（机械制造及其自动化专业论文）基于约束规划与slp的rms设备布局研究及应用.pdf

本学位论 授权北京交通 并采用影印、 家有关部门或 ( 保密的 学位论文 签字日期 ， ，一1 中图分类号：t p 3 9 1 9 u d c ：6 2 9 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 基于约束规划与s l p 的r m s 设备布局研究及应用 r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fr m s f a c i l i t i e sl a y o u tb a s e do n c o n s t r a i n tp r o g r a m m i n ga n ds l p 作者姓名：谢芳 导师姓名：刘阶萍 学位类别：工学 学号：0 8 1 2 1 7 9 7 职称：副教授 学位级别：硕士 学科专业：机械制造及其自动化研究方向：先进制造过程及系统 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 广l 1 致谢 本论文的工作是在我的导师刘阶萍副教授指导下完成的。导师厚实的理论基 础，指导着我各方面专业理论的学习和掌握；导师高屋建瓴的工作方法，指引着 我论文工作的研究方向；导师严谨的治学态度，促使我认真严肃地设计算法、绘 制图表、编写程序、撰写论文。导师不遗余力的谆谆教诲，不仅保证了课题的顺 利完成，而且进一步巩固和提高了我的理论水平和科研能力，这为我今后的工作 和学习奠定了良好的基础。在此衷心感谢刘阶萍老师对我的关心和指导。 本论文编写之前，马丽梅学姐和陈彦飞学姐在r a m s 的理论研究与实践方面 作了很多工作，为本课题的顺利开展提供了重要参考和帮助，对她们表示衷心的 感谢。 感谢北京营智优化科技有限公司为本课题的研究提供项目背景、必要资料和 先进技术；感谢公司给我实习的机会和不厌其烦的教导。 感谢朱晓敏老师、王恒老师等在我学习期间给予的支持和帮助。 最后要感谢我的父母和亲人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成学 业。 再次向所有关心、支持和帮助过我的人们表示衷心的感谢，并致以深深的敬 意! r l ， 1 l 中文摘要 中文摘要 摘要：可重构制造系统r m s 是一种能通过系统内部自身变化来快速响应外部市 场需求变化的可变制造系统，尤其适用于中小批量变品种混流混批生产企业。在 建设r m s 必须解决的多项关键技术中，r m s 设备布局规划设计对运作管理及车 间生产至为重要。r a m s 的快速可重构性意味着其设备布局问题不同于传统的布局 问题，如何在较短时间内制定合理的布局重构方案并将之快速实现是r m s 设备 布局问题研究的重点。该技术一旦得到质的突破，便可改进制造系统，为产品并 行设计提供可能；能通过重复利用已有或闲置的设备，降低制造系统投资；能使 企业具有全面灵活的制造策略和开放性，实现快速生产，提高客户的满意程度。 因而研究r m s 设备布局技术具有较大的实际意义。 本文以成都某典型离散制造企业的可重构制造执行系统r m e s 开发项目为背 景，展开了基于该项目的r m s 设备布局规划研究。主要工作内容可概括为以下 几个方面：首先通过对r i m s 及r m s 设备布局问题相关概念、内涵和国内外研究 现状的分析，总结出r _ m s 设备布局问题的特点、关键技术及问题研究的可行步 骤，并提出了基于计算机辅助和软件平台支持的先分块求解后集成应用的研究方 法。其次根据既定方法和步骤，依次解决了r a m s 设备布局技术中的三个关键问 题：基于约束规划理论并采用自然约束语言与启发式搜索技术对布局初期的生产 计划制定与优化问题进行建模与求解；采用系统设施布置方法与计算机辅助布置 软件对新车间设备优化布局方案进行设计、仿真与评估；基于约束规划理论对周 期间设备布局重构实现问题进行建模、求解与仿真。同时，及时应用各子问题研 究成果对课题涉及的项目进行实例应用与分析，证明各子问题研究结果的可行性。 最后，基于现实应用的需要，设计了集成各功能模块的r m s 设备布局优化系统， 实现可视化显示与二次优化功能。结论部分总结了全文工作的主要内容，讨论了 一些不足和今后应该进一步开展的工作。图4 9 幅，表1 8 个，参考文献5 5 篇。 关键词：可重构制造系统；设备布局；约束规划；约束满足问题；系统设施布置 分类号：t p 3 9 1 9 r l i 1， a bs t r a c t a b s t r a c t ：r e c o n f i g u r a b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ( r m s ) i sat y p eo fv a r i a b l e m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，w h i c hi sc o s t - e f f e c t i v e a n dq u i c kr e s p o n s i v et ou n p r e d i c t a b l e m a r k e tc h a n g e sb yr e c o n f i g u r i n gi t si n t e r n a lc o m p o n e n t s i t se s p e c i a l l ya p p l i c a b l et o t h o s ee n t e r p r i s e sw h o s ep r o d u c t i o nm o d e l sa r es m a l lb a t c h ，m u l t i t y p e ，m i x e df l o wa n d b a t c h t h ef a c i l i t i e sl a y o u tp l a n n i n ga n dd e s i g n i n g i sak e yt e c h n o l o g yi n t h e c o n s t r u c t i o no fr m s i t sv e r yi m p o r t a n tt oo p e r a t i o nm a n a g e m e n ta n dw o r k s h o p p r o 出l c t i o n t h er a p i dr e c o n f l g u r a b i l i t yo fr m s m e a n si t sf a c i l i t i e sl a y o u tp r o b l e mi s d i f f 打e n tf r o mt r a d i t i o n a ll a y o u tp r o b l e m t h ek e yp o i n tt or e s e a r c hf a c i l i t i e sl a y o u t p r o b l e mo fr m si sh o wt of o r m u l a t et h er e a s o n a b l el a y o u tr e c o n f i g u r i n gs c h e m ea n d r e a l i z ei tr a p i d l yi nt h es h o r t e rt i m e o n c et h et e c h n o l o g yg e t sb r e a k t h r o u g h ，t h e m a n u f a c t u r i n gs y s t e mc a nb ei m p r o v e dt os u p p o r tt h ec o n c u r r e n td e s i g no fp r o d u c t s ； t h ei n v e s t m e n to fm a n u f a c t u r i n gs y s t e mc a nb er e d u c e db yr e p e a t e du s i n gt h ee x i s t i n g o ri d l ef a c i l i t i e s ；t h ee n t e r p r i s e sc a nf o r m u l a t ef u l l yf l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs t r a t e g yt o r e a l i z ef a s tp r o d u c t i o na n di m p r o v es a t i s f a c t i o no fc u s t o m e r s t h e r e f o r e ，i tw i l lm a k e g r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et os t u d yt h ef a c i l i t i e sl a y o u tp l a n n i n gt e c h n o l o g y o fr m s t h j st h e s i sb a s e do nar e c o n f i g u r a b l em a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e md e v e l o p m e n t p r o j e c to f at y p i c a ld i s c r e t em a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s ei nc h e n g d u a n d m a i nc o n t e n tc a n b es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , a f t e ra n a l y z i n gt h er e l a t e dc o n c e p t s ，c o n t e n t sa n dp r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o n a t h o m ea n da ：b r o a do fr m sa n di t sf a c i l i t i e sl a y o u tp r o b l e m , t h ef e a t u r e s ，k e yt e c h o l o g y a n df e a s i b l ep r o c e d u r e st of a c i l i t i e sl a y o u tp r o b l e ma r es u m m a r i z e d s i m u l t a n e o u s l y , a r e s e a r c hm e t h o db a s e do nc o m p u t e ra i d e da n ds o f t w a r ep l a t f o r ms u p p o r t e d i sp u t f o 刑a r d t i l i sm e m o ds o l v e st h ep r o b l e mi np a r t i t i o na n di n t e g r a t e st h e s es u b 。p r o b l e m s t oa p p l i c a i t o n s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h ee s t a b l i s h e dm e t h o da n dp r o c e d u r e s ，t h et h r e es u b p r o b l e m s o ff a c i l i t i e sl a y o u tp r o b l e ma r es o l v e do r d i n a l l y t h e o r yo fc o n s t r a i n tp r o g r a m m i n ga n d n a t u r a lc o n s t r a i n tl a n g u a g e ( n c l ) a r eu s e d t om o d e lt h ep r o d u c t i o np l a n n i n g s u b - p r o b l e ma n dah e u r i s t i c s e a r c ht e c h n o l o g yi su s e dt oo p t i m i z ei t t h es y s t e m l a y o u tp l a n n i n gm e t h o d ( s l p ) a n dc o m p u t e ra i d e dl a y o u ts o f t w a r ea r ea p p l i c a t e dt o d e s i 擘皿a n ds i m u l a t et h el a y o u ts c h e m eo fan e ww o r k s h o p ；b a s e do nt h et h e o r yo f c o n s t r a i n t sp r o g r a m m i n g ，f a c i l i t i e sl a y o u tr e e o n f i g u r i n gb e t w e e np r o d u c t i o nc y c l e s l s l r l l 1 1， 中文摘要 a b s t r a c t 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2r m e s 开发项目背景1 1 2 1 生产现状2 1 2 2 车间存在问题3 1 2 3r m e s 开发项目3 1 3 课题背景。5 1 4 本文研究内容5 1 5 本章小结6 第二章r m s 设备布局理论基础7 2 1 可重构制造系统r m s 概述7 2 1 1r m s 定义7 2 1 2r m s 研究意义8 2 1 3r m s 关键技术9 2 2 设备布局问题概述。1 0 2 2 1 设备布局相关概念10 2 2 2 国内外研究进展11 2 3r m s 设备布局问题概述1 2 2 3 1r m s 设备布局定义1 2 2 - 3 2r m s 设备布局关键技术1 3 2 3 3r m s 设备布局算法1 4 2 4 本文研究步骤与方法15 2 4 1 研究步骤1 5 2 4 2 具体方法1 5 2 5 本章小结1 6 第三章基于约束规划的生产计划优化1 7 3 1 约束规划理论c p 介绍。1 8 3 1 1 约束规划产生与发展1 8 3 1 2 约束满足问题概述1 9 卜，c 北京交通大学硕士学位论文 3 1 3 自然约束语言n c l 介绍1 9 3 2 优化问题建模分析21 3 3 数据处理_ 2 3 3 3 1 数据结构设计2 3 3 3 2 数据建模中的问题解决2 5 3 4 基于约束规划的详细建模2 7 3 4 1 常量和变量2 7 3 4 2 主要约束2 9 3 4 3 优化目标3 3 3 4 4 输入输出3 3 3 5 约束规划模型的详细求解。3 4 3 5 1 求解步骤3 4 3 5 2 算法规则3 5 3 5 3 搜索策略3 6 3 6 优化模型的实例应用3 8 3 6 1 相关数据3 8 3 6 2 实例结果3 9 3 6 3 深入分析4 2 3 7 本章小结4 4 第四章基于s l p 法的新车间设备布局设计4 5 4 1 设备布局设计技术概述4 5 4 1 1 系统布置设计法s l p 介绍4 5 4 1 2 计算机化布置方法介绍4 6 4 1 3 工厂仿真软件v i s f a c t o r y 介绍4 7 4 2 基于s l p 法的设备布局优化4 8 4 2 1 设备相互关系4 8 4 2 2 空间关系5 1 4 2 3 设备布局结果5 2 4 3 基于v i s f a c t o r y 的设备布局仿真5 2 4 3 1 仿真步骤5 2 4 3 2 结果与评价5 4 4 4 本章小结5 6 第五章基于约束规划的阶段间设备布局重构5 7 5 1 问题建模分析5 7 1， 第七章结论与展望7 l 参考文献7 3 附录a 。7 7 附录b 8 1 作者简历8 5 独创性声明8 7 学位论文数据集8 覃 、- 1 j 绪论 1 1引言 第一章绪论 无论是从我国近6 0 年的国家工业化实践，还是从世界各国工业化进程来看， 制造业是推动国家经济发展的强大支柱，是国民经济发展水平和综合国力的具体 体现，它的发展对提高综合国力和促进社会稳定有着极其重要的作用【1 1 。 然而，随着人们生活水平的日益提高、科技创新速度的加快和市场的国际化， 制造业市场环境发生了巨大变化。从2 0 世纪8 0 年代后期以来，世界制造业陷入 以下几方面的困境：传统大量生产的产品及其生产能力过剩；制造业从发达国家 向发展中国家或地区转移；已经完成工业化的4 6 个国家和地区的后遗症高物 耗、高能耗与高污染中断了发展中国家沿用传统工业化进程与方式的可能；各类 高中级人才不足，而传统制造业缺乏对优秀年轻人才的吸引力；利润与投资效益 不断下滑，资本市场纷纷转向非传统制造业或金融市场，增大了经济风险，增加 了投机与作假的危害；产品的市场寿命周期迅速缩短，产品的需求日益个性化、 多样化，新产品设计、开发和上市同制造系统与商务运作的冲突进一步加剧【2 1 。 为了摆脱上述困境，积极应对市场需求挑战，自2 l 世纪以来，很多发达国家 都提出了面向新世纪的新型制造策略，如敏捷制造、生物制造、智能制造、绿色 制造等。总结上述先进制造模式，其核心思想是提高制造系统对环境的响应能力， 将制造资源合理快速地重新构造，通过企业内部自身变化来适应外部环境的变化 【3 j 。1 9 9 8 年，美国国家研究委员会n r c 公布了应对未来制造挑战的十个应该优先 攻关的制造技术，其中第一大关键制造技术就是研究和建设可重构制造系统 ( r e c o n f i g u r a b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ，后简称r m s ) 。 可重构制造概念一经提出便得到了制造业界及相关学者高度重视。十余年来， r m s 技术领域的研究获得了重大突破，渴求提高市场竞争力的制造企业也陆续展 开r m s 的探索与应用。 1 2 r m e s 开发项目背景 成都某公司是一家典型的军工装备制造企业，其部分主营产品如图1 1 所示。 该公司以离散式零件加工生产为主，流程式热加工及表面处理为辅，属于典型的 中小批量多品种混流混批生产类型。 北京交通大学硕士学位论文 1 2 1生产现状 黔甄谰 。 、* 棚矽5 。i搦 函盈盈 图1 1 公司主营产品示意图 目前公司的生产调度模式如图1 2 所示。首先将任务订单录入计算机辅助管理 系统( c a p p ) 生成所需物料信息，然后将物料与生产工艺等信息导入管理信息系 统( m i s ) ，最后车间的计划调度人员依照m i s 中的信息，根据个人的经验和车 间的生产特点，手动的指派每个岗位每日所要完成的工序。 c a p p m i s 绪论 广1 籴l - u 1 7 笺饶一豹 级函黝厂 1 r 隰瓷茜返感 ， 善 甘 7 r 匡骡曝骂d 嘧留留留口 图1 3 车间布局和零件加工示意图 1 2 2车间存在问题 随着生产自动化程度的提高和订单量的加大，企业生产出现了严重的问题。 ( 1 ) 调度模式无法有效制定生产计划 现有生产调度模式缺乏在前期接收订单和任务下达时对生产态势的整体评估 手段；手工安排生产并不具体到每道工序的加工时间与不同工序的加工顺序，无 法科学合理地实现现场多工序、多资源的生产调度；生产任务的多样性、复杂性、 紧迫性以及订单任务的巨大规模使得手工安排计划生产成为一项艰巨而几乎不可 完成的工作。 ( 2 ) 车间布局不合理导致生产效率降低 多零件多批次混流混批生产导致设备间的物流周转极其混乱；不合理的设备 布局造成生产延时与搬运浪费；车间生产管理难以展开，无法对撤单、插单等生 产任务变动做出及时响应。 1 2 3 r j v i e s 开发项目 为解决公司面临的上述问题，相关部门于2 0 0 9 年1 2 月提出开发基于r m s 的 可重构制造执行系统r m e s 的建议： 3 北京交通大学硕士学位论文 ( 1 ) 制造执行系统位于企业上层的计划管理系统和底层工业控制系统之间，是 面向车间层的管理信息系统。它统一连接着生产计划与制造过程，能够及时反映 生产现场的状况，在计划管理和底层控制之间架起了一座桥梁，是实现制造企业 信息集成的纽带。 ( 2 ) 基于r m s 的可重构制造执行系统r m e s 具有如下四方面的重构能力： 制造组织结构的可重构，能支持动态的制造组织建模，以适应离散制造企业灵 活多变的组织管理模式；制造资源的可重构，能够有效地根据需求快速地对车 间资源( 如人、设备、工具、技术等) 进行重构，为车间的设备和工人提供接口和 信息交互平台，能够有效地实现人、技术、设备的集成，以实现对外部变化的快 速响应；制造流程的可重构，能支持动态的制造管理流程建模，提供可视化的 流程建模工具，使制造企业能够根据实际的需求快速地进行流程配置和执行； 技术的可重构，能适应不同的技术环境，支持技术的重构，以实现不同技术平台 之间的互操作及在不同应用平台的迁移。 ( 3 ) 基于r m s 的可重构制造执行系统r m e s 能实现企业如下生产管理目标： 高效快速地处理订单，积极应对市场需求变化；合理制定生产计划，提高合 同的履约率；优化车间物料流动，减少无谓浪费，实时监控资源使用情况，提 高生产效率；提供直观可视化的结果展示，包括甘特图、派工单和统计图等。 ( 4 ) 基于r a m s 的可重构制造执行系统r m e s 开发项目实施时间约为5 年， 分模式探讨、方案规划与系统开发三个阶段进行。系统的体系结构如图1 4 所示。 4 绪论 1 3 课题背景 本课题题目为“基于r m e s 的r m s 设备布局规划研究”。 一方面，课题以上述企业r m e s 开发项目为背景进行研究，课题涉及的数据 取自上述企业某车间2 0 0 7 年的生产记录表，课题仿真的对象为该企业的真实生产 车间，课题研究的方法可直接应用于该车间的设备布局优化设计。因此，本课题 属于成都某企业基于r m s 的可重构制造执行系统r m e s 开发项目的子项目之一。 另一方面，课题研究的设备布局规划技术是全新制造系统r m s 的关键技术之 一，对它的研究应以r m s 为依托，而非现有的其他制造系统。目前r m s 的研究 尚处于理论阶段，远未达到实际生产广泛应用的程度。因此，对r m s 设备布局的 研究除基于实际工程项目外，还将建立在理论支持与问题假设的基础上。 1 4 本文研究内容 本文主要研究基于r m e s 开发项目的r m s 设备布局相关问题。 首先，通过分析r m s 及设备布局问题相关概念和国内外的研究现状，总结了 r m s 设备布局与传统设备布局的异同、r m s 设备布局的关键技术等。同时，根据 r m e s 开发项目对车间设备布局的具体要求，制定了研究该问题的可行步骤。 然后，根据确定的关键技术与研究步骤，将r m s 设备布局问题分为布局规划 初期的生产计划制定与优化、新车间布局方案制定与生产周期间布局重构实现三 个子问题。文章着重就这三个子问题进行详细分析、建模与求解，应用了必要的 先进理论、算法与软件。同时，及时应用问题研究成果对课题涉及的项目问题进 行实例应用与结果分析，证明各子问题研究结果的可行性。 最后，将各子问题模块集成至r m s 设备布局优化系统，并实现可视化显示与 二次优化功能。 论文围绕现实项目逐层深入展开，采用新的理论、新的算法、新的软件对课 题进行系统研究。各章节具体研究内容如下： 第一章，首先分析了制造业的现状，提出r m s 应用的潜在背景。然后通过详 细说明企业生产现状和存在问题，介绍了本课题依据的r m e s 开发项目背景和拟 解决的问题。最后说明本论文的主要研究内容并展示论文的组织结构。 第二章，分析r m s 及r m s 设备布局问题相关概念与国内外研究现状，总结 了r m s 设备布局的关键技术，同时根据项目具体要求，提出本文的研究方法。 第三章，车间各周期的生产计划制定与具体任务安排是设备布局得以开展的 前提。设备布局需要确定的设备与零件工艺信息，各周期间布局重构需要时间冗 北京交通大学硕士学位论文 余。因此，本章详细介绍了基于约束规划理论的车间生产计划优化问题的建模与 求解，并将之应用到课题项目中，实现生产计划的快速有效制定。 第四章，本章研究如何在满足交货期、设备利用率等的前提下，根据已知生 产计划对新车间进行设备布局优化设计。内容涉及了系统布置设计方法s l p 与计 算机辅助布局规划技术c r a f t ，并详细介绍了应用s f a c t o r y 的布局仿真与优化 过程。 第五章，本章对生产周期间设备布局重构问题进行研究。引入设备的重置成 本，并基于约束规划理论对该问题进行建模求解，真正实现了r m s 设备布局的快 速可重构与各阶段动态变化的特点。 第六章，简单介绍r m s 设备布局优化系统的设计。 第七章，回顾与总结全文的主要内容，归纳了本文的主要研究成果，并对今 后的研究工作做了展望。本文的总体结构如图1 5 所示。 1 5本章小结 图1 5 论文总体结构图 可重构制造系统r m s 是新型先进制造系统，能解决离散制造企业生产问题。 成都某典型离散零件生产企业提出了基于r m s 的可重构制造执行系统r m e s 开发 项目。本文以此项目为工程背景，研究可重构制造系统设备布局相关问题。 6 、 r m s 设备布局理论基础 第二章r m s 设备布局理论基础 2 1 可重构制造系统r m s 概述 i - 2 1 1r m s 定义 美国m i c h i g a n 大学的y , k o r e n 教授于1 9 9 9 年在国际生产工程研究学会c i r p 上提出了r m s 的定义【4 】。该定义认为可重构制造系统是指为响应市场不规则需求 的突然变化，具有能通过快速改变结构和软硬件组元来调整系统的生产能力和功 能而设计的一种面向零件族的制造系统。其特点为： 将加工对象限定在同一产品族； 强调系统重构是为了改变生产目的和生产功能； 需要加工设备的强有力支持，即需要可重组机床( r e c o n f i g u r a b l em a c h i n e t o o l ，简称r m t ) 。 此后，国内学者根据制造系统新的发展趋势，提出了符合我国国情的可重构 制造系统的定义。罗振璧【5 】等人在2 0 0 1 年提出r m s 配置适用功能的机床，一旦出 现产品品种和批量变化时，可以在充分利用原有资源的基础上，通过适当的调整 和改变机床或机床上的模块配置，很快形成一条新的制造系统，满足动态变化的 市场需求。它能够通过系统构件自身变化和数量增减以及构件间联系变化等方式 动态地改变构形，实现缩短研制周期和斜升时间，提高经济效益，能够对多个零 件提供定制柔性，同时提供开放性结构。 宁汝新、梁福军【6 】于2 0 0 3 年在上一定义的基础上进行修订，认为p d v s 是一种 对市场需求变化具有快速响应能力的可重组构形的可变制造系统。该系统能够基 于现有自身系统在系统规划和设计的范围内，通过系统构件自身变化和数量增减 以及构件之间联系变化等方式动态地改变其构形，从而达到根据发生的变化调整 生产过程、生产功能和生产能力，实现短的系统研制周期和斜升时间、低的重构 成本、高的加工质量和经济效益，能够对多个零件族提供定制柔性，同时提供开 放型结构。其特点是： 加工对象扩展到多个零件族； 强调重构是由生产过程、生产能力和生产功能的变化驱动的； 将重构由设备级扩展到系统级； 最大限度地利用原有资源。 7 北京交通大学硕士学位论文 2 1 2r m s 研究意义 可重构制造系统的出现是制造系统环境变化与技术发展的必然结果。如图2 1 所示，2 0 世纪2 0 年代福特利用传送线把机器连接成大量生产的自动化流水线，开 创了大量流水生产方式。从2 0 年代至今，制造系统已经出现了机群式制造系统m s 、 刚性制造系统d m s d m l 和柔性制造系统f m s f m c f m l 三类制造系统，从9 0 年代 中期以来便出现了可重构制造系统r m s 7 1 。 医蔓塞囊= 1 圈面两滋= e ，= 鸶鍪骛聂习 困 t 机群式制造系统i m s 多品种单件小批生产 i 墨 弋步 刚惟制造系统 d m l 厂l f ” 一 一1 一_ - ：应用成组下艺原理组织半自动化生产甲 ；衡工时负待，提高机床利用率，通过试| 切、测量和调整保证加工精度 匿焉蕃或少品种大批量叠产 - r 集性带l 谴系磊1 f m s f m c f m l i多品种成批生产 毒步 守 专用机床多刀多面组合加工，各工序节 拍，l ”格平衡，质量保证主要靠精度铭备 通明数控机床按工序集中原则交谗，应 用缓冲存储实现稳定生产，加工质量用 动态统计控制 通过系统和机床的璃缌实现工艺优化， 机床品种和结构模块嘲缢实现均衡生 产，过程效应控_ ；i i , j d r i 速重组的质量提升 图2 1 制造系统的市场环境与技术特点 d m s 是单品种大批量制造系统，生产率高，单件生产成本低，系统没有柔性； f m s 适合多品种中小批量生产，具有很大的柔性，但系统投资大，生产率低，单 件生产成本高，存在大量功能冗余。r a m s 的提出正是为了克服这两种制造系统的 缺点( 见表2 1 ) 。 表2 1 三类制造系统功能特性比较 罗”特征。 一d m sf m s 7 r m s 一，霪 产，冒，! 卜产：特性单一品种人批量多品种小批量多品种变批量 制造柔性无或极弱中等按客户的需求 j - t i e i 可变性小或极小中等大 投资域 ：；l大或较大中等或较大 较大 投资同报率 较高较高 最高“氐 中等或低高 ：系统重构能力。不具有不具有软硬件均可重构 ；孝j 【j | 未结 j j! 固定式专用固定式通用可重构机床 技术s f 级- l i e 性。较小较小，可革新软件可革新软硬件模块 ；广 川u , - t 一- - j 飞 - 寸寸i ：m i ： 标准化产品，大量需 产品需求多样化，小批产品客户化订制，变批 k ，一，瓣。煮 求，廉价量，价格适中量，价格适中 r m s 设备布局理论基础 r m s 的可重构性能实现产品种类的快速转换。如图2 2 所示，r m s 的可重构性 贯穿在产品的整个生命周期。在新产品的开发阶段，便要考虑系统的设计与建设 是否符合可重构性要求；而如何有效地提高重构能力、缩短斜升时间( 即产品生 产变更后的重装及试制时间) 亦是制造系统可重构能力的体现。一个高效的可重 构制造系统，可以快速实现产品品种的生产转换8 1 。 2 1 3r m s 关键技术 图2 2 基于r m s 的产品生命周期示意图 美国m i c h i g a n 大学的r m s 项目研究中心指出r m s 关键技术有4 方面：r m s 的管理模型；r m s 的布局；系统的斜升时间与可重构机床【9 1 。而齐继阳、竺长安、 曾议等根据重构粒度将可重构制造系统分为设备层和系统层，其中设备层研究重 点包括机床功能模块合理划分、模块之间机械界面的标准化、机床可移动性研究、 基于软构件的设备层控制系统；系统层包括可重构制造系统的构建建模、制造系 统可重构布局研究、制造系统车间层控制结构的研究、缩短斜升时间的故障诊断 和过程监控【1 0 1 。不同学者因各自研究侧重点不同对r m s 结构和关键技术有不同 的分类，但是制造系统的布局重构技术是公认的r m s 关键技术之一，如图2 3 所 示。 可 重 构 机 床 可重构制造系统 系统级ll 企业级 斜 升 时 问 虚 拟 企 业 图2 3r m s 关键技术示意图 9 离 散 网 络 化 北京交通大学硕士学位论文 2 2 设备布局问题概述 建设可重构制造系统需要从战略与运作层面进行深入管理【1 1 1 。运作生产管理 主要是对生产车间的具体管理，包括总体生产规划( 决定产品品种、规格与规定 时段的产量) 、过程控制、生产排序排程、生产实施和控制。运作生产管理的革 新实际是生产车间的革新。而无论是扩大生产新建车间，还是对原有的车间进行 改造重组，都需要快速合理的布局设计【1 2 】。 据统计，在产品的一个生产周期中，传输和等待时间所占的比例达到9 0 9 5 ，真正用于产品加工的时间占很小比例，而在制造过程中将近2 0 - - 5 0 的费 用花在物料传输上【1 3 】。优化设备布局不但可使传输和等待的费用减少1 0 - - 3 0 ， 而且还能加快物料处理的效率，减少在制品的停留时间，提高企业的生产率。通 过降低物料传输费用可间接降低生产成本，也可减少零件缓冲区的容量，缩小制 造系统所占空间，减少制造系统建设的费用。总之，生产车间设备布局的好坏将 直接影响整个生产系统的总体性能，如物流、信息流、生产能力、生产效率、生 产成本、生产安全等【1 4 】。本节将就设备布局相关问题进行概述。 2 2 1 设备布局相关概念 设备布局是指按照一定的原则，在设备和车间内部空间面积的约束下，对车 间内各组成单元、工作地以及生产设备进行合理的布置，使它们之间的生产配合 关系最优，物料运送代价最小【l5 1 。研究表明：合理的设备布局能均衡设备能力， 解决瓶颈问题，保持物流平衡，降低生产成本。 根据产品加工要求或工艺设计、生产现场情况的不同，设备布局可以有多种 布局形式，如基于设备数量与车间可利用面积的线形布局或u 型布局，基于零件 工序相似性的制造单元布局，基于大型复杂产品的固定位置布局等。不同的布局 形式其建模与求解的方法也有差别。 因此，对任意形式的设备布局进行设计都需分以下四个阶段进行： 确定布局原则：如工艺专业化原则、对象专业化原则等； 调整布局形式：即设备的组织方式，如机群式布局、按功能布局、制造单 元布局等； 布局建模：即将布局问题通过一定的假设及约束抽象为数学模型； 确定模型解法：设备布局问题已被证明为n p 问题，采用何种算法进行高 效求解亦是研究的重点。 曹振新等就设备布局的布局原则和布局形式进行了较为全面的综述【1 6 1 。锁小 l o r m s 设备布局理论基础 红等系统罗列了近2 0 年设备布局的建模理论与若干求解方法【1 刀( 如图2 4 所示) 。 2 2 2 国内外研究进展 图2 4 设备布局建模与算法汇总图 设备布局包括静态布局和动态布局，两者的区别主要集中在是否讨论生产产 品种类和数量的变化。当设备之间的物流随时间而变化，布局也做出相应的调整 时，静态布局就转化为动态布局。动态布局是在预测未来可能发生的物流变化的 基础上所设计的布局。因此设备布局问题发展的实质即是资源层约束的逐渐全面 考虑。 ( 1 ) 静态布局( s t a t i cf a c i l i t yl a y o u tp r o b l e m ， s f l p ) 静态布局即为传统布局，其不考虑生产发生变化的情况，适用于制造系统的 初始构建。h e r a g u s s 认为在建模过程中，无论何种布局形式都可以简化为单行或 多行设备布局问题【1 8 1 。因此，静态布局问题的发展即为单行设备布局与多行设备 布局问题的资源层约束全面问题。关于静态设备布局形式、约束及模型的研究进 展见表2 2 。 ( 2 ) 动态布局( d y n a m i cf a c i l i t yl a y o u tp r o b l e m ，d f l p ) 动态布局是指预测未来可能发生的物流变化的基础上所设计的布局【1 9 】。根据 其对物流变化的预测方法不同，动态布局问题可以分为基于概率的设备布局、鲁 棒性设备布局和基于模糊论的设备布局。其中，基于概率的设备布局是指订单流 量可用确定概率分布表示的问题，鲁棒性布局是指面向可预测的多个生产周期的 最优布局，具有以“不变应万变”的特点1 2 0 1 。j a y d e e p 等研究了用混合遗传算法解 决动态环境下的设备布局问题，优化目标是使物流运输成本和重新布置成本最小， 确保重新布局后带来的物流搬运费减少量一定大于重新布局过程中带来的代价 2 1 1 。 北京交通大学硕士学位论文 表2 2 静态布局问题研究进展 布局资源层布局形式求解模型 类型约束 单行矩形设备，大小二次分配问题模型 设备相等，区域无 布局限，单行布置 l 磁一七蒯一彩- 自i 嵫一缸磁 静态 改进矩形设备，大小 单行不等，区域无 m i n 艺窆c ：f 仆一_ i 布局 医园溺蕊倒设备 限，单行布置 i = 1j = i + l 布局 k 一_ l l 2 “+ ) + 以鼍0 多行矩形设备，大小 设备相等，区域有m i n 宝杰q 厶( k x 小i y ，一y 巾 布局限，单行布置 汤刎锄彩汤豺锄蒯 函团一鳓 k 一_ i + l 乃一乃i l ，j ，0 改进矩形设备，大小 多行不等，区域有燃豳溺 m i n 窆芝q 厶( i x , - x j l + l y ，一y 巾 设备限，多行布置 豳必流旌艺刎蒯 卜x ：- l + 锐( a ； 布局 i y ，z h o ( i - + 圳z o ) = 一台圭( 6 j + 6 d ； 工f ，y ，0 2 3r m s 设备布局问题概述 r m s 设备布局问题是制造系统发展到r m s 后对设备布局提出的新的问题， 它与传统的设备布局问题相比具有极大的不同。 2 3 1r m s 设备布局定义 与上述传统的设备布局相比，r m s 设备布局是真正意义上的“动态 布局。 市场需求复杂多变，对“未来可能发生的需求变化的预测准确度难以保证，需 求的产品种类和数量仅在下一个生产周期来临之前才能确定。没有准确预测的支 持，无论是基于概率统计还是鲁棒性布局等方法都不能真正符合现实生产需要。 而r m s 设备布局研究的重点是相邻生产周期间的设备布局重构技术，即如何快速 经济地将第k 个周期的设备布局更新为适合第k + 1 个周期生产需求的设备布局。 由此可见，r m s 设备布局技术更符合当今制造业生产需求。 从应用角度看，r m s 设备布局技术一旦得到质的突破