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支持RFID的实时动态操作和物料流控制的精益制造
Muawia Ramadan, Mohammed Alnahhal and Bernd Noche
摘 要 在过去的十年里，由于射频识别技术（RFID）较比其他数据捕获系统有明显的优势特性，所以实现RFID技术在实际生产中的应用的趋势正在逐步上涨。但是，采用RFID技术仍然无法覆盖当今生产环境中的各个方面以及生产所需。本研究探讨了RFID在智能精益生产制造的可持续性以及精益数字化工厂中发挥的重要作用。本文重点在于拓展从价值流这一观点上利用RFID系统的作用 实现追踪监控智能精益生产作业的智能化、实时化控制。因此，为了实时监控生产车间（PSF）的进行，提出来一个基于实时RFID的动态价值流程图（DVSM）技术以克服价值流程图（VSM）的缺陷。DVSM是一种基于计算机的实时精益工具，它包含了不同的实时操作控制模块和分析函数以支持LM实践并实现精益目标。为了支持LM目标而通过DVSM运行的实时模块这样的例子是可行的，它被称为实时调度优先级发生器（RT-DPG）模块。RT-DPG包含不同的物料流控制规则，并在不可预测的动态生产环境中对物料流进行实时优先级排序。因此实时调度优先级将更加实际和准确地生成匹配基于“节拍时间”的负载均衡计划，并增加生产平滑度以减少总循环时间。
关键词 射频识别、精益生产、动态价值流程图、调度规则、生产车间
引言
在全球市场上日益增长的产品定制化正在为制造业创造更多的工作车间环境（Velaga，2012；Zhong等人，2013）。在任何的作业车间中，高定制化的产品都会按照其路径中指定的顺序通过一系列的空间站，并且他们可能会在这些工作站上的等待所需要的资源。在整个价值流中，产品的总等待时间通常构成生产提前期的一个主要部分，并在最低水平中起着关键的作用（Velaga，2012）。在LM目标下，将这种不符合需要的时间比作附加价值或者处理时间将会给那些特别是高混合和小批量生产的场所带来巨大的冲击（Rother amp; Shake，2013）。
在这一方面，可视性较差的PSF和生产过程中较频繁的干扰（如机器故障、零件意外缺失）都会使准确预测工作进度变得很难。这类像客户订单延迟、物流错误、高水平的在制品（WIP）库存等干扰都会阻碍制造商实现精益目标。此外，许多LM实施方面的专家一致认为精益失败的常见原因倾向于将基于旧状态下的错误及解决方案应用于当前问题（Pavnasker等2013）。这是指PSF上的物理活动与相关信息流之间存在严重的时间间隔，这是由于快照VSM和实时可视性较差造成的（Zhong等，2013）。为了克服这些挑战，射频识别（RFID）被提议出来并支持自动/智能实时数据捕获，旨在填补PSF材料流和操作进度上的时间差并和相关信息流联系起来（Guuml;nther等，2008；Chongwatpol amp; Sharda，2012； Baudin amp; Rao，2015；Blanchard，2009）。此时，RFID取代了条形码和其他基于纸张的数据采集系统，以减少扫描时间相关的人为错误。
本文从价值流的角度出发，探讨了如何通过基于DVSM的射频识别技术实现LM目标（如最小在制品水平、客户零交货期、无延迟订单、充分利用、零缺陷等）（Hopp amp; Spearman，2008），提高PSF的实时可视性，并为决策者提供完整、准确、实时的当前状态信息。此外，本文还通过一个示例模块（即RT-DPG）描述了如何利用既是追踪工具又是实时决策工具的DVSM来构建多个实时控制模块，以生成实时的决策。RT-DPG模块开发的目的是在正常状态下设置最佳调度方案【例如先进先出（FIFO）】，或者在中断期间生成最佳调度序列，以优先处理前一个超市或队列上的等待WIP，并在下一个工作站进行处理。这将增强实时看板控制，并满足负载均衡调度，从而满足客户的需求。该模块的工作逻辑依赖于对PSF实际状态的检查，并根据所构造的控制规则生成最优调度序列。这样，可以预先避免干扰及其后果所带来的影响。通过使用RT-DPG，目的将降低价值流沿线的在制品库存水平，消除由此产生的浪费，从而显著缩短生产提前期，优化利用资源。
文献综述
调度规则在减少总提前期和满足生产计划和调度方面起着至关重要的作用（Zhong等，2012）。调度优先级的重要性在于减少生产线的可变性，减少工作站前的作业等待时间，提高资源的利用率，提高生产的平稳性（Bohnen等，2013）。但在现实中，由于生产的不断变化，并没有一个具体的调度规则始终有效（Hopp amp; Spearman，2008）。
通常，LM中的调度安排使用的是基于“节拍时间”的负载均衡箱来支持看板的工作并增强“单件流”以实现“平稳生产”，从而满足客户需求。然而，在当今高动态和高定制化的生产环境下，很难满足负载均衡制度的实施，这是因为它与同时生成的、具有不同到期日、优先级、工艺路线、工艺时间、资源和材料要求的高混合和低批量订单的生产环境无关。（Velaga，2012）。在管理此类环境下的运营中，一个主要困难可能是缺乏准确并且全面的时间敏感数据和信息（Chongwatpol amp; Sharda，2012）。
近十年来，射频识别技术以其独特的特点和优于其他汽车识别技术的能力（如，无直视可操作性、快速读取率、高数据存储容量等），在许多工业领域，尤其是条形码技术在消除导致不完整、不准确和不及时信息的被视为误导信息相关人为错误上，获得了广泛的关注，（Huang等，2009；Visich等，2009）。RFID在物流、供应链、制造、仓库管理、质量、维护等领域的应用情况已经开始被着手调查（Mueller amp; Tinnefeld，2008；Chen等，2009；Shi等，2009；Sabbaghi amp; Vaidyanathan，2008；Attaran，2007）。为了提高实时自动数据采集系统的数据粒度和有效性，一些研究（Jiang等，2010；Brintrup等，2010；Ruhanen等，2008；哲坤等，2004）调查了RFID传感器集成化的可能性，如速度、力、振动、位移传感器等，并收集设备相关数据、测量工具和WIP相关质量数据。
在动态生产调度中，很少有研究（Zhong等，2012，2013；Hozak amp; Collier，2008）将RFID的强大特性应用于的调度优先级方法中。例如，（Zhong等，2012）提出了一种基于RFID实时PSF数据生成调度规则的整体数据挖掘方法。然而，这些研究缺乏对价值流的核心的关注，并将生产概念拉入到增强其他LM工具和实践中。因此，这项工作引入了一种通过处理生产环境的动态行为来提高LM的灵活性，从而有助于实现精益目标的新方法。在下一部分将会讲述DVSM作为一个实时的LM启用程序和具有动态方面的可持续性工具来帮助增强其他LM工具，并且实践、确认浪费的根本成因以创造更多价值。
已启用RFID的动态值流程图（RFID-DVSM）
在当今的大规模定制化生产系统中，传统的VSM有许多局限性（Abbas等，2001）。一般情况下，为了在这种环境中加强精益化实践，需要开发一个代替纸基快照的实时计算机化的VSM，以解决这种生产环境下的复杂动态行为。本节简要介绍了一个支持RFID的基于计算机的VSM框架，以便从产品价值流角度实时监控整个PSF的生产过程。
通过安装RFID和其他支持自动识别功能的系统，几乎所有的制造物件，包括工具（如切割工具）、流动和固定资产（如机器、输送机）、空间位置、人力资源（如可能情况下的操作员）、材料等都带有一个RFID标签，从而使之成为易于监控和跟踪的机智/智能的对象。因此，不同类型的信息可以得到经济有效的捕捉，例如WIP到达/离开时间、处理开始/结束时间、集装箱位置/容量、设置时间、超市状态、设备/工具状态、工作站的关键生产参数（如温度）等，并映射到DVSM模块，以便实施决策并进一步进行分析、持续改进。举个例子，处理开始/结束时间是被记录在机器和产品标签上来用于优化WIP提前期或机器利用率的预估，以及支持作为精益支柱之一的全面生产维护（TPM）的维护问题。通常，通过这些标签可以跟踪或者监控每个对象状态并将其包含在精益可持续发展的进程中。
DVSM有一个根据价值流收集来自所有虚拟VSM实时信息的中央数据库；在这里，虚拟VSM是一个假设的基于计算机的材料流图，需要通过操作序列来生成定制产品。在图1中，随着生产和时间的推移，包含精益实践的劳工以及主管的DVSM通过与实际物料流、设备使用、机器状态、在制品水平和位置等的瞬时交互，来实现有效的实时同步的最低限度浪费的生产活动。此外，将汇集的实时数据映射到适当的DVSM内置控制模块，以在适当的时间生成正确的决策。图1中的步骤1-18描述了该活动的顺序，并讲述了物流和生产运营商（LO amp; PO）如何通过监视器与实时操作进度进行交互。DVSM的工作逻辑总结如下：（1）自动将相应的操作和物料流信息映射到每个定制产品的虚拟VSM数据库中。（2）自动生成自定义产品实际的VSM。（3）同时，主管监控多个产品的VSM，工人监控每个产品的生产进度。（4）查看实际的生产时间、等待时间、每个存储点的WIP级别、运输时间和路线以及其他的生产限制。（5）在VSM时间线上显示相关的延迟、缺陷数量、机器和设备利用率、设置时间等信息。（6）收集并列出DVSM中相应数据库下的所有独立VSM信息（如机器处理开始/结束时间、人工位置等）。此时，DVSM会产生一个生产信息的中央数据库。（7）将中央数据库中所需的信息调用到内置的控制算法或控制规则以及中频分析功能中。（8）生成新的工作指示、结果、通知或者警告。（9）现实所生成的工作指示、结果、通知或者警告，并且这些工作指示、结果、通知或者警告将会由正确的工人在正确的工作场所所执行。
图1-基于牵引系统实现实时操作和物料流控制的DVSM
通过DVSM和基于LM概念，可以构建多个实时模块、中频分析和可预测性函数来执行强大的任务，从而达到更高的最低得分。例如，实时在制品跟踪模块用于识别任何类型的浪费（如生产过剩、缺陷、库存等），并跟踪每种产品的制造提前期组件（如加工时间、移动时间、运输时间、排队时间等），以便根据价值流的时间来指定并定位浪费。其他模块的开发类似于实时看板控制模块、实时LM工具的可持续性模块（如5S、poka-yoke、线平衡等）、实时生产性能监控模块、实时制造成本跟踪模块，根据价值流来显示实时的产品成本开发过程，并衡量实施LM改进措施的货币影响，以缩小一个集合中的运营和财务视图之间的差距，从而以更高的信任度来演示并批准这些改进。本文讨论了作为实时看板控制模块的支持模块RT-DPG。
已启用DVSM的动态调度优先级发生器
在这一部分开发了一个内置的DVSM实时调度优先级发生器（RT-DPG）模块框架。通过提高价值流物料流的灵活性，提高基于PSF资源交互实时状态下任务同步的准确性，以满足处于领先地位的工作站的负载均衡调度，从而显著减少总等待时间，有助于消除非增值活动。
实际上，并没有一个一直有效的特定传统调度规则（Hopp amp; Spearman，2008）。在本文中，我们提出了一种新的方法来根据等待在制品的现状确定在制品的优先级。这种方法被称为“调度优先级值”方法，根据实际工作条件及其价值对下一个工作站的产品处理顺序进行优先级排序，例如从“1”作为最低优先级，到“5”作为最高优先级。为了通过该模块生成最优调度优先级值，其考虑了实时操作（如人工、机器、设备、材料等）和客户约束，这些约束对确定最合适、最理想的满足负载均衡调度的调度规则/值具有重要作用。
为此，通过采用“伪事件”的实时复杂事件处理（RT-CEP）方法来构造实时控制规则。在这种情况下，原始事件是在特定时间点（Txi）和位置（Lxi;yi）发生的一种行为，它会导致状态的改变，然而复杂事件则是在一段时间内发生的原始事件的模式（Wang等，2009）。在DVSM函数模块中，我们使用这种方法来聚合相关的原始事件，以生成最合适的决策。
基于RFID复杂事件处理的DVSM实时调度优先级生成器
图2所示的DVSM中的RT-DPG模块主要包括三个功能：一：实时生产条件检查功能（RT-PCF）：它经常检查DVSM中的实际PSF操作信息及其在ERP软件中的相应管理信息。这些操作信息以原始事件的形式出现，主要包含（对象ID、位置、时间戳）（Wang等，2009）。
换句话说，ERP是通过DVSM与PSF上的现实联系在一起的。我们将数据分为ERP管理数据和DVSM运营数据。例如，ERP管理数据包含每个定制产品的物料清单、价值流中的标准生产操作时间和资产相关信息、订单到期日期/罚款价值/客户重要性、存在热门作业或特殊定制的产品，以及仓库中的子组件/组件和材料的可用性。DVSM操作数据包括实际生产操作时间（开始/结束）和每个在制品和资源在价值流中的实际状态，如超级市场中用于开始操作的机器/设备/在制品数量的可用性。如之前所述，每个事件都是PSF状态在时间和地点方面的微小变化。该步骤被认为是PSF状态的实时扫描和更新。
图2- DVSM实时调度优先模块工作逻辑
图3- RT-DGF热门作业调度规则
二：实时调度生成器函数（RT-DGF）中的规则：它包含一些旨在聚合相关原始事件的控制规则。满足的RT-DGF规则会激活一些中频检查和RT-CEP构造函数以诊断准确的条件。最后根据识别的条件生成优先级规则/值。
三：实时显示和执行功能（RT-DEF）中的功能：第二步的
资料编号：[3618]
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