定制化生产下返工系统瞬态分析方法技术方案

本发明专利技术公开的基于不可靠机器、有限缓冲区和定制化生产的返工生产系统瞬态性能分析方法，属于生产系统工程领域。本发明专利技术实现方法为：对返工生产系统进行结构化建模成可供分析的物理模型，然后通过马尔科夫方法对系统状态进行建模；在建模基础上针对不可靠机器、有限缓冲区和定制化生产的返工生产系统定义其六个瞬态性能指标用于评价系统性能；本发明专利技术通过提出一种动态的分解

【技术实现步骤摘要】
定制化生产下返工系统瞬态分析方法


[0001]本专利技术涉及生产系统工程领域，具体涉及一种评估定制化生产下返工系统瞬态性能的分析方法。

技术介绍

[0002]我国在十四五规划中提出要深入实施智能制造和绿色制造工程，发展服务型制造新模式，推动制造业高端化、智能化、绿色化。目前我国高端装备制造业(如航空航天、轨道交通和汽车船舶等)的产品结构和制造工艺过程复杂，配套零件种类、数量众多。高端装备制造生产过程存在技术难度大、多品种、单台套、小批量、变批量等特点，并且在产品种类、订单数量和生产批次上存在不确定性，这使得生产制造过程、协调关系非常繁杂且研制生产周期长，同时质量控制严格且可靠性要求高。面对这些生产过程中的挑战，研究生产系统在定制化生产下的瞬态性能，制定实时控制和调度策略，可以显著提高生产效率和产品质量。
[0003]在智能制造和绿色制造的背景下，工厂中通常有许多不同复杂结构的生产线(装配生产线、返工生产线、闭环生产线和可重入生产线等)来满足不同的实际生产需求。作为其中的复杂结构之一，返工生产线在高价值高精度低产出的制造行业(汽车、半导体和钢铁等)中很常见。在制造过程中，由于不可靠机器或原材料缺陷，有时会出现有缺陷的产品。对于高价值高精度低产出的制造行业，为了有效地利用资源、降低成本和提高生产力，有缺陷的产品被送入返工生产线中进行返工，而不是直接被丢弃。返工生产线有助于提高高价值低产出制造行业的生产力和效率，减少在制品库存，缩短生产周期，并满足客户对生产时间和产品质量的要求。因此返工生产线对制造企业的生产管理、设备的维护及提高生产产品的质量，提高生产利润、增加设备的利用率具有一定的实用价值。
[0004]目前在定制化生产下研究返工生产系统瞬态性能的相关研究很少，对于多品种、小批量的生产模式，传统的稳态分析方法并不适用，尤其是在高端制造业，其生产和调度策略需要实时调整，因此设计一种高效快速的方法来评估返工系统的瞬态性能十分必要。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种评估返工生产系统的瞬态性能的分析方法。该方法首先对返工生产系统进行结构化建模成可供分析的物理模型，然后通过马尔科夫方法对系统状态进行建模。在建模基础上针对不可靠机器、有限缓冲区和定制化生产的返工生产系统定义其六个瞬态性能指标用于评价系统性能。本专利技术通过提出一种分解
‑
聚合算法将复杂的返工系统进行简化，同时所提出的算法可以被生产工程师和管理人员用来高精度地预测返工生产系统的实时性能，并及时制定生产控制策略。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]本专利技术公开的基于不可靠机器、有限缓冲区和定制化生产的返工生产系统瞬态性能分析方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1：对基于不可靠机器、有限缓冲区和定制化生产的返工生产系统进行建模。建模过程包括：确定返工系统参数、确定生产状态数学描述和确定返工操作数学描述。建模过程中需要确定的参数为：机器和缓冲区个数、系统加工周期、机器的效率和缓冲区容量、定制化订单规模；生产状态数学描述包括：机器饥饿状态和机器阻塞状态；返工操作数学描述包括：返工过程描述和返工优先级描述。
[0009]步骤2：基于建立的模型定义生产率、消耗率、在制品库存水平、饥饿率、阻塞率、完成时间这六个暂态性能指标。
[0010]步骤3：对系统结构和系统状态进行分解，将系统结构分解成多条串行生产线，将结构分解后得到的串行生产线进行状态分解，同时构造辅助串行线和辅助单机线来辅助分析。
[0011]步骤4：考虑返工生产系统之间的耦合关系，将辅助串行线和辅助单机线聚合成辅助双机系统。
[0012]步骤5：通过对辅助双机系统来评估原返工系统的瞬态性能，并推导出瞬态性能评估方程。
[0013]步骤1实现方法为：
[0014]步骤1.1：确定机器和缓冲区个数。
[0015]返工系统一共有M+r台伯努利可靠性模型的机器和M+r个缓冲区，系统结构由主线和返工循环组成。在主线上，M台机器按照串行排列(m1→
m2→…→
m
M
‑1→
m
M
)，M
‑
1个缓冲区(b1→
b2→…→
b
M
‑2→
b
M
‑1)位于每两台机器之间。主线上机器m
h
和m
k
(M>k>h>1)分别是系统的合并和分解(检测)机器。在返工循环中，r+2台机器按照串行排列(m
k
→
m
M+1
→…→
m
M+r
→
m
h
)，r+1个缓冲区(b
M
→
b
M+1
→…→
b
M+r
‑1→
b
M+r
)位于每两台机器之间。
[0016]步骤1.2：确定系统的加工周期。
[0017]所有机器m
i
,i＝1,2,3,
…
,M+r,都有恒定和相同的加工周期时间τ，以该加工周期为单位对整个生产过程进行分段，初始时刻为0，进入生产状态后，以τ为单位时间，所有机器在一个单位时间内实现一个加工周期的操作。
[0018]步骤1.3：确定机器的效率和缓冲区容量。
[0019]所有机器m
i
,i＝1,2,3,
…
,M+r,均服从伯努利可靠性模型，机器m
i
在一个加工周期生产出一个工件的概率为p
i
,p
i
∈(0,1),也就是说，在一个加工周期内未能生产一个工件的概率为1
‑
p
i
,参数p
i
被定义为机器m
i
的效率。对于缓冲区b
i
,i＝1,2,3,
…
,M+r,由其有限缓冲区容量N
i
,0<N
i
<∞来表征，每个缓冲区的占有量在一个加工周期内变化最多为
±
1。
[0020]步骤1.4：确定定制化订单规模。
[0021]返工生产系统的加工模式是基于订单规模为B的定制生产。主线上的每台机器一旦加工完成了B个质量合格的的工件就会停止运行。当最后一个残次品被修复后，返工循环中的机器就会停止运行。
[0022]步骤1.5：确定机器饥饿和阻塞状态的数学描述。
[0023]饥饿状态：在一个加工周期开始时，若机器m
i
,i＝2,3,
…
,M+r,处于工作状态，并且机器上游缓冲区b
i
‑1在前一个加工周期结束时容量为空，那么机器m
i
在这个加工周期处于饥饿状态本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于不可靠机器、有限缓冲区和定制化生产的返工生产系统瞬态性能分析方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：对基于不可靠机器、有限缓冲区和定制化生产的返工生产系统进行建模。建模过程包括：确定返工系统参数、确定生产状态数学描述和确定返工操作数学描述。建模过程中需要确定的参数为：机器和缓冲区个数、系统加工周期、机器的效率和缓冲区容量、定制化订单规模；生产状态数学描述包括：机器饥饿状态和机器阻塞状态；返工操作数学描述包括：返工过程描述和返工优先级描述。步骤2：基于建立的模型定义生产率、消耗率、在制品库存水平、饥饿率、阻塞率、完成时间这六个暂态性能指标。步骤3：对系统结构和系统状态进行分解，将系统结构分解成多条串行生产线，将结构分解后得到的串行生产线进行状态分解，同时构造辅助串行线和辅助单机线来辅助分析。步骤4：考虑返工生产系统之间的耦合关系，将辅助串行线和辅助单机线聚合成辅助双机系统。步骤5：通过对辅助双机系统来评估原返工系统的瞬态性能，并推导出瞬态性能评估方程。2.如权利要求1所述的基于不可靠机器、有限缓冲区和定制化生产的返工生产系统瞬态性能分析方法，其特征是步骤1实现方法，具体为：步骤1.1：确定机器和缓冲区个数。返工系统一共有M+r台伯努利可靠性模型的机器和M+r个缓冲区，系统结构由主线和返工循环组成。在主线上，M台机器按照串行排列(m1→
m2→…→
m
M
‑1→
m
M
)，M
‑
1个缓冲区(b1→
b2→…→
b
M
‑2→
b
M
‑1)位于每两台机器之间。主线上机器m
h
和m
k
(M＞k＞h＞1)分别是系统的合并和分解(检测)机器。在返工循环中，r+2台机器按照串行排列(m
k
→
m
M+1
→…→
m
M+r
→
m
h
)，r+1个缓冲区(b
M
→
b
M+1
→…→
b
M+r
‑1→
b
M+r
)位于每两台机器之间。步骤1.2：确定系统的加工周期。所有机器m
i
，i＝1，2，3，
…
，M+r，都有恒定和相同的加工周期时间τ，以该加工周期为单位对整个生产过程进行分段，初始时刻为0，进入生产状态后，以τ为单位时间，所有机器在一个单位时间内实现一个加工周期的操作。步骤1.3：确定机器的效率和缓冲区容量。所有机器m
i
，i＝1，2，3，
…
，M+r，均服从伯努利可靠性模型，机器m
i
在一个加工周期生产出一个工件的概率为p
i
，p
i
∈(0，1)，也就是说，在一个加工周期内未能生产一个工件的概率为1
‑
p
i
，参数p
i
被定义为机器m
i
的效率。对于缓冲区b
i
，i＝1，2，3，
…
，M+r，由其有限缓冲区容量N
i
，0＜N
i
＜∞来表征，每个缓冲区的占有量在一个加工周期内变化最多为
±
1。步骤1.4：确定定制化订单规模。返工生产系统的加工模式是基于订单规模为B的定制生产。主线上的每台机器一旦加工完成了B个质量合格的的工件就会停止运行。当最后一个残次品被修复后，返工循环中的机器就会停止运行。步骤1.5：确定机器饥饿和阻塞状态的数学描述。饥饿状态：在一个加工周期开始时，若机器m
i
，i＝2，3，
…
，M+r，处于工作状态，并且机器上游缓冲区b
i
‑1在前一个加工周期结束时容量为空，那么机器m
i
在这个加工周期处于饥饿
状态且无法进行工件加工。需要注意的是，机器m1不会被饥饿，机器m
h
只有当缓冲区b
h
‑1和b
M+r
的占有量在前一个加工周期结束时都为空才会处于饥饿状态。阻塞状态：在一个加工周期开始时，若机器m
i
，i＝1，
…
，M
‑
1，M+1，
…
，M+r，处于工作状态，机器下游缓冲区b
i+1
在前一个加工周期结束时容量为满，并且机器m
i+1
在加工周期开始处于故障状态，那么机器m
i
在这个加工周期处于阻塞状态且无法进行工件加工。需要注意的是，机器m
M
不会被阻塞。当缓冲区b
k+1
的占有量在前一个加工周期结束时为满并且机器m
k+1
在加工周期开始处于故障状态时，机器m
k
被主线阻塞；当缓冲区b
M
的占有量在前一个加工周期结束时为满并且机器m
M+1
在加工周期开始处于故障状态时，机器m
k
被返工循环阻塞。步骤1.6：确定返工操作的数学描述。经过检测机器m
k
加工后，一个工件有缺陷需要进行返修的概率为α。残次品会被送入返工循环中，如果缓冲区b
M
没有满，质量合格的工...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾之阳，倪泽军，马驰野，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：