物流平衡下的虚拟单元构建与调度联合决策——以造船生产为例

Taking the shipbuilding production as a typical case, this subject will focus on the joint decision of virtual cell formation and scheduling, which unfold the research in the single production system with features of large-scale and complex, to propose key organization technology and methods for this production system to realize the mode of VCM. Determining the modeling target between manufacturing system and cell as well as among cells by the analytical target cascading method, then this project will quantitatively describe the independent and shared capabilities of equipment and operators based on the theory of Resource Elements, and build the conversion model of production resources. According to the flexible selection of virtual cellular structure and the dynamic change of production flow network caused by the widely existing phenomenon of "Master many skills while specializing in one" of machine-workers in these enterprises, the nonlinear process design of multi-objective collaborative virtual cellular manufacturing will be proposed. The resource conflict in the formation and scheduling of virtual cell will be solved by the improved Scale-free Dynamic Random Nets' logistics balance model and critical chain technology. Following this, corresponding algorithm will be proposed to determine the optimal joint decision scheme by optimizing the generated formation and scheduling solution globally. Furthermore, to test and demonstrate the suggested joint decision model and method, simulation will be experimented, and then the application to enterprises is discussed. Actually, the research results will have the significance of innovation due to improving and developing the theories and methods of the virtual cellular manufacturing, in addition to this, it will play an important role in the practical application to enterprises.

本课题以造船生产为例，对大型复杂单件生产型企业的虚拟单元构建与调度联合决策问题进行研究，提出这类生产系统实施虚拟单元生产方式的关键组织技术方法。课题将运用目标级联法确定生产系统与单元、以及单元之间的相关建模目标。根据资源要素理论，对设备、人员的独立和共享能力予以定量描述，建立生产资源转换模型。针对该类企业设备-人员"一专多能"现象广泛存在所引起的虚拟单元构成可选择性大、生产流程网络动态变化的特点，研究多目标协同的虚拟单元生产的非线性生产流程设计方法。建立基于改进的无标度动态随机网的物流平衡模型，运用关键链技术消解虚拟单元构建与调度中的资源冲突，提出相应算法，对所生成的构建与调度方案进行并行全局优化，以确定最优的单元构建与调度的联合决策方案。对所提出的联合决策模型和方法并将进行仿真验证和企业应用探讨。所取得的研究成果，将对完善和发展虚拟单元生产方式的理论和方法及在企业的实际应用具有创新意义。

本课题以造船生产为例，以虚拟单元生产方式在大型复杂单件产品生产企业的实施为背景，围绕企业在实施单元生产过程中存在的组织方式与加工对象不匹配、缺乏随生产任务和内部条件变化对单元进行动态调整等问题，进行了虚拟单元构建与调度联合决策问题的研究，取得了一系列成果。完善了基于资源要素的设备及作业人员能力分析的方法。从研究虚拟单元重构建与重调度的动因的角度，分析了单元构建与调度联合决策的影响机理。针对生产瓶颈常常产生且常转移，难以实现生产能力平衡的问题，通过瓶颈识别、缓冲设置、批量分割等问题的分析与解决，提出了基于无标度随机网络和阻塞流理论的虚拟单元物流平衡方法，以期在虚拟单元构建与调度时，使通过生产系统的物流达到平衡，实现生产系统的有效产出最大化。考虑到该类型企业面临多项目并行的生产特点，各个任务之间对生产资源往往存在需求冲突，生产流程、单元构成、任务的网络结构可以进行动态调整，提出了基于复杂网络的资源冲突识别与消解策略，为虚拟单元构建与调度联合决策优化方案的提出提供了支持。建立了考虑构建与调度相互影响的构建-调度联合决策模型，提出了考虑多目标、多路径、多阶段的动态非线性构建与调度的新方法。考虑到新订单陆续到达的生产条件，为了减少频繁重调度给生产秩序造成过多冲击的问题，提出了新的重调度驱动决策方法。并考虑在此生产条件下的事件性扰动所产生的虚拟单元重构问题，提出了具有保持生产稳定性的虚拟单元继承性动态重构与调度的模型与方法。采用实证分析与仿真对所提出的各种策略与方法进行了分析，证明了其可行性和有效性。同时，随着本项目研究的深入，本团队对申报书所提出的研究内容进行了拓展：采用认知与神经人因学的相关研究理论、方法与新技术，深入到作业人员的认知与神经机理的角度与层面，对其生产行为及影响进行了定量描述与分析，为企业实施虚拟单元生产方式过程中的持续高效的劳动组织，提供了相应的理论基础。