高擾動模具制造車間的負荷均衡生產(chǎn)控制方法

楊小佳，劉建軍，陳慶新，毛 寧

(廣東工業(yè)大學(xué) 廣東省計算機集成制造重點實驗室，廣東 廣州 510006)

模具更具個性化與技術(shù)要求的特點使得模具生產(chǎn)車間調(diào)度更為復(fù)雜，模具結(jié)構(gòu)的根部件(又稱零件)需要先經(jīng)過機加工單元，然后盡量同時進入裝配單元以減少關(guān)聯(lián)零件的裝配等待時間。但是，各零件的加工路徑與工時差異較大，個性化的生產(chǎn)也將引發(fā)更高頻率的返工返修、設(shè)備故障，使得各零件的生產(chǎn)進度協(xié)同具有相當?shù)睦щy性。相適應(yīng)的生產(chǎn)調(diào)度方法的核心能力是對各類干擾進行快速響應(yīng)以協(xié)同各零件的進度[1]。因為單點干擾很容易被放大至整個產(chǎn)品，甚至是車間全局。如針對單個零件的返修延誤，系統(tǒng)需要迅速調(diào)整其關(guān)聯(lián)零件的進度計劃，否則它們不僅無法如期開始裝配工序，還會因為它們的提前開工而搶占了產(chǎn)能，反過來又會導(dǎo)致更廣泛的進度不協(xié)同問題。

傳統(tǒng)的預(yù)-反應(yīng)式重調(diào)度或前攝性調(diào)度都需要一定的響應(yīng)時間，很難滿足快速甚至是無時滯響應(yīng)的現(xiàn)實需要，而基于車間實時狀態(tài)的完全反應(yīng)式調(diào)度是一種更為現(xiàn)實的方案[2]?；诹慵?yōu)先度的作業(yè)分派規(guī)則(priority dispatching rule)是完全反應(yīng)式調(diào)度的主流研究，能夠在設(shè)備完工后快速選取下一個加工零件。如文獻[3]研究了15種經(jīng)典優(yōu)先度作業(yè)分派規(guī)則在模具車間中的性能。而用于協(xié)同零件生產(chǎn)進度的作業(yè)分派規(guī)則依據(jù)其優(yōu)先度的評估是否更新可分為兩類：靜態(tài)協(xié)同規(guī)則和動態(tài)協(xié)同規(guī)則。前者所計算的優(yōu)先級在整個調(diào)度過程都不會改變，如ODD規(guī)則、OSD規(guī)則[4]；后者會基于關(guān)聯(lián)任務(wù)在調(diào)度過程中的狀態(tài)變化而不斷更新優(yōu)先度，如TWKR規(guī)則、IR規(guī)則[5]，更適用于高擾動的模具車間。

作業(yè)分派規(guī)則應(yīng)用于各個分散的工作站，而模具個性化特點將造成各工作站的負荷不均勻且波動，導(dǎo)致零件的完工時間難以預(yù)計。這將不利于作業(yè)分派規(guī)則對各零件優(yōu)先度的評估，影響到關(guān)聯(lián)零件間的進度協(xié)同。有學(xué)者提出面向車間層的負荷控制技術(shù)(workload control，WLC)以均衡車間整體的負荷[6-7]。WLC核心是原料區(qū)的投放控制方法，其通過控制原料的投放來保持短而均衡的工作站待加工隊列，確保零件完工的預(yù)見性?？深A(yù)見的零件完工時間有利于提高作業(yè)分派規(guī)則對零件生產(chǎn)進度的協(xié)同，同時有助于原料的有序投放，將產(chǎn)能讓予緊急的零件[8]。

現(xiàn)有的投放控制方法以分步?jīng)Q策方法為主，如LUMS COR (lancaster university management school corrected order release)、PERIOD 和 C-BSA (continuous workload balancing and starvation avoidance)等[9]。其總體流程為先評定各待投放任務(wù)的優(yōu)先級并排序，再按順序校驗各任務(wù)的負荷需求是否滿足負荷上限的要求。如文獻[6，10-11]從任務(wù)投放及時性的角度評定各待投放任務(wù)的優(yōu)先級，再耦合車間作業(yè)分派規(guī)則。其中，文獻[10]在文獻[6]的基礎(chǔ)上提出一種融合周期性與連續(xù)性的任務(wù)投放控制方法LUMS COR，而文獻[11]在LUMS COR投放方法的基礎(chǔ)上提出了改進型的ODDB規(guī)則，以提高整體的耦合性能。在序列相關(guān)的車間，文獻[12-13]研究了在不同控制層級中考慮準備時間節(jié)省對整體耦合性能的影響。在裝配作業(yè)車間(assembly job shop, AJS)中，文獻[14]表明LUMS COR在AJS中具有良好的性能。文獻[2]在柔性流水車間(flexible flow shop, FFS)中，對投放控制方法進行適應(yīng)性改進使其耦合設(shè)備選擇規(guī)則與作業(yè)分派規(guī)則。

模具車間本質(zhì)上是一類高擾動的序列相關(guān)的柔性裝配作業(yè)車間，而現(xiàn)有的投放控制研究主要為JS車間。最新文獻已拓展到FFS車間，但其僅對傳統(tǒng)周期性投放方法作適應(yīng)性改進，并未考慮最新的融合周期性與連續(xù)性投放的負荷均衡型控制方法。本文將對其進行適應(yīng)性改進以適用于柔性車間的環(huán)境，構(gòu)建一種耦合車間層投放控制、工序中心層設(shè)備選擇與工作站層作業(yè)分派的多層遞階式模具生產(chǎn)控制方法(mould production control, MPC)，并于此基礎(chǔ)上規(guī)劃模具生產(chǎn)控制流程。此外，模具加工過程需要借助各種軟/硬工裝，單個工序排產(chǎn)時往往會傾向于將具有相同準備時間類型的零件連續(xù)加工，以通過減小準備時間進而提高設(shè)備稼動率，但這也可能導(dǎo)致某些當前非必需裝配的零件過早被加工，破壞了零件之間的進度協(xié)同。本文將通過實驗探究于MPC方法的不同控制層級中準備時間節(jié)省與進度協(xié)同兩類優(yōu)先度規(guī)則之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性。

1 研究問題

模具制造車間包含機加工與裝配兩個生產(chǎn)階段。假定加工階段包含n個工序中心，每個工序中心僅負責處理一類工序且包含m臺同等能力設(shè)備和1個質(zhì)檢中心，加工設(shè)備和質(zhì)檢中心前都有零件緩存區(qū)?？紤]到模具裝配周期通常遠小于其零件加工周期，而且實際生產(chǎn)中大多會等到模具所有零件全部加工完成才開始裝配。所以，此處忽略裝配周期，而主要考慮零件在加工階段的生產(chǎn)控制。模具訂單i隨機到達車間，假定其包含Ji個零件，所有零件依據(jù)裝夾類型分成t類，零件之間的加工路徑和工時需求各不相同。每個零件j在完成任一道工序后都必須質(zhì)檢，出現(xiàn)異常則需返回某一道前工序開始重新加工。每臺設(shè)備同時只能加工一個零件，設(shè)備一旦開工便不允許搶占。如果設(shè)備發(fā)生故障，修復(fù)后接著原來進度繼續(xù)加工?？紤]到零件加工時間遠大于其在各工序間的運輸時間，因而，此處忽略零件運輸時間。依據(jù)實際生產(chǎn)情況，此處考慮訂單隨機到達、緊急插單、零件返修及設(shè)備故障等4類干擾。針對上述所研究的模具車間，圖1給出了其生產(chǎn)運作流程。

圖1 模具車間生產(chǎn)運作流程Figure 1 Production and operation process of mould workshop

圖1將生產(chǎn)運作流程人為地劃分成3層。①生產(chǎn)執(zhí)行層：依據(jù)決策結(jié)果執(zhí)行原料投放、在制品搬運及上機加工等各種車間操作；②通信支持層：信息系統(tǒng)、IOT(internet of things)與CPS(cyber physical systems)技術(shù)的應(yīng)用，為實時通信和數(shù)據(jù)處理提供了基礎(chǔ)條件；③生產(chǎn)控制層：本文的研究重點，以耦合投放控制、設(shè)備選擇與作業(yè)分派的多層遞階式生產(chǎn)控制方法為核心，建立快速響應(yīng)、健壯的生產(chǎn)控制流程。后文將重點介紹各生產(chǎn)控制流程、負荷均衡型的投放控制方法在柔性車間的適應(yīng)性改進和各控制層級中面向設(shè)備準備時間節(jié)省與面向進度協(xié)同的優(yōu)先度規(guī)則。

2 多層遞階式生產(chǎn)控制方法

如圖2，構(gòu)建了面向模具車間、工序中心與工作站的多層遞階式生產(chǎn)控制方法。各零件(原料)先緩存于車間前的原料區(qū)中，投放控制方法對各工序中心的負荷實行均衡化控制，將產(chǎn)能讓予優(yōu)先度高的零件。投放控制的理論基礎(chǔ)來自Little法則，OP=WIP/LT描述了車間產(chǎn)出量OP、車間在制品量WIP與平均車間流水時間LT之間的關(guān)系[8]：隨著車間WIP增加，OP與LT開始隨之增加，當WIP到達一個臨界值WIP*(在單件小批量的生產(chǎn)中稱負荷上限[11])之后，OP將趨于不變，而LT則會持續(xù)的增大，關(guān)系曲線見圖2中的負荷上界的設(shè)定。投放、到達工序中心的零件，工序中心將綜合零件與各設(shè)備待加工隊列的情況，實時地為其選擇加工的工作站，零件加入到工作站的待加工隊列中。設(shè)備完工后，工作站將為待加工隊列中的各零件評定優(yōu)先級并選擇下一個上機加工的零件。

2.1 生產(chǎn)控制流程

如圖3，在MPC方法的基礎(chǔ)上，共為模具車間規(guī)劃了6個生產(chǎn)控制流程。

圖2 多層遞階式生產(chǎn)控制方法Figure 2 Multi-level hierarchical structure of production control method

1) 周期性原料投放(periodic raw-material release control, PRC)：固定周期觸發(fā)原料區(qū)進行任務(wù)投放。原料區(qū)將綜合零件的路徑、工時、類型與工序中心的負荷情況進行投放控制。

2) 設(shè) 備 選 擇 (machine selection control, MSC)：零件進入工序中心時向工序中心請求指派加工設(shè)備，工序中心將綜合零件的進度、工時、類型等信息與設(shè)備當前隊列情況進行設(shè)備選擇優(yōu)化決策。

3) 零件上機分派(part dispatching control, PDC)：在設(shè)備空閑且待加工隊列不為空時，設(shè)備獲取待加工隊列中的零件進度、工時與類型等，進行待加工零件上機分派。

4) 連續(xù)性原料投放(continuous raw-material release control, CRC)：當工序中心中的零件數(shù)量小于工序中心設(shè)備數(shù)量m時，工序中心將向原料區(qū)請求將首道工序為當前工序中心且優(yōu)先級最高的零件進行投放。

5) 設(shè)備空閑避免(starvation avoid control, SAC)：當設(shè)備空閑且待加工隊列為空時，設(shè)備向工序中心請求零件。若工序中心內(nèi)其他設(shè)備前還有待加工零件，則進行零件轉(zhuǎn)運；否則，進入連續(xù)性原料投放控制流程。

6) 設(shè)備故障/修復(fù)(machine available/ unavailable control，MAC)：在設(shè)備發(fā)生故障時，設(shè)備前待加工隊列所有零件重新進行設(shè)備選擇請求。在故障設(shè)備修復(fù)后，設(shè)備將向工序中心請求零件，即進入工序中心內(nèi)設(shè)備空閑避免控制流程。

2.2 基于負荷控制的投放控制方法

LUMS COR是Thürer等[10]提出的一類新型負荷控制的投放控制方法，代表了該領(lǐng)域的重要發(fā)展。但原始LUMS COR (R-LUMS COR)方法并不適用于柔性車間。此處將對其進行改進以適應(yīng)模具制造車間，主要包括：①保留原始方法的周期性投放與連續(xù)性投放兩種機制，在周期性投放時將工序中心作為整體進行負荷均衡，而在連續(xù)性投放過程中，當工序中心里的零件數(shù)量小于其包含的設(shè)備數(shù)量時才進行連續(xù)投放；②針對工序中心內(nèi)部，設(shè)計了避免出現(xiàn)設(shè)備空閑而提出的控制流程SAC。改進后的LUMS COR方法具體流程如表1所示。

2.3 MPC方法的優(yōu)先度規(guī)則

由前述R-LUMS COR方法的流程可知，其投放控制過程分為待投放零件排序與負荷需求校驗，其使用的排序規(guī)則與設(shè)備選擇規(guī)則、作業(yè)分派規(guī)則構(gòu)成了MPC方法的優(yōu)先度規(guī)則。此處將從面向準備時間節(jié)省與面向進度協(xié)同兩個角度設(shè)計各個控制層級的優(yōu)先度規(guī)則。準備時間節(jié)省類規(guī)則的總體設(shè)計思路是將同類零件盡量安排到同一臺設(shè)備加工，以減少工夾具的切換。而進度協(xié)同類規(guī)則的總體設(shè)計思路是基于關(guān)鍵件的當前進度去動態(tài)指引關(guān)聯(lián)非關(guān)鍵件的進度。其中，前者以文獻[16]中提出的SIMSET(similar setup)規(guī)則為基礎(chǔ)進行擴展，而后者則以文獻[17]中提出的IR(importance ratio)規(guī)則為基礎(chǔ)進行擴展，如表2所示。

圖3 模具生產(chǎn)控制流程Figure 3 Production control process of mould workshop

準備時間節(jié)省類規(guī)則SIMSET將根據(jù)設(shè)備當前裝夾具類型與零件類型是否匹配將零件(設(shè)備)分為兩類，優(yōu)先考慮匹配的集合。投放控制方法中的SIMSET排序規(guī)則將零件根據(jù)其類型與首道工序所需工序中心下所有設(shè)備的工裝夾具類型是否一致分為兩個集合，優(yōu)先投放類型一致的零件集合；設(shè)備選擇中的SIMSET選擇規(guī)則會將工序中心的設(shè)備根據(jù)其工夾具類型與待指派設(shè)備零件的類型是否一致分為兩個集合，優(yōu)先選擇一致的設(shè)備集合；而作業(yè)分派中的SIMSET分派規(guī)則則會將待加工隊列的零件根據(jù)其類型與當前設(shè)備工夾具類型是否一致分為兩個集合，優(yōu)先選擇一致的零件集合。

進度協(xié)同類規(guī)則IR依賴于各零件的IR值計算，該值越高則越優(yōu)先。投放控制/作業(yè)分派中的IR規(guī)則會優(yōu)先選擇IR值高的零件進行投放/加工；設(shè)備選擇中無法直接應(yīng)用IR規(guī)則，此處將基于IR原理構(gòu)建一類新型的OPD規(guī)則。零件j的OPD值為其訂單中關(guān)鍵件g剩余工序數(shù)量NUOg同剩余工序數(shù)量NUOj的差值，OPD規(guī)則的目標是將各重要程度一致的零件均勻分配到各設(shè)備，以避免競爭、提高協(xié)同性，其應(yīng)用過程如表3中的偽代碼。

表1 改進的負荷均衡型投放控制方法1）Table 1 Improved WLC order release method

3 仿真實驗

將從以下3方面進行實驗。①投放控制方法RLUMS COR對車間性能的影響。一是柔性車間適應(yīng)性改進后的負荷投放控制方法的性能分析，二是在投放控制中面向準備時間節(jié)省與面向進度協(xié)同兩者對車間性能的影響分析。②工序中心設(shè)備選擇規(guī)則與作業(yè)分派規(guī)則的組合性能分析。在設(shè)備選擇規(guī)則與作業(yè)分派規(guī)則中，分別從面向準備時間節(jié)省與面向進度協(xié)同兩方面進行組合，分析其對車間性能的影響。③整體分析MPC控制方法的性能。在前兩個實驗的分析基礎(chǔ)上，整體分析投放控制、設(shè)備選擇與作業(yè)分派規(guī)則的耦合性能。

3.1 仿真模型設(shè)定

根據(jù)模具制造車間的布局特點及模型通用性考慮，所構(gòu)建的車間仿真模型具有5個工序中心。零件對每個工序中心的需求均等(不存在固定瓶頸工序)，每個工序中心下具有平等能力的加工設(shè)備3臺。設(shè)備加工不同類型的零件前，需要一定的工裝夾具切換的準備時間。準備時間為平均加工時間的20%，這不會過度突出面向準備時間節(jié)省的規(guī)則對車間性能的影響[18]。模具訂單到達間隔時間服從均值為1小時的指數(shù)分布，以使得各加工設(shè)備的平均稼動率為80%。每個訂單為一副模具，模具的零件數(shù)量服從[1,6]的均勻分布且各零件具有單層裝配關(guān)系。此外，訂單交貨期的設(shè)置對車間的性能也有重大的影響。訂單在到達時，基于關(guān)鍵路徑長度設(shè)定交貨期常使用的規(guī)則[19]

其中，Ti為模具訂單i到達的時間；C為交貨期系數(shù)，本文將C值設(shè)置為36；TWKij為訂單i零件j總加工時間。

各零件的工序數(shù)量服從[1，5]的均勻分布，工藝路徑隨機且不重入，各工序的加工時間服從上限為4 h，均值為1 h的愛爾朗分布。零件工裝夾具的類型一共有5種，零件的類型在訂單到達后即確定且不變。

除了訂單隨機到達外，還存在以下3方面隨機干擾。①緊急插單。有10%的訂單為緊急訂單，其在交貨期的基礎(chǔ)上再乘于緊急系數(shù)U，此處U為0.6。②設(shè)備維護/維修。設(shè)備有5%的時間進行設(shè)備維護/維修。③工件返工返修。零件在工序質(zhì)檢后有一定概率P發(fā)生返修，此處P為2%，隨機從某一道前工序開始返工，所有設(shè)定總結(jié)于表4。

表2 MPC方法的優(yōu)先度規(guī)則Table 2 Priority rules for MPC method

表3 面向進度協(xié)同的設(shè)備選擇規(guī)則Table 3 Progress-oriented synchronization priority rules

表4 仿真模型參數(shù)設(shè)定Table 4 Settings of simulation model

表5 車間性能評價指標1）Table 5 Performance measures of workshop production

3.2 車間性能指標

如表5，流水時間類與交貨期類兩類指標為車間性能評價指標。流水時間類指標中零件平均車間流水時間代表了車間的WIP(work in progress)水平，訂單平均提前期指標能從訂單層面評價投放控制方法的通過時間。在按單生產(chǎn)的模式下，訂單拖期率與訂單拖期量體現(xiàn)了企業(yè)的服務(wù)水平。本文從訂單拖期率與平均拖期量進行綜合評價，有利于分析較低的拖期率是否以惡化訂單平均拖期量為代價。此外，仿真實驗的時間長度為450 d，為減少仿真啟動過程的影響，其中前100 d為過渡期，每一個仿真實驗都進行50次置信度為95%的重復(fù)實驗。

3.3 實驗設(shè)計與結(jié)果分析

3.3.1 投放控制方法分析

投放控制分析實驗將分析原料區(qū)投放控制方法R-LUMS COR對車間性能的影響。如表6，實驗所涉及的控制流程有PRC、CRC和SAC。投放控制方法的零件排序規(guī)則，從面向準時性的PRD規(guī)則(原LUMS COR排序規(guī)則)、面向準備時間節(jié)省的SIMSET(similar setup)規(guī)則、面向進度協(xié)同IR規(guī)則以及既面向準備時間節(jié)省又面向進度協(xié)同的SIMSET-IR規(guī)則四方面進行分析。在負荷上界設(shè)定方面，各工序中心負荷上界相等，并設(shè)置了多個負荷上界取值以體現(xiàn)不同負荷上界的取值對車間性能的影響。

表6 實驗1因素及其水平Table 6 Experiment fators and levels of experiment I

實驗結(jié)果如圖4所示。其中，圖4(a)與圖4(b)分別為控制流程組合a與控制流程組合b的實驗結(jié)果。圖中右邊的結(jié)果為Beachmark規(guī)則的性能表現(xiàn)，而折線各點為工序中心負荷上界由低到高逐漸增加，各控制方法在零件平均車間流水時間為橫軸，訂單平均提前期、訂單拖期率及拖期量為縱軸的性能走勢。

綜合圖4(a)、(b)可知：①對比Beachmark規(guī)則，投放控制能極大減少零件在車間的平均流水時間，面向準備時間節(jié)省或面向進度協(xié)同的零件排序規(guī)則相較于準時性PRD規(guī)則在車間性能上有一定的改進，其中既面向準備時間節(jié)省又面向進度協(xié)同的規(guī)則SIMSET-IR能取得更好的效果；②結(jié)合SAC控制流程的投放控制有明顯的性能提升，這是由于PRC控制流程從車間層面限制了WIP總數(shù)量，CRC控制流程保持了各工序中心WIP的最低數(shù)量，而SAC控制流程避免了工序中心設(shè)備因負荷不平衡而導(dǎo)致的設(shè)備空閑。

圖4 原料區(qū)投放控制的實驗結(jié)果Figure 4 Experimental results of material release control

在圖4(a)中，隨著工序中心負荷上界的增加，零件平均車間流水時間持續(xù)增加，而訂單平均提前期、訂單平均拖期量及拖期率先減少后緩慢上升。這是由于負荷上界限制了車間WIP，車間中的零件被加工的機會大大提高，零件能夠快速完工。但過小的負荷上界致使設(shè)備得不到充分利用，反而導(dǎo)致其他指標惡化。

在圖4(b)中，存在SAC控制流程的情況下，投放控制方法相比Beachmark規(guī)則，所有性能指標都有較大的提升。隨著工序中心負荷上界的增加，零件平均車間流水時間、訂單平均提前期、訂單平均拖期量及訂單拖期率都緩慢上升。這是由于較小的負荷上界使得更多的原料扣留原料區(qū)中，有利于提高投放控制方法選擇效力，而CRC和SAC控制流程避免了設(shè)備空閑。

3.3.2 設(shè)備選擇與作業(yè)分派規(guī)則的組合實驗

設(shè)備選擇與作業(yè)分派規(guī)則的組合實驗將分析設(shè)備選擇規(guī)則與分派規(guī)則的組合對車間性能的影響。如表7，涉及的控制流程有MSC、PDC和MAC。設(shè)備選擇規(guī)則及作業(yè)分派規(guī)則分別從面向準備時間節(jié)省和面向進度協(xié)同進行組合實驗。實驗不包含原料區(qū)投放控制流程，因此，訂單平均提前期LT與零件平均流水時間F相等。

表7 實驗2因素及其水平Table 7 Experiment fators and levels of experiment II

由實驗仿真結(jié)果表8可知，①在設(shè)備選擇規(guī)則或作業(yè)分派規(guī)則中，面向準備時間節(jié)省或面向進度協(xié)同的規(guī)則皆能改善車間的性能。其中，面向進度協(xié)同的規(guī)則有利于減少訂單平均拖期量，而面向準備時間節(jié)省的規(guī)則有利于減少設(shè)備準備時間時間占比，減少訂單平均提前期。②設(shè)備選擇規(guī)則與作業(yè)分派規(guī)則的組合具有相互影響效應(yīng)。面向準備時間節(jié)省或面向進度協(xié)同的設(shè)備選擇規(guī)則與面向準備時間節(jié)省的分派規(guī)則組合具有促進的效果，但面向準備時間節(jié)省的設(shè)備選擇規(guī)則與面向進度協(xié)同的分派規(guī)則無組合促進效果。③在同一個決策中使用既面向準備時間節(jié)省又面向進度協(xié)同的規(guī)則并無明顯改善效果。④對比控制流程組合a與組合b，MAC控制流程并不能促進面向準備時間節(jié)省分派規(guī)則的性能。這是由于MAC控制流程是通過為關(guān)鍵件進行再次設(shè)備選擇，以促進零件的協(xié)同性。但這有賴于零件上機分派所使用的規(guī)則，對面向進度協(xié)同的規(guī)則有促進作用。

表8 實驗2仿真結(jié)果Table 8 Simulation results of experiment II

3.3.3 耦合投放控制、設(shè)備選擇與作業(yè)分派規(guī)則的綜合實驗

耦合投放控制、設(shè)備選擇與作業(yè)分派規(guī)則的綜合實驗將到前面實驗的基礎(chǔ)上，綜合分析投放控制方法、設(shè)備選擇與作業(yè)分派的組合對車間性能的影響。實驗因素及設(shè)定如表9所示。在控制流程方面，投放控制分析實驗已得出SAC控制流程具有明顯的改善效果，而設(shè)備選擇與作業(yè)分派規(guī)則的組合實驗得出MAC控制流程并無改善效果。在投放控制方法的排序規(guī)則方面，水平設(shè)置為投放控制分析實驗中所有的排序規(guī)則，而負荷上界的設(shè)定也相同。在設(shè)備選擇規(guī)則與零件分派規(guī)則的組合方面，水平設(shè)定為在設(shè)備選擇與作業(yè)分派規(guī)則的組合實驗中具有相互促進效果的組合。

表9 實驗3因素及其水平Table 9 Experiment fators and levels of experiment III

在設(shè)備選擇與零件分派的組合規(guī)則中，分別加入投放控制方法，結(jié)果如圖5所示，右邊的點為單一的設(shè)備選擇與零件分派的組合規(guī)則的性能表現(xiàn)，而折線各點為工序中心的負荷上界由低到高逐漸增加，各投放控制方法、設(shè)備選擇與作業(yè)分派的綜合方法，在零件平均車間流水時間為橫軸，訂單平均提前期、訂單平均拖期量及訂單拖期率為縱軸的性能走勢。

圖5 耦合投放控制、設(shè)備選擇規(guī)則及作業(yè)分派規(guī)則的MPC方法實驗結(jié)果Figure 5 Experimental results of MPC integrating release control、machine selection and dispatching rules

綜合圖5可知，①投放控制方法、設(shè)備選擇與作業(yè)分派的綜合方法對車間性能有所改善。對比單一的設(shè)備選擇與作業(yè)分派的組合規(guī)則，零件平均車間流水時間明顯減少，同時在訂單平均提前期及拖期率皆有明顯改善。②隨著工序中心負荷上界WL的增加，零件平均車間流水時間逐漸增加，訂單平均提前期呈現(xiàn)波動且緩慢增加的趨勢。這是由于隨著工序中心負荷上界WL的增加，原料區(qū)可投放的原料數(shù)量減少，降低了投放控制方法的選擇效力。但是，較高的車間WIP水平提高了設(shè)備選擇規(guī)則及作業(yè)分派規(guī)則的效力。③在面向進度協(xié)同的設(shè)備選擇及作業(yè)分派的組合規(guī)則OPD+IR中，投放控制方法使用面向準備時間節(jié)省的排序規(guī)則有利于提高車間性能。④使用面向準備時間節(jié)省的作業(yè)分派規(guī)則SIMSET中，投放控制方法使用面向進度協(xié)同的排序規(guī)則能在零件平均車間流水時間指標上取得較好的表現(xiàn)，但在其余的性能指標無明顯改善。

4 結(jié)論

針對定制化生產(chǎn)模式下，模具車間生產(chǎn)過程存在的高度復(fù)雜、高擾動問題，構(gòu)建了耦合負荷均衡型的投放控制、設(shè)備選擇與作業(yè)分派的多層遞階式模具制造車間生產(chǎn)控制方法MPC，并規(guī)劃了生產(chǎn)控制流程。同時，考慮到模具復(fù)雜裝配關(guān)系帶來的加工進度協(xié)同需求，及各設(shè)備傾向于把具有相同工裝夾具的零件連續(xù)加工以節(jié)省準備時間的時間需求，研究了在MPC的方法中不同控制層級之間面向準備時間節(jié)省與面向進度協(xié)同的兩類決策規(guī)則之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性。實驗結(jié)果表明，①本文構(gòu)建的MPC方法具有良好的耦合性能。②在MPC的方法中，使用面向準備時間節(jié)省或面向進度協(xié)同的規(guī)則對車間性能都有一定程度的改善。③而在MPC方法的投放控制、設(shè)備選擇與作業(yè)分派三者中，存在使用面向準備時間節(jié)省的規(guī)則又存在進度協(xié)同的規(guī)則能取得更好的車間性能表現(xiàn)。

針對研究的不足，未來將從以下3方面做進一步的研究。1) 考慮非同等能力處理機、零件具有工藝路徑柔性及多層級裝配關(guān)系等更為復(fù)雜情況。2) 構(gòu)建的MPC方法動態(tài)選用規(guī)則的機制，根據(jù)車間當前的狀態(tài)從規(guī)則庫中動態(tài)地選用最適合的規(guī)則組合。3) 考慮全局優(yōu)化算法與控制方法的結(jié)合以提高全局優(yōu)化力度，如在原料周期性投放選擇中采用優(yōu)化模型替代排序規(guī)則。