制药智能工厂生产物流调度系统柔性管控优化算法

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【关键词】智能工厂 调度算法
目前我国正处于“中国制造2025”的关键时期，能否搭上这列历史的快车，推动中国的新一轮工业技术革命发展，是历史对制药装备企业的一个重大考验。

将传统的制药生产与新技术在多方面深度结合，能对传统制药企业的生产模式进行创新升级，实现制药产业的“中国制造2025”。

由中国国家工业和信息化部研究编制的《医药工业发展规划指南》的出台给我国的制药企业发照指明了方向。

制药智能工厂柔性自动化生产线和自动化物流输送线是实现“智能制造”的重要途径。

但当将两者结合在一起组成“无人车间”时，两个系统不仅没有很好的结合提高生产效率，反而互相干扰，影响了生产。

国内外已有很多学者对提高柔性自动化生产线的设备利用率、减少生产周期、如何进行路径规划以减少输送距离和避免路径冲突等多方面进行研究。

但至今未有一个方法能实现柔性自动化生产线和自动化生产线的完美结合。

针对以上问题，我们对无极限的口服液灭菌生产物流线调度系统进行建模，来优化调度算法，提高生产线的效率。

1 问题描述
1.1 生产流程
为保证口服液的品质，灌装好的产品需要尽快进行灭菌处理。

无限极生产物流系统由装盘、叠盘、灭菌、冷却、拆盘、卸盘、直线往复式RGV 轨道、空盘循环辊道等部分组成，系统硬件包括若干辊道输送机、换向机、灭菌柜、风冷机、叠盘机、拆盘机、卸盘机、RFID 标签以及若干RGV 。

物流线装盘有10个并行工位，1个叠盘、
制药智能工厂生产物流调度系统柔性管控优化算法
文/徐玲1 祝军2
1个灭菌柜、1个风冷间和1个拆盘串联在一
起组成一个联合生产单元，共有8个联合生产单元，卸盘有8个并行工位。

装盘与联合生产单元之间、联合生产单元与卸盘之间均有直线往复式RGV 轨道连接，卸盘与装盘之间为环形双向辊道连接。

调度系统应能够将所有装盘机物料运送至同一个灭菌柜内灭菌，也可将灭菌柜内出来的灭菌盘输送至8台卸盘机进行卸盘，灭菌盘数量为460个，单台装盘机速度为8.4min/盘，灭菌柜速度为135min 每柜，卸盘机速度为8.4min/盘。

具体生产与运输流程如图1所示。

（1）装盘机将灌装线送过来的瓶子装入空盘中；
（2）装满的盘子由RGV 小车运送到叠盘机上，叠盘机将盘子堆叠到指定数量时就通过辊道送入灭菌柜中；
（3）为了保证产品能以最快的速度灭菌，灭菌柜的装填顺序是循环的；
（4）灭菌结束后，柜门打开，堆叠的盘子依次进入冷却区，当冷却时间达到后进行拆
盘；
（5）拆盘机拆卸出来的单盘又由RGV 小车运送至卸盘机，卸盘后的瓶子进入下一工位，空盘放入空盘循环辊道运输回到装盘机处。

无限极生产调度系统新增加了4个缓冲区辊道，以应对异常灭菌和批次切换等需求和约束。

为满足灭菌异常的盘子回流重新灭菌的需求，在回盘辊道设置两个缓冲区辊道，作为异常异常盘子的缓冲区。

同时，生产调度系统增加了异常清洗流程回盘辊道，用于将盘子由拆卸区运回装叠区。

在回盘区增加叠盘-拆盘设备和一段缓存辊道，在装盘生产节拍慢于卸盘生产节拍时，可将盘子叠起来，存放在缓冲区；在装盘生产节拍快于卸盘生产节拍时，可将缓冲区的盘子拆开，补充到回盘辊道。

1.2 生产系统调度复杂性
无限极生产调度系统的复杂性主要包括三方面：柔性复杂性、约束复杂性和变动复杂性。

1.2.1 柔性柔性复杂性包括
（1）生产线具有柔性，如装盘工位到叠盘工位之间最多有80种生产调度结果；
（2）辊道具有柔性，尤其是装盘前的辊道需要单节控制，路径和指令动态生成，才能
实现复杂的缓冲区管理功能；
（3）设备分区具有柔性，如装盘和联合生产单元之间的生产和物流调度，分为上、下两个独立的区域，然而当有设备故障时，分区将随之动态改变。

1.2.2 约束复杂性包括
（1）轨道布局约束，如直线往复式RGV 轨道、多台RGV 在轨道上的布局、以及备用RGV 在轨道的位置等影响了生产调度的范围，也限定了RGV 的路径规划方式；
（2）批次满足约束，包括灭菌柜中不能有两个批次，不满时用空盘补充；卸盘时先出旧批次，再出新批次，且不允许出现批次交叉等；
（3）当设备出现故障时，对应工作位上的生产能力跟上，生产才能持续稳定的运行；1.2.3 变动复杂性包括
（1）设备故障：调度系统有能力自处理设备运行时的故障；
（2）辊道故障：调度系统有能力对各路径进行评估，恢复系统正常调度；
（3）RGV 故障：调度系统有能力处理各
种RGV 故障；
（4）增减任务：调度系统能对新增的任务进行评估，对整个系统进行重新设置。

2 主要技术难点
项目的柔性管控包含两个柔性，一指设备具有柔性；二指路径具有柔性。

智能车间生产物流柔性管控面临的主要三个技术难点:效益提升、调度复杂和柔性适应。

2.1 效益提升
柔性智能车间对于生产性能提出了更高的要求，其中进一步提高资源利用率，实现设备负载均衡，缩短生产周期是提高柔性智能车间生产管控水平，提升智能车间综合效益的主要目标。

2.2 调度复杂
将智能物流与智能生产“无缝对接”是实现柔性智能车间的一大挑战。

其中路径冲突消解，最短路径规划，物料不断供，产品品种和批次严格区分、确保不混批，规范生产操作流程，进行生产数据全流程追溯等复杂调度需求是实现生产调度和物流调度系统的基础。

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2.3 柔性适应
柔性智能车间相对于传统自动化车间，需要面对和适应更多的柔性。

其中设备柔性允许生产多个产品和不同批次规格，并行工位的存在增加了路径规划和控制指令的柔性。

对于设备上线和下线、无序状态下启动等系统也需具备适应能力。

另外，还需具备人机交互和人工参与调度的适应能力。

系统只有具备了这些柔性适应能力，才能发挥柔性智能车间柔性特征的优势，进而提升智能车间的综合效益。

3 算法研究
本文主要是在原有的研发基础上，重点针对多AGV/RGV 复杂调度算法、动态实时调度算法、路径冲突重调度算法等进行完善和升级，拟采用如下关键技术解决方案：3.1 多AGV/RGV复杂调度算法
制药智能工厂生产物流调度系统应可防止上下RGV 碰撞，确保RGV 调度区域可动态划分，并根据实际情况变化。

因此，多AGV/RGV 调度的主要目标是提高AGV/RGV 利用率和缩短运输距离，其主要难点是路径冲突避免和死锁避免问题。

面向不同应用场景，可采用基于图论、移动闭塞技术、动态时间窗方法、Dijkstra 和A*等算法解决冲突和死锁问题。

3.2 动态实时调度算法
动态实时调度算法以静态调度算法为基础。

由于外界干扰以及AGV 性能波动等不可预测的因素会产生冲突，动态调度算法主要解决路口冲突和相向冲突。

由于假定AGV 速度相同，所以赶超冲突几乎不存在。

基于时间窗的动态调度算法可解决由于不确定因素导致的相向冲突和路口冲突。

动态实时调度模块用于完成基本的生产调度功能，其通信连接柔性自动化生产线的各道工序中的各台并行自动化设备。

WIP （在制品）在当前设备生产完成后，设备负责发送调度请求以使该WIP 进行下一工序的生产。

动态实时调度模块收到调度请求后，获取该WIP 下一工序的所有设备状态，根据设备利用率最大等原则，从这些设备中选择一个设备作为终点End ，将WIP 当前位置作为起点Start ，令Tabu （禁忌表，表示不可调度的设备列表）为空，建立输送任务Task=(Start ，End ，Tabu)发送给冲突和潜在冲突消解重调度模块。

对于冲突和
潜在冲突消解重调度模块发来的(Start ，End ，Tabu)，获取该WIP 下一工序的所有设备状态，根据设备利用率最大等原则，从这些设备中选择一个Tabu 以外的设备作为终点End ，将WIP 当前位置作为起点Start ，动态实时调度模块将新的输送任务(Start ，End ，Tabu)发送给冲突和潜在冲突消解重调度模块。

若无法选出可用设备，则请求一直等待。

3.3 路径冲突和潜在冲突消解重调度算法
路径冲突和潜在冲突消解重调度模块用于确保各个WIP 输送路径不冲突，也不存在潜在冲突。

冲突是指两个WIP 输送任务在同一段路径上相向而行，且各自终点都在对方的后边，从而两个输送任务都无法通过这段路径。

潜在冲突是指两个WIP 输送任务相向而行且不存在冲突，但路径有交叉，随着输送任务的持续，存在冲突的可能性。

对于动态实时调度模块发来的输送任务Task=(Start ，End ，Tabu)，冲突和潜在冲突消解重调度模块首先将Task 进行路径规划，并检测已有输送任务路径，若Task 与已有路径不存在冲突或潜在冲突，则将(Start ，End)发送至路径规划模块；若Task 与已有路径冲突或潜在冲突，则需要调用输送任务管控模块消解重调度，确保重调度后的输送任务满足生产工艺，同时没有路径冲突，也没有潜在冲突；若该路径冲突或潜在冲突无法消解，则令Tabu=Tabu ∪{End}，即将End 写入Tabu 以生成新的输送任务，并将更近后的输送任务Task=(Start ，End ，Tabu)返回动态实时调度模块。

4 总结
本文针对口服液灭菌生产物流线调度系统进行研究，在多AGV/RGV 复杂调度算法、动态实时调度算法和路径冲突重调度算法三个方面进行创新，促进了企业利用现代化技术对
生产车间进行改造升级，加快了企业的结构调
整，提升了企业的核心竞争力。

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作者简介
徐玲（1994- ），男，福建省福安市人。

硕士在读。

研究方向为图像图形技术方向。

祝军（1982- ），男，上海市人。

博士。

研究方向为自动化技术。

作者单位
1.同济大学 上海市 201804
2.上海海得自动化控制软件有限公司 上海市 201100
图1：无限极生产物流系统流程图。