基于遺傳算法的試驗室智能排程功能設(shè)計與實現(xiàn)

高震 孟鑫 中國汽車技術(shù)研究中心

關(guān)鍵字：試驗室 智能排程 遺傳算法

引言

從“中國創(chuàng)造”概念提出以來，新品研發(fā)越來越多，國家檢驗標(biāo)準(zhǔn)也逐漸完善，國內(nèi)各試驗室任務(wù)量呈井噴式增長。隨著試驗室檢驗任務(wù)的不斷增多，原有的電子表格與紙質(zhì)工作方式已經(jīng)很難滿足精細(xì)化的管理需求，尤其是試驗計劃排程過程中，調(diào)度人員很難依靠人腦安排研發(fā)項目、試驗任務(wù)、試驗任務(wù)關(guān)聯(lián)的各種設(shè)備、工裝夾具、物料、符合資質(zhì)的人員，更不必說快速制定好年度策劃、月度計劃任務(wù)。即使制定好計劃后也很難分析實際工作中各種情況引發(fā)的變更帶來的影響，更無法實時將各種變更體現(xiàn)在月度計劃以及年度策劃中，這樣就引發(fā)月度計劃、年度策劃準(zhǔn)確性低，并且最終導(dǎo)致任務(wù)排程不可控，整個試驗任務(wù)無法管理。

1. 試驗室需求分析

為了有效解決試驗排程問題，提高排程效率，準(zhǔn)確管控試驗任務(wù)，課題組提出了試驗室智能排程功能。該功能將研發(fā)項目與試驗任務(wù)關(guān)聯(lián)，試驗任務(wù)與試驗使用的設(shè)備、工裝夾具、物料、人員關(guān)聯(lián)，設(shè)備與設(shè)備維護(hù)、檢定、校準(zhǔn)計劃、使用計劃關(guān)聯(lián)，物料與庫存、有效期關(guān)聯(lián)，人員與資質(zhì)、工作日等信息關(guān)聯(lián)。通過系統(tǒng)將試驗任務(wù)的各要素關(guān)聯(lián)起來，然后在保證試驗任務(wù)可以在研發(fā)項目的時間節(jié)點內(nèi)完成的前提下，計算出設(shè)備使用率最高的年度策劃排程以及月度計劃排程。并且在計劃執(zhí)行過程中，支持按照各試驗因素變化分析出影響內(nèi)容并重新按照規(guī)則排程。

2. 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

試驗室排程需要制定年度策劃與月度計劃，按照項目試驗庫判斷研發(fā)項目各階段需要做什么試驗，按照研發(fā)項目計劃判斷研發(fā)項目各階段中所有試驗完成的時間節(jié)點，按照試驗工藝流程判斷該試驗需要使用什么設(shè)備、工裝夾具、物料、人員資質(zhì)以及使用時間。系統(tǒng)中各功能設(shè)計如下：

1)檢驗項目庫：管理檢驗類別與檢驗項目的基礎(chǔ)信息。

2)試驗工藝庫：維護(hù)管理各檢驗項目需要進(jìn)行的工序步驟，各工序步驟使用設(shè)備、工裝夾具、物料、人員資質(zhì)等資源和各資源用時等內(nèi)容。

3)項目階段試驗庫：維護(hù)各種類型的車型項目在各個階段都需要做哪些檢驗項目。

4)人員管理：管理人員的培訓(xùn)、監(jiān)督、資質(zhì)授權(quán)、能力監(jiān)控等信息。

5)設(shè)備管理：維護(hù)設(shè)備的信息，包括設(shè)備基礎(chǔ)信息的增刪改查，以及設(shè)備的點檢、期間核查、檢定校準(zhǔn)、維修保養(yǎng)計劃的制定，點檢、期間核查、檢定校準(zhǔn)、維修保養(yǎng)計劃過程的記錄。

6)物料管理：管理物料的基本信息、采購時間、有效期、庫存、出入庫等信息。

7)工裝夾具管理：管理工裝夾具規(guī)格型號、庫存、出入庫信息。

8)項目管理：維護(hù)研發(fā)項目的使用的項目階段模板、基本信息以及各個階段的時間節(jié)點。系統(tǒng)需按照項目階段模板、階段時間節(jié)點來判斷本項目需要在階段時間節(jié)點前完成的試驗內(nèi)容，系統(tǒng)會結(jié)合試驗工藝庫，使用遺傳算法自動生成年度試驗策劃矩陣。

9)試驗任務(wù)：根據(jù)試驗策劃矩陣自動生成試驗任務(wù)，用戶可增加項目外試驗任務(wù)，并且可以查看試驗任務(wù)進(jìn)度，管理試驗執(zhí)行情況。

10)月度計劃：每月中旬系統(tǒng)按照試驗任務(wù)中的開始時間、結(jié)束時間，結(jié)合試驗工藝庫情況，再考慮設(shè)備使用計劃、物料庫存有效期等信息，使用遺傳算法自動生成下月的試驗計劃，月度計劃審批通過后自動將試驗任務(wù)發(fā)送給相關(guān)人員執(zhí)行。當(dāng)試驗執(zhí)行過程中出現(xiàn)問題時，將問題維護(hù)入月度計劃中，系統(tǒng)可自動進(jìn)行調(diào)整。

2.2 遺傳算法設(shè)計

目前生產(chǎn)領(lǐng)域智能排程功能使用較多，但是試驗領(lǐng)域還處于空白階段。主流的排程算法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法。這兩種算法理論基礎(chǔ)、優(yōu)點及缺點如表1 所示：

表1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法對比表

分析后認(rèn)為遺傳算法更符合本課題，將試驗任務(wù)的計劃開始時間Tstar、結(jié)束時間Tend、使用設(shè)備E、使用物料M、工裝夾具F、執(zhí)行人員P 視作染色體。研發(fā)項目各階段的開始時間、結(jié)束時間作為Tstar、Tend 的變異范圍；試驗關(guān)聯(lián)的設(shè)備核檢狀態(tài)正常且計劃范圍內(nèi)沒有核檢計劃作為E 的變異范圍；試驗關(guān)聯(lián)的物料為有效期內(nèi)的庫存作為M 的變異范圍；符合試驗關(guān)聯(lián)資質(zhì)的人員為P 的變異范圍。初始種群為項目階段結(jié)束時間為Tend 時間，隨機使用狀態(tài)正常的設(shè)備、工裝夾具、物料、人員；交叉設(shè)置為0.5，變異設(shè)置為1，迭代次數(shù)設(shè)置為1000，優(yōu)化規(guī)則為：在滿足按時完成試驗任務(wù)的前提下，設(shè)備使用率最高。

3. 系統(tǒng)實現(xiàn)

本項目使用經(jīng)典的SSH 架構(gòu)，基于Java 語言和Oracle 數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)，可滿足試驗室1000 人同時使用。

系統(tǒng)管理員可以在系統(tǒng)部署時完成初始化項目維護(hù)，包括檢驗項目庫、試驗工藝庫、項目階段試驗庫；可將試驗室現(xiàn)有資源錄入系統(tǒng)，包括設(shè)備、工裝夾具、物料、人員信息，后續(xù)設(shè)備管理員、物料管理員、體系管理員等相關(guān)人員再按照實際情況進(jìn)行日常維護(hù)。

試驗室調(diào)度人員為智能排程功能的主要用戶，調(diào)度人員僅需輸入研發(fā)項目信息，系統(tǒng)會自動新建出該研發(fā)項目的試驗策劃矩陣、試驗任務(wù)，并在月度中旬自動生成下月試驗計劃，然后調(diào)度人員每月組織評審月度計劃即可。

當(dāng)試驗工作或者試驗計劃有變更時，調(diào)度人員將變更情況輸入系統(tǒng)，例如臨時插單或者設(shè)備故障，系統(tǒng)會在后臺按照實際情況重新排程，估算出新排程對于老排程的影響，會在幾秒鐘內(nèi)生成分析報告給調(diào)度人員，調(diào)度人員可選擇按系統(tǒng)自動調(diào)整或者手工調(diào)整，如影響計劃則重新走計劃評審流程，如影響研發(fā)項目節(jié)點則走項目評審流程。

4. 測試效果

本課題對所有相關(guān)功能進(jìn)行了UI 測試與功能測試：UI 符合界面友好、易用性高的要求;業(yè)務(wù)功能均已實現(xiàn)，業(yè)務(wù)邏輯以及數(shù)據(jù)處理與需求、設(shè)計文檔要求一致，可滿足用戶使用。

5 結(jié)語

本課題基于遺傳算法設(shè)計實現(xiàn)了一套切實可行的試驗室智能排程功能，可有效幫助企業(yè)提升資源使用效率，縮短排程工作時間，減少調(diào)度人員工作量，試驗室可根據(jù)自身情況考慮采用。