多故障模式装配线性能评估方法技术

本发明专利技术提出了一种多故障模式装配线性能评估方法，并通过仿真实验对其合理性进行了说明。具体过程为：首先，在原始装配线物料流的基础上引入资金流，构成虚拟装配线，并沿着“物料流+资金流”的方向，将虚拟装配线分解为若干个两机器构件块；其次，建立分解方程，即真实故障率、虚拟故障率、加工速率，求解构件块中虚拟机器的参数；再次，通过一种迭代方法(ALDA)对这些方程进行求解，并最终求得该装配线的性能指标：生产率和在制品数量；最后，通过和仿真实验结果进行数值对比，验证了本发明专利技术的合理性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及制造系统性能评估领域，具体为一种多故障模式装配线性能评估方法，用来评估装配线的平均产出、各缓冲区水平指标。
技术介绍
制造(生产)系统性能评估对生产系统的设计、改进和管理意义重大。实际生产中存在多种不同类型的生产结构，如串行生产线，并行生产线，装配线等。生产过程的统计波动性和加工相依性使得，微小的扰动也会对生产系统产生极大的影响，加剧了制造系统性能评估问题的复杂性，而这些扰动形式在一定程度上可以通过故障形式体现出来。解析和仿真是目前评价制造系统性能的两个重要手段。仿真方法一般面向某个具体问题，成本高，花费时间长，且无法提供通用的解决方案。解析方法一般面向同一类问题，不仅能够快速提供较为一致的解决方案，而且能够深入地揭示系统运作机理。以下重点介绍解析方法的研究现状。生产线建模解析法包括精确建模分析方法和近似建模分析方法：1)精确建模分析方法适合简单的两工作站流水线性能评估，通过构建马尔科夫过程，给出了系统状态稳态概率分布的精确求解方法，并进一步得到性能评估指标；2)近似建模分析方法适合更复杂系统的性能分析，如：多机器流水线，多机器装配线，闭环等，主要有分解(Decomposition)和集结(Aggregation)两种方法。分解方法将原始生产系统分解为多个可以采用精确解析方法求解的子系统，根据各子系统间需满足的流失效方程、流修复方程、流加工方程等关联关系，构建迭代算法求解平均产出(Average Throughput)、平均缓冲水平(Average Buffer Level)等系统性能指标。分解子系统形式一般采用两机器流水线。集结方法采用了与分解方法相反的建模思路，将两机器生产单元近似为单个等效机器，并沿着串行生产线前向和后向递归进行，当聚合方法收敛时，能够获得系统的生产率等性能指标。当前对串行和并行生产线研究比较成熟、成果较多，装配线和闭环系统研究较少，且对装配线研究仍停留在单故障情形，未见多故障模式下装配线建模分析，但实际生
产中装配线往往是多种故障模式。本专利技术针对多种故障模式下装配线建模方法进行研究，并利用所构建模型对装配线进行性能评估，为装配线生产过程管理与控制提供科学的理论依据和分析工具。
技术实现思路
要解决的技术问题针对含有两条流水线(分别加工不同类型工件Ⅰ和Ⅱ)的简单装配线，对其进行建模分析，存在两类问题：装配线分解模型和装配线分解方程的建立：(1)装配线分解模型流水线分解模型是沿着物料流的单一流向，将初始m台机器m-1个缓冲的流水线，依次分解成m-1个两机器单缓冲构件块。然而针对装配线，并不能完全照搬流水线建模方法。这是因为装配线的物料流是多支汇聚装配机的树形结构，即不能用一个流来表示物料流动方向。(2)装配线分解方程与流水线物料流不同，装配线各分支物料流之间存在一定的装配比例η。因此，针对装配线的分解，难以直接采用流水线分解方程提取构件块之间的方程关系。和传统单故障装配线分解方程不同，此处针对多种故障模型，需要更多的分解方程。针对上述问题，本专利技术提出以下解决方案：(1)装配线“物料”+“资金”分解模型分析装配线运作过程，生产线除了存在物料流，同时存在着资金流，两者之间互为前提，互相依存，二者存在流动方向相反，流速大小相同的关系，如图1所示。本专利技术提出“物料流+资金流”分解建模思路，将装配线一支流水线的物料流和另一支流水线资金流组合，构建一条虚拟的“物料+资金”混合流生产线，它具有单一的流向，从而可以按照流水线方法，进行装配线分解建模。(2)含参数η的装配线分解方程在流水线分解方程基础上，通过对装配机引入装配比η，本专利技术提出装配线分解方程，即含参数η的流失效、流修复和流加工方程。另外，给出了针对真实故障和虚
拟故障的不同的分解方程。技术方案本专利技术提出了含多故障模式的装配线性能评估方法，并通过仿真实验对其合理性进行了说明。具体过程为：首先，在原始装配线物料流的基础上引入资金流，构成虚拟装配线，并沿着“物料流+资金流”的方向，将虚拟装配线分解为若干个两机器构件块；其次，建立分解方程，即真实故障率、虚拟故障率、加工速率，求解构件块中虚拟机器的参数；再次，通过一种迭代方法(ALDA)对这些方程进行求解，并最终求得该装配线的性能指标：生产率和在制品数量；最后，通过和仿真实验结果进行数值对比，验证了本专利技术的合理性。(1)装配线描述及假设原始装配线l由两支流水线l1和l2构成，非装配机Mi(i＝1,2…a-1)构成了流水线l1，非装配机Mi(i＝a+1,…m)构成了流水线l2，它们分别生成两种不同类型的工件Ⅰ和Ⅱ，工件Ⅰ和Ⅱ按照装配比η输入到装配机Ma时进行装配，如图2所示。该装配线的系统假设为：·物料流近似为连续的，且在加工和储存过程不会损失；·装配机只装配一种产品，完成装配需要两种不同的物料，且只有当物料符合装配比例关系η时才进行装配；·两种物料分别由两条并行的流水线加工，不同物料从由相应流水线第一台机器进入制造系统，然后通过缓冲区流入第二台机器，直到最后一台机器加工完成后进入相应的装配缓冲区，直至装配完成后离开系统；·缓冲区具有有限的缓冲区容量，制造系统阻塞机制采用服务前阻塞(Blocking Before Service,BBS)的方式；·每个机器可以有多种故障模式(Multiple Failure Modes)，不同的故障种类具有不同的故障率和修复率；·机器的故障是与操作相关的故障(Operation Dependent Failures,ODFs)。因此机器在没有加工操作的情况下(比如饥饿或阻塞)，不会发生故障，且一台机器在
同一时刻只能发生一种故障；·机器无故障时间和修复前时间假设服从参数不同的指数分布，针对不同的故障模式，机器平均无故障时间(Mean Time To Failure,MTTF)和机器平均修复前时间(Mean Time To Restoration,MTTR)不同；·上游缓冲区为空的机器称其处于饥饿(Starve)状态，下游缓冲区饱和的机器称其处于阻塞(Block)状态。装配线所包含的两条并行流水线第一台机器均不会发生饥饿，装配机不会发生阻塞。该装配线性能指标有：·生产率TH(Throughput)：单位时间内产品的产出量；·在制品库存WIP：生产系统中处于待加工状态或在加工状态的产品。(2)装配线分解模型针对上述装配线的分解过程如下，如图3所示：步骤一：在物料流基础上引入资金流；步骤二：由l1的物料流和l2的资金流组合得到一条流向单一的虚拟装配线l′；步骤三：将虚拟装配线l′按照流的方向，分解为一系列两机器构件块l(X)＝{l(X1),l(X2),…,l(Xm-1)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多故障模式装配线性能评估方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：原始装配线l由两支流水线l1和l2构成，非装配机Mi，i＝1,2…a‑1，构成了流水线l1，非装配机Mi，i＝a+1,…m，构成了流水线l2，它们分别生成两种不同类型的工件Ⅰ和Ⅱ，工件Ⅰ和Ⅱ按照装配比η输入到装配机Ma时进行装配；由l1的物料流和l2的资金流组合得到一条流向单一的虚拟装配线l′；将虚拟装配线l′按照流的方向，分解为一系列两机器构件块l(X)＝{l(X1),l(X2),…,l(Xm‑1)}，其中，Xi=MFi,i∈{1,...,a-1},FFi,i∈{a,...,m-1},]]>l(MFi)i∈{1,...,a‑1}，表示关于工件Ⅰ的物料流构件块；l(FFi)i∈{a,...,m‑1}，表示关于工件Ⅱ的资金流构件块；步骤2：参数初始化：将构件块中虚拟机器的参数初始化定义为原始装配线中真实机器相应的参数：μu(Xi)＝μipi,zu(Xi)=pi,z,z=1,...,Zi]]>pk,zu(Xi)=pk,z,k=1,...,i-1,z=1,...,Zk]]>μd(Xi)＝μi+1pi+1,zd(Xi)=pi+1,z,z=1,...,Zi+1]]>pk,zd(Xi)=pk,z,k=i+2,...,m,z=1,...,Zk]]>其中：i为机器编号，机器编号从装配线开口方向顺时针编号，i∈M＝{1,...,a,...,m}，Mi为标号为i的机器；a为装配机编号；对于机器Mi，z为真实故障模式号，z＝1,..,Zi，pi,z为机器Mi在真实故障模式z下故障率；μi为Mi的最大加工速率；Mu(Xi)为构件块l(Xi)的上游虚拟机器，μu(Xi)为Mu(Xi)的最大加工速率；为Mu(Xi)在真实故障模式下故障率；Md(Xi‑1)为构件块l(Xi‑1)的下游虚拟机器，μd(Xi‑1)为Md(Xi‑1)的最大加工速率；为Md(Xi‑1)在真实故障模式下故障率；利用两机器精确求解法求得各构件块的饥饿率、阻塞率和上下游机器的效率；步骤3：递归迭代：步骤3.1：向上迭代，更新上游机器参数：根据公式当i＝2,...,a‑1,a+1,…,m‑1，μu(Xi)=P(Xi-1)Eu(Xi),]]>pi,zu(Xi)=Dzd(Xi-1)Eu(Xi)ri,z,z=1,...,Zi]]>pk,zu(Xi)=Starvek,z(Xi-1)Eu(Xi)rk,z,k=1,...,i-1,z=1,...,Zk]]>当i＝a，μu(FFa)=P(MFa-1)ηEu(FFa),]]>pa,zu(FFa)=Dzd(MFa-1)Eu(FFa)ra,z,z=1,...,Za]]>pk,zu(FFa)=Starvek,z(MFa-1)Eu(FFa)rk,z,k=1,...,a-1,z=1,...,Zk]]>更新所有构件块上游机器的参数，再用两机器精确求解法计算并更新各构件块的饥饿率、阻塞率和上下游虚拟机器的效率；其中P(Xi‑1)为流入的物料流，Eu(Xi)表示上游机器Mu(Xi)的加工效率，为下游机器Md(Xi‑1)真实故障概率，ri,z为机器Mi在真实故障模式z下修复率，Starvek,z(Xi‑1)为下游机器因为上游机器故障而导致的饥饿概率；步骤3.2：向下迭代，更新下游机器参数：根据公式当i＝m‑1,...,a+1,a‑1,…,2,μd(Xi-1)=P(Xi)Ed(Xi-1)]]>pi,zd(Xi-1)=Dzu(Xi)Ed(Xi-1)ri,z,z=1,...,Zi]]>pk,zd(Xi-1)=Blockk,z(Xi)Ed(Xi-1)rk,z,k=i+1,...,m,z=1,...,Zk]]>当i＝a，μd(MFa-1)=ηP(FFa)Ed(MFa-1)]]>pa,zd(MFa-1)=Dzu(FFa)ηEd(MFa-1)ra,z,z=1,...,Za]]>pk,zd(MFa-1)=Blockk,z(FFa)ηEd(MFa-1)rk,z,k=a+1,...,m,z=1,...,Zk]]>更新所有构件块下游机器的参数，再用两机器精确求解法计算构件块的饥饿率、阻塞率和上下游虚拟机器的效率；其中P(Xi)为流出的物料流，Ed(Xi‑1)表示下游机器Md(Xi‑1)加工效率，为上游机器Mu(Xi)真实故障概率，Blockk,z(Xi)为上游机器因为下游机器故障而导致的阻塞概率；步骤4：判断收敛条件ε＜10‑5是否满足，若满足则终止，否则返回步骤3；其中步骤5：当迭代结果收敛时，输出该流水线的平均产出和缓冲区平均缓冲水平。...

【技术特征摘要】
1.一种多故障模式装配线性能评估方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：原始装配线l由两支流水线l1和l2构成，非装配机Mi，i＝1,2…a-1，构成了流水线l1，非装配机Mi，i＝a+1,…m，构成了流水线l2，它们分别生成两种不同类型...

【专利技术属性】
技术研发人员：王军强，闫飞一，崔鹏浩，崔福东，范国强，胥军，杨宏安，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61