设备负载均衡的制造资源优化配置方法

以航空发动机机匣为代表的航空复杂产品加工过程具有加工工艺复杂、加工精度高、加工周期长、零件种类多、批量型特种工艺多的特点，因此常采用混线生产组织模式。制造资源是复杂产品制造过程中的关键要素，制造资源的优化配置可以描述为工序制造任务需求和制造资源能力的动态匹配行为。制造资源优化配置的目标是在-定时间内合理的利用有限的制造资源完成生产任务。

在生产实际过程中，工艺员根据零件特征信息和技术要求完成工艺计划，并不考虑车间设备的状态，经常根据偏好选择加工设备来完成零件的加工。由于在混线生产模式下 ，同-时间内存在多个零件以及多个工艺计划，工艺编制的偏好性会造成加工任务集中在部分设备导致在制造执行过程中形成瓶颈，同时其他设备因为生产任务不足而被闲置，这样造成设备负载不均衡，导致生产效率低下，同时影响到生产任务的按时完成。

目前，关于制造资源优化配置的研究主要集中在以下几个方面：文献 通过寻求最优的产品组合实现制造资源的优化配置，该方法通过调整产品的数量组合使企业获得最大的经济效益，但是在配置过程中对设备负载均衡的考虑较少。文献 通过优化工艺路线和生产计划来优化制造资源配置，虽然该方法在制造资源优化配置方面能够取得很好的效果，但是由于工艺规划和调度问题本身的复杂性，该方法的应用受到-定的限制 ，且优化过程中未将设备负载均衡作为主要研究目标。文献噬 用工艺规划与调度集成的方法来优化工艺规划和调度，由于制造系统的复来稿日期：2012-10-08基金项目：863项目-企业级可视化制造资源智能获取与集成应用技术(2009AA04Z122)；国家 863计划云制造服务平台关键技术主题项目(2011AA040602)；国家自然科学基金资助项 目(61104169)；高等学校博士学科点专项科研基金(2010610212002)作者简介：范泽兵，(1985-)，男，四川人，硕士，学生，主要研究方向：计算机集成制造；李 山，(1975-)，男，陕西人，博士，副教授，产要研究方向：计算机集成制造114 范泽兵等：设备负载均衡的制造资源优化配置方法 第8期杂性和动态变化特性，目前对工艺规划和调度集成的理论研究较多，且该方法在对制造资源进行优化配置方面主要关注的是设备的整体利用率。

综上，现有的研究均没有很好的解决制造资源优化配置过程中设备负载均衡的问题，因此根据工艺规划对制造资源优化配置问题进行数学描述，提出通过建立基于工序需求的设备可选集，在考虑设备负载均衡的条件下，引入免疫遗传算法(IGA)对混流生产线制造资源优化配置问题进行求解。为解决复杂产品生产线制造资源优化配置研究提供了-种新的思路和有效的解决方法。

2制造资源配置问题描述制造资源优化配置可以描述为工序制造任务需求和制造资源能力的动态匹配行为。生产线制造资源优化配置问题可以描述为在任务期内合理的安排现有的制造资源(n台设备)在完成生产任务(生产m种产品)的同时获得较好的经济效率。因此我们对模型做如下假设和界定：同-台设备在同-时间内只能进行-种产品的某-丁序的加T且只有在完成本工序加工以后才能进行下-任务的加工。

产品生产是在同-物理生产线上进行的，因此不考虑搬运等辅助时间，在计算时直接使用零件的定额工时。

对于-个包含m种零件和n台设备的多产品生产线中，设备的负载率以 来表示：) 100% ( 80%) (1)式中：Ca(k)-设备k的可用工时； ( )-设备 k的负载； -设备 的负载率，在实际生产中 -般不大于80%。 反应了制造节点的利用状态，我们用设备负载率的方差 s( )来描述生产线设备负载的均衡状态 ：n(2)1 2) ) 3)式中： -没备的整体利用率， 越大设备的整体利用率越大；s( )- 设备利用率之间的差异，越小表示设备利用率之间的差距越小，生产线设备负载越均衡。研究的目标是使设备的利用率得到均衡，因此求解的目标函数为.s( )。

设备负载均衡的过程。主要步骤为：(1)根据工序需求建立可选设备集；(2)对设备、零件和工艺进行编码；(3)根据编码形成具有可选设备集的编码工艺矩阵；(4)根据约束条件运用 IGA算法对设备的负载进行均衡。

3基于工序需求的可选设备集的构建基于T序需求的可选设备集是在零件加工工艺路线已确定情况下为了均衡设备负载而提出的满足工序工艺和技术要求的设备的集合，可选设备集中的设备根据设备与工序的工艺和技术要求的匹配度进行排序。基于工序需求的可选设备集的建立包含两部分：根据工序需求建立可选设备集和可选设备排序。

根据工序需求建立可选设备集的步骤如下：(1)对工序需求进行描述。用 (u ：，，. )描述T序 pr(件 表示零件i的第 道工序)的需求信息。其中，U 可以包含多个元素，表示此道工序需对多个特征进行加lT。

(2)对设备加工能力进行描述。用 U 与相对应的 12个方面的信息来描述设备加工能力的信息，用 eo(e.，e ，，e12)来表示。

(3)进行匹配并形成可选设备集。用设备加T能力去逐-配工序需求，当出现-个方面不匹配时匹配过程停止，该设备不能完成工序的加工，选择其他可用设备进行匹配。车间所有的可用设备完成匹配后形成该工序的可选设备集 0 (Vp ) ∈能匹配 设备编号集，其中， 表示设备P， 表示设备 完成此工序所需的时间，如工序为车中1 50X50外圆，匹配的结果为 0 (C6130，0.3)，(C63，0.35)，(C65，0.28)。

由于设备之间性能的不同会造成零件在不同的设备上进行加工时会存在质量和效率的差异，为了在生产线设备负载均衡的前提下获得更好的加工质量和效率，我们在选择设备时选择与T序需求匹配最好的设备来完成零件的加工。采用