不確定加工時間下裝配過程物料配送方法研究

沈維蕾,　鐘岳昕,　王　強

(合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院,安徽 合肥　230009)

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不確定加工時間下裝配過程物料配送方法研究

沈維蕾,鐘岳昕,王強

(合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院,安徽 合肥230009)

摘要:文章針對加工時間不確定導致裝配過程物料配送活動無法及時準確進行的問題,在實現(xiàn)裝配過程信息實時采集與處理的前提下,提出一種基于實時信息驅(qū)動的物料配送模式;在此基礎上,提出了物料配送系統(tǒng),構建了系統(tǒng)的功能體系結構,并對系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術、物料配送動態(tài)決策系統(tǒng)進行了研究。將該物料配送方法應用于某發(fā)動機裝配線物料配送系統(tǒng),驗證了方法的可行性和有效性。

關鍵詞:不確定加工時間;實時信息;物料配送系統(tǒng);需求預測;動態(tài)決策系統(tǒng)

裝配過程物料配送是指以裝配線需求驅(qū)動為核心,將所需的物料及時準確地送到所需的裝配工位上的物流過程[1]。目前,物料配送模式和系統(tǒng)的研究工作得到了國內(nèi)外許多專家和學者的高度重視。文獻[2]針對混流轎車總裝線物料精確供應,進行了混流裝配線物料配送模型和系統(tǒng)的探索;文獻[3]研究了基于訂單制造(make to order,MTO)的柔性裝配線物料配送模型和系統(tǒng)；文獻[4]結合制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)的特點,設計了一種動態(tài)物料配送方法,實現(xiàn)生產(chǎn)線在不因為缺料停工的情況下單次配送數(shù)量、配送種類的最大化；文獻[5]設計了一套基于Web應用于制造車間的集成化物料配送系統(tǒng)。綜上所述,國內(nèi)外在物料配送模式和系統(tǒng)方面進行了大量的研究,但在準確獲取裝配過程生產(chǎn)進程、預測物料消耗進行準確物料配送等方面,還有待深入研究。

在裝配企業(yè)中,加工時間的不確定性使物料消耗的速度變得難以預測,由現(xiàn)場操作工人通過經(jīng)驗來獲得并錄入物流和物料消耗信息錯誤率高,導致物料配送缺乏主動性、動態(tài)性和精確性。本文以不確定加工時間下裝配過程為背景,借鑒以上研究成果,提出了一種集成生產(chǎn)計劃和生產(chǎn)實時進程的物料配送模式以及一套集成化的物料配送系統(tǒng),使物料能夠準確地配送至相應工位,保證裝配過程物料配送的準確性和及時性。

1實時信息驅(qū)動的物料配送模式

現(xiàn)代裝配過程使用的零部件眾多,裝配工藝復雜多樣并且各工序之間存在一環(huán)扣一環(huán)不間斷的物料流動和傳遞,裝配過程容易受到各種不確定性因素(設備狀態(tài)變化、人員變動、環(huán)境改變和質(zhì)量抽檢等)的影響，造成加工時間隨機波動,使加工時間具有了不確定性。由于不確定加工時間的影響,依然使用生產(chǎn)計劃或現(xiàn)場呼叫的被動配送方法不能保證物料配送的及時性和準確性,因此本文提出基于實時信息驅(qū)動的物料配送模式。

(1) 應用RFID技術實時采集生產(chǎn)數(shù)據(jù),構建可感知裝配環(huán)境,將RFID系統(tǒng)與制造資源進行如下邏輯關系綁定。為RFID讀寫器分配獨立的地址,將讀寫器與工位進行一對一綁定,即

(1)

其中,by為第y個RFID讀寫器地址;ci為第i個工位的ID。承載在制品的托盤均粘貼有唯一的RFID標簽,在上線前,將標簽初始化與在制品一對一綁定,“在制品-RFID標簽”的綁定關系為:

(2)

其中,ax為第x個RFID標簽的ID;dj為第j個在制品的ID。

(2) 提煉裝配過程實時信息,實現(xiàn)物流與信息流的同步。當工位上的RFID讀寫器對其感應范圍內(nèi)的在制品RIFD標簽進行1次讀寫時,會產(chǎn)生1條tm時刻的原始數(shù)據(jù)(ax,by,fm,tm),其中fm為tm時刻的讀寫內(nèi)容。將(ax,by,fm,tm)記作一個集合Eg(tm),稱為基本事件,即

(3)

(4)

根據(jù)裝配事件Eg(tm)提供的在制品ID、工位ID、讀寫內(nèi)容和讀寫時刻4個數(shù)據(jù)可知,在tm時刻第i個工位上的RFID讀寫器對第j個在制品托盤上的RFID標簽進行了1次內(nèi)容為fz的讀寫。

(3) 加工時間動態(tài)預測。加工時間變化造成的物料消耗波動客觀存在,單純依靠經(jīng)驗判斷加工時間變化并不準確,且裝配過程加工時間的波動存在著偶然性,使用各因素對加工時間進行直接描述是非常困難的,因此利用數(shù)學統(tǒng)計分析方法,以4 h有效生產(chǎn)時間為1個時間單位,預測下一時間單位的節(jié)拍時間,如圖1所示。

圖1　節(jié)拍時間預測方法

根據(jù)(4)式可以獲取在制品在某工位的進入與退出時刻,由兩時刻之差可得節(jié)拍時間t。設起始時刻ts到結束時刻tc的有效生產(chǎn)時間段T內(nèi),工位ci完成了u個生產(chǎn)節(jié)拍,將節(jié)拍時間按時間順序進行分組,每2～6個數(shù)據(jù)分為1組,則有:

(5)

由于每次配送數(shù)量少,因此只要從檢測點獲得裝配產(chǎn)品和不合格物料的數(shù)量就能確定某個具體工位剩余的各種物料數(shù)量,然后根據(jù)所預測的加工時間,通過工位物料BOM解算接下來一段時間內(nèi)的物料消耗速度,確定物料配送時間點。

(4) 將獲取的實時生產(chǎn)進程信息與生產(chǎn)計劃、工位BOM集成,動態(tài)地計算出工位所需物料的種類、數(shù)量,預測工位物料需求時間點,準確掌握物料配送時機,并結合精確配送思想,將物料主動地配送至相應工位,改變僅僅依靠生產(chǎn)計劃或物料呼叫的被動物料配送模式。物料推拉配送模式如圖2所示。

圖2　物料推拉配送模式圖

該模式特點表現(xiàn)為:① 實時跟蹤生產(chǎn)進度和物料消耗。通過對在制品、物料應用RFID技術讀取信息,在關鍵管控點設置多功能交互式數(shù)據(jù)感知工作站,能實時跟蹤在制品上線、物料線邊庫的出入庫等生產(chǎn)進程,進而統(tǒng)計出物料消耗情況,支撐物料配送。② 配送點高精確度預測。生產(chǎn)進程以及線邊庫存狀態(tài)能夠?qū)崟r地反饋至物料配送信息系統(tǒng),系統(tǒng)將根據(jù)當前生產(chǎn)執(zhí)行進程、線邊庫存狀態(tài)、工位BOM和物料消耗速度自動解算出工位下一批次配送時間點。③ 自動呼叫、主動配送。實時生產(chǎn)進程信息的反饋與物料需求計劃的解算均由感知的信息流驅(qū)動,不需要現(xiàn)場作業(yè)工人參與,以工位物料需求為中心,物料配送中心可實時、準確地掌握車間生產(chǎn)進程與工位物料需求,能按需、按時地為裝配工位提供主動的物料配送服務,提高了對現(xiàn)場物料需求響應的敏捷性。

2實時信息驅(qū)動的物料配送系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)功能體系架構

基于實時信息驅(qū)動的物料配送模式,本文提出物料配送系統(tǒng)功能體系結構。該系統(tǒng)封裝了一個能提供雙向數(shù)據(jù)交互的集成接口,可與企業(yè)的其他系統(tǒng)進行實時通訊和數(shù)據(jù)共享。使用RFID技術進行生產(chǎn)信息感知,實現(xiàn)裝配車間的透明化,動態(tài)決策模塊對生產(chǎn)節(jié)拍波動趨勢進行統(tǒng)計和分析,對物料消耗速度進行預測,對物料配送進行全局規(guī)劃,生成物料實時配送指令,實現(xiàn)各工位物料配送的動態(tài)控制,保證整個生產(chǎn)車間高效平穩(wěn)地運行。

基于實時信息驅(qū)動的物料配送系統(tǒng)體系結構如圖3所示。

(1) 基礎數(shù)據(jù)。用于錄入和維護系統(tǒng)基礎信息,包含人機、設備、人員、生產(chǎn)計劃、質(zhì)量、物料基本信息和作業(yè)指導書。

(2) 進程監(jiān)控。生產(chǎn)進度跟蹤模塊將采集的數(shù)據(jù)上傳到相關數(shù)據(jù)庫中,并統(tǒng)計加工進程信息,計算實時加工時間。線邊物料監(jiān)控,獲取實時物料信息,實現(xiàn)缺料預警。在制品監(jiān)測引入裝配事件概念,建立實體的信息模型,確定每一時刻工位所對應的各種信息,為動態(tài)決策打下基礎。

(3) 動態(tài)決策。動態(tài)決策的輸入包含2類信息:① 基礎生產(chǎn)信息,包含生產(chǎn)計劃、物料BOM等信息;② 進程監(jiān)控輸入的在制品隊列、加工時間和線邊物料信息。通過基礎生產(chǎn)信息,解算初步配送計劃,計算各工位的配送點,確定各物料的到貨時間下限和到貨時間上限,即確定配送時間窗;通過實時生產(chǎn)信息,預測一段時間內(nèi)的加工時間走勢,調(diào)整配送時間窗;最后,對各工位時間窗進行匯總,向物料配送部門輸出可行的配送方案,該方案可以進行人工調(diào)整。

(4) 物料管理。將物料信息錄入數(shù)據(jù)庫,利用便攜式數(shù)據(jù)采集器進行物料的出庫和入庫操作,可對物料的庫存情況進行查詢和統(tǒng)計,并為動態(tài)決策系統(tǒng)實時反饋庫存信息。

(5) 信息發(fā)布。將缺料信息和配送方案發(fā)布到各相關部門,對物料配送部門發(fā)布到配送人員的便攜式終端,對生產(chǎn)現(xiàn)場發(fā)布到現(xiàn)場LED大屏,對管理部門發(fā)布到操作終端的可視化界面。

圖3　基于動態(tài)節(jié)拍的物料配送系統(tǒng)體系結構

2.2物料配送動態(tài)決策系統(tǒng)

動態(tài)決策系統(tǒng)[6]是基于實時信息驅(qū)動的物料配送系統(tǒng)的核心。通過分解生產(chǎn)計劃,得到初步配送方案,結合生產(chǎn)進程以及下一步加工時間的預測對方案進行調(diào)整,可以實現(xiàn)不確定加工時間下裝配過程的物料主動配送。

基于上述理論,本文設計了物料配送動態(tài)決策系統(tǒng),以滿足裝配線動態(tài)化物料需求,及時響應加工時間的變化。物料配送動態(tài)決策系統(tǒng)如圖4所示。

圖4　物料配送動態(tài)決策系統(tǒng)

動態(tài)決策系統(tǒng)主要包括以下4個部分:

(1) 計劃解算模塊。根據(jù)生產(chǎn)計劃的產(chǎn)品編號,調(diào)用相應的工位配送BOM表;以裝配工位為中心,以工位所需零部件為單位,根據(jù)計劃中產(chǎn)品數(shù)量與工位配送BOM中工位所需物料數(shù)量,計算工位所需各物料總數(shù)量;根據(jù)生產(chǎn)計劃中產(chǎn)品上線時間和工位配送BOM配送時間段,得到初步配送計劃,指導物料配送中心按需備料。計劃解算模塊流程如圖5所示。

圖5　計劃解算模塊流程圖

(2) 實時預測模塊。通過基于RFID的數(shù)據(jù)感知技術實時監(jiān)測獲取生產(chǎn)信息,利用統(tǒng)計學方法,去除無效加工時間,預測未來一定時間段內(nèi)節(jié)拍時間。以工位為中心的物料精確配送算法[7]可以計算出生產(chǎn)進程的物料配送時間點,但其未考慮不確定加工時間對物料配送時間點的影響,因此本文提出改進型物料精確配送算法。工位ci物料M的最佳配送點為物料配送到達時,線邊庫存等于安全庫存,最佳物料配送請求點可表示為:

PM=SS+TMQR

(6)

工位ci、物料M的最遲配送點為物料配送到達時,線邊庫存等于0,如果物料到達晚于最遲配送點,會造成制造單元缺料停工,最遲物料配送請求點可表示為:

PM=TMQR

(7)

工位ci、物料M的最早配送點為物料配送到達時,線邊庫存與配送量之和等于最大庫存,如果物料到達早于最早配送點,會造成物料M庫存溢出、無處存放,最早物料配送請求點可表示為:

PM=SM+TMQR-OM

(8)

其中,SM為物料M的線邊最大庫存量;OM為物料M的1次配送量。

(3) 信息融合模塊。通過對計劃解算模塊獲取的初步配送計劃數(shù)據(jù)、實時預測模塊獲取的配送時間預測數(shù)據(jù)以及決策規(guī)則的特征提取和信息處理,得到當前物料配送狀態(tài)的一種復合表示作為動態(tài)決策模塊的輸入。

(4) 動態(tài)決策模塊。首先在初步配送計劃的基礎上,保留各工位的配送件;再根據(jù)各工位物料配送總需求和工位物料配送數(shù)量策略確定單次配送批量;通過分層決策[8]確定配送需求和配送時間,給出當前配送在整個配送計劃的配送序數(shù),采用模糊產(chǎn)生式規(guī)則,根據(jù)動態(tài)定量配送模型結合相應的模式匹配策略,在決策規(guī)則庫中匹配相應的信息,形成完整的物料動態(tài)配送計劃。物料配送動態(tài)決策系統(tǒng)中的關鍵是建立決策規(guī)則庫。為此,以精確配送為目標,以時間窗約束、工位對于物料到達時間的滿意度、線邊庫存為約束條件[9],建立多目標、多約束條件下面向裝配過程的多元物料配送決策模型,將模型作為規(guī)則,錄入決策知識庫中建立決策規(guī)則庫,并設計基于動態(tài)規(guī)劃和群體智能技術的智能優(yōu)化算法進行求解,該類決策規(guī)則為裝配過程動態(tài)決策提供理論基礎。

3實例應用

本文根據(jù)上述物料配送系統(tǒng)的體系結構,設計了基于實時信息驅(qū)動的物料配送系統(tǒng),以某汽車發(fā)動機有限公司某型號的四缸汽油發(fā)動機裝配1號線OPA-180工位為研究對象，對其進行物料配送。該發(fā)動機裝配線使用傳統(tǒng)配送方法與配送系統(tǒng)的物料配送比較,結果見表1所列。

表1　配送系統(tǒng)使用前、后的實例結果對比

注:應企業(yè)要求,以上數(shù)據(jù)經(jīng)過處理。

其中,配送車輛利用率提高了11.7%,配送可靠率提高了12.3%,物料配送次數(shù)增加了33次,但成本卻降低了5 220元,物料配送效率的提高帶來了裝配線產(chǎn)能的提高,平均每天裝配發(fā)動機數(shù)量增加62臺。從表1中數(shù)據(jù)可以看出方法的應用給企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟效益,隨著方法的不斷深入,物料配送過程會得到進一步改善。

1號裝配線的物料配送系統(tǒng)實現(xiàn)過程如下：① 對于1號線的生產(chǎn)計劃進行解算,得到初步配送方案,得出各工位、各物料建議備料時間;② 根據(jù)進程監(jiān)控模塊感知1號線的加工時間和工位線邊庫存,預測工位物料需求,如圖6所示;③ 通過動態(tài)決策模塊得到OPA-180工位各物料的配送方案,得出最佳出發(fā)時間與最佳到達時間,物料中心按該方案進行物料配送。

圖6　加工時間監(jiān)控與預測

4結束語

對于裝配型企業(yè),錯誤、低效的物料配送方法往往成為車間實現(xiàn)高效生產(chǎn)的瓶頸。本文通過對裝配過程物料配送過程的研究與分析,針對不確定加工時間導致物料配送不準確的問題,提出了一種物料推拉配送模式;設計了一種由裝配線數(shù)據(jù)流驅(qū)動、能預測物料消耗、以準確配送為目標的物料配送系統(tǒng),并給出了實現(xiàn)物料配送系統(tǒng)的2項關鍵技術;將該方法應用到某發(fā)動機公司的四缸汽油發(fā)動機裝配線中,提高了該企業(yè)物料配送的準確性和及時性,驗證了該方法的可行性。

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(責任編輯胡亞敏)

Study of the method of material delivery in assembly process with uncertain processing time

SHEN Wei-lei,ZHONG Yue-xin,WANG Qiang

(School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Abstract:To solve the problem that material delivery activities can not be performed timely and accurately in assembly process due to uncertain processing time, a kind of real-time information driven material delivery method is put forward on the premise of guaranteeing that the information can be collected and processed in real time. On this basis, the material delivery system based on the push-pull mode material delivery model is built. The functional architecture is elaborated, and the key technologies for system implementation and the material delivery dynamic decision making system are studied. Finally, the system is applied to the material delivery system of an engine assembly line to prove the feasibility and effectiveness of the material delivery method.

Key words:uncertain processing time; real-time information; material delivery system; requirement forecast; dynamic decision making system

中圖分類號:TH186

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)03-0314-06

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.03.005

作者簡介：沈維蕾(1969-),女,安徽合肥人,博士,合肥工業(yè)大學副教授,碩士生導師.

收稿日期：2015-01-09；修回日期：2015-03-20