第20卷第3期計算機技術(shù)與發(fā)展Vol.20 No. 32010年3月OOMPUTER TECHNOLOGY AND DEVELOPMENTMar. 2010基于Flexsim的車間調(diào)度優(yōu)化余曉光,嚴洪森，殷乾坤(東南大學復雜工程系統(tǒng)測董與控制教育部重點實驗室,江蘇南京210096; .東南大學自動化學院,江蘇南京210096)擒要:基于三維動畫仿真軟件Flesim,文中對航空附件加工車間這種多品種、小批量生產(chǎn)的作業(yè)車間(Job- Shop)進行了調(diào)度優(yōu)化研究。介紹了Flexim 連接數(shù)據(jù)庫的技術(shù)與遺傳算法求解生產(chǎn)調(diào)度的方法;在Flexim中建立虛擬生產(chǎn)車間模型,并且在Flesimn虛擬車間模型內(nèi)部嵌入C+ +數(shù)據(jù)庫操縱程序,將仿真模型與生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫連接,使模型可以實時采集生產(chǎn)數(shù)據(jù);最后通過實例說明Flexim仿真與調(diào)度優(yōu)化相結(jié)合的方法可以有效地提高航空附件加工車間的效益,證明了方法的有效性。關(guān)鍵詞:lexsim;遺傳算法;作業(yè)車間調(diào)度;數(shù)據(jù)庫連接中圍分類號:TP391.9文獻標識碼:A文章編號: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引言調(diào)度問題都取得了良好的效果。現(xiàn)代生產(chǎn)車間中為了適應(yīng)多變的需求,逐漸形成Flexsimn是- -種面 向?qū)ο蟮目梢暬?D仿真軟件,了多品種、小批量的生產(chǎn)方式。在多品種、小批量的生可以方便地建立生產(chǎn)線模型并通過仿真進行效能評產(chǎn)方式下選擇合適的生產(chǎn)調(diào)度策略顯得尤為重要([1]。價[4,文獻[5]采用Flexsim對沖壓車間進行了調(diào)度優(yōu)采用合適的生產(chǎn)調(diào)度可以提高機器的利用率,平衡各化,并介紹了 Flexsim 調(diào)用Excel進行數(shù)據(jù)交換的方生產(chǎn)工位負荷，保證按時按需生產(chǎn)。法,但未實現(xiàn)Flexsim調(diào)用數(shù)據(jù)庫,進行與數(shù)據(jù)庫的實遺傳算法是一種解決生產(chǎn)調(diào)度問題的有效算法,時數(shù)據(jù)交換。文獻[6]采取計劃與調(diào)度同時優(yōu)化的方文獻[2]使用的GASA混合策略求解Jqb- Shop調(diào)度法首先建立粗生產(chǎn)計劃并在粗生產(chǎn)計劃的基礎(chǔ)上求解問題和文獻[3]使用的自適應(yīng)遺傳算法解決作業(yè)車間調(diào)度,并成功應(yīng)用于汽車裝配車間。但是求解速度較慢,并且采用文字界面,沒有建立可視化的車間模型。而文中的研究對象是航空附件生產(chǎn)車間,由于其產(chǎn)品收稿日期:2009 -06- 13;修回日期:2009-09-01基金項目:國家863計劃資助項目(2007AA04Z112);國家自然科學的特殊性必須按訂單生產(chǎn)。因此首先在約束(訂單需基金資助項目(50875046)求和中國煤化工算法求解最優(yōu)調(diào)度;作者簡介:余曉光(1984-),男,江蘇南京人,碩士研究生,研究方向然后!YHCNMHG3模型,并通過該模為車間生產(chǎn)計劃調(diào)度與仿真;嚴洪森,教授,博士生導師,研究方向型訪向生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫獲得虛擬車間的調(diào)度與工時數(shù)為生產(chǎn)計劃與調(diào)度、知識化制造、并行工程等。據(jù);最后通過仿真對方案進行比較。第3期.余曉光等:基于Fexsimn 的車間調(diào)度優(yōu)化from SoluResulr whe Stedue=1");1 Flexsim 簡介Flexsim 是美國Flexsim公司開發(fā)的一種基于對象/執(zhí)行sa|查詢語句/Source1 > vibleshedude"，model()),(0liect)的 3D仿真軟件,可對生產(chǎn)車間進行3D仿startrow starool,numrows, numools);真。在Flxsimn圖形開發(fā)環(huán)境中,用戶可以方便地搭建//將SQL查詢結(jié)果導入Source對象的schedule表中三維仿真模型,并且仿真對象中內(nèi)置了大量的可設(shè)置參數(shù)。如果需要實現(xiàn)復雜邏輯,還可以使用C++或3遺傳算法Flxsim Sript嵌人式編程擴展已有的參數(shù)功能。遺傳算法(Genetic Algornthm,GA)是- 種模擬自Flexsim中集成了C++ IDE和編譯器,用戶可以對已然界生物進化過程的仿生算法。它通過模仿生物的進有的仿真對象進行二次開發(fā),建立新的模擬對象(0b-化過程來優(yōu)化解的集合,其基本操作是通過選擇交叉ject)滿足個性化需求。在數(shù)據(jù)交換上,Flxsim可以由和變異搜索解的空間。其對空間的搜索具有隱含并行Exel或數(shù)據(jù)庫導入導出數(shù)據(jù)，使用Flexsim和生產(chǎn)管性,它不同于隨機搜索(解空間中的枚舉搜索),它的選理數(shù)據(jù)庫連接可以實現(xiàn)調(diào)度的實時仿真。目前擇機制可以大大減小搜索空間，因而可以在有限時間Flexsim已成為- -款流行的生產(chǎn)仿真軟件,根據(jù)統(tǒng)計約內(nèi)得到一個最優(yōu)解或較優(yōu)解,并且遺傳算法還是一-種有一半的《財富>500強企業(yè)使用了Flexsim軟件。具有全局優(yōu)化能力的搜索方法[1。1985 年Davis首次將之用于解決調(diào)度問題以來,遺傳算法不斷得到改進2 Flexsim 數(shù)據(jù)庫連接技術(shù)發(fā)展,是一種比較成熟的調(diào)度算法。文中采用改進遺Flexsim通過Borland 公司的BDE ( Borland傳算法(禁忌搜索-遺傳混合算法,Tabu- GA)對生Databese Engine)連接到數(shù)據(jù)庫[4。BDE是Borland公產(chǎn)調(diào)度進行優(yōu)化。司開發(fā)的數(shù)據(jù)庫引擎,它可以通過內(nèi)置的驅(qū)動程序、文中以最長完工時間(makepan)優(yōu)化目標函數(shù):sQL Links驅(qū)動.ODBC鏈接訪問各種數(shù)據(jù)庫。FlexsimJ = min{ maxCm}使用基于BDE中ODBC的驅(qū)動的方式訪問數(shù)據(jù)庫。s.t. Cg-Tj≥Cg-1(1)Flexsim有兩種訪問數(shù)據(jù)庫模式,分別為Table Mode和Cj≥0(2)SQL Modeo在Table Mode下,整個數(shù)據(jù)庫表會被載入J≤T(3)Flexsimn全局表,用戶可通過訪問全局表的方式來讀取式中n為生產(chǎn)的零件種數(shù),m為機器數(shù),C。表示第:種數(shù)據(jù),但不能執(zhí)行sQL命令。SQL Mode是提供SQL零件在第;個機器完成加工的時間。約束條件(1)為加支持的模式。可以通過SQL命令或Fexsin訪向數(shù)據(jù)工順序約束,i = 1.2.-.n;j = 2.3-.mn.約束條件庫命令來完成對數(shù)據(jù)庫的操作。(2)中i= 1,2.",.n;j= 1.2.-,.m。約束條件(3)為Flesim 提供了22條訪問數(shù)據(jù)庫的命令,這些命工時約束,其中T為調(diào)度周期中機器可利用工時。令實質(zhì)是C+ +編寫的函數(shù)。下面以具體程序說明數(shù)據(jù)庫訪問操作:這是在Source對象的OnReet()事件中的一-段C4 Flexsim仿真模型建立++編寫的程序，將數(shù)據(jù)庫中調(diào)度結(jié)果1添加進4.1建立模型框架文中研究的航空附件加工車間屬于Job- Shop類Souree的零件到達表中。問題。其產(chǎn)品特點是:品種多、批量小,并且工藝路線if (dbqemode()! =1)固定。由于在限定時間內(nèi)車間的生產(chǎn)能力是固定的，//如果數(shù)據(jù)庫以sQL Mode方式打開執(zhí)行下面語句所以對投產(chǎn)順序進行優(yōu)化，協(xié)調(diào)多種零件的生產(chǎn),提高機器資源的利用率,平衡各工位的負荷就顯得十分必dbloe();//關(guān)閉數(shù)據(jù)庫連接要。dbopen("arabseceme", "sleat ArnvalTme, IrenName, ltem在車間中,零件生產(chǎn)是由零件圖紙和工藝流程卡Type,Quantity from SheduleResult where Sthedule = 1 order by控制的。通過圖紙和工藝流程卡可以獲取生產(chǎn)準備時ArivalTime ASC" ,0);中國煤化工”.所包含的零件數(shù)//以SQL模式打開數(shù)據(jù)庫別名(Databee Alis)為drabecame量信息臺機器上的加工的數(shù)據(jù)庫并執(zhí)行SQL查詢時間,YH. CN M H G件的標準工藝時間來計算工人工作量。else在建立模型前做如下假設(shè):dteqlquery(" selet ArialTime, ItenName, ItemnType, Quanity，46.計算機技術(shù)與發(fā)展第20卷1.零件在各機器上的加工工序確定;確定零件的交付期,更加不能保證零件按期交付。在2.每臺機器-一次只能加工一批零件,一旦加工開這種情況下為了盡量保證零件可以按期交付，生產(chǎn)控始就不能發(fā)生中斷;制部門在制定月度計劃后還需要不斷地更新調(diào)度以明3. - -批零件不能同時在不同機器上加工;確哪些產(chǎn)品需要“按時"生產(chǎn)。實際生產(chǎn)中,人工制定4.批的大小不-致,但每-批零件視為- 一個工件的調(diào)度經(jīng)常與目前在產(chǎn)的產(chǎn)品不-致,反而降低了生進行仿真，由其標準工藝時間X數(shù)量+準備時間計算產(chǎn)效率,增加了產(chǎn)品切換成本和庫存成本。其加工時間;針對以上缺陷文中采用遺傳算法對5日和10日5.不考慮機器故障。后需交貨的產(chǎn)品在生產(chǎn)能力的限制下進行5日內(nèi)排產(chǎn)根據(jù)現(xiàn)場的機器布局在Flexsim中搭建虛擬生產(chǎn)調(diào)度,在產(chǎn)品全部投產(chǎn)后對后續(xù)訂單進行滾動的生產(chǎn)車間如圖1所示:機器成二列擺放,在機器中間為生產(chǎn)調(diào)度。這樣免去了月度和10日的訂單調(diào)度,對訂單的庫存擺放正在加工的零件。反應(yīng)速度加快。具體方法是:考慮到5日內(nèi)交貨的產(chǎn)品必須安排在當期生產(chǎn),10日后交貨的產(chǎn)品可以在滿足生產(chǎn)能力限制的前提下選擇生產(chǎn)以提高機器的利用率和下次排產(chǎn)時的訂單完成能力。在所有產(chǎn)品投產(chǎn)前安排下期訂單的生產(chǎn)調(diào)度,如此對生產(chǎn)進行滾動調(diào)度。這樣生產(chǎn)調(diào)度只需考慮10日內(nèi)交付的訂單,可以事先確定投產(chǎn)順序和產(chǎn)品交付時間,所以只需對5日后與部分10日后交付的訂單進行備料,在制品庫存也圍1 Flexsim 車間模型僅限于當期完工的產(chǎn)品。節(jié)省了物料與產(chǎn)品庫存成4.2填充現(xiàn)場數(shù)據(jù)完成生產(chǎn)線布局建模后,使用Flexsim 中嵌入本、提升了生產(chǎn)線的動態(tài)響應(yīng)能力。5.2 遺傳算法調(diào)度求解C+ +程序的方法載入生產(chǎn)車間數(shù)據(jù)。首先在BDE中5日內(nèi)有A、B.C三組零件需交付,共計10種零設(shè)置數(shù)據(jù)庫別名。然后使用C+ +語言實現(xiàn)在件。10日內(nèi)另外還有D、E、F三組零件需交付,共計Source1對象和Machine對象的參數(shù)表中編寫所需邏10種零件。產(chǎn)品工時數(shù)據(jù)如表1所示。同組零件具.輯以完成調(diào)度和參數(shù)載人,具體數(shù)據(jù)載人程序流程為: .有組合關(guān)系,需要同時領(lǐng)料與交貨。A.B.C三類零件獲得Run/Reset 按鍵消息、檢查/建立數(shù)據(jù)庫連接、從表1產(chǎn)品工時數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫讀人調(diào)度結(jié)果表填充到Source1對象的調(diào)度表z M1M2M3 M4M中從數(shù)據(jù)庫中讀取工時數(shù)據(jù)填充到Flexsim全局表TimeFromDB中,機器從全局表TimeFromDB 中獲取Al33391030A3266378571工時數(shù)據(jù)。A3 042222 78921458這樣就實現(xiàn)了調(diào)度與工時數(shù)據(jù)的載人，體現(xiàn)了B117675678Flexsim仿真的靈活性,可以實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)255177123 54314344庫的同步更新。體現(xiàn)了調(diào)度與仿真的柔性,進一步提B6 55566456 21069857991892453214高了車間的信息集成度。a888 26587653714544c88988543 854247525優(yōu)化算例C10 04511516D11 205 578963 325800125.1問題分析DI2 296696 214586356文中研究的車間目前采用月度訂單調(diào)度、10日訂D13832 630258147255132單調(diào)度和5日訂單調(diào)度三重訂單調(diào)度安排。采用這種E14 487236553665方法是因為該車間目前采用的是以大量在制品庫存來中國煤化工39645678123提高機器利用率的方法。這種方法的優(yōu)點是可以提高機器的利用率,調(diào)度簡單;缺點是需要提前一個月對訂MHCNMHGJ0U325單進行備料,對訂單的響應(yīng)慢,對于加急訂單需要特殊F19 488 35864325407527處理并且會打亂已有的生產(chǎn)調(diào)度安排,在投產(chǎn)時不能F20_20963_325120第3期余曉光等:基于Flxsim的車間調(diào)度優(yōu)化必須在當期安排生產(chǎn)。在工時滿足的情況下可以安排利用率為第一指標,生產(chǎn)線平 衡為第二指標。對機器D.EF進行生產(chǎn)。5日工時限制為7500。利用率和負荷平衡綜合分析可以得出結(jié)論:選擇生產(chǎn)采用改進遺傳算法編寫的車間調(diào)度程序以A.B.C、F這四類零件可以取得較好的效益。makespan最小為目標求調(diào)度有四套方案可以選擇，如表2所示。其中,生產(chǎn)方案表示投產(chǎn)的零件組,調(diào)度結(jié)6結(jié)束語果表明零件的投產(chǎn)順序(排在最左邊的最早生產(chǎn)),航空附件加工車間是復雜的離散事件動態(tài)系makespan表示計算出的生產(chǎn)時間。統(tǒng)[8]。三個以上機器的Job- Shop調(diào)度向題就為NP表2遺傳算法調(diào)度結(jié)果- hard問題!2]。對于這樣的問題的優(yōu)化目前還沒有解生產(chǎn)方案調(diào)度結(jié)果makespan析解和通用的方法。所以目前的觀點是沒有免費的午餐(No Free Lunch) ,對于每個不同問題都有其適合的A.B.CC10A3A1 B4 BS B6C9C7 08 Al5775手段進行解決9]。一個實際加工車間的運行和維護需A、B.C.DCI0DI2BSA2B4B6A3D11∞C708.6470要很高的成本。采用建立虛擬生產(chǎn)車間模型進行仿真DI3 Al的方法可以節(jié)省車間調(diào)度的驗證成本,并且可以很大.程度上反映生產(chǎn)車間的實際情況,更重要的是其可以.A.B.C.ECI0A3A2 B4 E1S BSC9 B6 C7 E14 E167341Al C8在短時間內(nèi)完成長時間生產(chǎn)的性能驗證。仿真方法是解決離散事件動態(tài)系統(tǒng)問題中常用的方法之-。A.B.C.FC10B4A2A3F20BSB6C9F19F18C766280817 Al文中針對航空附件加工車間的調(diào)度問題.使用遺傳算法計算得到短期調(diào)度代替人工制定的長期調(diào)度。5.3 使用Flexsim進行仿真分析在取得調(diào)度結(jié)果后使用Flexsim對調(diào)度結(jié)果進行并且使用Flexsim軟件建立與生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫連接的可視化仿真,模擬實際生產(chǎn)線的加工情況,獲取調(diào)度結(jié)生產(chǎn)線模型,動態(tài)地對遺傳算法求解出的生產(chǎn)調(diào)度結(jié)果的更多信息。Flexsim對調(diào)度結(jié)果仿真結(jié)果如表3果進行仿真。最后通過算例說明采用Flexsim仿真與所示。對結(jié)果進行簡單處理,得到調(diào)度后機器的平均遺傳算法相結(jié)合的方法可以有效地應(yīng)用于航空附件加利用率與機器利用率的標準差。在比較方案時以平均工車間調(diào)度問題。表3 Flexsim 仿真結(jié)果M1134MsSM16平均標準差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%0.050參考文獻:度仿真研究[].工業(yè)控制計算機,2007 ,28(8):63-64.[1]陳志光.旭電公司多品種小批盤生產(chǎn)方式改善的研究[6] 嚴洪森，夏琦峰,朱 如,等.汽車裝配車間生產(chǎn)計劃與調(diào)[D].廣州:華南理工大學,2006.度的同時優(yōu)化方法[J].自動化學報,2006,28(6):911 -[2] 王凌.車間調(diào)度及其遺傳算法[M].北京:清華大學出919.版社,003.[7] 張平,嚴洪森，余曉光.基于混合算法的知識網(wǎng)表達式[3] 王萬良,吳啟迪,宋 毅. 求解作業(yè)車間調(diào)度問題的改進優(yōu)化[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2009,19(3):32 - 35.自適應(yīng)遺傳算法[J].系統(tǒng)工程理論與實踐，2004,24(2):8] 鄭大鐘,趙千川.離散事件動態(tài)系統(tǒng)[M].北京:清華大學58-62.出版社,2001.[4] Averill M L. 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