基于eM—Plant的生产线人员优化配置方法

崔建亭

摘 要：计算机仿真技术在生产线工艺规划、布局规划和资源配置等方面发挥着非常重要的作用。简要介绍了计算机仿真技术在制造业中的应用，并将产品原则布局生产线人员的配置问题转换成求解最小工作地的问题，着重介绍了用仿真软件自带遗传算法工具箱实现人员优化配置的主要思路和方法。

关键词：eM-Plant；遗传算法；人员优化配置；计算机仿真技术

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.086

近年来，制造技术和自动化技术在迅速发展，但是，人工作业在生产过程中依旧占有较大的比例。对于小批量多品种的生产需求，可利用产品原则布局生产工艺。研究生产线人员的优化配置，对于提高人员的利用率、实现负荷平衡、提高生产效率和降低生产成本具有非常重要的现实意义。

1 计算机仿真技术和仿真软件

仿真是对现实系统的模仿。通过运行模仿的模型可以对相关问题作出评价和决策。在制造业中，仿真技术在缩短生产线规划周期、降低生产成本和提高生产效率等方面发挥着重要的作用。特别是对于处理一些大规模和复杂的制造系统的设计和规划，计算机仿真技术有显著的作用。

现阶段，生产系统仿真软件有Systems Modeling公司的Arena，Lanner公司的Wintness、Flexsim，Software Products公司的Flexsim和Tecnomatix 的eM-Plant等软件。这些软件都是优秀的，面向对象、图形化的集成建模仿真软件，它们可以快速搭建系统仿真模型，通过参数输入快速获得仿真结果，对分析、评价和改进制造系统具有很高的参考性和指导性。其中，eM-Plant又名Plant Simulation，是一款优秀的仿真软件。该软件集成了功能全面的工具箱，可以方便、快速地建立大型的复杂模型。本文基于eM-Plant软件，利用其集成的遗传算法工具解决生产线作业人员优化配置的问题。

2 生产线人员优化配置方法

按照生产布局，主要将其分为产品原则布局、工艺原则布局、成组原则布局和固定位置布局。由于产品原则布局是近年来比较热门的生产布局，所以，本文主要研究产品原则布局的人员优化配置。

对于产品原则布局生产工艺，设备的布置完全是按照产品生产流程确定的。在产品原则布局的生产线中实现人员的优化配置，就是通过合理的安排，将人员最大限度地利用起来，即在给定生产节拍的情况下，实现作业人员最少。如果将每个作业人员的作业任务作为一个工作地，那么，这个问题就可以转化为给定作业生产节拍的生产线平衡问题。生产线平衡就是将所需要的作业任务分配到特定工作地的过程，同时，要满足作业任务先后顺序的约束。人员优化配置的问题可以通过求解最小工作地的方法来解决。

生产线平衡问题可以利用遗传算法求解。eM-Plant仿真软件集成了遗传算法操作工具（GAOptimization）和遗传算法排序工具（GASequence），通过eM-Plant仿真软件可以解决人员优化配置的问题。

运用遗传算法求解生产线问题的主要步骤和思路是：①问题的表述和编码。将问题的特征用编码方式清楚地表达出来，这是GA应用的关键。对于ALB问题，最合适的方法就是采用加工顺序进行编码。在eM-Plant仿真软件中，编码是通过遗传算法排序工具完成的。②选取初始种群。考虑到目标问题的染色体数，即作业任务数，工作地数量远小于作业任务数，所以，可以将工作任务数作为初始种群的大小，通过设置仿真软件遗传算法操作工具的相关参数来实现。③设置适用度函数。模型的存在是为了实现作业人员配置最优化这个问题，为了实现这个目标，不仅需要考虑工位最少，还要考虑每个工位的作业时间大致相同，这样就保证了每个工人的负荷均衡。因此，可以将平衡指数和工位指数2个指数目标作为适用度的目标函数。④设置终止条件，如何选择终止代数，目前没有具体的理论依据。一般来说，当达到一定程度后，解的空间变化不大。一般通过设置最大迭代次数或者规定目标函数的取值范围来终止算法，可以根据具体的问题设置遗传算法工具的终止代数。

平衡指数（Smooth Index，简称SI）主要体现生产线的平衡情况，其公式为：

式（1）中：STj为分配到j个工作地所有任务的时间和；m为工作地数。

工位指数（Machine Index，简称MI）主要体现了工位的负荷平衡，其公式为：

适用度为：

式（3）中：a1为目标的权重，生产效率和工人负荷的权重可以根据需要设置。将适用度的内容用SimTalk语言编写程序，然后再控制选项卡中关联这个程序。

寻优求解ALB问题的过程是：①产生初始编码。②进行工艺约束的检验，交换、调整编码中不符合工艺约束的编码位置，将合理的编码作为父代，经过交叉、变异等遗传操作产生后代，所有的编码都必须经过合理性检验，经过一定的搜索深度得到最优的结果。通过软件输出的最小工作地数量，从而得到最优化的作业人员数量；通过每个工作地中分配的作业任务，得到对应作业人员的工作任务，从而完成生产线作业人员的优化配置。

3 结论

在eM-Plant仿真软件中建立模型，并利用遗传算法工具求解生产线平衡问题，从而解决产品原则布局中作业人员优化配置的问题。这种方法简单易用，可以方便、快速地解决实际生产中的人员配置问题。

参考文献

[1]刘东亮，王凤岐，郭伟.计算机仿真技术及其在生产系统中的应用[J].组合机床与自动，2007（4）：91-93.

[2]方庆琯，王转.现代物流设施与规划[M].北京：机械工程出版社，2009：113-154.