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      基于動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)的離散車(chē)間調(diào)度系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

      2016-10-27 05:49:38呂偉
      裝備機(jī)械 2016年1期
      關(guān)鍵詞:排程車(chē)間工序

      □呂偉

      上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

      基于動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)的離散車(chē)間調(diào)度系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

      □呂偉

      上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院上海200070

      通過(guò)分析某離散車(chē)間加工情況和調(diào)度人員經(jīng)驗(yàn),為不同加工工序定義不同類(lèi)別的優(yōu)先級(jí),建立動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)模型。在此基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)了一套離散車(chē)間調(diào)度系統(tǒng),建立了動(dòng)態(tài)調(diào)用優(yōu)先級(jí)模型,在考慮資源約束的情況下,生成了有效的排程方案。

      隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇,原材料價(jià)格與人力成本不斷提高,制造業(yè)面臨著提高生產(chǎn)效益、降低生產(chǎn)成本以應(yīng)對(duì)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的挑戰(zhàn)。在現(xiàn)代制造企業(yè)中,面對(duì)不同的客戶(hù)需求進(jìn)行定制化生產(chǎn),這對(duì)生產(chǎn)加工的靈活性要求很高。車(chē)間調(diào)度在生產(chǎn)計(jì)劃的實(shí)施中占據(jù)關(guān)鍵地位,良好的車(chē)間調(diào)度可以使資源得到優(yōu)化配置,能大大提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

      離散型制造企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜,生產(chǎn)計(jì)劃制定困難。產(chǎn)品加工過(guò)程中,不同的產(chǎn)品會(huì)經(jīng)過(guò)不同的加工車(chē)間,同一加工車(chē)間內(nèi)對(duì)不同設(shè)備的需求也不同,這些差異經(jīng)常導(dǎo)致工作流的不平衡。離散型車(chē)間的產(chǎn)品加工周期一般較長(zhǎng),工作流的不平衡致使有些加工任務(wù)在工作中心的排隊(duì)時(shí)間較長(zhǎng),導(dǎo)致加工時(shí)間的延遲和在制品的堆積。傳統(tǒng)的生產(chǎn)組織方式無(wú)法對(duì)資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,很難滿(mǎn)足客戶(hù)需求。

      調(diào)度能夠有效地解決業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致的工作流不平衡,是解決資源共享的有效手段[1]。關(guān)于動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法,美國(guó)宇航局研究員C.L.Liu和J.W. Layland[2]最早提出了用于固定優(yōu)先級(jí)任務(wù)調(diào)度的速率單調(diào)任務(wù)調(diào)度算法。J.Y.T Leung和J.Whitehead等[3,4]提出了最小空閑時(shí)間優(yōu)先(Least Slack Time First,LSF)算法,該算法把作業(yè)剩余空閑時(shí)間作為優(yōu)先級(jí)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),保證最緊迫的任務(wù)優(yōu)先執(zhí)行,主要應(yīng)用于分布式網(wǎng)絡(luò)、多媒體等領(lǐng)域。最早截止期優(yōu)先算法也是一種動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)任務(wù)調(diào)度算法,該算法根據(jù)任務(wù)截止期來(lái)決定任務(wù)執(zhí)行順序,其應(yīng)用范圍包括工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、多媒體傳輸、軍事裝備等眾多領(lǐng)域[5]。

      筆者研究的對(duì)象是某離散加工車(chē)間,主要生產(chǎn)方式是按訂單生產(chǎn),研究目的是針對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存在的諸多問(wèn)題,按照原材料的到料狀況、機(jī)械設(shè)備的使用狀況、生產(chǎn)能力等因素進(jìn)行綜合考慮,制定出合理的生產(chǎn)排程計(jì)劃,使原材料到位后生產(chǎn)能力及生產(chǎn)周期能滿(mǎn)足客戶(hù)的出貨需求,同時(shí)保證機(jī)器設(shè)備不沖突,人員工作時(shí)間安排均衡飽滿(mǎn)。

      1 動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)模型

      1.1模型假設(shè)

      該離散車(chē)間是一個(gè)由50臺(tái)加工系統(tǒng)組成的機(jī)加工車(chē)間,每臺(tái)設(shè)備有對(duì)應(yīng)的操作人員,加工對(duì)象由14個(gè)零部件組成,零部件具有一定的裝配關(guān)系和加工順序約束,每個(gè)零部件包含若干道工序,且流程固定,50臺(tái)加工系統(tǒng)中包含車(chē)床組、銑床組、刨床組、鉗床組、磨床組、焊接組,各組設(shè)備的加工能力一致。車(chē)間調(diào)度員通過(guò)最佳的調(diào)度,為各工序選配最佳資源,在滿(mǎn)足設(shè)備加工能力及人員匹配的情況下,獲得最佳的排程方案。

      動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)模型假設(shè):①任何設(shè)備無(wú)法同時(shí)加工超過(guò)兩個(gè)工序;②任意工件無(wú)法同時(shí)在多臺(tái)設(shè)備上加工;③工件必須嚴(yán)格按照工藝路線(xiàn)在指定機(jī)器上加工;④除特定工序指定工人外,忽略工人的熟練程度;⑤工件的安裝及拆卸時(shí)間已經(jīng)包含在該工序的加工工時(shí)中;⑥一般情況下,有設(shè)備就有工人,除特殊情況外,工人處于充足狀態(tài);⑦每個(gè)訂單的14種原材料到位時(shí)間隨機(jī),遵循板材、管材、棒材的到位順序。

      1.2優(yōu)先級(jí)指標(biāo)定義

      在調(diào)度問(wèn)題中,最重要的是遇到多個(gè)任務(wù)可以同時(shí)在相同的設(shè)備上加工時(shí),如何判定哪個(gè)任務(wù)先安排生產(chǎn)。本模型就是結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)排程人員的歷史經(jīng)驗(yàn),為現(xiàn)有加工過(guò)程定義不同類(lèi)別的優(yōu)先級(jí),在生產(chǎn)過(guò)程中,動(dòng)態(tài)計(jì)算待加工工序的優(yōu)先級(jí)指標(biāo),按優(yōu)先級(jí)順序組織生產(chǎn)。

      該模型的研究重點(diǎn)就是根據(jù)排程人員的經(jīng)驗(yàn),提出具體的規(guī)則,進(jìn)而定義不同類(lèi)別的優(yōu)先級(jí)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)研,本類(lèi)問(wèn)題在實(shí)際排程中可分為以下五種層次。

      (1)項(xiàng)目?jī)?yōu)先級(jí)X。項(xiàng)目?jī)?yōu)先級(jí)預(yù)設(shè)值為a1,將不同項(xiàng)目按照重要性排序,由此分配項(xiàng)目重要性因子α(重要性越高,α越大),X=α×a1。

      (2)零件優(yōu)先級(jí)Y。零件優(yōu)先級(jí)預(yù)設(shè)值為a2,根據(jù)零件裝配關(guān)系和加工順序的約束,結(jié)合排程人員歷史經(jīng)驗(yàn),將14個(gè)零件按重要性排序,由此分配零件重要性因子β(重要性越高,β越大),Y=β×a2。

      (3)工序銜接優(yōu)先級(jí)Z。工序銜接優(yōu)先級(jí)預(yù)設(shè)值為a3,如某工序需要在某設(shè)備C上進(jìn)行加工,C的上一個(gè)任務(wù)為相同零件的相同工序,那么該工序在該設(shè)備上的工序銜接優(yōu)先級(jí)為Z=a3。

      (4)工序優(yōu)先級(jí)M。工序優(yōu)先級(jí)的基礎(chǔ)值設(shè)置為a4,如零件i共有k道工序,那么零件i的j道工序的工序優(yōu)先級(jí)為M=(j/k)×a4。

      (5)時(shí)長(zhǎng)優(yōu)先級(jí)N。時(shí)長(zhǎng)優(yōu)先級(jí)的基礎(chǔ)值設(shè)置為a5,如某零件某工序需要加工時(shí)間m(單位為min),一套組件由n個(gè)零件組成,(m×n)max為所有零件工序中總加工時(shí)長(zhǎng)的最大值,那么該道工序的時(shí)長(zhǎng)優(yōu)先級(jí)為

      1.3模型建立

      根據(jù)定義的優(yōu)先級(jí)指標(biāo),系統(tǒng)在進(jìn)行調(diào)度安排時(shí)會(huì)動(dòng)態(tài)計(jì)算待加工工序的優(yōu)先級(jí),按照優(yōu)先級(jí)排序,將各工序依照BOM表安排到當(dāng)前空閑的加工設(shè)備上。在計(jì)算優(yōu)先級(jí)時(shí),根據(jù)不同情況優(yōu)先級(jí)的比較規(guī)律,系統(tǒng)形成了比較通用的優(yōu)先級(jí)比較方法,主要在三個(gè)層面進(jìn)行比較:

      根據(jù)以上定義,結(jié)合排程員的經(jīng)驗(yàn),得到如圖1所示判定任務(wù)選擇的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)模型。

      2 調(diào)度系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

      2.1業(yè)務(wù)流程分析

      車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度的情況非常復(fù)雜,現(xiàn)場(chǎng)的排程條件是隨時(shí)變化的,系統(tǒng)需要綜合考慮項(xiàng)目安排、工藝、人員、設(shè)備、原材料等基礎(chǔ)資源的可用情況,還要對(duì)設(shè)備宕機(jī)、新原材料到達(dá)、插單等特殊工況給出快速反應(yīng),生成合理的排程方案,圖2給出了生產(chǎn)調(diào)度的主要流程,車(chē)間的作業(yè)流程劃分為:現(xiàn)場(chǎng)加工、排程計(jì)劃、監(jiān)控三個(gè)部分,整個(gè)車(chē)間的作業(yè)以排程方案來(lái)驅(qū)動(dòng),通過(guò)調(diào)用動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)算法模型,制定可執(zhí)行的、高效的排程方案。

      為了有效執(zhí)行計(jì)劃,不能將排程計(jì)劃直接下達(dá),而需要依賴(lài)派工單將命令傳達(dá)到各生產(chǎn)工位。根據(jù)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)算法模型得出的排程方案,按零件劃分生成派工單,下達(dá)零件加工的設(shè)備、人員、時(shí)間安排,派工單隨零件在各工位流轉(zhuǎn),在指導(dǎo)生產(chǎn)過(guò)程的同時(shí),也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控,反饋計(jì)劃的執(zhí)行情況,為下一期生產(chǎn)計(jì)劃的編制提供參考。

      圖1 動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)模型

      圖2 生產(chǎn)調(diào)度主要流程

      2.2調(diào)度系統(tǒng)模塊劃分

      根據(jù)生產(chǎn)調(diào)度的工作流程可知,調(diào)度系統(tǒng)軟件需實(shí)現(xiàn)的功能為:根據(jù)基礎(chǔ)信息的設(shè)定,調(diào)用動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)模型,生成排產(chǎn)計(jì)劃,根據(jù)排產(chǎn)計(jì)劃得到派工單,用于車(chē)間指導(dǎo)生產(chǎn),收集計(jì)劃執(zhí)行的數(shù)據(jù),用于管理者了解生產(chǎn)計(jì)劃的執(zhí)行情況,以及設(shè)備的運(yùn)行狀況。同時(shí)為確保安全性,系統(tǒng)對(duì)用戶(hù)的賬戶(hù)和權(quán)限要統(tǒng)一管理。根據(jù)以上分析,建立調(diào)度系統(tǒng)軟件的4個(gè)功能模塊:系統(tǒng)用戶(hù)管理、基礎(chǔ)信息維護(hù)、生產(chǎn)排程管理、信息查詢(xún)模塊,具體功能如圖3所示。

      整個(gè)調(diào)度系統(tǒng)的核心部分是動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)模型,模型的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于生產(chǎn)排程管理模塊的功能。生產(chǎn)排程管理模塊可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原材料到位情況和機(jī)器、人員、設(shè)備的可用情況,調(diào)用動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)模型,動(dòng)態(tài)地計(jì)算待加工工序的優(yōu)先級(jí),按照優(yōu)先級(jí)排序,對(duì)各工序安排機(jī)器和人員執(zhí)行加工任務(wù),將結(jié)果以甘特圖(甘特圖:基于作業(yè)排序的目的,以圖示的方式通過(guò)活動(dòng)列表和時(shí)間刻度形象地表示出任何特定項(xiàng)目的活動(dòng)順序與持續(xù)時(shí)間)的形式顯示到界面中,并根據(jù)結(jié)果生成派工單,以便于將生產(chǎn)命令下達(dá)到各個(gè)工位上。

      2.3與相關(guān)系統(tǒng)的信息交互

      調(diào)度系統(tǒng)通過(guò)建立一套計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng),通過(guò)一些固化的排程規(guī)則,平衡有限生產(chǎn)能力和物料需求,最大限度消除或減少人為因素對(duì)生產(chǎn)的干預(yù),幫助離散制造企業(yè)建立精準(zhǔn)、詳盡的生產(chǎn)計(jì)劃。作為一套排程工具,生成的排程方案需要依靠現(xiàn)場(chǎng)的MES系統(tǒng)執(zhí)行,生成排程方案的基礎(chǔ)信息來(lái)自于ERP系統(tǒng),系統(tǒng)之間存在密切的交互,如圖4所示。ERP向調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)訂單信息、原料信息、生產(chǎn)配料信息、設(shè)備信息和標(biāo)準(zhǔn)工藝路線(xiàn)。調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)下發(fā)的信息,制定排程方案,生成派工單下達(dá)至MES系統(tǒng)執(zhí)行。同時(shí),MES系統(tǒng)采集到的加工進(jìn)度和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)反饋到調(diào)度系統(tǒng),用于生成下一時(shí)刻的排程方案。

      圖3 系統(tǒng)軟件模塊劃分

      圖4 系統(tǒng)信息交互

      3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

      調(diào)度系統(tǒng)選用的客戶(hù)端操作系統(tǒng)為Windows 7,服務(wù)器端操作系統(tǒng)為Windows Server 2008,數(shù)據(jù)庫(kù)軟件為 SQL Server 2008,系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具為VB.NET。動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)算法部分由MATLAB2011編寫(xiě),打包生成.dll文件由VB程序直接調(diào)用。

      4 結(jié)束語(yǔ)

      本課題通過(guò)對(duì)某離散加工車(chē)間的實(shí)地調(diào)研,從企業(yè)需求分析入手,開(kāi)發(fā)了針對(duì)按訂單生產(chǎn)、多品種小批量的離散型制造條件下的生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)。通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)存在的諸多約束條件和排程人員的經(jīng)驗(yàn),形成動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)模型,利用該模型充分調(diào)用資源,找到最佳排程方案,大大提高了生產(chǎn)車(chē)間的效率和穩(wěn)定性。

      [1]張登銀,許揚(yáng)揚(yáng),蔣娟.基于時(shí)延的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2011,21(2):162-165.

      [2]LIUCL,LAYLANDJW.SchedulingAlgorithmsforMultiprog ramming in a Hard-Real-Time Environment[J].Journal of the Association for Computing Machinery,1973,20(1):46-61.

      [3]LEUNGJ YT,WHITEHEADJ.On the ComplexityofFixedprioritySchedulingofPeriodicReal-timeTasks[J]. Performance Evaluation,1982,2(4):237-250.

      [4]夏家莉,陳輝,楊兵.一種動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度算法[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2012,35(12):2685-2695.

      [5]NARLIKAR G,WILFONG G,ZHANG L.Designing Multihop Wireless Backhaul Networks with Delay Guarantees[J]. Wireless Networks,2010,16(1):237-254.

      By analyzing the case of a discrete processing workshop and the experience of dispatchers,varied levels of priorities are defined against different working operations for establishment of dynamic priority model. On this basis,we developed a set of discrete workshop scheduling system that can enable dynamic calling of the priority model togenerate an efficient scheduling scheme in consideration of resource constraints.

      動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)模型;排程方案;調(diào)度系統(tǒng)

      Dynamic Priority Model;Scheduling Scheme;Scheduling System

      TP 311.1

      B

      1672-0555(2016)01-033-04

      2015年9月

      呂偉(1989—),女,碩士,研發(fā)工程師,主要研究方向:智能制造系統(tǒng)

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