您的当前位置:首页正文

基于人机协同机制的动态作业调度系统研究

2024-05-23 来源:易榕旅网
基于人机协同机制的动态作业调度系统研究冰 余鹏飞 姜 康 曹文钢 (合肥工业大学机械与汽车S-程学院,安徽合肥230009) 摘要:针对离散制造业的单件、小批量生产的特点,根据企业的实际生产特点和需求,在分析车间动态调 度系统调度流程的基础上。设计了系统模块功能,构建了以生产批次为单位、拖期个数及生产周期 最小为目标的优化模型。采用先到先服务、优先级等规则对该调度模型的最优近似解进行求解。在 调度过程中,采用基于事件的调度策略,同时充分考虑到人在系统中的主观能动性。开发了基于人 机协同机制的动态作业车间调度系统。 关键词:人机协同机制;动态调度;调度管理系统;甘特图 中图分类号:F273;TH16 文献标识码:A DoI:10.19287/j.cnki.1005—2402.2016.12.025 Dynamic job scheduling system research based on man—machine coordinated mechanism YU Pengfei,JIANG Kang,CAO Wengang (School of Mechanical and Automotive Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,CHN) Abstract:Aimed at the characteristics of discrete manufacturing of single piece and small batch production,ac- cording to the characteristics and needs of actual production enterprises,the analysis of the workshop scheduling process design based on the dynamic scheduling system should have the function of the mod— ule.Build the batch for production units,the target of minimizing tardiness number and the production cycle optimization model,uses the first come first service,priority rules for the scheduling model to solve the optimal approximate solution.In the process of scheduling,the scheduling strategy based on e— vents,while fully considering the subjective initiative of people in the system,develop a dynamic job shop scheduling system based on man。.machine coordinated mechanism. Keywords:man—machine cooperation mechanism;dynamic scheduling;scheduling management system;Gantt chart 车间调度一直是企业车间管理的重点,良好的调 度系统对于缩短生产周期,减少拖期,优化生产有着重 往着眼于单方面优化,没有考虑人、原材料、设备、环境 等其他因素对生产调度的影响,这往往与生产实际过 程相差很大。针对生产过程的随机和不确定性以及资 源的约束的变化,邵新宇、饶运清等提出了一种动态优 化算法与手动调整结合的人机协同的动态调度机 要意义 。车间调度是对生产计划的补充和完善,贯 穿于企业的整个生产过程,是保证车间生产在动态实 时环境下能够高效运行的关键[2]。近些年来,越来越 多的专家学者热衷于研究车间调度问题,动态车间调 度问题尤为热点。在车间作业调度问题的研究中,刘 想德、张根保发现随着系统复杂度的增加,采用复杂的 优化调度技术是不明智的,系统的复杂性、随机性越 制 6 ,通过手动调节甘特图来进行排产,但是无法改 变设备的工作时间等其他相关因素。 在前人研究以及调研的基础上,根据生产实际和 企业需求,本文设计并开发了适合离散制造车间调度 需求的人机协同的动态作业车间调度系统。 大,采用的调度策略应该越简单,采用优先规则,是一 种可以选择的策略 ;Panwalkar和IskaDderl4 对各种 不同的规则进行了归纳和总结;Montazeri Metal等针 对实际的车间调度,列举了常见的20条规则,并分析 了这些规则对调度系统的影响 。然而这些研究往 1系统整体设计 1.1系统需求分析 生产调度是制造执行系统(MES)的重要组成部 国防基础科研重大项目(N0.AI120131044):国防技术基础项目(JSZI2014210BOO1) \~ ; ZU I O W- I£ 分,是车问生产管理的核心和关键技术。生产调度是 连接计划和生产的关键性活动。良好的生产调度系统 可以实时掌握生产动态,有效处理生产中的突发状况, 加工,任务集task={ , ,…, },其中,第 个任务 的工件个数为k ,第i个任务工件的工序集为task…. process={0 0 …,0汹}, 为该工件的工序数。每道 工序可以在多台不同的机床上加工,工序的加工时间随 机床的性能不同而变化,同时考虑生产过程中随机性、 以提高生产活动的柔性,确保生产的均衡和稳定。系 统除了应具有的基本调度功能外,还应该允许人员进 行计划的手动调整,具备信息反馈机制,可以沟通生产 相关的各个部门,有效应对突发事件。 1.2人机协同的调度机制 不确定因素,如设备故障、紧急插单等。调度的目标是 为各工序选择合适的机床task….process[『]_equip— 人机协同的动态调度机制的基本思想是在生产调 mertt ,确定每台机床上各工件工序的最佳加工顺序及 任务工序开工时间s 使得生产周期F和拖期个数Ⅳ 最小。 度过程中,调度员可依据知识经验对调度优化方案进 行手动调整和修改,以弥补调度优化算法中的不足,适 应复杂的动态生产环境。对于随机发生的突发事件, 首先考虑尽可能少地改变现行计划,通过调整调度因 素,如:优先级、设备工作13历等,借助甘特图等工具, 对现行计划进行手动调整。 1.3系统功能设计 该系统由系统管理、任务指派与过程监控、信息反 馈机制3个模块所组成。系统管理模块负责用户信息 的添加、修改、删除、权限,以及车间日历的制定;任务 指派与过程监控模块负责生产调度、任务指派、过程监 控、突发事件处理等;信息反馈机制模块协调生产活动 中信息的传递和反馈,如:报警、下达指令等。具体体 系结构如图1所示。 车间调度系统 系统管理l l任务指派与过程监控J I反馈机制 反 馈 信 息  II l l度 图1系统功能模块 图2系统搋程图 1.4系统流程设计 此外,还应满足以下约束: 在实际的生产环境中,生产过程的随机性和不确 定因素,各种突发事件频繁发生,完全依靠计算机的调 度往往不能满足实际需要,只有人的适当参与,将人的 (1)同一时刻同一台机床只能加工一个工件。 (2)同一任务同一工序的工件必须在同一台机床 上连续加工。 知识、经验与计算智能结合起来,以降低动态调度的复 杂性,才能保持生产的稳定性。综合考虑,本调度系统 应具有的主要流程如图2所示。 (3)任务之间相互独立。 (4)同一工件的工序之间有先后约束,不同工件 之间没有先后约束。 S =max{E ,EQ_一I} F=max{El,E2,…,E } (1) (3) 2调度模型 2.1 问题描述 E =min{EQ们+S ,EQ +S ,EQijm+Is } (2) 车间调度的问题可以描述为:假设车间有q台加 工设备,设备集M={m,,m ,…,m。},有P个任务需要 Ⅳ=f(n = 鲁 。 ㈩ UI口平帚 明 I其中:式(1)求解工序任务的计划开始时间Js ;E 。表 示该任务的上一道工序的计划结束时间;EQ 表示 该加工设备上一工序任务的结束时间;式(2)计算工 序任务在哪台机床上进行加工;E 表示工序任务计划 结束时间;EQiim表示第i个任务的第道工序在第m 台机床上的加工时间;式(3)用于确定生产周期F;E . Step3:建立任务集task『]和设备集equipment…并 进行初始化。 Step4:根据工艺文件和设备生产能力,确定各个 任务工序在每台机床的加工时间,对机床不能加工的 任务用极大值 表示,取M=l 000。 Step5:根据先到先服务和优先级等规则,进行自 动生产调度,并生成调度甘特图。 Step6:根据甘特图和调度的结果,查看是否满足 生产指标:若满足,生成派工单和加工单,指导生产;若 为第n个任务的计划结束时间;式(4)求解任务的拖 期个数N;D 表示第n个任务的交货期。 2.2调度规则选择及突发事件处理 为了使调度结果更满足生产实际,平衡各生产设 备的负荷,使拖期个数最小,生产周期较短,选择调度 规则如下: 不满足,手动调整调度因素,如:优先级、机床工作时间 等,返回Step5,直到满足生产指标。 2.4调度实例 (1)采用先到先服务和优先级相结合的方式进行 现将4个任务: 、 、 、 ,对应18个工件,17 道工序调度到6台机床:e 、e l、e 、e 、e一、e 5上进行 加工,每个任务的优先级及其工序任务的可选机床和 对应的加工时间如表1所示。其中,假设机床初始时 调度,先到先安排,对于同时到达的情况再考虑其优 先级 优先级= % 搿 (2)对于下一个任务工序的机床选择:选择加工 该任务工序结束时间最早的机床进行加工。 (3)如果有两个相邻工序任务在同一台机床上加 丁,而且优先级低的任务工序只能在该机床上加工,而 刻都处于空闲状态;“一”表示该工序任务不能在该机 床上进行加工;优先级信息由订单的交货期、标准工时 以及工件个数信息计算得;0。 表示任务 的第一道 工序任务。根据调度模型进行调度,可得到如表2和 表3所示的调度规划和图4所示的调度甘特图。表2 给出了整个车间任务的加工信息。表3给出了每台机 表1 车间任务的基本信息 加工时间/min 优先级高的可以在其他机床加工,在优先级高的不超 期的情况下,把这台机床分配给优先级低的任务工序, 如图3所示。 任务 工件数 工序 优先级 ea0 e口l eq2 e鼋3 e ̄4 eq5 O0l01 0ol【)2 2.8 2.8 10 8 12 l2 l5 6 12 劐 7,l 4 o0103 O0l叫 2.8 2.8 2.7 2.7 2.7 2.7 2.7 3.2 3.2 3.2 l6 12 10 l0 20 8 8 10 lO l6 12 l4 12 24 l8 32 l2 l5 l5 12 l6 l8 图3相邻工序任务调度特例 0o2ol 00202 5 00203 00204 002{】5 0o30I 5 003o2 0o ̄o3 (4)对于订单取消情况,停止本订单任务,移除该 订单信息,对车间未加工的任务工序重新调度。 (5)针对紧急插单的情况,根据插单任务的优先 级,把插单任务分配给机床进行加工。 (6)对于调度结果中拖期的工序,调度员手动调 整调度因素或重新调度。 l8 l4 13 l7 (7)对于设备出现故障情况,将正在加工的工序 转移至其它能够加工此任务的机床待其当前任务结束 后进行加_T。 0040l 0o4o2 4 00403 0o404 5.1 5.1 5.1 5.1 l0 l8 l2 18 14 l2 l6 l5 2.3调度步骤 Stepl:计划分批,细化为车间任务。 l2 l2 Step2:根据交货期、加工时间、工作时间、调度日 期,计算任务的优先级。 ・ 0 5.1 l6 20 120 ・ 床的派工信息。图4以甘特图的形式显示了每个任务 的每道工序的开始、结束时间以及该工序任务的加工 机床,供调度员参考。对于不满足生产指标的调度结 果,调度员可调节调度因子进行重新调度,如调整工序 (1)系统管理 系统管理模块包括用户管理和车间日历两部分。 用户管理,主要提供用户信息的维护,包括用户基本信 息的添加、修改、删除,权限授予,修改密码等;车间日 历,主要负责制定以及修改各生产车间的工作日历,是 作业车间生产调度和各车间的正常生产活动的基础。 该模块主要功能界面如图5所示。  l0101 i 0202{ 任务的优先级,调整瓶颈机床的工作日历等。对于生 产过程中的意外情况,该系统可通过信息反馈机制,把 相关信息反馈给车间管理人员或相关作业人员,以及 时对意外事故进行处理,并将处理结果信息反馈给管 理人员。 表2车间任务调度信息 时间/min , 10201 1  10102 0203} 0303 }0205 工序号 所用机床 加工 0010I lo2 00l03 Om04 是否超期 开始 0 40 64 lO4 l0301 1 0103 l 0204 1 0405 结束 40 64 l04 144 ‰1 04ol J 0302 1 0403}04O4 1 未超期 未超期 未超期 未超期 图4调度甘特图 eqO eq2 eq3 eq5 10 6 10 10 %l Io J.40  l0 『30}60’90 r120 rI50ll80}2lOl 240 i 270{300 0o20l 0o2o2 00203 0o2o4 0o205 0030I eql e棚 eql e e eq3 lO 10 8 l2 l8 l2 0 50 10O l4o 200 O 50 1oo 140 200 290 60 未超期 未超期 未超期 未超期 未超期 未超期 (2)任务指派与过程监控 任务指派和过程监控是该系统的核心模块,主要 包括计划管理、加工计划调度、加工计划审核、生产任 务派工和车间任务管理五个部分。车间计划管理,负 责接收主生产计划、对计划进行分批、追踪生产所需的 资源、处理突发事件等。加工计划调度是该模块的核 心功能,负责对分批的计划作为整体进行自动调度,生 成调度甘特图、调度因素的变更、调度结果的重新生 成、调度结果的审核管理、生产任务派工等。该模块主 要功能页面如图6和图7所示。 00302 0o3o3 0o4o1 Oo402 e口4 eq2 e口4 e l2 l5 12 l5 60 l2O 0 48 120 195 48 108 未超期 未超期 未超期 未超期 0o4o3 D0404 0040s e口4 eo4 eq3 12 l2 l6 l20 l68 2l6 168 2l6 280 未超期 未超期 未超期 (3)信息反馈机制 信息反馈机制负责是协调各模块之间的关系,沟 通各部门、人员,负责信息传递。 表3机床加工顺序 机床 eqo eql eq2 4 结语 本文依据人机协同机制的基本原理,在分析车间动 态调度系统的调度流程基础上,结合企业的实际需求, 设计并开发了人机协同的动态作业调度系统。首先,通 工序任务顺序 0010I--*002o2 0020I—+D0203 00l02 003o3--*00205 开始时¥ ̄/min 结束时刻/min O O 40 loo l40 290 过对订单的分批操作,将处理后的小批量作为整体,以 生产批次为单位,拖期个数和生产周期最少为目标,采 用优先级、先到先服务等规则,进行车间自动调度。然 后,依据人的知识经验,参照甘特图,对调度方案进行调 整。对于生产过程中的突发事件,采用基于事件的策 略,通过警报机制将突发事件和管理人员建立联系,对 车间任务进行重新调度。本系统采用人机协同的机制, eq3 0o30I—+D Dl03-*0o2o4--+0o4os eq4 0o4oI--"0o32-o--'0o4o3—+0O404 0 O 280 216 eq5 0o4o2--*0Ol04 48 148 3 系统原型 本文中设计的生产调度系统采用B/S结构体系, 利用Java技术,在Eclipse平台上开发出适应于离散制 造企业的调度系统。 :.将调度过程不易通过算法优化的问题,通过人的经验予 以弥补,更符合动态作业车间调度的需求实际。 ’ ZU ID l‘ 等 ●柚口,嘲舞=[婀,甩I咱|I.葭固_翱嗽 q嗍 曲约蝴聊啪嗣嘲 口 10惦t飞 舅 100Q ̄|OOQ61生产哪tt,tm 图5系统管理 分黻§—单,计捌醴●童回订■瑚‘t≮嗍- 2015-12— 鹏貅铺煳旧膏砷'}1 3 口  。血≈堍毫:枞娜蜘明 t 妇 蛙黜 % 柏珊明 ■姒 1团' 2oo’dI.|I 鼬 ●2o1 Ⅻ 分蚍 喊 蕃哪 臼I II脯4蝴 :’Ⅻ2。o1 哪井暂 口  -一 嗍拙棚噱16012001种一 :什错每t铺们2oo1 口 ,期I,■煳_● }曩甘 枘: 9 jB 艋 缃1 ̄120011 洲■# :d--. : 删嗍r 肭:蝴 }8 【墟 :50 ̄m'5Ocm i e{I 1 竞足 糕 =一一一~ . —1(1@120@12 n黼 t■:0嘲:2 ̄5-12-Tt 嵌库寡●粤:埔d.嘲-  蝇: 』l 一图6车间计划管理 瞳,固●嘲・‘tin-ram 0堆蚓嘲黼vf菇■日嗣: v聃 j瑚 盎l朝陬帆虹1 口1 n 懈一… 啪l5o1∞0'D' —~■哪~  口{t 日i— 鼢 龇 建龋■童工时,蝴 雌位嫩拜蝌秘 1501C ̄01  ̄lVlinl ! 0一 z_■脯_即 ■ _龇。 ■_l《 ●● 哪 嘲 一 ~ ●捆 ■ 啊”●■■_ ∞●埔●■ ∞■肿t■ ■ ■●啊_●-”I'I ■■- _^ ■_ ●晰 ¨ ,● ∞帅● ¨●- ●- q●■●哪 ●一 ●■_—●■_ ●埘 ●■ _. *¨'.●■Hr_ '. |.■晴t■ 挣I,1.■∞ ■●●一一tH _'mI …m‘ ●_ ■憎坩●■●- ●_ —●●—●_—一●■一 蚺●●■●■—●●●一 ——■l ●咐 ●蛳 l, '7 _ -I ・‘ ≯ H ■ ¨I __●-●_●-●-     》 m t it●t ■ _q”I2n,∞m¨ ●崩 ,n噜.”- * t.t∞ ∞ m■∞ ∞Ia.'一● ■■…■●t I., r”●t■ 图7加工计划调度 参考文献 …-Intemationa]Journal ̄Produet Researth, 986,13(5):533— 49 [6]邵新宇,饶运清.制造系统运行优化理论与方法[M].北京:科学出 版社,2010:78. [1]MESA Internationa1.The benefits of MES:a report from the ifeld[R]. MESA International White Paper Numberl,1997. [2]喻道远,刘子义.单件小批量生产的车间作业调度研究[J].现代制 造工程,2007(2):61—63. 第一作者:余鹏飞,男,1990年生,硕士,研究方向 为企业数字化管理与管理可视化。 [3]刘想德,张根保.柔性作业车间动态调度方法研究[J].机械设计与 制造,2014(5):243—245. [4]Panwalker S S,lskander W A.A survey of scheduling[J].Operations Research,1977,25(1):45—61. (编辑文章编号:161233 李静) (收稿日期:2016—05—24) 如果您想发裹对本文的看法,请将文章编号填入读者意见调蠢裹中的相应位置。 [5]Momazeri M,Van Wassehove L N.Analysis of scheduling rules of 8Il FMS ・知识窗・ 开环进给伺服系统是数控机床中最简单的伺服系统,执行元件一般为步进电机,开环控制系统没有位置检测元件,伺服驱动 部件通常为反应式步进电动机或混合式伺服步进电动机。数控系统每发出一个进给指令脉冲,经驱动电路功率放大后,驱动步进 电动机旋转一个角度,再经传动机构带动工作台移动。这类系统信息流是单向的,即进给脉冲发出去以后,实际移动值不再反馈回 来,所以称为开环控制。 ・ l22 ・ ;;妒 .2016 毕 72 研 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容