制藥智能工廠生產物流調度系統柔性管控優化算法

文/徐玲 祝軍

目前我國正處于“中國制造2025”的關鍵時期，能否搭上這列歷史的快車，推動中國的新一輪工業技術革命發展，是歷史對制藥裝備企業的一個重大考驗。將傳統的制藥生產與新技術在多方面深度結合，能對傳統制藥企業的生產模式進行創新升級，實現制藥產業的“中國制造2025”。由中國國家工業和信息化部研究編制的《醫藥工業發展規劃指南》的出臺給我國的制藥企業發照指明了方向。

制藥智能工廠柔性自動化生產線和自動化物流輸送線是實現“智能制造”的重要途徑。但當將兩者結合在一起組成“無人車間”時，兩個系統不僅沒有很好的結合提高生產效率，反而互相干擾，影響了生產。國內外已有很多學者對提高柔性自動化生產線的設備利用率、減少生產周期、如何進行路徑規劃以減少輸送距離和避免路徑沖突等多方面進行研究。但至今未有一個方法能實現柔性自動化生產線和自動化生產線的完美結合。

針對以上問題，我們對無極限的口服液滅菌生產物流線調度系統進行建模，來優化調度算法，提高生產線的效率。

1 問題描述

1.1 生產流程

為保證口服液的品質，灌裝好的產品需要盡快進行滅菌處理。無限極生產物流系統由裝盤、疊盤、滅菌、冷卻、拆盤、卸盤、直線往復式RGV 軌道、空盤循環輥道等部分組成，系統硬件包括若干輥道輸送機、換向機、滅菌柜、風冷機、疊盤機、拆盤機、卸盤機、RFID 標簽以及若干RGV。

物流線裝盤有10 個并行工位，1 個疊盤、1 個滅菌柜、1 個風冷間和1 個拆盤串聯在一起組成一個聯合生產單元，共有8 個聯合生產單元，卸盤有8 個并行工位。裝盤與聯合生產單元之間、聯合生產單元與卸盤之間均有直線往復式RGV 軌道連接，卸盤與裝盤之間為環形雙向輥道連接。調度系統應能夠將所有裝盤機物料運送至同一個滅菌柜內滅菌，也可將滅菌柜內出來的滅菌盤輸送至8 臺卸盤機進行卸盤，滅菌盤數量為460 個，單臺裝盤機速度為8.4min/盤，滅菌柜速度為135min 每柜，卸盤機速度為8.4min/盤。

具體生產與運輸流程如圖1所示。

（1）裝盤機將灌裝線送過來的瓶子裝入空盤中；

（2）裝滿的盤子由RGV 小車運送到疊盤機上，疊盤機將盤子堆疊到指定數量時就通過輥道送入滅菌柜中；

（3）為了保證產品能以最快的速度滅菌，滅菌柜的裝填順序是循環的；

（4）滅菌結束后，柜門打開，堆疊的盤子依次進入冷卻區，當冷卻時間達到后進行拆盤；

（5）拆盤機拆卸出來的單盤又由RGV小車運送至卸盤機，卸盤后的瓶子進入下一工位，空盤放入空盤循環輥道運輸回到裝盤機處。

無限極生產調度系統新增加了4 個緩沖區輥道，以應對異常滅菌和批次切換等需求和約束。為滿足滅菌異常的盤子回流重新滅菌的需求，在回盤輥道設置兩個緩沖區輥道，作為異常異常盤子的緩沖區。同時，生產調度系統增加了異常清洗流程回盤輥道，用于將盤子由拆卸區運回裝疊區。在回盤區增加疊盤-拆盤設備和一段緩存輥道，在裝盤生產節拍慢于卸盤生產節拍時，可將盤子疊起來，存放在緩沖區；在裝盤生產節拍快于卸盤生產節拍時，可將緩沖區的盤子拆開，補充到回盤輥道。

1.2 生產系統調度復雜性

無限極生產調度系統的復雜性主要包括三方面：柔性復雜性、約束復雜性和變動復雜性。

1.2.1 柔性柔性復雜性包括

（1）生產線具有柔性，如裝盤工位到疊盤工位之間最多有80 種生產調度結果；

（2）輥道具有柔性，尤其是裝盤前的輥道需要單節控制，路徑和指令動態生成，才能實現復雜的緩沖區管理功能；

（3）設備分區具有柔性，如裝盤和聯合生產單元之間的生產和物流調度，分為上、下兩個獨立的區域，然而當有設備故障時，分區將隨之動態改變。

1.2.2 約束復雜性包括

（1）軌道布局約束，如直線往復式RGV軌道、多臺RGV 在軌道上的布局、以及備用RGV在軌道的位置等影響了生產調度的范圍，也限定了RGV 的路徑規劃方式；

（2）批次滿足約束，包括滅菌柜中不能有兩個批次，不滿時用空盤補充；卸盤時先出舊批次，再出新批次，且不允許出現批次交叉等；

（3）當設備出現故障時，對應工作位上的生產能力跟上，生產才能持續穩定的運行；

1.2.3 變動復雜性包括

（1）設備故障：調度系統有能力自處理設備運行時的故障；

（2）輥道故障：調度系統有能力對各路徑進行評估，恢復系統正常調度；

（3）RGV 故障：調度系統有能力處理各種RGV 故障；

（4）增減任務：調度系統能對新增的任務進行評估，對整個系統進行重新設置。

2 主要技術難點

項目的柔性管控包含兩個柔性，一指設備具有柔性；二指路徑具有柔性。智能車間生產物流柔性管控面臨的主要三個技術難點:效益提升、調度復雜和柔性適應。

2.1 效益提升

柔性智能車間對于生產性能提出了更高的要求，其中進一步提高資源利用率，實現設備負載均衡，縮短生產周期是提高柔性智能車間生產管控水平，提升智能車間綜合效益的主要目標。

2.2 調度復雜

將智能物流與智能生產“無縫對接”是實現柔性智能車間的一大挑戰。其中路徑沖突消解，最短路徑規劃，物料不斷供，產品品種和批次嚴格區分、確保不混批，規范生產操作流程，進行生產數據全流程追溯等復雜調度需求是實現生產調度和物流調度系統的基礎。

2.3 柔性適應

柔性智能車間相對于傳統自動化車間，需要面對和適應更多的柔性。其中設備柔性允許生產多個產品和不同批次規格，并行工位的存在增加了路徑規劃和控制指令的柔性。對于設備上線和下線、無序狀態下啟動等系統也需具備適應能力。另外，還需具備人機交互和人工參與調度的適應能力。系統只有具備了這些柔性適應能力，才能發揮柔性智能車間柔性特征的優勢，進而提升智能車間的綜合效益。

3 算法研究

本文主要是在原有的研發基礎上，重點針對多AGV/RGV 復雜調度算法、動態實時調度算法、路徑沖突重調度算法等進行完善和升級，擬采用如下關鍵技術解決方案：

3.1 多AGV/RGV復雜調度算法

制藥智能工廠生產物流調度系統應可防止上下RGV 碰撞，確保RGV 調度區域可動態劃分，并根據實際情況變化。因此，多AGV/RGV 調度的主要目標是提高AGV/RGV利用率和縮短運輸距離，其主要難點是路徑沖突避免和死鎖避免問題。面向不同應用場景，可采用基于圖論、移動閉塞技術、動態時間窗方法、Dijkstra 和A*等算法解決沖突和死鎖問題。

3.2 動態實時調度算法

動態實時調度算法以靜態調度算法為基礎。由于外界干擾以及AGV 性能波動等不可預測的因素會產生沖突，動態調度算法主要解決路口沖突和相向沖突。由于假定AGV 速度相同，所以趕超沖突幾乎不存在。基于時間窗的動態調度算法可解決由于不確定因素導致的相向沖突和路口沖突。

動態實時調度模塊用于完成基本的生產調度功能，其通信連接柔性自動化生產線的各道工序中的各臺并行自動化設備。WIP（在制品）在當前設備生產完成后，設備負責發送調度請求以使該WIP 進行下一工序的生產。動態實時調度模塊收到調度請求后，獲取該WIP下一工序的所有設備狀態，根據設備利用率最大等原則，從這些設備中選擇一個設備作為終點End，將WIP 當前位置作為起點Start，令Tabu（禁忌表，表示不可調度的設備列表）為空，建立輸送任務Task=(Start，End，Tabu)發送給沖突和潛在沖突消解重調度模塊。對于沖突和潛在沖突消解重調度模塊發來的(Start，End，Tabu)，獲取該WIP 下一工序的所有設備狀態，根據設備利用率最大等原則，從這些設備中選擇一個Tabu 以外的設備作為終點End，將WIP 當前位置作為起點Start，動態實時調度模塊將新的輸送任務(Start，End，Tabu)發送給沖突和潛在沖突消解重調度模塊。若無法選出可用設備，則請求一直等待。

圖1：無限極生產物流系統流程圖

3.3 路徑沖突和潛在沖突消解重調度算法

路徑沖突和潛在沖突消解重調度模塊用于確保各個WIP 輸送路徑不沖突，也不存在潛在沖突。沖突是指兩個WIP 輸送任務在同一段路徑上相向而行，且各自終點都在對方的后邊，從而兩個輸送任務都無法通過這段路徑。潛在沖突是指兩個WIP 輸送任務相向而行且不存在沖突，但路徑有交叉，隨著輸送任務的持續，存在沖突的可能性。對于動態實時調度模塊發來的輸送任務Task=(Start，End，Tabu)，沖突和潛在沖突消解重調度模塊首先將Task 進行路徑規劃，并檢測已有輸送任務路徑，若Task 與已有路徑不存在沖突或潛在沖突，則將(Start，End)發送至路徑規劃模塊；若Task 與已有路徑沖突或潛在沖突，則需要調用輸送任務管控模塊消解重調度，確保重調度后的輸送任務滿足生產工藝，同時沒有路徑沖突，也沒有潛在沖突；若該路徑沖突或潛在沖突無法消解，則令Tabu=Tabu∪{End}，即將End 寫入Tabu 以生成新的輸送任務，并將更近后的輸送任務Task=(Start，End，Tabu)返回動態實時調度模塊。

4 總結

本文針對口服液滅菌生產物流線調度系統進行研究，在多AGV/RGV 復雜調度算法、動態實時調度算法和路徑沖突重調度算法三個方面進行創新，促進了企業利用現代化技術對生產車間進行改造升級，加快了企業的結構調整，提升了企業的核心競爭力。