基于數(shù)字平臺(tái)的板式家具板材備料上料研究

王小飛 卿 彥 尹志遠(yuǎn) 楊 冰

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

板式家具板材的備料是生產(chǎn)管理中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，直接關(guān)系到整個(gè)家具制造過(guò)程的生產(chǎn)調(diào)度[1]。板材家具產(chǎn)品樣式種類繁多，板件復(fù)雜多樣。一個(gè)產(chǎn)品的加工成型要經(jīng)過(guò)備料、開料、打孔、銑型、封邊、包裝等多道工藝[2]。板材備料計(jì)劃的不合理會(huì)造成原材料浪費(fèi)，上料環(huán)節(jié)的調(diào)度不僅影響設(shè)備工作效率，也會(huì)影響產(chǎn)品生產(chǎn)周期，造成交付延期的問(wèn)題。鐘洪江等[3]總結(jié)了備料生產(chǎn)環(huán)節(jié)的信息化需求，將優(yōu)化排樣與生產(chǎn)管理相結(jié)合，提高了材料利用率。黃鵬鵬等[4]通過(guò)建立關(guān)于最佳物料備料量及暫存區(qū)規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型，并使用精益思想分析方法對(duì)備料上料過(guò)程進(jìn)行規(guī)劃，從而求出最佳備料量，解決了企業(yè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力與物料需求不匹配的問(wèn)題。馮雁[5]提出了在生產(chǎn)波動(dòng)下，制品最小備料量的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了車間生產(chǎn)節(jié)拍與備料的同步化。付宇[6]提出一種融合K-means聚類算法的多準(zhǔn)則庫(kù)存分類法的庫(kù)存策略，解決了煙草企業(yè)備料庫(kù)存積壓嚴(yán)重的問(wèn)題。

綜上所述，本文通過(guò)對(duì)板式家具企業(yè)備料上料問(wèn)題展開研究，分析數(shù)據(jù)流，建立備料模型與上料模型，并用遺傳算法求解模型。根據(jù)模型搭建數(shù)字備料上料平臺(tái)，將數(shù)字化技術(shù)和車間的生產(chǎn)管理相結(jié)合[7-9]，解決了訂單備料上料中板材利用率和設(shè)備使用效率的問(wèn)題，滿足了大批量訂單生產(chǎn)的需求。

1 研究?jī)?nèi)容與方法

為能更好地對(duì)數(shù)字化備料上料平臺(tái)展開研究，首先根據(jù)板式家具的生產(chǎn)現(xiàn)狀，構(gòu)建備料模型與上料模型。然后通過(guò)遺傳算法求解數(shù)據(jù)模型，模型的表示可以使問(wèn)題的表述更直觀。

1.1 模型構(gòu)建

1.1.1 備料模型

板式家具的訂單類型中包含了各種不同尺寸的工件，工件所包含的數(shù)據(jù)集合可以表示為：

式中：qi為任一一個(gè)工件，個(gè)；為工件數(shù)量，上標(biāo)m表示包含顏色、厚度等信息，個(gè)；為工件長(zhǎng)度，mm；為工件寬度，mm。

備料模型可以表示為：

備料過(guò)程中算法的搭建與優(yōu)化要根據(jù)模型進(jìn)行。式（2）表示任意的工件面積大于0，也就是表示工件存在；式（3）表示排樣剩余余料的面積，余料長(zhǎng)度和寬度的限制范圍；式（4）表示所有排樣工件面積與余料面積之和；式（5）表示板材綜合利用率；式（6）表示求解出的板材數(shù)量小于庫(kù)存的板材數(shù)量。

在模型求解過(guò)程中，為求解出滿足需求的最大板材利用率，系統(tǒng)會(huì)不斷優(yōu)化求解的集合。隨后，將求解出的板材數(shù)量集合與板材倉(cāng)庫(kù)中的庫(kù)存數(shù)量作對(duì)比，當(dāng)板材數(shù)量大于庫(kù)存數(shù)量時(shí)，系統(tǒng)暫緩備料，等庫(kù)存補(bǔ)充之后重新安排備料。當(dāng)板材數(shù)量小于庫(kù)存數(shù)量時(shí)，系統(tǒng)確認(rèn)備料計(jì)劃，并安排下一階段的任務(wù)。備料數(shù)據(jù)集合則表述為：

1.1.2 上料模型

上料模型可以表示為：

式中：e為電子開料鋸單位時(shí)間開料量，n/min；T為電子開料鋸每天的標(biāo)準(zhǔn)工作時(shí)間，min；為任一批次板材上料數(shù)量，塊；b為備料區(qū)單位時(shí)間備料量，n/min；ti為車輛運(yùn)輸板材所花費(fèi)的時(shí)間，min，t為電子開料設(shè)備在加工第i+1批次板材時(shí)因板材未及時(shí)送到而浪費(fèi)的時(shí)間，min；T0為電子開料設(shè)備每天的最大工作時(shí)間，min。

式（8）表示板材備料數(shù)量與電子開料鋸每天產(chǎn)能相匹配；式（9）表示電子開料鋸工作時(shí)有停機(jī)；式（10）表示電子開料鋸每次的停機(jī)時(shí)間；式（11）表示電子開料鋸每天的最大工作時(shí)間。

1.2 模型求解

1.2.1 遺傳算法介紹

遺傳算法模擬大自然中生物進(jìn)化過(guò)程，通過(guò)隨機(jī)選擇、交叉和變異操作[10]，可以不斷優(yōu)化選擇，搜索過(guò)程中自動(dòng)獲取和積累有關(guān)搜索空間的知識(shí)，并自適應(yīng)地控制搜索過(guò)程以求得最佳解，在求解復(fù)雜問(wèn)題時(shí)有很強(qiáng)的適用性[11-12]。

1.2.2 算法求解

板材備料模型的求解是為了得到最大的板材利用率，要求輸入備料訂單數(shù)據(jù)，輸出板材利用率與排版結(jié)果。依據(jù)遺傳算法的三大步驟，適應(yīng)性函數(shù)選擇最大值原則[13-14]，首次遍歷選擇面積最大板材，并加入M集合；在剩下的數(shù)據(jù)集里選擇符合要求的數(shù)據(jù)，根據(jù)上次選擇板材的長(zhǎng)寬計(jì)算出剩余面積，并從中選擇最大的面積作為這次的備料面積；將前面步驟進(jìn)行迭代，可得到全局最優(yōu)解。根據(jù)模型的求解可以分為以下步驟：

1）導(dǎo)入數(shù)據(jù)：N個(gè)d和w，板材的長(zhǎng)D，寬W，板材的面積S。

2）初次篩選數(shù)據(jù)：按照最大值原則在N個(gè)d和w中，選擇最大的di*wi，并滿足di≤D，wi≤W，di*wi≤D*W，D1=D-di，W1=W-wi。

3）多次篩選：ifW*D1

Or MaxS=W*D1,W=W1

重復(fù)2、3步驟，直至MaxS

板材上料模型的求解是為得到最優(yōu)上料計(jì)劃，減少擾動(dòng)，提高設(shè)備工作效率。執(zhí)行制造系統(tǒng)MES（Manufacturing Execution System）主要進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度任務(wù)[15]，利用數(shù)字平臺(tái)的MES與設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[16]，系統(tǒng)采集生產(chǎn)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，做出動(dòng)態(tài)調(diào)度指令，完成板材上料。

2 數(shù)字平臺(tái)搭建

板式家具數(shù)字化備料上料平臺(tái)主要用C++語(yǔ)言結(jié)合MFC（Microsoft Foundation Classes，MFC）進(jìn)行集成，結(jié)合板材備料模型和上料模型，并與MES和ERP等系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析兩大部分構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集依靠MES系統(tǒng)的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)。電子開料鋸提供API接口與MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口接通，電子開料鋸內(nèi)部的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)傳輸?shù)組ES系統(tǒng)[17-18]。MES系統(tǒng)訪問(wèn)ERP系統(tǒng)中板材倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)，備料優(yōu)化數(shù)據(jù)與板材庫(kù)存相同步[19]。

數(shù)據(jù)分析：MES系統(tǒng)對(duì)采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)和物料數(shù)據(jù)首先進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，再進(jìn)行數(shù)據(jù)分類[20-21]。平臺(tái)對(duì)不同類型進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，使用邊緣計(jì)算提高數(shù)據(jù)處理能力，通過(guò)自我學(xué)習(xí)完成自我判斷與決策[22-24]。平臺(tái)依據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，評(píng)估不同生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力，結(jié)合不同生產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝對(duì)工單進(jìn)行上料作業(yè)[25]。

圖1 數(shù)字平臺(tái)備料上料框架圖Fig.1 Digital platform material preparation and loading frame diagram

3 數(shù)字平臺(tái)測(cè)試

數(shù)字平臺(tái)搭建完成之后，選擇板式辦公家具企業(yè)A進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試。在備料階段，A企業(yè)由人工排產(chǎn)方式組批生產(chǎn)，排列出工單的開料順序。倉(cāng)庫(kù)備料人員根據(jù)工單順序備料。由于無(wú)法獲知設(shè)備的開料情況與板材運(yùn)輸情況，整個(gè)備料過(guò)程中物料流轉(zhuǎn)不能與設(shè)備保持一致，板材的備料與上料無(wú)法同步，電子開料鋸出現(xiàn)等待開料的現(xiàn)象，極大地浪費(fèi)了設(shè)備資源。備料階段選擇單一規(guī)格板材，沒有考慮板材規(guī)格與板材利用率的關(guān)系，降低了板材綜合利用率。

3.1 板材綜合利用率

板式家具企業(yè)常見板材規(guī)格有3種，1 220 mm×2 440 mm、1 530 mm×2 440 mm和1 830 mm×2 440 mm。隨機(jī)選擇20個(gè)待備料訂單，首先將訂單用板材優(yōu)化軟件進(jìn)行排版優(yōu)化，分別選用3種不同規(guī)格的板材測(cè)試。為進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，將20個(gè)訂單的數(shù)據(jù)在數(shù)字平臺(tái)上進(jìn)行分析，并把分析結(jié)果發(fā)送至CutRite板材優(yōu)化軟件。測(cè)試結(jié)果如表1和表2所示。

表1 單一規(guī)格板材利用率Tab.1 Utilization rate of single specification sheet

表2 數(shù)字平臺(tái)板材利用率Tab.2 Sheet utilization rate of digital platform

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以看出，在選擇單一規(guī)格的板材備料生產(chǎn)時(shí)，板材利用率并不高。選擇1 220 mm ×2 440 mm規(guī)格板材備料時(shí)，板材利用率最大為88.46%，而數(shù)字平臺(tái)的板材利用率達(dá)到了93.96%。原因是板材排樣對(duì)工件有顏色、橫縱紋理和尺寸的限制，工件尺寸和板材規(guī)格都會(huì)影響板材利用率，不同組合的板材規(guī)格可以優(yōu)化訂單排樣。相比于用單一規(guī)格板材備料生產(chǎn)的方式，數(shù)字平臺(tái)對(duì)訂單分析選擇不同規(guī)格的板材進(jìn)行排樣備料，有效避免了因大工件排樣產(chǎn)生的廢料過(guò)多問(wèn)題。

3.2 開料設(shè)備的時(shí)間開動(dòng)率

時(shí)間開動(dòng)率表示設(shè)備的時(shí)間利用情況，是設(shè)備使用效率的指標(biāo)，可以定義為設(shè)備的開動(dòng)時(shí)間與負(fù)荷時(shí)間之比。電子鋸的時(shí)間開動(dòng)率能代表板材上料的情況。開料設(shè)備在測(cè)試中選取兩臺(tái)電子開料鋸，A電子開料鋸采用人工備料方式、B電子開料鋸使用數(shù)字備料上料平臺(tái)，每天的備料任務(wù)量都滿足電子開料鋸的最大產(chǎn)能。選擇平臺(tái)應(yīng)用前1個(gè)月的數(shù)據(jù)，摘取連續(xù)15 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，采集數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 電子開料鋸開動(dòng)時(shí)間Tab.3 Operation hours of electronic cutting saw

根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，電子開料鋸A平均開機(jī)時(shí)長(zhǎng)由12.14 h提高到16.66 h，平均時(shí)間開動(dòng)率由平臺(tái)應(yīng)用之前的63.81%提高到平臺(tái)應(yīng)用之后的87.67%。電子開料鋸B的時(shí)間開動(dòng)率提高主要原因是，在數(shù)據(jù)平臺(tái)應(yīng)用之后解決了備料上料過(guò)程的人機(jī)不協(xié)調(diào)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了信息化上料。

圖2 數(shù)字平臺(tái)使用后設(shè)備開動(dòng)時(shí)間對(duì)比Fig.2 Comparison of equipment operation hours after the digital platform is used

4 結(jié)語(yǔ)

家具行業(yè)正面臨產(chǎn)業(yè)升級(jí)，生產(chǎn)制造智能化已成為企業(yè)升級(jí)改造的目標(biāo)之一。針對(duì)板式家具企業(yè)備料上料過(guò)程中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，筆者經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)研，總結(jié)了板式家具企業(yè)備料的現(xiàn)狀與當(dāng)前面臨的困難，建立了備料模型和上料模型，并進(jìn)行算法優(yōu)化求解模型，搭建了數(shù)字備料上料平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了信息采集分析、備料上料的數(shù)字化管理，開料精準(zhǔn)派工、制造資源共享，提高了設(shè)備產(chǎn)能，增加了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，提升了家具企業(yè)制造水平。