基于eM—Plant的生產(chǎn)線人員優(yōu)化配置方法

崔建亭

摘 要：計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在生產(chǎn)線工藝規(guī)劃、布局規(guī)劃和資源配置等方面發(fā)揮著非常重要的作用。簡要介紹了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用，并將產(chǎn)品原則布局生產(chǎn)線人員的配置問題轉(zhuǎn)換成求解最小工作地的問題，著重介紹了用仿真軟件自帶遺傳算法工具箱實(shí)現(xiàn)人員優(yōu)化配置的主要思路和方法。

關(guān)鍵詞：eM-Plant；遺傳算法；人員優(yōu)化配置；計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.086

近年來，制造技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)在迅速發(fā)展，但是，人工作業(yè)在生產(chǎn)過程中依舊占有較大的比例。對(duì)于小批量多品種的生產(chǎn)需求，可利用產(chǎn)品原則布局生產(chǎn)工藝。研究生產(chǎn)線人員的優(yōu)化配置，對(duì)于提高人員的利用率、實(shí)現(xiàn)負(fù)荷平衡、提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和仿真軟件

仿真是對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的模仿。通過運(yùn)行模仿的模型可以對(duì)相關(guān)問題作出評(píng)價(jià)和決策。在制造業(yè)中，仿真技術(shù)在縮短生產(chǎn)線規(guī)劃周期、降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率等方面發(fā)揮著重要的作用。特別是對(duì)于處理一些大規(guī)模和復(fù)雜的制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和規(guī)劃，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)有顯著的作用。

現(xiàn)階段，生產(chǎn)系統(tǒng)仿真軟件有Systems Modeling公司的Arena，Lanner公司的Wintness、Flexsim，Software Products公司的Flexsim和Tecnomatix 的eM-Plant等軟件。這些軟件都是優(yōu)秀的，面向?qū)ο?、圖形化的集成建模仿真軟件，它們可以快速搭建系統(tǒng)仿真模型，通過參數(shù)輸入快速獲得仿真結(jié)果，對(duì)分析、評(píng)價(jià)和改進(jìn)制造系統(tǒng)具有很高的參考性和指導(dǎo)性。其中，eM-Plant又名Plant Simulation，是一款優(yōu)秀的仿真軟件。該軟件集成了功能全面的工具箱，可以方便、快速地建立大型的復(fù)雜模型。本文基于eM-Plant軟件，利用其集成的遺傳算法工具解決生產(chǎn)線作業(yè)人員優(yōu)化配置的問題。

2 生產(chǎn)線人員優(yōu)化配置方法

按照生產(chǎn)布局，主要將其分為產(chǎn)品原則布局、工藝原則布局、成組原則布局和固定位置布局。由于產(chǎn)品原則布局是近年來比較熱門的生產(chǎn)布局，所以，本文主要研究產(chǎn)品原則布局的人員優(yōu)化配置。

對(duì)于產(chǎn)品原則布局生產(chǎn)工藝，設(shè)備的布置完全是按照產(chǎn)品生產(chǎn)流程確定的。在產(chǎn)品原則布局的生產(chǎn)線中實(shí)現(xiàn)人員的優(yōu)化配置，就是通過合理的安排，將人員最大限度地利用起來，即在給定生產(chǎn)節(jié)拍的情況下，實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員最少。如果將每個(gè)作業(yè)人員的作業(yè)任務(wù)作為一個(gè)工作地，那么，這個(gè)問題就可以轉(zhuǎn)化為給定作業(yè)生產(chǎn)節(jié)拍的生產(chǎn)線平衡問題。生產(chǎn)線平衡就是將所需要的作業(yè)任務(wù)分配到特定工作地的過程，同時(shí)，要滿足作業(yè)任務(wù)先后順序的約束。人員優(yōu)化配置的問題可以通過求解最小工作地的方法來解決。

生產(chǎn)線平衡問題可以利用遺傳算法求解。eM-Plant仿真軟件集成了遺傳算法操作工具（GAOptimization）和遺傳算法排序工具（GASequence），通過eM-Plant仿真軟件可以解決人員優(yōu)化配置的問題。

運(yùn)用遺傳算法求解生產(chǎn)線問題的主要步驟和思路是：①問題的表述和編碼。將問題的特征用編碼方式清楚地表達(dá)出來，這是GA應(yīng)用的關(guān)鍵。對(duì)于ALB問題，最合適的方法就是采用加工順序進(jìn)行編碼。在eM-Plant仿真軟件中，編碼是通過遺傳算法排序工具完成的。②選取初始種群?？紤]到目標(biāo)問題的染色體數(shù)，即作業(yè)任務(wù)數(shù)，工作地?cái)?shù)量遠(yuǎn)小于作業(yè)任務(wù)數(shù)，所以，可以將工作任務(wù)數(shù)作為初始種群的大小，通過設(shè)置仿真軟件遺傳算法操作工具的相關(guān)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。③設(shè)置適用度函數(shù)。模型的存在是為了實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員配置最優(yōu)化這個(gè)問題，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，不僅需要考慮工位最少，還要考慮每個(gè)工位的作業(yè)時(shí)間大致相同，這樣就保證了每個(gè)工人的負(fù)荷均衡。因此，可以將平衡指數(shù)和工位指數(shù)2個(gè)指數(shù)目標(biāo)作為適用度的目標(biāo)函數(shù)。④設(shè)置終止條件，如何選擇終止代數(shù)，目前沒有具體的理論依據(jù)。一般來說，當(dāng)達(dá)到一定程度后，解的空間變化不大。一般通過設(shè)置最大迭代次數(shù)或者規(guī)定目標(biāo)函數(shù)的取值范圍來終止算法，可以根據(jù)具體的問題設(shè)置遺傳算法工具的終止代數(shù)。

平衡指數(shù)（Smooth Index，簡稱SI）主要體現(xiàn)生產(chǎn)線的平衡情況，其公式為：

式（1）中：STj為分配到j(luò)個(gè)工作地所有任務(wù)的時(shí)間和；m為工作地?cái)?shù)。

工位指數(shù)（Machine Index，簡稱MI）主要體現(xiàn)了工位的負(fù)荷平衡，其公式為：

適用度為：

式（3）中：a1為目標(biāo)的權(quán)重，生產(chǎn)效率和工人負(fù)荷的權(quán)重可以根據(jù)需要設(shè)置。將適用度的內(nèi)容用SimTalk語言編寫程序，然后再控制選項(xiàng)卡中關(guān)聯(lián)這個(gè)程序。

尋優(yōu)求解ALB問題的過程是：①產(chǎn)生初始編碼。②進(jìn)行工藝約束的檢驗(yàn)，交換、調(diào)整編碼中不符合工藝約束的編碼位置，將合理的編碼作為父代，經(jīng)過交叉、變異等遺傳操作產(chǎn)生后代，所有的編碼都必須經(jīng)過合理性檢驗(yàn)，經(jīng)過一定的搜索深度得到最優(yōu)的結(jié)果。通過軟件輸出的最小工作地?cái)?shù)量，從而得到最優(yōu)化的作業(yè)人員數(shù)量；通過每個(gè)工作地中分配的作業(yè)任務(wù)，得到對(duì)應(yīng)作業(yè)人員的工作任務(wù)，從而完成生產(chǎn)線作業(yè)人員的優(yōu)化配置。

3 結(jié)論

在eM-Plant仿真軟件中建立模型，并利用遺傳算法工具求解生產(chǎn)線平衡問題，從而解決產(chǎn)品原則布局中作業(yè)人員優(yōu)化配置的問題。這種方法簡單易用，可以方便、快速地解決實(shí)際生產(chǎn)中的人員配置問題。

參考文獻(xiàn)

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