陳 杰 張 松 杜春剛 丁 澤

(①山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250061；②濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊261061)

自動(dòng)化生產(chǎn)線能顯著提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件，其產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠，在大批量生產(chǎn)條件下降低了產(chǎn)品的成本。但是，隨著市場需求的多樣化和個(gè)性化，現(xiàn)代制造企業(yè)的生產(chǎn)線變得越來越復(fù)雜，為了滿足市場需求，需不斷優(yōu)化改進(jìn)生產(chǎn)線，以提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)率。

消除生產(chǎn)線的瓶頸[1-2]、配置緩沖區(qū)[3]、合理的工藝規(guī)劃[4]和生產(chǎn)調(diào)度[5]是提高生產(chǎn)線生產(chǎn)率的有效方法。此外，對(duì)于一條物料配送不合理的生產(chǎn)線，可以采用優(yōu)化設(shè)備布局或物流配送路徑的方式來降低物料配送成本[6-7]，或者利用射頻識(shí)別(radio frequency identification，RFID)技術(shù)，確保物料的動(dòng)態(tài)及時(shí)配送[8]。同時(shí)，隨著數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)線仿真技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)線優(yōu)化[9]，它是以計(jì)算機(jī)支持的仿真技術(shù)為前提，對(duì)生產(chǎn)線的各個(gè)元素和生產(chǎn)過程進(jìn)行整體建模[10]，在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建某個(gè)完整的制造流程并對(duì)其進(jìn)行生產(chǎn)配置優(yōu)化，設(shè)備布局優(yōu)化等[11]。然而，在進(jìn)行生產(chǎn)線優(yōu)化時(shí)，若生產(chǎn)線中機(jī)床數(shù)量較多，緩沖區(qū)空間浮動(dòng)較大，生產(chǎn)產(chǎn)品種類較多，則優(yōu)化問題的解空間呈指數(shù)倍增大，出現(xiàn)組合爆炸現(xiàn)象[12]，使求解變得非常困難。遺傳算法解決這類組合優(yōu)化問題是比較成熟的[13-14]，利用遺傳算法和生產(chǎn)過程仿真相結(jié)合的方式，通過仿真評(píng)價(jià)遺傳進(jìn)化中的每一個(gè)體，降低了求解的難度。需要指出的是，目前生產(chǎn)線的研究和方法大都集中于柔性生產(chǎn)線，而適用于大批量生產(chǎn)的單一產(chǎn)品剛性生產(chǎn)線的優(yōu)化研究則較少。

本文針對(duì)某柴油機(jī)缸體剛性生產(chǎn)線設(shè)備利用率低，生產(chǎn)效率低的問題，以Plant Simulation軟件作為仿真平臺(tái)，構(gòu)建了生產(chǎn)線的仿真模型。借助遺傳算法，對(duì)各個(gè)緩沖區(qū)容量進(jìn)行優(yōu)化配置。在此基礎(chǔ)上聯(lián)系生產(chǎn)線運(yùn)行狀況，通過只為兩道瓶頸工序配置緩沖區(qū)并安排機(jī)床定期集中清理緩沖區(qū)積壓工件，提高了設(shè)備的平均利用率和生產(chǎn)線的生產(chǎn)率。

1 生產(chǎn)線仿真模型

1.1 柴油機(jī)缸體生產(chǎn)線運(yùn)行分析

如圖1所示，現(xiàn)有某型號(hào)柴油機(jī)缸體剛性生產(chǎn)線，生產(chǎn)線所在車間長約187.5 m，寬度約為90 m。缸體、曲軸箱的毛坯分別在毛坯區(qū)由行車搬運(yùn)上線，在各自的生產(chǎn)線進(jìn)行第一階段加工，加工完畢后同時(shí)進(jìn)入缸體預(yù)裝配生產(chǎn)線，進(jìn)行第二階段的加工。根據(jù)該柴油機(jī)缸體的加工工藝，為區(qū)分方便，將該生產(chǎn)線劃分為三部分，即缸體生產(chǎn)線(缸體的第一階段加工)、曲軸箱生產(chǎn)線(曲軸箱的第一階段加工)和缸體預(yù)裝配生產(chǎn)線(缸體、曲軸箱第二階段加工)。

本文重點(diǎn)在于研究缸體的加工優(yōu)化，故曲軸箱生產(chǎn)線部分做簡化處理。缸體加工總計(jì)經(jīng)過40余道工序，72臺(tái)機(jī)床。生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)線單件流時(shí)間(工件自上線開始加工到加工完畢下線的時(shí)間)約為16 h，線上在制品數(shù)為231件，且會(huì)在1-150工序和2-100工序產(chǎn)生堵塞，生產(chǎn)線的生產(chǎn)率為117件/班(一班為8 h)。缸體生產(chǎn)線和缸體預(yù)裝配生產(chǎn)線各工序的加工時(shí)間如表1所示。

表1 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸體各工序平均加工時(shí)間

1.2 仿真模型的建立

該生產(chǎn)線是典型的單方向生產(chǎn)流水線，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研的工序流程(表1)，建立如圖2所示的生產(chǎn)線模型。模型包含缸體毛坯自行車吊運(yùn)上線加工到加工清洗完畢下線進(jìn)入存儲(chǔ)區(qū)的生產(chǎn)過程。為了反映生產(chǎn)線的運(yùn)行狀況，在工件的毛坯區(qū)設(shè)置了行車搬運(yùn)模塊，使模型更加直觀，也便于對(duì)模型的精確控制。此外，在缸體和曲軸箱的第二加工階段，為保證一些通孔的精度，二者必須同時(shí)上線進(jìn)行預(yù)裝配，在預(yù)裝配后作為一件工件進(jìn)行下一步的加工，所以利用SimTalk編程語言在模型中加入了判斷機(jī)制，可以根據(jù)物料的不同劃分路徑并完成預(yù)裝配。模型構(gòu)建完成后運(yùn)行仿真模型，其運(yùn)行狀態(tài)與生產(chǎn)線實(shí)際對(duì)比如表2所示。由表2可得，仿真模型能夠較準(zhǔn)確地反映出生產(chǎn)線的運(yùn)行情況，利用該模型進(jìn)行仿真優(yōu)化的結(jié)果具有指導(dǎo)意義。

表2 仿真模型與實(shí)際生產(chǎn)線的對(duì)比

2 基于遺傳算法的緩沖區(qū)配置

遺傳算法(genetic algorithm，GA)是從代表問題潛在解集的一個(gè)種群開始，按照適者生存和優(yōu)勝劣汰的原理，在每一代根據(jù)個(gè)體適應(yīng)度的大小選擇個(gè)體，并借助于自然遺傳學(xué)的遺傳算子進(jìn)行交叉和變異，產(chǎn)生出代表新的解集的種群。這個(gè)過程將導(dǎo)致種群像自然進(jìn)化一樣后生代種群比前代更加適應(yīng)環(huán)境，末代種群中的最優(yōu)個(gè)體即可作為問題的近似最優(yōu)解。

為各道工序配置緩沖區(qū)，以提高生產(chǎn)線的機(jī)床利用率，但考慮到某些工序如2-20(上線組裝)并不需要專門的機(jī)床加工而只是由人工輔助操作，完成時(shí)間短，沒必要配置緩沖區(qū)，去除這些工序后，共設(shè)置28個(gè)緩沖區(qū)。若每個(gè)緩沖區(qū)容量上限100下限為1，試驗(yàn)每種可能的緩沖區(qū)容量配置組合方式需要試驗(yàn)10028次，顯然這種“窮舉法”是行不通的。通過模擬自然進(jìn)化過程搜索最優(yōu)解，將遺傳算法與仿真過程中的數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以方便快捷地求解這種組合優(yōu)化問題。以下為遺傳算法優(yōu)化的幾個(gè)關(guān)鍵步驟。

2.1 初始化種群

由于共配置28個(gè)緩沖區(qū)，所以每個(gè)染色體擁有28個(gè)基因，基因利用二進(jìn)制編碼進(jìn)行表示。將28個(gè)基因依次排序構(gòu)成一條染色體(圖3)，該染色體即為優(yōu)化問題的一個(gè)可能解。在優(yōu)化問題的解空間里，隨機(jī)抽若干染色體，作為一個(gè)初始種群。

2.2 適應(yīng)度函數(shù)

對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行緩沖區(qū)優(yōu)化配置，應(yīng)力求以最小的緩沖區(qū)配置總量得到最大的優(yōu)化效果。綜合考慮機(jī)床和緩沖區(qū)利用率、緩沖區(qū)總量3個(gè)因素，構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù):

其中:Pi為第 i臺(tái)機(jī)床的利用率，i＝ 1，2，…，72；Cj為第j處緩沖區(qū)的容量，j＝1，2，…，28；Qj為第 j處緩沖區(qū)的空閑率。

該函數(shù)由三部分組成，為防止適應(yīng)度函數(shù)被其中的某一項(xiàng)所左右，三部分應(yīng)具有相同的數(shù)量級(jí)。然而，運(yùn)行模型發(fā)現(xiàn)，三部分的極差差別較大，不在同一數(shù)量級(jí)，故分別利用調(diào)整系數(shù)a、b、c進(jìn)行調(diào)整。

2.3 選擇、交叉及變異

在對(duì)初始種群進(jìn)行適應(yīng)度計(jì)算后，采用“輪盤賭”的方式選取父代個(gè)體進(jìn)行交叉。交叉方式采用兩點(diǎn)交叉:在輪盤賭選擇出來的兩個(gè)體中隨機(jī)設(shè)置兩個(gè)交叉點(diǎn)并交換兩交叉點(diǎn)之間的基因片段。種群交叉完畢后繼續(xù)進(jìn)行變異運(yùn)算，采用基本位突變的方式改善遺傳算法的局部搜索能力并維持種群的多樣性，防止出現(xiàn)早熟現(xiàn)象。

2.4 優(yōu)化結(jié)果分析

采用以上方法，對(duì)各個(gè)緩沖區(qū)的容量進(jìn)行優(yōu)化，得到圖4所示的各個(gè)緩沖區(qū)的最佳容量配置。優(yōu)化前后生產(chǎn)線中各臺(tái)機(jī)床利用率對(duì)比如圖5所示，機(jī)床的平均利用率由87.92%提高到90.42%，但班產(chǎn)出量為117件，并沒有提高，而且瓶頸工序2-100的下游工序與優(yōu)化前相比，機(jī)床利用率也沒有提高。

對(duì)于一條正在運(yùn)行使用中的生產(chǎn)線，為每一工序都配置緩沖區(qū)是不現(xiàn)實(shí)的，而按照優(yōu)化結(jié)果為其配置28個(gè)緩沖區(qū)也是難以接受的，這會(huì)對(duì)車間布局產(chǎn)生較大影響，造成工件在車間的大量積壓。由圖4可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化配置后緩沖區(qū)C8、C28的容量明顯大于其余緩沖區(qū)，而這兩個(gè)緩沖區(qū)是生產(chǎn)線的第一和第二瓶頸工序。說明經(jīng)過優(yōu)化后，緩沖區(qū)容量會(huì)向瓶頸工序處集中。保留C8、C28，取消其他緩沖區(qū)后，各臺(tái)機(jī)床利用率對(duì)比如圖6所示，機(jī)床平均利用率90.24%，與之前的平均利率相差不大。說明為瓶頸工序配置緩沖區(qū)對(duì)生產(chǎn)線各機(jī)床平均利用率的提高較大。而生產(chǎn)線班產(chǎn)出量仍為117件，并沒有提高。這是因?yàn)殡m然配置的緩沖區(qū)可以容納非瓶頸工序加工完畢的缸體來等待瓶頸工序的進(jìn)一步加工，釋放了非瓶頸工序的生產(chǎn)能力，但生產(chǎn)線的生產(chǎn)率依然受限于瓶頸工序的生產(chǎn)能力。而且，隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，緩沖區(qū)會(huì)被逐漸填滿(圖7)，生產(chǎn)線重新進(jìn)入堵塞狀態(tài)。

3 生產(chǎn)線運(yùn)行方式的優(yōu)化

3.1 生產(chǎn)線運(yùn)行方式的調(diào)整

2.2 節(jié)的分析表明，對(duì)于一條生產(chǎn)節(jié)拍不平衡的生產(chǎn)線，大量設(shè)置緩沖區(qū)是沒有意義的:隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，產(chǎn)品會(huì)在瓶頸節(jié)點(diǎn)的緩沖區(qū)產(chǎn)生積壓，使緩沖區(qū)失去作用，故需要定期清理緩沖區(qū)積壓的工件。本文使用只為瓶頸工序配置緩沖區(qū)并定期清理緩沖區(qū)工件的方法對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化。其生產(chǎn)流程如圖8所示:實(shí)線箭頭表示生產(chǎn)線的正常工作狀態(tài)，虛線表示將緩沖區(qū)內(nèi)積壓的工件運(yùn)送至其他機(jī)床進(jìn)行該工序加工以清理緩沖區(qū)內(nèi)積壓工件。為了避免緩沖區(qū)容量過大導(dǎo)致資源浪費(fèi)，清理周期采用1天(兩班)/次，將每天積壓工件運(yùn)送至特定存放區(qū)等待安排外部機(jī)床集中清理消化。同時(shí)，緩沖區(qū)內(nèi)應(yīng)能儲(chǔ)存上游工序每日工作后在瓶頸工序前所積累的工件，減少上游工序的堵塞；也應(yīng)使下游工序能夠同時(shí)消化掉緩沖區(qū)內(nèi)的工件，不會(huì)產(chǎn)生新的堵塞。

3.2 仿真配置與分析

為滿足3.1節(jié)所提出的緩沖區(qū)配置要求，需要對(duì)緩沖區(qū)C8、C28進(jìn)行重新配置。由遺傳優(yōu)化結(jié)果可知，C8、C28的容量分別為58和51，以此作為參考進(jìn)行拓展，令C8的容量在1～116間浮動(dòng)，C28的容量在1～102間浮動(dòng)。為減少仿真次數(shù)，以班產(chǎn)量為依據(jù)進(jìn)行測試，縮小兩個(gè)緩沖區(qū)的容量范圍。測試結(jié)果表明，C8的容量超過30(C28超過10)的時(shí)候，平均班產(chǎn)量便不再變動(dòng)，說明C8容量超過30后對(duì)生產(chǎn)線產(chǎn)出沒有提高，過多的容量反而會(huì)造成浪費(fèi)；當(dāng)C8容量小于11(C28小于1)的時(shí)候，班產(chǎn)量提高不明顯。所以，C8容量應(yīng)該在11～30之間，C28容量應(yīng)該在1～10。根據(jù)以上結(jié)果，以C8、C28容量作為變量，進(jìn)行二者的仿真配置優(yōu)化。仿真參數(shù)如表3所示。

表3 容量配置參數(shù)

仿真結(jié)果如圖9所示，隨著C8緩沖區(qū)容量的增長，生產(chǎn)線平均班產(chǎn)量呈現(xiàn)階梯狀變化，并且階梯到達(dá)第13階的時(shí)候，階梯高度不再增長。C28容量決定了每一階的變化，如第13階，C28容量達(dá)到7的時(shí)候平均班產(chǎn)量便不再變化。而且，從第8到第13階，班產(chǎn)量增長僅兩件，故 C8，C28 以(18，2)、(19，3)、(20，4)、(21，5)、(22，6)、(23，7)配置都是可行的，可靈活選擇不同的配置方式適應(yīng)不同的優(yōu)化需求。

考慮到在線下機(jī)床加工，工件的裝夾時(shí)間可能會(huì)多于線上的裝夾時(shí)間，本文采用為1-150工序配置容量為3的緩沖區(qū)(C28)，為2-100工序配置容量為19的緩沖區(qū)(C8)。將每天積壓的工件運(yùn)送至特定存放區(qū)后每兩周(10個(gè)工作日)安排外部機(jī)床進(jìn)行清理消化。對(duì)積壓工件進(jìn)行加工所需的時(shí)間T為:

T＝(19×245+3×228)×10÷3600＝14.8 h

這樣可以在保留一定時(shí)間裕量下為外部機(jī)床安排一個(gè)工作日(16 h)的時(shí)間進(jìn)行加工。運(yùn)行仿真模型達(dá)到穩(wěn)定后，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)線設(shè)備平均利用率從87.92%提高到90.93%，班產(chǎn)量從117件提高到128件。設(shè)備利用率與未優(yōu)化之前整體有了較大的提高(圖10)，而且瓶頸節(jié)點(diǎn)以后的機(jī)床利用率也有所提高。

4 結(jié)語

利用Plant Simulation軟件建立某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸體生產(chǎn)線仿真模型，分析生產(chǎn)線運(yùn)行過程中存在的問題，對(duì)生產(chǎn)線的緩沖區(qū)配置進(jìn)行了優(yōu)化，確定了緩沖區(qū)的最佳配置，為該生產(chǎn)線的優(yōu)化改進(jìn)提供了參考。研究結(jié)果表明:

(1)通過將遺傳算法與仿真配置相結(jié)合，可以有效解決緩沖區(qū)配置時(shí)產(chǎn)生的組合爆炸問題。

(2)采用只為瓶頸工序配置緩沖區(qū)，并安排外部機(jī)床定期集中清理緩沖區(qū)內(nèi)積壓的工件的優(yōu)化方案，可以使機(jī)床的平均利用率和生產(chǎn)線生產(chǎn)率分別提高3.4%和9.4%。