裝配過程資源的CPN建模與仿真技術(shù)研究

王雪平, 蔣增強(qiáng), 葛茂根, 扈 靜

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽合肥 230009)

裝配過程資源的CPN建模與仿真技術(shù)研究

王雪平, 蔣增強(qiáng), 葛茂根, 扈 靜

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽合肥 230009)

文章在分析制造業(yè)裝配過程資源管理準(zhǔn)確性及有效性需求的基礎(chǔ)上,研究裝配過程資源的CPN建模與仿真技術(shù);利用著色Petri網(wǎng)對(duì)裝配過程建模,通過對(duì)構(gòu)建模型的仿真提取與資源相關(guān)的過程數(shù)據(jù),進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,找出影響裝配過程資源管理的關(guān)鍵因素,為實(shí)現(xiàn)裝配過程資源合理、有效的組織和管理提供依據(jù),提高資源管理的準(zhǔn)確性和可靠性。

裝配過程資源;著色Petri網(wǎng);仿真分析;資源管理

0 引 言

裝配過程資源管理的目的在于減少制造資源的閑置和浪費(fèi),提高工人和設(shè)備的利用率,優(yōu)化資源管理。制造資源是企業(yè)在生產(chǎn)過程全生命周期中涉及的所有元素的總稱,包括企業(yè)中具有成本的財(cái)產(chǎn)和產(chǎn)品生產(chǎn)周期中所涉及的硬件及軟件[1]。

裝配過程作為產(chǎn)品生產(chǎn)周期的重要階段,設(shè)備、人力和物料是其最主要的3類制造資源。裝配過程資源的管理是在裝配過程管理的基礎(chǔ)上,提取與資源相關(guān)的過程數(shù)據(jù),對(duì)資源的活動(dòng)和狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,找出影響裝配過程資源有效利用的關(guān)鍵因素及瓶頸,從而采取相應(yīng)措施,消除瓶頸,達(dá)到優(yōu)化裝配過程資源管理的目的。

利用“形式化”模型去描述裝配過程,并通過仿真對(duì)模型進(jìn)行分析和優(yōu)化,為裝配過程資源管理提供了一個(gè)有效途徑[2,3]。

1 裝配過程資源建模與仿真方法選擇

支持過程建模和仿真的方法有很多種,其中目前較成熟的方法有基于IDEF的建模方法、基于UM L的建模方法以及基于Petri網(wǎng)的建模方法等。

IDEF(Integrated Computer Aided M anufacturing DEFinition)的基本思想是結(jié)構(gòu)化分析方法[4]。IDEF方法是由 IDEF0、IDEF1、IDEF2和IDEF1X等系列組成的一個(gè)體系,在該體系中每一系列都從不同角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了描述。各個(gè)系列的IDEF方法可以通過較為簡單的模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面、直觀的描述,但該方法由于缺乏對(duì)各機(jī)構(gòu)間活動(dòng)過程信息的精確描述,不能支持過程的動(dòng)態(tài)仿真與分析。

統(tǒng)一建模語言(United M odeling Language,UM L)是關(guān)于面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計(jì)語言。UM L是一種圖形化的語言,其系統(tǒng)邏輯模型和實(shí)現(xiàn)模型都能用圖形清晰表示[5],它有事物、聯(lián)系和圖形3類基本模型元素,并提供了功能強(qiáng)大的面向?qū)ο蟮哪Ｐ驮氐亩x和表示方法。

UM L是針對(duì)軟件系統(tǒng)開發(fā)的建模語言,主要用于靜態(tài)的系統(tǒng)功能和過程建模,對(duì)于過程的動(dòng)態(tài)仿真與分析比較欠缺。

Petri網(wǎng)是一種圖形化表示的組合模型,具有直觀、易懂的優(yōu)點(diǎn),能較清晰地描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),尤其是描述和分析資源并發(fā)和沖突的系統(tǒng)有其獨(dú)到的優(yōu)越之處。

同時(shí),Petri網(wǎng)又有完善的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ),因此Petri網(wǎng)不僅可以描述系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)特性,還能分析其動(dòng)態(tài)行為特性,尤其是各種高級(jí)Petri網(wǎng)的提出,極大地提高了Petri網(wǎng)的建模和仿真能力[6,7]。本文將借助Petri網(wǎng)對(duì)裝配過程進(jìn)行建模和仿真,從而實(shí)現(xiàn)資源的有效管理。

2 著色Petri網(wǎng)

著色Petri網(wǎng)(Colored Petri Net,簡稱CPN)是原型Petri網(wǎng)的一種高級(jí)形式,它在原型Petri網(wǎng)的基礎(chǔ)上引入了顏色、時(shí)間和層次的概念,實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)系統(tǒng)的折疊及對(duì)系統(tǒng)時(shí)間性能的分析,并允許大型CPN中包含一些子網(wǎng)模塊從而構(gòu)成多層次的模型。

著色Petri網(wǎng)較之原型Petri網(wǎng),極大地縮小了網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)模,降低了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,具有簡潔、清晰的特點(diǎn)[8,9]。

其中,∑是顏色的非空有限集合;P是庫所的集合;T是變遷的集合;A是弧的有限集合,滿足P∩T=P∩A=T∩A=?;N是定義 A到P×T∪T×P的節(jié)點(diǎn)函數(shù);C是定義P到∑的顏色函數(shù);G是守衛(wèi)函數(shù),是定義在 T上的表達(dá)式,可以滿足:

E是定義在A上的弧表達(dá)式,滿足:

I是初始化函數(shù),是定義在P上的表達(dá)式,滿足:

3 裝配過程資源的CPN模型分析

3.1 問題描述

為了更好地說明裝配過程資源的CPN建模方法,以某廠差速器分裝線為例,針對(duì)設(shè)備資源、人力資源和物料資源進(jìn)一步說明。該差速器分裝線由5個(gè)工位組成,其裝配流程如圖1所示。圖1中,工位2如果測量判斷不合格,墊片將被重新安裝且墊片可再利用。

3.2 CPN模型構(gòu)建

針對(duì)實(shí)現(xiàn)裝配過程制造資源管理的目標(biāo),模型根據(jù)產(chǎn)品裝配工藝,描述從產(chǎn)品上線到裝配結(jié)束的過程中,對(duì)物料使用數(shù)量及供應(yīng)商信息、人員實(shí)際工作時(shí)間、設(shè)備時(shí)間及故障信息、在制品質(zhì)量信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集的過程,最終形成設(shè)備、人員、物料、在制品等資源完整的記錄信息,用以作為裝配過程資源管理的關(guān)鍵數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。裝配過程資源的CPN模型如圖2所示。

該模型中所涉及的主要庫所及其意義如下:

(1)起始庫所(Start Assembly)和結(jié)束庫所(Finish Assembly)。模型的輸入和輸出端口表示裝配過程的起始狀態(tài)和結(jié)束狀態(tài),它涉及的顏色集定義為:colset PIN=product STRING＊INT timed。

圖2 裝配過程資源的CPN模型

(2)工位緩沖區(qū)(Wait1、Wait2、Wait3、Wait4、Wait5)。表示前一個(gè)工位裝配結(jié)束,進(jìn)入后一個(gè)工位裝配之前的等待狀態(tài)。

(3)人員集合(Workers)。表示裝配線操作人員的集合,它涉及的顏色集定義為:colset WORKER=product STRING ＊INT timed。

(4)物料集合(M aterials)。表示裝配過程所需零部件等物料的集合,它涉及的顏色集定義為:colset MAT=product STRING＊STRING。

(5)設(shè)備集合(Devices)。表示裝配線上初裝機(jī)等設(shè)備的集合,它涉及的顏色集定義為:colset DEVICE=p roduct STRING＊INT timed。

(6)供應(yīng)商信息記錄集(Supplier Record)。表示產(chǎn)品所裝配零部件的供應(yīng)商信息數(shù)據(jù)的集合,它涉及的顏色集定義為:colset SUPR=product STRING＊STRING＊INT＊STRING。

(7)產(chǎn)品質(zhì)量信息記錄集(Quality Record)。表示產(chǎn)品裝配過程中質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)信息的集合,它涉及的顏色集定義為:colset QUAR=product STRING＊STRING＊STRING＊STRING。

(8)設(shè)備故障信息記錄集(Fault Record)。表示裝配線設(shè)備發(fā)生故障的現(xiàn)象、原因等數(shù)據(jù)信息的集合,它涉及的顏色集定義為:colset FAR=p roduct STRING＊STRING＊STRING。

(9)數(shù)據(jù)倉庫(Data Collection1、Data Collection2)。表示裝配過程中產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)和設(shè)備故障信息的虛擬倉庫,它涉及的顏色集定義為:colset DATC=product INT＊STRING。

4 裝配過程資源的CPN模型仿真

以一類產(chǎn)品A、B 2個(gè)型號(hào)的差速器作為模型仿真實(shí)例;以20臺(tái)差速器的裝配計(jì)劃作為仿真初始狀態(tài);質(zhì)量數(shù)據(jù)和設(shè)備故障信息倉庫各選取10條記錄作為數(shù)據(jù)代表;每種物料分別以一條供應(yīng)商信息作為供應(yīng)商代表。庫所Start Assem bly的初始令牌為該裝配計(jì)劃的產(chǎn)品序列,每當(dāng)工位1空閑時(shí),便有一臺(tái)產(chǎn)品上線,此時(shí),模型主要庫所處于初始狀態(tài)。在初始狀態(tài)下,對(duì)模型進(jìn)行仿真,經(jīng)過152步的操作后,模型進(jìn)入最終狀態(tài),即20臺(tái)裝配計(jì)劃全部裝配完畢,參見文獻(xiàn)[6]。

4.1 資源利用率分析

根據(jù)模型結(jié)果進(jìn)行分析,20臺(tái)裝配計(jì)劃的仿真時(shí)間為352單位時(shí)間,其中各工位人員和設(shè)備的利用率見表1所列。

表1 人員、設(shè)備利用率 %

由表1人員利用率數(shù)據(jù)可知,除工位1以外,其它各工位人員利用率均比較低。若每個(gè)工位各安排1人操作,將會(huì)導(dǎo)致人員空閑時(shí)間較長,出現(xiàn)人力資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。

由表1設(shè)備利用率可以看出,工位1(cz)的利用率最高,其它工位利用率則比較均衡。此種現(xiàn)象并不利于裝配線節(jié)拍均衡及設(shè)備資源能力平衡,且工位1的操作工時(shí)(15)是所有工位中工時(shí)最長的,在仿真過程中亦可發(fā)現(xiàn),工位2時(shí)常處于等待狀態(tài),因此,工位1即為影響裝配線平衡的瓶頸工位,可通過增加設(shè)備分擔(dān)工作量或者調(diào)整產(chǎn)品裝配工藝的方法來達(dá)到消除瓶頸的目的。

根據(jù)10次仿真結(jié)果,通過計(jì)算可以得到模型的平均仿真時(shí)間為342.5。

4.2 資源信息統(tǒng)計(jì)分析

在設(shè)備故障信息的基礎(chǔ)上,可對(duì)設(shè)備故障現(xiàn)象、故障原因以及故障發(fā)生率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備整體態(tài)勢的控制和管理。通過對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量信息的統(tǒng)計(jì)(如SPC),可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量趨勢的走向,在此基礎(chǔ)上,可對(duì)產(chǎn)品裝配進(jìn)行調(diào)整,防止出現(xiàn)精度過高或過低的浪費(fèi)現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)對(duì)在制品資源的管理。零部件供應(yīng)商信息及使用數(shù)量信息的統(tǒng)計(jì),可實(shí)現(xiàn)對(duì)零部件供應(yīng)商信息的追溯及使用狀態(tài)信息的管理。

5 結(jié)束語

結(jié)合某廠差速器分裝線實(shí)例,利用著色Petri網(wǎng)建模技術(shù),構(gòu)建了裝配過程資源的CPN模型,通過仿真對(duì)資源利用率、運(yùn)行時(shí)間及資源信息等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,使得裝配過程中設(shè)備、人員、物料等資源的配置和管理更為合理、有效。

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Research on the technology of CPN modeling and simulating for assembly process resources

WANG Xue-ping, JIANG Zeng-qiang, GEM ao-gen, HU Jing

(School of Machinery and Automobile Engineering,H efei University of Technology,H efei 230009,China)

The technology of colored Petrinet(CPN)m odeling and simulating for assembly process resources is studied based on the analysisof the accuracy and effectiveness requirements in the assembly process resource management.A model for the assembly process is established w ith CPN.Then through the simulation of thismodel,the resource-related data are acquired and statistically analyzed to identify the key factors affecting the assemb ly p rocess resource management.The resu lts can p rovide a basis for the rational and effective organization and management of the assem bly process resources and improve the accuracy and reliability of the resourcemanagement.

assemb ly p rocess resource;co lored Petrinet(CPN);simu lation analysis;resourcemanagement

N 945.12;N 945.13

A

1003-5060(2011)01-0033-04

10.3969/j.issn.1003-5060.2011.01.008

2010-01-19;

2010-08-20

安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(090414154)

王雪平(1985-),女,河北石家莊人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生;

蔣增強(qiáng)(1979-),男,江蘇宜興人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師.

(責(zé)任編輯 呂杰)