王奕祺，張曉冬

(北京科技大學(xué) 東凌經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100083)

0 引言

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，為了滿足消費(fèi)者的多樣化需求，制造業(yè)企業(yè)紛紛將傳統(tǒng)的大規(guī)模批量生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗥贩N小批量的生產(chǎn)方式。然而，生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變也導(dǎo)致了生產(chǎn)線切換(換線)操作的頻繁發(fā)生。據(jù)研究顯示，換線時(shí)間對(duì)生產(chǎn)率、交貨期、在制品庫(kù)存和質(zhì)量均產(chǎn)生顯著影響[1]。

換線作為生產(chǎn)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，是指將一條生產(chǎn)線中的機(jī)器從生產(chǎn)一種產(chǎn)品轉(zhuǎn)換為另一種產(chǎn)品的過(guò)程，涉及程序編寫(xiě)、調(diào)試和檢驗(yàn)等復(fù)雜知識(shí)處理作業(yè)。由于換線操作的復(fù)雜度高且任務(wù)易于分解，在生產(chǎn)中常常通過(guò)多名生產(chǎn)者合作換線的方式來(lái)縮短換線時(shí)間。可以說(shuō)，換線操作需要生產(chǎn)系統(tǒng)中的人機(jī)以及人人協(xié)同完成。然而，當(dāng)前學(xué)術(shù)研究對(duì)于換線操作的優(yōu)化思路主要集中于對(duì)SMED(single minute exchange of die)工具[2]的應(yīng)用和發(fā)展[3-5]以及優(yōu)化作業(yè)排序[6-8]，缺乏對(duì)于生產(chǎn)者合作換線方式的關(guān)注。

由于合作生產(chǎn)方式可以使一項(xiàng)工作的至少一部分任務(wù)被同時(shí)執(zhí)行，使得該方式常常作為一種組織驅(qū)動(dòng)因素用于改善生產(chǎn)效率等性能[9]。此外，QIN等[10]將合作看作提升人員柔性的一種方式，可用于提升生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)于波動(dòng)制造環(huán)境的適應(yīng)能力。一些文獻(xiàn)對(duì)考慮生產(chǎn)者合作的靜態(tài)調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行了研究。BUZACOTT[11]使用排隊(duì)模型分析了合作型團(tuán)隊(duì)的績(jī)效，發(fā)現(xiàn)該團(tuán)隊(duì)的平均任務(wù)完成時(shí)間少于個(gè)人獨(dú)立完成任務(wù)的時(shí)間;WANG等[12]提出一種考慮生產(chǎn)者合作的柔性生產(chǎn)車(chē)間人員調(diào)度模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明與不考慮合作的模型相比，合作模型可以將生產(chǎn)力集中于關(guān)鍵任務(wù)上，以此縮短完工時(shí)間、降低最大的生產(chǎn)者負(fù)荷;CELANO等[13]提出一種允許上下游人員互助的U型裝配線人員調(diào)度模型，目標(biāo)是輸送機(jī)的總停機(jī)時(shí)間最小，通過(guò)遺傳算法對(duì)采用不同幫助策略的模型進(jìn)行求解并對(duì)比結(jié)果，得到了不同工作站長(zhǎng)度和工人移動(dòng)速度的情況下生產(chǎn)系統(tǒng)所應(yīng)采取的最優(yōu)策略。

靜態(tài)調(diào)度模型假設(shè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的事件是可預(yù)測(cè)和確定性的，是一種對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的簡(jiǎn)化描述。相比靜態(tài)調(diào)度，動(dòng)態(tài)調(diào)度可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行反應(yīng)性調(diào)度，使其得到的調(diào)度方案更具操作性[14]。動(dòng)態(tài)調(diào)度的實(shí)現(xiàn)方式有實(shí)時(shí)調(diào)度和靜態(tài)方案的重調(diào)度兩種。實(shí)時(shí)調(diào)度模型考慮了生產(chǎn)系統(tǒng)中的隨機(jī)性，可以更加準(zhǔn)確地描述實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程。在考慮合作的實(shí)時(shí)調(diào)度模型中，生產(chǎn)者所采取的合作策略會(huì)對(duì)調(diào)度結(jié)果產(chǎn)生重要影響。當(dāng)前一些學(xué)者利用動(dòng)態(tài)仿真分析方法對(duì)生產(chǎn)者合作策略進(jìn)行了研究。其中，邱君降等[15]對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)中維修人員所采取的獨(dú)立維修策略和合作維修策略進(jìn)行對(duì)比仿真研究，結(jié)果表明采取合作策略對(duì)系統(tǒng)中的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率、維修員利用率、運(yùn)轉(zhuǎn)率波動(dòng)度和維修薪酬均產(chǎn)生顯著優(yōu)化;曹陽(yáng)華等[16]對(duì)U形混流裝配線中生產(chǎn)者合作對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的影響進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果表明當(dāng)生產(chǎn)壓力較大時(shí)，采取合作策略的同時(shí)優(yōu)化工作優(yōu)先序相比采取不合作策略，能有效地提高生產(chǎn)效率和任務(wù)均衡率;張曉冬等[17]基于組織學(xué)習(xí)效應(yīng)，對(duì)生產(chǎn)單元中生產(chǎn)者在選擇合作伙伴時(shí)所采取的指定合作策略和自主合作策略進(jìn)行對(duì)比仿真研究，結(jié)果表明采取自主合作策略時(shí)所得到的任務(wù)完成時(shí)間、人員利用率、合作學(xué)習(xí)效應(yīng)等評(píng)價(jià)指標(biāo)均存在顯著優(yōu)勢(shì);ZHANG等[18]依據(jù)不同的合作程度提出4個(gè)合作換線策略，并在不同的制造環(huán)境下開(kāi)展各個(gè)策略的對(duì)比仿真研究，明確了合作行為的適用范圍。上述文獻(xiàn)對(duì)生產(chǎn)中是否采用合作策略以及采用何種合作策略進(jìn)行了有益探索，同時(shí)也說(shuō)明了仿真分析方法的有效性。但是，這些研究所設(shè)計(jì)的合作策略均基于固定規(guī)則，使得策略對(duì)于系統(tǒng)性能的優(yōu)化程度有限，且缺乏對(duì)于不同生產(chǎn)環(huán)境的適應(yīng)能力。

鑒于以上文獻(xiàn)存在的不足，本文對(duì)基于仿真評(píng)價(jià)方法的適應(yīng)性合作換線策略進(jìn)行研究，旨在使生產(chǎn)者所持有的策略具備更強(qiáng)的優(yōu)越性和對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的適應(yīng)性。適應(yīng)性策略的思想是通過(guò)對(duì)生產(chǎn)者所持有的策略進(jìn)行編碼、設(shè)置初始策略和策略迭代過(guò)程的方式，使每代生產(chǎn)過(guò)程仿真模型中的生產(chǎn)者持有不同的策略，并最終輸出最優(yōu)或滿意策略。

1 問(wèn)題描述

1.1 換線操作過(guò)程

本節(jié)介紹生產(chǎn)者獨(dú)立換線和合作換線的操作過(guò)程，及兩種換線方式所需工時(shí)消耗的計(jì)算公式，所研究的合作換線行為限定為2人合作。為方便描述，定義在生產(chǎn)過(guò)程中領(lǐng)取到換線任務(wù)的生產(chǎn)者為k1，生產(chǎn)者k1根據(jù)所持合作策略可確定進(jìn)行獨(dú)立換線或與生產(chǎn)者k2進(jìn)行合作換線。依據(jù)文獻(xiàn)[18]和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，得到了生產(chǎn)者獨(dú)立換線和合作換線的操作過(guò)程，如圖1所示。由圖1可知，合作換線過(guò)程按照兩名生產(chǎn)者合作方式的不同可以劃分為并行換線階段和協(xié)作換線階段兩個(gè)階段。

在并行換線階段中，生產(chǎn)者k1需要執(zhí)行的操作包括導(dǎo)入新程序或調(diào)用原程序、檢查程序和定位基準(zhǔn)(將該部分操作定義為s1)；生產(chǎn)者k2需要執(zhí)行的操作包括拆卸和清洗原工裝夾具、清洗安裝臺(tái)、安裝新的工裝夾具(將該部分操作定義為s2)。該階段通過(guò)將整體操作進(jìn)行分解，并按照任務(wù)量較為均衡地分配給兩名生產(chǎn)者獨(dú)立完成的方式，將串行工作流程轉(zhuǎn)化為并行工作流程。

在協(xié)作換線階段中，兩名生產(chǎn)者通過(guò)配合，產(chǎn)生了協(xié)作效應(yīng)，共同完成調(diào)試和記錄結(jié)果的操作(將該部分操作定義為c)，縮短了換線時(shí)長(zhǎng)。

由上述兩種換線方式的過(guò)程，可分別得到所需工時(shí)的計(jì)算公式。生產(chǎn)者k1獨(dú)立換線所產(chǎn)生工時(shí)消耗Tk1的計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

生產(chǎn)者k1和k2合作換線所產(chǎn)生工時(shí)消耗Tk1k2的計(jì)算公式如式(2)所示：

k1=1,2,…,K;k2=1,2,…,K;k1≠k2。

(2)

式中tck1k2為生產(chǎn)者k1和k2協(xié)作完成操作c的工時(shí)消耗。

1.2 適應(yīng)性合作換線策略的提出

生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)計(jì)劃下達(dá)之后，需要為每名生產(chǎn)者指定合作換線策略。生產(chǎn)者在領(lǐng)取到某產(chǎn)品在某臺(tái)機(jī)器上的換線任務(wù)后，可根據(jù)所持合作換線策略和與其他生產(chǎn)者的交互結(jié)果，進(jìn)行獨(dú)立換線或與某生產(chǎn)者合作換線的決策。本文將完成生產(chǎn)計(jì)劃所需的生產(chǎn)周期作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，用于衡量合作換線策略的優(yōu)越性。

1.2.1 基于規(guī)則的合作換線策略

當(dāng)前研究均要求生產(chǎn)系統(tǒng)的管理者為生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)指定某種基于規(guī)則的合作換線策略，即每名生產(chǎn)者持有相同的策略。

生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)關(guān)于采取獨(dú)立或合作的換線方式存在兩種常見(jiàn)策略：獨(dú)立優(yōu)先策略和合作優(yōu)先策略。獨(dú)立優(yōu)先策略是指生產(chǎn)者k1不發(fā)起合作而直接選擇獨(dú)立換線;合作優(yōu)先策略是指生產(chǎn)者k1向其他所有生產(chǎn)者發(fā)送合作任務(wù)，如果申請(qǐng)者不少于1人，則生產(chǎn)者k1根據(jù)協(xié)調(diào)規(guī)則確定唯一的合作者k2并與其開(kāi)始合作換線，當(dāng)無(wú)申請(qǐng)者時(shí)，生產(chǎn)者k1選擇獨(dú)立換線。

此外，隨著當(dāng)前市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，越來(lái)越多的生產(chǎn)企業(yè)針對(duì)市場(chǎng)需求快速推出具有新技術(shù)、新功能和新工藝的產(chǎn)品，從而搶占先機(jī)、贏得競(jìng)爭(zhēng)[19]。新產(chǎn)品相對(duì)成熟產(chǎn)品而言，由于生產(chǎn)者對(duì)產(chǎn)品任務(wù)沒(méi)有足夠的經(jīng)驗(yàn)積累，造成任務(wù)的工時(shí)消耗顯著增加，特別是與生產(chǎn)工藝密切相關(guān)的換線任務(wù)。因此，產(chǎn)品的類(lèi)型(新產(chǎn)品或成熟產(chǎn)品)也應(yīng)是合作換線策略需要考慮的因素之一，新產(chǎn)品可指代相同類(lèi)型或產(chǎn)品族中工時(shí)消耗較高的產(chǎn)品。從這一角度出發(fā)，將兩類(lèi)產(chǎn)品與兩種策略進(jìn)行組合可生成4種基于規(guī)則的合作換線策略：完全不合作策略、成熟產(chǎn)品合作策略、新產(chǎn)品合作策略和完全合作策略。表1對(duì)4種策略進(jìn)行了詳細(xì)描述。

表1 4種基于規(guī)則的合作換線策略及描述

可以看出，基于規(guī)則的合作換線策略存在如下不足：①由于策略分類(lèi)的精細(xì)化程度較低，導(dǎo)致可選擇策略的總數(shù)過(guò)少;②策略無(wú)法保證對(duì)不同的生產(chǎn)環(huán)境(生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)等因素構(gòu)成)具有適應(yīng)性;③生產(chǎn)系統(tǒng)的管理者缺乏一種有效機(jī)制，使其可根據(jù)每名生產(chǎn)者自身技能和環(huán)境等因素合理地進(jìn)行策略指定。

1.2.2 適應(yīng)性合作換線策略的特點(diǎn)

根據(jù)上述基于規(guī)則的合作換線策略的不足，本文擬提出一種適應(yīng)性合作換線策略，并構(gòu)造出若干個(gè)典型的生產(chǎn)環(huán)境，使適應(yīng)性策略應(yīng)用于各生產(chǎn)環(huán)境時(shí)均可優(yōu)于基于規(guī)則的策略。適應(yīng)性合作換線策略應(yīng)具有如下特點(diǎn)：

(1)對(duì)生產(chǎn)者領(lǐng)取到換線任務(wù)時(shí)的情況進(jìn)行細(xì)分，可通過(guò)對(duì)3類(lèi)生產(chǎn)狀態(tài)的變量(機(jī)器編號(hào)、產(chǎn)品類(lèi)別、其他生產(chǎn)者對(duì)合作換線任務(wù)的反饋)進(jìn)行組合得到所有的情況。進(jìn)一步設(shè)計(jì)一種適應(yīng)性合作換線策略的編碼方式，使其可為生產(chǎn)者在每一種情況下的決策提供支持。

(2)將生產(chǎn)計(jì)劃、工藝信息、設(shè)施布局信息、生產(chǎn)團(tuán)隊(duì)信息作為生產(chǎn)環(huán)境的組成要素，設(shè)計(jì)一個(gè)適應(yīng)性合作換線策略的迭代過(guò)程，使其可為任一生產(chǎn)環(huán)境中的每名生產(chǎn)者輸出符合編碼規(guī)則的滿意策略。

2 基于仿真的適應(yīng)性合作換線策略

本章將對(duì)適應(yīng)性合作換線策略的編碼方式和迭代過(guò)程進(jìn)行具體介紹。

2.1 編碼方式

2.2 迭代過(guò)程

所提出的適應(yīng)性合作換線策略基于模擬退火(Simulated Annealing, SA)算法的思想，并將生產(chǎn)過(guò)程的仿真用于對(duì)當(dāng)前策略的評(píng)價(jià)過(guò)程，迭代過(guò)程如圖2所示。

SA算法是基于固體物質(zhì)的退火過(guò)程與一般組合優(yōu)化問(wèn)題之間的相似性所提出的一種全局優(yōu)化算法[20]。算法需要對(duì)初始參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，包括初始溫度T0、結(jié)束溫度Tend、降溫速率q和鏈長(zhǎng)L。

生成初始解的方法設(shè)置如下：首先對(duì)生產(chǎn)者分別采用4種基于規(guī)則的策略的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行仿真和評(píng)價(jià)；其次將這4種策略中的最優(yōu)策略設(shè)置為初始解S2。

在迭代過(guò)程中，Metropolis準(zhǔn)則是使算法跳出局部最優(yōu)區(qū)域，并收斂于全局最優(yōu)解的關(guān)鍵設(shè)置[21]，如式(3)所示：

(3)

式中：P為將當(dāng)前解S2賦值給S1的概率;T為當(dāng)前溫度;f(S1)和f(S2)分別為對(duì)策略解S1和S2的評(píng)價(jià)值?？梢钥闯?，在前期迭代過(guò)程中,S1會(huì)以較大概率接受劣解；而隨著溫度降低，S1接受劣解的概率逐漸變小。

生成鄰域解的方法設(shè)置如下：隨機(jī)選擇1～2名生產(chǎn)者，并繼續(xù)在被選擇生產(chǎn)者的策略解中隨機(jī)選擇1～2個(gè)位置進(jìn)行位值更改。

對(duì)于當(dāng)前解S2的評(píng)價(jià)過(guò)程是迭代過(guò)程中最為復(fù)雜和關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。由于生產(chǎn)過(guò)程中包含大量的隨機(jī)性、離散事件和非線性關(guān)系，生產(chǎn)者具有主動(dòng)性和協(xié)作性，導(dǎo)致無(wú)法利用數(shù)學(xué)模型對(duì)上述特征進(jìn)行準(zhǔn)確描述[22]。這種情況下，仿真被認(rèn)為是最有效的研究方法?；诖耍疚臉?gòu)建了生產(chǎn)過(guò)程仿真模型，并通過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的仿真實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前解S2的評(píng)價(jià)?？紤]到動(dòng)態(tài)仿真分析方法具有隨機(jī)性，本文設(shè)置對(duì)輸入為S2時(shí)的模型獨(dú)立且重復(fù)地仿真運(yùn)行n次，并將n次仿真所得生產(chǎn)周期的均值作為f(S2)。下面將繼續(xù)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程模型的結(jié)構(gòu)、仿真運(yùn)行邏輯和agent模型的構(gòu)建方法進(jìn)行介紹。

3 生產(chǎn)過(guò)程仿真模型

3.1 模型結(jié)構(gòu)

生產(chǎn)過(guò)程模型的結(jié)構(gòu)如圖3所示，由多agent模型、離散生產(chǎn)模型和人機(jī)協(xié)同接口3部分組成。

(1)多agent模型由一個(gè)管理者agent、生產(chǎn)者agent群體和一定數(shù)量的機(jī)器agent組成。機(jī)器agent可通過(guò)事件觸發(fā)機(jī)制檢測(cè)工件的加工狀態(tài)，并將生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)人機(jī)協(xié)同接口發(fā)送至管理者agent以及與生產(chǎn)者agent協(xié)同生產(chǎn)。管理者agent可以向生產(chǎn)者agent群體集中發(fā)布生產(chǎn)任務(wù)，并根據(jù)群體的反饋信息完成對(duì)生產(chǎn)任務(wù)的分配。單個(gè)生產(chǎn)者agent可以進(jìn)行分布式?jīng)Q策和生產(chǎn)操作；兩個(gè)生產(chǎn)者agent可以進(jìn)行合作。

(2)離散生產(chǎn)模型的構(gòu)建共分兩步：首先收集生產(chǎn)系統(tǒng)的相關(guān)信息，如生產(chǎn)計(jì)劃、布局信息和產(chǎn)品工藝信息等；其次根據(jù)所收集的信息利用離散事件建模方法和機(jī)器agent構(gòu)建模型。

(3)人機(jī)協(xié)同接口用于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者agent和機(jī)器agent的協(xié)同生產(chǎn)過(guò)程，一方面將機(jī)器agent生成的生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳遞至管理者agent，另一方面驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)者agent參與離散生產(chǎn)過(guò)程。人機(jī)協(xié)同接口的提法可以使人機(jī)集成生產(chǎn)過(guò)程模型的結(jié)構(gòu)更加清晰，其實(shí)現(xiàn)方法需要通過(guò)對(duì)管理者agent、生產(chǎn)者agent和機(jī)器agent之間交互功能的開(kāi)發(fā)。

3.2 仿真運(yùn)行邏輯

在初始化生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)者的合作換線策略S2等信息后，離散生產(chǎn)模型將作為生產(chǎn)過(guò)程模型的運(yùn)行主線。仿真模型的運(yùn)行邏輯如下(后文中的生產(chǎn)者agent、機(jī)器agent和管理者agent分別簡(jiǎn)稱(chēng)為生產(chǎn)者、機(jī)器和管理者)：

(1)離散生產(chǎn)模型首先被啟動(dòng)，當(dāng)運(yùn)行至機(jī)器檢測(cè)到產(chǎn)生需要生產(chǎn)者參與的操作時(shí)，機(jī)器將通過(guò)人機(jī)協(xié)同接口把生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳遞給管理者。

(2)管理者收到生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)后進(jìn)入生產(chǎn)任務(wù)分配階段，本階段中agent之間的交互服從合同網(wǎng)協(xié)議(contract network protocol)[23]。管理者根據(jù)數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的生產(chǎn)任務(wù)，并將任務(wù)向生產(chǎn)者群體發(fā)布。群體中每個(gè)生產(chǎn)者接收任務(wù)信息后進(jìn)行判斷，如果自身狀態(tài)為“空閑”且具備所需技能，則向管理者反饋“同意”；否則反饋“拒絕”。當(dāng)反饋“同意”信息的生產(chǎn)者數(shù)量不少于1時(shí)，管理者按照協(xié)調(diào)規(guī)則向1名生產(chǎn)者發(fā)送任務(wù)確認(rèn)信息；否則，管理者將該任務(wù)添加至待分配任務(wù)列表，等待執(zhí)行完生產(chǎn)操作的生產(chǎn)者主動(dòng)選取。

(3)生產(chǎn)者領(lǐng)取任務(wù)后進(jìn)入生產(chǎn)方式確定階段。領(lǐng)取到任務(wù)的生產(chǎn)者向其他生產(chǎn)者發(fā)布合作任務(wù)，接收到合作任務(wù)信息的生產(chǎn)者所采用的反饋規(guī)則同上一階段。收到反饋信息后，生產(chǎn)者再結(jié)合任務(wù)信息和合作策略S2可確定獨(dú)立或合作的生產(chǎn)方式。如果是合作生產(chǎn)方式，該生產(chǎn)者會(huì)向合作者發(fā)送確認(rèn)信息。

(4)人機(jī)協(xié)同接口根據(jù)生產(chǎn)者的行為輸出數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)1名(獨(dú)立生產(chǎn)方式)或2名(合作生產(chǎn)方式)生產(chǎn)者參與生產(chǎn)過(guò)程。

(5)重復(fù)(1)～(4)直至完成生產(chǎn)計(jì)劃后，仿真運(yùn)行終止。通過(guò)仿真鐘所記錄的本次生產(chǎn)過(guò)程的起止時(shí)間可計(jì)算得到生產(chǎn)周期，并將其作為對(duì)合作策略S2的單次評(píng)價(jià)。

3.3 agent模型的構(gòu)建方法

本節(jié)介紹生產(chǎn)過(guò)程模型中復(fù)雜度最高的agent模型的構(gòu)建方法。其中，生產(chǎn)者agent模型采用文獻(xiàn)[24]所提出的基于狀態(tài)圖(statechart)的方法完成構(gòu)建，不再贅述?？紤]到仿真軟件Anylogic支持采用離散事件和agent的混合方法進(jìn)行建模，并且內(nèi)置了豐富的插件庫(kù)以及agent的通信、移動(dòng)等方法，本文選擇該軟件構(gòu)建生產(chǎn)過(guò)程模型，并利用Java語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

3.3.1 機(jī)器agent模型的構(gòu)建方法

機(jī)器檢測(cè)工件的加工狀態(tài)以及與生產(chǎn)者協(xié)同生產(chǎn)的過(guò)程均可看作由離散事件所驅(qū)動(dòng)的。依據(jù)該思路，可以利用Anylogic軟件中內(nèi)置的流程建模庫(kù)完成對(duì)機(jī)器agent模型的構(gòu)建，其內(nèi)部離散事件模型如圖4所示。

本段結(jié)合圖4描述工件流經(jīng)機(jī)器的過(guò)程。

(1)分別設(shè)置“控制器1”和“控制器2”的初始狀態(tài)為“不阻止”和“阻止”，則工件從輸入端口流入機(jī)器后，會(huì)通過(guò)“控制器1”并停留在“隊(duì)列1”中。并且令“控制器1”在有工件進(jìn)入時(shí)，將自身狀態(tài)更改為“阻止”。

(2)當(dāng)工件進(jìn)入“隊(duì)列1”時(shí)，機(jī)器通過(guò)工件型號(hào)判斷是否需要換線。如果需要，則機(jī)器向管理者發(fā)送“等待換線操作”的生產(chǎn)狀態(tài)信息；否則發(fā)送“等待裝載操作”的生產(chǎn)狀態(tài)信息。

(3)管理者收到信息后，依次完成生產(chǎn)任務(wù)分配階段和生產(chǎn)方式確定階段。

(4)當(dāng)領(lǐng)取任務(wù)的生產(chǎn)者移動(dòng)至機(jī)器處時(shí)，將“控制器2”的狀態(tài)更改為“不阻止”。并且令“控制器2”在有工件進(jìn)入時(shí)，將自身狀態(tài)更改為“阻止”。

(5)如果機(jī)器不需要換線操作，則工件直接進(jìn)入“裝載”組件進(jìn)行延遲；否則，工件依次進(jìn)入“換線”組件和“裝載”組件進(jìn)行延遲。

(6)生產(chǎn)者在完成裝載任務(wù)后結(jié)束工件在“裝載”組件中的延遲。隨后，工件進(jìn)入“數(shù)控加工”組件延遲指定的時(shí)間。

(7)設(shè)置“控制器3”的初始狀態(tài)為“阻止”，因此工件在離開(kāi)“數(shù)控加工”組件后會(huì)停留在“隊(duì)列2”中。當(dāng)工件進(jìn)入“隊(duì)列2”時(shí)，機(jī)器向管理者發(fā)送“等待卸載操作”的生產(chǎn)狀態(tài)信息。

(8)與(3)同理，依次完成上述兩個(gè)階段。

(9)當(dāng)領(lǐng)取卸載任務(wù)的生產(chǎn)者移動(dòng)至機(jī)器處時(shí)，將“控制器3”的狀態(tài)更改為“不阻止”。并且令“控制器3”在有工件進(jìn)入時(shí)，將自身狀態(tài)更改為“阻止”。工件離開(kāi)“控制器3”后進(jìn)入“卸載”組件進(jìn)行延遲，直至生產(chǎn)者完成卸載任務(wù)。

(10)工件離開(kāi)“卸載”組件后進(jìn)入“傳送”組件。并且令“傳送”組件在有工件進(jìn)入時(shí)，將“控制器1”的狀態(tài)更改為“不阻止”。工件延遲指定的傳送時(shí)間后，從輸出端口流出機(jī)器。

3.3.2 管理者agent模型的構(gòu)建方法

本文利用狀態(tài)圖和動(dòng)態(tài)事件描述管理者接收不同信息后的行動(dòng)設(shè)置，如圖5所示。其中，狀態(tài)圖包含一個(gè)“等待信息”狀態(tài)和兩個(gè)狀態(tài)內(nèi)的變遷。

管理者收到來(lái)自機(jī)器發(fā)送的生產(chǎn)狀態(tài)信息后，發(fā)生變遷并產(chǎn)生如下3個(gè)行動(dòng)：①根據(jù)信息生成相應(yīng)類(lèi)型的生產(chǎn)任務(wù);②將任務(wù)添加至待申請(qǐng)任務(wù)列表，并將任務(wù)發(fā)布至生產(chǎn)者群體;③在任務(wù)申請(qǐng)截止期到達(dá)時(shí)，生成該任務(wù)的“生產(chǎn)者指派”動(dòng)態(tài)事件。

管理者收到來(lái)自生產(chǎn)者發(fā)送的任務(wù)申請(qǐng)信息后，發(fā)生變遷并將生產(chǎn)者添加至該任務(wù)的申請(qǐng)者列表中。

4 案例研究

本文將所提出的適應(yīng)性合作換線策略應(yīng)用于某機(jī)加零部件生產(chǎn)單元。該生產(chǎn)單元配備了18臺(tái)數(shù)控機(jī)床(編號(hào)M1～M18)、6名生產(chǎn)人員(編號(hào)W1～W6)和自動(dòng)化傳送裝置等。該單元主要生產(chǎn)3個(gè)類(lèi)型的零件，編號(hào)分別為BXT、FGT和FXT。單元內(nèi)的訂單批量較小、需求多變，時(shí)常引入新型零件，采用多品種、小批量的混流生產(chǎn)模式。該單元目前采用基于規(guī)則的合作換線策略，且訂單交貨期壓力較大，因此迫切需要通過(guò)為生產(chǎn)人員指定更優(yōu)的合作換線策略來(lái)縮短生產(chǎn)周期。

4.1 生產(chǎn)單元基本信息

在本案例中，生產(chǎn)人員需在機(jī)床加工零件前對(duì)零件完成安裝操作，在加工后完成拆卸操作，與圖4中的描述相對(duì)應(yīng)。此外，當(dāng)生產(chǎn)單元進(jìn)行不同類(lèi)型的零件切換或引入新零件訂單時(shí)，生產(chǎn)人員需要根據(jù)零件的工藝特點(diǎn)對(duì)相應(yīng)的機(jī)床進(jìn)行換線操作。零件的裝卸時(shí)間和換線時(shí)間均服從正態(tài)分布，數(shù)控加工時(shí)間為恒定值。同類(lèi)型機(jī)床的裝卸技能是通用的，而同類(lèi)型機(jī)床的換線技能還和零件的工藝有關(guān)。仿真模型中的假設(shè)和規(guī)則如表2所示。

表2 仿真模型中的假設(shè)和規(guī)則

由表2可知，零件BXT和FGT可以同時(shí)加工，而零件FXT由于工藝路線中的機(jī)床約束只能單獨(dú)加工。該生產(chǎn)單元仿真模型的3D示意圖如圖6所示。

表3給出了3類(lèi)零件在工藝路線上的數(shù)控加工時(shí)間，表4所示為該生產(chǎn)單元的人員技能配置方案。每名生產(chǎn)人員掌握2個(gè)技能水平不等的裝卸技能和2個(gè)技能水平相等的協(xié)助換線技能，生產(chǎn)人員W2、W3和W4掌握特定機(jī)床的獨(dú)立換線技能。具有協(xié)助換線技能的生產(chǎn)人員可與具有獨(dú)立換線技能的生產(chǎn)人員合作換線，但不具備獨(dú)立換線能力。表4中：OSa(d1)代表對(duì)Sa類(lèi)裝卸技能具有d1級(jí)水平，CMb(d2)代表對(duì)機(jī)床Mb的獨(dú)立換線技能具有d2級(jí)水平，AMc(d3)代表對(duì)機(jī)床Mc的協(xié)助換線技能具有d3級(jí)水平。

表3 3類(lèi)零件的數(shù)控加工時(shí)間 s

續(xù)表3

表4 人員技能配置方案

表4中生產(chǎn)人員的換線技能均適用于成熟零件和新零件，但兩類(lèi)零件所需的工時(shí)消耗具有差異。表5所示技能等級(jí)為5的生產(chǎn)人員對(duì)6臺(tái)機(jī)床換線所需工時(shí)的分布，表中第一組數(shù)據(jù)為成熟零件換線操作所需時(shí)間的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，第二組數(shù)據(jù)為新零件換線操作所需時(shí)間的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。技能等級(jí)從1～9逐漸增高，相鄰等級(jí)的完成時(shí)間均值相差5%。為方便實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，假定同一類(lèi)型的新零件和成熟零件的工藝路線相同。

表5 換線操作獨(dú)立完成的時(shí)間分布 min

如表6所示為具備獨(dú)立換線技能的生產(chǎn)人員與具備不同協(xié)助換線技能水平的生產(chǎn)人員合作完成6臺(tái)機(jī)床的換線操作c時(shí)的工時(shí)分布。

表6 換線操作c的合作完成時(shí)間分布 min

4.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

取28個(gè)訂單構(gòu)成訂單序列，并設(shè)置4個(gè)不同的新零件引入率：0、25%、50%和75%，用于考察合作換線策略對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的適應(yīng)能力。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如下：使生產(chǎn)人員分別采取5種合作換線策略(適應(yīng)性策略和4種基于規(guī)則的策略)，在4個(gè)生產(chǎn)環(huán)境下進(jìn)行對(duì)比仿真。如表7所示為模擬退火算法的參數(shù)設(shè)置，對(duì)于基于規(guī)則的策略在每個(gè)生產(chǎn)環(huán)境下的仿真次數(shù)也取20次。

表7 模擬退火算法參數(shù)設(shè)置

每種情況所對(duì)應(yīng)策略編碼中位置y的計(jì)算公式為：

(4)

式中：z1取0和1分別對(duì)應(yīng)2個(gè)機(jī)床編號(hào)；z2取0和1分別對(duì)應(yīng)成熟零件和新零件；z3取0和1分別對(duì)應(yīng)第1名潛在合作人員的反饋信息為“同意”和“拒絕”；z4取0和1分別對(duì)應(yīng)第2名潛在合作人員的反饋信息為“同意”和“拒絕”。例如，生產(chǎn)人員W2的合作換線策略編碼為110100101110，W2需要對(duì)機(jī)床M3進(jìn)行BXT類(lèi)型新零件的換線操作，生產(chǎn)人員W1和W3均對(duì)該合作換線任務(wù)均反饋“同意”。假設(shè)對(duì)于生產(chǎn)人員W2，定義z1取0和1分別對(duì)應(yīng)機(jī)床M3和M4，生產(chǎn)人員W1和W3分別對(duì)應(yīng)第1名和第2名潛在合作人員。那么可通過(guò)式(4)計(jì)算y值為3，由于策略編碼的第3位為0，所以生產(chǎn)人員W2進(jìn)行獨(dú)立換線。

4.3 結(jié)果與討論

采用5種合作換線策略在4個(gè)生產(chǎn)環(huán)境下所得的生產(chǎn)周期均值對(duì)比如圖7所示，為了更加直觀地反映不同實(shí)驗(yàn)方案之間的差異，圖中數(shù)據(jù)為剔除下班時(shí)間后的有效生產(chǎn)周期。由圖7可知，隨著新零件引入率的提升，采用每種合作換線策略所得生產(chǎn)周期均表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，這是由于新零件的任務(wù)需要更多工時(shí)消耗導(dǎo)致的。此外，采用適應(yīng)性策略所得生產(chǎn)周期在所有的生產(chǎn)環(huán)境下均優(yōu)于采用其他4種策略。

為驗(yàn)證采用適應(yīng)性策略與其他4種策略在每個(gè)環(huán)境下所得生產(chǎn)周期均值是否存在顯著性差異，對(duì)圖7中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了單因素方差分析。在新零件引入率為25%的環(huán)境下，分析結(jié)果顯示數(shù)據(jù)不滿足方差齊性，進(jìn)一步采用Games-howell方法進(jìn)行比較分析；在其他3個(gè)環(huán)境下，分析結(jié)果顯示數(shù)據(jù)滿足方差齊性，進(jìn)一步采用LSD方法進(jìn)行比較分析。4個(gè)環(huán)境下采用適應(yīng)性和基于規(guī)則的合作策略所得生產(chǎn)周期均值的單因素方差分析結(jié)果如表8所示。表8中，合作策略號(hào)1～5分別對(duì)應(yīng)完全不合作策略、成熟產(chǎn)品合作策略、新產(chǎn)品合作策略、完全合作策略和適應(yīng)性策略。分析結(jié)果顯示，采用適應(yīng)性策略相比4種基于規(guī)則的策略在所有的生產(chǎn)環(huán)境下均具有顯著性優(yōu)勢(shì)，一方面說(shuō)明了適應(yīng)性合作策略用于優(yōu)化系統(tǒng)性能的優(yōu)越性，另一方面也表現(xiàn)出適應(yīng)性策略對(duì)不同制造環(huán)境的適應(yīng)能力。

表8 4個(gè)環(huán)境下采用適應(yīng)性和基于規(guī)則的合作策略所得生產(chǎn)周期均值的單因素方差分析結(jié)果

續(xù)表8

出現(xiàn)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因有以下4點(diǎn)：

(1)適應(yīng)性策略的編碼方式極大地豐富了合作策略的解集，使得生產(chǎn)人員更加充分地利用生產(chǎn)信息，而每種基于規(guī)則的合作策略只是解集中的1個(gè)解。在本案例中，適應(yīng)性策略的解集中包含的策略總數(shù)為236。

(2)模擬退火算法的迭代過(guò)程保證了最終輸出的滿意策略具有較高質(zhì)量。以新零件引入率為50%的生產(chǎn)環(huán)境為例，適應(yīng)性策略的迭代過(guò)程如圖8所示。適應(yīng)性策略以新產(chǎn)品合作策略作為初始解，在迭代的初始階段以較大的概率接受劣解，從而有效避免陷入局部最優(yōu)。隨著迭代次數(shù)的增加，算法接受劣解的概率隨著降低，最終在第569次迭代時(shí)收斂于具有較高質(zhì)量的滿意解。

(3)相比基于規(guī)則的合作策略，適應(yīng)性策略可使每個(gè)生產(chǎn)人員根據(jù)自身技能配置和生產(chǎn)計(jì)劃等因素持有不同的合作策略，使得生產(chǎn)人員更加合理地利用生產(chǎn)信息。再以新零件引入率為50%的生產(chǎn)環(huán)境為例，生產(chǎn)人員W2、W3和W5的初始策略均為001100110011(新產(chǎn)品合作策略)，而經(jīng)過(guò)迭代優(yōu)化后的策略分別為101100001100、101000001111和110111001100。

(4)相比基于規(guī)則的合作策略，適應(yīng)性策略可使同一生產(chǎn)人員隨著生產(chǎn)環(huán)境的改變調(diào)整其所持有的合作策略，從而提升生產(chǎn)系統(tǒng)適應(yīng)不同生產(chǎn)環(huán)境的能力。以生產(chǎn)人員W2為例，其在新零件引入率為0、25%、50%和75%的環(huán)境下，輸出的滿意策略分別為001110101001、000000100000、101100001100和110010101010。

5 結(jié)束語(yǔ)

多品種、小批量生產(chǎn)方式下的換線操作頻繁發(fā)生，本文提出一種基于仿真評(píng)價(jià)方法的適應(yīng)性合作換線策略用于指導(dǎo)生產(chǎn)者進(jìn)行換線方式和合作者的選擇，從而縮短完成生產(chǎn)計(jì)劃的周期。所提出的適應(yīng)性策略的特點(diǎn)是以模擬退火算法流程進(jìn)行迭代，以生產(chǎn)過(guò)程的仿真結(jié)果對(duì)當(dāng)前策略進(jìn)行評(píng)價(jià)。以研究案例為背景，通過(guò)仿真軟件分別對(duì)4種典型生產(chǎn)環(huán)境下，生產(chǎn)者采用適應(yīng)性策略和基于規(guī)則的策略時(shí)得到的生產(chǎn)周期進(jìn)行模擬。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用適應(yīng)性策略在各種生產(chǎn)環(huán)境下均具有顯著優(yōu)勢(shì)。所進(jìn)行的研究也表明提出的適應(yīng)性策略支持對(duì)于其他目標(biāo)或多目標(biāo)問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化。后續(xù)研究將繼續(xù)豐富生產(chǎn)者的合作機(jī)制，更多地發(fā)揮agent的主動(dòng)性，例如豐富任務(wù)響應(yīng)者的反饋策略，從而進(jìn)一步提升生產(chǎn)系統(tǒng)的精細(xì)化管理水平。