基于Flexsim的车间调度优化

第20卷第3期计算机技术与发展Vol.20 No. 32010年3月OOMPUTER TECHNOLOGY AND DEVELOPMENTMar. 2010基于Flexsim的车间调度优化余晓光,严洪森，殷乾坤(东南大学复杂工程系统测董与控制教育部重点实验室,江苏南京210096; .东南大学自动化学院,江苏南京210096)擒要:基于三维动画仿真软件Flesim,文中对航空附件加工车间这种多品种、小批量生产的作业车间(Job- Shop)进行了调度优化研究。介绍了Flexim 连接数据库的技术与遗传算法求解生产调度的方法;在Flexim中建立虚拟生产车间模型,并且在Flesimn虚拟车间模型内部嵌入C+ +数据库操纵程序,将仿真模型与生产管理数据库连接,使模型可以实时采集生产数据;最后通过实例说明Flexim仿真与调度优化相结合的方法可以有效地提高航空附件加工车间的效益,证明了方法的有效性。关键词:lexsim;遗传算法;作业车间调度;數据库连接中围分类号:TP391.9文献标识码:A文章编号:1673- 629X(2010)03 - 0044-04Workshops Scheduling Optimization Based on Flexsim SimulationYU Xiao -guang, YAN Hong-sen, YIN Qian-kun(Ministry of Education Key Lab. of Measurement and Control of CSE, Southeast Univ.,Nanjing 210096, China;School of Automation, Southeast Univ. , Nanjing 210096, China)Alstrad:On the basis of Flexsin sinilation, this paper studies airerat acesory job- shop schcduling oimitzaion problens, which ismuli- categories and small betch. Fint of al, the Fecxsim databae link method and ganetic agorithm in jobo- shop schetuing are introduoced. And then, the vitual workshop moel is built in Flesin enionnment, and embedded by detabase operntionC+ + programwhich could access production mangement datbese. The virtual workshop could update data from manufacturing databese in real time.In the end, the simulation example confimms the method of Flexsim simulation in crijumcion with scheduwing optimiation can improve theworkshop's benefit, and is efective.Key words;Flexsim;genetic agorithm;job- shop sceduing;databse link0引言调度问题都取得了良好的效果。现代生产车间中为了适应多变的需求,逐渐形成Flexsimn是- -种面 向对象的可视化3D仿真软件,了多品种、小批量的生产方式。在多品种、小批量的生可以方便地建立生产线模型并通过仿真进行效能评产方式下选择合适的生产调度策略显得尤为重要([1]。价[4,文献[5]采用Flexsim对冲压车间进行了调度优采用合适的生产调度可以提高机器的利用率,平衡各化,并介绍了 Flexsim 调用Excel进行数据交换的方生产工位负荷，保证按时按需生产。法,但未实现Flexsim调用数据库,进行与数据库的实遗传算法是一种解决生产调度问题的有效算法,时数据交换。文献[6]采取计划与调度同时优化的方文献[2]使用的GASA混合策略求解Jqb- Shop调度法首先建立粗生产计划并在粗生产计划的基础上求解问题和文献[3]使用的自适应遗传算法解决作业车间调度,并成功应用于汽车装配车间。但是求解速度较慢,并且采用文字界面,没有建立可视化的车间模型。而文中的研究对象是航空附件生产车间,由于其产品收稿日期:2009 -06- 13;修回日期:2009-09-01基金项目:国家863计划资助项目(2007AA04Z112);国家自然科学的特殊性必须按订单生产。因此首先在约束(订单需基金资助项目(50875046)求和中国煤化工算法求解最优调度;作者简介:余晓光(1984-),男,江苏南京人,硕士研究生,研究方向然后!YHCNMHG3模型,并通过该模为车间生产计划调度与仿真;严洪森,教授,博士生导师,研究方向型访向生产管理数据库获得虚拟车间的调度与工时数为生产计划与调度、知识化制造、并行工程等。据;最后通过仿真对方案进行比较。第3期.余晓光等:基于Fexsimn 的车间调度优化from SoluResulr whe Stedue=1");1 Flexsim 简介Flexsim 是美国Flexsim公司开发的一种基于对象/执行sa|查询语句/Source1 > vibleshedude"，model()),(0liect)的 3D仿真软件,可对生产车间进行3D仿startrow starool,numrows, numools);真。在Flxsimn图形开发环境中,用户可以方便地搭建//将SQL查询结果导入Source对象的schedule表中三维仿真模型,并且仿真对象中内置了大量的可设置参数。如果需要实现复杂逻辑,还可以使用C++或3遗传算法Flxsim Sript嵌人式编程扩展已有的参数功能。遗传算法(Genetic Algornthm,GA)是- 种模拟自Flexsim中集成了C++ IDE和编译器,用户可以对已然界生物进化过程的仿生算法。它通过模仿生物的进有的仿真对象进行二次开发,建立新的模拟对象(0b-化过程来优化解的集合,其基本操作是通过选择交叉ject)满足个性化需求。在数据交换上,Flxsim可以由和变异搜索解的空间。其对空间的搜索具有隐含并行Exel或数据库导入导出数据，使用Flexsim和生产管性,它不同于随机搜索(解空间中的枚举搜索),它的选理数据库连接可以实现调度的实时仿真。目前择机制可以大大减小搜索空间，因而可以在有限时间Flexsim已成为- -款流行的生产仿真软件,根据统计约内得到一个最优解或较优解,并且遗传算法还是一-种有一半的《财富>500强企业使用了Flexsim软件。具有全局优化能力的搜索方法[1。1985 年Davis首次将之用于解决调度问题以来,遗传算法不断得到改进2 Flexsim 数据库连接技术发展,是一种比较成熟的调度算法。文中采用改进遗Flexsim通过Borland 公司的BDE ( Borland传算法(禁忌搜索-遗传混合算法,Tabu- GA)对生Databese Engine)连接到数据库[4。BDE是Borland公产调度进行优化。司开发的数据库引擎,它可以通过内置的驱动程序、文中以最长完工时间(makepan)优化目标函数:sQL Links驱动.ODBC链接访问各种数据库。FlexsimJ = min{ maxCm}使用基于BDE中ODBC的驱动的方式访问数据库。s.t. Cg-Tj≥Cg-1(1)Flexsim有两种访问数据库模式,分别为Table Mode和Cj≥0(2)SQL Modeo在Table Mode下,整个数据库表会被载入J≤T(3)Flexsimn全局表,用户可通过访问全局表的方式来读取式中n为生产的零件种数,m为机器数,C。表示第:种数据,但不能执行sQL命令。SQL Mode是提供SQL零件在第;个机器完成加工的时间。约束条件(1)为加支持的模式。可以通过SQL命令或Fexsin访向数据工顺序约束,i = 1.2.-.n;j = 2.3-.mn.约束条件库命令来完成对数据库的操作。(2)中i= 1,2.",.n;j= 1.2.-,.m。约束条件(3)为Flesim 提供了22条访问数据库的命令,这些命工时约束,其中T为调度周期中机器可利用工时。令实质是C+ +编写的函数。下面以具体程序说明数据库访问操作:这是在Source对象的OnReet()事件中的一-段C4 Flexsim仿真模型建立++编写的程序，将数据库中调度结果1添加进4.1建立模型框架文中研究的航空附件加工车间属于Job- Shop类Souree的零件到达表中。问题。其产品特点是:品种多、批量小,并且工艺路线if (dbqemode()! =1)固定。由于在限定时间内车间的生产能力是固定的，//如果数据库以sQL Mode方式打开执行下面语句所以对投产顺序进行优化，协调多种零件的生产,提高机器资源的利用率,平衡各工位的负荷就显得十分必dbloe();//关闭数据库连接要。dbopen("arabseceme", "sleat ArnvalTme, IrenName, ltem在车间中,零件生产是由零件图纸和工艺流程卡Type,Quantity from SheduleResult where Sthedule = 1 order by控制的。通过图纸和工艺流程卡可以获取生产准备时ArivalTime ASC" ,0);中国煤化工”.所包含的零件数//以SQL模式打开数据库别名(Databee Alis)为drabecame量信息台机器上的加工的数据库并执行SQL查询时间,YH. CN M H G件的标准工艺时间来计算工人工作量。else在建立模型前做如下假设:dteqlquery(" selet ArialTime, ItenName, ItemnType, Quanity，46.计算机技术与发展第20卷1.零件在各机器上的加工工序确定;确定零件的交付期,更加不能保证零件按期交付。在2.每台机器-一次只能加工一批零件,一旦加工开这种情况下为了尽量保证零件可以按期交付，生产控始就不能发生中断;制部门在制定月度计划后还需要不断地更新调度以明3. - -批零件不能同时在不同机器上加工;确哪些产品需要“按时"生产。实际生产中,人工制定4.批的大小不-致,但每-批零件视为- 一个工件的调度经常与目前在产的产品不-致,反而降低了生进行仿真，由其标准工艺时间X数量+准备时间计算产效率,增加了产品切换成本和库存成本。其加工时间;针对以上缺陷文中采用遗传算法对5日和10日5.不考虑机器故障。后需交货的产品在生产能力的限制下进行5日内排产根据现场的机器布局在Flexsim中搭建虚拟生产调度,在产品全部投产后对后续订单进行滚动的生产车间如图1所示:机器成二列摆放,在机器中间为生产调度。这样免去了月度和10日的订单调度,对订单的库存摆放正在加工的零件。反应速度加快。具体方法是:考虑到5日内交货的产品必须安排在当期生产,10日后交货的产品可以在满足生产能力限制的前提下选择生产以提高机器的利用率和下次排产时的订单完成能力。在所有产品投产前安排下期订单的生产调度,如此对生产进行滚动调度。这样生产调度只需考虑10日内交付的订单,可以事先确定投产顺序和产品交付时间,所以只需对5日后与部分10日后交付的订单进行备料,在制品库存也围1 Flexsim 车间模型仅限于当期完工的产品。节省了物料与产品库存成4.2填充现场数据完成生产线布局建模后,使用Flexsim 中嵌入本、提升了生产线的动态响应能力。5.2 遗传算法调度求解C+ +程序的方法载入生产车间数据。首先在BDE中5日内有A、B.C三组零件需交付,共计10种零设置数据库别名。然后使用C+ +语言实现在件。10日内另外还有D、E、F三组零件需交付,共计Source1对象和Machine对象的参数表中编写所需逻10种零件。产品工时数据如表1所示。同组零件具.辑以完成调度和参数载人,具体数据载人程序流程为: .有组合关系,需要同时领料与交货。A.B.C三类零件获得Run/Reset 按键消息、检查/建立数据库连接、从表1产品工时数据数据库读人调度结果表填充到Source1对象的调度表z M1M2M3 M4M中从数据库中读取工时数据填充到Flexsim全局表TimeFromDB中,机器从全局表TimeFromDB 中获取Al33391030A3266378571工时数据。A3 042222 78921458这样就实现了调度与工时数据的载人，体现了B117675678Flexsim仿真的灵活性,可以实现模型数据与生产数据255177123 54314344库的同步更新。体现了调度与仿真的柔性,进一步提B6 55566456 21069857991892453214高了车间的信息集成度。a888 26587653714544c88988543 854247525优化算例C10 04511516D11 205 578963 325800125.1问题分析DI2 296696 214586356文中研究的车间目前采用月度订单调度、10日订D13832 630258147255132单调度和5日订单调度三重订单调度安排。采用这种E14 487236553665方法是因为该车间目前采用的是以大量在制品库存来中国煤化工39645678123提高机器利用率的方法。这种方法的优点是可以提高机器的利用率,调度简单;缺点是需要提前一个月对订MHCNMHGJ0U325单进行备料,对订单的响应慢,对于加急订单需要特殊F19 488 35864325407527处理并且会打乱已有的生产调度安排,在投产时不能F20_20963_325120第3期余晓光等:基于Flxsim的车间调度优化必须在当期安排生产。在工时满足的情况下可以安排利用率为第一指标,生产线平 衡为第二指标。对机器D.EF进行生产。5日工时限制为7500。利用率和负荷平衡综合分析可以得出结论:选择生产采用改进遗传算法编写的车间调度程序以A.B.C、F这四类零件可以取得较好的效益。makespan最小为目标求调度有四套方案可以选择，如表2所示。其中,生产方案表示投产的零件组,调度结6结束语果表明零件的投产顺序(排在最左边的最早生产),航空附件加工车间是复杂的离散事件动态系makespan表示计算出的生产时间。统[8]。三个以上机器的Job- Shop调度向题就为NP表2遗传算法调度结果- hard问题!2]。对于这样的问题的优化目前还没有解生产方案调度结果makespan析解和通用的方法。所以目前的观点是没有免费的午餐(No Free Lunch) ,对于每个不同问题都有其适合的A.B.CC10A3A1 B4 BS B6C9C7 08 Al5775手段进行解决9]。一个实际加工车间的运行和维护需A、B.C.DCI0DI2BSA2B4B6A3D11∞C708.6470要很高的成本。采用建立虚拟生产车间模型进行仿真DI3 Al的方法可以节省车间调度的验证成本,并且可以很大.程度上反映生产车间的实际情况,更重要的是其可以.A.B.C.ECI0A3A2 B4 E1S BSC9 B6 C7 E14 E167341Al C8在短时间内完成长时间生产的性能验证。仿真方法是解决离散事件动态系统问题中常用的方法之-。A.B.C.FC10B4A2A3F20BSB6C9F19F18C766280817 Al文中针对航空附件加工车间的调度问题.使用遗传算法计算得到短期调度代替人工制定的长期调度。5.3 使用Flexsim进行仿真分析在取得调度结果后使用Flexsim对调度结果进行并且使用Flexsim软件建立与生产管理数据库连接的可视化仿真,模拟实际生产线的加工情况,获取调度结生产线模型,动态地对遗传算法求解出的生产调度结果的更多信息。Flexsim对调度结果仿真结果如表3果进行仿真。最后通过算例说明采用Flexsim仿真与所示。对结果进行简单处理,得到调度后机器的平均遗传算法相结合的方法可以有效地应用于航空附件加利用率与机器利用率的标准差。在比较方案时以平均工车间调度问题。表3 Flexsim 仿真结果M1134MsSM16平均标准差100%80.30%63.50%73. 10%71. 50%92. 20%80. 10%0.125A、B.C、D85.30%80.10%72.80%87.00%91. 70%86.20%0.08687.20%77. 80%78. 80%70.20%93.90%84. 70%0.101A、B.C、F100% 88. 20%91.60%83.70%88.50%92.90%90.80%0.050参考文献:度仿真研究[].工业控制计算机,2007 ,28(8):63-64.[1]陈志光.旭电公司多品种小批盘生产方式改善的研究[6] 严洪森，夏琦峰,朱 如,等.汽车装配车间生产计划与调[D].广州:华南理工大学,2006.度的同时优化方法[J].自动化学报,2006,28(6):911 -[2] 王凌.车间调度及其遗传算法[M].北京:清华大学出919.版社,003.[7] 张平,严洪森，余晓光.基于混合算法的知识网表达式[3] 王万良,吴启迪,宋 毅. 求解作业车间调度问题的改进优化[J].计算机技术与发展,2009,19(3):32 - 35.自适应遗传算法[J].系统工程理论与实践，2004,24(2):8] 郑大钟,赵千川.离散事件动态系统[M].北京:清华大学58-62.出版社,2001.[4] Averill M L. 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