基于eM—Plant的生產線人員優化配置方法

崔建亭

摘 要：計算機仿真技術在生產線工藝規劃、布局規劃和資源配置等方面發揮著非常重要的作用。簡要介紹了計算機仿真技術在制造業中的應用，并將產品原則布局生產線人員的配置問題轉換成求解最小工作地的問題，著重介紹了用仿真軟件自帶遺傳算法工具箱實現人員優化配置的主要思路和方法。

關鍵詞：eM-Plant；遺傳算法；人員優化配置；計算機仿真技術

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.086

近年來，制造技術和自動化技術在迅速發展，但是，人工作業在生產過程中依舊占有較大的比例。對于小批量多品種的生產需求，可利用產品原則布局生產工藝。研究生產線人員的優化配置，對于提高人員的利用率、實現負荷平衡、提高生產效率和降低生產成本具有非常重要的現實意義。

1 計算機仿真技術和仿真軟件

仿真是對現實系統的模仿。通過運行模仿的模型可以對相關問題作出評價和決策。在制造業中，仿真技術在縮短生產線規劃周期、降低生產成本和提高生產效率等方面發揮著重要的作用。特別是對于處理一些大規模和復雜的制造系統的設計和規劃，計算機仿真技術有顯著的作用。

現階段，生產系統仿真軟件有Systems Modeling公司的Arena，Lanner公司的Wintness、Flexsim，Software Products公司的Flexsim和Tecnomatix 的eM-Plant等軟件。這些軟件都是優秀的，面向對象、圖形化的集成建模仿真軟件，它們可以快速搭建系統仿真模型，通過參數輸入快速獲得仿真結果，對分析、評價和改進制造系統具有很高的參考性和指導性。其中，eM-Plant又名Plant Simulation，是一款優秀的仿真軟件。該軟件集成了功能全面的工具箱，可以方便、快速地建立大型的復雜模型。本文基于eM-Plant軟件，利用其集成的遺傳算法工具解決生產線作業人員優化配置的問題。

2 生產線人員優化配置方法

按照生產布局，主要將其分為產品原則布局、工藝原則布局、成組原則布局和固定位置布局。由于產品原則布局是近年來比較熱門的生產布局，所以，本文主要研究產品原則布局的人員優化配置。

對于產品原則布局生產工藝，設備的布置完全是按照產品生產流程確定的。在產品原則布局的生產線中實現人員的優化配置，就是通過合理的安排，將人員最大限度地利用起來，即在給定生產節拍的情況下，實現作業人員最少。如果將每個作業人員的作業任務作為一個工作地，那么，這個問題就可以轉化為給定作業生產節拍的生產線平衡問題。生產線平衡就是將所需要的作業任務分配到特定工作地的過程，同時，要滿足作業任務先后順序的約束。人員優化配置的問題可以通過求解最小工作地的方法來解決。

生產線平衡問題可以利用遺傳算法求解。eM-Plant仿真軟件集成了遺傳算法操作工具（GAOptimization）和遺傳算法排序工具（GASequence），通過eM-Plant仿真軟件可以解決人員優化配置的問題。

運用遺傳算法求解生產線問題的主要步驟和思路是：①問題的表述和編碼。將問題的特征用編碼方式清楚地表達出來，這是GA應用的關鍵。對于ALB問題，最合適的方法就是采用加工順序進行編碼。在eM-Plant仿真軟件中，編碼是通過遺傳算法排序工具完成的。②選取初始種群。考慮到目標問題的染色體數，即作業任務數，工作地數量遠小于作業任務數，所以，可以將工作任務數作為初始種群的大小，通過設置仿真軟件遺傳算法操作工具的相關參數來實現。③設置適用度函數。模型的存在是為了實現作業人員配置最優化這個問題，為了實現這個目標，不僅需要考慮工位最少，還要考慮每個工位的作業時間大致相同，這樣就保證了每個工人的負荷均衡。因此，可以將平衡指數和工位指數2個指數目標作為適用度的目標函數。④設置終止條件，如何選擇終止代數，目前沒有具體的理論依據。一般來說，當達到一定程度后，解的空間變化不大。一般通過設置最大迭代次數或者規定目標函數的取值范圍來終止算法，可以根據具體的問題設置遺傳算法工具的終止代數。

平衡指數（Smooth Index，簡稱SI）主要體現生產線的平衡情況，其公式為：

式（1）中：STj為分配到j個工作地所有任務的時間和；m為工作地數。

工位指數（Machine Index，簡稱MI）主要體現了工位的負荷平衡，其公式為：

適用度為：

式（3）中：a1為目標的權重，生產效率和工人負荷的權重可以根據需要設置。將適用度的內容用SimTalk語言編寫程序，然后再控制選項卡中關聯這個程序。

尋優求解ALB問題的過程是：①產生初始編碼。②進行工藝約束的檢驗，交換、調整編碼中不符合工藝約束的編碼位置，將合理的編碼作為父代，經過交叉、變異等遺傳操作產生后代，所有的編碼都必須經過合理性檢驗，經過一定的搜索深度得到最優的結果。通過軟件輸出的最小工作地數量，從而得到最優化的作業人員數量；通過每個工作地中分配的作業任務，得到對應作業人員的工作任務，從而完成生產線作業人員的優化配置。

3 結論

在eM-Plant仿真軟件中建立模型，并利用遺傳算法工具求解生產線平衡問題，從而解決產品原則布局中作業人員優化配置的問題。這種方法簡單易用，可以方便、快速地解決實際生產中的人員配置問題。

參考文獻

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