任務(wù)的路徑，綠色部分表示的是已經(jīng)執(zhí)行的路徑。

基于本文所提調(diào)度方法，該項(xiàng)目中為每臺(tái)裝盤設(shè)備設(shè)置了容量為2的緩沖區(qū)，實(shí)現(xiàn)了裝盤生產(chǎn)區(qū)域緩沖區(qū)即有緩沖區(qū)物流自動(dòng)化輸送、并行設(shè)備負(fù)載均衡、避免出現(xiàn)擁堵或斷供問題、以及設(shè)備故障后WIP重調(diào)度等需求。如圖3所示，5個(gè)裝盤設(shè)備前共有6個(gè)WIP（黃色矩形），根據(jù)調(diào)度方法，右側(cè)3個(gè)裝盤的緩沖區(qū)分別有兩個(gè)，左側(cè)的兩個(gè)裝盤緩沖區(qū)為空。

基于本文所提控制方法，可實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃和控制指令。如圖4所示，列表顯示包括任務(wù)號(hào)、WIP號(hào)、任務(wù)開始時(shí)間、起點(diǎn)、終點(diǎn)、路徑等在內(nèi)的重要信息。選定某個(gè)任務(wù)后，可查看和顯示該任務(wù)的路徑和指令序列，以及當(dāng)前執(zhí)行指令。該運(yùn)輸任務(wù)的起點(diǎn)為y13，終點(diǎn)為y14，路徑為y13→y12→y11→y10→y9→y8→y7→y6→y5→y4→y3→y2→y1→y14。指令序列包括23條指令，已經(jīng)執(zhí)行完成第3條指令，當(dāng)前WIP已到達(dá)輥道y11，通過下一條指令（y11，上移，y10，上移），WIP將達(dá)到輥道y10。

圖4 任務(wù)和指令序列看板

5 結(jié)語

本文提出了面向輥道運(yùn)輸?shù)娜嵝粤魉疅o人車間緩沖區(qū)自動(dòng)化物流調(diào)度與控制方法，可有效銜接上下道工序，以實(shí)現(xiàn)柔性流水無人車間緩沖區(qū)物流的自動(dòng)化輸送，并使并行設(shè)備負(fù)載均衡，避免出現(xiàn)擁堵或斷供問題。實(shí)際項(xiàng)目案例驗(yàn)證了本文所提方法的有效性，為無人車間緩沖區(qū)物流自動(dòng)化管控和運(yùn)輸提供了重要參考。