王小飛 卿 彥 尹志遠 楊 冰

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004）

板式家具板材的備料是生產(chǎn)管理中的一項重要內(nèi)容，直接關(guān)系到整個家具制造過程的生產(chǎn)調(diào)度[1]。板材家具產(chǎn)品樣式種類繁多，板件復(fù)雜多樣。一個產(chǎn)品的加工成型要經(jīng)過備料、開料、打孔、銑型、封邊、包裝等多道工藝[2]。板材備料計劃的不合理會造成原材料浪費，上料環(huán)節(jié)的調(diào)度不僅影響設(shè)備工作效率，也會影響產(chǎn)品生產(chǎn)周期，造成交付延期的問題。鐘洪江等[3]總結(jié)了備料生產(chǎn)環(huán)節(jié)的信息化需求，將優(yōu)化排樣與生產(chǎn)管理相結(jié)合，提高了材料利用率。黃鵬鵬等[4]通過建立關(guān)于最佳物料備料量及暫存區(qū)規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型，并使用精益思想分析方法對備料上料過程進行規(guī)劃，從而求出最佳備料量，解決了企業(yè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力與物料需求不匹配的問題。馮雁[5]提出了在生產(chǎn)波動下，制品最小備料量的數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)了車間生產(chǎn)節(jié)拍與備料的同步化。付宇[6]提出一種融合K-means聚類算法的多準則庫存分類法的庫存策略，解決了煙草企業(yè)備料庫存積壓嚴重的問題。

綜上所述，本文通過對板式家具企業(yè)備料上料問題展開研究，分析數(shù)據(jù)流，建立備料模型與上料模型，并用遺傳算法求解模型。根據(jù)模型搭建數(shù)字備料上料平臺，將數(shù)字化技術(shù)和車間的生產(chǎn)管理相結(jié)合[7-9]，解決了訂單備料上料中板材利用率和設(shè)備使用效率的問題，滿足了大批量訂單生產(chǎn)的需求。

1 研究內(nèi)容與方法

為能更好地對數(shù)字化備料上料平臺展開研究，首先根據(jù)板式家具的生產(chǎn)現(xiàn)狀，構(gòu)建備料模型與上料模型。然后通過遺傳算法求解數(shù)據(jù)模型，模型的表示可以使問題的表述更直觀。

1.1 模型構(gòu)建

1.1.1 備料模型

板式家具的訂單類型中包含了各種不同尺寸的工件，工件所包含的數(shù)據(jù)集合可以表示為：

式中：qi為任一一個工件，個；為工件數(shù)量，上標m表示包含顏色、厚度等信息，個；為工件長度，mm；為工件寬度，mm。

備料模型可以表示為：

備料過程中算法的搭建與優(yōu)化要根據(jù)模型進行。式（2）表示任意的工件面積大于0，也就是表示工件存在；式（3）表示排樣剩余余料的面積，余料長度和寬度的限制范圍；式（4）表示所有排樣工件面積與余料面積之和；式（5）表示板材綜合利用率；式（6）表示求解出的板材數(shù)量小于庫存的板材數(shù)量。

在模型求解過程中，為求解出滿足需求的最大板材利用率，系統(tǒng)會不斷優(yōu)化求解的集合。隨后，將求解出的板材數(shù)量集合與板材倉庫中的庫存數(shù)量作對比，當板材數(shù)量大于庫存數(shù)量時，系統(tǒng)暫緩備料，等庫存補充之后重新安排備料。當板材數(shù)量小于庫存數(shù)量時，系統(tǒng)確認備料計劃，并安排下一階段的任務(wù)。備料數(shù)據(jù)集合則表述為：

1.1.2 上料模型

上料模型可以表示為：

式中：e為電子開料鋸單位時間開料量，n/min；T為電子開料鋸每天的標準工作時間，min；為任一批次板材上料數(shù)量，塊；b為備料區(qū)單位時間備料量，n/min；ti為車輛運輸板材所花費的時間，min，t為電子開料設(shè)備在加工第i+1批次板材時因板材未及時送到而浪費的時間，min；T0為電子開料設(shè)備每天的最大工作時間，min。

式（8）表示板材備料數(shù)量與電子開料鋸每天產(chǎn)能相匹配；式（9）表示電子開料鋸工作時有停機；式（10）表示電子開料鋸每次的停機時間；式（11）表示電子開料鋸每天的最大工作時間。

1.2 模型求解

1.2.1 遺傳算法介紹

遺傳算法模擬大自然中生物進化過程，通過隨機選擇、交叉和變異操作[10]，可以不斷優(yōu)化選擇，搜索過程中自動獲取和積累有關(guān)搜索空間的知識，并自適應(yīng)地控制搜索過程以求得最佳解，在求解復(fù)雜問題時有很強的適用性[11-12]。

1.2.2 算法求解

板材備料模型的求解是為了得到最大的板材利用率，要求輸入備料訂單數(shù)據(jù)，輸出板材利用率與排版結(jié)果。依據(jù)遺傳算法的三大步驟，適應(yīng)性函數(shù)選擇最大值原則[13-14]，首次遍歷選擇面積最大板材，并加入M集合；在剩下的數(shù)據(jù)集里選擇符合要求的數(shù)據(jù)，根據(jù)上次選擇板材的長寬計算出剩余面積，并從中選擇最大的面積作為這次的備料面積；將前面步驟進行迭代，可得到全局最優(yōu)解。根據(jù)模型的求解可以分為以下步驟：

1）導(dǎo)入數(shù)據(jù)：N個d和w，板材的長D，寬W，板材的面積S。

2）初次篩選數(shù)據(jù)：按照最大值原則在N個d和w中，選擇最大的di*wi，并滿足di≤D，wi≤W，di*wi≤D*W，D1=D-di，W1=W-wi。

3）多次篩選：ifW*D1

Or MaxS=W*D1,W=W1

重復(fù)2、3步驟，直至MaxS

板材上料模型的求解是為得到最優(yōu)上料計劃，減少擾動，提高設(shè)備工作效率。執(zhí)行制造系統(tǒng)MES（Manufacturing Execution System）主要進行生產(chǎn)調(diào)度任務(wù)[15]，利用數(shù)字平臺的MES與設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互[16]，系統(tǒng)采集生產(chǎn)過程中的動態(tài)數(shù)據(jù)，做出動態(tài)調(diào)度指令，完成板材上料。

2 數(shù)字平臺搭建

板式家具數(shù)字化備料上料平臺主要用C++語言結(jié)合MFC（Microsoft Foundation Classes，MFC）進行集成，結(jié)合板材備料模型和上料模型，并與MES和ERP等系統(tǒng)進行聯(lián)動。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析兩大部分構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集依靠MES系統(tǒng)的自動數(shù)據(jù)采集技術(shù)。電子開料鋸提供API接口與MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口接通，電子開料鋸內(nèi)部的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）將設(shè)備運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)傳輸?shù)組ES系統(tǒng)[17-18]。MES系統(tǒng)訪問ERP系統(tǒng)中板材倉儲數(shù)據(jù)，備料優(yōu)化數(shù)據(jù)與板材庫存相同步[19]。

數(shù)據(jù)分析：MES系統(tǒng)對采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)和物料數(shù)據(jù)首先進行數(shù)據(jù)清洗，再進行數(shù)據(jù)分類[20-21]。平臺對不同類型進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，使用邊緣計算提高數(shù)據(jù)處理能力，通過自我學(xué)習(xí)完成自我判斷與決策[22-24]。平臺依據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，評估不同生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力，結(jié)合不同生產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝對工單進行上料作業(yè)[25]。

圖1 數(shù)字平臺備料上料框架圖Fig.1 Digital platform material preparation and loading frame diagram

3 數(shù)字平臺測試

數(shù)字平臺搭建完成之后，選擇板式辦公家具企業(yè)A進行數(shù)據(jù)測試。在備料階段，A企業(yè)由人工排產(chǎn)方式組批生產(chǎn)，排列出工單的開料順序。倉庫備料人員根據(jù)工單順序備料。由于無法獲知設(shè)備的開料情況與板材運輸情況，整個備料過程中物料流轉(zhuǎn)不能與設(shè)備保持一致，板材的備料與上料無法同步，電子開料鋸出現(xiàn)等待開料的現(xiàn)象，極大地浪費了設(shè)備資源。備料階段選擇單一規(guī)格板材，沒有考慮板材規(guī)格與板材利用率的關(guān)系，降低了板材綜合利用率。

3.1 板材綜合利用率

板式家具企業(yè)常見板材規(guī)格有3種，1 220 mm×2 440 mm、1 530 mm×2 440 mm和1 830 mm×2 440 mm。隨機選擇20個待備料訂單，首先將訂單用板材優(yōu)化軟件進行排版優(yōu)化，分別選用3種不同規(guī)格的板材測試。為進行對比測試，將20個訂單的數(shù)據(jù)在數(shù)字平臺上進行分析，并把分析結(jié)果發(fā)送至CutRite板材優(yōu)化軟件。測試結(jié)果如表1和表2所示。

表1 單一規(guī)格板材利用率Tab.1 Utilization rate of single specification sheet

表2 數(shù)字平臺板材利用率Tab.2 Sheet utilization rate of digital platform

根據(jù)測試結(jié)果可以看出，在選擇單一規(guī)格的板材備料生產(chǎn)時，板材利用率并不高。選擇1 220 mm ×2 440 mm規(guī)格板材備料時，板材利用率最大為88.46%，而數(shù)字平臺的板材利用率達到了93.96%。原因是板材排樣對工件有顏色、橫縱紋理和尺寸的限制，工件尺寸和板材規(guī)格都會影響板材利用率，不同組合的板材規(guī)格可以優(yōu)化訂單排樣。相比于用單一規(guī)格板材備料生產(chǎn)的方式，數(shù)字平臺對訂單分析選擇不同規(guī)格的板材進行排樣備料，有效避免了因大工件排樣產(chǎn)生的廢料過多問題。

3.2 開料設(shè)備的時間開動率

時間開動率表示設(shè)備的時間利用情況，是設(shè)備使用效率的指標，可以定義為設(shè)備的開動時間與負荷時間之比。電子鋸的時間開動率能代表板材上料的情況。開料設(shè)備在測試中選取兩臺電子開料鋸，A電子開料鋸采用人工備料方式、B電子開料鋸使用數(shù)字備料上料平臺，每天的備料任務(wù)量都滿足電子開料鋸的最大產(chǎn)能。選擇平臺應(yīng)用前1個月的數(shù)據(jù)，摘取連續(xù)15 d的數(shù)據(jù)進行對比分析，采集數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 電子開料鋸開動時間Tab.3 Operation hours of electronic cutting saw

根據(jù)數(shù)據(jù)對比可以看出，電子開料鋸A平均開機時長由12.14 h提高到16.66 h，平均時間開動率由平臺應(yīng)用之前的63.81%提高到平臺應(yīng)用之后的87.67%。電子開料鋸B的時間開動率提高主要原因是，在數(shù)據(jù)平臺應(yīng)用之后解決了備料上料過程的人機不協(xié)調(diào)問題，實現(xiàn)了信息化上料。

圖2 數(shù)字平臺使用后設(shè)備開動時間對比Fig.2 Comparison of equipment operation hours after the digital platform is used

4 結(jié)語

家具行業(yè)正面臨產(chǎn)業(yè)升級，生產(chǎn)制造智能化已成為企業(yè)升級改造的目標之一。針對板式家具企業(yè)備料上料過程中出現(xiàn)的各種問題，筆者經(jīng)過實地調(diào)研，總結(jié)了板式家具企業(yè)備料的現(xiàn)狀與當前面臨的困難，建立了備料模型和上料模型，并進行算法優(yōu)化求解模型，搭建了數(shù)字備料上料平臺，實現(xiàn)了信息采集分析、備料上料的數(shù)字化管理，開料精準派工、制造資源共享，提高了設(shè)備產(chǎn)能，增加了企業(yè)經(jīng)濟效益，提升了家具企業(yè)制造水平。