含有并行机器组的串行短生产线的性能分析
2024-02-13
来源:步旅网
第22卷第lO期 2012年10月 计算机技术与发展 COMPUTER TECHNOLOGY AND DEVELOPMENT V0I.22 No.10 Oct. 2012 含有并行机器组的串行短生产线的性能分析 穆华灵,汪峥 (东南大学自动化学院,江苏南京210096) 摘要:文中主要研究含有并行机器组的串行短生产线的生产性能,此生产线含有一个并行机器组及其上下游缓冲区。 由概率守恒原理推导出短生产线的概率平衡方程,求得到短生产线的稳态概率,由此计算串行短生产线的性能指标:平均 生产率和平均在制品数量。在Matlab平台下分析系统平均生产率与部分系统参数之间的关系。同时,建立短生产线的 Petri网模型,采用事件调度法对短生产线进行仿真,将数值结果与仿真结果进行对比分析,说明文中以机器为中心的分析 方法的有效性。 关键词:并行机器组;短生产线;稳态概率;生产性能;事件调度法 中图分类号:TP39 文献标识码:A 文章编号:1673—629X(2012)l0—0194一o4 Analysis of Short-serial Production Line with Multiple Parallel-machine Workstations MU Hua-ling,WANG Zheng (School of Automation,Southeast University,Nanjing 210096,China) Abstract:It analyzes the performance of a short serial production line with a parallel——machine workstation and its upstream and down・- stream.Constrcuted its probability balance equation and evaluated its performances such as production rate and work—in—process by a nu— meric method.Analyze the relation between average production rate and particle system parameters under Matlab platform.Meanwhile,es- tablish the Petri model for hits short serial production line and the short line is simulated by event scheduling.Comparing the numerical re— sult and simulation result shows that the proposed method is feasible. Key words:parallel—machine workstation;short line;steady-state probability;production performance;event scheduling U 引 吾 相同。分解算法的一般步骤为:先将一个长度为Ⅳ的 长生产线分解成N一1个两机器的生产线;然后推导 出每个短生产线的方程,这些方程中含有短生产线的 在生产制造系统中,生产能力以及平均在制品数 量的分析对于生产线的设计、管理都起着至关重要的 作用 。对生产性能的分析可分为对可靠机器和不可 靠机器、有限缓冲区和无限缓冲区的分析。常见的生 产线类型有串行生产线、并行生产线、可重人生产线、 参数,如故障率、修复率、生产率等,并计算这些参数。 总体来说,这些近似的分析方法都以两机器单缓冲区 的分析为基础。但在实际的生产制造系统中,一个工 装配生产线、环形生产线 。 目前,已经解决了对于只含有两个机器一个缓冲 区的串行生产线的性能的精确分析 。对于多机器 串行生产线的分析目前大多采用分解/聚合方法来近 作站中通常包含多个机器(文中称其为并行机器组), 在以往的分析中,将每一个并行机器组等效成为一个 机器 ,这样等效之后的分析方法就与传统的串行生 产线的分析方法相同。然而这种简化的分析方法,在 似分析,聚合算法主要是基于Meerkov的聚合方法 , 分解算法主要是基于Gershwin分解方法 。聚合方 法的主要思想是将一个两机器的生产线用一个等效机 来代替,这个等效机的生产能力和两机器的生产能力 收稿日期:2012-02—19:修回日期:2012-05—23 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60974096) 作者简介:穆华灵(1990一),女,硕士研究生,研究方向为计算机集成 制造;汪峥,副教授,研究方向为离散事件动态系统、计算机集成 全状态的状态转移图中近似忽略了正常工作状态之间 的状态转移,这样对于缓冲区容量比小的系统,带来的 近似误差比较大。 为了提高分析的精度,对于含有并行机器组的串 行生产线性能的分析,同样采取分解方法,并且考虑到 并行机器组对生产性能的影响,将把一个含有并行机 器组的串行生产线分解为含有两个缓冲区一个机器组 的短生产线,如图1所示。文中对于这样的生产单元 即两个缓冲区一个机器组的短生产线的性能进行精确 制造、制造系统分析与控制、产品开发过程分析与规划。 第10期 穆华灵等:含有并行机器组的串行短生产线的性能分析 ・195・ 分析,并建立2个缓冲区1个工作站的Petri网模型, 进行仿真。 一(5)当一个工件从日 进入机器组被加工,同时有 个工件加工好后进入 ,即(n ,n , )一>(n 一 1,nD+1, )o 1短串行生产线的分析 根据概率平衡方程建立方程组并由此计算分解后 的短生产线中各个机器的参数,从而计算平均生产率 以及平均在制品数量IVIP。 为分析问题简便,先给出以下定义: 但这些事件的发生会受系统本来状态的限制,比 如当n =0时,事件(2)不会发生,所以每个事件的发 生都有一定的约束条件,对应于上面五个事件的约束 条件分别为: (1)n = ,上游缓冲区中工件达到缓冲区最大 值时,工件无法再进入缓冲区; (1)工作站中机器的数量为固定的 ,每个机器都 是不可靠的,工件的平均加工时间l ,机器单位时间 的故障率P,单位时间的维修率r,工件平均到达时间 1/h.,需求间隔时间1/d均服从负指数分布; (2)在短生产线中,只加工一种类型的工件; (3)机器只在加工工件时才会发生故障,机器相 互独立的; (4)上下游缓冲区大小分别为J7、r N (5)系统的状态:(n n。, ),其中n ,=0,1,…, N ,n。=0,1,…,N。, =0,1,…, ,n 表示上游缓冲区 中工件的数目,n 下游缓冲区中工件的数目, 表示能 够工作的机器数目; (6)缓冲区在存储和传递工件的过程中是完全可 靠的,不会出现故障。 由于有多台机器,因此每个机器组的生产率与等 待加工的零件数及机器数有关,即: =/xmin{/7, , }。 图1为含有并行机器组的短串行生产线。 I }jU L l 图1含有并行机器组的短串行生产线 1.1稳态概率平衡方程 定义P( ,/7,。, )为系统状态(n ,n , )的稳态 概率。 ●以下事件的发生会使系统离开(n n ,x)这个 状态: (1)当有一个工件到达口 ,即(n n。, )一>(n +1,nD, ); (2)当有一个工件离开B ,即(n n。, )一> (nf,,r/,。一1, ); (3)当有一个正在工作的机器发 故障,即(n , nD, )一>(n“,nD,x一1); (4)当有一个故障的机器恢复正常,即(n ,n。, )——>(n“,nD, +1); (2)n :0,下游缓冲区中工件为0时,无法从中取 得工件; (3) =0或n =0或 ’。=N。,能够正常工作的机 器数量为0或机器处于被饥饿/阻塞时,机器不可能发 生故障; (4) = ,所有机器都可正常工作时,没有机器可 被修复; (5)n ,=0或n。=No,上游缓冲区为空或者下游缓 冲区为满时,机器组处于饥饿或阻塞状态,不能正常工 作。 ●以下事件的发生会使系统进入(n ,n , )这个 状态(同时考虑到约束条件): (1)(n +1,n 一1, )— >(n ,n , ),系统中有 一个工件从上游缓冲区被加工的同时有一个加工好的 工件放到下游缓冲区,且当一 =N 或n。=0时,不存在 状态(nf,+1,n,J一1, ); (2)(n“一1,nD, )一>(n n。, ),系统中有一 个工件到达日 ,且当n ,=0时,不存在状态(n 一1,n , ); (3)(n ,n。+1,X)一>(n n。, ),系统中有一 个工件离开该系统,且当n。=No时。不存在状态(n , nD+1, ); (4)(n“,nD, 一1)一>(nu,nD, ),有一个机器 从故障状态下恢复正常工作,当 =0时不存在状态 (nⅣ,nD, 一1); (5)(nu,nD, +1)一>(nⅣ,nD, ),有一个机器 发生故障,当 =X时,不存在状态(n n , +1),当n =0或17,。=No时,机器被饥饿/阻塞,机器不能正常工 作,也就不会发生故障。 根据概率平衡方程的构造原理 :离开状态(n n , )的概率等于进入状态(n n。, )的概率,所以得 到以下稳态概率平衡方程: P(nu,nD, )[A,(nⅣ¨- , )+dl(凡 =0)+rI( : )+pl( =0 LJ =0 u凡D=ND)+b ̄min( , u),(凡 =0 t_J nD=ND)]=P(nu+1,nD一1, )/xmin( ,凡 +1) ・,(凡 =NU u凡D=0)+P(n 一1,nD, )A,(nu=0)+ P(凡 , D+1, )dl(nD=No)+P(凡 ,nD, 一I)rl( : ・196・ 计算机技术与发展 第22卷 0)+P(Itu,11,o, +1)pl( =X u nu=0 u nD=ND) (1) 模型包括某些变迁为立即变迁的情形¨ 。 文中采用随机Petri网建模,具有一个并行机器组 和上下游缓冲区的短生产线Petri网模型如图2所示。 其中,Itu=0,1,…,Nu,/9,D=0,1,…,ND, =0, l,…, ,,(conditions)=L0condi‘i。ns满足 ,其中各符号的定义如表1所示。 由文中第二部分的假设可知,工作站中机器是否 可正常工作受上游缓冲 与下游缓冲区曰。的制约, 这一假设条件可以通过将抑制弧连接到机器的t 来表 示。 表示库所,t 表示变迁。 l,其他概率P(n ,n , )满足如下的归一化条件: ∑∑∑P(n , )=1 (2) 由公式(1)和(2)组成的方程组可求出稳态概率 P(n ,n , ),即可得到短串行生产线的平均生产率以 及平均在制品数量WIP。 1.2短生产线平均生产率及平均在制品数量 尸 平均生产率分析: 从上游缓冲区的角度看,短生产线的稳态生产率 为: 刑 =A∑∑∑P(n n , ) (3) 从机器的角度得到的短生产线稳态生产率为: 删 = ∑∑∑min(n )P(n , , ) (4) 从下游缓冲区的角度分析短生产线的稳态生产率 为: 删 =∑∑∑min(n。,d)P(It ,n。, ) (5) 当生产线处于平衡状态时,要满足TH =TH = THo。 平均在制品数量WIP分析: 上游缓冲区的平均在制品数量: WIP =∑∑∑rgUP(n ,n。, ) (6) 下游缓冲区的平均在制品数量: WIP。=∑∑∑17"0P(n , ) (7) 短生产线的平均在制品数量: N“ N¨x WIP=∑∑∑(n=0 』 =0 =0 +n )P(n ,n , ) (8) 2仿真实验 Petri网作为一种图形化的数学建模方法,其直观 性和严谨性可以描述系统和过程活动间复杂的逻辑关 系,所以成为离散事件动态系统有效的分析和建模工 具 。随机Petri网(Stochastic Petri Nets)由Molly首 先提出的,他研究的是有界随机Petri网,随机变量服 从负指数分布,同时证明了Petri网状态可达图同构于 一个马氏链,借助马氏理论便可得到系统的相关性能 指标;Choi等人推广了Molly的工作,采用了一种广义 随机Petri网(Generalized Stochastic Petri Nets)模型,此 从仿真模型中可以看出,单工件单品种类型短生 产线的离散事件仿真中包含六种事件类型,分别是:上 游工件到达事件、机器开始加工事件、机器完成加工事 件、机器故障事件、机器修复完成事件、工件离开下游 缓冲区事件。 文中采用事件调度法对系统进行仿真,即用事件 的观点来分析真实系统,通过定义事件及每个事件发 生引起系统状态的变化,按时间顺序确定并执行每个 事件发生时有关的逻辑关系-一 。所有事件均放在事 件表中。事件调度法算法主要包括:初始化操作、事件 表操作、推进仿真时钟操作 。事件的选择与处理不 断地进行,直到仿真终止的条件产生为止。下一事件 发生的时间总是保存在事件表中,当从事件表中取出 最先发生时间的事件,此时将仿真钟推进到该事件发 生时间,转向该事件的处理子程序执行。 n ] ND -V C tl p2 136 t 上游缓冲区 F游缓冲区 图2 短生产线的Petri网模型 事件中的对象实体有两种,分别是:机器和工件。 每个事件的要素有:事件的发生时间、事件的主体以及 事件类型。 图2中各个符号的意义如下: P.:上游缓冲区的输入库所(假设一直提供原料); P::上游缓冲区容量为Ⅳ ;p :机器组工作; :机器组中有,个机器空闲; P :下游缓冲区容量为N。; P,:下游缓冲区的输出库所(假设容量为无限大); t :新工件到达生产系统;t :机器故障修复; t :机器开始加工;t :机器发生故障; t :工件加工完毕;t :工件离开系统。 第lO期 穆华灵等:含有并行机器组的串行短生产线的性能分析 ・197・ 3数值结果与仿真结果 3.1 Matlab计算出的数值结果 (1)Nu=4,ND=3,X=2, =1,P=0.01,r=0.1, 在制品数量的仿真结果记为 P s(i),数值结果记为 Pr_T(i),平均在制品数量的平均误差记为e_WIP。 (1)Nu=4,ⅣD=3,X=2,u:1,P=0.Ol,r=0.1, d=1,A∈{1,2,…,l0},步长是1。机器端的生产率 TH ,上游缓冲区的生产率TH 下游机器端的生产率 d=1,A∈{1,2,…,l0},数值分析结果与仿真实验结 果对比见表1。平均生产率与平均在制品数量的平均 误差分别为: 见图3,横坐标代表A,纵坐标分别代表TH ,TH , THn o 至 Z 1.- 擗 糌 {L {L g 窖 罂 裴 髂 一< 晕 勰 工件到达率v 工件到达宰V 图3 A∈{1,2,…,l0},步长为1-,对应的 TH ,TH”TH D (2)No:3,X=2, :1,P=0.01,r:0.1,d=1,A =10,N E{1,2,…,l0},步长为1,机器端的生产率 TH ,上游缓冲区的生产率TH,,,下游机器端的生产率 见图4,横坐标代表 ,纵坐标分别代表TH , j 王 o 卜 Z 卜 褂 糌 盔 g g 释 释 一< 羽 舞 簿 0 5 lo o 5 10 上游缓冲区Nu 上游缓冲区Nu 图4 Nu∈{1,2,…,l0},步长为1对应的 TH ,TH£,,THD 由图3和图4可知,删 =TH =TH。。与分析的 结果一致。且系统的平均生产率是关于参数A,Ⅳ,,的 单调递增有限函数。 3.2数值结果与仿真结果的对比 系统平均生产率的仿真结果记为TH_S(i),数值 结果记为TH_T(i),平均误差记为e_TH;系统的平均 10 ∑(TH_S( )一TH_T( ))/TH_T(i) e删= ——一 ———一× 一100%=1.04% 10 ∑(WIP_S( )一一 P-eWIP:兰。_——一—————一 (f))/WIP_T( ) —X】00%=一2.05% 表l 到达率变化系统的数值值与仿真结果 (2)Nd=3,X=2,H=1,P=0.01,r=0.1,d=1,A =l0,Nu={1,2,…,l0}。理论分析结果与仿真实验 结果对比见表2。平均生产率与平均在制品数量的平 均误差分别为: l0 ∑(rH_S( )一rH r(i))/TH T( ) 册=旦——一 ———一× 一1()0%=0.()06% 10 e唧=旦∑(r—a—m_s(一 )一 尸_,— —,(— ))—/m/一P_r( ) 一×100%=0.33% 4结束语 文中主要对含有一并行机器组及上下游缓冲区的 短串行生产线的性能进行数值分析与仿真,构建这种 短串行生产线的稳态概率平衡方程,及其Petri网模 型,根据Petri网模型进行离散事件仿真。由表1和表 2数据计算得到仿真结果的误差在允许误差范围之 内,由此验证了文中分析方法的可行性。 (下转第201页) 第l0期 王瑛:GIS在土地评价中的应用研究 国土资源遥感,2008(3):10・・l4. ・2Ol・ 况进行监督施工,或者先行开挖保护,或者不允许开 发,总之依据情况必须事先征求文物行政部门的意见。 2)对大块地下文物埋藏的地区,国家政府可以组 织考古文物部门主动考察勘探,整批出土保护。 [4] Zhang J。Goodchild M F.Uncertainty in Geographic Ifuorma- tion[M].New York:Taylor&_Francis,2002. [5]涂超.GIS在历史文化资源保护中的应用研究[J].计算 平.基:于遥感和GIS的青岛市土地利 机技术与发展,2006,16(7):165—167. 3)苏州城市规划部门作古城规划的时候需要考 虑地下文物保护区的范围,有地下古文物需要保护的 地块给予保护性规划,比如古城区南端以及北端的靠 近护城河附近区域。 [6] 李瑞俊,孙希华,李用动态变化分析[J].山东师范大学学报(自然科学版), 2004,19(4):50-52. [7]石常蕴,周慧珍.GIS技术在土地质量评价中的应用一以苏 州市水田为例[J].土壤学报,2001,38(3):248—254. [8] 闫保银,孙在宏.地理信息系统技术在土地评价中的应用一 3结束语 GIS技术运用于各类土地评价研究是一种趋势, 结合城镇土地定级估价信息系统[J].农机化研究,2005 (2):192-194. 先进的空间信息处理、统计、分析、归纳、决策技术给土 地评价以更具科学化、技术化,全面化的发展,为各项 [9]李永香,赵俊三,李洪玉,等.GIS空间分析在土地定级中 的应用[J].矿山测量,2006(2):10-12. [1O]王红扬.80年代以来苏州地区城镇土地演化特征与机制 [J].地理科学,1999,19(2):128-134. 土地决策管理做出重要的参考性指导性服务¨ ’”]。 本研究通过GIS技术,建立时空模型,进行土地利用评 价,在土地评价的研究方式上作了部分研究应用。 参考文献: [1]杨国清.土地评价的哲学思考[J].广东工业大学学报(社 会科学版),2oo5,5(3):92—95. [2]Pan J J,Zhang T L,Zhao Q G.Dynamics of soil erosion in Xingguo county,China,determined using remote sensing and [11]乔伟峰,孙在宏.GIS辅助下的城市土地集约利用潜力评 价方法研究一以江苏省苏州市为例[J].国土资源科技管 理,2004(1):34-37. [12]黄小芳.GIS在城市土地利用生态适宜性评价中的应用一 以上海市浦东新区为例[J].科学技术与工程,201l,l1 (31):7841-7846. [13]Yang H D,Hu Y M,Deng F Q,et a1.Application of immune GIS[J].Pedosphere,2005,15(3):356—362. algorithm to evaluation of soil resource quali ̄[J].Pedo. sphere,2005,15(5):660—668. [3]陈华,孙丹峰.基于GIS技术的土地评价研究进展[J]. (上接第197页) 表2 Nu变化系统的数值结果与仿真结果 review of models and analytical results[J].Queueing Sys— terns。1992,12(1):3-34. [4]“J,Blumenfeld D E,Alden J M.Compairsons of two—ma. chine line models in throughput analysis[J].International Journal of Production Research,2006,44(7):1375—1398. [5] Meerkov S M,Zhang L.Transient behavior of ersial production lines[J].1ie Transactions,2008,4(3):297—312. [6] Gershwin S B.Manufactuirng sy ̄ems engineering[M].En- gelwood Clifs,NJ:PTR Prentice Hall,1994:59—172. [7]Burman M H.New results in flow line analysis[D].Massa. ellusetts:MIT,1995. [8]梁之舜,邓集贤.概率论及数理统计[M].北京:高等教育 出版社。1988. 参考文献: [1]郑力,陈恳,张伯鹏.制造系统[M].北京:清华大学出 版社,2001:77—120. [9] 江志斌.Pe 网及其在制造系统建模与控制中的应用 [M].jt京:机械工业出版社,2004:97一l17. [1O]孟宪刚,严洪森.基于自学习模糊Petri网的知识化制造系 统采购预测[J].控制与决策,2009,24(3):371—376. [I1]郑大钟,赵千Jil.离散事件动态系统[M].北京:清华大学 出版社,2001. [2]Li Jingshan,Blumenfeld E,Alden M.et a1.Throughput analy・ sis of production systems:recent advances and future topics [J].Intenatrional Journal of Production Research,2009.47 (14):3823-3851. [12]刘勇,王德才,冯正超.离散事件系统仿真建模与仿真策 [3]Dallery Y,Gershwin S B.Manufacturing flow line sy ̄ems:a 略[J].西南师范大学学报,2005,30(6):1019—1025.