家具裝配線人機(jī)任務(wù)分配問題研究

■郝紹平，陶 濤,2,3，戴向東，黃艷麗，陳星艷,2,3，歐陽周洲，王 迅，詹秀麗，呂 宙

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙 410004；2.農(nóng)林生物質(zhì)綠色加工技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，湖南長(zhǎng)沙 410004；3.木竹資源高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南長(zhǎng)沙 410004）

隨著“中國(guó)制造2025”國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)的人工智能技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，各制造企業(yè)紛紛嘗試運(yùn)用更多的機(jī)器人以及自動(dòng)化設(shè)備來代替成本越來越高的勞動(dòng)力[1]，以求達(dá)到無人化生產(chǎn)的目標(biāo)。但全自動(dòng)生產(chǎn)系統(tǒng)不夠靈活，簡(jiǎn)單的“機(jī)器換人”并不適用于所有制造業(yè)企業(yè)[2]。家具作為傳統(tǒng)制造業(yè)，生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)繁多且連續(xù)性強(qiáng)，某一局部故障引起的變化會(huì)波及整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行，且風(fēng)格多元化、需求個(gè)性化、產(chǎn)品單件化導(dǎo)致家具制造工藝復(fù)雜多樣，這些特點(diǎn)要求生產(chǎn)系統(tǒng)具有更大的靈活性[3-4]。其中在家具生產(chǎn)制造中，產(chǎn)品的組裝與裝配工序占產(chǎn)品生產(chǎn)工作量的70%，裝配時(shí)間占總生產(chǎn)時(shí)間的60%。由于自動(dòng)化的裝配生產(chǎn)線不夠靈活，不能滿足產(chǎn)品變化的需求，而手工裝配生產(chǎn)線缺乏效率和精度。因此，若能通過好的方式與策略，把人和機(jī)器的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，充分發(fā)揮人的認(rèn)知能力，并運(yùn)用機(jī)器強(qiáng)度大、精度高、持續(xù)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，將家具裝配任務(wù)合理地分配給人與機(jī)器，對(duì)實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同、提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)家具企業(yè)的轉(zhuǎn)型，都具有十分重要的意義。本文嘗試通過建立家具裝配系統(tǒng)人機(jī)任務(wù)分配模型，采用量化評(píng)估的方法，確定合理的人機(jī)協(xié)同方式，構(gòu)建人機(jī)共融的家具智能裝配系統(tǒng)，以提升生產(chǎn)制造的彈性、靈活性和可持續(xù)性。

1 家具裝配線人機(jī)任務(wù)分配依據(jù)

在人機(jī)協(xié)作中，應(yīng)充分發(fā)揮作業(yè)人員與設(shè)備的作用，以實(shí)現(xiàn)成本的最小化和生產(chǎn)效率的最大化，因此人機(jī)任務(wù)分配問題成為人機(jī)協(xié)作面臨的最大挑戰(zhàn)。將任務(wù)合理地分配給人與機(jī)器需要全面衡量和分析人和機(jī)器的特點(diǎn)，科學(xué)合理地將裝配線中的任務(wù)以一定的規(guī)則分配給人與機(jī)器，讓人和機(jī)器的長(zhǎng)處和優(yōu)勢(shì)得到最大化的利用，從而使人機(jī)生產(chǎn)系統(tǒng)具有穩(wěn)定性的同時(shí)，其最大生產(chǎn)效能也可以最大限度地發(fā)揮。關(guān)于人與機(jī)器的關(guān)系，研究大致經(jīng)歷了幾個(gè)階段：人適應(yīng)機(jī)器、機(jī)器適應(yīng)人、人與機(jī)器之間相互適應(yīng),人機(jī)協(xié)作是目前研究的重點(diǎn)[5-6]。對(duì)于人與機(jī)器各自的特性，經(jīng)典的Fitts表（表1）[7]對(duì)其進(jìn)行了描述，從表中可知，機(jī)的能力相對(duì)穩(wěn)定，可以由機(jī)器來完成單調(diào)重復(fù)、負(fù)荷大、需連續(xù)操作等特點(diǎn)的任務(wù)，人的能力具有靈活性，可以由人來完成需要判斷、決策、變化頻繁等特點(diǎn)的任務(wù)。

表1 Fitts人機(jī)能力對(duì)比表

對(duì)于不同任務(wù)，人和機(jī)器的不同特性在一系列需求指標(biāo)下表現(xiàn)出不同的特性，但Fitts表[8]主要分析了人與機(jī)器各自的優(yōu)勢(shì)與擅長(zhǎng)領(lǐng)域，而關(guān)于人機(jī)各自的優(yōu)勢(shì)對(duì)各種任務(wù)的滿足程度沒有直接的表現(xiàn)。因此，在對(duì)人機(jī)任務(wù)分配之前需要先明確任務(wù)的特點(diǎn)，根據(jù)任務(wù)的特點(diǎn)確定評(píng)價(jià)的指標(biāo)。對(duì)任務(wù)特點(diǎn)的分析是對(duì)家具裝配線規(guī)劃的前提和重要基礎(chǔ)，同時(shí)也會(huì)對(duì)家具裝配線的規(guī)劃產(chǎn)生約束條件。對(duì)任務(wù)特點(diǎn)的分析主要包括完成任務(wù)的效率與時(shí)間、規(guī)劃產(chǎn)線的成本、人的疲勞度等，因此進(jìn)行合理的人機(jī)任務(wù)分配需要綜合考慮多方面的因素。基于此，本文通過多目標(biāo)模糊決策的數(shù)學(xué)方法對(duì)人機(jī)任務(wù)進(jìn)行合理分配。

2 家具裝配線人機(jī)任務(wù)分配

2.1 家具裝配線人機(jī)任務(wù)分配模型

在對(duì)家具裝配線進(jìn)行設(shè)計(jì)或改造時(shí)，以提高家具裝配線生產(chǎn)效率為目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，本文在進(jìn)行裝配線人機(jī)任務(wù)分配中，假定將所有的任務(wù)都分配給各個(gè)資源，并以此為前提，提出一個(gè)流程模型對(duì)任務(wù)分配進(jìn)行描述。圖1為人機(jī)任務(wù)分配流程圖。

■圖1 人機(jī)任務(wù)分配流程圖

人機(jī)任務(wù)分配流程模型主要包括以下幾個(gè)過程：

（1）任務(wù)確認(rèn)

當(dāng)進(jìn)行任務(wù)分配時(shí)，通過對(duì)任務(wù)確認(rèn)，確定產(chǎn)品數(shù)據(jù)（包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、零件個(gè)數(shù)、質(zhì)量要求等）、生產(chǎn)數(shù)據(jù)（包括裝配順序、操作時(shí)間、生產(chǎn)過程復(fù)雜度等）、生產(chǎn)工具（包括工具種類、工業(yè)機(jī)器人種類及數(shù)量等），有利于對(duì)任務(wù)進(jìn)行細(xì)化和評(píng)估。

（2）劃分基本單元任務(wù)

劃分基本單元任務(wù)作為設(shè)計(jì)裝配線的重要環(huán)節(jié)，其目的是把整個(gè)任務(wù)分解成不可再分解的子任務(wù)[9]。劃分基本單元任務(wù)流程根據(jù)圖1所示，整體任務(wù)最終可以分解為不可再分的子任務(wù)集M（M1，M2，M3，… ，Mn），即每一個(gè)不可再分的子任務(wù)都可以由人或機(jī)器單獨(dú)完成。對(duì)于不可再分的子任務(wù)的上一級(jí)任務(wù)則可以由人機(jī)協(xié)同完成。如圖1中不可再分的子任務(wù)M1是由人完成，MJ是由機(jī)器完成，則子任務(wù)D1就是人機(jī)協(xié)同完成。家具裝配線設(shè)計(jì)中，整體任務(wù)就是對(duì)家具進(jìn)行裝配的任務(wù)；以板式定制家具為例，其子任務(wù)包括齊套、發(fā)板、組裝、質(zhì)檢等；其中組裝又包括上料、定位、夾緊等。

（3）任務(wù)初次分配

根據(jù)任務(wù)執(zhí)行的一些定性的約束條件，如是否由機(jī)器完成成本過高、是否容易出現(xiàn)意外事件、是否需要輸入規(guī)則及程序等，對(duì)各子任務(wù)定性分析并初次分配，得到可行的家具裝配線人機(jī)任務(wù)分配方案。

（4）方案篩選

評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇直接關(guān)系到最終分配方案的優(yōu)劣。針對(duì)家具裝配線，以生產(chǎn)線均衡度、生產(chǎn)成本、平衡滯延時(shí)間為評(píng)價(jià)指標(biāo)[10-11]，用模糊層次分析法對(duì)方案進(jìn)行評(píng)估優(yōu)選。

①生產(chǎn)線均衡度：指裝配生產(chǎn)線上各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)作業(yè)時(shí)間的均衡程度，目的是為了防止某些資源的工作時(shí)間太短或某些資源的工作量太大，其定義為：

式中，成本計(jì)算所用參數(shù)的定義在表2中列出。

表2 成本計(jì)算所用參數(shù)的定義

③均衡滯延時(shí)間：是指每個(gè)工作資源的工作時(shí)間與需求時(shí)間之間的差異之和。

在公式中，C為需求時(shí)間，第n個(gè)工作資源的工作時(shí)間表示Pn，n指裝配生產(chǎn)線上所有的組裝資源的數(shù)量。

2.2 任務(wù)分配模型優(yōu)選求解

模糊層次分析法( FAHP)[14-15]把人的主觀判斷過程思維化，同時(shí)有效地減少?zèng)Q策過程中需要量化的信息，并用模糊數(shù)值對(duì)不易量化的信息進(jìn)行量化，可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)、多準(zhǔn)則的人機(jī)任務(wù)分配決策，具體的步驟是：

（1）多層梯階結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建

根據(jù)研究對(duì)象，以及所確立的評(píng)估指標(biāo)，構(gòu)建一種多層次的梯階結(jié)構(gòu)模型。

（2）模糊互補(bǔ)判斷矩陣R的建立

①以第一行中的每個(gè)元素為判定標(biāo)準(zhǔn)，以此為依據(jù)對(duì)其后每行元素進(jìn)行兩兩對(duì)比，并定量分析，從而可構(gòu)建出一個(gè)模糊互補(bǔ)矩陣。

②模糊互補(bǔ)矩陣R

該元素A同下一行中的各個(gè)元素Bi（i=1,2,...,n)相關(guān)聯(lián)，模糊互補(bǔ)矩陣見表3。

表3 各模糊互補(bǔ)矩陣R

③在表格中，bij指元素Bi與元素Bj和前一行元素A進(jìn)行對(duì)比時(shí)，元素Bi與元素Bj之間存在模糊關(guān)系的模系“重要程度”的隸屬度。以數(shù)字0.1～0.9為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行度量，標(biāo)度數(shù)值的含義如表4所示。

表4 各個(gè)標(biāo)度值的含義

（3）檢驗(yàn)

通過對(duì)獲得的模糊互補(bǔ)矩陣R的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，將其轉(zhuǎn)換為模糊判斷矩陣，該方法的具體過程如下：

■圖2 定制家具組裝流程圖

①首先對(duì)b11,b12,...,b1n進(jìn)行對(duì)比與判斷，并根據(jù)相對(duì)程度量化: 0. 1 ～ 0. 9;

②然后檢查各行相應(yīng)元素之間差

如果成立：

反之，按照以上公式的要求調(diào)整bij。

用模糊互補(bǔ)矩陣R的第一行元素減去第二行相對(duì)應(yīng)的元素，如果得到的n個(gè)差數(shù)是常數(shù)，那么第二行元素不需要調(diào)整。反之，調(diào)整第二行元素直至第一行的元素和第二行對(duì)應(yīng)元素的差是常數(shù)為止。

③最后進(jìn)行檢驗(yàn)

對(duì)式（4）進(jìn)行調(diào)整后，對(duì)最大的特征根 求解，如果滿足：

對(duì)各個(gè)方案的排序需根據(jù)Ti的大小，如果T1≧T2≧....≧Tn，則人機(jī)任務(wù)分配方案從優(yōu)到劣的順序是：B1≧B2≧....≧Bn。

3 實(shí)例分析與驗(yàn)證

3.1 案例概況及任務(wù)的分配

以定制家具E公司的家具裝配系統(tǒng)為案例背景，通過任務(wù)分析及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行觀察測(cè)定，將該裝配系統(tǒng)子任務(wù)分為齊套、發(fā)板、組裝、質(zhì)檢、包裝，下面以組裝線的人機(jī)協(xié)作問題為例進(jìn)行闡述。其組裝流程如2圖所示，共有7個(gè)工序，10個(gè)工人，1臺(tái)組框機(jī)。

根據(jù)任務(wù)初次分配流程，進(jìn)行初次分配。由于人對(duì)柜體壓緊會(huì)出現(xiàn)柜體受力不均現(xiàn)象，因此將壓緊工序分配給機(jī)器；因定制家具的產(chǎn)品樣式多且門鉸需調(diào)試，組裝要求更靈活，從而將裝配五金件、百貨與門板工序分配給人。又由于組裝柜身的設(shè)備為一體的，組裝側(cè)板、頂?shù)装濉⒈嘲骞ば蛩脛趧?dòng)資源須一致，最終得到6種可行的任務(wù)分配方案（表5）。

表5 可行方案

3.2 方案的評(píng)價(jià)與篩選

（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定數(shù)據(jù)，按式（1）～（3）對(duì)5種可行方案的生產(chǎn)線均衡率、每小時(shí)生產(chǎn)成本、均衡滯延時(shí)間統(tǒng)計(jì)計(jì)算如表6所示。

表6 各方案評(píng)價(jià)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值

（2）建立多層次的梯階結(jié)構(gòu)模型

以生產(chǎn)線均衡率、生產(chǎn)成本、均衡滯延時(shí)間作為評(píng)估各個(gè)人機(jī)任務(wù)分配方案的指標(biāo)，構(gòu)建定制家具組裝線人機(jī)任務(wù)分配多層梯階結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

■圖3 定制家具組裝線人機(jī)任務(wù)分配多層梯階結(jié)構(gòu)模型

（3）互補(bǔ)矩陣的構(gòu)建

①根據(jù)表4各個(gè)標(biāo)度值的含義，以準(zhǔn)則層三項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果表6為前提，對(duì)各方案B1～B6進(jìn)行比較，可得到互補(bǔ)矩陣R1～R3如下：

②互補(bǔ)矩陣R

對(duì)準(zhǔn)則層的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行比較，則模糊互補(bǔ)矩陣R:

根據(jù)以上計(jì)算可得：T5＞T4＞T1＞T2＞T6＞T3,則B5＞B4＞B1＞B2＞B6＞B3，從而方案5為最優(yōu)方案。

（7）最優(yōu)方案合理性分析

方案5只是在原生產(chǎn)方案的基礎(chǔ)上增加了協(xié)作機(jī)器人，將工序2與工序6由人工完成變?yōu)橛蓹C(jī)器完成。從表6各方案評(píng)價(jià)指標(biāo)值可得，方案5相較于原生產(chǎn)方案（方案1）生產(chǎn)線平衡率提高了1.2%，平衡滯延時(shí)間減少了10.3%，每小時(shí)生產(chǎn)成本增加了6.4%，其各項(xiàng)指標(biāo)值未必是最優(yōu)的，但其綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值比原生產(chǎn)方案提高了24.5%，充分利用了機(jī)器和工人的各自優(yōu)勢(shì)，提高了組裝線的柔性及生產(chǎn)效率。

4 結(jié)語

本文以家具裝配線為研究對(duì)象，分析生產(chǎn)車間人和機(jī)器的特點(diǎn)、功能，構(gòu)建了以產(chǎn)品數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)工具等為基礎(chǔ)進(jìn)行任務(wù)分配的人機(jī)任務(wù)分配模型，運(yùn)用FAHP法以生產(chǎn)線平衡率、生產(chǎn)成本、平衡滯延時(shí)間為約束求解該模型，確立最優(yōu)生產(chǎn)方案，最后通過實(shí)例驗(yàn)證表明本文提出的人機(jī)任務(wù)分配模型在對(duì)產(chǎn)線升級(jí)規(guī)劃中確定合理的人機(jī)協(xié)作方式具有可行性。