工業工程生產線規劃的模塊化研究

摘要 利用模塊化設計思想，提出一種基于模塊化的生產線規劃方法。通過遺傳算法對模塊進行構建或重構。從而實現生產線的快速構建與重構，以適應市場產品多變的需求。

關鍵詞 模塊化設計 生產線規劃 遺傳算法 多agent

中圖分類號：F270 文獻標識碼：A

筆者利用模塊化設計思想，提出了一種基于模塊化的生產線規劃方法。該方法將可重構單元作為生產線的基礎模塊，通過對基礎模塊的增刪或調整，達到了改變單元和生產線的加工能力的目的，以適應市場產品多變的需求。

一、可重構單元

制造單元是制造系統的最基本單元，也是先進生產模式實施的基礎。它集高效率、高柔性和高質量于一體，不僅適合中小制造企業，而且通過組合不同加工能力的單元，可構建出滿足大型制造企業需求的生產線系統。因此，單元的構建與重構，是實現生產線快速構建與重構的基礎。

（一）可重構單元的設備。

在制造單元內，除緩沖站和物流傳送設備外，其結構核心是加工設備。許多企業為使加工設備適應未來的加工需求，通常選擇功能較強的加工設備。但實際上，生產中80%的加工中心只應用了其20%的功能。這種通過保留過多的功能冗余，提高設備乃至生產線加工柔性的辦法，會造成投資浪費。

為降低單元內設備的功能冗余。提高設備的利用率，便于單元的功能拓展，應按工藝要求選擇功能互補型設備；為便于單元的重構，單元內的加工設備按串聯方式布置，并在車間內建立相應的公共地基。單元內配置的加工設備的類型和數量可按工藝優化的原則，通過更換、增刪和調整排列次序進行單元重構，從而適應零件加工需求的變化。通常，當加工對象發生變化且調整前后加工費用的差額大于調整費用時，需進行調整，否則，不必替換設備或改變設備的物理布局，而只需對單元進行動態邏輯重構。納入動態邏輯重構單元內的設備可以是生產線上相鄰單元內的設備。如果用這種方式仍不能獲得所需加工能力。可以通過互聯網，組合異地單元的加工設備，構建虛擬單元完成加工任務。

（二）基于多目標規劃的單元構建。

依據前面提到的可重構單元設備的選擇要求，選定所需設備后，就要進行單元構建。單元構建包括設備分組、零件分組以及單元布置。目前，單元構建的算法有多種，側重點各不相同，但一般都局限于獨立解決問題的一個方面，而忽視三方面要素的交互影響，從而制約了單元構建目標的最佳實現。通過分析，單元構建模型的目標函數可定義為：

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即工件的平均流程時間最短。式中為工件總數；tp為工件數p的流程時間，包括其加工時間以及在設備和單元間的轉移時間。約束條件包括：（1）每臺設備或每個零件只能屬于一個單元；（2）單元內設備功能互補，并保持負荷均衡；（3）單元內至少分配一個零件；（4）工件所屬單元至少包含一臺可加工其作業的設備；（5）按工藝順序要求加工零件；（6）零件的轉移時間與路程成正比；（7）單元內設備數應少于設備總數。

加入約束條件后的目標函數采用傳統方法很難求解。為此，作者應用遺傳算法提出一種基于多目標規劃的單元構建方法，并采用二維編碼方案對問題域進行編碼，即染色體各基因座由兩位元素（x1，x2）組成，x1表示該設備或零件所屬單元編號，x2表示該設備或零件的位置或排序權重。這樣，設備染色體代表設備的分組和排序，零件染色體代表零件的分組和排序。而一條由設備染色體和產品染色體組成的二維染色體，就代表一種設備規劃與零件排序方案，從而同時解決了單元構建的三方面問題。初始染色體采用隨機方式產生，并利用約束條件檢驗其有效性。適應度函數定義為：

=

為目標函數，分子為當代所有個體目標值之和，是轉換后的適應度函數。針對二維編碼特點，交叉算子采用一點與兩點匹配交叉相結合的方法。變異操作時，對同一染色體中出現的重復基因要進行相應的匹配交換。此外，為加快算法收斂速度，迭代過程中將動態保留歷代優解。通過該方法構建的單元是一組由加工設備串聯構成的自治化整體，并且加工設備的功能彼此互補，冗余較低。在實際加工中，單元中加工設備的類型和數量還可以根據產品族的不同進行調整和重構。

二、基于模塊化的生產線規劃

生產線的規劃形式取決于生產類型，其基本形式可分為4種：產品原則布置、工藝原則布置、成組原則布置和固定工位式布置。依據這些原則，先后出現了機群式制造系統、剛性制造系統和柔性制造系統。相比而言，后者能加工較多的零件品種，但只限于所設定的同族零件內。因此，為使規劃設計出的生產線既能夠滿足當前的加工需求，又能夠在加工需求在一定范圍內發生變化時，很容易進行調整重構。作者利用模塊化的設計思想，以可重構單元作為構建生產線的基礎模塊，提出一種基于模塊化的生產線規劃方法。

基于可重構單元的生產線結構可將重構單元作為單元模塊，通過在生產線基型結構上靈活組合，實現生產線的快速構建和重構。

生產線基型結構是由物流出入口、緩沖站、物流主通道等組成，其布局形式直接影響生產線的結構。生產線基型結構與各模塊之間通過緩沖區將各物流傳送系統相連，并通過對模塊的增刪或調整改變單元和生產線的加工能力，實現生產線的快速構建和重構，以適應市場產品多變的需求。這種采用模塊化設計方法構建的生產線，具有易于重構、易于動態組織、具有較高的柔性、易于實施多品種并行生產和混流生產等優點。□

（作者：桂林電子科技大學CSIP中心，副研究員，碩士）