FMS中_柔性_的定量评价模型研究

第18卷　第5期运　筹　与　管　理Ｖｏｌ.18,Ｎｏ.52009年10月ＯＰＥＲＡＴＩＯＮＳＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴＳＣＩＥＮＣＥＯｃｔ.2009

收稿日期:2008-05-16基金项目:国家自然科学基金资助项目(70871085);天津大学青年教师培养基金资助项目(ＴＪＵ-ＹＦＦ-08Ｂ09)作者简介:解百臣(1981-),男,山东聊城人,讲师,研究方向:管理科学与运筹技术,金融工程;吴育华(1944-),男,上海人,博导,中国运筹学会副理事长,研究方向:对策、决策与冲突分析。

ＦＭＳ中“柔性”的定量评价模型研究解百臣,　吴育华,　赵学金(天津大学管理学院,天津300072)

摘　要:本文首先根据柔性制造系统的组成,给出ＦＭＳ系统中柔性的定义,并试图给出ＦＭＳ中“柔性”的随机动态规划定量评价模型,为定量判断一个生产系统的柔性情况提供依据。该模型的建立,使得可以在ＦＭＳ系统设计初期确定柔性大小,进而对确定预期的投资、技术,具有一定的现实意义。关键词:运筹学;柔性制造系统;柔性;定量评价中图分类号:Ｆ224.3 文章标识码:Ａ 文章编号:1007-3221(2009)05-0116-04

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＱｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｎＦｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙｏｆＦｌｅｘｉｂｌｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍ

ＸＩＥＢａｉ-ｃｈｅｎ,ＷＵＹｕ-ｈｕａ,ＺＨＡＯＸｕｅ-ｊｉｎ(ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｎａｇｅｍｅｎｔ,ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ,Ｔｉａｎｊｉｎ300072,Ｃｈｉｎａ)

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆｆｌｅｘｉｂｌｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｓｙｓｔｅｍ,ｔｈｅｐａｐｅｒｆｉｒｓｔｌｙｄｅｆｉｎｅｓｔｈｅｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙｏｆｆｌｅｘｉ-ｂｌｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｓｙｓｔｅｍ.Ａｎｄｔｈｅｎｉｔｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｄｙｎａｍｉｃａｎｄｓｔｏｃｈａｓｔｉｃｐｌａｎｎｉｎｇｉｎｆｌｅｘｉｂｉｌ-ｉｔｙｏｆＦＭＳ.Ｔｈｅｍｏｄｅｌａｉｍｓｔｏｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｔｏｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙｏｆａｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｑｕａｎｔｉｔａ-ｔｉｖｅｌｙ.Ａｌｓｏ,ｔｈｅｍｏｄｅｌｍａｋｅｓｉｔｐｏｓｓｉｂｌｅｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅＦＭＳｓｙｓｔｅｍｉｎｔｈｅｐｒｉｍｅｓｔａｇｅ,ｔｏｃｏｎｆｉｒｍｔｈｅｐｒｏｓｐｅｃ-ｔｉｖｅｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ.Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ,ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｏｆｇｒｅａｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｏｓｏｍｅｅｘｔｅｎｔ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｒｅｓｅａｒｃｈ;ｆｌｅｘｉｂｌｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ;ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ;ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎ

0　引言柔性制造系统(ＦｌｅｘｉｂｌｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍ,ＦＭＳ)是由统一的控制系统和物料输送系统联接起来的一组加工设备,能在不停机的情况下实现多品种工件的加工,并且具有一定管理功能的制造系统。作为当代最先进的制造系统之一,ＦＭＳ集高效率、高精度、高柔性于一体,使多品种小批量生产的生产过程也像大量生产一样实现了自动化。其柔性主要体现在两个方面:一是能在同一时间内加工不同种类零件的不同工序;一是能选择不同的工艺路线加工一种零件的一组工序。由于上述工艺上的高柔性,使ＦＭＳ的设备利用率大大提高。有资料表明,一般数控机床的切削时间约占一个工作班时间的10～30%,而柔性生产系统的切削时间所占比例能达到50～90%[1]。

ＦＭＳ的技术功能和生产能力在系统设计之初已经确定和保证,但实际中能否充分发挥它的能力,确保柔性的真正实现,则取决于投产后的作业调度与安排。只有合理地安排工艺作业顺序、制定计划,才能合理有效地使用ＦＭＳ系统。1　ＦＭＳ的组成典型的ＦＭＳ按其功能,都由加工系统、物料储运系统和计算机管理与控制系统。(1)加工系统。加工系统的设备种类和数量取决于加工对象的工艺要求。ＦＭＳ的加工对象一般为回转体和非回转体两大类。回转体类零件采用车削加工中心。非回转体类零件比如箱体类、立方体类等则采用镗铣加工中心。除此,一般还配备一定数量的数控机床或经过数控化改装的机床。(2)物料储运系统。它的功能包括物料的存取、贮存、运输和装卸。一般采用带堆垛机的立体仓库。从立体仓库到各工作站的运输可以采用棍道传送带或架空单轨悬挂式运输装置,也可采用自动导引运料小车或工业机器人作为运输工具。(3)计算机管理与控制系统。计算机管理与控制系统是ＦＭＳ的“大脑”,由它指挥与控制整个ＦＭＳ系统的一切活动。计算机控制系统的核心是系统控制软件和数据库。对于数据库,里面存放着三大类数据:生产数据,包括来自上级生产指挥系统的生产计划和生产工艺数据;资源数据,主要是该ＦＭＳ的设备资源和工具资源数据;运行数据,随着生产过程的运行随时在更新,动态地反应系统的运行状态,包括当前工件所在的位置,设备的运行状态,工具的使用情况和生产进度等数据。对于系统控制软件,它主要包括系统管理、系统监视和质量监控等。

2　ＦＭＳ的柔性从ＦＭＳ的组成可以看出,ＦＭＳ中最重要的无形利益是其内在的柔性,柔性是ＦＭＳ的一个主要特点。ＦＭＳ应充分发挥“柔性”特点,实现企业的经济效益:适应市场需求,有助于多品种中小批量生产;提高机床利用率,缩减辅助时间,以利于降低生产成本;缩短生产周期,减少在制品占用量和库存量,加速资金周转,提高市场响应能力;提高自动化水平,以利于提高产品质量、降低劳动强度、改善生产环境。所以ＦＭＳ是一种较新的有很大发展前景的生产系统。要科学评价一个ＦＭＳ系统的经济效益,其系统柔性指标是一个极为重要的评价参数。近几年来有不少学者对此作了许多有益的尝试。本文此处介绍一个随机动态规划模型,对ＦＭＳ中柔性的定量评价作一说明。首先来定义ＦＭＳ的柔性。2.1　ＦＭＳ的柔性ＦＭＳ柔性的定义有狭义和广义之分[2]。狭义方面,一个生产设备通过计算机程序化可以设计出生产

图1　ＦＭＳ柔性构成示意图一类相似的零件或执行一个范围内不同的任务,就说这个生产设备具有柔性。广义方面,柔性是指一个生产系统对不断变化的不确定的外部环境作出有效反应的能力。柔性又可与重要的战略目标联系起来分为不同类型。总体来说,各种类型的柔性可以归结为两大类:过程柔性和产品柔性。此外,还有一个基本结构柔性即智能技术和表示组织本身适应变化的能力。这些柔性一起构成了ＦＭＳ总的生产柔性,代表了企业适应环境变化的能力,见图1。2.2　柔性制造系统的级别按加工设备的规模、投资强度和用途可把ＦＭＳ系统划分为以下5个级别[3]:

(1)柔性制造模块(ＦｌｅｘｉｂｌｅＭａｎｕｆａｅｔｕｒｉｎｇＭｏｄｕｌｅ,ＦＭＭ)一台扩展了许多自动化功能(如托盘交换器、托盘库或料库、刀库、上下料机械手等)的数控加工设备。它是最小规模的柔性制造设备,相当于功能齐全的加工中心、车削中心或磨削中心等。(2)柔性制造单元(ＦｌｅｘｉｂｌｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＣｅｌｌ,ＦＭＣ)数控加工设备之间由小规模的工件自动输送装置进行连接,并由计算机对它们进行生产控制和管理。(3)柔性制造系统(ＦＭＳ)包括4台或更多的数控加工设备、ＦＭＭ或ＦＭＣ是规模更大的ＦＭＣ或由ＦＭＣ为子系统构成的系统。ＦＭＳ的控制、管理功能也比ＦＭＣ强,对数据管理与通信网络的要求高。

117第5期 解百臣,等:ＦＭＳ中“柔性”的定量评价模型研究(4)柔性制造生产线(ＦｌｅｘｉｂｌｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＬｉｎｅ,ＦＭＬ)其规模与ＦＭＳ同或比ＦＭＳ大,但加工设备在采用通用数控机床的同时,更多地采用数控组合机床(数控专用机床、可换主轴箱机床、模块化多动力头数控机床等),所以这种柔性制造生产线也被称为柔性自动线。工件输送路线多为单线固定。ＦＭＬ的特点是柔性较低、专用性较强、生产率较高、生产量较大,相当于数控化的自动生产线,一般用于少品种,中、大批量生产。因此,可以说ＦＭＬ相当于专用ＦＭＳ。(5)柔性制造工厂(ＦｌｅｘｉｂｌｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＦａｃｔｏｒｙ,ＦＭＦ)ＦＭＦ以ＦＭＳ为子系统构成,柔性制造由ＦＭＳ扩大到全厂范围,并通过计算机系统的有机联系,实现全厂范围内生产管理过程、设计过程、制造过程和物料储运过程的全盘自动化,即实现自动化工厂(ＦａｃｔｏｒｙＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ,ＦＡ)的目标。显然,ＦＭＳ是在兼顾了数控机床灵活性好和刚性自动生产线效率高两者优点的基础上逐步发展起来的,原则上,ＦＭＳ与单机加工和刚性自动生产线有着不同的适用范围。如果用ＦＭＳ加工单件,则其柔性比不上单机加工,且设备资源得不到充分利用;如果用ＦＭＳ大批量加工单一品种,则其效率比不上刚性自动生产线。因此,ＦＭＳ的优越性是以多品种、中小批量生产和快速市场响应为前提的。但是,ＦＭＳ的柔性到底有多大,目前关于这方面的研究还比较少,本文试图通过随机动态规划的方法,提出定量评价ＦＭＳ的模型。

3　ＦＭＳ中“柔性”的定量评价模型———随机动态规划模型ＦＭＳ通过其内在的柔性使得企业能够适应环境的变化,对不确定性因素做出相应的反应,从而增强企业的竞争力。概括起来,不确定性因素有两种,一种是由设备故障造成的,另一种是由需求的变化造成的[4]。本文主要讨论的是由需求的变化造成的不确定性,而这里需求的变化是指需求的产品组合、产量

的变化及对新产品的需求等,是一个动态的变化过程,因此符合用动态规划求解的思想。有关假设可参阅文献[5]。下面为评价柔性的随机动态规划模型[5]:

(1)阶段的确定:企业将要进行Ｔ个阶段的生产。(2)状态变量和决策变量:在ｔ阶段末,第ｔ阶段的生产结束,并开始第ｔ+1阶段的生产。若在第ｔ阶段末,已知顾客需求第ｉ种产品的ｄｉ(ｔ)产量,即Ｎｉ(ｔ)=ｄｉ(ｔ),企业生产完第ｊ种产品的ｘｊ(ｔ)产量,则此时的状态变量ｓｔ=(ｘｉ(ｔ),ｄｉ(ｔ)),可达状态集合为Ｓｔ={ｘｊ(ｔ),ｄｉ(ｔ)},ｉ,ｊ=1,2,…,ｎ,ｘｊ(ｔ)=1,2,…,Ｍｊ,ｄｉ(ｔ)=1,2,…,Ｄｊ。在第ｔ个阶段末需要对第ｔ+1阶段的生产进行决策,允许集合为Ｄｔ(Ｓｔ)={ｘｉ(ｔ+1),ｉ=1,2,…,ｎ　ｘｉ=1,2,…,Ｍｉ}若决策变量Ｕｔ(Ｓｔ)=ｘｉ(ｔ+1),则表明所做的决策应为:第ｔ+1阶段生产ｘｉ(ｔ+1)产量的第ｉ种产品。其中:Ｍｉ为各种产品每个阶段最多能生产的上限数,Ｍｉ取整数;Ｄｉ为每个阶段对各种产品的需求上限,Ｄｉ为整数,且Ｄｉ≤Ｍｉ;ｘｉ(ｔ)为第ｉ种产品的产量;ｄｊ(ｔ)为顾客对第ｊ种产品的需求产量;Ｎｊ(ｔ)为第ｔ个阶段末顾客对第ｉ种产品的需求量,Ｎｊ(ｔ)=1,2,…,Ｄｉ;ｄｉ(ｔ)∈[1,Ｄｉ],ｄｉ(ｔ)为整数,ｉ=1,2,…,ｎ。(3)决策过程用逆序解法倒推可得如下最终结果[5]。此时的Ｆ值即为该生产系统在整个生产阶段的最优收益值。