摘 要：智能制造是当今世界制造业发展的一个重要机遇，也是我国制造业的一个重要机遇。虽然智能制造是一个大的体系概念，它的内涵也在不断演变，但是它的发展最终目的却是为了提高生产效率、提高产品质量、节约能源、提高生产成本、优化物质资源、提高企业的核心竞争力。装配生产是企业的核心，它直接关系到产品的生产效率和质量。基于此，提出了一种基于自决策、自适应等智能特性来实现装配线均衡与物流调度的最佳控制。
引言
制造业作为实体经济的重要支柱，是当今世界各国迅速发展的动力之源，也是一个国家综合实力的一种体现。混流装配线的出现，促使以组装生产为主导的生产企业从单一品种生产向多品种、小批量生产转变，从而增强了对市场需求的反应能力[1]。装配线的均衡与物流规划是装配制造企业面临的两大关键问题，对需求不确定性、不确定的装配线均衡、装配线动态和物流调度的协调优化进行了探讨，从而对装配车间的生产平衡和物流调度进行了控制，满足装配制造企业面向智能制造发展的自决策、自适应等智能化产业需求，对提高企业效率及快速响应市场需求变化的能力，实现可持续生产与发展具有非常重要的理论研究意义和应用价值。
1 面向智能制造的生产控制系统特征分析与框架设计
随着各国制定了有关制造业的发展规划，以及物联网、人工智能等先进技术与制造业的融合，智能制造受到了越来越多的重视。智能制造的实施流程面向产品的全生命周期，涵盖了所有的生产活动，其中智能生产是其核心和基础，而智能制造的控制方式和方式则是其实现的关键。在此基础上，本文从智能制造的特征出发，探讨了面向智能制造的生产控制系统的主要特征、运行模式等，选择了关键的装配环节作为其应用场景，设计了面向智能制造的装配车间生产控制系统总体框架，并对某装配流水车间进行现状分析，为后文的理论和应用研究提供基础和切入点。
2 面向智能制造的生产控制系统特征分析
2.1 自感知
由于传统的制造工艺中存在大量的信息孤岛，不能实现实体世界的完全互联，而随着传感技术、IOT等先进的信息技术的快速发展，人们可以对制造过程中的实体资源进行有效的感知和整合，从而使企业的生产过程变得透明。
2.2 自决策
传统的基于人的决策模型已经不能适应智能制造环境下的生产控制需求。自主决策是指在装配、物流配送等生产活动中，对有限的实体制造资源进行优化配置，并根据生产任务的要求（目标函数、约束条件等）来实现对特定问题的最佳匹配[2]。
2.3 自适应
在生产中，生产效率受到了一定程度的影响。自适应技术是对生产、加工过程中的环境、资源状况进行实时监控，在出现问题后，可以迅速、积极地识别出生产中的异常和扰动，并根据规则、知识库、智能算法等自动调节控制和排程，从而降低或消除由生产扰动引起的影响。
2.4 自执行
精确执行是生产控制的一种物理实施方式，由资源感知为实施提供基础，由智能决策为实施提供依据。
2.5 自组织
自组织是指一个系统中的子系统在没有外部命令的情况下自动形成、保持和演化为某种特定的结构和功能。它的实质是由系统内部的动态机制自发地由无序向有序、由低级有序向高有序不断发展的过程。在智能生产控制流程中，采用自组织方式实现了对资源与任务的虚拟化，实现了对资源的优化分配与实施，并根据生产过程中的反馈信息对各种干扰进行调整，从而实现了稳定的生产。自我组织可以被视为上述特性的集合。从以上几个方面可以看出，从决策到自适应，是实现智能制造的关键。该模型体系结构生动地描绘了车间层面的自主决策与适应性操作模式。车间内的实体制造资源是企业自主决策的基础，不同类型的车间具有不同的生产任务，针对不同的作业要求，设计出相应的优化算法，以最大完成时间、能量消耗等为目标函数，并通过智能算法求解出最佳的调度策略[3]。自适应是对生产过程中的干扰进行识别和处理，当干扰事件属于基础干扰时，可以按照规则进行调节，当干扰事件是复杂干扰时，通过智能算法进行再分配，以尽量减少干扰对生产过程的影响。通过将自主决策、自适应再结合感知、实施等方法，实现了车间的闭环优化，从而使生产和制造企业的生产效率得到了显著的提升。
3 面向智能制造的生产控制系统框架设计
3.1 生产控制系统应用对象
本文从宏观上描述了车间层面的自决策与适应性模型，因为制造业中的车间类型很多，其制造任务要求和制造扰动也各不相同，因此必须针对这些问题进行具体的分析，并制定相应的优化算法。因此，本文将以关键的组装车间作为研究对象，通过实例验证了其在装配流程中的应用，从而达到了自决策、自适应生产控制的目的。
3.2 装配车间生产控制系统框架设计
装配车间生产管理系统的总体架构可划分为4大块，其中底层的数据资源是支撑整个系统的基础；软件和硬件平台是软件开发的基础，它直接关系到整个系统的开发效率；该系统的核心功能是通过对装配车间的实际问题进行分析，在存在需求不确定性的情况下，建立一种考虑到工作时间的随机波动的装配线均衡问题的数学模型，并通过设计一种智能算法，对装配线的均衡问题进行优化，并利用该方法对装配线进行优化，从而指导流水线的调度，通过对现有的物流调度方法的研究，使其能够在出现生产干扰的情况下进行重新均衡和调度，使生产企业能够迅速地对市场需求的变化做出反应；该系统可以直观地显示上述的结果，并可以完成车间的订单和材料的管理，从而有效地控制组装车间的流水线均衡和物流分配。
3.3 某装配流水车间概况
总装流水生产线主要包括3个环节：混流生产线系统、物流系统和仓库系统。该混合流水线系统主要包括一条装配流水线，该流水线采用双速链条作为驱动机构，包括12个工作站（其中两个工位是非装配生产工位，它们位于电气控制柜附近，分别是材料和下线，另外10个工位是装配车间）和一个产品质量检验室；该物流系统主要包括两辆全自动导向 AGV小车和一条布设于混合生产线和仓库系统的导轨；仓库系统包括五大功能区：原材料仓库、零件缓存区、零件库、自动化立体仓库和机械式仓库。
3.4 某装配流水车间业务流程分析
整个生产过程是：①在车间材料短缺时，将原料（零件）从原料仓库搬运到自动分选传送带之前，将零件按类别、数量进行分类，并将其装入多个储存箱中，再由自动分拣传送器将每个储存箱送到缓存区，由系统识别出储存箱的外包装上的标签，从而获得储存箱中的零件类型和数量；②将缓存区中的零件进行分类，然后由 AGV小车运送至零件库，零件库还能扫描该仓库的外包装标签，以决定该产品的当前库存以及存放在该仓库的货架位置，并生成入库信息；③在下达车间生产订单时，根据物料清单信息、工作站信息，确定零件的出库类型及数量，生成出库信息，再由 AGV小车将各工位需要的零件送到相应的工位；④在产品从组装生产线上生产出来后， AGV车会把产品送到成品质量检验区域进行检验，检验后的检验结果会记录在产品的标签上；⑤AGV车将质量检验合格的产品送到成品库，产品与储存箱是一一对应的，产品放进自动仓库后，系统会根据产品标签信息、标签信息、货架编号等信息，为产品选择库提供最新的产品信息；⑥即时级分销商发送订单后，由堆码机器人将货物从立体仓库转移到托盘，完成出库作业。
4 装配线平衡与物流调度协同研究
4.1 装配车间物流系统简介
物流在企业中起着举足轻重的作用，而在传统的企业中，生产与物流往往是相互独立的。本文重点讨论了流水线生产平衡与物流计划的协调问题，并以一个算例对此进行了分析，结果表明，所提出的模型能够有效地改善外环市场的适应性，提高生产效率。AGV主要用于运输零件和已组装好的成品，在缓存区、零件库、组装流水线、从组装流水线到质检区、到自动化立体仓库的整个流程都是 AGV进行的。本文所讨论的物流计划，主要是由 AGV将材料从备件库中运输到不同的位置。AGV的物流与产品运输是在合理的路线规划的基础上，针对车间的具体布置，设计了31个站点，并将站点划分为1-31，分别由1-31号标识，包括充电站点、停靠站点、装配线站点、功能站点等，功能站点为 AGV的倒车和避撞。车间采用 PVC地板警示胶带进行 AGV的行车路线， AGV则通过粘贴在道路上的条形码进行定位。
4.2 装配线平衡与物流调度协同模式
4.2.1 车间动态调度策略。
目前，车间调度问题大多是在静态条件下进行的，但是在实际生产中，由于存在着一定的随机性，因此，车间的工作计划必须具有动态变化的特点。动态调度就是在车间进行静态调度时，如果出现生产干扰，比如设备故障、订单取消等，调度系统可以对车间生产任务进行实时重新调度，从而使生产过程中的各种随机干扰因素得到调整。循环驱动再排是指针对车间内不同的生产周期，周期性地进行全局最优，而不能迅速地解决生产过程的干扰；事件驱动是指在车间受到干扰或影响生产流程时，对原计划进行重新安排的修正，这种方法能及时地解决随机因素，但缺少从全局角度考虑和分析车间作业计划；混合动力系统是将上述两种控制策略结合起来，使其在实际生产中得到最大的应用。
4.2.2 协同模式设计。
针对当前的装配车间物流调度问题，结合车间作业的混合驱动，提出了一种基于流水线均衡和物流调度的协调协调模型。在组装车间的一个生产周期中，通过对订单进行混合流水线的均衡，得出了最优的生产节拍和工位的最佳配置，并根据生产节拍和各个工位的需求，将 AGV的调度分成多个阶段，以确保流水线的正常运行。当生产中出现干扰，例如工作站失效、订单需求变化、产品工艺和工艺时间变化等，根据实际的影响因素，调整混流生产线的生产节拍和配送计划，从而调整 AGV的运输周期。如果将这种协作模型应用到装配车间的各个生产环节，可以让企业迅速、全面地反应
和提高生产效率。
4.3 系统总体设计
4.3.1 系统功能设计。
在对该系统进行需求分析的基础上，给出了该系统的功能架构。本系统由订单管理、物料管理、混流生产线平衡、装配线物流调度、系统管理五大子功能模块组成。订单和材料的管理是整个系统的基本操作，它可以为生产线的生产和物流计划的均衡提供参数的输入；该系统的核心功能是混合流水线的均衡，利用 MATLAB编程的智能算法实现混合流水线的均衡，并在系统的前端显示了工作站的最佳组装方案，从而实现了以智能化为导向的生产控制系统；流水线物流计划是以混合流水线的均衡结果为基础，把均衡结果作为作业顺序的输入，使物流系统的作业效率（AGV的运行路线和作业时间）得到最优解；系统管理包括用户管理，系统简介和用户手册。用户管理是面向管理员的，可以随时更改用户的个人资料，同时也可以通过系统的介绍和操作指导来快速了解用户的操作。
4.3.2 数据库设计。
一个完整的数据库是一个好的系统的基础，它可以把所有的功能模块紧密地联系在一起，因此，数据库的设计就成为整个系统的一个关键部分。订单信息表、物料信息表、工位状态信息表、物料信息表、工位状态信息表、产品优先级关系、时间信息表等，为混流生产线的均衡提供了参数，并在确定了最佳工位的作业分配方案后，通过对装配工艺信息表的匹配，得出了各工位的组装工艺信息，并将其作为物流计划的依据。
5 结束语
在大力发展智能制造的大背景下，对产品制造企业进行多品种、小批量定制、适应市场需求的快速反应等方面提出了更高的要求。针对这一情况，本论文针对在需求不确定条件下，存在随机性的作业时间波动的装配线均衡问题，以及装配线均衡和物流调度协调模型进行了研究，实现了公司的节能减排和可持续发展。
