可重構制造系統(tǒng)的可分級生產功能安排的研究

可重構制造系統(tǒng)的可分級生產功能安排的研究摘要：在今天的全球化經濟中對所有制造系統(tǒng)而言在節(jié)省成本上對高速變化的市場作出快速反應成為一個關鍵的成功因素?？芍貥嬛圃煜到y(tǒng)（RMSs）是指為能適應市場的需求變化，按系統(tǒng)規(guī)劃的要求，對制造系統(tǒng)進行模塊化和可分級的設計，即在機器組件分級水平上的設計對激烈競爭的市場迅速和有效地起反應。 本文研究RMSs是如何以低成本的方式系統(tǒng)地處理它們的性能和可測量性。提議 能力塑造的一種方法是，不同于更早的方法，不簡單的假設可測量性功能是功能模塊的特定的增加的功能。 基于模型，一種利用基因算法的優(yōu)化技術的計算機工具正在發(fā)展。這種工具在幫助系統(tǒng)設計師在決定何時為了增減性能而重新構造系統(tǒng)，并且用一個低成本的方式通過增減程度來滿足市場要求.成果顯示，根據(jù)成本,在RMS中的理想可測量性功能對彈性生產系統(tǒng)(FMSs)采取的無論確切的理想需求功能的可測量性方法還是供應方法都需要的計劃初期所有必需的性能都要優(yōu)良.成果還顯示一個RMS通過減少這些新系統(tǒng)的重新配置的費用實現(xiàn)低成本運行. 關鍵詞：可重構制造系統(tǒng) 可測量性 再生點和基因算法引言 更短的生產周期、變化莫測的需求和定制化的產品強迫制造系統(tǒng)更加高效率地運行以適應改變的要求。 全球性競爭導致了更加對用戶滿意注意，其中快速反應和定制服務是關鍵。 傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)象專業(yè)化的生產線(DMLs)或蜂窩制造系統(tǒng)(CMSs)不可能應付這些新市場特征。 柔性制造系統(tǒng)(FMSs)不可能以有效的方式應付這些新的要求。 要接受這些現(xiàn)代挑戰(zhàn)，可重構制造系統(tǒng)(RMSs)是個選擇。 RMSs瞄準以結合DML的高生產量與FMS的靈活性，維護能力為目標，以有效的方式應付各種各樣的產品和功能。當它需要時，通過在它的結構上的迅速變化，即它的硬件和軟件元件的變化，以快速適應確切的可分級性和功能的調整.Shabaka和ElMaraghy 2通過分類重組過程解釋制造系統(tǒng)的重組的維度介紹它的物理配置和邏輯配置。 物理配置的例子包括布局配置，增加或去除機器，增加或者去除機器的工具或組件和原材料處理系統(tǒng)的重組。邏輯配置的例子包括重編程序機器、再計劃，重新編排，改線和增長的或者減少的轉移或者工作者的數(shù)量。 RMSs的關鍵特征是模塊化，完整性，可變換性、定制和判斷力 3。早期特征使RMSs有不固定的生產能力,功能，以及，系統(tǒng)元件的模塊結構負責對物理可測量性因而，他們假設是可升級的系統(tǒng)。 而現(xiàn)代開放式體系結構控制A. M. Deif。 W. ElMaraghy智能的制造系統(tǒng)(IMS)研究中心，工業(yè)&制造系統(tǒng)， Windsor大學， Windsor，加拿大大學的部門技術是為邏輯或軟件可測量性的主要工具。 本文焦點在RMS的塑造能力的可測量性。制造系統(tǒng)中的可測量性生產能力問題 可測量性生產能力僅僅是適應變化的需求的能力。 一個典型制造系統(tǒng)的可測量性生產能力包括處理，何時，何地以及測量多少可測量性生產能力的問題。 在RMSs之前，范圍的這個問題限制了到生產能力的擴展。關于RMSs，從另一方面講，可測量性生產能力除生產能力的減少以外還處理它的擴展。 兩個趨向之間的另一個主要區(qū)別是使RMS通過它的模件和開放控制結構不僅在系統(tǒng)級,而且能在機器水平測量生產能力。生產能力擴展的費用傳統(tǒng)上由增加的生產能力的經濟效益證明。 在RMS中，它假設可測量性生產能力通過減少短缺費用來證明，因為當有需要時就提供生產能力并且減少未充分利用的生產能力的費用,即具體的生產能力能在需要的地方使用。 后者給RMS的好處勝過FMSs。 可測量性生產能力的成本效益，與功能可測量性一起，在RMS中通過范圍經濟的概念實現(xiàn)。早期可測量性生產能力塑造方法回顧大量的關于古典生產能力擴展問題的文獻調查在Manne 4， Freidenfelds 5和Luss 6被找到。 在FMSs中塑造生產能力的有些方法的例子由Leachman和Carnon 7， Roundy 8和Liberopoulos 9 等提出。關于RMSs，son和他的同事 10 建議相同的位置在一個時期內以輸送管制造系統(tǒng)作為一種可能的稱生產能力方法，他提到作為一條同類的并行流線(HPFL)。 Asl和Ulsoy 11 根據(jù)對反饋控制理論的用途對塑造在RMS中的可測量性生產能力處理可測量性生產能力問題提出了一種方法。 根據(jù)他們的方法，他們假設，在RMS上的生產能力變化是使量子化的相等的能力單元。 根據(jù)這個假設，他們以極少的費用在RMS中開發(fā)了一個確定連續(xù)的時間可測量性生產能力模型產生生產能力方式。Asl和Ulsoy根據(jù)隨機的市場需求也提出 了RMS中生產能力管理的另一種方法 12，為根據(jù)Markov決策理論的可測量性生產能力管理提出了一個最佳方案。 他們也考慮了在生產能力被定購和它被提供的時間之間的延遲。他們的工作提出了作為代表優(yōu)選的生產能力擴展和減少水平的優(yōu)選的界限的最優(yōu)策略。費用和理想界限時間的延遲的變化的影響在生產能力管理上顯現(xiàn)出來。 他們的工作被認為是Rocklin和Kashper的方法的拓展13，因為他們集成了它他們的早先動態(tài)模型可測量性生產能力的地方.早先的方法是被考慮作為可適用對RMSs中生產能力可測量性塑造的主要方法。 早期模型的主要的缺點在是假設生產能力可測量性是確定能力單元的的增加的功能。 在實用的可重構制造環(huán)境中，這不是實際情形，因為系統(tǒng)水平上有不同的生產能力模塊，在機器水平上也一樣，可以用于測量生產能力。 并且，當具體地測量生產能力時其中一些方法沒有運行，并且這是RMSs的其中一個主要特征。模型體現(xiàn)了這些缺點. 因此。本文描寫一種新的塑造RMS的生產能力可測量性方法。 焦點在系統(tǒng)的具體可測量性的生產能力而不是考慮他們的生產能力邏輯結構。 塑造的宗旨是根據(jù)市場需求變化包括何時測量系統(tǒng)生產能力和測量多少生產能力開發(fā)優(yōu)選的生產能力計劃，。 這些計劃是由一個根據(jù)基因算法優(yōu)化技術的計算機工具產生的。生產能力可測量性模型的提出推薦模型是根據(jù)需求方法的任意增長的時間路徑的優(yōu)選的設備規(guī)模，如Manne和Veinott提出的模型14，修改模型以適應論及在RMSs中生產能力可測量性的問題。 模型的一個基本的數(shù)學基礎是其中一凹面或凹面設置特征情況：如果C (。) 是一個在閉合的一定凹面集合V有有限地許多極值點的凹函數(shù)，然后C (。)達到它的極小值在增值范圍的一個極值點V。41模型的假定條件下面是模型假定的條件:時間(或生產能力規(guī)劃范圍)被理想化為不連續(xù)的階段1， 2， T。需求在階段t (要求之間的區(qū)別在期間t和t1)被認作為Dt， Dt0且： (1)生產能力可測量性決定是一套可變物Vt， t=1,2 T。Zt表示超額能力的期間的結尾。 在RMSs中， Zt傾向于零: (t=1,2T) (2)一個可行的生產能力可測量性計劃或計劃是在這里： (3)且 (4)讓V表示集合RMS的可行的生產能力計劃。 從Eqs。 2， 3和4，因為集合對線性平等和不平等一個有限系統(tǒng)的解答是一個凸面集合并且有有限地許多極值點，它可能說V是封閉的，一定凹面集合4.2費用系統(tǒng)作用C (v)代表生產能力第v.級的費用。 它隨時間變化并且根據(jù)費用的當前價值如時間1表達。 這種價值函數(shù)由二個組分組成，一個反映系統(tǒng)計算的物理功能單位的費用，而第二個代表與系統(tǒng)的這些物理結構聯(lián)系或系統(tǒng)重組的相關費用。 因此，毎個階段t的費用主要是有可以被測量（上升或下降)的生產能力第v級期間的費用。 例如，這結構可以做到增加或去除一臺機器的另一個紡錘，增加或者去除機器，甚至增加達到去除一個小組機器。 因此，價值函數(shù)的第一個期限是這個能力單位數(shù)的物理費用的表示。另一方面，期間CR代表同這些結構聯(lián)系在一起重組的其他費用且基本上包括其他相關費用參量，例如停工期的費用重新調節(jié)系統(tǒng)或對舷梯新的配置以新的生產能力、人工成本介入的和為那重組或結構需要的嘗試。要重點注意到的是，期間CR的變化基于重組水平的要求。 在本文，簡而言之，這個期限表達為在生產能力水平上的一個可靠的線性函數(shù)。本文第6頁將在學術上討論這個假定。 價值函數(shù)可以被寫如下： (5)那里n是生產能力可測量性的數(shù)字指向且nT.這種價值函數(shù)假設是凹面。 Manne支持這個假定4，他表示，不同的研究性產業(yè)的生產能力加法的價值函數(shù)被表達為一個功率函數(shù)或作為功率函數(shù)拼合為一個線性函數(shù)(僅在這種情況下)，而這兩個都是凹函數(shù)。 同樣， Luss 6闡明，大多生產能力擴展(可測量性)是凹面函數(shù)，代表擴展大小的經濟尺度。RMS中生產能力可測量性價值函數(shù)的所有復雜的參量確切的演算(以它的二個期限)還是一個需要做很多改進的研究性區(qū)域; 然而，這些演算超出本文的范圍之外，且不會影響模型的有效性.4.3再生點(可測量性點)生產能力可測量性計劃或計劃v的再生點在期間t發(fā)生，如果Zt (期間超額能力的結尾) =0。 在RMS中，生產能力規(guī)劃是一系列的再生點或可測量性點。 這個事實使我們使用再生點定理說明:“有優(yōu)選的生產能力計劃存在再生點.” 14定理前提是設置的生產能力計劃是閉合的，有限的凹面的集合，價值函數(shù)是一個凹函數(shù)且處理事先確定的特征。 根據(jù)再生點定理，生產能力計劃的費用的極值點是可測量性點或者是那些系統(tǒng)生產能力計劃者向上或向下測量生產能力的點，是極小值的點。 這樣使用基因算法(GA)方法將發(fā)現(xiàn)最佳的計劃。優(yōu)選的容量可測量性的預定公式化工具讓一可測量性點發(fā)生在期間i，并且下個可測量性點發(fā)生在期間k (令i k)。 然后，必要的，有整數(shù)i+1k，這樣 (6)應當注意點t=0和t=T通常是再生點。5.1預定的容量可測量性的基因算法技術于在RMS中的應用基因算法(GA)是在解決方案空間使用選擇且再結合算符引起新的樣品點的一個基于整體的模型。一個GA通過染色體數(shù)據(jù)結構把一種可能的即決方案譯碼成一個具體的問題，并且通過某種方式處理基因算符到這些結構使信息保持流暢。 再生產機會是這樣產生的，那些染色體結構聲稱對于目標問題的更好的解決方案是給再生產更多的機會而不是給那些擁有糟糕方案的染色體結構.。從巨大的研究空間來講，GA是有潛力的探索式的最快地找出最佳的解答的方法，例如計劃的問題。 為了關于GAs的一次完全討論，讀者提到了Gen和Cheng15.一般， GA由二個從屬的主要成份組成: 內碼問題和求值函數(shù)。 內碼問題負責生成把可能的解決方案表現(xiàn)為最理想的問題內碼表。 在本文，候選方案(即，染色體)被輸入代表所有需求在容量可測量性計劃展望期T的合法的日程表。 求值函數(shù)測量一種特殊方案的質量。 每個染色體同合理價值聯(lián)系在一起，在這種情況下，是被測量的染色體代表對應的日程表的費用。 根據(jù)這研究，最低值的合理性代表獲得的最佳的解答。 這里的“合理日程表”是根據(jù)物理費用(Ct (vt) 能力單位數(shù)和重組(CRi)的伴生的費用被計算過的候選方案。 圖1使用GAs概述容量可測量性日程表世代5.2預定容量可測量性工具的發(fā)展早先分析用于發(fā)展采取以下輸入的計算機工具:-唯一期間需求，在Dt (t=1， 2， T)時候， T是有限容量規(guī)劃的地方。 簡而言之它被假設是確定的。-容量可測量性價值函數(shù)C (v)。輸出信號是RMS優(yōu)選的容量可測量性日程表。 圖2提出的工具是IDEF0表示法為確認工具，工具引起的結果與Manne和Veinott提出的專題研究比較的優(yōu)選的結果14。 數(shù)據(jù)是如下： 在期間T=6， D1=0.5、D2=1.0、D3=1.5、D4=1.5、D5=1和D6=0.5和價值函數(shù)是： (7)為了能比較結果，代表重組(CR)的費用期限在工具的價值函數(shù)被省去。 工具引起的結果在表1顯示。 結果確實是同Manne和Veinott給的優(yōu)選的結果相同.6預定的RMS的容量可測量性的調查在制造系統(tǒng)的容量計劃中，有三種方法。 第一種方法是在計劃期間(t1)初修建與所有整個計劃期間的被期望的需求相等的容量(即，固定的容量)。 這是FMSs中的實際情形。 第二種方法是，如果我們有極高的重組能力，在每點經過計劃期間，你提供與當時時需求是相等的容量(即，在有要求時容量)。 第三種方法以極小的費用平衡以上二種方法滿足市場需求，是提出的模型的實際情形的優(yōu)選的容量日程表(合理的容量)。已開發(fā)的預定的容量可測量性工具通過計算與實施三項預定的方法每一項費用說明這種方法的優(yōu)點。這通過比較不同的隨機的需求情況每種預定的方法的費用實現(xiàn)。 表2顯示一年引起的不同的確定需求價值.關于價值函數(shù)， Eq。 7被采取代表物理建筑費(Ct (vt) 而重組(CR)的費用應該由在每個可測量性點之間容量可測量性變動乘以根據(jù)實際變化的常數(shù)的一個線性函數(shù)代表(在本例中，常數(shù)合計2)。 容量可測量性水平之間的區(qū)別可能反映被執(zhí)行的系統(tǒng)的物理重組適應需要的程度，因而，它用于以某一常數(shù)表達期限CR。 例如，如果優(yōu)選的容量可測量性日程表應該由少量測量容量給權，一個另外的紡錘到機器可能滿的費用足這需要，如果結構需要的相當數(shù)量很大，則可以增加一個另外的機器。 增加紡錘的費用低于增加機器到系統(tǒng)。 然而，表達CR的價值能由其他形式代表，并且應該由根據(jù)工業(yè)應用的容量算符表示。 價值函數(shù)是如下： (8)這里 |Ct| 是可測量性點T的容量可測量性變動。圖3顯示預定的每需求情況每種容量方法的費用已開發(fā)的工具引起的優(yōu)選的容量可測量性日程表根據(jù)需求情況費用比其他容量預定的方法顯示了更好的表現(xiàn)?？梢灶A期，類似FMS的第一種方法總是最昂貴的方法和這是提出新的RM