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制造工程学会国际会议，制造执行系统2015
提高航空工业的装配线平衡和调度方法
摘要
调度和线平衡方法在文献中已经被广泛研究。然而,他们经常属于理论的应用。在空客我们正在经历一种模式变化：从并行到协作工程,设计和工业信息都存储在一个独特的决策单元。这必须包括一个装配站及其约束内部的过程指导信息。尽管PLM工具在航空工业的应用被广泛传播，但是调度和线平衡已经被忽视了很久。在工业化阶段，线平衡和调度方法已经应运而生。这个方法可以回顾和延伸到生产阶段。这种扩展并不简单,因为新的需求和数据需要结合不同的目标和输出来考虑。这项工作的目的是提出这一生产阶段方法的主要特点。 copy;2015年,写作完成。由爱思唯尔出版有限公司出版，这是一个拥有CC BY-NC-ND许可证的公开文章。每次查阅都在介子2015科学委员会的监督之下 关键词:调度,线平衡;航空工具;协作工程
- 简介
调度和线平衡方法在文献中已经被广泛研究。然而,他们经常属于理论的应用。尽管PLM工具在航空工业的应用被广泛传播，但是调度和线平衡已经被忽视了很久。然而,有一个准确和可靠的时间表为过程改进和标准化提供了关键驱动要素。
就线平衡和任务调度而言，它被证明是第一个工业化的最终装配线的方法。它解决了程序开发阶段的线平衡问题。因此,建立了一个方法,以帮助工业化工程师评估设计决策在在整个项目生命周期流水线性能上的影响(包括产品设计、流程、夹具和工具)。
最近，一个类似的方法已经在开发阶段。组合的问题解决了,在两种情况下,任务和他们的作业工人被要求考虑空间、优先级和容量约束。
就结构和解决问题的方法而言，他们是类似的问题。与此同时，他们在最终目标上的区别也被发现了。因此,他们必须处理不同的数据,必须提供不同类型的解决方案,因此必须用不同的方法来解决。这项工作的目的是解释生产阶段的发达方法。
图1总结了不同背景下的这两个调度和平衡方法。在开发阶段,工程团队在初步的解决方案数据在那个阶段(客户需求、工业战略和产品和初步设计流程)的基础上寻找调度和线平衡的方法 。获得的解决方案必须包括iDMU并且作为作为一个起点阶段。在第二阶段,真正的数据可用,而且必须考虑到这些新输入来更新调度和平衡的解决方案。
文章的结构如下:第二节将专注于这个阶段和正在发展中的方法的区别。它使用不同的方法来处理这些变化。第3 – 5节，旨在新方法的描述的建模(第3节),技术(第4节)和数据接口(第5节)的解决方案。最后的结论是在第六节。
2.两种方案的区别
在发展阶段，项目,产品设计,以及工具、夹具和过程都在进步进步。因此，生产线的方法必须致力于持续设计的测试而不是不同的调度方案。 这些模拟必须确保产品和过程有能力应对所有项目生命周期中的需要:从原型到增加和系列产品。
预期的结果将不仅是一个解决方案,而且是一组可行的任务排序,它可以对一系列的指标进行评估，包括使用:空间、时间、工业手段、工具和人力资源。装配方法的使用必须完全由“假设”场景的定义来评估可行解决方案,这些也在2011年被J。里奥斯,f·马斯和J.L. Menendez提到了。
该阶段的输入数据必须来自iDMU更新，但与此同时,工程师必须能够就测试原因对数据进行筛选。因此, 数据的在线实现并不是那么重要。除此之外,一些未知的数据可以使用平均值估计,工作转变也一样。此外,其他细节,比如非常具体的过程约束(例如,一个任务,要做在第一天)可能不知道,不需要考虑。总之,这一阶段的两个主要目标是:
2.1验证产品的设计、流程和工具。建议和检查产品,工具和过程上的必要改变以求得到尽可能稳健的最终装配方案。
2.2 提供生产线所需能力的信息。
由于模拟在那个阶段的重要性,模拟过程工程师(DPE)和欧洲宇航防务集团开发的优化器被用于软件的实现。数据通过iDMU内置的CATIA v5和DELMIA v5提供给软件。离散事件通过使用任务执行来进行仿真,这也是通过DELMIA来集成的。到了生产阶段就意味着产品和生产线定义工作都已经结束了。接下来的目标是从可行的任务中首选一个用作生产基线。
那个时候,确切的关于任务特征、任务之间的约束和负载能力的数据是可以获取的。能够考虑到尽可能多的细节的安排对在实践中保证有关结果是可行的特别重要。为此,一些额外的没有限制开发阶段的考虑已经包括在内。
生产阶段的另一个重要特征是,现在所需的数据分布在iDMU(主要是处理数据)和ERP(主要是产能数据和生产状态)中。
最后,输出的解决方案由一种生产工程师能够理解,也可以用作车间的日常计划的方式定义。这些信息由必须为评估解决方案提供帮助的一系列新的指标来完成。
表1中列出了所有的主要差异
表1开发和生产阶段调度方面的差异
开发阶段 生产阶段
目标 验证设计和预计生产能力的需要 车间水平使用的可行解
输入数据 不精确的 成熟而准确的
数据来源 iDMU iDMU 和 ERP
建模细节 评估场景的必要性 尽可能的详细
总之,生产平衡和调度比起开发阶段的方法，必须处理不同数据源和质量。而且,其目标不是为了评估不同的场景,而是考虑到生产状态，从解决方案中选择一个可行的来实现。因此一套新的方法和工具发展了起来。
3问题模型描述
装配线生产开始时,车站的数量和他们的任务已经定义了。一旦决定,分配的任务站很少改变。结果,这一决定是考虑到时间限制,最大周期时间和最小化资源消费，然后确定一个可行的时间表,每个任务分配一个开始/完成时间以及分配资源。
这种类型的问题被作为调度问题进行了研究。他们类似于一个一般的装配线平衡问题，并且在1999年由布鲁克分类,。他还提出了一种基于符号扩展的alpha;|beta;|gamma;机调度文学推广方案。符号中每个问题的特征是alpha;|beta;|gamma;，alpha;指的是资源环境,beta;的活动特点和gamma;目标函数。
这三个特征发现后,生产阶段和最后组装线之间的差异定义为:
3.1资源环境
空间限制(没有更多的运营商可以同时在一个区)已经考虑在内。人员限制已经被修改。以前,在预料当中的转变下工人的数量都很正常。在生产阶段对工作站的能力有一个准确的认识。因此, 每次不同的转变下工人数量可以是不同的。此外,每个转变的长度可以由用户修改。
3.2活动特征
任务定义：每个活动或任务都是由任务持续时间、操作员和一系列可以执行它的数字运营商来定义的。同时,首选一个运营商是明智的。一直在活动中考虑的一个新的特性是不可抢先的任务。通常,这个任务由于白天能力短缺时期必须在执行期间中断。减少数量的任务一旦开始不能中断,因此必须考虑这个不可抢先的任务。
优先约束：以前的工具包括任务之间一般优先约束的可能性的定义。另外,可以定义相关任务之间最大/最小时间滞后。在详细定义中,非约束也可以出现。正是由于这样的事实, 一些任务无法同时执行,虽然他们做的顺序不是预先定义的。非约束可以在新工具中考虑。除此之外,在某些情况下, 发生在任务组间的优先约束(通用和非并行)已被确定,。为了更好的可用性,可以将任务分组,以便于确定组间约束的优先级。
固定的资源/时间分配。由于工业原因，可能会有一些任务,必须在已知的日期或一组已知的运营商完成。例如:任务高失败风险总是可以为了能够实施纠正措施而不影响周期而安排在第一天。与此同时,两个任务可能会由于学习原因而由同一个操作员来完成。
这种情况下通过允许用户解决起始日期/每个任务的资源分配来考虑。如果这样做,任务不会被启发式调度而且将得到预定的值。
优先级。在某些情况下,我们可能会想要一些任务比其他任务早安排。优先级规则的引用使这成为可能。有两种模式已经得到了发展:一个是任务调度优先级是第一个标准(因此对解决方案有较高的影响),另一个重点是最后的标准之一。工程师必须决定选择哪个解决方案模型。
3.3活动特征
用前面的工具沿工作站的工人数量,周期时间来评估工作负载分布。
在生产阶段,有三个调度平台的主要问题必须回答:
1 -是否有一个可行的解决方案能够在任务周期内并且不超过资源能力来完成所有的任务？如果没有这样的可行解,过程或平台的能力必须审查,来优化之前的计划。
2 -为了符合周期时间，所需的运营商的最小数量是多少?周期时间一旦确定,以使用尽可能少的运营商为标准来安排。在生产调度阶段，为了保证最低的运营成本，经营者的数量仍然可以调整。
3 -如果考虑到每个任务所需的最大/最小数量的运营商，有没有减少所需的运营商数量的必要? 虽然每个任务确定了一系列可能的工人,但是应该使用最优数量,除非在最终的解决方案有一个重大的改进。
这有几个原因:首先,标准化是持续改进的一个重要来源,这包括以同样的方式一个接一个地制造飞机的过程。同时,虽然随着工人数量的增加，时间是线性减少的,但是这是很难实现的。
这三个问题已被译成三种可能的目标函数:
最少的浪费,给运营商提供了可用的最大的工人数量。
更好的工作负载分布。它在整个平台的周期时间内，最小化工人的空闲时间。
更好的工作负载分布,考虑到每班的操作人员可能的最大/最小数量。
在生产调度过程中,用户将在这三个当中选择。通常,第一个解决方案的可行性将用目标函数1来检查。之后,目标函数2和3将被使用而且它们当中的一个解决方案将被选择作为基线。 如果解决方案选择了目标函数3,那么运营商必须告知工作领导生产这种飞机所需的工人数量。
4 解决技术
安排一个NP困难的优化问题,它通常是使用启发式和元启发式算法解决。尽管确切方法只能够解决小实例，但是用启发式和metaheuristic方法求解一般的资源约束的调度问题,以及不同的混合整数线性规划(MILP)模型]仍然得到广泛的研究。 从今以后,选择启发式方法。开发阶段的EADS优化器是基于启发式的使用优先规则:重量等级定位技术(RPWT)来开发的。 这个规则是根据他们的剩余交货时间有秩序的将任务分配给每一个工作站。排序是按升序排列,也就是说,有一个较大的落后领先时间的任务具有更高优先级的规则。
对于新工具，另一个启发式算法已经得到了发展。它使用约束编程已被证明是一种在多个组合优化问题,尤其是调度问题上的有效的方法。另外,它包括几个优先规则，不仅考虑残余交货时间,而且要考虑继任者的数量,所使用的资源(占用资源越多的任务优先级越高),还有由用户定义的任务优先级。
5数据接口
由于使用系列生产,需要改进系统之间的互连水平。在这个阶段,大多数相关信息的调度是成熟的而且使用ERP工具加载。因此,新系统必须能够从ERP中进行在线加载数据。连接到iDMU也很重要。所有的包括在新工具内的数据都同时存储在ERP中并且用于其他应用程序。例如,一个对任务的开始日期有直接影响的材料要求发送到整个供应链。
5.1数据输入
一旦预定平台和MSN被选定，ERP中可用的所有信息(来自iDMU或其他来源)将自动加载到工具。其他数据,尽管已经在iDMU中定义过了，也要在工具上直接显示。就是这种情况，例如平台的周期时间，任务分配区域和优先约束。 这些数据可以使用数据表调度工具直接加载,然后使用Excel文件或PERT图来寻找优先约束。
IDMU ERP:代表数据由iDMU提供给ERP和从ERP传输给调度工具 。
ERP:代表数据来自ERP而不是以前从iDMU中得到的。
工具:代表的是用户调度工具中所包含的数据。这中间,有iDMU数据,工业需求等。
5.2 数据输出
调度过程的输出包括分配每个任务的开始/结束日期和一些运营商必须执行的工作。这些信息需要从三个主要方面获得:
发送到ERP,提供准确的信息任务的数据以及材料和资源需求 。
表示为一组能够详细研究解决方案指标和图表。
组织在一个可以帮助在车间层面实现解决方案的可视化输出。
一旦所有相关参与者接受
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