毕业设计（论文）-车间作业变批量调度优化研究.doc

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羄节蒄螈肇蒇莀袇腿芀虿袆衿肃薅袅羁芈薁袄膃肁蒇袄袃莇莃袃羅腿蚁袂肈莅薇袁膀膈蒃羀袀莃荿罿羂膆蚈羈肄莁蚄羈芇膄薀羇羆蒀蒆薃聿芃莂薂膁蒈蚀薂袀芁薆蚁羃蒆蒂蚀肅艿莈虿膇肂螇蚈羇芇蚃蚇聿膀蕿蚆膂莆蒅蚆袁腿莁蚅 沈阳建筑大学毕业论文毕 业 论 文 题 目 车间作业变批量调度优化研究 学院专业班级 学 生 姓 名 性别 指 导 教 师 职称 2012年6月14日摘 要随着市场经济的发展，市场竞争日趋激烈，多品种、小批量生产方式已经逐渐成为制造业的发展主流。因此，为了适应日益激烈的市场竞争，就要求制造企业能够合理安排工序，高效利用生产资源，降低生产成本。研究变批量调度的优化方法，对于制造业的现代化具有重要的理论价值和实际意义。本文介绍了作业车间调度的概念及其发展过程、研究背景和发展趋势；对车间调度的各种研究方法进行了简要的介绍和比较；对Job-Shop批量调度问题进行了研究并做了详细阐述。对Job-Shop调度过程中的变批量调度与传统调度进行研究比较；并基于eM-Plant软件，建立以生产周期为优化目标和以提前、拖期惩罚费用以及与生产周期相关的生产线运行费用之和为优化目标的不同的仿真模型；通过实例仿真，比较两种方案的优劣，证明变批量调度在Job-Shop调度中的作用。关键字：作业车间；批量调度；变批量；仿真AbstractWith the development of market economy , market competition becomes increasingly fierce , variety and small batch production mode has become the main way of manufacturing gradually . In order to adapt to the increasingly fierce competition in the market , manufacture enterprises should be asked to range sequences rationally , take advantage of resource efficiently , shorten time limit for a project and reduce the cost of producing . The study of optimization method for batch scheduling is very important to modernization of advanced manufacturing because of its theoretical and practical significance .The conception , development and the main researches in current and in the future of job shop scheduling are introduces ; some research methods are introduced and compared ; Study the Job-shop batch scheduling problem and do a detailed description .Study the lot splitting scheduling and the non-lot splitting scheduling in the process of the Job-Shop Scheduling , and compare them ; based on eM-Plant software , set up different simulation models with production cycle as optimized object and with the sum of the punish costs of abvance and tardiness and the operation costs of production line which related to production cycle as optimized object ; through the simulation to compare the two scheme of the pros and cons , to prove the role of lot splitting scheduling in job-shop scheduling .Key words: Job-shop ; batch sheduling ; lot splitting ; simulation目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 绪论11.1选题背景及研究意义11.1.1 选题背景11.1.2研究意义21.2 车间调度问题概述31.3 变批量调度问题31.4 本文研究的主要内容4第二章 车间作业变批量调度问题研究62.1 引言62.1.1 变批量调度基本概念的介绍62.1.2 变批量调度问题的提出62.2 变批量调度问题的描述及其分类72.2.1 变批量调度问题的描述72.2.2 变批量调度问题的分类72.3 变批量调度与传统调度的比较82.3.1 传统调度问题描述82.3.2 传统调度方法的一般假设条件82.3.3变批量调度问题的一般假设条件92.3.4 变批量调度与传统调度比较92.4 变批量调度模型建立102.5 变批量调度研究现状12第三章 车间作业变批量调度算法研究143.1 区分批次准备时间和工件加工时间143.2 分批策略153.2.1 分批基本理论153.2.2 批量大小与生产周期的关系163.2.3 本文分批策略的选择173.3 eM-Plant仿真方法分析183.3.1 遗传算法的应用分析183.3.2 仿真方法的应用分析193.3.3 运用eM-Plant进行仿真的基本思想193.4 零件投产顺序203.5 缓冲区中的零件加工顺序20第四章 车间作业变批量调度仿真224.1 仿真实例总体方案224.1.1 仿真流程224.1.2 主要步骤234.2 仿真软件介绍234.3 仿真模型基本元素244.4 仿真优化模块264.5 仿真实例284.5.1 实例1284.5.2 实例2394.5.3 仿真结论43第五章 总结与展望445.1 全文总结445.2 车间调度存在的问题与研究展望445.2.1 车间调度目前存在的问题445.2.2 研究展望46附录 Method中SimTalk代码47参考文献51致 谢52附录 外文翻译附录 外文原文V沈阳建筑大学毕业论文第一章 绪论1.1选题背景及研究意义1.1.1 选题背景制造业是国民经济的基础，是国家经济实力的重要体现。制造业的水平先进与否，既是国家科技实力的体现，也是促使科学技术发展的强大动力。而科技的进步既为制造业的发展带来了机遇，也加剧了制造业的竞争，企业必须在竞争中求生存、在竞争中求发展。企业要在现时的环境中立于不败之地，缩短产品上市的时间、提高产品质量以及降低产品的成本无疑是企业成功的必由之路，要实现这些目的，不仅要提高企业以及车间的管理水平，同时也要提高生产过程中计划、调度以及决策的水平。自从20世纪90年代开始，随着信息化和全球化的迅速发展以及人们生活水平的提高，全球的市场环境发生了巨大的变化，市场表现出了不同于工业经济时代的特征：（1）技术的迅猛发展和经济全球化导致了市场竞争程度空前激烈，以顾客需求为中心的买方市场正在取代以企业生产能力为中心的卖方市场。（2）顾客的价值观念发生了根本变化，随着基本物质生活需求得到了满足，人们的需求日趋主体化、个性化和多样化（需求异质性），表现为不断衍生出新的需求市场，为企业带来新的市场机遇。（3）顾客需求的多变性，即顾客需求的迅速变化。表现为企业产品生命周期的迅速缩短，产品交货期成为竞争的第一要素，市场风险空前增加，企业面临一个迅速变化且难以预测的买方市场。在这样的市场环境下，传统的大批量制造模式与变化的市场需求不适应问题日益突出，面临着巨大的挑战，主要表现在一下三方面：第一，在知识经济时代，情况发生了根本变化，由于顾客需求的多样化、个性化特征及产品生命周期的缩短，企业必须密切关注市场，随时掌握市场需求的变化，把握市场机会，充分利用各种资源，不断进行制造资源配置方式的调整和产品创新。第二，在知识经济时代，随着国内市场的国际化，市场竞争日益激烈，市场需求变化更加迅速，生产周期、交货期等时间因素成为影响企业获取新竞争能力的关键因素，因此企业必须具备快速准时交货和相应市场变化的能力，不断提高企业的竞争能力。第三，进入知识经济时代，需求的多样化和多变性使制造企业不能再将顾客当作整体来对待，而要把顾客当做不同个体，使得企业必须经常调整产品种类适应市场，最主要的是企业不能仅根据市场已有的产品种类进行生产，而必须不断地进行产品与市场创新，满足顾客需求，甚至引导需求，实现企业从技术推动向市场牵引的转变。这使得原来的生产制造模式已经难以适应这种市场环境的变化，从而要求企业能有更先进的调度和控制策略来优化整个车间的生产过程以适应市场的变化，从而提高企业的竞争力。生产调度是制造系统生产管理的核心，生产管理任务顺利实施与完成，最终要靠合理地车间调度来保证。生产调度研究的是如何合理配置加工过程的各种资源，减少零件的加工准备、等待与传送时间，从而提高设备利用率与生产效率，降低生产成本。车间调度对任务的交货时间、各项生产任务的生产周期、设备利用率和在制品占有率都有影响。因此，及时准确的车间调度对生产系统的高效运行有着重要的影响，主要表现在：生产计划的有效实施；高效低耗地使用生产资源；均衡生产及准时生产，减少在制品的资金占用。所以，车间调度是制造业生产种最活跃和生产系统研究的前沿问题之一。1.1.2研究意义据国际生产与研究工程协会对欧美等工业国家的调查统计表明：在机械制造中就产品的产量而言，多品种小批量（约50-1000件以下）生产占50%左右，就产值而言占60%左右。进一步调查多品种小批量生产中的材料和工件在车间总时间分配现状可知：制造过程95%的时间消耗在非加工过程中。可见批量生产尤其是中小批量生产已经成为当今生产车间中比较重要的一种生产方式。在线代经济环境下，随着市场的多变以及市场对产品个性化的需求，多品种、小批量生产方式已经逐渐成为制造业的发展主流，车间生产中多品种小批量生产的产量和产值还会进一步的增大。车间批量调度在先进制造系统的生产实际中具有普遍性。车间优化调度问题尤其是批量调度技术关系到企业的生存和前途。有效地调度方法与优化技术的研究和应用已经成为先进制造技术实践的基础和关键。研究车间批量调度的优化方法，不仅可以促使调度理论发展，而且对于企业提高生产效率和生产能力，降低生产成本有着重要的意义。1.2 车间调度问题概述所谓调度，就是在满足某些约束（比如作业的先后关系、预定的交货期、最早开始时间和资源限制等）的条件下对作业进行的排序，按照所排好的次序给它们分配资源和时间，使得某个或某些目标（如生产周期、生产费用等）达到最优。车间调度问题是调度问题的一个子集，实际上是一个资源分配问题，主要是指设备资源分配，问题的求解目标主要是找到一个可以使作业能“最优”完成的方案。通常情况下，车间调度问题约束的数目非常大，就使得该问题成为一个NP-hard问题。车间调度问题一般可以描述为：生产车间有M台机床，生产N种工件，每种工件有Ni个，每种工件都有多道工序，每道工序可以在多台性能不同的机床上加工。调度的目标是将作业合理地安排到各机床以及合理地使用其它生产资源，并且合理安排作业的加工次序和加工时间，使约束条件被满足，同时优化一些生产性能指标。之所以会出现车间调度问题，主要是因为生产资源受到了限制而形成的。有N个不同的工件，就至少有N条不同的工艺加工路线，如果有足够多的机床设备和其它生产资源分配给每条工艺加工路线，即每一道工序独立占用一台机床设备和相应的生产资源，那么一切都会井然有序，也就不存在调度问题。但是，这样势必会造成资源浪费，增加生产成本。于是出现了工件和相应的工序数量多余机床设备和其它生产资源的情况，车间调度问题也就自然而然的出现了。1.3 变批量调度问题在传统的调度问题中，被加工的产品或工件是不可分割的，尽管其中可以或可能包含若干个子工件。只有在一台机器上被加工产品或工件整体加工完成以后，才可以整体转运到下一台机器加工。为了缩短加工周期， Reiter于1966年首次提出单一产品的Lot Strearning问题。与传统调度不同的是，Lot Streaming是把一个被加工的产品批量划分为若干个子批量(sublot)，按子批量分别组织加工和工序间的运输，当在一台机器上一个子批量加工完成以后，而且相继机器空闲，这个子批量无须等待其余子批量在此机器上的加工完成，就可以直接转运到下台机器上进行加工，亦即采取平行加工的方式，允许同一产品加工的相继操作在时间上部分重叠。充分利用了加工机器和加工时间，达到提高生产效率的目的。Lot Streaming问题属于NP难问题。Kalir和Sarin介绍了在流水车间中应用Lot Streaming调度方法后所带来的一些益处，包括:1.采用Lot Streaming 调度方法使Cmax大大缩小，缩短生产实践，从而缩短交货期。2.减少工件进程中的库存，减少相关的库存费用。3.减少中间存储和空间需求。4.减少了工件对机器加工能力的需求。2和3 主要体现在:当交货期相同的情况下，采用Lot Streaming调度方法，存储材料所需工作进程中的库存和中间存储空间比传统凋度方法要小，因此也就降低了相关的库存费用和空间需求。4 主要体现在:当交货期相同的情况下，加工相同的工件，采用Lot Streaming调度方法比传统调度方法所需要的机器加工能力要小。总之，在调度中采用Lot Streaming调度方法，能够缩短生产时间从而缩短交货期，提高固定资产的利用率从而降低成本，提高生产能力，提高生产率，提高竞争力，强化服务。1.4 本文研究的主要内容第一章 绪论 阐述了选题背景与研究意义；阐述了车间调度的基本概念；简单介绍了变批量调度，并与传统调度进行了比较。第二章 车间作业变批量调度问题研究 对变批量调度问题进行了描述，简单介绍了其分类；与传统调度进行了比较详细的比较，分析并建立了相应的数学模型；最后对其研究现状进行了简单介绍。第三章 车间作业变批量调度算法研究 对批次准备时间与工件加工时间进行了区分；对变批量调度的分批策略进行了研究；对仿真方法的几个关键问题进行了分析介绍。第四章 车间作业变批量调度仿真 介绍了仿真的总体方案与步骤；对仿真软件进行了简单的介绍；利用仿真软件建立仿真模型，通过实例来说明变批量调度算法的可行性。第五章 总结与展望 总结了本文完成的各项工作，并提出了未来研究过程中需要改进与学习的地方。第二章 车间作业变批量调度问题研究2.1 引言2.1.1 变批量调度基本概念的介绍在介绍变批量类型之前，首先介绍几个基本概念:一致子批量、可变子批量、不允许混排、混排。一致子批量( consistent):如果一个产品的一个子批量的大小在各加工工序保持不变，则称为一致子批量，即一个子批量的大小在所有加工机器上都是相同的。可变子批量(variable):和一致子批量相反，如果一个产品的一个子批量的大小在各加工工序是变化的，称它为可变子批量.即一个子批量的大小在各机器上是不相同的。不允许混排:一旦一个产品的一个子批量在机器上进行加工，这个产品的所有子批量要连续加工，不允许分散加工，直到这个产品的所有子批量都加工完，才能加工其它产品的子批量。混排:在加工一个产品的各个子批量之间允许加工其它产品的子批量，也就是允许一个产品的子批量不必连续加工，可以是分散加工的。2.1.2 变批量调度问题的提出单批量的变批量调度问题有Resiter（1966）首次定义，即一个生产批量包含Q个相同的单元，需在m台机器上依次生产，每一单元在机器i上的加工时间为pi，在相继机器i、i+1间存在n次转运，因此Q个单元在机器i上分成n个子批量来生产，每完成一个子批量即转运至机器i+1，令Lij表示机器i上第j个子批量中的单元数，则，对同一j，若Lij=L1j，i=2,3，m，称一致子批量（用C表示），否则称可变子批量（用V表示）。问题是要寻找一组适当的Lij，i=1,2，m；j=1,2，n，使第一台机器上开始调整以便加工第一个单元到最后一台机器上加工完最后一个单元止所用的时间Cmax最小。2.2 变批量调度问题的描述及其分类2.2.1 变批量调度问题的描述Job-shop的变批量调度可描述如下：m台设备，k种零件，每种零件的需求数量包含多个，零件的交货期确定，每种零件包含s道工序，能加工某一工序的机床有多台，工序的加工时间随机床的不同而变化。变批量调度的目的是确定每种零件的批次数量、每个批次的批量大小、每种工件各个批次的投产顺序这三者的最佳组合，从而满足特定的优化目标。在经典作业调度问题研究中，由于没有过多的考虑批量因素，因此很多关于辅助时间的限制条件可以进行忽略，然而在变批量调度中引入批次的影响后这些限制条件需要重新考虑。当零件分成多个批次后，实际生产过程中零件的运输、装卸以及刀具、夹具的安装调整时间相比经典作业调度而言将显著增加，这部分时间在变批量调度中不可进行忽略。这些加工以外的时间我们可以统称为生产辅助时间。总而言之，生产辅助时间可以分为两类：一类是与单个工件相关的辅助时间，包括工件的装、卸时间；另一类是与工件单个批次相关的时间，包括刀、夹具的安装以及机床的调整，这类时间每个批次只需要一次，称为批次辅助时间。对于第一类与单个工