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基于Flexsim的质量保证统一管理仿真平台


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基于 Flexsim的质量保证统一管理仿真平台
Flexsim based unified simulation platform of quality assurance 周 治, 樊树海, 曹 霞, 蒋南云 ZHOU Zhi, FAN Shu-hai, CAO Xia, JIANG Nan-yun
(南京工业大学 工业工程系,南京 210009) 摘 要:大规模定制需要关注预期产品质量及新功能小组的过程质量水平,并提供质量要求会得到满 足的"信任" .给出了基于 Flexsim 的大规模定制质量保证仿真平台总体设计方案,并对其具 体实现进行详细的介绍.开发了自定义 GUI 控制界面进行统一管理,以 FlexScript/C++ 方式 实现其质量保证仿真及质量监控功能;以 E x c e l 结合宏命令扩充其质量管理功能,分别以 Socket 和 ODBC 方式进行实时数据通讯和非实时数据共享.生产前此系统可对生产中可能遇 到的质量问题进行模拟,快速低成本地考察预期产品质量和过程质量,以减少实际生产中的质 量问题.生产中, 又可与采集到的状态数据相结合, 从而转换成一个大规模定制质量监控系统. 关键词:大规模定制;质量保证;质量控制;仿真 中图分类号:TP391.9 文献标识码:A 文章编号:1009-0134(2009)05-0034-04

0 引言
大规模定制(Mass Customization, MC) 是企 业采用技术手段和管理手段实现对每个客户的个性 化定制, 而定制的成本和时间同大规模生产的产品 相一致的一种全新的生产模式[1]. 它的质量系统更 加强调全面质量管理,强调模块内自治, 强调事前 预防;检测方面多用在线检测, 同时也需要采用适 合多品种小批量的统计过程控制; 其质量观从永无 止境的"成为最好"转变为"满足客户任何时间的 任何需要" 它将质量缺陷看作能力的故障, ; 依靠增 强过程的柔性,加入其他有能力的组织, 甚至重新 创造一个全新的有能力的新过程来保证质量缺陷不 再发生[2]. 大规模定制独特性的本质原因在于: 大规模定 制具有订单到达随意性和不可预测性等特点. 在大 规模定制中, 每个用户对特性的不可预测的要求都 被视为一个机会,为实现它, 组织者必须能够不断 生成与之相适应的新的功能小组. 大规模定制需要 关注预期的产品质量, 考察这些新的功能小组的过 程质量水平,并且需要向组织的内部 (组织的管理 者) 和组织的外部 (客户和第三方) 快速低成本地 ,

提供质量要求会得到满足的一种"信任" . 因此, 我们需要建立一个大规模定制质量保证 仿真平台, 在新功能小组的真实生产过程还未开始 时,就在虚拟仿真环境中运作,从而快速低成本地 全面考察预期产品的质量和过程的质量水平, 进行 [2] 内部质量保证及外部质量保证 .

1 简介
Flexsim 是一种面向对象的可视化3D建模仿真 软件, 用于动态离散事件和系统的可视化建模仿真 及监控. 使用Flexsim可解决的3个基本问题为:服 务问题 (要求以最高满意度和最低可能成本来处理 用户及其需求) 制造问题 , (要求以最低可能成本在 适当的时间制造适当产品) ,物流问题 (要求以最 低可能的成本在适当的时间,适当的地点,获得适 当的产品) . 但是, 仅仅依靠Flexsim本身的功能, 并不能满 足构建大鼓模定制质量保证仿真系统的要求. 同时, 现有的各类文献都还停留在 Flexsim 的简单应用阶 段, 也均未涉及到深度客户化开发建立Flexsim的质 量系统的内容[3~7]. 为了建立有效的大规模定制质量保证仿真系

收稿日期: 2008-11-17 基金项目:国家自然科学基金(70801036) ;江苏省高校自然科学基金(07KJB460045) ;江苏省"青蓝工程"项目资助 作者简介:樊树海(1975 -) 男,江苏省南京市人,副教授,博士,研究方向为仿真与虚拟制造. 【34】 第 31 卷 第5期 2009-05

统, 我们对其进行二次开发, 添加相应的用户属性, 并利用它的接口对其功能进行了相应的扩展.

2 方案设计
现设计以基于 Flexsim 的大规模定制质量保证 仿真为核心的大规模定制质量管理平台的整体结构 模型如图 1 所示.

量报告的生成;质量成本分析,核算与管理;质量 数据分布字典管理等[8,9]. 通讯模块负责和大规模定制其它计算机以及数 据库服务器进行数据通讯. 大规模定制质量管理计算机为安装了 Flexsim 的 Windows 图形工作站,通过开发的 Flexsim 自定 义 GUI 控制界面来统一管理所有的功能模块.质量 保证仿真部分采用Flexsim的FlexScript语言. 质量 控制与硬件设备的数据交互可采用FlexScriput/C++ 方式来进行. 管理模块主要通过FlexScript/C++来管 理众多含有宏命令的 E x c e l 报表.通讯模块采用 FlexScript/C++方式, 它与大规模定制其他计算机的 实时通讯采用 Socket 方式,采用 ODBC 接口共享 Oracle数据库.

3 实现
大规模定制质量保证仿真所做的大部分工作是 用FlexScript来实现的, 具体地说, 先要对工件增加 自定义属性——质量标签. 当工件经过某道工序时, 相应的触发器被触发,调用在处理器(机器)中预 先加入的FlexScript程序对该自定义质量标签值进 行按一定分布(多为正态分布)的随机改变.而当 工件到达某些工位 (如检测工位) 以FlexScript 时, 命令将工件的质量参数输出, 并收集到Flexsim中的 表中. 例如,在工件中添加自定义的质量标签—— Quality1, Quality2. 格式如下 : addlabel(involved, "Quality1" ); 添加标签Quality1 setlabelnum(involved, "Quality1" , newvalue1); 设置Quality1值 addlabel(involved, "Quality2" ); 添加标签Quality2 setlabelnum(involved, "Quality2" , newvalue2); 设置Quality2值 仿真结束后, 通过commandlist.h (头文件) 中 定义的excel类别FlexScript/C++语句, 将Flexsim中 的表导出为外部 Excel 表,如: excelopen(str workbook) 打开excel工作簿 excelsetsheet(str sheetname) 设置excel工作表 excelwritestr(row, col, value) excel写字符 excelwritenum(row, col, value) excel写数值 excelclose(save) excel关闭
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图1 平台整体结构模型

大规模定制质量管理计算机的主要功能是:依 照给定的质量方针及目标, 在质量方面进行全面的 指挥和控制组织的协调的活动. 它包含了大规模定制质量保证仿真 / 质量控制 模块, 通讯模块以及和大规模定制质量管理有关的 管理模块. 其中, 大规模定制质量保证仿真/质量控制模块 为其核心模块. 质量保证仿真与质量控制在功能上 存在很多交叉部分,基于同一个仿真模型,进行生 产前的仿真预测以及生产中的监测控制. 具体来说, 质量保证仿真的主要任务是以仿真的形式快速低成 本地提供质量要求会得到满足的 "信任" 在生产前 ; 模拟生产中的各种干扰及故障, 预测将来可能产生 的质量问题并设法进行解决. 质量控制的任务是质 量数据采集, 检测设备, 人员和程序的调度与控制, 生产过程质量监测与控制;在生产中,采集生产设 备的数据,并对生产设备进行监控. 管理模块的任务包括质量方针, 质量计划的制 定,质量指标的分解,综合与分析;检测计划的生 成与管理,检测程序的生成,修改与存贮,检测结 果按零件类或产品类统计分析;产品质量诊断,质

质量控制中的生产过程质量监测与控制包含质 量数据采集过程,需要与硬件打交道,采用 FlexScipt/C++来实现. 管理模块主要通过FlexScript实现管理功能以 及FlexScript/C++中的excel系列命令来管理众多含 有宏命令的 Excel 质量报表.如: excelmacro(str macro) 执行excel宏 通讯模块采用FlexScript/C++ 的Socket 套接 ( 字) 系列命令生成 Socket 服务器, 与大规模定制其 它计算机的Socket客户机进行通讯, 交互一些实时 质量信息.如: socketinit() Socket初始化 servercreatemain(int port) 服务器端创建主连接 serveraccept(int noblocking) 服务器端接收客户连接 serverreceive(connection, buffer…) 服务器端接收 serversend(connection, message) 服务器端发送 servercloseconnection(connection) 服务器端关闭连接 socketend() Socket结束 采用FlexScript/C++ 的ODBC接口系列命令访 问 Oracle 数据库, 通常为一些非实时质量信息 (包 含一些 Flexsim 自动建模的宏命令) .如: dbopen(databasename, command) db 打开 dbimporttable(tablename, startrow,…) db 输入表格 dbexporttable(tablename, startrow, ) … db 输出表格 dbsqlquery(query) db 执行 SQL 查询 dbclose() db 关闭 M C 其它计算机通过各自适宜的方式生成 Socket 客户端,与 MC 质量管理计算机进行实时的 数据通讯,采用各自适宜的方式(不局限于 ODBC 方式) 共享 Oracle数据库. 质量保证仿真的运行如图 2所示:3种工件 (红
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绿蓝表示)自原材料输入起,就添加了各自的 2 种 质量属性——"质量特性 A"与"质量特性 B" ;不 同的工件经过不同的加工工序都会对各自的质量特 性产生不同的影响;最后在接受端进行质量检验, 并对检验结果按照不同的产品和不同的功能小组进 行统计分析, 从而提供这种质量要求是否能够得到 满足的 "信任" 图中的右端为开发的 Flexsim自定 . 义 GUI 控制界面,通过 GUI 控制界面对仿真模型进 行局部显示, 运行情况监测与质量跟踪, 模型控制. 质量控制以及质量管理的其它功能, 都由此自定义 GUI 控制界面统一进行管理.

图2 仿真运行结果

自定义 GUI 包含了运行情况监测与质量跟踪的 功能, 记录了质量警告及质量故障的发生时刻和质 量缺陷的类别.仿真运行结束后,自定义的 GUI 控 制模块自动将Flexsim内部报表导出到外部的Excel 工作表中, 并激活运行相应的Excel宏程序生成所需 的图表,如图 3 所示. 图 3 中,质量特性 A 与质量特性 B 分别被保存 在不同的Excel工作表内. 工作表记录了工件号, 检 验时刻,质量指标值,状态以及备注信息.饼图反
【下转第 62 页】

表1 比较试验结果

化计算及与普通遗传算法得到的结果进行比较, 证 明了本文提出的 H G A 对考虑库存费用的多约束排 产优化问题的有效性. 参考文献:

从表 1可以看出:对比普通遗传算法, 本文HGA 在寻优能力和计算稳定性方面都有较大优势. 但是 由于 HGA 是分两层循环进行优化,这是以牺牲收敛 速度为代价的,因此普通遗传比 HGA 速度快,但是 HGA 对于数量达 170.6 万个产品的大型订单进行排 产,能在 7 分钟之内完成优化,且最优结果比普通 遗传算法节省成本达 11.0%,因此,无论从试验还 是实用角度分析,HGA 优化结果都是令人满意的.

[1] 王小平,曹立明.遗传算法理论, 应用于软件实现[M].西安 交通大学出版社.2002:28-38. [2] Harjunkoskj I,Grossmann I E.A decomposition approach for the scheduling of a steel plant production[J].Computers and Chemical Engineering,2001,25:1647-1660. [3] Lopez L,Carter M W,Gendreau M.The hot strip mill produc- tion scheduling problem:A tabu search approach[J].Euro- pean Journal of Operation Research.1998.106:317-335. [4] 伍晓宇,庄士岳,王志勇,等.一个面向制造业的生产作业计 划调度系统[J].中国机械工程,2002,13(16):1423-1436. [5] Tang LX ,Liu JY,Rong AY,et a1.A review of planning and scheduling systems and methods for integrated steel production [J].European Journal of Operation Research.2000.133:1-20. [6] 钱晓龙,唐立新,刘文新.动态调度的研究方法综述[J].控制 与决策,2001(3):141-145.

4 结束语
本文对考虑库存费用的多约束排产优化问题进 行了描述,提出了优化该问题的分层遗传算法.本 文详细介绍了此算法的原理, 通过一实际订单的优
【上接第 36 页】

映了不同质量状态所占的比例, 其中绿色部分代表 "正常状态" 黄色部分代表 , "警告状态" 红色部分 , 代表"故障状态" .

数据相结合, 转换成一个大规模定制质量监控系统. 参考文献:
[1] Pine II;B.J.;Victor,B.;& Boynton,A.C.;New competitive str- ategies:challenges to organizations and information technology[J].IBM Systems Journal (S0018-8670),1993,32 (1):40-64. [2] 樊树海,肖田元,楼佩煌,等.大规模定制生产质量保证系统 动态网络建模[J].系统仿真学报,2004,16(12):2767-2769. [3] 薛家兵,鄂明成.基于Flexsim仿真的FMS车间级控制系 统开发[J].中国制造业信息化.2007,36(1):38-41. [4] 李新东,程国全.物流系统规划-仿真集成化技术研究[J]. 物流技术2006/12:34-36 [5] 刘利军,阮建敏,谭莲,郑晨升.基于仿真的自动化立体仓库 运行效率研究[J].煤矿机械2006,27(10):66-68. [6] 梁瑞凤,程国全,王转.FLEXSIM在卷烟厂自动化辅料配送 物流系统仿真中的应用[J].物流技术2006/02:28-30. [7] 张卫德,严洪森,徐成.基于Flexsim的生产线仿真和应用 [J].工业控制计算机2005,18(09):46-47. [8] Curtis Bill,Kellmer M I,Over Jim.Process modeling[J].Com munication of the ACM(S0001-0782),1992,35(9):75-90. [9] Girard Philippe,Zhang Li,Gui Degang,et al.Concurrent engi neering and enterprise modeling methodology application in Chinese aircraft companies [C]// International Conference on Information Technology for Business Management (ITBM 2000).

图3 仿真运行报表

4 结论
大规模定制需要关注预期的产品质量, 考察新 的功能小组的过程质量水平, 并且需要向组织的内 部 (组织的管理者) 和组织的外部 (客户和第三方) 提供质量要求会得到满足的"信任" . 因此, 我们建立了一个基于Flexsim的大规模定 制生产的质量保证仿真平台, 在新的功能小组的真 实生产过程未开始前,就在虚拟仿真环境中运作, 从而快速低成本地全面考察预期产品质量和过程质 量.当在实际生产中,它又可与生产中采集的状态
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