TW201428647A - 產線排配控制系統及方法 - Google Patents

Abstract

一種產線排配控制系統，應用於電腦中，該系統包括：參數設定模組，用於設定工業生產過程中的上游生產線生產加工時涉及的各種基本模型參數，該基本模型參數包括已知參數和未知參數；模型建立模組，用於以上述未知參數作為決策變數，並根據所述已知參數針對一預定規劃目標建立一線性規劃模型；計算模組，用於對上述線性規劃模型進行求解，得到該線性規劃模型的最優解；及結果輸出模組，用於將上述求得的最優解透過電腦的顯示設備輸出。

Description

產線排配控制系統及方法

本發明涉及一種透過電腦控制工業生產的系統及方法，尤其涉及一種透過電腦控制工業生產現場的產線進行生產排配的系統及方法。

目前，在工業生產過程中，上游生產線和下游生產線的資源利用率均沒有達到一個較高的水平。例如，由於上游生產線的速度遠大於下游生產線的速度，當下游生產線在生產時，上游生產線可能處於空閒狀態。為了提高上游生產線的資源利用率，通常的做法是，根據人為的操作經驗將空閒的生產線進行外協加工生產副成品或同步副成品。然而，根據人為的操作經驗進行外協加工的方法生產效率並不高，且準確性也不可靠。同時，當生產線上不同決策者站在各自的操作經驗產生不同的決策意見時，由於缺乏及時有效的資訊傳遞，無法參考每個決策者的意見作出一個合適的生產排配決定。因此，急切需要借助一種電腦控制系統來參考生產線上涉及的各種參數，對產線排配控制進行仿真以輔助產線決策者作出優化的生產排配計畫。

鑒於以上內容，有必要提供一種產線排配控制系統，應用於電腦中，該系統包括：參數設定模組，用於設定工業生產過程中的上游生產 線生產加工時涉及的各種基本模型參數，該基本模型參數包括已知參數和未知參數，其中，所述未知參數為上游第i條生產線在第k個調度週期生產的產品數量u _i (k)，所述已知參數包括上游生產線的條數M、上游生產線的調度週期數N、上游第i條生產線生產的副成品和同步副成品的單位價格γ _i 、上游第i條生產線各工位元單位時間的加工成本σ _i 、上游第i條生產線各工位在週期k加工M _i 種零件所需的時間T _i 、上游第i條生產線各工位在週期k加工M _i 種零件之前所需要的準備時間、上游第i條生產線各工位元單位時間的準備成本δ _i 、上游第i條生產線中每個工位元超負荷造成的成本係數c _i 、上游第i條生產線中與設備閒置有關的成本係數、上游第i條生產線各個工位在週期k的可用時間ρ _i (k)、以及設備切換的損耗成本w _i (k)；模型建立模組，用於以上述未知參數作為決策變數，並根據所述已知參數針對一預定規劃目標建立一線性規劃模型，該線性規劃模型為多約束水平的線性規劃模型；計算模組，用於對上述線性規劃模型進行求解，得到該線性規劃模型的最優解；及結果輸出模組，用於將上述求得的最優解透過電腦的顯示設備輸出。

還有必要提供一種產線排配控制方法，包括：參數設定步驟，設定工業生產過程中的上游生產線生產加工時涉及的各種基本模型參數，該基本模型參數包括已知參數和未知參數，其中，所述未知參數為上游第i條生產線在第k個 調度週期生產的產品數量u _i (k)，所述已知參數包括上游生產線的條數M、上游生產線的調度週期數N、上游第i條生產線生產的副成品和同步副成品的單位價格γ _i 、上游第i條生產線各工位元單位時間的加工成本σ _i 、上游第i條生產線各工位在週期k加工M _i 種零件所需的時間T _i 、上游第i條生產線各工位在週期k加工M _i 種零件之前所需要的準備時間、上游第i條生產線各工位元單位時間的準備成本δ _i 、上游第i條生產線中每個工位元超負荷造成的成本係數c _i 、上游第i條生產線中與設備閒置有關的成本係數、上游第i條生產線各個工位在週期k的可用時間ρ _i (k)、以及設備切換的損耗成本w _i (k)；模型建立步驟，以上述未知參數作為決策變數，並根據所述已知參數針對一預定規劃目標建立一線性規劃模型，該線性規劃模型為多約束水平的線性規劃模型；計算步驟，對上述線性規劃模型進行求解，得到該線性規劃模型的最優解；及結果輸出步驟，將上述求得的最優解透過電腦的顯示設備輸出。

相較於習知技術，本發明產線排配控制系統及方法，可^-根據不同決策者給出的各種資源，如時間、成本等的可利用水平，使用生產線上涉及的各種基本參數建立預定目標的多約束水平的線性規劃模型，然後求解該多約束水平的線性規劃模型的最優解，該最優解對應的生產排配計畫即可提供給產線生產排配人員做參考，以作出較優的生產 排配計畫。由於本發明產線排配控制系統及方法獲取了各產線的參數，並依據優化演算法獲取線性規劃模型的最優解，得出最適當的生產排配計畫，從而得以提高產線的資源利用率。

首先，對本發明所需用到的幾個概念進行說明：

主成品：由工業生產過程中的上游生產線生產並供給下游主生產線使用的成品；其中，本實施例中，下游生產線對上游生產線的主成品的需求量為已知。

副成品：上游生產線生產的供給下游副生產線使用的不需同步的成品；同步副成品：上游生產線生產的供給下游副生產線的需同步的成品。

如圖1所示，係本發明產線排配控制系統10功能架構的示意圖。該產線排配控制系統10應用於電腦1中。該電腦1包括記憶體11、處理器12、顯示設備13。該產線排配控制系統10包括參數設定模組101、模型建立模組102、計算模組103以及結果輸出模組104。

在本實施例中，考慮到上游生產線生產速度遠大於下游生產線的生產速度，隨著上游生產線的不斷生產，位於上游生產線和下游生產線之間的主成品有限緩衝區(產品暫存區)的產品數量逐漸增加，當其容量達到最大值時，上游生產線切換到副成品或同步副成品的生產加工。本發明的產線排配控制系統10基於所獲取的多種參數建立線 性規劃仿真模型，類比出上游生產線在滿足主成品生產加工的前提下，各條上游生產線在各生產調度週期內需生產各類副成品以及同步副成品的數量，以提供給生產現場排配人員參考，從而使得生產線的產能達到最大效益，使得產線資源利用率處於一個較高的水平。

例如圖2所示，係本發明產線排配控制系統10的流程圖。下面結合圖2對產線排配控制系統10包括的各功能模組進行詳細描述。

步驟S01，所述參數設定模組101設定上游生產線生產時涉及的各種基本模型參數，該基本模型參數包括未知參數和已知參數。本實施例中，所述未知參數為上游第i條生產線在第k個調度週期生產的產品數量u _i (k)，所述已知參數包括上游生產線的條數M、上游生產線的調度週期數N、上游第i條生產線生產的副成品和同步副成品的單位價格γ _i 、上游第i條生產線各工位元單位時間的加工成本σ _i 、上游第i條生產線各工位在週期k加工M _i 種零件所需的時間T _i 、上游第i條生產線各工位在週期k加工M _i 種零件之前所需要的準備時間、上游第i條生產線各工位元單位時間的準備成本δ _i 、上游第i條生產線中每個工位元超負荷造成的成本係數c _i 、上游第i條生產線中與設備閒置有關的成本係數、上游第i條生產線各個工位在週期k的可用時間ρ _i (k)、以及設備切換的損耗成本w _i (k)。

其中，所述產品數量u _i (k)為維列向量，m _i 為上游第i條生產線加工的副成品的種類數，為上游第i條生產 線加工的同步副成品的種類數；所述加工成本σ _i 為f _i 維列向量，f _i 為第i條生產線加工工位的數量；所述時間T _i 為f _i ×M_i維矩陣；所述準備時間為f _i ×M_i維矩陣；所述準備成本δ _i 為f _i 維列向量；所述成本係數c _i 為f _i 維列向量；所述成本係數為f _i 維列向量；以及所述可用時間ρ _i (k)為f _i 維列向量。

步驟S02，所述模型建立模組102以所述未知參數作為決策變數，並根據所述已知參數針對一預定規劃目標建立一線性規劃模型。本實施例中，該預定的規劃目標為取得上游生產線生產副成品和同步副成品的最高生產效益，建立的線性規劃模型的目標函數為：

其中，參數u _i (k)為產線排配的決策變數，其他參數為已知參數。此外，該線性規劃模型為基於多約束水平的線性規劃模型。該線性規劃模型包括預定的成本約束條件、預定的時間約束條件、預定的產品加工數量約束條件、預定的同步副成品約束條件以及每個調度週期生產的產品數量非負的約束條件。

具體地，所述預定的成本約束條件為： 其中，C ₁,C ₂分別為工業生產中不同決策者站在各自的角度給出的成本約束水平。例如，C ₁和C ₂分別代表生產企業高層決策者和生產車間的決策者分別站在自己的角度給定的 成本最大可利用值，如分別30萬元和50萬元。

所述預定的時間約束條件為：。其中，P _i 和Q _i 分別為不同決策者給出的時間約束水平，均代表加工副成品和同步副成品的時間，為f _i 維列向量，如P _i =[p _i1,p _i2,...,p _ij ,...,p _ifi ]，其中，S _max為上游生產線和下游生產線之間的主成品的有限緩衝區(產品暫存區)可存放主成品的最大容量，S _min為上游生產線和下游生產線之間的主成品的有限緩衝區中允許的主成品的最小容量，V為上游生產線生產主成品的的速度，該速度為為已知參數。

所述預定的產品加工數量約束條件為：。其中x _i 和y _i 分別為不同決策者給出的產品加工數量的約束水平，均為維列向量，用於表示一個生產調度週期中上游第i條生產線計畫生產的產品數量。

所述預定的同步副成品約束條件為：

其中：B ₁和B ₂分別為不同決策者給出的同步副成品個數的約束水平，L表示用戶對上游生產線同步副成品的需求為L組，每組中有s _l (l=1,2,...,L)種同步副成品需要保持同步，U _lim(k)為第l同步組中第i條上游生產線中第m種同步副成品 的個數，U _ljn (k)為第l同步組中第j條上游生產線中第n種同步副成品的個數，λ _{lim jn} 為所述U _lim(k)和U _ljn (k)的配套之比。

所述產品數量非負的約束條件為：u _i (k)0。

綜合以上目標函數以及各種約束條件，本實施例建立的線性規劃模型可表示如下：J=MaxF(X)

步驟S03，所述計算模組103對上述線性規劃模型進行求解，得到該線性規劃模型的最優解，該最優解為包括多組解的一個解集，每一組解體現了所述不同的決策者給出的各種約束水平在一個特定的權重組合下，如(0.4，0.6)，第k個生產調度週期內第i條上游生產線生產的產品數量u _i (k)。透過該解集可以看出第k個生產調度週期內第i條上游生產線生產的各類副成品與同步副成品的數量，由於各類副成品和同步副成品的生產順序為預定的順序，因此根據該解集可進一步體現每個生產調度週期內各類副成品與同步副成品的詳細排配計畫。產線排配人員可根據實際情況(如所述不同決策者給出的約束水平所佔的權重)選擇合適的一組解作為產線生產排配的參考。此外，該解 集考慮了不同決策者的站在各自角度給出的約束水平，可利於產線管理人員參考該解集對產線的生產調度進行優化排配。本實施例中，該計算模組103可使用單純型演算法(Simplex algorithm)求得該線性規劃模型的最優解。該計算模組103可根據需要多次調用單純型演算法，直到求得該線性規劃模型的最優解。

具體地，在計算所述最優解時，計算模組103首先引入一約束水平參數λ=(λ ₁,λ ₂)與上述各約束條件中的約束水平相乘，將上述多約束水平的線性約束條件轉化為單約束水平的線性約束條件，其中λ ₁,λ ₂分別代表上述不同決策者所佔的比重，該λ ₁,λ ₂的取值區間為[0，1]，其中，λ ₁+λ ₂=1。另外，計算模組再將λ ₁,λ ₂的取值區間[0，1]網格化(離散化)為多個取值點，並根據離散化後的多個取值點多次調用單純型演算法求得上述線性規劃模型的最優解。本實施例中，引入約束水平參數λ=(λ ₁,λ ₂)對上述多約束水平的線性約束條件進行轉化後得到的單約束水平的線性約束條件如下：

步驟S04，所述結果輸出模組104將求得的最優解透 過所述顯示設備13輸出，以便於生產管理人員根據該最優解對生產線進行最優的生產排配，從而提高生產線的資源利用率。

最後應說明的是，以上實施方式僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施方式對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。

1‧‧‧電腦

10‧‧‧產線排配控制系統

101‧‧‧參數設定模組

102‧‧‧模型建立模組

103‧‧‧計算模組

104‧‧‧結果輸出模組

11‧‧‧記憶體

12‧‧‧處理器

13‧‧‧顯示設備

圖1為本發明產線排配控制系統運行於一電腦的示意圖。

圖2為本發明產線排配控制方法較佳實施例的流程圖。

1‧‧‧電腦

10‧‧‧產線排配控制系統

101‧‧‧參數設定模組

102‧‧‧模型建立模組

103‧‧‧計算模組

104‧‧‧結果輸出模組

11‧‧‧記憶體

12‧‧‧處理器

13‧‧‧顯示設備

Claims (10)

1. 一種產線排配控制方法，應用於電腦中，該方法包括：參數設定步驟，設定工業生產過程中的上游生產線生產加工時涉及的各種基本模型參數，該基本模型參數包括已知參數和未知參數，其中，所述未知參數為上游第i條生產線在第k個調度週期生產的產品數量u _i (k)，所述已知參數包括上游生產線的條數M、上游生產線的調度週期數N、上游第i條生產線生產的副成品和同步副成品的單位價格γ _i 、上游第i條生產線各工位元單位時間的加工成本σ _i 、上游第i條生產線各工位在週期k加工M _i 種零件所需的時間T _i 、上游第i條生產線各工位在週期k加工M _i 種零件之前所需要的準備時間、上游第i條生產線各工位元單位時間的準備成本δ _i 、上游第i條生產線中每個工位元超負荷造成的成本係數c _i 、上游第i條生產線中與設備閒置有關的成本係數、上游第i條生產線各個工位在週期k的可用時間ρ _i (k)、以及設備切換的損耗成本w _i (k)；模型建立步驟，以上述未知參數作為決策變數，並根據所述已知參數針對一預定規劃目標建立一線性規劃模型，該線性規劃模型為多約束水平的線性規劃模型；計算步驟，對上述線性規劃模型進行求解，得到該線性規劃模型的最優解；及結果輸出步驟，將上述求得的最優解透過電腦的顯示設備輸出。
2. 如申請專利範圍第1項所述的產線排配控制方法，所述 產品數量u _i (k)為維列向量，m _i 為上游第i條生產線加工的副成品的種類數，為上游第i條生產線加工的同步副成品的種類數；所述加工成本σ _i 為f _i 維列向量，f _i 為第i條生產線加工工位的數量；所述時間T _i 為f _i ×M_i維矩陣；所述準備時間為f _i ×M_i維矩陣；所述準備成本δ _i 為f _i 維列向量；所述成本係數c _i 為f _i 維列向量；所述成本係數為f _i 維列向量；以及所述可用時間ρ _i (k)為f _i 維列向量。
3. 如申請專利範圍第2項所述的產線排配控制方法，所述預定的規劃目標為上游生產線生產副成品和同步副成品的生產效益最高的目標，所建立的線性規劃模型的目標函數為：
4. 如申請專利範圍第3項所述的產線排配控制方法，所述線性規劃模型包括預定的成本約束條件、預定的時間約束條件、預定的產品加工數量約束條件、預定的同步副成品約束條件以及每個調度週期生產的產品數量非負的約束條件，其中：所述預定的成本約束條件為： C ₁,C ₂分別為工業生產中不同決策者站在各自的角度給出的成本約束水平； 所述預定的時間約束條件為：，P _i 和Q _i 分別為產線不同決策者給出的時間約束水平，均代表加工副成品和同步副成品的時間，為f _i 維列向量；所述預定的產品加工數量約束條件為：，其中x _i 和y _i 分別為上述產線不同決策者給出的產品加工數量的約束水平，x _i 和y _i 均為維列向量，用於表示一個生產調度週期中上游第i條生產線計畫生產的產品數量；所述預定的同步副成品約束條件為：，B ₁和B ₂分別為不同決策者給出的同步副成品個數的約束水平，L表示用戶對上游生產線同步副成品的需求為L組，每組中有s _l (l=1,2,...,L)種同步副成品需要保持同步，U _lim(k)為第l同步組中第i條上游生產線中第m種同步副成品的個數，U _ljn (k)為第l同步組中第j條上游生產線中第n種同步副成品的個數，λ _{lim jn} 為所述U _lim(k)和U _ljn (k)的配套之比；及產品數量非負的約束條件為：u _i (k)0。
5. 如申請專利範圍第4項所述的產線排配控制方法，所述計算步驟使用單純型演算法求得所述線性規劃模型的最優解，該最優解為包括多組解的一個解集。
6. 一種產線排配控制系統，應用於電腦中，該系統包括：參數設定模組，用於設定工業生產過程中的上游生產線生 產加工時涉及的各種基本參數，該基本模型參數包括已知參數和未知參數，其中，所述未知參數為上游第i條生產線在第k個調度週期生產的產品數量u _i (k)，所述已知參數包括上游生產線的條數M、上游生產線的調度週期數N、上游第i條生產線生產的副成品和同步副成品的單位價格γ _i 、上游第i條生產線各工位元單位時間的加工成本σ _i 、上游第i條生產線各工位在週期k加工M _i 種零件所需的時間T _i 、上游第i條生產線各工位在週期k加工M _i 種零件之前所需要的準備時間、上游第i條生產線各工位元單位時間的準備成本δ _i 、上游第i條生產線中每個工位元超負荷造成的成本係數c _i 、上游第i條生產線中與設備閒置有關的成本係數、上游第i條生產線各個工位在週期k的可用時間ρ _i (k)、以及設備切換的損耗成本w _i (k)；模型建立模組，用於以上述未知參數作為決策變數，並根據所述已知參數針對一預定規劃目標建立一線性規劃模型，該線性規劃模型為多約束水平的線性規劃模型；計算模組，用於對上述線性規劃模型進行求解，得到該線性規劃模型的最優解；及結果輸出模組，用於將上述求得的最優解透過電腦的顯示設備輸出。
7. 如申請專利範圍第6項所述的產線排配控制系統，所述產品數量u _i (k)為維列向量，m _i 為上游第i條生產線加工的副成品的種類數，為上游第i條生產線加工的同步副成品的種類數；所述加工成本σ _i 為f _i 維列向量，f _i 為第i條生 產線加工工位的數量；所述時間T _i 為f _i ×M_i維矩陣；所述準備時間為f _i ×M_i維矩陣；所述準備成本δ _i 為f _i 維列向量；所述成本係數c _i 為f _i 維列向量；所述成本係數為f _i 維列向量；以及所述可用時間ρ _i (k)為f _i 維列向量。
8. 如申請專利範圍第7項所述的產線排配控制系統，所述預定的規劃目標為上游生產線生產副成品和同步副成品的生產效益最高的目標，所建立的線性規劃模型的目標函數為：
9. 如申請專利範圍第8項所述的產線排配控制系統，所述線性規劃模型包括預定的成本約束條件、預定的時間約束條件、預定的產品加工數量約束條件、預定的同步副成品約束條件以及每個調度週期生產的產品數量非負的約束條件，其中：所述預定的成本約束條件為：,C ₁,C ₂分別為工業生產中不同決策者站在各自的角度給出的成本約束水平；所述預定的時間約束條件為：，P _i 和Q _i 分別為產線不同決策者給出的時間約束水平，均代表加工副成品和同步副成品的時間，為f _i 維列向量； 所述預定的產品加工數量約束條件為：，其中x _i 和y _i 分別為上述產線不同決策者給出的產品加工數量的約束水平，x _i 和y _i 均為維列向量，用於表示一個生產調度週期中上游第i條生產線計畫生產的產品數量；所述預定的同步副成品約束條件為：，B ₁和B ₂分別為不同決策者給出的同步副成品個數的約束水平，L表示用戶對上游生產線同步副成品的需求為L組，每組中有s _l (l=1,2,...,L)種同步副成品需要保持同步，U _lim(k)為第l同步組中第i條上游生產線中第m種同步副成品的個數，U _ljn (k)為第l同步組中第j條上游生產線中第n種同步副成品的個數，λ _{lim jn} 為所述U _lim(k)和U _ljn (k)的配套之比；及產品數量非負的約束條件為：u _i (k)0。
10. 如申請專利範圍第9項所述的產線排配控制系統，所述計算模組使用單純型演算法求得所述線性規劃模型的最優解，該最優解為包括多組解的一個解集。