基于虚拟单元生产的共享资源瓶颈问题仿真研究.pdf
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1、 年第 卷第 期总第 期物流工程与管理 物流技术:./.基于虚拟单元生产的共享资源瓶颈问题仿真研究 栾世超连福诗孔继利(.中国航空综合技术研究所北京.北京邮电大学 现代邮政学院北京)【收稿日期】【作者简介】栾世超()男山东高密人管理学博士高级工程师研究方向:精益管理工业工程供应链管理 【摘 要】为了解决基于虚拟单元生产的共享资源瓶颈问题结合成组技术和动态调度理论提出了动态队列排序规则运用 .进行案例设计与仿真实验根据生产系统的多个指标对比了动态队列排序规则和先到先服务排队规则研究了 生产能力约束规则的有效性对生产系统中采用和不采用生产能力约束器的情况进行了仿真比较 仿真试验结果表明动态队列排序
2、规则和 生产能力约束规则对缓解虚拟单元生产中共享资源冲突具有明显的优势【关键词】仿真虚拟制造单元共享资源瓶颈动态队列排序规则 生产能力约束规则【中图分类号】【文献标识码】【文章编号】()(.)【】.【】引言近几年国家对于航空装备制造业的投入和支持力度空前航空制造企业不断提升运营管理能力为了更好地应对多品种、中小批量的生产特点产线生产组织模式快速迭代升级在此过程中基于产品族的虚拟单元生产方式成为当前的主流模式虚拟单元生产 通常需要对稀缺的制造资源实行共享大部分单元难以对所有资源具有完全的控制无法形成封闭的制造流程对加工过程的跟踪、协调和控制的复杂度依然较高导致制造企业难以实现快速反应制造 同时由
3、于虚拟单元生产的动态性、复杂性和突变性经常存在多种突发情况导致系统中有临时的急件插入或者由于某共享设备故障引起共享资源瓶颈问题 等将两种简单的启发式调度规则和蚁群算法结合使用提供瓶颈设备相关的信息解决了虚拟单元制造的生产调度问题 贾国柱林爽针对多品种小批量生产企业结合系统动力学提出共享资源使用权分级评分及交换机制有效解决了单元间共享资源冲突问题 和 构建了基于面向对象的体系结构提出了一种基于虚拟制造单元的生产调度系统建模方法降低了生产调度问题的复杂性 和提出了基于贝叶斯网络的资源冲突模型用于检测虚拟单元资源冲突为虚拟单元资源冲突的具体解决奠定了基础 和 考虑了延迟时间和共享资源的任务优先级提出
4、了一种混合多目标粒子群优化算法利用新的解码方法模拟市场机制解决资源冲突问题提高了共享资源的利用率吕洁等以制造系统生产过程的稳定性和高效率为目标针对不同阶段建立了不同的资源冲突检测和消解机制改善了虚拟单元制造中资源冲突的问题 韩文民朱萍萍基于资源约束和交货期时间约束运用时间约束网络和图论的相关理论解决了虚拟制造单元生产过程中由于随机扰动所导致的资源冲突问题 和 将蚁群算法应用于虚拟制造单元()的任务调度问题解决目标是最小化操作范物流工程与管理第 卷围(任务顺序和每个任务的开始时间)和整个工件行进距离的总和 等建立了一个数学模型考虑基于装配和工艺路线的虚拟生产单元中设备单元布局、工艺路线和生产顺序
5、等因素实现物料处理成本和生产周期的最小化虚拟单元生产中瓶颈资源问题是生产调度问题对生产系统的整体绩效有重要影响 虽然已经有较多文献研究瓶颈调度方法但其中大多数是基于静态瓶颈的考虑或者只是提出了识别动态瓶颈转移的方法 而对于在系统中存在动态瓶颈的情况下如何提高整个生产系统指标绩效的研究目前还缺乏深入研究 因此本文研究航空制造企业动态共享资源的共享协调机制以及解决方法解决动态共享冲突问题在此基础上针对瓶颈资源生产能力冲突问题提出了一种动态队列排序规则通过仿真实验显示了该动态排队规则对虚拟单元生产中瓶颈问题解决具重要作用 虚拟单元生产中共享资源瓶颈问题分析航空制造企业在多品种、中小批量生产环境下对于
6、制造资源或者生产单元的需求存在较大差异需要快速满足多样性甚至是单件、小批试制的产品需求 在与其它生产单元共享资源时如果共享资源的生产能力不足便会成为瓶颈导致资源冲突破坏了生产流程的封闭性和连续性综合多家航空制造企业虚拟单元生产系统中资源冲突发生的主要原因如下过度分配资源 由于制造任务下达的不合理性不同制造任务在同一时间对同一共享资源产生需求从而造成了共享资源瓶颈问题临时插入的急件 由于虚拟单元制造环境中的复杂性、动态性和突变性经常存在多种突发情况导致系统中有临时的急件插入此时会引起共享资源冲突设备故障 由于共享资源的有限性当生产系统中共享设备发生故障且缺乏可替代的资源时该故障设备就可能成为共享
7、资源瓶颈问题紧前任务或者工序的延迟 由于生产中的不确定性造成的延迟会对紧后工序的实施产生影响导致原本不存在资源冲突的虚拟单元出现瓶颈资源 基于虚拟单元生产的动态队列排序规则为了保证高虚拟单元生产中共享资源瓶颈的性能结合成组技术和动态调度理论提出一种动态队列排序规则.假设条件不失一般性我们假设作业调度满足如下约束条件整个加工过程中一个零件不能在同一设备上加工多次任何一个零件的前一道工序加工完成后方能进行后一道工序的加工在同一台设备上一个加工任务完成之后方能开始另一个加工任务各零件必须按工艺路线以指定的顺序在设备上加工不考虑零件的优先权每个零件的工序一旦进行就不能中断一个零件同一时间只能在一台设备
8、上加工一台设备同一时间只能加工一个零件每个零件相邻工序之间的间隔与所在加工地点有关同一加工地点间隔为零每个零件的每道工序的开工时间一定大于或等于零工序应尽量使用负荷低、空闲的设备零件的加工时间事先给定且在整个加工过程中保持不变对零件进行热表处理等外协加工时属于资源无限不考虑资源竞争.动态队列排序规则首先将加工的零件分为三类相同零件设备不需要进行生产换型同类零件设备需要进行较小的生产换型异类零件设备需要进行较大的生产换型按照这种规则设备每次改变当前正在加工的零件种类都需要对该设备之前的待加工产品队列进行重新排序即动态队列排序规则这样能保证最大限度地减少设备的生产换型时间从而减少总的生产流程时间态
9、队列排序规则算法描述如下步骤:当新的待加工零件到达相应的设备时如果该设备处于空闲状态则转到步骤 否则转到步骤 步骤:如果新到达的待加工零件与设备上正在加工的零件属于相同零件则转到步骤 否则转到步骤 步骤:将新到达的待加工零件排到该设备所对应待加工零件队列的第 位以避免设备换型时间的发生转到步骤 步骤:如果新到达的待加工零件与设备上正在加工的零件属于同类零件则转到步骤 否则转到步骤 步骤:将新到达的待加工零件排到该设备所对应待加工零件队列的第 位以减少设备调整时间转到步骤 步骤:将该设备对应待加工零件队列中拥有零件数最多的零件族排到队列的第 位当存在数量相同时则根据先到先服务的原则而定转到步骤
10、步骤:加工队列中排名第 位的零件 仿真实验 仿 真 软 件 采 用 面 向 对 象 编 程()的思想将其核心模块都以类的形式封装在 类库中以动态链接库()的形式表现在任何开发环境中都可以引用这些动态链接库继而使用 的所有模块来达到控制整个仿真模型和仿真运行过程的目的 为了方便仿真与优化的集成本文利用外部定制方法将禁忌优化系统与仿真系统通过 接口进行集成并在优化系统中引用 类库从外部驱动 仿真模型的运行.案例设计为了模拟多品种小批量的生产需求设计 类共 种零件产品每一类包括 个产品 产品种类基于成组技术原理与产品的工艺路线的相似性已确定 为了模拟虚拟单元生产系统特别是共享资源瓶颈问题本研究在模型
11、中考虑了 台高度共享的不同机器设备按照工艺专业化的方式布局具体见表 第 期栾世超等:基于虚拟单元生产的共享资源瓶颈问题仿真研究表 产品工艺路线图表 主要分为三部分第一部分是“产品 设备”矩阵该矩阵清晰地表达了所考虑的 种产品的分类情况产品分类的原则主要是依据加工工艺相似性 第二部分是共享度给出了每台设备分别被多少种产品加工所共享设备的共享度的值分布在 之间生产设备的共享程度较高 第三部分是区分度该指标主要是用于仿真建模作为一个零件产品间区分的指标区分度包括:相同零件、同类零件和异类零件三个等级表 给出了每道工序具体的加工时间 为了充分考虑零件产品生产时间的随机性假设每个工序所花费的时间都服从经
12、典的三角分布(如表)既能从一定意义上反映出工序最有可能被完成的时间又能反映出生产实际中的随机波动性表 产品加工工序所需时间图(单位:小时).仿真模型的构建在前一部分中产品加工的工艺路线、产品的分类和每个工序的加工时间都已给出接下来主要是对模型的其他相关信息进行说明订单到达 为了更好地模拟随机订单的到达过程本文设置三个订单到达促发模块 并假设每个订单到达触发模块服从不同参数的指数分布 紧后的 模块主要负责对订单进行区分按照图 中所示的订单相对比例设置订单到达的相对分布 后续的 矩阵主要是给每种订单赋上订单区分度订单区分度的作用主要是用来识别订单的差异性便于调整后续的机器设备图 订单到达逻辑图 订
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