一种车间生产调度仿真的优化方法

一种车间生产调度仿真的优化方法
作者：梁吉霖
来源：《沿海企业与科技》2006年第12期
［摘要］文章以制造企业的生成调度为研究背景，提出了一种针对车间生成调度的离散型仿真方法。

通过讨论车间调度仿真的主要原理、方法和运用表现，给出了车间生成仿真调度的业务流程和实现方法，并在某企业中试用运行。

［关键字］仿真；算法优化；生成调度；离散型
［作者简介］梁吉霖，广东工业大学计算机学院助教，研究方向：软件工程，算法设计，广东广州，510090
［中图分类号］ TH18［文献标识码］ A［文章编号］ 1007-7723（2006）12-0091-03vv
引言
最近十几年来，随着CIMS等先进制造系统的研究和应用的需要，进一步推动了制造系统技术的发展。

一种新的制造观——信息制造观，正在孕育和发展之中。

新的信息制造观的主要思想是，制造过程的实质可看作是对制造过程中各种信息资源的采集、输入、处理和加工处理的过程，最终形成的产品是信息的物质表现。

在新的信息制造观的指导下，本文结合企业个案的应用，论述仿真技术在制造企业车间生产调度优化中的应用。

一、车间生产的仿真调度
制造系统的生产调度问题是在制造资源、加工工艺等约束条件下，寻求一组控制和决策变量，使得某个目标达到或接近最优。

数学规划方法用一组等式或者不等式表示这种约束关系，通过推导和计算确定使目标函数最优的决策变量值，具有很好的优化效果。

但当调度问题比较复杂时，数学模型可能非常复杂，计算量大，也可能出现无解的情况。

这时候，仿真调度是一个不错的并且较为实用的解决方案。

由于在竞争激烈的市场环境中，一个重要的调度环境是动态的，并且需要不断的完善，本文将离散事件的仿真模型运用到动态调度当中，构建一个基于仿真的调度模块，主要由两个子模块组成：仿真机制和响应控制。

仿真机制是针对零件群和评价指标，衡量各种分派规则并选择出最合适的一种分派规则；响应控制可以周期性地监视系统的运行状态，并决定新的仿真开始的时刻。

仿真调度模块在数据仓库的基础上，结合联机分析处理，进行车间生产优化调度。

二、仿真调度的原理
仿真调度的基本原理是建立仿真调度模型，在仿真调度决策规则的引导下，在模型上试探性的经历整个加工过程，记录该过程中系统的状态变化，统计、处理并产生调度方案和性能数据。

因此仿真调度方法实际上是一种实验性和试探性的方法，不会出现无解的情况。

可以把仿真调度系统的输入数据分为模型参数、控制参数和决策规则三种，其输出包括调度方案和性能参数。

模型参数描述资源配置、订单要求、加工计划等信息，用于确定仿真调度模型。

控制参数包括订单的开始加工时间、批量等，对调度有很大影响。

规则是仿真决策的依据，例如排序规则和资源选择规则等，对调度有指导作用，使仿真向有利于调度目标的方向运行，在一定程度上具有优化效果。

本文研究的仿真调度采用以下几种排序调度规则类型：（1)简单优先规则，例如：先进先出、最短加工时间、最早到期日、最少作业数、下一队列工作量、剩余松弛时间等；（2)组合优先规则：通过对以上几个简单优先规则的组合来进行调度的优先规则；（3)加权优先规则：具有不同权重的优先调度规则，调度方案是针对设备、操作、原材料的调度的指令序列。

三、离散事件仿真的基本方法
1.仿真的三种方法
离散事件系统仿真中仿真进程的推进方法是十分重要的。

应用任何一种方法都应考虑如何选择下一事件，以便执行相应的程序模块来修改系统状态，进行各种统计计算。

根据处理的方法不同，可将离散事件仿真分成三类。

（1）事件调度法：这种方法有一个时间控制程序。

从事件表中选择具有最早发生时间的事件，并将仿真钟修改到该事件发生的时间，再调用与该事件相对应的处理模块，该事件处理完后返回时间控制程序。

（2）活动扫描法：在这类仿真中，系统由部件组成，而部件包含着活动，活动是否发生取决于规定的事件是否满足，因而有一个专门模块来确定激活条件。

若条件满足，则激活相应部件的活动模块。

（3）进程交互法：这种仿真方法的特点是采用两张事件表，即当前事件表与将来事件表。

它首先按一定分布产生到达实体并置于将来事件表中，实体进入排队等待；然后对当前事件表进行活动扫描，判断各种条件是否满足；再将满足条件的活动进行处理，仿真钟推进到服务结束并将该实体从系统中清除；最后把将来事件表中是当前事件的实体移到当前事件表中。

2.仿真方法在调度中的作用
仿真方法在调度中的作用表现在三个方面：
（1）调度方案的验证、评价和选择。

这是仿真在调度方面最早的应用。

制造系统的调度问题具有NP－hard特性，为了减少计算量，基于优化方法的调度通常要对实际系统进行较多的简化，这就需要对模型的正确性和调度的合理性进行检验。

（2）确定控制及决策规则。

生产过程是复杂过程，经常面临决策和选择，比如，当多个工序竞争同一设备时，如何选择工序；当多台设备都可以进行某个工序时，如何选择设备：当工件的工序可以互换时，如何确定下一道工序。

针对不同的决策和选择，采用不同的规则及组合，会得到不同的生产效果。

采用仿真方法作为辅助工具，对特定的系统和问题建立仿真模型，规则作为变量，通过仿真、分析和比较，确定有利于调度目标的控制和决策规则。

（3）仿真直接用于调度。

这是最近几年仿真技术的最新的应用。

对于生产调度方法的五个特征，离散事件仿真技术都能够满足，具有直接用于调度的潜力。

3.车间生产仿真调度业务流程
本文研究的仿真调度的流程如图1所示。

（1）通过调度接口从AMS数据库中获取所需的零件信息，包括零件加工路线、工艺顺序及工序时间等；
（2）控制层中获取有关AMS的车间状态信息；
（3）将上述零件信息和车间状态信息发送给CTPN仿真器；
（4）运行CTPN仿真程序，根据给定的调度准则从分派规则库中选择适当的分派规则来解决CTPN中的冲突，并根据仿真结果选择最佳的规则或规则组合；
（5）将上述最佳的规则或规则组合发送给调度方案生成器以生成最终的调度结果；
（6）将调度结果通过调度接口发送到控制层。

上述步骤是调度机的正常工作过程，当AMS系统发生扰动时（如设备故障、急件加入等），调度机必须具有再调度的能力。

再调度的工作流程如下：
（1）控制层基于CTPN的分派器中获得当前的CTPN标记信息；
（2）上述标记信息发送给CTPN仿真器，并作为CTPN仿真器的初始状态；
（3）重新运行CTPN仿真程序，并将再调度结果发送给控制层的分派器。

四、结语
本文针对离散型企业敏捷化生产的仿真调度作为研究和开发对象。

融入仿真控制调度方法，对动态生产车间仿真调度进行了系统的研究。

完成了生产车间调度法的设计和性能仿真。

最后成功地编制出具有一定实用价值的生产车间调度软件，并采集了工厂数据进行试运行。

［参考文献］
［1］胡峰,孙国基,卫军胡.动态系统计算机仿真技术综述［J］.计算机仿真,2000,（17）.
［2］屠仁寿,李伯虎,王正中.当前仿真方法学发展中的若干问题［J］.系统仿真学报,1998,（2）.
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