虚拟车间作业调度与优化

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虚拟车间作业调度与优化
Johnson 法
车间作业调度
对于n/ 2/ F/ Fmax问题,S.M. Johnson (1954) 提出了一个 有效的算法,具体步骤如下: ①从加工时间矩阵中找出最短的加工时间。 ②最短的时间若出现在M1 上,则对应的工件尽可能往前 排;最短时间若出现在M2 上,则对应的工件尽可能往后 排。然后将这些已排工件的加工时间从加工时间矩阵 中划去。最短加工时间若有多个,则任选一个。 ③若所有工件都已排序,则停止。否则,转步骤①。 这是在只有两台设备情况下的最优排序算法,同时也说明 工作的第一道工序和最后一道工序的加工时间对排序 的影响是主要的。 苏州大学
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虚拟车间作业调度与优化
车间作业调度
作业排序问题的目标是:资源的有效利用:对需求 的迅速反应;与最后期限符合。 对于作业的排序调度问题,R.W.Conway 等人 提出可用四个参数来表示。流水作业一般表示 为:n/ m/ P/ Fmax;单件作业排序一般表示为:n/ m/ G/ Fmax ；作业调度问题就是让这些参数取 最优解。
虚拟车间的布局设计与优化主要研究工作空 间和生产线的三维布局设计问题。在设计中所尊 循的原则是： 建立合理物流
减少排队时间
减少输送时间
减少装夹时间
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虚拟车间的布局设计与优化
约束原则
1）建立合理物流 各个生产单元的布置有利于建立合理的物 流，使总的运输路线最短、运输费用最小，这 是车间布局问题评价的主要标准。 2）减少排队时间 产量自动控制：在两台机床顺序加工同一种 零件，若第一台的加工能力强与第二台很多的 情况，采取安排产量，只有在两台机床之间的 工件数量小于某一确定的值和达到某一确定的 值时，第一台机床才开始启动。
虚拟车间控制系统
系统结构
• 多机器人生产线的计划合并策略示意图如图
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虚拟车间控制系统
系统结构
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虚拟车间控制系统
系统结构
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•作业相关图法：
作业相关图法
它是由穆德提出的，它是根据企业各部门之间 活动关系的密切程度布置相互位置。首先将关系密 切程度划分为A（绝对重要absolute），E（特别重 要），I（重要），O（一般），U（不重要），X （不予考虑）六个等级，然后列出各部门之间的程 度等级。使用这两种资料，将待布置的部门一一确 定出相互关系，生成主联系族，根据相互关系的重 要程度，按重要等级高的部门相邻布置的原则，安 排出最合理的布局方案。
虚拟车间控制系统
系统结构：
系统结构
一个层次性的多机器人虚拟生产平台的控制系统结构如 图。 第一层是控制系统的系统控制器， 它负责规划混合工件选择、工件混合率和多种类型 的工件流问题，并不断的给机器人分派任务。 第二层是控制系统的多机器人协调控制器 机器人接受到任务以后，首先把它们细分成动作序列 并存储在自己的执行计划队列中，在每个任务执行前， 必须取得执行计划合并的权限来保证这个动作对于其 他机器人和周围环境是协调的。 第三层是控制系统的计划合并模块 苏州大学
拟车间设计与分析提供集成的仿真环境和针对仿真结 果的分析价机制。
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虚拟车间技术概论 虚拟车间结构：
它是一个 Top-Down结构 从全局的虚拟 生产车间可以 逐层细化到虚 拟生产线，到 虚拟加工单元, 到具体操作。
结构
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虚拟车间的布局设计与优化
约束原则
虚拟车间的布局设计与优化约束原则：
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虚拟车间技术概论
虚拟车间内涵（四）
虚拟车间支撑平台的主要任务 ：
研究和开发
仿真平台
提 供
仿真环境
生产线模型库
决策知识库
建立
设备资源数据库
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虚拟车间技术概论
虚拟车间内涵（四）
在于研究和开发支持虚拟车间设计和分析的开式的 仿真平台，建立支持生产过程快速重组的生产线模型
库、决策知识库和产品与设备资源数据库，为开展虚
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虚拟车间技术概论
虚拟车间设计的主要任务 ：
虚拟车间内涵（二）
夹具
刀具 设备 它与车间中设备的利用率、产品的生产效 率等密切相关。如果设计不当，就会造成设备 利用率低、产量低、操作人员空闲多。 工件
组织起来
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虚拟车间技术概论
虚拟车间内涵（三）
虚拟车间分析的主要任务：
是研究虚拟车间的调度模型、投料策略与 排序策略的协同机制、多目标的调度算法，包 括投料策略、排序策略等，以直观的形式显示 调度方案的执行过程，并对制造单元内部各设 备之间的协调控制进行设计和优化，实现信息、 设计与控制的集成。
虚
1、虚拟车间技术概论 2、布局设计与优化
3、作业调度与优化
4、虚拟车间控制系统
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虚拟车间技术概论
虚拟车间定义：
为各种类型的软件、建摸工具及 支持在制造领域内解决各种问题的方 法学集成的一种隐语。
定义
它保证产品设计在制造阶段的成功实施， 是一个计划-仿真-优化生产系统的过程，具 有设计、测试、分析、优化生产布局、生产 线的可靠度的能力，实现快速、低成本、高 质量地完成所设计的产品的制造生产。
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虚拟车间作业调度与优化
车间作业调度
车间的作业调度问题是相当复杂的,是一种NP -Hard 问题。 车间调度需要考察以下几个方面: (1) 加工机器总数m; (2) 加工工件总数n 以及工件Pi 需要加工的工序数 Oi ; (3) 工件的工艺路线及加工时间x[ i ] ; (4) 工件加工的优先权和交付期。
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问题的分类及特点：
分类及特点
单机作业 按照生产系统复杂 程度，车间作业可分为：
流水线作业
多机并行作业 车间作业型。
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虚拟车间作业调度与优化
分类及特点
单机作业是简单的形式，即所有的操作任 务都在单台机器上完成，它的调度是简单的任 务排队问题。 流水线作业是按固定节拍和工序，工件顺 次流经所有工位的作业方式，它的调度问题在 于节拍的优化和生产批量的选择。 多机并行作业则是各工序以各自的批量和 节拍并行进行的作业。 车间作业的特点是资源和作业具有柔性。 包括产品柔性和路径柔性。车间作业调度的优 化问题一直被认为NP难题。
设计类型（四）
瑞典式流水线就是把 车间设计成圆形，每个工 作地是一个工人小组，人 数较多，负责一大套工序， 取消了传送带（强制节 拍），如图左图所示。 优点：质量高，能提 高工人积极性；但它产量 低。
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虚拟车间布局设计优化方法 • 物料运量图法
物料运量图法
概念： 物料运量图法是按照生产过程中的 物料的流向及生产单位之间运输量来布置作业 的车间和各种设施的相对位置。
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虚拟车间布局设计优化方法
作业相关图法
作业相关图法举例
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虚拟车间作业调度与优化 研究内容：
研究的是在尽可能满足约束条件（如交 货期）的前提下，通过对生产过程及物流的 分析，按调度与控制的原则有效安排生产， 协调多目标的实现，通过拟实仿真加工作业 的过程，在实际车间建设实施之前验证并修 改方案，以获得产品制造时间或成本的最优 化。
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虚拟车间技术概论
虚拟车间的任务：
任务
它研究如何在企业已有 资源（广义资源、如设备、 人力、原材料等）的约束下，
进行生产环境的布局及设备
集成、企业生产计划及调度 的优化、基于虚拟样机的工 艺规划及生产过程仿真等研 究。
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虚拟车间技术概论
虚拟车间研究的内容：
虚拟车间内涵（一）
1、 虚拟车间的设计 2、虚拟车间的分析 3、虚拟车间支撑平台技术。
方法：1、统计车间之间的物料流量，制定 物料运量表。 2、按运量大小进行初步布置，将车 间之间运输量大的安排在相邻位置。
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虚拟车间布局设计优化方法
物料运量图法
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虚拟车间布局设计优化方法
物料运量图法
部门01和02、部
门02和03、部门03
和04之间的运量较
大，应相邻布置。
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虚拟车间布局设计优化方法
设计类型（二）
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虚拟车间的布局设计与优
•按工艺过程布局：
设计类型（三）
又称工艺专业化布局，如图所示，就是按照工艺专业化 原则将同类机器集中在一起，完成相同工艺加工任务。 不同的产品可能代 表着完全不同的工艺要求 和操作顺序，多用途设备 的使用保证满足一系列工 艺要求所必须的柔性。
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虚拟车间的布局设计与优化 •瑞典式流水线：
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约束原则
3）减少输送时间 单件加工和输送方式会大幅度增加输送频率， 要尽量减少输送时间。 4）减少装夹时间
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布局设计类型：
固定式布局 按产品原则布局 按工艺过程布局
设计类型
瑞 典式流水线
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•固定式布局：
设计类型（一）
一些体积庞大笨重的产品采用固 定式布局。由于体积庞大笨重，不易
移动，所以采用产品不动，而将工作
地按生产产品的要求来固定布置，这 样一旦基本结构确定下来，其它一切 功能都围饶着产品而固定下来，如机 器、操作人员、装备工具等。 苏州大学
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• 按产品原则布局:
产品原
则布局适合 于重复加工， 即按对象专 业化原则布 置有关机器 和设施。