祝 軍

（上海海得自動化控制軟件有限公司，上海 201114）

0 引言

智能物流可以感知、思維、推理、路徑規(guī)劃和決策等，是連接供應鏈和制造的重要環(huán)節(jié)，也是打造智能工廠的基石。未來智能物流將融入智能制造工藝流程，智能物流控制系統(tǒng)將負責生產設備和被處理對象的銜接工作，起到承上啟下的作用。柔性流水車間（Flexible Flow Shop，FFS）是指每個在制品（Work In Process，WIP）都有相同的包含多個工序的加工流程，且每個加工工序有多臺并行機器的制造環(huán)境[1]。為避免由于上下道工序之間生產節(jié)拍不同以及設備異常而造成擁堵或斷供，工序之間往往設置一定容量的緩沖區(qū)。針對柔性流水車間緩沖區(qū)容量的配置和優(yōu)化問題，現有技術中已有較多研究[2～6]，例如在限制WIP總數的條件下使系統(tǒng)產能最大化，以及在滿足產能需求的條件下使WIP總數最小化等。然而無人車間中，針對柔性流水車間緩沖區(qū)物流自動化中的一些問題，包括如何銜接上下道工序實現緩沖區(qū)物流自動化輸送，以使并行設備負載均衡、避免出現擁堵或斷供問題、以及設備故障后WIP重調度等，尚未發(fā)現相關方法。為此，本文提出一種面向輥道運輸的柔性流水無人車間緩沖區(qū)自動化物流調度與控制方法。

1 問題描述

某柔性流水無人車間緩沖區(qū)與上下道工序的關系如圖1所示。圖中給出了一個柔性流水無人車間的兩個工序，其中工序1有5臺并行生產設備，工序2有4臺并行生產設備，每個工序的所有并行設備具有同樣的加工能力。進入該車間的每個WIP都有相同的生產流程：工序1→工序2，工序1產出的WIP從工序2的上方進入。

圖1 某柔性流水無人車間緩沖區(qū)與上下道工序的關系圖

工序1和工序2之間有一個采用輥道輸送方式的緩沖區(qū)，可以存放工序1產出的WIP。如圖中所示有14節(jié)輥道，每節(jié)輥道可存放一個WIP，并且每節(jié)輥道獨立可控。該緩沖區(qū)自動化物流的需求主要是銜接上下道工序實現緩沖區(qū)物流自動化輸送，并使并行設備負載均衡、避免出現擁堵或斷供問題、以及設備故障后WIP重調度。主要難點如下：

1）緩沖區(qū)物流自動化輸送

自動調度與控制WIP從上道工序進入緩沖區(qū)，并從緩沖區(qū)進入下道工序的響應設備。

2）設備負載均衡

由緩沖區(qū)向工序輸送WIP時，確保下道工序的設備具有均衡的供應能力，避免出現斷供和過剩問題。

3）設備故障自適應

下道工序的某臺設備故障時，緩沖區(qū)能適應設備故障，不引起緩沖區(qū)擁堵，并重新實現在線設備負載均衡。

4）控制指令動態(tài)生成

面向不同種類、起點和終點隨機的實時調度任務，動態(tài)生成控制指令序列。

2 調度方法

為有效銜接上下道工序實現柔性流水無人車間緩沖區(qū)物流的自動化輸送，以使并行設備負載均衡、避免出現擁堵或斷供問題，以及實現設備故障后WIP重調度，本文提出柔性流水車間的基于輥道的緩沖區(qū)智能物流調度系統(tǒng)，包括緩沖區(qū)設置、設備側動態(tài)調度、緩沖區(qū)側動態(tài)調度、初始化調度和設備故障重調度5個模塊，各個模塊互相調用，其架構如圖2所示。

圖2 調度模塊架構圖

1）緩沖區(qū)設置模塊

用于對工序內在線的各臺并行設備進行緩沖區(qū)設置，避免出現斷供問題。對于在線的設備M，綜合考慮其所在工序與上道工序的生產節(jié)拍、緩沖區(qū)總容量、所在工序WIP入口與每臺設備的距離、設備負載均衡等因素，設置設備M的緩沖區(qū)起始位置Buffer_M_start和容量Buffer_M_size，以及各個緩沖區(qū)WIP的拉動方向。設備M緩沖區(qū)的起始位置Buffer_M_start應靠近設備M，其緩沖區(qū)應為連續(xù)的Buffer_M_size節(jié)輥道，且每節(jié)輥道具有獨立可控的動力電機，從Buffer_M_start到設備M的路徑上不應設置其他設備緩沖區(qū)，設備緩沖區(qū)起始位置和容量設置可以根據實際物流情況多次調整以實現負載均衡和避免出現斷供，如M所在工序生產節(jié)拍比上道工序快，則設備緩沖區(qū)可以設置盡量大的容量以避免設備斷供。各個緩沖區(qū)WIP的拉動方向應與WIP流入方向一致，以此確定各個緩沖區(qū)之間WIP的物流調度的方向。

2）設備側動態(tài)調度模塊

用于處置設備產生的WIP調度請求，以實現動態(tài)過程中的自動物流輸送。對于空閑設備M的WIP請求，搜索該設備的緩沖區(qū)Buffer_M，若Buffer_M內不存在沒有任務的WIP，則將該請求存入靜態(tài)請求表Require_static；若Buffer_M內存在沒有任務的WIP，則將緩沖區(qū)內沒有任務且最靠近Buffer_M_start的WIP調度到設備M，同時統(tǒng)計Buffer_M內沒有任務的WIP和運往Buffer_M的WIP總數，若其小于Buffer_M_size，則產生一個對其上游緩沖區(qū)Buffer_M’的WIP請求，該請求的處置方式與空閑設備M的WIP請求處置方式一致。

3）緩沖區(qū)側動態(tài)調度模塊

用于處置緩沖區(qū)內部產生的WIP調度請求，以實現動態(tài)過程中的自動物流輸送。對于進入設備M的緩沖區(qū)Buffer_M的WIP，檢查靜態(tài)請求表Require_static，若設備M或Buffer_M的前方緩沖區(qū)存在靜態(tài)請求，則根據時間先后或優(yōu)先級等選擇一個作為WIP請求，將其從Require_static中刪除，然后調用設備側動態(tài)調度模塊處置該WIP請求。

4）初始化調度模塊

用于系統(tǒng)初始化時的緩沖區(qū)物流調度，以實現緩沖區(qū)物流從靜態(tài)到自動物流輸送。首先，調用緩沖區(qū)設置模塊，對工序內的各臺在線并行設備進行緩沖區(qū)設置；然后對于設備緩沖區(qū)外部的WIP，確認WIP兩側的緩沖區(qū)距離，將該WIP調度到較近的緩沖區(qū)；最后對于在線的設備產生的WIP調度請求，調用設備側動態(tài)調度模塊。

5）設備故障重調度模塊

用于處置設備故障后緩沖區(qū)的WIP，以避免出現擁堵問題。當設備M故障時，將M所在工序與其上道工序的緩沖區(qū)物流任務全部停止，將M設置為離線，然后調用初始化調度模塊，以實現該區(qū)域物流的重調度。

3 控制方法

面向輥道運輸的柔性流水車間緩沖區(qū)，基于上節(jié)提出的緩沖區(qū)自動化物流調度方法可以銜接上下道工序實現緩沖區(qū)物流自動化輸送，并使并行設備負載均衡、避免出現擁堵或斷供問題、以及設備故障后WIP重調度，給出不同種類、起點和終點隨機的實時調度任務。為使調度任務可執(zhí)行，下面給出動態(tài)生成控制指令序列的控制方法，主要包括路徑規(guī)劃和指令解析兩個模塊。

1）路徑規(guī)劃模塊

用于給出調度任務起點到終點的最優(yōu)路徑。對于面向輥道運輸的柔性流水車間緩沖區(qū)，可采用求解單源最短路徑的Dijkstra算法[7]。為提高算法效率，對Dijkstra算法做適應性改造，當搜索到調度任務終點時，提前結束算法。

2）指令解析模塊

給出實現WIP沿規(guī)劃路徑進行自動化輸送的指令序列。主要包括三組指令：一是WIP在同一個方向前進時，輥道電機啟停順序和方向；二是在WIP到達終點時，擋板和輥道電機的指令組合；三是WIP換向時，升降氣缸、擋板和輥道電機的指令組合，其中升降氣缸用于切換WIP到其法線輸送方向，擋板用于確保WIP到達輥道連接位置且不過沖，從而避免因過沖無法實現換向。

4 應用案例

制藥行業(yè)某口服液滅菌柔性流水無人車間包括六個工序：裝盤工序、疊盤工序、滅菌工序、風冷工序、拆盤工序和卸盤工序，每個工序均有多臺并行設備。基于本文所提方法，針對面向輥道運輸的柔性流水無人車間裝盤設備緩沖區(qū)，實現了緩沖區(qū)自動化物流調度與控制標準化算法模塊，如圖3所示為制藥行業(yè)某口服液滅菌柔性流水無人車間全局圖上的動態(tài)看板。

圖3 無人車間動態(tài)看板

其中在全局圖上顯示了整個車間生產和物流的動態(tài)運行狀況，從下到上分別是裝盤工序、疊盤工序、滅菌工序、風冷工序、拆盤工序和卸盤工序，黃色的矩形框用于顯示WIP在輥道上的運行情況，藍色直線顯示的是目前規(guī)劃的某個任務的路徑，綠色部分表示的是已經執(zhí)行的路徑。

基于本文所提調度方法，該項目中為每臺裝盤設備設置了容量為2的緩沖區(qū)，實現了裝盤生產區(qū)域緩沖區(qū)即有緩沖區(qū)物流自動化輸送、并行設備負載均衡、避免出現擁堵或斷供問題、以及設備故障后WIP重調度等需求。如圖3所示，5個裝盤設備前共有6個WIP（黃色矩形），根據調度方法，右側3個裝盤的緩沖區(qū)分別有兩個，左側的兩個裝盤緩沖區(qū)為空。

基于本文所提控制方法，可實現路徑規(guī)劃和控制指令。如圖4所示，列表顯示包括任務號、WIP號、任務開始時間、起點、終點、路徑等在內的重要信息。選定某個任務后，可查看和顯示該任務的路徑和指令序列，以及當前執(zhí)行指令。該運輸任務的起點為y13，終點為y14，路徑為y13→y12→y11→y10→y9→y8→y7→y6→y5→y4→y3→y2→y1→y14。指令序列包括23條指令，已經執(zhí)行完成第3條指令，當前WIP已到達輥道y11，通過下一條指令（y11，上移，y10，上移），WIP將達到輥道y10。

圖4 任務和指令序列看板

5 結語

本文提出了面向輥道運輸的柔性流水無人車間緩沖區(qū)自動化物流調度與控制方法，可有效銜接上下道工序，以實現柔性流水無人車間緩沖區(qū)物流的自動化輸送，并使并行設備負載均衡，避免出現擁堵或斷供問題。實際項目案例驗證了本文所提方法的有效性，為無人車間緩沖區(qū)物流自動化管控和運輸提供了重要參考。