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以代理人為基礎(chǔ)的模擬準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)物料搬運(yùn)系統(tǒng)
作者：郝啟和沈偉明
組織：集成制造技術(shù)研究所
加拿大國(guó)家研究委員會(huì)
摘要：在大多數(shù)組裝廠資料處理是一個(gè)松散的環(huán)。Just-in-time準(zhǔn)時(shí)制(JIT)是一種在正確的地點(diǎn),正確的時(shí)間的管理理念,努力消除生產(chǎn)制造廢物的來(lái)源。在組裝廠我們提出應(yīng)用JIT原則處理材料。介紹了材料看板作業(yè)作為一種有效的手段去控制物理材料和部分工廠物流。實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于主體的關(guān)于AnyLogic仿真原型的使用。在工廠地板，以代理人為基礎(chǔ)的彈性方法便于仿真各種"假設(shè)情況”場(chǎng)景，包括不同的布圖設(shè)計(jì),客觀參數(shù)和動(dòng)態(tài)情況。
1.介紹
物料處理是一個(gè)松散的環(huán)境,通常是被忽略的大部分生產(chǎn)工廠。從我們的觀察來(lái)看,甚至在一個(gè)設(shè)計(jì)良好的流水線,在整個(gè)生產(chǎn)線的條件下,在它的布局、流程優(yōu)化、緩沖、進(jìn)度、運(yùn)營(yíng)、物料搬運(yùn)仍然有不合理的控制。經(jīng)理花費(fèi)了大量的寶貴時(shí)間去找出錯(cuò)誤的地方然后再合理的布置流程過(guò)程。他們沒(méi)有意識(shí)到的物料搬運(yùn)或交貨計(jì)劃及相關(guān)的資源信息(數(shù)量和利用的資源,比如叉車(chē)和司機(jī))。作為一個(gè)結(jié)果,材料處理成為主要障礙,導(dǎo)致生產(chǎn)效率低,低效率,低質(zhì)量的生產(chǎn)體系。準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)是一種管理理念,可以提高利潤(rùn)和投資回報(bào)減少庫(kù)存,減少浪費(fèi),提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低了生產(chǎn)和交付訂貨至交貨的時(shí)間,以及減少其他費(fèi)用(例如那些相關(guān)的設(shè)置和設(shè)備故障的機(jī)器)。特別介紹了拉動(dòng)式,通過(guò)看板的控制,使得JIT生產(chǎn)優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程中獲益的生產(chǎn)資源的減少。對(duì)工廠而言,早就在運(yùn)行機(jī)制下的需求,材料處理也應(yīng)該采用拉動(dòng)式,而不是推動(dòng)式的。
基于此,本文提出了基于物料搬運(yùn)系統(tǒng)拉動(dòng)式準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)原則。在這樣一個(gè)系統(tǒng)中,材料的運(yùn)輸工廠地板被認(rèn)為是獨(dú)立完成的任務(wù)。物料看板在工廠的地板上，材料被引入作為載體的交貨任務(wù)是一種有效的手段去控制和平衡的物理處理材料流動(dòng)?；痉结?是一項(xiàng)任務(wù)所產(chǎn)生的聯(lián)合站生產(chǎn)單元要求占領(lǐng)一個(gè)物料看板一樣呈交。
另一種技術(shù)應(yīng)用于該材料處理系統(tǒng)就是代理。代理技術(shù)的演變而來(lái)的研究領(lǐng)域是20世紀(jì)90年代的分布式人工智能。從它的產(chǎn)生、代理技術(shù)被認(rèn)為是一種很有前途的范式形式下的設(shè)計(jì)和制造系統(tǒng)(沈偉明等,2001年)。在JIT物料搬運(yùn)仿真系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)多個(gè)代理商,為協(xié)同解決問(wèn)題的環(huán)境。例如,每一個(gè)交通工具是封裝的代理,以便它是可以在自己的參數(shù)和行為,如速度、當(dāng)?shù)氐臅r(shí)間表,和相關(guān)的調(diào)度,路由和沖突化解規(guī)則。司機(jī)的交通車(chē)輛可以關(guān)閉一輛汽車(chē)從系統(tǒng)承擔(dān)個(gè)人活動(dòng)或當(dāng)汽車(chē)故障需要修理的時(shí)候。此外,運(yùn)輸任務(wù)的分配的談判來(lái)完成一個(gè)雖然看板調(diào)度代理和大量的汽車(chē)代理商。這樣的能力,該系統(tǒng)能夠模擬動(dòng)態(tài)的情況,而且還能得到更多非常準(zhǔn)確的信息,是一般的資源的交通工具。
這篇文章的其余部分組織如下:第2部分進(jìn)行了簡(jiǎn)單的回顧和文學(xué)的背景知識(shí);第三節(jié)標(biāo)識(shí)本研究樣本準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)物料搬運(yùn)問(wèn)題,敘述了其相應(yīng)的要求提出了一個(gè)基于主體的轉(zhuǎn)機(jī);第四節(jié)的建筑準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)物料搬運(yùn)系統(tǒng),并討論了兩個(gè)主要方面:生產(chǎn)仿真設(shè)計(jì)和原材料處理模擬。
2.技術(shù)評(píng)論
有兩種分類(lèi)的生產(chǎn)控制系統(tǒng),即拉動(dòng)式和推動(dòng)式。原材料需求計(jì)劃(MRP)系統(tǒng)和看板管理系統(tǒng)都是最常用的，兩種實(shí)現(xiàn)策略的方法分別是拉式和推式。在推動(dòng)式生產(chǎn)中,為了縮小不準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)的交貨期、庫(kù)存記錄,變更后的的生產(chǎn)計(jì)劃和可疑材料明細(xì)表(BOM),一般包含了安全前置時(shí)間和安全的系數(shù)。然而,在實(shí)踐中,MRP可能導(dǎo)致中的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題（見(jiàn)Shirk 1998，Hopp和斯皮爾曼,1996)。庫(kù)存水平和訂貨至交貨的時(shí)間經(jīng)過(guò)放大在整個(gè)供應(yīng)鏈中,從最終的經(jīng)銷(xiāo)商一直到每個(gè)層次的供應(yīng)商。
相反,使用拉動(dòng)式策略,而不是使用臨床應(yīng)用準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)系統(tǒng)容量的緩沖庫(kù)存，以此來(lái)避免可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題。在反應(yīng)生產(chǎn)發(fā)起真正的客戶(hù)訂單及消除物品從最終的經(jīng)銷(xiāo)商緩沖器觸發(fā)來(lái)補(bǔ)充庫(kù)存生產(chǎn)上游一層層地耗盡。維修人員孫俐在2004年進(jìn)行定量比較的表現(xiàn),MRP和看板為多級(jí)、多產(chǎn)品的生產(chǎn)制造系統(tǒng)。為他們的客戶(hù)，拉策略是有生產(chǎn)設(shè)施,產(chǎn)生了許多不同的產(chǎn)品,具有獨(dú)特的要求和處理的要求,以及設(shè)施,使高度工程產(chǎn)品小批量化(即使是獨(dú)一無(wú)二的)。
理想的行業(yè)應(yīng)用準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)生產(chǎn)范圍包括汽車(chē),因?yàn)樗菧?zhǔn)時(shí)生產(chǎn)概念的起源。汽車(chē)工業(yè)是具有較低的產(chǎn)品品種、大批量生產(chǎn)。在一個(gè)汽車(chē)生產(chǎn)線上,雖然有一些物流線用推動(dòng)式的(有時(shí)稱(chēng)為混合生產(chǎn)),如身體車(chē)間、噴漆車(chē)間,引擎的線條,然而,一旦汽車(chē)正在排隊(duì)得到處理主要的流水線,生產(chǎn)的控制下一個(gè)單一的拉動(dòng)式。緩沖器設(shè)置在離生產(chǎn)線的地點(diǎn)靠不確定性物流線發(fā)揮作用,更好地優(yōu)化了主要生產(chǎn)線的生產(chǎn)速率。
準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)的概念和看板不是一開(kāi)始就有的。首先由豐田在1950年贊助準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)時(shí)開(kāi)發(fā)的,然后1980年在美國(guó)被采用。準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)和精益企業(yè),聚居區(qū),在西方國(guó)家,也進(jìn)化基于準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)的原則。許多中小企業(yè)和一些大公司已經(jīng)接受了這些概念,像曼莉瓊絲、奔馳、普拉特和惠特尼,保時(shí)捷和通用電氣等。1996年，特和瓊斯在他們基于價(jià)值的業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，運(yùn)用豐田模式 提供了周到的擴(kuò)張。一路上,他們根據(jù)他們的行動(dòng)計(jì)劃進(jìn)行新的研究和不斷增強(qiáng)的全球化,他們重新分析它們的一些關(guān)鍵案例，研究來(lái)自于汽車(chē)、航空航天、等制造業(yè)的問(wèn)題。
許多的分析像在數(shù)學(xué)或?qū)嶒?yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上,提出了在解決看板的基礎(chǔ)操作計(jì)劃和控制問(wèn)題(具體見(jiàn)Berkley和Martin-Vega 1992;,1990)。到目前為止,模擬的方法論的研究選擇在多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)告。從理論上講,看板的數(shù)量和配置系統(tǒng)中顯著地影響看板拉動(dòng)式系統(tǒng)的性能。而不是優(yōu)化這些看板安排導(dǎo)致固定數(shù)量的看板,馬丁斯和Lewandrowski 在1999年提出了一個(gè)數(shù)學(xué)緩沖區(qū)的方法，使用一個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)量看板的策略。古普塔和Al-Turki 在1998年的關(guān)于性能比較傳統(tǒng)看板系統(tǒng)和一個(gè)靈活的看板系統(tǒng)(FKS)。通過(guò)仿真模型的兩個(gè)簡(jiǎn)單的準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)模型,他們證明了FKS優(yōu)于在實(shí)時(shí)制造環(huán)境下的傳統(tǒng)看板系統(tǒng),如突然破裂材料處理系統(tǒng)。
從應(yīng)用的角度上說(shuō),研究的拉動(dòng)式系統(tǒng)可劃分分為3大類(lèi):(1)生產(chǎn)控制;2)存貨管理;3)供應(yīng)鏈管理。材料處理是主題被先前的研究在文獻(xiàn)(見(jiàn) 古普塔和Al-Turki雜志,2002;Askin高慶宇,1999年;Venkataramanaiah等,2001年)。然而,他們都在處理自動(dòng)資料(確切地說(shuō),是線上的庫(kù)存,屬于生產(chǎn)線之間轉(zhuǎn)移問(wèn)題本身)生產(chǎn)的單元。在這里我們強(qiáng)調(diào)的材料并沒(méi)有提及在制品經(jīng)過(guò)的流水線,確切地說(shuō),它是流動(dòng)的物質(zhì)供應(yīng)或部分服從主要生產(chǎn)線。目前為止，還沒(méi)有已知的文獻(xiàn)分析過(guò)關(guān)于這方面的物料搬運(yùn)系統(tǒng)。
此外,在大多數(shù)工廠中,材料存貨只是有過(guò)關(guān)于完全控制下的在企業(yè)層面的MRP II系統(tǒng)或看板系統(tǒng),但不是實(shí)在的動(dòng)態(tài)工廠地板。錯(cuò)缺件,零件不交付的,一部分是正確的地點(diǎn),正確的時(shí)間中的常見(jiàn)現(xiàn)象,幾乎所有的主流生產(chǎn)工廠,包括通用、福特、純正的卡車(chē)。對(duì)于經(jīng)理而言材料處理是一項(xiàng)令人頭痛的問(wèn)題。生產(chǎn)部經(jīng)理感到緊張,每天被指責(zé)是缺乏控制制造的過(guò)程能力。所以,分析物料處理及動(dòng)態(tài)模擬對(duì)制造行業(yè)會(huì)很有幫助。
3. 一個(gè)簡(jiǎn)單裝配線的物料搬運(yùn)系統(tǒng)
在拉動(dòng)式生產(chǎn)中，物料搬運(yùn)系統(tǒng)的模擬是研究的主要目的。一個(gè)基于看板材料處理等問(wèn)題將會(huì)被分析,使其符合拉動(dòng)式生產(chǎn)線。為方便有較容易的理解,選擇一個(gè)工廠案例作為背景研究問(wèn)題,如圖所示。（圖略）
分析物料搬運(yùn)方式的時(shí)候,我們從基礎(chǔ)準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)相似原理提出了一種類(lèi)似的庫(kù)存管理: 正確的材料輸送是在正確的時(shí)間和正確的量從離開(kāi)庫(kù)存區(qū)到右邊的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。在這里,物資運(yùn)輸?shù)墓S被認(rèn)為是獨(dú)立完成任務(wù)。一項(xiàng)任務(wù)需要一個(gè)資料看板被遞送。在圖中,材料的請(qǐng)求信號(hào)首先由產(chǎn)生的裝配車(chē)間發(fā)出去的，這部分的材料供應(yīng),經(jīng)過(guò)看板,請(qǐng)求被播出了一系列的車(chē)輛正常行駛范圍內(nèi)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò),然后通過(guò)調(diào)節(jié),任務(wù)是經(jīng)車(chē)輛和正在交付最后到右邊站。
在我們看來(lái),根據(jù)系統(tǒng)分析，準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)的物料搬運(yùn)基于看板概念并不僅僅是一種純粹的事件。這一事件系統(tǒng)中,一個(gè)事件立即要求系統(tǒng)響應(yīng);而經(jīng)看板比較,根據(jù)系統(tǒng)所產(chǎn)生的事件處理,得到僅在獲得一個(gè)物理對(duì)象的物料看板。換句話說(shuō),加工物質(zhì)需求的事件保持，直到系統(tǒng)釋放另一種物料看板與該事件是相符的而代替這個(gè)看板所有的其他事件。在看板控制機(jī)制的基礎(chǔ)上,我們認(rèn)為在資料處理系統(tǒng)是能夠達(dá)成一個(gè)自然平衡的材料要求和運(yùn)輸活動(dòng)通過(guò)精致的安排和管理看板。除了標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)在一個(gè)模擬環(huán)境,如離散事件的解,仿真時(shí)鐘的生成和一個(gè)動(dòng)畫(huà)的界面,該系統(tǒng)應(yīng)具有特殊功能模塊,試圖模型和模擬動(dòng)力學(xué)在工廠的地板上。三個(gè)組的功能構(gòu)成了準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)物料搬運(yùn)系統(tǒng)，典型場(chǎng)景生成,模擬器和圖形用戶(hù)界面。典型場(chǎng)景生成保存大量有關(guān)各種配置信息: 1)靜態(tài)場(chǎng)景,如廠房的布置,移動(dòng)的軌跡,中心部分庫(kù)存; 2)仿真參數(shù),如變幻莫測(cè)的車(chē)輛數(shù)目和數(shù)量的看板。模擬器為核心的軟件,它控制了模擬生產(chǎn)和物料搬運(yùn)過(guò)程中雙方的過(guò)程。每一個(gè)交通工具都有一個(gè)獨(dú)立的車(chē)輛仿真模塊,使自己的決定,包括任務(wù)序列,任務(wù)時(shí)間表,移動(dòng)控制、裝卸操作,如果必要的話還要加上碰撞分析。生產(chǎn)單位仿真是模塊來(lái)模仿一個(gè)簡(jiǎn)化生產(chǎn)過(guò)程中考慮到只有消費(fèi)和補(bǔ)貨的材料或零件的活動(dòng)。模擬緩沖和循環(huán)(產(chǎn)品全生命周期管理的物料看板)。它使兩種決策1)配置信號(hào)空物料看板物質(zhì)需求的;2)對(duì)車(chē)輛的配置。在模擬器系統(tǒng)中的地位、基本模擬設(shè)備如定時(shí)器和隨機(jī)數(shù)生成器,應(yīng)提供模擬同步事件或離散事件。圖形用戶(hù)界面應(yīng)該及時(shí)更新圖形仿真、系統(tǒng)事件,例如,及時(shí)響應(yīng)用戶(hù)的要求在任何一種仿真和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
它直接的一個(gè)鮮明特點(diǎn)是“準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)物料搬運(yùn)模擬”。該仿真系統(tǒng)具有超越傳統(tǒng)模擬的功能。其一,其最顯著的能力是便于生產(chǎn)的時(shí)候重組。例如,裝配任務(wù)的安排生產(chǎn)電臺(tái)將調(diào)整執(zhí)行過(guò)程中仿真,從而瓶頸處和系統(tǒng)反應(yīng),可以不斷變化著的。另一個(gè)例子是每個(gè)組成部分是可控制的,不但在其配置參數(shù),而且在它的行為可控單獨(dú)(如,每一個(gè)汽車(chē)能夠使時(shí)間表,控制地位,選擇自己的交貨路線)。相比之下,其他仿真系統(tǒng)是在這之前處理了各文件各仿真信號(hào)的發(fā)射。人們難以分析的動(dòng)力系統(tǒng)行為也通過(guò)改變系統(tǒng)配置在不同的模擬發(fā)射。
4. 以代理為基礎(chǔ)的準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)物料搬運(yùn)的模型
我們用代理技術(shù)的主要是對(duì)準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)的物料搬運(yùn)仿真系統(tǒng)模型。代理是先進(jìn)的計(jì)算機(jī)程序,自主代表它們的用戶(hù)的行為,在合作和分布式環(huán)境中,開(kāi)放的解決越來(lái)越多的復(fù)雜問(wèn)題。在模擬器中有四種類(lèi)型的代理設(shè)計(jì)。
1）主要控制商(MCA)
主要控制商(MCA)負(fù)責(zé)模擬、仿真終止時(shí)，初始化(線程)管理、線程同步。MCA還包括一個(gè)定時(shí)器和事件發(fā)電機(jī)及它的主線程。
2）車(chē)站代理（SA）
車(chē)站代理(SA)是一種處于運(yùn)行中的線程模擬物質(zhì)需求的活動(dòng)在車(chē)站。它是動(dòng)態(tài)的生成和破壞的大腦中主動(dòng)脈。一個(gè)簡(jiǎn)單生產(chǎn)速度的裝配線上，他們所需配件數(shù)量一定。所以，同進(jìn)步的一個(gè)生產(chǎn)步伐,物料平衡在電臺(tái)可能會(huì)達(dá)到環(huán)境保護(hù)的要求水平或緊急的水平。在極端的場(chǎng)合,材料可能感到疲憊引起整個(gè)裝配線停止。
3）看板時(shí)間表代理公司(KSA)
看板調(diào)度代理公司(KSA)是一個(gè)獨(dú)立的線程的職責(zé)是照顧1)資料要求的優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題的M-看板,(2)轉(zhuǎn)讓物料看板到交通工具。動(dòng)態(tài)創(chuàng)建和銷(xiāo)毀KSA是由大腦中動(dòng)脈決定。適用于普通及緊急調(diào)度策略。常規(guī)調(diào)度是實(shí)現(xiàn)由議付KSA之間進(jìn)行,并參與。
4）車(chē)輛代理(VA)
每個(gè)看板分配到一個(gè)被懷疑是其車(chē)輛VA和所服務(wù)的VA通過(guò)一系列的行動(dòng)。一輛汽車(chē)代理人是能夠處理其在當(dāng)?shù)氐臅r(shí)間表,保持其地位,并控制其運(yùn)動(dòng),修理和簡(jiǎn)歷的行動(dòng)。所有的車(chē)輛都產(chǎn)生螺紋或毀壞MCA在同一時(shí)間內(nèi)。
5．結(jié)論
基于要求的工業(yè)合作伙伴,物料搬運(yùn)被認(rèn)為是一個(gè)在大多數(shù)組裝廠中松散的環(huán)節(jié)。準(zhǔn)時(shí)制生產(chǎn)是一個(gè)普遍范式實(shí)施在現(xiàn)今的制造工廠,奮力將生存在一個(gè)全球競(jìng)爭(zhēng)。JIT的原則,提出了一種優(yōu)化的生產(chǎn)環(huán)境和運(yùn)行機(jī)制,減少庫(kù)存浪費(fèi)。然而,材料處理的問(wèn)題,特別是物料或配件供應(yīng)工廠地板水平,是很少提到的研究文學(xué)與實(shí)踐。在本文中,我們提出一個(gè)物料處理仿真系統(tǒng),應(yīng)用準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)的原則。物料看板是一個(gè)個(gè)體,攜帶資料的要求,代表著物資運(yùn)輸任務(wù)。一個(gè)以代理人為基礎(chǔ)的模擬環(huán)境的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一個(gè)原型系統(tǒng)使用。
材料處理的準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)基礎(chǔ)預(yù)計(jì)將提出了許多優(yōu)點(diǎn),如系統(tǒng)的水平在于優(yōu)化生產(chǎn), 在整個(gè)工廠地板平衡的交通負(fù)荷,獲得可管理性的材料上的操縱性能與準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和優(yōu)化運(yùn)輸資源。最大的不同是,該仿真來(lái)自別人的靈活性，以代理人為基礎(chǔ)的模擬方法，便于各種假設(shè)情況場(chǎng)景包括不同的布圖設(shè)計(jì),客觀參數(shù)和動(dòng)態(tài)情況,在工廠地板。