一种考虑轮胎部件装配的流水车间调度优化方法

本发明涉及流水车间调度，具体涉及一种考虑轮胎部件装配的流水车间调度优化方法。

背景技术：

1、轮胎生产包含半制品工序、裁断工序、成型工序及硫化工序。在半制品工序中包含内衬层、0°带束层、胎面、胎侧、垫胶、胎体帘布、钢丝帘布、钢包布、三角胶、钢丝圈这些零件的加工。其中三角胶和钢丝圈需先装配成中间装配件为后续的总装配做准备；胎体帘布、钢丝帘布、钢包布分别在裁断工序进行裁断成胎体、带束层、子口包布后参与总装配；其余零件则直接进入总装配。所有零件和中间装配件备齐后进入成型工序进行总装配，装配成为胎坯，胎坯经过硫化工序得到轮胎成品。

2、在半制品和裁断工序中每一种零件、中间装配件都仅有一条相应的流水线进行加工，因此在调度过程中不涉及设备的选择，仅需考虑不同型号轮胎的工件的加工顺序，且每一条生产线加工的轮胎工件顺序一致。而对于成型和硫化工序，因其加工耗时长，需要多台不相关并行机同时作业，在调度过程中，其轮胎工件的加工顺序与前面工序保持一致，在此基础上进行机器的选择。因为硫化时间较长，因此在成型与硫化之间还会设置一个缓冲区用于放置待硫化的胎坯，缓冲区容量的限制将影响成型工序的可开始加工时间，这使得调度问题复杂度更高。因同批订单生产轮胎数量较多，为降低计算复杂度，同时满足胎坯运输车满载运输，故此将订单按单台运输车的满载数量进行等量分批，不足量的归入最后一批，再将每一批轮胎视为一个工件进行生产调度。

3、合理的车间调度可以提高企业的生产效率，但是仅以最大完工时间为调度目标的单一生产目标已经不能满足实际的生产需求。频繁切换工装会影响工装与机器的装配精度，会增加设备维护成本，且硫化设备切换工装耗时长且耗费大量人力，因此将工装切换次数作为调度目标之一，使得同类型号产品尽可能集中生产；迎合国家绿色生产，节能减排，充分利用分时电价下优惠时段进行生产减少企业生产成本；减少设备的空闲率充分利用有限的缓冲区也是企业重点关注的调度目标。基于此，本发明针对轮胎生产线中含有轮胎部件装配的流水车间调度问题提出一种优化方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种考虑轮胎部件装配的流水车间调度优化方法，该方法有利于优化轮胎生产流水车间调度，提高车间的生产效率。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种考虑轮胎部件装配的流水车间调度优化方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：对考虑轮胎部件装配的流水车间调度问题进行描述；

4、步骤s2：定义参数和决策变量；

5、步骤s3：构建约束条件及目标函数，得到问题模型；

6、步骤s4：采样nsga-ii算法求解问题模型；

7、步骤s5：输出最优调度解集，获得工件的最佳机器选择及加工顺序。

8、进一步地，所述步骤s1中，对考虑轮胎部件装配的流水车间调度问题进行描述，具体为：

9、轮胎生产线中，组成轮胎的各个零件在各自相应的流水线上进行加工，部分零件先组装成中间装配件再进入成型工序参与总装配形成胎坯，最后通过硫化得到轮胎成品；在零件和中间装配件的加工过程中，每一种零件、中间装配件都仅有一条相应的流水线；因此，当有多个不同型号轮胎加工制造时，对于成型工序之前的工序，其生产调度不涉及设备的选择，仅需考虑不同型号轮胎的工件的加工顺序，且每一条生产线加工的轮胎工件顺序一致；而对于成型工序和硫化工序，二者都存在多台并行机可供选择，在调度过程中，其轮胎工件的加工顺序与前面工序的一致，在此基础上进行机器的选择；为降低计算复杂度，同时满足车间内的胎坯运输车满载运输，故此将轮胎按运输车的满载数量进行等量分批，再将每一批轮胎视为一个工件进行生产调度。

10、进一步地，所述步骤s2中，定义的参数和决策变量包括：

11、g，产品类型数量；

12、h，产品类型编号；

13、h，产品类型集合，h＝{1,2,…,g}；

14、nh，h类产品数量；

15、sh，h类产品每批标准数量；

16、bh，h类产品的批量数；

17、bhc，h类产品第c批；

18、nhc，h类产品第c批产品数量；

19、n，所有产品总的子批数(每一子批视为一个工件)；

20、i，工件的编码；

21、n，工件集合，n＝{1,2,…,n}；

22、i'，i工件的紧前工件；

23、j，工序编码；

24、j，总工序数；

25、s，工序集合，s＝{1,2,…,j}；

26、m，机器总数；

27、m，机器集合，m＝{1,2,…,m}；

28、k，机器编号；

29、oij，工件i的第j道工序；

30、sij，工件i的第j道工序加工的开始时间；

31、工件i的第j道工序在k机器上加工的开始时间；

32、eij，工件i的第j道工序加工的结束时间；

33、工件i的第j道工序在机器k上加工所需的时间；

34、aik，机器k上加工的工件i的产品类型；

35、tk，机器k上连续加工不同类型产品所需的切换工装时间；

36、z，装配所需的零部件数量；

37、stij，工件i的第j道工序开始装配的时间；

38、bn，缓冲区容量；

39、第k台机器的额定加工功率；

40、第k台机器的额定空载功率；

41、第k台机器切换工装时的功率；

42、第k台机器一次开关机能耗；

43、pc，公共设施功率；

44、f(t)，分时电价函数；

45、缓冲区可进入时间；

46、uij，工件i的第j道工序是否有紧前工序，是为1，否则为0；

47、yj1,j2，第j1道工序是否是j2道工序的零件，是为1，否则为0；

48、工件i的第j道工序是否在机器k上加工，是为1，否则为0；

49、vijk，机器k上加工工件i的工序j与其机器紧前工件是否为同类型，是为0，否则为1，机器k上第一个工件也为0；

50、βk，机器k上是否有滞留工件，是为1，否则为0。

51、进一步地，所述步骤s3包括以下步骤：

52、步骤s31：构建包括装配约束、有限缓冲约束的约束条件；

53、步骤s32：构建目标函数，所述目标函数包括最大完工时间函数、设备空闲时间函数、能耗成本函数和工装切换次数函数。

54、进一步地，所述步骤s31中，装配约束如约束(1)所示：

55、

56、约束(1)表示在进行装配时，不管是中间装配件还是成型工序的总装配，都需满足装配所需的零件都加工完备，才能进行装配；

57、有限缓冲约束包括约束(2)～(4)：

58、

59、成型工序与硫化工序之间设置有限缓冲区，且成型工序每台机器上也可滞留一个工件；约束(2)表示当缓冲区后的硫化工序存在空闲机器k，此时可忽略缓冲区限制，工件在完成成型后即可进入硫化，此时硫化工序开始加工时间为成型工序完工时间加上硫化工序机器切换工装时间；

60、约束(3)表示当缓冲区后的硫化工序不存在空闲机器k，但缓冲区存在空位时，完成成型工序后可进入缓冲区等待硫化，此时硫化工序的可开始加工时间为机器k紧前工件i'完工时间加上i工件硫化工序机器切换工装时间；

61、约束(4)表示当缓冲区后的硫化工序不存在空闲机器k，且缓冲区不存在空位时，成型工序需要等待缓冲区有空位或者硫化工序有机器空闲；当成型工序机器上没有滞留工件时(βk＝0)，成型工序即可开始加工，加工完后在该机器上滞留等待进入缓冲区或者进入硫化工序；当成型工序机器上有滞留工件时(βk＝1)，成型工序的可开始加工时间需要满足成型工序完工时间刚好缓冲区有空位或者硫化工序机器有空闲；

62、构建的约束条件还包括其它约束(5)～(9)：

63、

64、其中，约束(5)表示将第h类产品按标准量进行等量分批，若不能等量分批，则按标准量划分后将余下部分归入最后一批；

65、约束(6)表示每个工件的每道工序仅能选择一台机器进行加工；

66、约束(7)表示工件在机器k上的加工和完工时间的关系；

67、约束(8)表示同一个工件需在前工序完工后才能加工后续工序；

68、约束(9)表示当前要加工的工件需在该机器紧前工件加工完之后方可开始加工,若当前工件与机器紧前工件不是同一类型号，则需在切换完工装之后方可开始加工。

69、进一步地，所述步骤s32中，最大完工时间函数为：

70、

71、式(10)表示最大完工时间，即最后一个工件完工的时间，作为目标函数之一。

72、进一步地，所述步骤s32中，设备空闲时间函数为：

73、

74、式(11)表示任意机器在开始生产直至最后一个工件结束加工这一过程中机器空闲的时间，式(12)表示所有机器在这一过程中的总空闲时间，作为目标函数之一。

75、进一步地，所述步骤s32中，能耗成本函数为：

76、

77、其中，式(13)表示不同时刻的电费价格；式(14)表示启停能耗成本、式(15)表示工装切换能耗成本、式(16)表示加工能耗成本、式(17)表示公共能耗成本，式(19)为总能耗成本作为目标函数之一。

78、进一步地，所述步骤s32中，工装切换次数函数为：

79、

80、对于同一台机器，如果加工不同类型的工件，则需要切换设备的工装才能进行加工，式(20)表示在生产过程中所有机器切换工装的次数，作为目标函数之一。

81、进一步地，所述步骤s4包括以下步骤：

82、步骤s41：设计nsga-ii算法染色体的编码方式；采取三段式编码，第一段编码为每一流水线上工件的加工顺序，第二段编码和第三段编码分别为针对成型和硫化工序有多台并行机情况下的机器选择；

83、步骤s42：根据步骤s41的编码方式初始化初始种群；

84、步骤s43：计算问题模型的目标函数的函数值，利用函数值对生成的种群进行快速非支配排序和选择；

85、步骤s44：混合使用三种交叉、变异方式生成新的种群；

86、步骤s45：将父代种群与子代合并，再通过快速非支配排序、拥挤度、精英策略生成新的父代种群；

87、步骤s46：判断迭代次数是否达到设定值，是则输出最优解集，否则迭代次数加一并跳转至步骤s43。

88、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明将轮胎生产过程中的半制品工序、裁断工序、成型工序、硫化工序充分考虑到调度模型中，并根据实际存在的缓冲约束建立模型，同时根据实际生产需求建立了最小化最大完工时间、设备总空闲时间、总能耗成本、工装切换次数为调度目标的数学模型；最后通过改进的nsga-ii算法进行求解该问题模型，能够快速得到最优调度解集，获得工件的最佳机器选择及加工顺序，为车间生产提供指导，提高车间的生产效率。

技术特征：

1.一种考虑轮胎部件装配的流水车间调度优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种考虑轮胎部件装配的流水车间调度优化方法，其特征在于，所述步骤s1中，对考虑轮胎部件装配的流水车间调度问题进行描述，具体为：

3.根据权利要求1所述的一种考虑轮胎部件装配的流水车间调度优化方法，其特征在于，所述步骤s2中，定义的参数和决策变量包括：

4.根据权利要求1所述的一种考虑轮胎部件装配的流水车间调度优化方法，其特征在于，所述步骤s3包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种考虑轮胎部件装配的流水车间调度优化方法，其特征在于，所述步骤s31中，装配约束如约束(1)所示：

6.根据权利要求4所述的一种考虑轮胎部件装配的流水车间调度优化方法，其特征在于，所述步骤s32中，最大完工时间函数为：

7.根据权利要求4所述的一种考虑轮胎部件装配的流水车间调度优化方法，其特征在于，所述步骤s32中，设备空闲时间函数为：

8.根据权利要求4所述的一种考虑轮胎部件装配的流水车间调度优化方法，其特征在于，所述步骤s32中，能耗成本函数为：

9.根据权利要求4所述的一种考虑轮胎部件装配的流水车间调度优化方法，其特征在于，所述步骤s32中，工装切换次数函数为：

10.根据权利要求1所述的一种考虑轮胎部件装配的流水车间调度优化方法，其特征在于，所述步骤s4包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及一种考虑轮胎部件装配的流水车间调度优化方法，包括以下步骤：步骤S1：对考虑轮胎部件装配的流水车间调度问题进行描述；步骤S2：定义参数和决策变量；步骤S3：构建约束条件及目标函数，得到问题模型；步骤S4：采样NSGA‑II算法求解问题模型；步骤S5：输出最优调度解集，获得工件的最佳机器选择及加工顺序。该方法有利于优化轮胎生产流水车间调度，提高车间的生产效率。

技术研发人员：朱光宇,朱静华
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23