装配过程资源的CPN建模与仿真技术研究

王雪平, 蒋增强, 葛茂根, 扈 静

(合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥 230009)

装配过程资源的CPN建模与仿真技术研究

王雪平, 蒋增强, 葛茂根, 扈 静

(合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥 230009)

文章在分析制造业装配过程资源管理准确性及有效性需求的基础上,研究装配过程资源的CPN建模与仿真技术;利用着色Petri网对装配过程建模,通过对构建模型的仿真提取与资源相关的过程数据,进行统计分析,找出影响装配过程资源管理的关键因素,为实现装配过程资源合理、有效的组织和管理提供依据,提高资源管理的准确性和可靠性。

装配过程资源;着色Petri网;仿真分析;资源管理

0 引 言

装配过程资源管理的目的在于减少制造资源的闲置和浪费,提高工人和设备的利用率,优化资源管理。制造资源是企业在生产过程全生命周期中涉及的所有元素的总称,包括企业中具有成本的财产和产品生产周期中所涉及的硬件及软件[1]。

装配过程作为产品生产周期的重要阶段,设备、人力和物料是其最主要的3类制造资源。装配过程资源的管理是在装配过程管理的基础上,提取与资源相关的过程数据,对资源的活动和状态进行统计分析,找出影响装配过程资源有效利用的关键因素及瓶颈,从而采取相应措施,消除瓶颈,达到优化装配过程资源管理的目的。

利用“形式化”模型去描述装配过程,并通过仿真对模型进行分析和优化,为装配过程资源管理提供了一个有效途径[2,3]。

1 装配过程资源建模与仿真方法选择

支持过程建模和仿真的方法有很多种,其中目前较成熟的方法有基于IDEF的建模方法、基于UM L的建模方法以及基于Petri网的建模方法等。

IDEF(Integrated Computer Aided M anufacturing DEFinition)的基本思想是结构化分析方法[4]。IDEF方法是由 IDEF0、IDEF1、IDEF2和IDEF1X等系列组成的一个体系,在该体系中每一系列都从不同角度对系统进行了描述。各个系列的IDEF方法可以通过较为简单的模型对系统进行全面、直观的描述,但该方法由于缺乏对各机构间活动过程信息的精确描述,不能支持过程的动态仿真与分析。

统一建模语言(United M odeling Language,UM L)是关于面向对象的分析与设计语言。UM L是一种图形化的语言,其系统逻辑模型和实现模型都能用图形清晰表示[5],它有事物、联系和图形3类基本模型元素,并提供了功能强大的面向对象的模型元素的定义和表示方法。

UM L是针对软件系统开发的建模语言,主要用于静态的系统功能和过程建模,对于过程的动态仿真与分析比较欠缺。

Petri网是一种图形化表示的组合模型,具有直观、易懂的优点,能较清晰地描述系统的结构,尤其是描述和分析资源并发和冲突的系统有其独到的优越之处。

同时,Petri网又有完善的数学理论基础,因此Petri网不仅可以描述系统的静态结构特性,还能分析其动态行为特性,尤其是各种高级Petri网的提出,极大地提高了Petri网的建模和仿真能力[6,7]。本文将借助Petri网对装配过程进行建模和仿真,从而实现资源的有效管理。

2 着色Petri网

着色Petri网(Colored Petri Net,简称CPN)是原型Petri网的一种高级形式,它在原型Petri网的基础上引入了颜色、时间和层次的概念,实现对网系统的折叠及对系统时间性能的分析,并允许大型CPN中包含一些子网模块从而构成多层次的模型。

着色Petri网较之原型Petri网,极大地缩小了网系统的规模,降低了结构复杂性,具有简洁、清晰的特点[8,9]。

其中,∑是颜色的非空有限集合;P是库所的集合;T是变迁的集合;A是弧的有限集合,满足P∩T=P∩A=T∩A=∅;N是定义 A到P×T∪T×P的节点函数;C是定义P到∑的颜色函数;G是守卫函数,是定义在 T上的表达式,可以满足:

E是定义在A上的弧表达式,满足:

I是初始化函数,是定义在P上的表达式,满足:

3 装配过程资源的CPN模型分析

3.1 问题描述

为了更好地说明装配过程资源的CPN建模方法,以某厂差速器分装线为例,针对设备资源、人力资源和物料资源进一步说明。该差速器分装线由5个工位组成,其装配流程如图1所示。图1中,工位2如果测量判断不合格,垫片将被重新安装且垫片可再利用。

3.2 CPN模型构建

针对实现装配过程制造资源管理的目标,模型根据产品装配工艺,描述从产品上线到装配结束的过程中,对物料使用数量及供应商信息、人员实际工作时间、设备时间及故障信息、在制品质量信息等进行实时采集的过程,最终形成设备、人员、物料、在制品等资源完整的记录信息,用以作为装配过程资源管理的关键数据基础。装配过程资源的CPN模型如图2所示。

该模型中所涉及的主要库所及其意义如下:

(1)起始库所(Start Assembly)和结束库所(Finish Assembly)。模型的输入和输出端口表示装配过程的起始状态和结束状态,它涉及的颜色集定义为:colset PIN=product STRING＊INT timed。

图2 装配过程资源的CPN模型

(2)工位缓冲区(Wait1、Wait2、Wait3、Wait4、Wait5)。表示前一个工位装配结束,进入后一个工位装配之前的等待状态。

(3)人员集合(Workers)。表示装配线操作人员的集合,它涉及的颜色集定义为:colset WORKER=product STRING ＊INT timed。

(4)物料集合(M aterials)。表示装配过程所需零部件等物料的集合,它涉及的颜色集定义为:colset MAT=product STRING＊STRING。

(5)设备集合(Devices)。表示装配线上初装机等设备的集合,它涉及的颜色集定义为:colset DEVICE=p roduct STRING＊INT timed。

(6)供应商信息记录集(Supplier Record)。表示产品所装配零部件的供应商信息数据的集合,它涉及的颜色集定义为:colset SUPR=product STRING＊STRING＊INT＊STRING。

(7)产品质量信息记录集(Quality Record)。表示产品装配过程中质量检测数据信息的集合,它涉及的颜色集定义为:colset QUAR=product STRING＊STRING＊STRING＊STRING。

(8)设备故障信息记录集(Fault Record)。表示装配线设备发生故障的现象、原因等数据信息的集合,它涉及的颜色集定义为:colset FAR=p roduct STRING＊STRING＊STRING。

(9)数据仓库(Data Collection1、Data Collection2)。表示装配过程中产品质量数据和设备故障信息的虚拟仓库,它涉及的颜色集定义为:colset DATC=product INT＊STRING。

4 装配过程资源的CPN模型仿真

以一类产品A、B 2个型号的差速器作为模型仿真实例;以20台差速器的装配计划作为仿真初始状态;质量数据和设备故障信息仓库各选取10条记录作为数据代表;每种物料分别以一条供应商信息作为供应商代表。库所Start Assem bly的初始令牌为该装配计划的产品序列,每当工位1空闲时,便有一台产品上线,此时,模型主要库所处于初始状态。在初始状态下,对模型进行仿真,经过152步的操作后,模型进入最终状态,即20台装配计划全部装配完毕,参见文献[6]。

4.1 资源利用率分析

根据模型结果进行分析,20台装配计划的仿真时间为352单位时间,其中各工位人员和设备的利用率见表1所列。

表1 人员、设备利用率 %

由表1人员利用率数据可知,除工位1以外,其它各工位人员利用率均比较低。若每个工位各安排1人操作,将会导致人员空闲时间较长,出现人力资源的严重浪费。

由表1设备利用率可以看出,工位1(cz)的利用率最高,其它工位利用率则比较均衡。此种现象并不利于装配线节拍均衡及设备资源能力平衡,且工位1的操作工时(15)是所有工位中工时最长的,在仿真过程中亦可发现,工位2时常处于等待状态,因此,工位1即为影响装配线平衡的瓶颈工位,可通过增加设备分担工作量或者调整产品装配工艺的方法来达到消除瓶颈的目的。

根据10次仿真结果,通过计算可以得到模型的平均仿真时间为342.5。

4.2 资源信息统计分析

在设备故障信息的基础上,可对设备故障现象、故障原因以及故障发生率进行统计分析,从而实现对设备整体态势的控制和管理。通过对产品质量信息的统计(如SPC),可以发现产品质量趋势的走向,在此基础上,可对产品装配进行调整,防止出现精度过高或过低的浪费现象,实现对在制品资源的管理。零部件供应商信息及使用数量信息的统计,可实现对零部件供应商信息的追溯及使用状态信息的管理。

5 结束语

结合某厂差速器分装线实例,利用着色Petri网建模技术,构建了装配过程资源的CPN模型,通过仿真对资源利用率、运行时间及资源信息等进行统计分析,使得装配过程中设备、人员、物料等资源的配置和管理更为合理、有效。

[1] 孙 城.制造资源集成管理系统的设计与开发[D].杭州:浙江工业大学信息工程学院,2007.

[2] 扈 静,蒋增强,葛茂根,等.基于改进遗传算法的混合装配生产线平衡问题研究[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2010,33(7):1006-1009,1019.

[3] 李 春,葛茂根,张铭鑫,等.遗传粒子群算法的动态计划与排程问题研究[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2010,33(1):5-9.

[4] 陈禹六.IDEF建模分析和设计方法[M].北京:清华大学出版社,2000:3-7.

[5] 张龙祥.UM L与系统分析设计[M].北京:人民邮电出版社,2002:17-19.

[6] 林巨广.面向装配过程的可视化制造执行系统关键技术研究[D].合肥:合肥工业大学机械与汽车工程学院,2007.

[7] 刘学程,张 乾,蔡 强,等.基于CPN的维修保障资源配置建模与仿真方法[J].兵工自动化,2009,28(9):33-36.

[8] 吴哲辉.Petri网导论[M].北京:机械工业出版社,2006:181-188.

[9] 梁昌勇,徐 彬,俞家文,等.基于 RFID的汽车总装物料配送过程的Petri网建模与仿真[J].机械设计与制造,2009,(9):203-205.

[10] Szpy rka M.Analysis of VM E-Bus communication protocol-RTCP-net approach[J].Real-Tim e Sy stems,2007,35(1):91-108.

[11] Boucheneb H.Interval timed coloured Petri net:efficient constru ction of itsstate c lass space preserving linear p roperties[J].Fo rm al Aspects of Computing,2008,20(2):225-238.

Research on the technology of CPN modeling and simulating for assembly process resources

WANG Xue-ping, JIANG Zeng-qiang, GEM ao-gen, HU Jing

(School of Machinery and Automobile Engineering,H efei University of Technology,H efei 230009,China)

The technology of colored Petrinet(CPN)m odeling and simulating for assembly process resources is studied based on the analysisof the accuracy and effectiveness requirements in the assembly process resource management.A model for the assembly process is established w ith CPN.Then through the simulation of thismodel,the resource-related data are acquired and statistically analyzed to identify the key factors affecting the assemb ly p rocess resource management.The resu lts can p rovide a basis for the rational and effective organization and management of the assem bly process resources and improve the accuracy and reliability of the resourcemanagement.

assemb ly p rocess resource;co lored Petrinet(CPN);simu lation analysis;resourcemanagement

N 945.12;N 945.13

A

1003-5060(2011)01-0033-04

10.3969/j.issn.1003-5060.2011.01.008

2010-01-19;

2010-08-20

安徽省自然科学基金资助项目(090414154)

王雪平(1985-),女,河北石家庄人,合肥工业大学硕士生;

蒋增强(1979-),男,江苏宜兴人,博士,合肥工业大学副教授,硕士生导师.

(责任编辑 吕杰)