Е.Н.
Хоботов,
в.н.с., д.т.н., проф., e_khobotov@mail.ru,
Е.Е. Дудников,
в.н.с., д.т.н., e_dudnik@ipu.ru,
М.А. Ермолова,
асп., ermolova.88@mail.ru,
ИПУ РАН, г. Москва
Рассматриваются методы планирования
и построения расписаний работ для машиностроительных предприятий, на которых сборка
выпускаемой продукции производится на конвейерах. Эти методы основаны на использовании принципов агрегирования информации, что позволяет
сводить решение задач построения расписаний работ большой размерности, к
последовательному решению задач построения расписаний существенно меньшей
размерности.
The planning techniques and operating schedule methods
for machine-building plants with assembly lines for series assembly are considered.
These methods are based on aggregation principles. Such approach are allowed the solving of high dimension
scheduling tasks reduce to solving of sequence of minor dimension scheduling
tasks.
Введение
Задачи и методы
планирования и построения расписаний работ для предприятий машиностроения в
последние годы начинают вызывать повышенный интерес, поскольку их использование
позволяет существенно сократить время выполнения заказов и значительно повысить
эффективность работы предприятий.
Для планирования и
построения расписаний работ на уровне производственных систем и участков уже
разработано большое количество методов и весьма эффективно работающих
программных продуктов [1-3]. Однако из планов работ отдельных систем и
участков, пусть и весьма удачных, не всегда удается сформировать даже
удовлетворительные планы работы предприятий [4-6]. Использование
методов, предназначенных для планирования работ на производственных участках и
системах, не позволяет получать планы и расписания работ для предприятий из-за
большой размерности и сложности возникающих задач [5-6].
Для решения
проблем, связанных с построением расписаний обработки комплектующих деталей на
уровне предприятий, был предложен подход [4], основанный на использовании методов
агрегирования информации, которые позволяют сводить решение задач построения
расписаний работ большой размерности, к последовательному решению задач
построения расписаний существенно меньшей размерности.
Однако в этих
работах не рассматривались методы построения расписания работ для предприятий,
в которых сборка выпускаемых изделий производится на конвейерах, хотя в
промышленности имеется значительное количество предприятий такого типа,
особенно в автомобильной. Особенности работы предприятий
этого типа не позволяют использовать разработанные ранее методы агрегирования
для построения планов и расписаний их работы. Поэтому для построения расписаний
работы требуется существенная адаптация этих методов к особенностям работы
таких предприятий.
В докладе
предлагаются методы, позволяющие строить планы и расписания работ на предприятиях,
использующих конвейерную сборку изделий, с учетом спроса на готовую продукцию и
стоимость ее хранения.
Постановка задачи
Рассмотрим задачу
планирования и построения расписаний работ на предприятии с конвейерной сборкой
продукции, на котором имеются механообрабатывающие и механосборочные цеха, где
наряду с механической обработкой осуществляется сборка узлов и агрегатов для
собираемых изделий.
Информация и данные об узлах, агрегатах и
технологии их изготовления, аналогичны подобной информации, которая описана в [5].
Кратко напомним, что узлы могут собираться на рабочих местах из комплектующих
деталей, которые обрабатываются как в этом же цеху, так и в других цехах
предприятия или закупаются у поставщиков. Сборка узлов каждого типа может
начаться только, когда все комплектующие детали узлов соответствующего типа уже
изготовлены. Агрегаты тоже собираются на рабочих местах из комплектующих
деталей, узлов и менее сложных агрегатов, которые собираются как в данном цеху,
так и в других механосборочных цехах предприятия или закупаются у поставщиков.
Под уровнем сборки агрегата здесь понимается следующее. Если агрегат собирается
из комплектующих деталей и узлов, то назовем этот агрегат агрегатом первого
уровня сборки. Когда агрегат собирается из комплектующих деталей, узлов и
агрегатов первого уровня сборки, то такой агрегат назовем агрегатом второго
уровня сборки и т. д. Каждый узел и агрегат полностью собирается на одном
рабочем месте соответствующего сборочного участка. Предполагается, что сборка
узлов и агрегатов в механосборочном цеху производится последовательно, т. е.
только после завершения сборки всей партии узлов или агрегатов одного типа
может начинаться сборка узлов или агрегатов другого типа.
Для любого изделия известны времена и
последовательность обработки каждой комплектующей детали на всем используемом
оборудовании цеха, размеры партии этих деталей, а также времена переналадки
оборудования для их обработки. Для узла и агрегата каждого типа известны
размеры собираемой партии, комплектующие детали, узлы и агрегаты, время и
порядок сборки, а также времена сборок и переналадок оборудования участка для
их сборки.
Сборка выпускаемых изделий осуществляется на одном
или нескольких конвейерах из изготовленных в цехах предприятия, а также из
закупленных на стороне комплектующих деталей, узлов и агрегатов. На каждом
конвейере осуществляется сборка только «своих» изделий и каждый тип изделия
может собираться только на «своем» конвейере. Количество рабочих мест и время
установки в изделие комплектующих деталей, узлов и агрегатов на этих местах
известно для каждого конвейера.
Важным требованием в организации производств с конвейерной сборкой выпускаемых изделий во многих
случаях является требование об отсутствии или минимизации величины дефицита
производимых изделий. Для выполнения этого требования во время производства
изделий каждого типа целесообразно создавать их запасы, которые следует
расходовать в течение интервала времени, когда выпуск таких изделий прекращен и
производятся изделия других типов.
Для организации производства в этом случае следует
строить планы и расписания работ по выпуску изделий с учетом рыночного спроса
на них, стоимости хранения запасов этих изделий и стоимости переналадок
конвейеров. Планы и расписания работ должны строиться для каждого
производственного подразделения предприятия, быть согласованными между собой и
при необходимости обеспечивать возможность формирования последовательности работ
на каждом рабочем месте. При формировании такой последовательности должен быть
определен порядок и времена начала и окончания обработки каждой детали на всем
обрабатывающем оборудовании, порядок и времена начала и окончания сборки
каждого узла, агрегата и собираемых изделий на каждом конвейере предприятия.
Назовем подобные планы и расписания работ планами и расписаниями работ на
уровне предприятий.
Порядок обработки комплектующих деталей и сборки
узлов, агрегатов и изделий требуется выбрать таким образом, чтобы сократить
затраты на производство и по возможности удовлетворить имеющийся спрос на
производимые изделия.
Принципы планирования и построения расписаний работ
Сборку изделий любого типа, которые собираются на конвейерах, обычно,
начинают, когда на каждое рабочее место конвейера будет доставлено одно и то же
количество комплектов деталей, узлов и агрегатов, предназначенных для сборки
выпускаемых изделий. Это связано с тем, что при разном количестве таких
комплектов на различных сборочных местах конвейера или при неполных комплектах
будет очень сложно обеспечивать ритмичную работу конвейера, организовывать
снабжение мест сборки комплектующими деталями, узлами и агрегатами.
Изготовление комплектующих деталей, узлов и агрегатов для выпускаемых
изделий производится в цехах и производственных участках предприятия.
Количество комплектующих, а также количество используемого для их изготовления
оборудования может быть весьма большим, что приводит к значительным и не всегда
преодолимым затруднениям, когда расписание изготовления комплектующих пытаются
строить с помощью традиционных методов.
В
связи с этим для планирования и построения расписаний работ, выполняемых для
изготовления комплектующих, в данной статье предлагается использовать идею
агрегирования информации. Эта идея состоит в разделении деталей на группы таким
образом, чтобы все детали каждой группы при обработке в одной
последовательности проходили бы производственные подразделения предприятия [4].
Сформированные таким образом группы деталей рассматриваются как обобщенные
детали, а производственные подразделения предприятия, которые при своей обработке
проходят эти группы, рассматриваются как обобщенные станки.
Затем
определяется время обработки всех групп деталей на тех производственных
подразделениях предприятия, где эти группы обрабатываются, т. е. время
обработки всех обобщенных деталей в соответствии с заданной технологией на всех
используемых обобщенных станках. Для этого могут использоваться, как
традиционные методы построения расписаний, так и оценочные модели [1-4].
После
определения этих времен возникает традиционная задача теории расписаний,
связанная с построением расписания обработки обобщенных деталей на
производственном участке, состоящем из обобщенных станков. Для ее решения также
могут быть использованы традиционные методы построения расписаний обработки
деталей (обобщенных) на станках (обобщенных) производственного участка, т. е.
сформированных групп деталей на производственных участках предприятия, что
позволяет получить оценку на время обработки комплектующих деталей на
предприятии.
Сразу же после завершения подготовки комплектующих
и отправки их на конвейер начинается обработка комплектующих для сборки
следующей группы изделий, которая может оказаться как изделиями того же типа,
так и изделиями другого типа.
Будем считать, что в случае работы на предприятии нескольких
конвейеров на каждом конвейере собирается «своя» группа изделий и изделие
каждого типа может собираться только на «своем» конвейере.
В этом случае возникают дополнительные проблемы,
связанные с тем, что комплектующие детали, узлы и агрегаты для изделий,
собираемых на каждом конвейере, приходится изготавливать на одних и тех же
участках предприятия и часто в течение одного интервала времени, а количество
таких комплектующих может быть весьма большим.
Кроме того, размеры партий собираемых изделий
зависят от имеющегося на них спроса и могут постоянно меняться. Это приводит к
тому, что постоянно меняются времена начала и окончания сборки каждой партии
изделий и, соответственно, меняются сроки, к которым должны быть изготовлены
комплектующие для разных изделий.
Поэтому процесс изготовления комплектующих для
сборки каждой партии изделий нецелесообразно связывать с обработкой
комплектующих для других партий изделий, а следует планировать и строить
расписания работ по изготовлению комплектующих для каждой партии изделий независимо.
Для
проведения исследований предлагаемых методов и алгоритмов был разработан
программный прототип системы построения расписаний работ на уровне всего
предприятия. Программный прототип был написан на языке программирования C# и
платформе Microsoft.Net Framework 4. Протитип имеет модульную структуру и состоит из следующих
узлов: модуля генерации исходных данных, модуля просмотра и редактирования
технологической информации, модуля работы с заказами, модуля отображения
расписаний, модуля расчета и построения расписаний, модуля диспетчеризации,
модуля сбора и обработки статистики, модуля формирования «каркасных»
расписаний, модуля формирования отчетов.
Для
хранения данных в системе используется документно-ориентированная СУБД MongoDB. К ее преимуществам можно отнести высокую
производительность при работе с большими массивами данных,
кроссплатформенность, и поддержку асинхронных репликаций,
позволяющих строить масштабируемую отказоустойчивую систему хранения данных.
При
помощи описанной выше системы решались тестовые задачи различной размерности,
которые подтвердили эффективность предложенных алгоритмов для построения планов
работ.
Литература
1.
Bruker P. Scheduling
Algorithms. Leipzig: Springer – 2007. – 371 p.
2.
Конвей Р.В., Максвелл В.А., Миллер Л.В. Теория расписаний.
М.: Наука, 1975. 360 с.
3.
Зак Ю.А. Прикладные задачи теории расписаний и
маршрутизации перевозок. М.: Книжный дом «Либроком»,
2011.
4.
Хоботов Е.Н. О
некоторых моделях и методах решения задач планирования в дискретных
производственных системах // Автоматика и телемеханика. – 2007. - №12. – С.
85-100.
5.
Сидоренко А.М., Хоботов Е.Н. Агрегирование при
планировании работ на машиностроительных предприятиях // Теория и системы
управления. 2013. № 5. С. 132-144.
6.
Сидоренко А. М., Хоботов Е.Н. Планирование производств
с параллельной сборкой изделий. Вестник Московского государственного
технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия «Машиностроение». – 2009. №
3. 100-109 стр.