工业工程生产线规划的模块化研究

摘要　利用模块化设计思想，提出一种基于模块化的生产线规划方法。通过遗传算法对模块进行构建或重构。从而实现生产线的快速构建与重构，以适应市场产品多变的需求。

关键词　模块化设计　生产线规划　遗传算法　多agent

中图分类号：F270 文献标识码：A

笔者利用模块化设计思想，提出了一种基于模块化的生产线规划方法。该方法将可重构单元作为生产线的基础模块，通过对基础模块的增删或调整，达到了改变单元和生产线的加工能力的目的，以适应市场产品多变的需求。

一、可重构单元

制造单元是制造系统的最基本单元，也是先进生产模式实施的基础。它集高效率、高柔性和高质量于一体，不仅适合中小制造企业，而且通过组合不同加工能力的单元，可构建出满足大型制造企业需求的生产线系统。因此，单元的构建与重构，是实现生产线快速构建与重构的基础。

（一）可重构单元的设备。

在制造单元内，除缓冲站和物流传送设备外，其结构核心是加工设备。许多企业为使加工设备适应未来的加工需求，通常选择功能较强的加工设备。但实际上，生产中80%的加工中心只应用了其20%的功能。这种通过保留过多的功能冗余，提高设备乃至生产线加工柔性的办法，会造成投资浪费。

为降低单元内设备的功能冗余。提高设备的利用率，便于单元的功能拓展，应按工艺要求选择功能互补型设备；为便于单元的重构，单元内的加工设备按串联方式布置，并在车间内建立相应的公共地基。单元内配置的加工设备的类型和数量可按工艺优化的原则，通过更换、增删和调整排列次序进行单元重构，从而适应零件加工需求的变化。通常，当加工对象发生变化且调整前后加工费用的差额大于调整费用时，需进行调整，否则，不必替换设备或改变设备的物理布局，而只需对单元进行动态逻辑重构。纳入动态逻辑重构单元内的设备可以是生产线上相邻单元内的设备。如果用这种方式仍不能获得所需加工能力。可以通过互联网，组合异地单元的加工设备，构建虚拟单元完成加工任务。

（二）基于多目标规划的单元构建。

依据前面提到的可重构单元设备的选择要求，选定所需设备后，就要进行单元构建。单元构建包括设备分组、零件分组以及单元布置。目前，单元构建的算法有多种，侧重点各不相同，但一般都局限于独立解决问题的一个方面，而忽视三方面要素的交互影响，从而制约了单元构建目标的最佳实现。通过分析，单元构建模型的目标函数可定义为：

min[/N]

即工件的平均流程时间最短。式中为工件总数；tp为工件数p的流程时间，包括其加工时间以及在设备和单元间的转移时间。约束条件包括：（1）每台设备或每个零件只能属于一个单元；（2）单元内设备功能互补，并保持负荷均衡；（3）单元内至少分配一个零件；（4）工件所属单元至少包含一台可加工其作业的设备；（5）按工艺顺序要求加工零件；（6）零件的转移时间与路程成正比；（7）单元内设备数应少于设备总数。

加入约束条件后的目标函数采用传统方法很难求解。为此，作者应用遗传算法提出一种基于多目标规划的单元构建方法，并采用二维编码方案对问题域进行编码，即染色体各基因座由两位元素（x1，x2）组成，x1表示该设备或零件所属单元编号，x2表示该设备或零件的位置或排序权重。这样，设备染色体代表设备的分组和排序，零件染色体代表零件的分组和排序。而一条由设备染色体和产品染色体组成的二维染色体，就代表一种设备规划与零件排序方案，从而同时解决了单元构建的三方面问题。初始染色体采用随机方式产生，并利用约束条件检验其有效性。适应度函数定义为：

=

为目标函数，分子为当代所有个体目标值之和，是转换后的适应度函数。针对二维编码特点，交叉算子采用一点与两点匹配交叉相结合的方法。变异操作时，对同一染色体中出现的重复基因要进行相应的匹配交换。此外，为加快算法收敛速度，迭代过程中将动态保留历代优解。通过该方法构建的单元是一组由加工设备串联构成的自治化整体，并且加工设备的功能彼此互补，冗余较低。在实际加工中，单元中加工设备的类型和数量还可以根据产品族的不同进行调整和重构。

二、基于模块化的生产线规划

生产线的规划形式取决于生产类型，其基本形式可分为4种：产品原则布置、工艺原则布置、成组原则布置和固定工位式布置。依据这些原则，先后出现了机群式制造系统、刚性制造系统和柔性制造系统。相比而言，后者能加工较多的零件品种，但只限于所设定的同族零件内。因此，为使规划设计出的生产线既能够满足当前的加工需求，又能够在加工需求在一定范围内发生变化时，很容易进行调整重构。作者利用模块化的设计思想，以可重构单元作为构建生产线的基础模块，提出一种基于模块化的生产线规划方法。

基于可重构单元的生产线结构可将重构单元作为单元模块，通过在生产线基型结构上灵活组合，实现生产线的快速构建和重构。

生产线基型结构是由物流出入口、缓冲站、物流主通道等组成，其布局形式直接影响生产线的结构。生产线基型结构与各模块之间通过缓冲区将各物流传送系统相连，并通过对模块的增删或调整改变单元和生产线的加工能力，实现生产线的快速构建和重构，以适应市场产品多变的需求。这种采用模块化设计方法构建的生产线，具有易于重构、易于动态组织、具有较高的柔性、易于实施多品种并行生产和混流生产等优点。□

（作者：桂林电子科技大学CSIP中心，副研究员，硕士）

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