柔性流水車間有限緩沖區問題分析

杜佳奇 韓忠華 李同

摘要：柔性流水車間的實際生產過程中，相鄰的兩個工序間通常設置緩沖區用以存放在制品，其不僅可以用來存放來自上一道工序的完工工件，還可以根據實際生產需求對加工工件進行排序和分類。在大規模生產模式下，緩沖區的作用更為明顯。而通常情況下由于實際生產企業流水線中，由于生產車間空間、倉儲設施容量等因素限制，在生產車間只能設置容量有限的緩沖區，當生產車間出現任務需求產能波動、各個工序間的生產節拍不一致時，有限緩沖區容量容易達到其上限，使得工件不能進入緩沖區，導致出現生產堵塞的現象，進而會影響到整體的生產進程。同時，由于在生產企業中加工產品的多樣化，其規格尺寸、加工工藝、存儲方式的差異等原因，導致生產線中存在多種類型的有限緩沖區，本文主要討論柔性流水車間中的多序列有限緩沖區、公共緩沖區和路由緩沖區三種復雜的有限緩沖區。對其各個的特征和在實際生產過程中工作狀態進行分析，為具有有限緩沖區的柔性流水車間排產優化問題的研究打下堅實的基礎。

關鍵詞：柔性流水車間;多序列緩沖區;公共緩沖區;路由緩沖區

中圖分類號：TH186文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）13-0009-03

Abstract：In the actual production process of the flexible flow workshop， a buffer zone is usually set up between two adjacent processes to store the products in progress. It can not only be used to store the finished parts from the previous process， but also can sort and classify the processed parts according to actual production requirements. In mass production mode， the role of the buffer zone is more obvious. In general， due to the actual production enterprise assembly line， due to factors such as production workshop space and storage facility capacity， only a buffer with limited capacity can be set in the production workshop. When the production workshop has task demand capacity fluctuations and inconsistent production tempo between various processes， the limited buffer capacity can easily reach its upper limit， so that workpieces cannot enter the buffer area， resulting in production jams， which will affect the overall production process. At the same time， due to the diversification of processed products in production enterprises， the differences in their specifications and sizes， processing techniques， storage methods and other reasons， there are many types of limited buffer zones in the production line. This article mainly discusses three complex limited buffers in the flexible flow shop： multi-sequence limited buffers， common buffers and routing buffers. The analysis of the various characteristics of the buffer zone and the working status in the actual production process and lays a solid foundation for the future research on the optimization problem of flexible flow workshop with limited buffer zone.

Key words： Flexible flow shop; multi-sequence buffer; public buffer; routing buffer

柔性流水車間排產問題一直以來都是制造企業生產車間排產優化的重要的環節之一，柔性流水車間包含著多道加工工序且每道工序都有著一臺或者多臺可以同時進行生產的加工設備。這種生產方式提高了整條流水線的生產效率，而在柔性流水車間的相鄰兩個工序間都存在著緩沖區，其作用用于存放來自上一道工序的完工工件，同時根據生產需求在其緩沖區內對工件進行排序和分類，提高整條流水線的設備利用率和生產效率。在以前關于柔性流水車間問題研究中，大多研究的是無限緩沖區問題，并側重于對其全局算法的優化來提高整體流水線的生產效率，沒有從不同種類的有限緩沖區類型方面去分析和研究。在柔性流水車間中有限緩沖區問題要比一般的無限緩沖區更為復雜，由于緩沖區內的容量限制問題，可能會使得工件無法被存入緩沖區內進行下一步的生產任務，導致工件被滯留在上一道加工工序的工位上，從而因此鏈式反應使得整體流水線的生產任務被堵塞，延緩了整體的生產進程。又因為加工任務的差異性，其加工方式的不同和產品規格尺寸的不同也都會使得加工任務在生產線中的各個加工時間點對于緩沖區的容量要求也有著較大的波動性。這些問題都極大地增加了柔性流水車間有限緩沖區排產問題的復雜性，所以本文通過對幾種不同類型的有限緩沖區分析和研究，進一步探討其各種類型的特點和其加工生產的狀態，來為柔性流水車間有限緩沖區的排產問題建立扎實基礎。

1 柔性流水車間有限緩沖區國內外研究現狀

具有有限緩沖區的柔性流水車間是較為常見的一種生產方式其具有多工序、多并行機、多階段的特點，又因為其生產資源的限制因素，其緩沖區的類型一定是容量受到限制的有限緩沖區。近些年來不少學者針對不同類型的有限緩沖區類型進行過相關研究。

對于柔性流水車間中的有限緩沖區問題，dutta等[1]提出了一種動態規劃的方法，對有限緩沖區進行置換流水車間的問題起到了很好的解決作用。譚民[2]優化cims生產線緩沖區的容量，提出拉格朗日乘子優化算法和啟動式優化算法，得到滿意結果。Almeder C ， Hartl R F[3]提出了以變量鄰域搜索為基礎的解決方法，即以變量鄰域搜索為基礎的解決方法，以變量鄰域搜索為基礎的生產最佳計劃提供了解決方法。黃建中[4]提出了一種針對汽車車輛的調度系統，用于解決汽車行業生產過程中多車型的調度不靈活問題。韓玉艷[5]針對帶有限緩沖區的多批量流水線調度問題，采用NSGA-II算法進行求解，改進了算法的全局探索和局部開發能力。實驗結果該算法具有有效性。徐震浩[6]提出了一種基于Pareto最優的廣義螢火蟲算法用于解決有限緩沖區的多目標調度問題。通過算例驗證了算法的有效性。蔣珉[7]研究一類帶有有限緩沖區的多生產線協調生產計劃模型，通過對非線性目標函數進行約束化為線性函數來解決模型及使用算法的有效性。王凌[8]提出了一種多搜索模式遺傳算法用于解決有限緩沖區流水線調度問題。基于典型算例的仿真和比較研究驗證了算法的有效性。謝展鵬[9]提出了一種基于變領域搜索策略的Memetic算法用于解決有限緩沖區中流水線調度問題，將模擬退火算法作為局部搜索方法，增強算法搜索能力。通過實驗數據驗證其算法具有有效性。王炳剛[10]提出一種基于遺傳算法和模擬退火算法相結合的混合算法用來求解具有有限緩沖區的多并行機問題，通過計算結果進行比較，證明了算法的可行性。

通過分析上述學者的研究成果可知，目前有緩沖區的研究多側重于全局優化算法方面的研究，將全局優化算法與其他種類的算法相結合，用來改進算法的尋優能力，而對于多種類型的復雜有限緩沖區研究較少，本文綜合介紹了多序列緩沖區、公共緩沖區和路由緩沖區的特點和特征，對其運行的生產狀態進行分析，為其進一步探討優化排產問題奠定堅實基礎。

2 柔性流水車間有限緩沖區類型分析

（1）多序列有限緩沖區

多序列緩沖區是在柔性流水車間有限緩沖區中增添容量受限的等待加工序列，其完工工件按照先入先出原則，在有限緩沖區內存在多個并行的待加工序列，對于每個序列工件都是從一側進入等待排隊，然后從另一側移出。若在該有限緩沖區內的待加工序列容量達到上限時，會出現完工工件被滯留在上一道工序的加工工位中，進而出現生產堵塞的現象。當工件進入多序列緩沖區時，一般選擇多個序列中包含最少的工件數的序列進入，當工件移出多序列緩沖區時，可以根據局部調度規則動態選擇并行序列中最早進入該序列的工件進入下一道工序進行加工。多序列有限緩沖區生產線模型如圖1所示。

（2）公共緩沖區

公共緩沖區是在柔性流水車間有限緩沖區存在的條件下增設一個公共的緩沖區，公共緩沖區的存儲空間可以存放流水線中任意工序中的完工工件，完工工件被送入指定有限緩沖區時會存在當前有限緩沖區空間已滿，無法被移入有限緩沖區的情況，常會導致生產堵塞現象的出現，此時可將被滯留在加工工位上的完工工件送入公共緩沖區內進行暫時存放，避免生產堵塞現象的出現，當有限緩沖區內的待加工工件被送入下一道工序進行加工時，其存儲空間被釋放，這時可以將暫存在公共緩沖區內的工件送回指定的有限緩沖區，等待進行下一道工序的生產。具有有限緩沖區和公共緩沖區的生產線模型如圖2所示。

（3）路由緩沖區

路由緩沖區是在柔性流水車間中某相鄰的兩個特定工序間增設特殊緩沖區，其緩沖區允許有著多個并行地向前移動的通道用來運輸加工工件，在縱向向前運輸工件的同時，在并行通道間還存在著橫向移動的平移車，可以將兩個并行縱向運輸的通道間的加工工件進行橫向水平移動，這種有著并行縱向運輸通道和平移車所組成的網格式緩沖區被稱為路由緩沖區，因為該緩沖區可以滿足在向前運輸的同時根據實時的生產進程將加工工件進行平移移動，其在運輸過程中有著路徑選擇的特點，因此，在制品在路由緩沖區中的移動過程較為復雜。路由緩沖區生產線模型如圖3所示。

3 結語

本文通過分析柔性流水車間有限緩沖區中多序列有限緩沖區問題、公共緩沖區問題和路由緩沖區問題的研究，為解決柔性流水車間中多種類型的有限緩沖區排產優化問題提供了研究基礎。針對目前主流的幾種有限緩沖區中的生產特點進行闡述分析，隨著智能制造技術的發展，相信柔性流水車間中多種類型的有限緩沖區問題的理論、方法和應用研究都將得到發展和完善。

參考文獻：

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【通聯編輯：梁書】