基于约束理论的车间调度仿真系统研究与设计

基于约束理论的车间调度仿真系统研究与设计调度是制造领域的一个关键问题，好的调度能够有效地提高设备利用率、缩短生产周期、降低库存和生产成本。现有的车间调度系统由于缺少企业底层的历史数据和实时数据的支持以及对企业实际生产过程中的现场管理，都存在明显的局限性。为了解决不同的调度问题，人们研究使用了各种调度方法。从目前的研究现状来说，主要有数学规划法、离散事件仿真法、规则调度方法、人工智能方法以及近年来出现的许多新的优化方法，如神经网络法等。本文基于约束理论和Witness仿真软件，探讨并建立了优化的制造企业车间调度仿真系统。该系统具有重要的理论意义和实用价值。1.约束理论概述约束理论Toc(theoryofconstraints)是以色列物理学家高德拉特于上世纪80年代中期在他的最优生产技术(OPT)基础上创立和发展起来的。它的基本观点是：一个企业的目标是在当前或今后获取最大的利润，而约束(也叫瓶颈)就是妨碍企业实现整体目标的因素。通过不断识别和消除这些“约束”，从而帮助企业更有效地实现其目标。而它的计划与控制是通过DBR系统，即“鼓(Drum)一缓冲(Buffer)一绳子(Rope)”系统实现。DBR调度系统的基本思路是：先通过对瓶颈进行识别与控制；然后通过缓冲保护瓶颈不受系统随机波动的影响，运用绳子的机制控制物料的投入，使投料与瓶颈同步，从而达到提高系统产出、降低库存和营运费用，最终提高系统产出率的目的。DBR具体分为以下4个基本步骤。⑴确定系统的瓶颈。根据现有文献，对于瓶颈的识别，一般采用排程周期内平均产能负荷比最高者作为瓶颈资源。⑵设定缓冲大小。考虑到生产过程中的不确定性，应在瓶颈资源前设置缓冲以确保瓶颈资源的高利用率，而对于其大小设置，Radovisky认为缓冲时间应包含加工时间与准备时间、系统不稳定缓冲时间与负荷高峰缓冲时间。在实际应用中，对于具体的情况，又可以分别设置3种不同的保护缓冲，即瓶颈缓冲、装配缓冲和出货缓冲。⑶详细排程瓶颈资源上的作业，是使瓶颈资源利用率实现最大化。由于各个任务的工艺不同，各任务在瓶颈资源后的剩余加工时间不同，会遇到瓶颈资源争用的问题。因此，解决不同任务争用瓶颈资源的问题也就是解决相互冲突的任务之间的排序问题。⑷安排非瓶颈资源作业顺序、设定投料时间。根据约束理论，非瓶颈资源的作业计划应使其与瓶颈资源同步，而不是使其利用率最大化。基本的做法就是前拉后推，即对于瓶颈之前的非瓶颈工序，在设置一定的瓶颈缓冲前提下，利用绳子的机制来控制投料拉动生产，针对随后的非瓶颈作业则可以利用转运批量来推动其作业的执行。2.车间调度仿真系统的总体结构开发车间调度与仿真系统的总体目标是辅助管理人员进行生产调度管理，动态地预测车间的瓶颈设备，并生成可行的调度方案。保证与底层车间控制系统的紧密配合，数据共享以达到使仿真更接近真实程度，从而根据不同用户的不同调度指标给出最优或者接近最优的调度方案。车间调度仿真系统主要由瓶颈识别、车间建模、基于仿真规则的车间调度模块和决策规则库组成，其体系结构如图1所示。2.1基于仿真的瓶颈识别现有的瓶颈识别方法主要是通过比较负荷产能比的大小来实现的，这是一种静态的识别方法。采用此方法没有考虑实际生产过程中机器设备在加工不同的产品时所需要的生产准备时间(如工装夹具更换和设备调整时间等)，也没有考虑生产过程中在不同的调度策略和优先顺序下设备出现等待的情况。这样得出的系统瓶颈不一定就是实际生产过程中的瓶颈。而且，在当前多品种小批量的生产方式下，产品品种计划的组合以及制造系统存在随机性，造成生产系统的瓶颈资源动态漂移，使得上述静态的瓶颈识别方法变得不可行。即无法正确地识别系统的瓶颈，无法用DBR的生产计划与控制方法来正确有效地指导生产，无法对生产过程进行计划与控制。考虑到当前瓶颈识别方法存在的问题，我们根据生产系统的能力数据、工艺流程数据和特定的订单组合，利用Witness仿真软件，建立系统的仿真模型哺1，并引入制造系统随机参数(如任务到达方式、执行时间、生产准备时间等)，从而为瓶颈识别建立基础。通过仿真运行，计算各个资源的负荷、忙闲率，以确定系统在当前任务组合下的瓶颈资源。由于仿真模型中考虑了系统的随机性特征，因而，瓶颈识别更符合实际。然而目前国内外关于瓶颈的研究还不够深入，大部分仅局限于单瓶颈的静态识别。因此，需要进一步研究有以下2个问题：①多瓶颈的识别，考虑多瓶颈之间的关系，整体建模，统一识别；②根据生产系统的实际情况，动态识别系统中新的瓶颈，这是系统走向实际应用的关键。2.2车间建模车间生产建模是车间调度与仿真系统的基础，针对多品种小批量的生产方式，其特点是车间设备多、加工方式不同、产品种类多、加工批量小以及存在大量不确定性事件。因此，构建车间模型库必须考虑生产中离散特征及动态特性，满足车间生产的复杂性、动态性、随机性和多约束性等特征，且能够反映系统的状态变化过程和动态行为，并根据实际情况不断加以补充完善。2.3基于仿真规则的调度模块鉴于实际情况，我们采用基于仿真规则的调度方法。事件驱动是离散事件动态系统的特点。系统在仿真开始时，通过车间控制系统采集到生产线的当前数据作为仿真系统的初始状态，生产系统的状态只有在事件发生时才改变。当一个工序发生时，要调用决策规则库的调度规则进行资源的分配和系统状态的评价，再利用优化算法根据车间的资源状态得到较优的调度结果。2.4决策规则库决策规则库包含许多调度优先规则和优化算法。不同的调度目标对应不同的调度规则。在仿真系统的运行过程中，根据车间的当前状态和用户指定的调度指标，通过推理，选择一条合适的优先规则。优先规则是规则调度最常用的一类决策规则，对调度结果的影响也最大，对优先规则作出合适的选择，能够明显提高整个车间的生产性能，决策库包含了常用的优先规则，如先到先服务(FCFS)、最短加工时间优先(SPT)、最短剩余加工时间优先(LWR)、订单交货期最早优先(EDD)和随机选择规则(Random)等。3.车间调度与仿真系统功能模块根据以上分析，我们研究的车间调度与仿真系统按实现功能的不同，主要由9个模块组成，如图2所示。⑴人机接口模块是用户与系统交互通信的主界面。通过人机接口，用户可以根据实际情况选择仿真运行使用的车间模型、调度规则、设定仿真运行时间等条件，且可以更新车间生产模型的状态及工艺信息。⑵瓶颈识别模块根据底层车间控制系统采集的实时数据信息，通过仿真，动态识别系统瓶颈并进行作业排序，为车间生产建模提供依据。⑶车间生产建模模块即企业车间生产模型。它能按工序相似性进行功能区划分，并在所建立的车间生产模型中，将现有产品组合的加工流程表示成计算机能识别的数据结构。⑷决策规则模块包含了车间生产模型进行仿真运行使用的优先调度规则和优化算法。如先到达者优先、订单交货期最早者优先和当前工序加工时间最短者优先等。⑸仿真模块根据选取的车间调度规则和车间生产模型并利用Witness仿真软件进行仿真。其主要功能是在设定的仿真运行时间内，统计分析车间生产系统运行情况的各项性能指标、设备的复杂情况以及各设备完成工件加工任务所需的相关数据。⑹仿真结果生成模块根据仿真运行时间段内相关数据，生成各设备的甘特图及车问调度系统的各项常用性能指标(如总移动量、在制品WIP、移动速率、设备利用率、生产率等)，为调度结果提供依据。⑺评价模块是按双方认可的标准对调度仿真结果进行综合评价的模块。由于仿真结果表现为各设备的甘特图及各种性能指标，而通过多种多样的性能指标很难确定某一具体调度策略是最优的。因此，双方应对调度结果评价的标准达成一致，确定一种具体的评价标准，从而找到某段时间内的最优或者接近最优的调度策略。优化的调度结果可为管理者提供实际的投料及调度指导。⑻数据处理模块的功能是对仿真结果进行处理。将仿真结果存储到车间数据库中或从数据库中提取数据对仿真结果进行综合评价，或者与车间控制系统进行交流，获取车间现场实时信息及工艺信息。⑼车间数据库模块提供数据存取功能，主要包括从车间控制系统中提取的车间状态、产品、工艺等方面的数据信息以及车间调度与仿真系统相关的数据信息。信息来源：《自动化仪表》第30卷第5期2009年5月