柔性流水車間有限緩沖區(qū)問題分析

杜佳奇 韓忠華 李同

摘要：柔性流水車間的實(shí)際生產(chǎn)過程中，相鄰的兩個(gè)工序間通常設(shè)置緩沖區(qū)用以存放在制品，其不僅可以用來存放來自上一道工序的完工工件，還可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求對加工工件進(jìn)行排序和分類。在大規(guī)模生產(chǎn)模式下，緩沖區(qū)的作用更為明顯。而通常情況下由于實(shí)際生產(chǎn)企業(yè)流水線中，由于生產(chǎn)車間空間、倉儲設(shè)施容量等因素限制，在生產(chǎn)車間只能設(shè)置容量有限的緩沖區(qū)，當(dāng)生產(chǎn)車間出現(xiàn)任務(wù)需求產(chǎn)能波動、各個(gè)工序間的生產(chǎn)節(jié)拍不一致時(shí)，有限緩沖區(qū)容量容易達(dá)到其上限，使得工件不能進(jìn)入緩沖區(qū)，導(dǎo)致出現(xiàn)生產(chǎn)堵塞的現(xiàn)象，進(jìn)而會影響到整體的生產(chǎn)進(jìn)程。同時(shí)，由于在生產(chǎn)企業(yè)中加工產(chǎn)品的多樣化，其規(guī)格尺寸、加工工藝、存儲方式的差異等原因，導(dǎo)致生產(chǎn)線中存在多種類型的有限緩沖區(qū)，本文主要討論柔性流水車間中的多序列有限緩沖區(qū)、公共緩沖區(qū)和路由緩沖區(qū)三種復(fù)雜的有限緩沖區(qū)。對其各個(gè)的特征和在實(shí)際生產(chǎn)過程中工作狀態(tài)進(jìn)行分析，為具有有限緩沖區(qū)的柔性流水車間排產(chǎn)優(yōu)化問題的研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：柔性流水車間;多序列緩沖區(qū);公共緩沖區(qū);路由緩沖區(qū)

中圖分類號：TH186文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）13-0009-03

Abstract：In the actual production process of the flexible flow workshop， a buffer zone is usually set up between two adjacent processes to store the products in progress. It can not only be used to store the finished parts from the previous process， but also can sort and classify the processed parts according to actual production requirements. In mass production mode， the role of the buffer zone is more obvious. In general， due to the actual production enterprise assembly line， due to factors such as production workshop space and storage facility capacity， only a buffer with limited capacity can be set in the production workshop. When the production workshop has task demand capacity fluctuations and inconsistent production tempo between various processes， the limited buffer capacity can easily reach its upper limit， so that workpieces cannot enter the buffer area， resulting in production jams， which will affect the overall production process. At the same time， due to the diversification of processed products in production enterprises， the differences in their specifications and sizes， processing techniques， storage methods and other reasons， there are many types of limited buffer zones in the production line. This article mainly discusses three complex limited buffers in the flexible flow shop： multi-sequence limited buffers， common buffers and routing buffers. The analysis of the various characteristics of the buffer zone and the working status in the actual production process and lays a solid foundation for the future research on the optimization problem of flexible flow workshop with limited buffer zone.

Key words： Flexible flow shop; multi-sequence buffer; public buffer; routing buffer

柔性流水車間排產(chǎn)問題一直以來都是制造企業(yè)生產(chǎn)車間排產(chǎn)優(yōu)化的重要的環(huán)節(jié)之一，柔性流水車間包含著多道加工工序且每道工序都有著一臺或者多臺可以同時(shí)進(jìn)行生產(chǎn)的加工設(shè)備。這種生產(chǎn)方式提高了整條流水線的生產(chǎn)效率，而在柔性流水車間的相鄰兩個(gè)工序間都存在著緩沖區(qū)，其作用用于存放來自上一道工序的完工工件，同時(shí)根據(jù)生產(chǎn)需求在其緩沖區(qū)內(nèi)對工件進(jìn)行排序和分類，提高整條流水線的設(shè)備利用率和生產(chǎn)效率。在以前關(guān)于柔性流水車間問題研究中，大多研究的是無限緩沖區(qū)問題，并側(cè)重于對其全局算法的優(yōu)化來提高整體流水線的生產(chǎn)效率，沒有從不同種類的有限緩沖區(qū)類型方面去分析和研究。在柔性流水車間中有限緩沖區(qū)問題要比一般的無限緩沖區(qū)更為復(fù)雜，由于緩沖區(qū)內(nèi)的容量限制問題，可能會使得工件無法被存入緩沖區(qū)內(nèi)進(jìn)行下一步的生產(chǎn)任務(wù)，導(dǎo)致工件被滯留在上一道加工工序的工位上，從而因此鏈?zhǔn)椒磻?yīng)使得整體流水線的生產(chǎn)任務(wù)被堵塞，延緩了整體的生產(chǎn)進(jìn)程。又因?yàn)榧庸と蝿?wù)的差異性，其加工方式的不同和產(chǎn)品規(guī)格尺寸的不同也都會使得加工任務(wù)在生產(chǎn)線中的各個(gè)加工時(shí)間點(diǎn)對于緩沖區(qū)的容量要求也有著較大的波動性。這些問題都極大地增加了柔性流水車間有限緩沖區(qū)排產(chǎn)問題的復(fù)雜性，所以本文通過對幾種不同類型的有限緩沖區(qū)分析和研究，進(jìn)一步探討其各種類型的特點(diǎn)和其加工生產(chǎn)的狀態(tài)，來為柔性流水車間有限緩沖區(qū)的排產(chǎn)問題建立扎實(shí)基礎(chǔ)。

1 柔性流水車間有限緩沖區(qū)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

具有有限緩沖區(qū)的柔性流水車間是較為常見的一種生產(chǎn)方式其具有多工序、多并行機(jī)、多階段的特點(diǎn)，又因?yàn)槠渖a(chǎn)資源的限制因素，其緩沖區(qū)的類型一定是容量受到限制的有限緩沖區(qū)。近些年來不少學(xué)者針對不同類型的有限緩沖區(qū)類型進(jìn)行過相關(guān)研究。

對于柔性流水車間中的有限緩沖區(qū)問題，dutta等[1]提出了一種動態(tài)規(guī)劃的方法，對有限緩沖區(qū)進(jìn)行置換流水車間的問題起到了很好的解決作用。譚民[2]優(yōu)化cims生產(chǎn)線緩沖區(qū)的容量，提出拉格朗日乘子優(yōu)化算法和啟動式優(yōu)化算法，得到滿意結(jié)果。Almeder C ， Hartl R F[3]提出了以變量鄰域搜索為基礎(chǔ)的解決方法，即以變量鄰域搜索為基礎(chǔ)的解決方法，以變量鄰域搜索為基礎(chǔ)的生產(chǎn)最佳計(jì)劃提供了解決方法。黃建中[4]提出了一種針對汽車車輛的調(diào)度系統(tǒng)，用于解決汽車行業(yè)生產(chǎn)過程中多車型的調(diào)度不靈活問題。韓玉艷[5]針對帶有限緩沖區(qū)的多批量流水線調(diào)度問題，采用NSGA-II算法進(jìn)行求解，改進(jìn)了算法的全局探索和局部開發(fā)能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果該算法具有有效性。徐震浩[6]提出了一種基于Pareto最優(yōu)的廣義螢火蟲算法用于解決有限緩沖區(qū)的多目標(biāo)調(diào)度問題。通過算例驗(yàn)證了算法的有效性。蔣珉[7]研究一類帶有有限緩沖區(qū)的多生產(chǎn)線協(xié)調(diào)生產(chǎn)計(jì)劃模型，通過對非線性目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行約束化為線性函數(shù)來解決模型及使用算法的有效性。王凌[8]提出了一種多搜索模式遺傳算法用于解決有限緩沖區(qū)流水線調(diào)度問題。基于典型算例的仿真和比較研究驗(yàn)證了算法的有效性。謝展鵬[9]提出了一種基于變領(lǐng)域搜索策略的Memetic算法用于解決有限緩沖區(qū)中流水線調(diào)度問題，將模擬退火算法作為局部搜索方法，增強(qiáng)算法搜索能力。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證其算法具有有效性。王炳剛[10]提出一種基于遺傳算法和模擬退火算法相結(jié)合的混合算法用來求解具有有限緩沖區(qū)的多并行機(jī)問題，通過計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，證明了算法的可行性。

通過分析上述學(xué)者的研究成果可知，目前有緩沖區(qū)的研究多側(cè)重于全局優(yōu)化算法方面的研究，將全局優(yōu)化算法與其他種類的算法相結(jié)合，用來改進(jìn)算法的尋優(yōu)能力，而對于多種類型的復(fù)雜有限緩沖區(qū)研究較少，本文綜合介紹了多序列緩沖區(qū)、公共緩沖區(qū)和路由緩沖區(qū)的特點(diǎn)和特征，對其運(yùn)行的生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行分析，為其進(jìn)一步探討優(yōu)化排產(chǎn)問題奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 柔性流水車間有限緩沖區(qū)類型分析

（1）多序列有限緩沖區(qū)

多序列緩沖區(qū)是在柔性流水車間有限緩沖區(qū)中增添容量受限的等待加工序列，其完工工件按照先入先出原則，在有限緩沖區(qū)內(nèi)存在多個(gè)并行的待加工序列，對于每個(gè)序列工件都是從一側(cè)進(jìn)入等待排隊(duì)，然后從另一側(cè)移出。若在該有限緩沖區(qū)內(nèi)的待加工序列容量達(dá)到上限時(shí)，會出現(xiàn)完工工件被滯留在上一道工序的加工工位中，進(jìn)而出現(xiàn)生產(chǎn)堵塞的現(xiàn)象。當(dāng)工件進(jìn)入多序列緩沖區(qū)時(shí)，一般選擇多個(gè)序列中包含最少的工件數(shù)的序列進(jìn)入，當(dāng)工件移出多序列緩沖區(qū)時(shí)，可以根據(jù)局部調(diào)度規(guī)則動態(tài)選擇并行序列中最早進(jìn)入該序列的工件進(jìn)入下一道工序進(jìn)行加工。多序列有限緩沖區(qū)生產(chǎn)線模型如圖1所示。

（2）公共緩沖區(qū)

公共緩沖區(qū)是在柔性流水車間有限緩沖區(qū)存在的條件下增設(shè)一個(gè)公共的緩沖區(qū)，公共緩沖區(qū)的存儲空間可以存放流水線中任意工序中的完工工件，完工工件被送入指定有限緩沖區(qū)時(shí)會存在當(dāng)前有限緩沖區(qū)空間已滿，無法被移入有限緩沖區(qū)的情況，常會導(dǎo)致生產(chǎn)堵塞現(xiàn)象的出現(xiàn)，此時(shí)可將被滯留在加工工位上的完工工件送入公共緩沖區(qū)內(nèi)進(jìn)行暫時(shí)存放，避免生產(chǎn)堵塞現(xiàn)象的出現(xiàn)，當(dāng)有限緩沖區(qū)內(nèi)的待加工工件被送入下一道工序進(jìn)行加工時(shí)，其存儲空間被釋放，這時(shí)可以將暫存在公共緩沖區(qū)內(nèi)的工件送回指定的有限緩沖區(qū)，等待進(jìn)行下一道工序的生產(chǎn)。具有有限緩沖區(qū)和公共緩沖區(qū)的生產(chǎn)線模型如圖2所示。

（3）路由緩沖區(qū)

路由緩沖區(qū)是在柔性流水車間中某相鄰的兩個(gè)特定工序間增設(shè)特殊緩沖區(qū)，其緩沖區(qū)允許有著多個(gè)并行地向前移動的通道用來運(yùn)輸加工工件，在縱向向前運(yùn)輸工件的同時(shí)，在并行通道間還存在著橫向移動的平移車，可以將兩個(gè)并行縱向運(yùn)輸?shù)耐ǖ篱g的加工工件進(jìn)行橫向水平移動，這種有著并行縱向運(yùn)輸通道和平移車所組成的網(wǎng)格式緩沖區(qū)被稱為路由緩沖區(qū)，因?yàn)樵摼彌_區(qū)可以滿足在向前運(yùn)輸?shù)耐瑫r(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)的生產(chǎn)進(jìn)程將加工工件進(jìn)行平移移動，其在運(yùn)輸過程中有著路徑選擇的特點(diǎn)，因此，在制品在路由緩沖區(qū)中的移動過程較為復(fù)雜。路由緩沖區(qū)生產(chǎn)線模型如圖3所示。

3 結(jié)語

本文通過分析柔性流水車間有限緩沖區(qū)中多序列有限緩沖區(qū)問題、公共緩沖區(qū)問題和路由緩沖區(qū)問題的研究，為解決柔性流水車間中多種類型的有限緩沖區(qū)排產(chǎn)優(yōu)化問題提供了研究基礎(chǔ)。針對目前主流的幾種有限緩沖區(qū)中的生產(chǎn)特點(diǎn)進(jìn)行闡述分析，隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展，相信柔性流水車間中多種類型的有限緩沖區(qū)問題的理論、方法和應(yīng)用研究都將得到發(fā)展和完善。

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