基于Flexsim的車(chē)間調度優(yōu)化

第20卷第3期計算機技術(shù)與發(fā)展Vol.20 No. 32010年3月OOMPUTER TECHNOLOGY AND DEVELOPMENTMar. 2010基于Flexsim的車(chē)間調度優(yōu)化余曉光,嚴洪森，殷乾坤(東南大學(xué)復雜工程系統測董與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗室,江蘇南京210096; .東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,江蘇南京210096)擒要:基于三維動(dòng)畫(huà)仿真軟件Flesim,文中對航空附件加工車(chē)間這種多品種、小批量生產(chǎn)的作業(yè)車(chē)間(Job- Shop)進(jìn)行了調度優(yōu)化研究。介紹了Flexim 連接數據庫的技術(shù)與遺傳算法求解生產(chǎn)調度的方法;在Flexim中建立虛擬生產(chǎn)車(chē)間模型,并且在Flesimn虛擬車(chē)間模型內部嵌入C+ +數據庫操縱程序,將仿真模型與生產(chǎn)管理數據庫連接,使模型可以實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)數據;最后通過(guò)實(shí)例說(shuō)明Flexim仿真與調度優(yōu)化相結合的方法可以有效地提高航空附件加工車(chē)間的效益,證明了方法的有效性。關(guān)鍵詞:lexsim;遺傳算法;作業(yè)車(chē)間調度;數據庫連接中圍分類(lèi)號:TP391.9文獻標識碼:A文章編號:1673- 629X(2010)03 - 0044-04Workshops Scheduling Optimization Based on Flexsim SimulationYU Xiao -guang, YAN Hong-sen, YIN Qian-kun(Ministry of Education Key Lab. of Measurement and Control of CSE, Southeast Univ.,Nanjing 210096, China;School of Automation, Southeast Univ. , Nanjing 210096, China)Alstrad:On the basis of Flexsin sinilation, this paper studies airerat acesory job- shop schcduling oimitzaion problens, which ismuli- categories and small betch. Fint of al, the Fecxsim databae link method and ganetic agorithm in jobo- shop schetuing are introduoced. And then, the vitual workshop moel is built in Flesin enionnment, and embedded by detabase operntionC+ + programwhich could access production mangement datbese. The virtual workshop could update data from manufacturing databese in real time.In the end, the simulation example confimms the method of Flexsim simulation in crijumcion with scheduwing optimiation can improve theworkshop's benefit, and is efective.Key words;Flexsim;genetic agorithm;job- shop sceduing;databse link0引言調度問(wèn)題都取得了良好的效果?，F代生產(chǎn)車(chē)間中為了適應多變的需求,逐漸形成Flexsimn是- -種面 向對象的可視化3D仿真軟件,了多品種、小批量的生產(chǎn)方式。在多品種、小批量的生可以方便地建立生產(chǎn)線(xiàn)模型并通過(guò)仿真進(jìn)行效能評產(chǎn)方式下選擇合適的生產(chǎn)調度策略顯得尤為重要([1]。價(jià)[4,文獻[5]采用Flexsim對沖壓車(chē)間進(jìn)行了調度優(yōu)采用合適的生產(chǎn)調度可以提高機器的利用率,平衡各化,并介紹了 Flexsim 調用Excel進(jìn)行數據交換的方生產(chǎn)工位負荷，保證按時(shí)按需生產(chǎn)。法,但未實(shí)現Flexsim調用數據庫,進(jìn)行與數據庫的實(shí)遺傳算法是一種解決生產(chǎn)調度問(wèn)題的有效算法,時(shí)數據交換。文獻[6]采取計劃與調度同時(shí)優(yōu)化的方文獻[2]使用的GASA混合策略求解Jqb- Shop調度法首先建立粗生產(chǎn)計劃并在粗生產(chǎn)計劃的基礎上求解問(wèn)題和文獻[3]使用的自適應遺傳算法解決作業(yè)車(chē)間調度,并成功應用于汽車(chē)裝配車(chē)間。但是求解速度較慢,并且采用文字界面,沒(méi)有建立可視化的車(chē)間模型。而文中的研究對象是航空附件生產(chǎn)車(chē)間,由于其產(chǎn)品收稿日期:2009 -06- 13;修回日期:2009-09-01基金項目:國家863計劃資助項目(2007AA04Z112);國家自然科學(xué)的特殊性必須按訂單生產(chǎn)。因此首先在約束(訂單需基金資助項目(50875046)求和中國煤化工算法求解最優(yōu)調度;作者簡(jiǎn)介:余曉光(1984-),男,江蘇南京人,碩士研究生,研究方向然后!YHCNMHG3模型,并通過(guò)該模為車(chē)間生產(chǎn)計劃調度與仿真;嚴洪森,教授,博士生導師,研究方向型訪(fǎng)向生產(chǎn)管理數據庫獲得虛擬車(chē)間的調度與工時(shí)數為生產(chǎn)計劃與調度、知識化制造、并行工程等。據;最后通過(guò)仿真對方案進(jìn)行比較。第3期.余曉光等:基于Fexsimn 的車(chē)間調度優(yōu)化from SoluResulr whe Stedue=1");1 Flexsim 簡(jiǎn)介Flexsim 是美國Flexsim公司開(kāi)發(fā)的一種基于對象/執行sa|查詢(xún)語(yǔ)句/Source1 > vibleshedude"，model()),(0liect)的 3D仿真軟件,可對生產(chǎn)車(chē)間進(jìn)行3D仿startrow starool,numrows, numools);真。在Flxsimn圖形開(kāi)發(fā)環(huán)境中,用戶(hù)可以方便地搭建//將SQL查詢(xún)結果導入Source對象的schedule表中三維仿真模型,并且仿真對象中內置了大量的可設置參數。如果需要實(shí)現復雜邏輯,還可以使用C++或3遺傳算法Flxsim Sript嵌人式編程擴展已有的參數功能。遺傳算法(Genetic Algornthm,GA)是- 種模擬自Flexsim中集成了C++ IDE和編譯器,用戶(hù)可以對已然界生物進(jìn)化過(guò)程的仿生算法。它通過(guò)模仿生物的進(jìn)有的仿真對象進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),建立新的模擬對象(0b-化過(guò)程來(lái)優(yōu)化解的集合,其基本操作是通過(guò)選擇交叉ject)滿(mǎn)足個(gè)性化需求。在數據交換上,Flxsim可以由和變異搜索解的空間。其對空間的搜索具有隱含并行Exel或數據庫導入導出數據，使用Flexsim和生產(chǎn)管性,它不同于隨機搜索(解空間中的枚舉搜索),它的選理數據庫連接可以實(shí)現調度的實(shí)時(shí)仿真。目前擇機制可以大大減小搜索空間，因而可以在有限時(shí)間Flexsim已成為- -款流行的生產(chǎn)仿真軟件,根據統計約內得到一個(gè)最優(yōu)解或較優(yōu)解,并且遺傳算法還是一-種有一半的《財富>500強企業(yè)使用了Flexsim軟件。具有全局優(yōu)化能力的搜索方法[1。1985 年Davis首次將之用于解決調度問(wèn)題以來(lái),遺傳算法不斷得到改進(jìn)2 Flexsim 數據庫連接技術(shù)發(fā)展,是一種比較成熟的調度算法。文中采用改進(jìn)遺Flexsim通過(guò)Borland 公司的BDE ( Borland傳算法(禁忌搜索-遺傳混合算法,Tabu- GA)對生Databese Engine)連接到數據庫[4。BDE是Borland公產(chǎn)調度進(jìn)行優(yōu)化。司開(kāi)發(fā)的數據庫引擎,它可以通過(guò)內置的驅動(dòng)程序、文中以最長(cháng)完工時(shí)間(makepan)優(yōu)化目標函數:sQL Links驅動(dòng).ODBC鏈接訪(fǎng)問(wèn)各種數據庫。FlexsimJ = min{ maxCm}使用基于BDE中ODBC的驅動(dòng)的方式訪(fǎng)問(wèn)數據庫。s.t. Cg-Tj≥Cg-1(1)Flexsim有兩種訪(fǎng)問(wèn)數據庫模式,分別為T(mén)able Mode和Cj≥0(2)SQL Modeo在Table Mode下,整個(gè)數據庫表會(huì )被載入J≤T(3)Flexsimn全局表,用戶(hù)可通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)全局表的方式來(lái)讀取式中n為生產(chǎn)的零件種數,m為機器數,C。表示第:種數據,但不能執行sQL命令。SQL Mode是提供SQL零件在第;個(gè)機器完成加工的時(shí)間。約束條件(1)為加支持的模式?？梢酝ㄟ^(guò)SQL命令或Fexsin訪(fǎng)向數據工順序約束,i = 1.2.-.n;j = 2.3-.mn.約束條件庫命令來(lái)完成對數據庫的操作。(2)中i= 1,2.",.n;j= 1.2.-,.m。約束條件(3)為Flesim 提供了22條訪(fǎng)問(wèn)數據庫的命令,這些命工時(shí)約束,其中T為調度周期中機器可利用工時(shí)。令實(shí)質(zhì)是C+ +編寫(xiě)的函數。下面以具體程序說(shuō)明數據庫訪(fǎng)問(wèn)操作:這是在Source對象的OnReet()事件中的一-段C4 Flexsim仿真模型建立++編寫(xiě)的程序，將數據庫中調度結果1添加進(jìn)4.1建立模型框架文中研究的航空附件加工車(chē)間屬于Job- Shop類(lèi)Souree的零件到達表中。問(wèn)題。其產(chǎn)品特點(diǎn)是:品種多、批量小,并且工藝路線(xiàn)if (dbqemode()! =1)固定。由于在限定時(shí)間內車(chē)間的生產(chǎn)能力是固定的，//如果數據庫以sQL Mode方式打開(kāi)執行下面語(yǔ)句所以對投產(chǎn)順序進(jìn)行優(yōu)化，協(xié)調多種零件的生產(chǎn),提高機器資源的利用率,平衡各工位的負荷就顯得十分必dbloe();//關(guān)閉數據庫連接要。dbopen("arabseceme", "sleat ArnvalTme, IrenName, ltem在車(chē)間中,零件生產(chǎn)是由零件圖紙和工藝流程卡Type,Quantity from SheduleResult where Sthedule = 1 order by控制的。通過(guò)圖紙和工藝流程卡可以獲取生產(chǎn)準備時(shí)ArivalTime ASC" ,0);中國煤化工”.所包含的零件數//以SQL模式打開(kāi)數據庫別名(Databee Alis)為drabecame量信息臺機器上的加工的數據庫并執行SQL查詢(xún)時(shí)間,YH. CN M H G件的標準工藝時(shí)間來(lái)計算工人工作量。else在建立模型前做如下假設:dteqlquery(" selet ArialTime, ItenName, ItemnType, Quanity，46.計算機技術(shù)與發(fā)展第20卷1.零件在各機器上的加工工序確定;確定零件的交付期,更加不能保證零件按期交付。在2.每臺機器-一次只能加工一批零件,一旦加工開(kāi)這種情況下為了盡量保證零件可以按期交付，生產(chǎn)控始就不能發(fā)生中斷;制部門(mén)在制定月度計劃后還需要不斷地更新調度以明3. - -批零件不能同時(shí)在不同機器上加工;確哪些產(chǎn)品需要“按時(shí)"生產(chǎn)。實(shí)際生產(chǎn)中,人工制定4.批的大小不-致,但每-批零件視為- 一個(gè)工件的調度經(jīng)常與目前在產(chǎn)的產(chǎn)品不-致,反而降低了生進(jìn)行仿真，由其標準工藝時(shí)間X數量+準備時(shí)間計算產(chǎn)效率,增加了產(chǎn)品切換成本和庫存成本。其加工時(shí)間;針對以上缺陷文中采用遺傳算法對5日和10日5.不考慮機器故障。后需交貨的產(chǎn)品在生產(chǎn)能力的限制下進(jìn)行5日內排產(chǎn)根據現場(chǎng)的機器布局在Flexsim中搭建虛擬生產(chǎn)調度,在產(chǎn)品全部投產(chǎn)后對后續訂單進(jìn)行滾動(dòng)的生產(chǎn)車(chē)間如圖1所示:機器成二列擺放,在機器中間為生產(chǎn)調度。這樣免去了月度和10日的訂單調度,對訂單的庫存擺放正在加工的零件。反應速度加快。具體方法是:考慮到5日內交貨的產(chǎn)品必須安排在當期生產(chǎn),10日后交貨的產(chǎn)品可以在滿(mǎn)足生產(chǎn)能力限制的前提下選擇生產(chǎn)以提高機器的利用率和下次排產(chǎn)時(shí)的訂單完成能力。在所有產(chǎn)品投產(chǎn)前安排下期訂單的生產(chǎn)調度,如此對生產(chǎn)進(jìn)行滾動(dòng)調度。這樣生產(chǎn)調度只需考慮10日內交付的訂單,可以事先確定投產(chǎn)順序和產(chǎn)品交付時(shí)間,所以只需對5日后與部分10日后交付的訂單進(jìn)行備料,在制品庫存也圍1 Flexsim 車(chē)間模型僅限于當期完工的產(chǎn)品。節省了物料與產(chǎn)品庫存成4.2填充現場(chǎng)數據完成生產(chǎn)線(xiàn)布局建模后,使用Flexsim 中嵌入本、提升了生產(chǎn)線(xiàn)的動(dòng)態(tài)響應能力。5.2 遺傳算法調度求解C+ +程序的方法載入生產(chǎn)車(chē)間數據。首先在BDE中5日內有A、B.C三組零件需交付,共計10種零設置數據庫別名。然后使用C+ +語(yǔ)言實(shí)現在件。10日內另外還有D、E、F三組零件需交付,共計Source1對象和Machine對象的參數表中編寫(xiě)所需邏10種零件。產(chǎn)品工時(shí)數據如表1所示。同組零件具.輯以完成調度和參數載人,具體數據載人程序流程為: .有組合關(guān)系,需要同時(shí)領(lǐng)料與交貨。A.B.C三類(lèi)零件獲得Run/Reset 按鍵消息、檢查/建立數據庫連接、從表1產(chǎn)品工時(shí)數據數據庫讀人調度結果表填充到Source1對象的調度表z M1M2M3 M4M中從數據庫中讀取工時(shí)數據填充到Flexsim全局表TimeFromDB中,機器從全局表TimeFromDB 中獲取Al33391030A3266378571工時(shí)數據。A3 042222 78921458這樣就實(shí)現了調度與工時(shí)數據的載人，體現了B117675678Flexsim仿真的靈活性,可以實(shí)現模型數據與生產(chǎn)數據255177123 54314344庫的同步更新。體現了調度與仿真的柔性,進(jìn)一步提B6 55566456 21069857991892453214高了車(chē)間的信息集成度。a888 26587653714544c88988543 854247525優(yōu)化算例C10 04511516D11 205 578963 325800125.1問(wèn)題分析DI2 296696 214586356文中研究的車(chē)間目前采用月度訂單調度、10日訂D13832 630258147255132單調度和5日訂單調度三重訂單調度安排。采用這種E14 487236553665方法是因為該車(chē)間目前采用的是以大量在制品庫存來(lái)中國煤化工39645678123提高機器利用率的方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以提高機器的利用率,調度簡(jiǎn)單;缺點(diǎn)是需要提前一個(gè)月對訂MHCNMHGJ0U325單進(jìn)行備料,對訂單的響應慢,對于加急訂單需要特殊F19 488 35864325407527處理并且會(huì )打亂已有的生產(chǎn)調度安排,在投產(chǎn)時(shí)不能F20_20963_325120第3期余曉光等:基于Flxsim的車(chē)間調度優(yōu)化必須在當期安排生產(chǎn)。在工時(shí)滿(mǎn)足的情況下可以安排利用率為第一指標,生產(chǎn)線(xiàn)平 衡為第二指標。對機器D.EF進(jìn)行生產(chǎn)。5日工時(shí)限制為7500。利用率和負荷平衡綜合分析可以得出結論:選擇生產(chǎn)采用改進(jìn)遺傳算法編寫(xiě)的車(chē)間調度程序以A.B.C、F這四類(lèi)零件可以取得較好的效益。makespan最小為目標求調度有四套方案可以選擇，如表2所示。其中,生產(chǎn)方案表示投產(chǎn)的零件組,調度結6結束語(yǔ)果表明零件的投產(chǎn)順序(排在最左邊的最早生產(chǎn)),航空附件加工車(chē)間是復雜的離散事件動(dòng)態(tài)系makespan表示計算出的生產(chǎn)時(shí)間。統[8]。三個(gè)以上機器的Job- Shop調度向題就為NP表2遺傳算法調度結果- hard問(wèn)題!2]。對于這樣的問(wèn)題的優(yōu)化目前還沒(méi)有解生產(chǎn)方案調度結果makespan析解和通用的方法。所以目前的觀(guān)點(diǎn)是沒(méi)有免費的午餐(No Free Lunch) ,對于每個(gè)不同問(wèn)題都有其適合的A.B.CC10A3A1 B4 BS B6C9C7 08 Al5775手段進(jìn)行解決9]。一個(gè)實(shí)際加工車(chē)間的運行和維護需A、B.C.DCI0DI2BSA2B4B6A3D11∞C708.6470要很高的成本。采用建立虛擬生產(chǎn)車(chē)間模型進(jìn)行仿真DI3 Al的方法可以節省車(chē)間調度的驗證成本,并且可以很大.程度上反映生產(chǎn)車(chē)間的實(shí)際情況,更重要的是其可以.A.B.C.ECI0A3A2 B4 E1S BSC9 B6 C7 E14 E167341Al C8在短時(shí)間內完成長(cháng)時(shí)間生產(chǎn)的性能驗證。仿真方法是解決離散事件動(dòng)態(tài)系統問(wèn)題中常用的方法之-。A.B.C.FC10B4A2A3F20BSB6C9F19F18C766280817 Al文中針對航空附件加工車(chē)間的調度問(wèn)題.使用遺傳算法計算得到短期調度代替人工制定的長(cháng)期調度。5.3 使用Flexsim進(jìn)行仿真分析在取得調度結果后使用Flexsim對調度結果進(jìn)行并且使用Flexsim軟件建立與生產(chǎn)管理數據庫連接的可視化仿真,模擬實(shí)際生產(chǎn)線(xiàn)的加工情況,獲取調度結生產(chǎn)線(xiàn)模型,動(dòng)態(tài)地對遺傳算法求解出的生產(chǎn)調度結果的更多信息。Flexsim對調度結果仿真結果如表3果進(jìn)行仿真。最后通過(guò)算例說(shuō)明采用Flexsim仿真與所示。對結果進(jìn)行簡(jiǎn)單處理,得到調度后機器的平均遺傳算法相結合的方法可以有效地應用于航空附件加利用率與機器利用率的標準差。在比較方案時(shí)以平均工車(chē)間調度問(wèn)題。表3 Flexsim 仿真結果M1134MsSM16平均標準差100%80.30%63.50%73. 10%71. 50%92. 20%80. 10%0.125A、B.C、D85.30%80.10%72.80%87.00%91. 70%86.20%0.08687.20%77. 80%78. 80%70.20%93.90%84. 70%0.101A、B.C、F100% 88. 20%91.60%83.70%88.50%92.90%90.80%0.050參考文獻:度仿真研究[].工業(yè)控制計算機,2007 ,28(8):63-64.[1]陳志光.旭電公司多品種小批盤(pán)生產(chǎn)方式改善的研究[6] 嚴洪森，夏琦峰,朱 如,等.汽車(chē)裝配車(chē)間生產(chǎn)計劃與調[D].廣州:華南理工大學(xué),2006.度的同時(shí)優(yōu)化方法[J].自動(dòng)化學(xué)報,2006,28(6):911 -[2] 王凌.車(chē)間調度及其遺傳算法[M].北京:清華大學(xué)出919.版社,003.[7] 張平,嚴洪森，余曉光.基于混合算法的知識網(wǎng)表達式[3] 王萬(wàn)良,吳啟迪,宋 毅. 求解作業(yè)車(chē)間調度問(wèn)題的改進(jìn)優(yōu)化[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2009,19(3):32 - 35.自適應遺傳算法[J].系統工程理論與實(shí)踐，2004,24(2):8] 鄭大鐘,趙千川.離散事件動(dòng)態(tài)系統[M].北京:清華大學(xué)58-62.出版社,2001.[4] Averill M L. 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