Z E SZ Y T Y N A U K O W E PO LITECH N IK I ŚLĄSKIEJ Seria: A U TO M A TY K A z. 119
1996 N r kol. 1339
Piotr P ffiSIK , Jan W ĘGLA RZ Politechnika Poznańska
W IE L O K R Y T E R IA L N E W S P O M A G A N IE P R O JE K T O W A N IA E L A S T Y C Z N Y C H S Y S T E M Ó W P R O D U K C Y JN Y C H Z W Y K O R Z Y S T A N IE M T E C H N IK
S Y M U L A C Y JN Y C H
S treszczenie. W pracy przedstawiono m oduł program ow y służący do wiclokryterialnego wspom agania decyzji projektowych dotyczących elastycznych system ów produkcyjnych (ESP). M oduł ten spełnia rolę interfejsu pom iędzy sym ulatorem E S P a zaim plem entow aną m etodą wielokryterialnego w spom agania d ecy q i. P rogram pozw ala użytkownikowi na w prow adzanie interesujących go kryteriów , w ybiera zbiór rozwiązań niezdominowanych i w spom aga decydenta w w yborze rozw iązania komprom isowego.
IN T E R A C T IV E D E C IS IO N S U P P O R T F O R D ESIG N O F F L E X IB L E M A N U F A C T U R IN G S Y S T E M S U S IN G S IM U L A T IO N T E C H N IQ U E S
S u m m a ry . A softw are package is presented which is designed for m ulticriteria decision support for design o f Flexible M anufacturing Systems. This softw are acts as an interface betw een a simulator o f FMS and implemented multicriteria decision support m ethods. It enables the user to enter desired criteria, chooses a set o f nondom inated solutions, and finally supports the decision maker to choose a com prom ise solution.
1. W stę p
E lastyczne systemy produkcyjne (ESP) od kilkunastu lat pozostają w kręgu zainteresow ań naukow ców i inżynierów z różnych dyscyplin. Głów nym wym aganiem , jakie staw ia się takim systemom , jest możliwość produkow ania szerokiej gamy w ysokiej jakości p roduktów w małych partiach i małym nakładem kosztów. Takie w ym agania pow odują, że projektow anie i sterow anie takich systemów jest bardzo złożonym zadaniem optymalizacyjnym . Zw ykle problem ten dzieli się na cztery podproblemy: projektow anie, planow anie, szeregow anie i sterow anie [1]. Często zdarza się, że ESP nie jest tak elastyczny i efektywny, ja k tego oczekiw ano w założeniach jego inw estorów i projektantów . Jednym z pow odów tego stanu rzeczy je st fakt, że na etapie projektow ania systemu tru d n o je s t przew idzieć faktyczne w arunki pracy tego systemu i w ymagania dotyczące różnorodności
SI P. Piesik. J. W ęglarz
produkow anych elem entów . Z kolei decyzje podjęte na etapie projektow ania m ają kapitalny w pływ na właściwości systemu i z reguły nie m ogą być skorygow ane na etapach późniejszych.
Jednym z możliw ych sposobów polepszenia jakości projektu jest użycie m etod symulacyjnych w celu zbadania zachow ania się systemu w różnych w arunkach [9],
W niniejszej pracy wykorzystujemy program symulacyjny SARA [5], k tóry m oże być stosow any w każdym etapie projektow ania i sterow ania ESP. Program ten m oże ponadto sym ulow ać różne systemy produkcyjne poprzez zmianę jedynie danych w ejściowych, bez zm iany kodu program u. W porów naniu z programam i symulacyjnymi proponow anym i w literaturze [2,3,6] SA RA pozw ala łatwiej zdefiniować konfigurację systemu, um ożliw ia użycie różnych algorytm ów szeregow ania i m a bardziej przyjazny interfejs użytkow nika.
B iorąc pod uw agę w ielokryterialną naturę problem ów projektow ania i sterow ania E SP, proponujem y specjalny m oduł do interakcyjnego wielokryterialnego w spom agania decyzji z w ykorzystaniem program u SARA. M oduł ten je st interfejsem pomiędzy w ybraną interakcyjną m etodą w spom agania decyzji a symulatorem, który pracuje tutaj jako generator rozw iązań.
Interfejs ten jest maksymalnie elastyczny. Korzystając z niego, decydent w prow adza kryteria i w ybiera param etry, które należy optymalizować, a użytkownik m oże naw et zaprogram ow ać w łasn ą m etodę w spom agania decyzji i podłączyć j ą do symulatora.
Z arów no program symulacyjny, jak i m oduł w spom agania decyzji zostały zaim plem entow ane w środowisku graficznym X W indow System, pod k o n tro lą systemu operacyjnego Unix.
W rozdziale 2 zaw arto krótki opis program u symulacyjnego oraz jeg o zastosow ania na w szystkich etapach projektow ania i działania ESP. W rozdziale 3 opisano m oduł w spom agania decyzji. P racę zakończono kom entarzam i i wskazówkam i dotyczącymi dalszych badań w rozdziale 4.
2. O pis program u sym ulacyjnego
2.1. M od u ły składow e programu
Program składa się z następujących modułów:
• m oduł definiow ania ESP,
• m oduł definiow ania zadań dla ESP,
• m oduł spraw dzający popraw ność danych,
• sym ulator,
W ielokryterialne w spom aganie projektowania elastycznych system ów produkcyjnych... 55
• m oduł obróbki danych wyjściowych.
W ym ienione m oduły są napisane w języku obiektowym C++ i połączone w je d n ą aplikację pracującą p o d X W indow System. Poniżej krótko scharakteryzujemy poszczególne m oduły.
M oduł definiowania ESP służy do w prowadzania, edycji i zapam iętywania danych opisujących projektow any system. N a dane te składają się:
• typy maszyn (nazw a, pojem ność głowicy, liczba buforów wejściowych i wyjściowych),
• stanow iska (nazw a, typ, odległość od stacji za- i wyładowczej, zam ontow ane narzędzia),
• palety (nazw a (typ), pojem ność (liczba detali), liczba dostępnych palet danego typu),
• uchw yty (nazw a (typ), liczba dostępnych uchw ytów danego typu),
• narzędzia (nazw a (typ), liczba dostępnych narzędzi danego typu),
• inne zasoby,
• w ózki (liczba, prędkość),
• transportery narzędzi (liczba, prędkość),
• stacje za- i w yładow cze (liczba, czas operacji),
• m ożliw e połączenia transportow e pomiędzy maszynami (m aszyna 1, m aszyna 2, odległość).
M o d u ł definiowania zadań dla ESP służy do w prowadzania, edycji i zapam iętyw ania danych opisujących zadania (tzn. detale do obróbki). N a dane te składają się:
• nazw a (typ) detalu,
• w ielkość partii do jednoczesnej obróbki,
• w ym agany typ palety,
• operacje (num er kolejny operacji, nazwa operacji, czas potrzebny n a w ykonanie, w ym agany typ uchw ytu, alternatywne maszyny, na których operacja m oże być w ykonana, narzędzia potrzebne do wykonania operacji).
M oduł badania poprawności danych sprawdza kolejno, czy spełnione są następujące w arunki:
• istnieje choć jed n a maszyna,
• istnieje ch o ć jedna paleta,
• istnieje choć jed en uchwyt,
• istniejąjakiekoiw iek narzędzia,
• zdefiniow ano detale do obróbki,
56 P. Piesik. J. W eelarz
• żaden detal nie w ym aga nie istniejącej palety,
• istnieje choć je d n a operacja dla każdego detalu,
• żad n a operacja nie w ym aga nie istniejącego uchw ytu bądź narzędzia,
• istnieją m aszyny potrzebne do w ykonania wszystkich operacji,
• żadna w ielkość partii do rów noczesnej obróbki nie przekracza pojem ności odpow iedniej palety,
• podłączono odpow iedni algorytm sterujący,
• m arszruty technologiczne odpow iadają możliwościom systemu transportow ego.
Program m a dw a (w ybierane przez użytkow nika) tryby reagow ania na błędy w ykryte w czasie testow ania popraw ności danych:
• zatrzym uje się na pierwszym wykrytym błędzie,
• spraw dza całość, po czym pokazuje błędy po kolei na liście.
W obu trybach m ożliw e jest autom atyczne wejście w to miejsce w danych, w którym w ystąpił błąd.
Sym ulator służy do uruchom ienia symulacji zdefiniow anego systemu produkcyjnego.
W tym celu potrzebne jest (oprócz zdefiniowania systemu) także zdefiniow anie zadań oraz podłączenie algorytm u sterującego. Podczas symulacji generow ane są (jeśli użytkow nik w łączył odpow iednią opcję) awarie (proces o rozkładzie norm alnym z param etram i zdefiniow anym i przez użytkownika).
Symulacja zrealizow ana jest przy użyciu metody przeglądania zdarzeń, przy czym je st tu ona dostosow ana do obiektowej filozofii programu. Poszczególne elementy systemu są reprezentow ane za pom ocą odpowiadającej im hierarchii obiektów, co znacznie ułatw ia ich organizację. Program głów ny (będący rów nież obiektem) kom unikuje się z nimi za p o m o cą kom unikatów (m essage). Jest to m etoda znana i zalecana w program ow aniu obiektow ym . K ażdy rodzaj elem entów systemu (maszyny, w ózki, palety itd.) jest reprezentow any przez odpow iednią klasę (typ) obiektu. T w orzone są odpow iednie podklasy do reprezentacji np.
maszyn czy zasobów określonego typu. O dpowiednie obiekty (instancje) reprezentują k o n k retn e maszyny, w ózki transportow e i zasoby (tzn. każdy pojedynczy elem ent systemu je st reprezentow any przez instancję obiektu odpowiedniej klasy). K ażdy obiekt reaguje na dw a rodzaje kom unikatów : polecenia (np. dla maszyny załadow anie detalu z bufora na stół roboczy je st poleceniem ) oraz zapytania (np. maszynę m ożna "zapytać", czy m a zajęty bufor, czy jest g o to w a do rozpoczęcia wykonywania zadania itp.). Wszystkie dane na tem at stanu (zarów no aktualnego, ja k i "historii" od początku obróbki) każdego elem entu systemu są pam iętane w
W ielokryterialne w spom aganie projektowania elastycznych system ów produkcyjnych... 57
polach odpow iadającego mu obiektu (instancji). Zatem po zakończeniu symulacji m ożliw e jest przeprow adzenie analizy całego przebiegu.
M o d u ł obróbki danych wyjściowych służy do przetw orzenia danych ("historii") pam iętanych w poszczególnych obiektach. W stępne przetworzenie danych polega jedynie na zebraniu inform acji z ww. obiektów. Oprócz tego możliwe jest zapam iętywanie danych w pliku o raz generow anie raportów tekstowych i wykresów graficznych. N astępnym etapem je st analiza porów naw cza w ybranych przebiegów symulatora. Przebiegi te m ogą być w ykonane w różnym czasie (dlatego potrzebne jest wspomniane wyżej zapamiętywanie danych w pliku) albo rów nolegle przez dwie instancje program u symulującego (należy pamiętać, że program jest przeznaczony do uruchom ienia w wielozadaniowym systemie operacyjnym). M ożliw e jest te ż zaprogram ow anie wielu przebiegów symulacji ze zmieniającym się zadanym param etrem (np. w celu zbadania w pływu liczby palet na pracę systemu). W ów czas najodpowiedniejszym sposobem przedstaw ienia wyników jest wykreślenie wydajności systemu (lub w ykorzystania zasobów ) w funkcji tego param etm .
2.2. Z astosow anie program u SARA w projektowaniu i sterowaniu ESP
Przedstaw iony program symulacyjny może być używany jak o narzędzie w spom agania decyzji na w szystkich etapach projektowania i sterowania ESP. Pozw ala on porów nyw ać różne rozw iązania, dając decydentowi charakterystykę pracy systemu dla każdego wariantu.
N a etapie projektow ania systemu program pozwala łatw o przetestow ać i porów nać różne konfiguracje systemu. Przykładowo, można wprowadzić jako dane liczbę i typy maszyn, a następnie w ykonać symulację dla losowo generowanych zbiorów zadań.
N a etapie planow ania stosow anie m etod analitycznych jest często niem ożliwe lub daje niejednoznaczne wyniki. D zięki symulatorowi możliwe jest porów nanie wydajności system u przy różnych w ariantach decyzji dotyczących obróbki, w tym:
• tw orzenia partii do jednoczesnej obróbki,
• tw orzenia grup maszyn równoległych,
• przydzielania operacji do maszyn,
• przydzielanie palet i uchw ytów do poszczególnych zadań.
N a etepie szeregow ania i sterow ania sum ulator może służyć do porów nyw ania przebiegów systemu z różnym i algorytmami szeregowania w celu znalezienia najlepszego
58 P. Piesik. J. W ęglarz
algorytm u. P onadto m oże być wykorzystywany do monitorowania systemu i testow ania decyzji podejm ow anych w wypadku awarii lub nagłej zmiany asortymentu, co m oże nastąpić w przypadku, gdy do systemu przybywa zadanie o wyższym priorytecie.
3. Interakcyjny m oduł w spom agania decyzji
M oduł ten jest zaprojektow any w celu stworzenia program ow ego interfejsu pom iędzy sym ulatorem a interakcyjną m etodą wspom agania decyzji. K orzystając z tego m odułu, użytkow nik m oże w prow adzić różne kryteria, w tym m.in.:
• czas zakończenia zbioru zadań Cmax,
• m aksym alne opóźnienie zadania Lmccc,
. średni czas przepływ u zadania F
• w ydajność produkcji,
• liczba maszyn,
• liczba w ózków ,
• liczba zasobów (narzędzi, uchw ytów , palet),
• w ykorzystanie m aszyn, w ózków i zasobów.
D la każdego z kryteriów podaje się akceptowalny przedział.
U żytkow nik m oże w prow adzić typy detali do obróbki, a dla każdego typu zdefiniow ać następujące dane: w ielkość partii do jednoczesnej obróbki, wymagany typ palety, operacje (nazw a, czas, typ uchw ytu, alternatywne maszyny, wymagane narzędzia). Podczas procesu symulacji każda z tych w artości m oże być losowo zmieniana w zakresie podanym przez użytkow nika.
K om unikacja pom iędzy tym modułem a symulatorem jest realizow ana poprzez w ym ianę odpow iednich plików tekstowych, zawierających informacje o konfiguracji systemu, detalach o raz ostatecznie wynikach procesu symulacji. Wszystkie pliki m ogą być m odyfikow ane bezpośrednio przez użytkownika za pom ocą w budow anego edytora. W plikach zaw arte s ą następujące dane:
• konfiguracja systemu:
• m aszyny (typy maszyn i liczba maszyn danego typu),
• system transportow y (liczba i typy w ózków oraz g ra f połączeń),
• zasoby (narzędzia, palety, uchwyty),
• dane na tem at detali do obróbki:
W ielokrvterialne w spom aganie projektowania elastycznych system ów produkcyjnych... 59
• typy detali,
• operacje na każdym typie detalu (z grafem ograniczeń kolejnościowych).
B iorąc pod uw agę wymienione wcześniej kryteria, m oduł w spom agania decyzji generuje zbiór rozw iązań dopuszczalnych. Każde rozw iązanie jest konkretną konfiguracją ESP, która potrafi obrabiać wymagane detal zgodnie z podanymi warunkami. R ozw iązania są g enerow ane w następujący sposób:
• liczba m aszyn, w ózków i uchw ytów każdego typu jest zmieniana o 1,
• połączenia transportow e są generow ane stosow nie do w ybranego procesu technologicznego,
• liczba innych zasobów (narzędzi, palet) jest zmieniana o l lub więcej, w zależności od w ybranego zakresu zmienności każdego zasobu oraz wymaganej precyzji; aby uniknąć zm niejszenia precyzji, po pierwszym przebiegu m ożna wykonać drugi ze zmniejszonym zakresem zm ienności,
• w zależności od w ybranych kryteriów, typu systemu i procesu technologicznego, program w ybiera odpow iedni, algorytm z posiadanej bazy algorytmów.
W szystkie w ygenerow ane w ten sposób rozwiązania są w artościow ane z użyciem sym ulatora, a następnie spośród ni ch w ybiera się rozwiązania niczdom inow ane, które są dalej brane po d uw agę w interakcyjnej procedurze wspomagania decyzji.
D o opisanego m odułu m ożna podłączać różne metody w spom agania decyzji.
U żytkow nik m oże zdefiniow ać form at pliku potrzebnego do dostarczenia niezbędnych danych dla program u będącego implementacją odpowiedniej metody. M oduł obsługuje zarów no pliki tekstow e, ja k i binarne. Pom im o znacznej elastyczności tego m odułu przewidujemy, że dla w ielu zew nętrznych program ów będzie potrzebna rów nież postać źródłowa, aby zapew nić p opraw ną autom atyczną w ym ianę danych.
Jako przykład zastosow ano metodę proponow aną w [7], P rocedura interakcyjna je st tu realizow ana w trzech krokach.
S tep 1. (K rok startow y). N a zbiorze rozwiązań niezdominowanych konstruujem y tablicę
w ypłat Z o w ym iarze k x k. Elem ent zjj macierzy Z to w artość kryterium i dla rozw iązania najlepszego z punktu w idzenia kryterium j . Przekątna Z definiuje rozw iązanie idealne, które z reguły nie je st dopuszczalne. W ektor złożony z najgorszych w artości zjj dla danego kryterium tw orzy ‘n ad ir’.
60 P. Piesik. J. W ęglarz
S tep 2. (K rok obliczeniowy). Znajdujemy rozwiązanie niezdom inow ane będące najbliżej
idealnego w sensie funkcji skalaiyzującej (pow iększona w ażona norm a Czebyszewa).
Step 3. (K rok decyzyjny). Rozwiązanie znalezione w kroku 2 prezentujem y decydentowi. Jeśli decydent u zna je za satysfakcjonujące dla wszystkich kryteriów, to zatrzym ujem y się, w przeciwnym razie pytam y decydenta, które kryterium m ożna pogorszyć i o ile, aby zyskać na innych kryteriach. T o pogorszenie jest przetwarzane na funkcję kary, która zostaje dołączona do funkcji skalaryzującej, i w racam y do kroku 2.
5. P odsum ow anie
W niniejszej pracy przedstaw iono interakcyjny, wielokryterialny system w spom agania decyzji dla elastycznych system ów produkcyjnych. System ten składa się z sym ulatora oraz interfejsu do podłączenia metody wspomagania decyzji. K orzystając z tego systemu, użytkow nik m oże stosow ać istniejące lub tw orzyć własne algorytm y szeregow ania i m etody w spom agania decyzji. System m oże w spom agać wielokryterialne decyzje w projektow aniu, planow aniu, szeregow aniu i sterow aniu ESP.
O becnie zaim plem entow ane są tylko podstaw ow e algorytmy szeregowania. Planujem y utw orzenie bazy algorytm ów zawierającej także now e algorytm y dające jednocześnie uszeregow anie maszyn w raz z odpowiadającym mu dopuszczalnym uszeregow aniem transportow ym . Planujemy także zaadaptować inną procedurę interakcyjną bazującą na słabszej informacji preferencyjnej.
LIT ER A TU R A
1. B łażew icz J., E cker K., Schmidt G., W ęglarz J.: Scheduling in C om puter and M anufacturing Systems. Springer Verlag, Berlin 1993.
2. C arrie A S ., A dham i E.: Introducing FM Ss by Simulation. W orking Paper, U niversity o f Strathclyde, 1984.
3. H u rrio n R .D . (ed.): Simulation. Applications in Manufacturing. Springer V erlag, B erlin 1986.
4. Józcfow ska J., Piesik P., W ęglarz J.: RU N SIM - a Tool for Sim ulation o f Flexible M anufacturing Systems. Proceedings o f the Twelfth E uropean M eeting on C ybernetics and System R esearch, W iedeń 1994, pp. 1237-1244.
5. Laskow ski C.: Sym ulator elastycznych systemów produkcyjnych (praca magisterska).
Instytut Inform atyki Politechniki Poznańskiej, Poznań 1996.
W ielokryterialne w spom aganie projektowania elastycznych system ów produkcyjnych... 61
6. Ravi T ., Lashkarl R.S., D utta S.P.: Selection o f Scheduling Rules in FM Ss - a Simulation A pproach. The International Journal o f Advanced M anufacturing Technology, 6, 1991, pp.246-262.
7. Słow iński R., Soniewicki B ., W ęlarz J.: DSS for multiobjective project scheduling.
E uropean Journal o f Operational Research 79, pp. 220-229 (1994).
8. S tecke K .E.: Design, Planning , Scheduling and Control Problem s o f Flexible M anufacturing Systems. Annals o f Opns. Res., vol.3, Baltzer, Base! 1985.
9. Suri R ., Dille J.W .: A Technique for On-line Sensitivity Analysis o f Flexible M anufacturing Systems. Annals o f Opns. Res., vol.3, Baltzer, Basel 1985.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Ryszard G essing W płynęło do Redakcji do 30.06.1996 r.
A bstract
Flexible M anufacturing Systems (FM Ss) have remained in the field o f interest o f engineers and researchers o f various disciplines for over a decade. T he main requirem ent addressed tow ards these systems: ability to produce a wide range o f high quality products in small batches at a low cost, makes their design and control a difficult optimisation problem.
Usually this problem is decom posed into four subproblems, i.e. design, planning, scheduling and control, corresponding to consecutive stages in the FM S's design and operation. In many cases FM Ss are not as flexible and efficient as they w ere expected to be by th e investors and designers O ne o f the reasons is that it is extremely difficult to predict actual dem and and product mix at the stage o f the system design. Decisions made at this stage have a great im pact on the system perform ance and usually can not be corrected by decisions m ade at the next stages. O ne o f the possibilities to improve the quality o f the system design is to use simulation tools to test th e system under various operating conditions.
In this paper w e use a simulation program SARA which can be applied at all stages o f the design and control o f a FM S. M oreover, it can simulate many various production systems by changing only th e input data, not the code itself. In comparison with simulation program s proposed in th e literature, SA RA enables easier definition o f a system configuration (as input data), introduction o f new scheduling algorithms which may be used during the simulation run, and has a m ore user-friendly interface.
W ith regard to the multicriteria nature o f the design and control problem s in the FM S, w e propose a special m odule for interactive multicriteria decision support. In fact, this is a softw are interface betw een an existing interactive method and the simulator w hich w orks as a solving m odule. This interface is designed to be as flexible as possible. Using the interface, the user can even create his ow n decision support m ethods and connect it to the sim ulator. W ith this m odule, the user can enter the criteria and choose desired param eters to optimize.
T he simulation program SARA has been implemented in the Unix X W indow System environm ent, using the C++ language.
