虚拟细胞多期编队：动态环境下的制造系统设计和可重构系统建模

© 2014年。由爱思唯尔公司出版信息工程研究院负责评选和同行评议可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectIERI Procedia 10（2014）98 - 1042014未来信息工程动态环境下的虚拟细胞多期编队韩文敏，王芳*，吕杰江苏科技大学经济管理学院，江苏省镇江市梦溪路2号，邮编212003摘要虚拟单元制造是一种创新的生产组织方式，它既具有生产的灵活性又具有生产的高效性，能够满足当今科学技术的快速发展和产品的更新换代。虚拟单元制造系统设计的关键过程-单元生成是研究的重点。针对小批量、动态变化的市场需求特点，研究了虚拟蜂窝多周期动态重构问题。提出了一种可重构系统编程模型。该模型综合考虑了产品动态需求、机器能力、作业顺序、平衡工作量、替代路线和批量设置等问题的参数。混合整数规划模型的目标是最小化总成本的运作，移动的原材料，库存持有和工艺路线设置。通过案例分析，验证了该模型在现实中的可行性和有效性.© 2014由Elsevier B.V.发布 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。信息工程研究院负责评选和同行评议关键词：虚拟单元;制造系统设计;可重构系统建模;混合整数规划;1. 介绍随着科学技术的发展，产品的快速更新换代和对产品多样化的需求，制造业正从传统的大规模生产模式向多品种、小批量的混流式生产模式发展，为了适应这种转变的需要，企业内部的制造资源不得不进行快速的重新配置[1]。然而，企业的生产组织，即制造系统的设计，还存在很多问题。因此*通讯作者。联系电话：13337763797.电子邮件地址：awlmh63@163.com，bwangyaya0903@126.com，clvjie0511@126.com。2212-6678 © 2014由Elsevier B. V.发布 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。信息工程研究所负责的选择和同行评审Wenmin Han等/ IERI Procedia 10（2014）9899企业必须考虑采用先进的生产方式和科学的管理方法，使企业能以较低的成本对市场作出迅速的反应。虚拟单元制造系统[2]是近年来兴起的一种先进制造模式。在动态环境下，产品组合难以预测，虚拟单元克服了传统单元生产模式的局限性，逐渐成为实现多品种、小批量生产的有效模式。在虚拟单元制造系统中，机器为了充分发挥虚拟单元制造系统的优势，单元化是单元制造系统设计的关键。基于不同的环境，不同的学者提出了不同的细胞形成策略。例如，白俊杰[4]研究了可重构制造系统中不同交货期、生产订单并存的虚拟制造单元形成问题，建立了0-1整数规划模型，J. Slomp[5]提出了在虚拟制造单元形成中加入劳动力的方法。首先对任务和设备进行分组，然后将工作人员分配到虚拟单元，建立目标规划模型。牛力[6]研究了在静态环境下加工路线的选择和批量设置问题。但许多单元形成问题是建立在理想生产环境的基础上的，假设需求是稳定的，相关的生产信息是已知的和完整的。但在实际的制造系统中存在着大量的随机干扰因素。因此，细胞形成的第一阶段可能不会遇到连续的时期。R.Jayachitra[7]、R.Raju[8]等已经考虑了可重构系统对动态环境的响应。R.Kia[9]、K.Rafiee[10]等分析了基于多周期、多加工路线的问题，并通过优化生产批量来降低生产总成本。但是在单元形成的研究中，如果企业采用传统单元制造系统的形成策略，会因制造资源的重新布局而产生大量的成本，并且由于机器不能移动而影响单元的形成。Hassan Rezazadeh[11]、Hassan J. Hassan[12]等研究了虚拟单元制造系统的设计针对虚拟单元制造系统的设计还有待改进的问题，提出了一种虚拟单元生成模型。模型中零件的需求量不仅考虑了生产批量的大小，还考虑了库存水平，生产批量的动态变化影响了不同时期的虚拟单元的形成。企业在制造系统设计中考虑的主生产计划将更符合实际生产需求。通过建立虚拟单元化制造可重构系统模型，不仅意在补充现有的虚拟制造单元理论研究，而且对制造企业实施虚拟单元具有一定的指导意义。2. 问题描述在虚拟单元制造系统中，当制造企业的产品结构和工艺要求发生变化时，现有的虚拟制造单元为了设计更符合实际的动态单元编队策略，建立了虚拟单元多周期动态编队的混合整数规划模型。该模型的目标是最小化生产、原材料运输、库存管理和设置的总成本。该模型包括制造资源的能力、库存平衡约束、产品动态需求和作业顺序等实际参数，以及制造系统100Wenmin Han等/ IERI Procedia 10（2014）98Mpp可以有不同的工艺路线。在现有的制造资源中选择合适的制造资源并确定零件的批量设置。在虚拟小区中，由于设备资源的共享导致工作负载不均衡，考虑了工作负载均衡的因素，决策者可以根据自己的意愿调整工作负载均衡的程度。3. 模型形成本文设计了一种集成主生产计划和虚拟单元制造可重构系统的混合整数规划模型。本文假设每个部分的操作顺序是已知的。所有机器类型都是多功能的。每种零件类型都可以有几个不同加工时间的替代工艺路线，并且加工时间是已知和确定的。每种机器类型都有多台机器。每个时期对每种零件类型的需求是已知的和确定的。每个时期每种机器类型的能力是已知的。在每个周期中形成的单元的数量是预先指定的，并且在整个计划的整个范围内保持不变。每个机器类型的可变成本是已知的，并且可变成本意味着取决于机器的工作负荷的操作成本。允许存货，存货成本已知。不允许发货3.1. 模型参数3.1.1. 参数输入h--时间段s的索引，h1，2，. . . ，Hc--索引x用于虚拟小区序列1，2，. . . 得双曲余切值.m--表示s型机器的x，k，，1，2，. ..，Mp--部分类型的索引，即p1，2，. . .，Pr--每一个零件的工艺路线索引，. ，Rpj--路径r中零件类型p的操作的索引，j1，2，.，JrpDph- -h期p- -m型机组单位时间运行成本;--每种物料类型的Srph - -h期间p--每个零件类型的移动成本tjrpTmYmBUBL--处理路线r上零件类型p的工序j--每周期机器容量m--可用机器数量m--每个单元--每个单元Q --虚拟小区一 --大正数3.1.2. 决策变量NmchQrphIph- -h期间单元格c中m型机器的数量- -h期间在路线r上加工的p类零件数量- -h期间保留的p类零件的库存水平，并结转到h+1期间xjrpchZrphqmrph--1，如果在时段h中在单元c中处理了沿着零件类型p的路线r的操作j; 0，否则--1，如果在时间段h中建立了部分类型p的路由r; 0，否则--1，如果机器类型m在h期间沿p部分的路线r用于操作j; 0，否则Wenmin Han等/ IERI Procedia 10（2014）981013.2. 决策变量HPRpJrpMHCPRpJrp最小值Z=0 日本语简体中文繁体中文한국어h21 p21 r21 j21 m21h2001c2001p2001r2001j2001HP HPRppI ph 你好 ， 谢 谢 你。（一）S. t.h1p1Ch2001p2001r2001RpPJrpjrpch jr（二）c1QrphAzp，r，h.（三）我是一个很好的朋友2001年1月1日至2001年1月1日阿姆角（四）RIpQrphIph1Dph1阿尔普湖（五）RpPJ rpQCRpPJrpt jrpQrphxjrpc h2001年1月1日至2001年1月1日我的意思是，我的意思是，（六）中、中、英、俄、法、俄、英、法、俄、俄、法、俄、法、俄、俄、法、俄、俄、法、俄、俄、法、俄、俄、法、俄、俄、法、俄、俄、法、俄、俄、法、俄、俄、法、俄、俄、法、俄、俄、MBLNmchB Um1波茨港（七）CNmchc1埃什赫山（八）qmrph阿布尔山口（九）xjrpch  0，1 μ ，z rph  0，1 μ ，q mrph  0，1 μ ，j，p，c，h，r.（十）Nmch0Q0Iph 0P.C.H.R.（十一）在等式（1）中给出的非线性混合整数目标函数在规划范围内使操作成本、材料处理成本、库存保持成本和工艺路线设置成本的总和最小化。第一项是在规划范围内所有单元所需的所有机器的运营成本。第二项是物料搬运总成本。第三项计算存货持有成本。最后一项表示工艺路线设置成本。等式（2）示出了工艺路线的设置，而设置之后的生产由不等式（3）保证。不等式（4）确保了单元内的机器能力能够满足需求。等式（5）确保零件的数量在两个连续的时期内相等，即库存平衡约束。不等式（6）意味着虚拟小区之间的工作负载平衡，并且用于确定工作负载平衡的程度。不等式（7）保证虚拟小区中的机器数量不超过上限的最大机器数量，并且不降低下限的最小机器数量。不等式（8）限制了可用机器的总数。等式（9）确保了每个工艺路线中的机器类型与其相关操作的数量的关系。 类型（10）（11）表示0-1决策变量和非负整数变量。pM102Wenmin Han等/ IERI Procedia 10（2014）984. 案例研究和计算结果4.1. 为例为了验证该模型的有效性，将某船厂某班组的管道加工作为实例，说明多周期虚拟单元动态生成的实现，并通过Lingo11. 0进行计算。该案例包括5个不同的管道，8种不同类型的机器，每种机器的可用数量为2，3个周期，最大虚拟单元数为3，每种管道包括3个进程，每个作业可以在两个可用路径上处理。每个虚拟小区中的最大和最小机器的数量分别为3和6虚拟单元之间的工作负载平衡因素是0.9. 机器类型的数据如下表1所示表2显示了部件类型的数据表1.机器类型机加工机床机床方式Tm/h的数量number名称机器（台）M1孔立式钻床H5-32D22408M2高温压孔机YK114-37722409M3切割圆盘锯HVS-355AC22407M4切管机80A-200A22407M5焊接氩焊机MRA-60022408M6防触电交流焊机YK-505FL4HGJ22409M7弯曲2#数控切管机PB-ER40D-F22407M8测试电动试压泵4DY-74/6.3224012表2.零件类型部分路线运行数据（/min）设置成本H1需求h2h3P11（M3-35），（M7-53）94020025002（M4-66）、（M5-35）、（M7-50）945P21（M1-45），（M4-50），（M5-43）1200160100952（M4-56），（M6-50）1220P31（M3-32）、（M5-67）、（M7-47）60012001502（M4-38）、（M6-75）、（M7-50）650P41（M2-35）、（M7-69）、（M8-50）10001502001002（M1-25），（M7-46），（M8-59）900P51（M6-75），（M7-53），（M8-57）1200100120804.2.计算结果我们可以从表3中获得每个零件的可用加工路线和每个周期的最佳生产量。虚拟单元制造多周期动态生成结果如图所示。1.一、表3.每个时期部分RH1h2h3zrp1Q rp1I p1zrp2 Qrp2I p2Zrp3Q rp3Ip3Wenmin Han等/ IERI Procedia 10（2014）98103P1112000000020125000P21116001150019502000P3111200000115002000P4100021210601240100000P51117575112580000Fig. 1.“机器-零件”矩阵表4.不同情况情况1壳体2运营成本31434.9531050.25材料搬运费2427023270库存成本3150设置成本1088512985总成本66904.9567305.25结果：针对虚拟单元制造系统重构问题设计了两个实例。案例1考虑主生产计划，案例2不考虑主生产计划，结果如表4所示。从数据方案中可以得出，方案1可以有效地降低设置成本，从而获得最优的总成本。同时，由于减少了装配数量，所以整体上减少了生产时间，使造船厂能够快速响应市场需求。5. 结论本文主要研究动态环境下虚拟单元制造多周期动态成形，并建立可重构模型进行验证。通过考虑库存水平和优化生产数量来降低总成本，提高了企业的效率。实例研究结果表明，虚拟小区多周期动态生成模型能够更好地响应不断变化的市场需求，快速重构虚拟小区。实验表明，该模型不仅能有效降低总成本，而且能够快速响应市场需求。由于该模型是NP问题，因此，下一步可以利用一些Meta启发式方法，如遗传算法、粒子群优化算法等来解决大型企业的复杂问题，从而可以在较短的时间内找到最优解。104Wenmin Han等/ IERI Procedia 10（2014）98致谢本课题得到了国家自然科学基金（71271105）和教育部人文社会科学规划基金（12YJA630036）的资助。引用[1]Ma海燕，程伟，丛培英。基于智能制造单元的可重构制造系统研究[ J].山东科学2007;20（5）：35-38.[2]K. 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