（测试计量技术及仪器专业论文）混杂双设备生产线系统性能分析研究.pdf

兰州理工大学硕十学位论文 摘要 由于国内外市场竞争加剧 科学技术的迅速发展 产品更新换代速度加快以 及人们对产品多样化的需求增加 使得现代化生产正日益趋向于灵活多变 根据 市场需求或产品订单来制定生产计划的新型生产模式 随着生产模式的转变 企 业要在竞争激烈的市场环境中求得生存和发展 就必须增强竞争优势和适应市场 多变的能力 然而 企业的生产经营往往受诸多不确定因素 如 定单的到达 设备的不断失效 维修及更新等的影响 为了适应这些变化 就必须对企业所组 织的生产线系统的性能进行分析 本文的主要工作及获得的主要研究成果如下 l 介绍了本文的研究背景 接着介绍了一些有关不可靠生产线系统的基本概 念 然后按照不同的研究模型 发展阶段 回顾和总结了不可靠生产线系统的研 究情况 指出了当前存在的问题并对可能的发展方向做了展望 2 针对设备可能出现独立故障模式及缓冲区不可靠的混杂双设备生产线系 统 以系统的平均输出和缓冲区的平均盈余水平为评价指标 在离散模型的基础 上 研究了系统状态概率的变迁情况 通过猜想系统内部状态概率的形式 降低 了问题的求解阶次 给出了其研究算法和并给出了相应的程序 3 研究了设备仅具有纠正维修与非独立故障模式的混杂双设备生产线系统性 能求解问题 考虑了缓冲区不可靠及设备具有三种状态 即完好状态 可用状态 和故障状态 并且设备可以从完好状态变迁到可用状态的情况 在离散模型的基 础上 通过对系统设备 缓冲区等相关状态概率的处理 探讨并发展了一种评价 其系统性能的近似解析方法 给出了其研究算法和相应的参考程序 4 考虑了设备具有非独立故障模式与预维修的混杂双设备生产线系统的性能 求解问题 设备具有完好状态 可用状态 和故障状态三种情况 设备的状态可 以相互变迁 并且缓冲区也不可靠 在离散模型的基础上 发展了一种新的计算 系统状态概率转移矩阵的方法 这种算法以缓冲区的容量处于某一数值的转移矩 阵为基础 来计算所有当缓冲区容量增大时的转移矩阵 避免了当缓冲区容量变 化时反复记录所有状态的问题 5 对以上工作进行了简单总结并对下一步将要进行的工作进行了展望 关键词 混杂系统 离散模型 几何分布 不可靠缓冲区 多故障模式 生产率 故障率 维修率 混杂双设备生产线系统性能分析研究 a b s t r a c t d u et ot h e a g g r a v a t i n gc o m p e t i t i o n o ft h ew o r l d w i d em a r k e t a d v a n c i n g t e c h n o l o g y a c c e l e r a t i n gp r o d u c t i o np r o l i f e r a t i o n i n c r e a s i n gd e m a n do fp r o d u c t i o n d i v e r s i t y e t c t h ef a s h i o no ft h ed i v e r s i t ra n ds m a nb a t c hh a sb e e nb e c o m i n gt h e l e a d i n gm o d eo fp r o d u c t i o n m o r d e nm a n u f a c t u r i n gi s i n c r e a s i n g l yt e n dt on e w p r o d u c t i o nm o d eo fn e x i b l e a c c o r d i n gt ot h em a r k e tr e q u i r e m e n to rt h eo r d e ro ft h e p r o d u c t st om a k ep r o d u c t i o ns c h e d u l e s w i t ht h ec h a n g eo ft h ep r o d u c t i o nm o d e i ft h e e n t e 印 s e s 张n tt os 训v e 锄ds e l f d e v e l o p m e n ti nt h ec o m p e t i t i v em a r k e t t h e ym u s t s t r e n g t h e nt h ec o m p e t i t i o na d v a n t a g e s 蛆d t h ea b i l i t rt 0a d a p tt ot h ec a p r i c i o u sm a r k e t h o w e v e r u n c e n a i n t i e so ft h ep r o d u c t i o n v a r i o u ss t o c h a s t i cf a c t o r s u n i d e a l m a t h e m a t i c a im o d e l s趾dm l d e v e l o p e d c o m p u t a t i o n t e c h n o q u e s e t c b r i n g t h e d i m c u l t yi nh a n d l i n gt h ep r o b l e m i no r d e rt oa d a p tt 0t h e s ec h a n g e s y o um u s t a n a l y s i st h ep e r f 0 m a n c eo ft h ep r o d u c t i o nl i n e so ft h ee n t e r p r i s e s t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h ed i s s e r t a t i o na r ea sf b l l o w s 1 t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e db a c k g r o u n do ft h et h e s i s t h e nim a k eab r i e f i n t r o d u c t i o no nt h eb a s i cn o t i o n so fu n r e l i l b l e p r o d u c t i o nl i n e s r e v i e w e dt h e d e v e l o p m e n t sa n dr e s e a r c hs i t u a t i o no fu n r e l i a b l ep r o d u c t i o nl i n e sa n dp o i n to u ts o m e d e f i c i e n c i e sa n df u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n s 2 i na c c o r d a n c ew i t hah y b r i dp r o d u c t i o nl i n es y s t e mc o n s i s t i n go ft w om a c h i e n s s u b l je c t e dt oi n d e p e n d e n tf l a i l u r em o d e sa n du n r e l i a b l eb u f f e ri sc o n s i d e r e d a v e r a g e t h o u g h p u ta n da v e r a g eb u f f e rl e v e la r et h ep a r a m e t e r st ob ee v a l u a t e d b a s e do n d i s c r e t em o d e l t h es t a t e st r a n s i t i o np r o b a b i l i t i e so ft h es y s t e ma r es t u d i e da n a l y t i c a l l y a c c o r d i n gt ot h eg u e s so ft h ef b r mt h a ti n t e r n a ls t a t ep r o b a b i l i t i e ss h o u l da s s u m e r e d u c i n gt h ed im c u i t i e so fs o l v i n gt h ep r o b l e m ac o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h ma r e d e v e l o p e dh e r e a n da l s ot h ec o r r e s p o n d i n gp r o g r a mi sp r o v i d e d 3 ah y b r i d p r o d u c t i o n l i n e s y s t e mc o n s i s t i n g o fm a c h i n e s s u b j e c t e dt o n o n i n d e p e n d e n tf i a i l u r em o d e sa n du n r e l i a b l eb u f f e ri ss t u d i e d u n r e l i a b l eb u f f e ra n d m a c h i n e sw i t ht h r e es t a t e s n a m e l y p e r f e c ts t a t e s u s a b l es t a t e sa n df a i l u r es t a t e a n d t h ep e r f e c ts t a t ec a nt r a n s f e rt ou s a b l es t a t ei sc o n s i d e r e d b a s e do nd i s c r e t em o d e l a c c o r d i n gt ot h ed e a lw i t ht h es t a t e sp r o b a b i l i t i e sr e l a t e dt om a c h i n e sa n db u f f b r a c o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h ma r ed e v e l o p e dt oe v a l u a t et h ep e r f 0 r m a n c e o fh y b r i d p r o d u c t i o ns y s t e m s a n da na p p r o x i m a t et e c h n i q u ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gp r o g r a ma r e a l s os u p p l i e dh e r e 玎 兰州理工大学硕士学位论文 4 ah y b r i d p r o d u c t i o nl i n es y s t e mc o n s i s t i n g o fm a c h i n e ss u b j e c t e dt o n o n i n d e p e n d e n tf a i l u r em o d e sa i l dp r e m a i n t e n a n c ei sc o n s i d e r e d m a c h i n e sh a v e t h r e es t a t e s n a m e l y p e r f e c ts t a t e u s a b l es t a t ea n df a i l u r es t a t e t h es t a t e so ft h e m a c h i n e sc a nt r a n s f i e rt oe a c ho t h e r a n dt h eb u f 诧ri su n r e l i a b l e b a s e do nd i s c r e t e m o d e l an e wa l g o r i t h mf o rg e n e r a t i n gt h e 仃a n s i t i o nm a t r i xi sp r o p o s e d t h ea l g o r i t l l i n u s e st h et r a n s i t i o nm a t r i xt h a tc o r r e s p o n dt oac e r t a i nv a l u e t h i sp r o c e s sa v o i d st h e n e e dt or e c o r de x p l i c i t l ya l lt h es t a t e sa n dt r a n s i t i o n so ft h em o d e l w h i c hi st e d i o u s 加dt i m e c o n s u m i n ge s p e c i a l l yf o rl a r g ev a l u e so ft h eb u f l f e rl e v e l 5 ab r i e fs u m m a r yo ft h i st h e s i s 锄dt h ef o l l o w u pw o r ki sv i e e d k e y o r d s h y b r i ds y s t e m s d i s c r e t em o d e l g e o m e t r i c a l l yd i s t r i b u t e d 咄e l i a b l e b u 舭r m u l t i p l ef a i l u r em o d e s p r o d u c t i o nr a t e s f a i l u r er a t e s r e p a i r i n gr a t e s i i i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担 作者签名 办1 墨日期 妒净 月j 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 即 学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文 被查阅和借阅 本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文 同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到 中 国学位论文全文数据库 并通过网络向社会公众提供信息服务 作者签名 多1 互 刷性轹别纱 兰州理 t 大学硕上学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 由于国内外市场竞争加剧 科学技术的迅速发展 产品更新换代速度加快以 及人们对产品多样化的需求增加 多品种 小批量生产已成为当今制造业的主流 现代 化生产正日益趋向于灵活多变 根据市场需求或产品订单来制订生产计划的新型 生产模式 传统的制造一存储 m a k e t 0 s t o c k m t s 式生产已经渐渐不能适应 灵活多变的市场需求 产品的多样化 更短的交货时间等等市场因素都对传统的 制造一存储式生产提出了挑战 制造一存储式生产是基于对市场需求的预测 在 一个制造一存储式生产环境中 产品的生产顺序是由不同产品现阶段的存储层决 定的 预测只是因为预算才显得重要而不再是为了制订主要生产计划 当生产行 为是由顾客订单驱动而不是由预测驱动 就称之为制造或工程师一订单式生产 在制造一订单 m a k e t o o r d e r m t o 式生产中 生产行为是在一个顾客订单到达 后发生 在工程师一订单 e n g i n e e r t o o r d e r e t o 式生产中 则把产品的设计 都包括在订单到达所引起的生产行为中 从生产力安排到车间控制的各个层次环 节上 当今世界更加需要销售和生产管理的相互联系和相互作用 新的订单包括 所谓的意向型订单都在生产计划中得到考虑 而已有订单的生产计划也可以根据 客户在产品的特色 交货日期或数量上的变化而经常改变 为了满足特殊客户对 产品的需求 尽管当今众多生产企业采用制造一存储式生产与制造一订单式生产 相结合的生产模式 但是制造业的潮流已经从大批量的制造一订单式生产模式开 始向小份额的制造一订单式乃至工程师一订单式生产模式演变 这种趋势已经不 可阻挡 这是国际 国内市场竞争的必然结果 在这种背景下 企业要在竞争激 烈的市场环境中求得生存和发展 就必须合理有效地组织生产 提高生产技术水 平 缩短产品生产周期 改善经营管理 提高产品质量和生产效率 降低产品成 本和及时掌握市场变化信息等 以增强竞争优势和适应市场多变的能力 然而 企业的生产经营往往受诸多不确定因素 如 订单的到达 设备的不断失效 维 修及更新 顾客多样化需求 原料的供应 人员的流动 市场的动态变化等的影 响 为了适应这些变化 合理有效地组织生产 就必须对企业所组织的生产线系 统的性能进行分析研究 对企业生产线系统性能的分析研究是企业合理制订生产 计划的基础 对企业提高资源的利用率 减少产品中间库存 缩短产品供货周期 增强企业对市场反应的灵敏度 提高企业生产率和经济效益具有十分重要的意义 在我国 由于长期处于计划经济和卖方市场的大环境下 许多国有大中型企 业生产管理技术及手段落后 企业缺乏创新能力 资源利用率低 产品制造周期 长 且品种单一 产品制造成本高 交货期长 对市场反映不灵敏 严重影响了 混杂双设备生产线系统件能分析研究 企业的经济效益 2 0 0 1 年我国加入w t o 加入w t o 是一个双向市场开放过程 在外国对中国产品和企业开放市场的同时 我们也要对外国产品和企业开放国内 市场 市场竞争的范围空前扩大了 面对激烈的市场竞争 我国产品和企业要在 快速多变的市场竞争中求得生存和发展 就必须合理有效地组织生产 以满足市 场所提出的t q c s 要求 即要以最短的产品开发周期 t i m e 最优质的产 品质量 q u a l i t y 最低廉的制造成本 c o s t 和最好的技术支持与售后服务 s e r v i c e 来赢得市场与用户 这其中重要的一个环节是对生产线系统进行性能 分析 这样才能建立满足市场的多样化需求 可以应对复杂多变市场的生产线系 统 因此 对不可靠生产线系统性能的研究变得越来越重要 很多实例证明了对 生产线新分析研究的重要性 例如 鞍钢通过对生产线性能的分析研究建立了合 理的3 4 个 优化操作1 2 8 个 缩短操作路线近万米 提高产品质量l o 糊0 提高工时利用率1 0 眦5 减少故障时间6 0 通过优化劳动组织提高劳动生 产率2 0 左右 并且重新修订了岗位作业标准 共取得成果1 3 4 项 获得企业经 济效益2 0 0 0 多万元 北京机床电器厂在日本专家的指导下 通过对生产线性能分 析研究 改善了工作地布置和操作方法 组装车间在不增加人员 基本不增加设 备投资的情况下 不但生产效率提高了一倍 而且产品合格率由8 5 提高到9 7 由于生产线系统性能分析研究的重要性 国内外众多学者自上个世纪5 0 年代 便展开了对生产线系统性能的研究 针对现代市场环境下 国内外企业面临的诸 多生产组织 管理等问题 本文以随机故障为代表模拟企业现场诸多随机事件 展开对不可靠生产线系统的性能分析研究 以期望为解决现代生产模式下的某些 生产设计及经营问题提供帮助 1 2 制造系统中的一些概念和现象 制造工业同其它工程领域一样 一直面临着系统中不确定因素的挑战 我们 知道 理想情形应该是产品能按生产计划和定货计划准确无误地交付客户 但机 器 设备故障 配置变化 工程改变等不确定因素的存在 必然造成生产偏离理想 目标 当然 有很多种方法可以减小这一偏差 包括成品库存 f i n a li n v e n t o 巧 即提前生产比计划或需求更多的产品 中间产品库存 i n p r o c e s si n v e n t o r y 即 提前完成产品的某些操作 资源冗余 r e d u n d a n c y 即某些生产资源 如机器 设备 拥有后备 前两种方法就是所谓的蚂蚁和蚱蜢策略 a n t v s g r a s s h o p p e r 蚂蚁在不需要食物时也在继续工作 所以当它不生产时 仍有库存食物可吃 而 蚱蜢因为没有粮食只好挨饿 g e r s h w i n l 遗憾的是 对实际生产系统而言 这 些用于减轻冒险的策略 自身往往也是冒险的 因为产品需求受市场的影响 很 可能改变 使得库存产品和冗余机器 设备成为多余 从而造成购买冗余机器 设 备和生产库存产品的投资浪费 我们试图通过对制造系统的性能研究 建立一种 数学处理的方法 为生产计划的制订提供一些有益的参考 同时也为制造系统的 2 兰州理t 大学硕七学位论文 设计 改进 提供一些帮助 为此 首先给出制造系统中的一些基本概念 1 制造系统一是由若干机器 设备 传输机构 存储单元等组成 在计算机 控制下的集成生产加工系统 k i m e m i aa n dg e r s h w i n l 2 制造系统又分为流程工业 p r o c e s si n d u s t r r 和离散工业 d i s c r e t ei n d u s t e y 通常诸如石油生产 化工生 产 造纸工业属于前者 这类工业的生产过程大都是由连续操作或非连续操作过 程组成 而诸如汽车工业 冰箱生产工业 计算机生产工业 食品加工工业等属 于后者 它们的生产过程大都是由离散过程或批操作过程构成 般将较小的制 造系统统称为加工中心或工作站甚至就直接称为设备 本文不加区分工作站和机 器 设备 离散生产系统是典型的离散事件动态系统 d e d s 而连续生产系统是 对大批量生产制造系统的连续形式的近似描述 或者可以看成所谓的混杂系统 h y b r i ds y s t e m s 姜胜兵 黄志刚 3 吴兆春等 4 j 需要说明的是 目前在越 来越多的文献中 由于生产系统的概念更具一般性 故逐渐在行文中替代以前文 献里的制造系统 而且不加区分是属于流程工业还是离散工业 本文遵从目前文 献术语 以生产系统来描述所研究对象 而且用设备取代机器 2 计算机集成制造系统 c i m s 一是在信息技术 自动化技术与制造技术 的基础上 通过计算机及其软件把制造过程中的各种分散的自动化系统有机地集 成起来 适应环境 原料 市场的多变 达到最优的 具有高效益 高质量 柔 性的系统 熊光楞 5 1 具体地说 计算机集成制造系统是将生产活动的各个环节 有机地结合在一起的计算机一体化生产系统 郭沛俊 董文葆 6 3 离散和连续制造一离散制造是以工件的形式进行生产 连续制造是以物 料流形式进行生产 离散制造系统是典型的离散事件动态系统 而连续制造系统 是对大批量生产制造系统的连续形式近似描述 或者可以看成所谓的混杂系统 姜 胜兵 黄志刚 3 吴兆春等 4 1 4 制造系统的目标一使生产尽可能接近需求 且使库存尽可能低 也就是 说 要尽可能按照指定的日期发付订货 且使库存和生产费用达到最小 5 柔性一是指系统具有完成多种任务的能力 制造系统的柔性分成两类 产品柔性和过程柔性 前者是指制造系统可以生产不止一种产品的能力 后者是 指制造系统具有用不同的方法生产同一种产品的能力 柔性制造系统 f m s 是 指系统能以较小的切换时间或费用生产不止一种产品 g e r s h w i n l 6 随机性和不确定性一是指制造系统中存在许多可以控制的或不可以控制 的随机事件 如 加工时间 机器 设备故障 机器 设备修复 产品需求 原料 达到 设计或配置改变等 其中特别重要的是市场需求的不可预测性和机器 设备 故障的不可避免性 需要指出的是 这些随机事件的发生在本质上是离散的 7 同步 s y n c h r o n o u s 与异步 a s y n c h r o n o u s 生产线一生产线上所有设 备对 1 件的处理时间是确定的 相同的 称为同步生产线 各个设备对工件的处 混杂双设备乍产线系统件能分析研究 理时间是各自独立的服从指数分布或别的状态型概率分布的生产线称为异步生产 线 g e r s h w i n 1 8 依靠操作型故障 o p e r a t i o n d e p e n d e n tf a i l u r e 与依靠时间型故障 t i m e d e p e n d e n tf a i l u r e 一设备只有在工作情况下才可能发生故障称为依靠操作型故 障 不论设备工作与否都有可能发生故障称为依靠时间型故障 9 混杂系统 h y b r i ds y s t e m s 一是由连续变量动态系统c v d s c o n t i 肌o u s v h r i a b l ed y n a m i cs y s t e m s 和离散事件动态系统d e d s d i s c r e t ee v e n td y n a m i c s y s t e m s 相互混杂 相互作用而形成的统一的动态系统 1 3 生产线的解析模型及其假设性条件 生产线 p r o d u c t i o nl i n e s 一般是由缓冲区相互连接的多台设备 机器 设备 组成的 在文献中还有些类似的称谓 如传送线 t r 锄s f e rl i n e s 前后排队系统 t a n d e mq u e u i n gs y s t e m s 以及流水线 f l o wl i n e s 等 待加工的毛坯从系统 外部到达系统的第一台设备进行加工 然后进入第一个缓冲区 再进入第二台设 备进行加工 然后进入第二个缓冲区 再进入第三台设备 然后进入最后一个 缓冲区 再进入最后一台设备进行加工 最后退出生产线 生产线的生产执行情 况经常受到一些不确定因素的影响 比如 故障 维修 加工时间的波动等 设备 故障对生产线的性能影响很大 当一台设备发生故障时 不可避免的需要一定的 时间去维修它 在这期间 这台设备上游缓冲区中的产品数量就会增加 同时这 台设备下游缓冲区中的产品数量反而会减少 如果这种情况持续下去 上游缓冲 区中的产品数量就会达到缓冲区的最大容量 导致上游的设备发生 阻塞 现象 而下游缓冲区中的产品数量会减少到零 导致下游设备无产品可以连续加工 出 现所谓的 饥饿 状态 缓冲区的作用就是减轻这些不确定事件或因素的影响 通过临时的存储工件 一个缓冲区可以使生产线上的其他设备连续生产而不受故 障设备以及长时间处于加工状态设备的影响 以此提高系统的生产力 这个生产 力可以用生产量 t h r o u g h p u t 或 吞吐量 来描述 对生产线的性能进行研究 时 一般学者都只考虑两个指标 生产量 t h r o u 曲p u t 与缓冲区平均盈余水平 a v e r a g eb u f f e rl e v e l 对生产系统的性能进行评价是设计和改进生产系统的必要条件 因此 对其 进行建模和分析就显得非常重要 相关学者建立了很多不同类型的模型 大体上 可分为两类 仿真模型和解析模型 仿真模型通过计算机编程执行一系列的操作 来模拟整个事件 一些事件的概率论的性质 如设备故障 处理时间等可以通过 施加表示模拟事件发生的干扰样本代替 因此 为了描述系统典型的操作动作 需要让此仿真模型运行足够长的时间 以使所有事件都可以发生 解析模型用数 学或符号关系来表示整个系统 通过这些关系可以得到一个公式或者一个算法 4 兰州理t 大学硕士学位论文 进而可以求出系统的性能指标 一般来说 在合理的计算时间或数据存储空间内 要通过这些关系获得系统的性能指标并非易事 需要进一步的假设来修正这些关 系 因此 所建立的模型都是近似模型而非精确模型 为了验证这些假设 有时 可能还需要仿真模型 本文仅讨论解析模型 为了利用解析模型研究生产线的性能 我们需要引入一些变量来表示系统的 性能 对于设备来说 主要的参数有 处理 加工时间 o p e r a t i o nt i m e 平均 维修时间 平均故障时间 m e a nt i m et or e p a i r m e a i lt i m et of a i l 和输出 y i e l d 对于整条生产线而言 缓冲区的容量也是一个很重要的参数 1 加工时间 o p e r a t i o nt i m e 生产率 p r o d u c t i o nr a t e 加工时间表示在一台设备上完成一个操作所需要的时间 由于生产线是实现 对相似或相同零件大批量生产的 因此 生产线上的每台设备所处理的操作只会 有很小的差别 换句话说 即使操作时间有微笑的差别 我们也可以把它看作是 确定的 理想状态下 生产率是加工时间的倒数 换句话说 如果设备是完全可 靠的 并且加工时间为f 那么理想状态下的生产率为 j l l 1 f 2 平均维修时间 m e a nt i m et 0r e p a i r 平均故障时间 m e a nt i m et of a i l 平均故障间隔 m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e 平均维修时间表示设备经过维修 从故障状态到可用状态所需要的维修时间 而平均故障时间表示设备故障出现所经过的时间 因此 维修率为 尺 l 彻为m e a nt i m et or e p a i r 的缩写 表示平均维修时间 在一个给定的加工 过程中 当设备故障时 其维修率为 r f 同理 故障率为 f l 腓 脚为m e a nt i m et of a i l 缩写 表示平均故障时间 在一个给定的加工过程 中 当设备处于可用状态时 其故障率为 p f 脚 需要注意的是 通常 我们假设当设备处理工件的过程中 它只能发生故障 这就是所谓的依靠操作型 故障 i 椰f 为m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e 的缩写 表示设备的平均故障间隔 并且令 m 嘎b f k n t r k t f 由于在一个脚周期内 设备处于可用状态 其平均生产率为 j l l l f 在一个 周期内 设备处于故障状态 其平均生产率为 p 棚 o 因此 在 一个 仍f 周期内 设备的平均生产率为 1 膨刀f 1m 力f l 1 7 一 一 一一 th f i b ft f f 1 1 r n 6 呵ftr p 3 输出 y i e l d 输出表示总产量中的合格品的数量 通常 自动生产线的输出可以达到9 9 4 缓冲区 b u f f e r 具有容量有限的缓冲区是区分生产线模型与标准排队模型的主要标准之一 混杂双设备生产线系统性能分析研究 随着j i t j u s t i n t i m e 控制的出现 在许多生产加工操作中 小容量的缓冲区已经 成为一种要求 7 不过缓冲区的容量越小 生产系统某部分的缺陷或者故障就会越 容易迅速地传播到整个生产系统 所谓的 阻塞 与 饥饿刀现象的出现就会对 系统的执行 性能等产生重大的影响 其实 缓冲区的作用就是减轻这些不确定 事件或因素的影响 通过临时的存储工件 一个缓冲区可以使生产线上的其他设 备连续生产而不受故障设备以及长时间处于加工状态设备的影响 以此提高系统 的生产力 缓冲区传送时间就是一个零件进入一个未发生阻塞现象的缓冲区到离 开这个缓冲区的时间 除了c o m m a u l ta n ds e m e r y 8 和l i u 9 等 几乎所有的生产 线模型都假设缓冲区具有零传送时间 也就是说只要下游未发生故障的设备完成 了一个零件的加工 缓冲区就可以以零时间将下一个待处理的零件输送到这个设 备 这种假设是简化问题的需要 没有这个假设 问题的处理就会复杂点 但一 般只是计算或者转换上的问题 对远本质问题的解决并没有太大的影响 所以本 文仍然采用这个假设 举个例子来说明缓冲区的作用 设一条生产线上有5 台设 备 每台设备具有0 9 5 的生产效率 同时要求所有设备以单位时间生产单位产品 的速率进行加工 在依靠操作型故障的假设条件下 如果这条生产线没有缓冲区 那么整条生产线的生产能力就大约是o 9 5 5 或者0 7 7 3 8 但如果这条生产线具有无 限容量的缓冲区 平均生产能力就是o 9 5 那么是不是缓冲区容量越大越好呢 也不尽然 过大的缓冲区容量不仅可能带来附加的生产成本而且也有可能造成浪 费 这就有个度的问题 如何适当选择缓冲区的容量 既不造成缓冲区的容量过 大造成不必要的浪费 也不过小而日影响系统的生产能力 是一个很重要的问题 另外需要说明的是 实际许多工业系统都是将传送系统作为缓冲区来使用的 虽然缓冲区的存在减少了 阻塞 与 饥饿 现象的出现 提高了系统的生 产能力 但缓冲区和系统中的其它机械装置一样也可能出现故障 缓冲区故障实 际上是一个很重要的现象 l i p s e te ta 1 1 0 在他的一份关于一家美国汽车制造厂的 统计报告中称 制造系统的2 7 7 的停顿时间是由缓冲区故障引起的 这直接导 致了企业八个星期内生产能力1 0 3 和4 0 9 0 万美元的损失 1 4 国内外研究现状及发展趋势 1 4 1 国内外研究现状 早在上个世纪5 0 年代 众多学者就开始了使用解析方法对生产线系统进行建 模 分析 根据b u z a c o t t 1 1 1 的记载 最早是v l a d z i e v s k i i 1 2 1 用概率理论对生产线性 能进行了分析研究 接着 很多学者对不存在缓冲区和存在容量有限缓冲区的生 产线进行了研究 代表人物有h u n t 13 1 s u z u k i l4 1 a v i i t z h a ka n dy a d i n 1 5 m o r s e l l6 1 6 兰州理工大学硕士学位论文 b u z a c o n 1 l 1 7 1 b a r l o wa n dp r o s c h a n 1 8 和r a o 1 9 1 还有一些学者研究了带缓冲区的 可靠生产线 缓冲区的作用就是减小设备的加工时间的波动对生产率的影响 可 参见p a t t e r s o n 2 0 h i l l i e ra n db o l i n g 2 1 1 n e u t s 捌 2 3 1 h a t c h e r 阻 k n o t t 2 5 2 6 m u t h 2 7 1 a m m a ra n dg e r s h w i n 2 8 1 进入上世纪6 0 年代后 随着生产的发展和研究的深入 对可靠生产线的研究 越来越显示出其局限性 已远远不能满足生产发展的要求 对可靠生产线的研究 一个重要的假设是设备完全可靠 这在很大程度上是不符合生产的实际情况的 于是 对不可靠生产线系统的研究便随之展开并取得了很大发展 d a l l e 巧锄d g e r s h w i n 2 9 对1 9 9 2 年以前的研究情况做了详细的介绍和总结 一些相关的书籍有 b u z a c o t ta n ds h a n t h i k u m a r 3 0 1 p a p a d a p o u l o se ta 1 口1 1 g e r s h w i n 1 1 h e l b e r 3 2 1 a l t i o k 3 3 蝽 为了研究的方便 相关学者提出了三种分析不可靠制造系统的马尔可夫模型 一是离散同步模型 它是一种离散状态离散时间 d s d t 马尔可夫过程 它假设 零件依次进入设备进行加工 所有零件的加工时间是相同的 设备在一些离散的 时间改变状态 操作 故障 维修 空闲 b u z a c o t t 髓dh 髓i f i n 洲 g e r s h w i n 姐d s c h i c k 3 5 1 y e r a l a n 锄dm u t h 3 6 1 和g e r s h w i n 3 7 1 研究了这类模型 一种是离散异步模 型 它是一种离散状态连续时间 d s c t 马尔可夫过程 它假设要加工的零件离 散 加工时间独立并且服从指数分布或其它分布 g e r s h w i na n db e r m a n 3 8 b e 珊a n 3 9 1 c h o o n ga n dg e r s h w i n m 和j e o n ga n dk i m 4 1 1 考虑了这类模型 种是 连续模型 它是连续时间 离散状态和连续状态混合 m s c t 的马尔可夫模型 它假设设备的加工速度是一定的 与上面两种模型不同的是 它把零件看作是连 续流而不是离散的 d a l l e r e ta 1 4 2 b u r m a n 4 3 和h e l b e r 3 2 1 研究了这种模型 对于以上这些马尔可夫模型 在考虑双设备的情况下 系统性能如生产率和 缓冲区的平均盈余水平可得到精确解 如b u z a c o t ta n dh a n i n n i m j 得到了关于d s d t 的解 g e r s h w i na n db e r m a n 3 8 得到了关于d s c t 的解 g e r s h w i na n ds c h i c k 3 5 得 到了有关m s c t 的解 很多学者对双设备连续生产线模型也做了独立的研究 前期比较典型的如 z i m m e r n 4 4 对依靠操作型故障模型的研究和s e v a s t y a n o v 4 5 对依靠时间故障型模 型的研究 他们都是用一个连续生产流来近似代替工件在生产线上的加工过程 当一台设备既不处于 阻塞 状态也不处于 饥饿 状态时 它就以一个连续的 流率将工件从上游的b u f f e r 转移到下游的b u f f e r 中 故障间隔时间以及维修时间 都服从指数分布 对这样的依靠操作型故障的生产线模型p a s k o f 4 6 g e r s h w i na n d s c h ik 4 7 1 d u b o i sa n df o r e s t i e r 4 8 1 d a l l e r ve ta 1 4 2 b e r m a n 4 3 h e l b e r 3 2 都已经研 究和解决了相应的问题 特别是对于相似型生产线 g e r s h w i na n ds c h i k 4 3 j d u b o i s a n df o r e s t i e r 4 8 1 得到了相应的闭环解析表达式 而对于依靠时间型故障模型的类似 7 混杂双设备生产线系统性能分析研究 生产线问题 s e v a s t y 强o v 4 5 1 w i j n g a a r d 4 9 1 m i t r a 5 0 1 都做了相应的研究 g e r s h w i n 锄ds c m c k 3 5 l 尝试将他们的解析解扩展应用到三设备的不可靠生产 线 g e r s h w i n 1 对这些解做了详细的介绍 但是要获得设备数超过三台的不可靠生 产线的相关解析解就是非常困难的了 并非没有希望 造成这个困难的主要原因 是系统状态随设备数的增加呈指数级增长 就是所谓的 状态爆炸 o k a m u r aa n d y a m a s h i n a 5 l 可以说 从分析 评价的角度主要诞生了两种分析研究生产线近 似技术 一种是综合方法 a g g r e g a t i o nm e t h o d 综合方法的基本思想则是通过 用一台等价的设备代替双设备以及它们之间的缓冲区的方法来降低系统的维数 可参考a 卫c e l i na n ds e m e r 5 2 以及t e m c o la n dd a v i d 5 3 l 这个技术非常简单 可以 应用到相似型生产线也可以应用到非相似型生产线 不过与分解方法相比 虽然 对生产线执行情况的评价误差在允许范围内 但有时比分解方法的误差大 t e r r a c o l 觚dd a v 剐虽然对综合方法做了改进 但它过于复杂 一种是分解方法 d e c o m p o s i t i o nm e t h o d 分解方法的思想是将多台设备的生产线分解成一系列 的双设备生产线 并且这些双设备的生产线具有原始生产线的操作特性 g e r s h w i n 3 7 应用生产线分解方法研究了d s d t 模型 c h 0 0 n ga n dg e r s h w i n 4 0 贝0 主 要针对d s c t 模型提出了相应的分解方法 d a l l e r ye ta 1 4 2 j 针对连续模型提出了一 种d d x 算法 b u m a n 4 3 1 发展了这种算法 很多学者做了大量的工作来提高这种 技术的效率 如 d a l l e 巧e ta 1 5 5 t 0 l i oa n dg e r s h w i n 5 6 d a l l e 巧a n dl eb i h a n 5 d a l l e r ya 1 1 dl eb i h a n 5 8 等等 另外也有很多学者致力于扩展这种技术的应用范围 如b u r m a n 4 3 b o n v i k 5 9 等等 8 0 年代以后 现代工业的发展 使得产品的生命周期越来越短 这就要求产 品能够快速缩短生命周期 降低成本 提高产品性能 适应不断变化的市场需求 现代化制造业是中 小批量和多品种的生产 同时计算机技术的飞速发展 数控 机床的普及 使加工具有了更大的灵活性 更适合中 小批量和多品种的生产 为柔性制造系统的发展打下了很好的基础 相应的 对柔性不可靠制造系统的研 究也随之展开 n e m e c 删首先应用生产线分解方法用于研究能生产两种产品的生 产线的性能研究上 n e m e c 删把g e r s h w i n 3 7 所提出的算法进行