基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的車間動態(tài)物料配送問題研究

楊 清，張彥如，馬 靖

（合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院，合肥 230009）

0 引言

隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展和生產(chǎn)力水平的不斷提高，汽車制造業(yè)的發(fā)展已由小品種大批量生產(chǎn)模式向多品種小批量或客戶定制化生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的物料配送方法已經(jīng)不能完全適應該生產(chǎn)模式的環(huán)境要求。由于當前的裝配過程透明化程度不高，很多物料或者影響物料配送的信息不能被實時獲取、傳遞和共享，造成物料配送滯后，從而導致線邊工位出現(xiàn)缺料或余料堆積現(xiàn)象。

近年來，隨著傳感技術(shù)、網(wǎng)絡通訊技術(shù)、無線射頻識別（Radio Frequency Identif i cation，RFID）和圖像識別等技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things，IoT）應運而生，其目標是通過“物物互聯(lián)、感知制造”網(wǎng)絡環(huán)境下的傳感器、射頻識別與圖像識別等技術(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫及中間件技術(shù)，采集和監(jiān)控物品信息，實現(xiàn)對物品的實時感知和識別，達到對生產(chǎn)過程和物品的準確定位、實時追蹤和嚴格監(jiān)控[1]。RFID作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的典型代表，在制造企業(yè)已被逐漸采用和推廣，RFID應用于PLC的制造執(zhí)行系統(tǒng)，以實現(xiàn)對裝配線物料的監(jiān)測和控制[2～4]；蔣明哲[5]等研究了RFID技術(shù)在汽車總裝物流聯(lián)合庫存管理中的應用；梁昌勇[6]等將RFID技術(shù)融入到JIT生產(chǎn)管理模式中，使物料配送與裝配流程協(xié)同運作；葛茂根[7]等綜合考慮了物料運輸成本、運輸時間和線旁庫存等因素，構(gòu)建了多目標準時物料配送模型；李晉航[8,9]等對配送環(huán)節(jié)中存在的不確定因素進行模糊機會建模，優(yōu)化了配送路徑或在配送路徑問題上考慮了時間窗等約束；沈維蕾[10]等引入工位元概念，并對產(chǎn)品裝配過程中實時狀態(tài)進行監(jiān)控，實現(xiàn)了車間生產(chǎn)信息和物料信息的融合。

本文在大部分學者研究的基礎上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)多源采集技術(shù)，提出根據(jù)剩余運力、關聯(lián)程度和生產(chǎn)計劃為目標的動態(tài)物料配送模型，實現(xiàn)對制造資源的識別跟蹤，使傳統(tǒng)黑箱裝配過程透明化，以滿足裝配車間物料配送的時效性要求。

1 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的數(shù)據(jù)感知與集成

1.1 典型的物料分類方法

由于機械產(chǎn)品裝配生產(chǎn)線工況復雜，物料種類繁多，大小形狀各異。因此，本文結(jié)合ABC[10]物料分類方法，根據(jù)裝配車間物料自身的特點和用途以及多元數(shù)據(jù)采集技術(shù)，對ABC物料屬性進行了形式化定義。物料類型將成為下文物料配送工位園的劃分依據(jù)之一。ABC物料的分類及特點如表1所示。

1.2 數(shù)據(jù)感知與集成

混流裝配車間裝配過程涉及的信息多元豐富，單一的數(shù)據(jù)采集不能提供及時準確的信息，信息的滯后及失效將造成各種指令的延時甚至錯誤下達，因此數(shù)據(jù)全方位實時采集是裝配車間能夠傳遞并挖掘數(shù)據(jù)信息的關鍵。圖1為多源異構(gòu)數(shù)據(jù)感知與集成模型。

1.2.1 物料的標識與采集

不同的物料類型，采用的標識和采集方式不同。A類物料通常用RFID電子標簽、一維碼、二維碼和鋼字碼來標識。通過過點掃描的方式觸發(fā)物料的數(shù)量變化，當A類物料進入物料消耗工位時，通過RFID、掃描槍等感知TAG中的物料編號、物料類型、所屬訂單等靜態(tài)信息，根據(jù)物料編號獲得物料清單，按照物料消耗的計劃，獲取實時消耗數(shù)量，更新線邊庫存信息。B類物料則與周轉(zhuǎn)號綁定，主要采用批次采集的方式，當A類物料經(jīng)過關鍵件裝配工位時候，人員掃描磁性碼（磁鐵與一維條碼的結(jié)合）或其他標簽，裝配完畢手動確認后，進行一次過點消耗，根據(jù)關鍵件的BOM裝配數(shù)量將線邊庫存進行減扣，并將當前關鍵件批次碼與A類物料磁條號綁定。在裝配過程中通過視覺傳感器識別B類料種類、線邊庫數(shù)量、零部件報廢數(shù)量等；智能料箱料架所配備的光電開關進行預報警，當物料消耗至安全庫存量時，光電開關感知不到物料信號，觸發(fā)聲光報警器，進行物料拉動。C類物料通過掃描產(chǎn)品出生證，根據(jù)物料清單實現(xiàn)一次消耗。

表1 ABC物料分類及特點

圖1 多元數(shù)據(jù)感知與集成

1.2.2 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與集成

多元的數(shù)據(jù)采集方式提供了實時豐富的原始數(shù)據(jù)來源，需要對這些初始數(shù)據(jù)進行異構(gòu)性處理才能將其轉(zhuǎn)化為可利用的有效信息。本文采用中間件技術(shù)和多源數(shù)據(jù)集成組件來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與集成。中間件技術(shù)屏蔽了各類數(shù)據(jù)的異構(gòu)特性，包括傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)量等，通過對不同硬件采集和傳輸協(xié)議進行轉(zhuǎn)換，將不確定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為確定的信息；集成組件根據(jù)規(guī)范格式和映射、轉(zhuǎn)換關系，對各類緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，進行特征提取、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通過相應的去重、凈化、轉(zhuǎn)換、融合完成數(shù)據(jù)集成，為應用層的數(shù)據(jù)挖掘提供服務。

2 動態(tài)配送方法研究

本文所提出的RSI-DMD動態(tài)物料配送模型的構(gòu)建基礎是VDWP（Virtual Distribution Workstation Garden）。VDWP是將發(fā)出物料呼叫信號的工位作為主要配送工位，綜合考慮一次配送過程中其他工位與主配工位配送影響因素及關聯(lián)程度，在滿足主配工位需求的前提下，根據(jù)剩余運力、關聯(lián)程度和生產(chǎn)計劃確定輔配工位的個數(shù)、物料種類和數(shù)量，為多個工位進行物料配送。

2.1 配送流程

在制造執(zhí)行系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)模塊創(chuàng)建產(chǎn)品基本信息，在物料管理模塊進行物料配置，在計劃調(diào)度模塊中配置計劃需求或從上層ERP系統(tǒng)中獲取計劃信息。根據(jù)當日生產(chǎn)計劃，獲取物料配送等相關信息。本文主要研究在生產(chǎn)過程中物料ANDON系統(tǒng)發(fā)出呼叫后的多工位配送方法，不包括其他異常情況下的物料配送。當發(fā)生物料呼叫后，將呼叫工位作為主配工位，根據(jù)呼叫工位與物料之間的映射關系確定需求物料的類型、物料種類和數(shù)量，根據(jù)物料類型縮小輔配工位的范圍，將與主配工位物料類型不符的工位排除在外，不參與VDWP的構(gòu)建，以便于統(tǒng)一出唯一種類的物料配送方式。同時通過MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊和實時監(jiān)控模塊獲取工位各項實時指標數(shù)據(jù)，根據(jù)動態(tài)物料配送方法構(gòu)建VDWP，生成物料配送方案，選用物料配送方式，并通過可視化模塊監(jiān)控物料配送的執(zhí)行狀態(tài)。該方法能夠根據(jù)每次物料呼叫生成實時配送計劃，從而實現(xiàn)物料的實時配送。

2.2 動態(tài)VDWP

劃分動態(tài)VDWP的步驟包括：1）求出相關工位的關聯(lián)度；2）根據(jù)主配工位的剩余運力、工位關聯(lián)度及生產(chǎn)計劃確定哪幾個工位作為同時配送的輔配工位。

工位關聯(lián)度是反映物料呼叫工位與其他工位配送關系的密切程度。關聯(lián)因子主要包括工位生產(chǎn)節(jié)拍（線邊庫存）、庫位距離、物料消耗相似性、工藝相關性等。將這些因素量化表示為：

式中，uj表示編號為j的裝配工位，j=1,2，…，n；

me（A/B/C）k表示編號為k、物料類型為A/B/C類的物料，k=1,2，…，m；

ej1、ej2、 ej3、ej4表示第j個工位關于的第f（1,2,3,4）項關聯(lián)因子的指標值

Njk表示j工位物料k的線邊庫存量；

Fe表示計劃期內(nèi)有效工作時間；

N表示計劃期內(nèi)生產(chǎn)任務數(shù)量（含廢品量）；

Sjk表示j工位物料k的安全庫存量；

Vjk、Gjk、Cjk為j工位k物料的體積、重量和價值；

ε0、ε1表示以上兩類距離的重要度系數(shù)；

δV、δG、δC為物料體積、重量、價值的權(quán)重系數(shù)；

B0表示主配工位的工序編號；

Bj表示j工位的工序編號；

dj0表示j工位到當日庫行車距離；

dj1表示j工位到主配工位行車距離；

V0、G0、C0表示主配工位需求物料的體積、重量和價值。

本文利用集值統(tǒng)計法[11]確定專家對關聯(lián)因子的權(quán)重值rf。選擇p位專家對f（f=1、2、3、4）項關聯(lián)因子評分，評分不能超出設定的上下界限，關聯(lián)因子對確定輔配工位的影響越大，評分越高。p位專家的評價量化區(qū)間結(jié)果為[α1f,β1f], [α2f,β2f], …,[αpf,βpf]。這p個評分量化區(qū)間疊加在一起形成了一個集值統(tǒng)計序列，反映在評價值軸上是用樣本落影函數(shù)表示的一種分布：

由式(2)～式(4)得出各項關聯(lián)因子的權(quán)重值rf，根據(jù)各個工位的實時數(shù)據(jù)及式(1)，得到工位關于關聯(lián)因子的具體量化值。

式(5)將具體量化值轉(zhuǎn)換為關聯(lián)矩陣表中第j個工位關于第f項關聯(lián)因子的價值評定量，式(6)為第j個工位的關聯(lián)度值。根據(jù)Vj進行降序排列，確定各工位與主配工位的配送關聯(lián)程度。VDWP采用關聯(lián)矩陣的方式表示為：

其中ul為第l個輔配工位，Sl為安全庫存，Nl為線邊庫存，Ml為最大庫存，Pl為計劃生產(chǎn)量，ql為配送量，Qa為配送車輛a的承載量，q0為主配工位物料需求量。式(7)和式(8)確定了工位關聯(lián)度排序中的前l(fā)個工位及配送任務，至此VDWP由主配工位u0和輔配工位[u1,u2, …,ul] 構(gòu)建完成。

3 實例驗證

本文以建立在物料ANDON系統(tǒng)上的物料呼叫為觸發(fā)事件，應用多元數(shù)據(jù)采集方式獲取物料配送的相關數(shù)據(jù)，如視覺傳感器能準確獲取物料類型和種類；C類物料數(shù)量多，損費率高，不易統(tǒng)計，RFID技術(shù)對C類物料的消耗量能夠準確的獲取，避免C類物料的浪費；而各類傳感器能有效感知線邊物料的實時數(shù)據(jù)，降低物料延遲或提前配送的風險等，將這些實時數(shù)據(jù)作為輸入以物料消耗及配送影響因子為約束條件，以生產(chǎn)系統(tǒng)知識庫為支撐，通過模型運算，構(gòu)建動態(tài)VDWP，生成多點配送計劃單。下面以某車橋公司為例，應用上述方法進行實時物料配送。將表2中3組數(shù)據(jù)作為輸入，物料重量和體積轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一當量，序號0代表物料呼叫工位，即主配工位。表2中配送量前后的數(shù)據(jù)對比可以反映出物料配送的準確性，在滿足3組主配工位物料需求的基礎上，同時滿足其他6個工位的潛在需求，降低了物料呼叫次數(shù)，提高了配送運力利用率和準確率。如VDWP1中，配送運力為50，輔配工位u1和u2在建立VDWP之前配送量為12和7，建立后配送量為14和6，精確了配送數(shù)量，提高了配送運力。

表2 物料配送計劃及效果

4 結(jié)束語

本文針對當前車間物料配送不透明不及時問題，提出了RSI -DMDM體系架構(gòu)，通過多元數(shù)據(jù)感知技術(shù)及相關中間件技術(shù)，構(gòu)建多源數(shù)據(jù)集成組件，完成數(shù)據(jù)的存儲、融合、分析及反饋，為配送模型提供實時數(shù)據(jù)信息；針對物料呼叫后的單點配送模式，提出動態(tài)多點配送方法，綜合考慮了多工位的及時需求和潛在需求，減少物料呼叫次數(shù)，解決配送運力利用不充分的問題，提高配送效率和配送運力利用率。

[1] 張映鋒,趙曦濱,孫樹棟,等.一種基于物聯(lián)技術(shù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)實現(xiàn)方法與關鍵技術(shù)[J].計算機集成制造系統(tǒng),2012,(12).

[2] 譚杰,趙晝辰,何偉,等.基于RFID的生產(chǎn)線物料監(jiān)控系統(tǒng)的設計與應用[J].計算機應用研究,2006(7):119-120,125.

[3] Yingbin F, Pingyu J.RFID Based e-quality Tracking in Serviceoriented Manufacturing Execution System[J].中國機械工程學EI,2012,25(5). DOI:10.3901/CJME.2012.05.974.

[4] Zhong R Y,Huang G Q,Dai Q Y,et al.RFID-enabled real-time manufacturing execution system for discrete manufacturing:Software design and implementation[C].

[5] 蔣明哲,朱義生.RFID技術(shù)在汽車整車總裝物料配送過程中的應用[J].計算機技術(shù)與發(fā),2013,1:063.

[6] 梁昌勇,徐彬,俞家文,等.基于RFID的汽車總裝物料配送過程的Petri網(wǎng)建模與仿真[J].機械設計與制造,2009,(9).

[7] 葛茂根,劉明周,錢芳,等.基于JIT的多目標總裝準時物料配送方法[J].中國機械工程,2011,23:2834-2838.

[8] 李晉航,黃剛,賈艷.多模糊信息條件下的物料配送路徑規(guī)劃問題研究[J].機械工程學報,2011,(1).

[9] 周克彬.汽車總裝線物料配送的關鍵技術(shù)研究與應用[D].華中科技大學,2007.

[10] 沈維蕾,馬鵬輝.基于MES的混流裝配線物料配送方法研究[J].合肥工業(yè)大學學報自然科學版,2013,36(10):1166-1169.

[11] 汪培莊.模糊集與隨機集落影[M].北京:北京師范大學出版,1985:39-72.