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智能制造系统AGV小车及缓冲区容量仿真优化
装备制造业是为国民经济各行业提供技术装备的战略性产业，具有产业关联度高、吸纳就业能力强、技术资金密集等特点，是产业升级、技术进步的重要保障和国家综合实力的集中体现。
4实例与结果分析
4.1仿真实验设计
为了验证仿真模型的有效性，针对ACV每一种容量与缓存组合设置参数设计试验方案。根据前文的数学模型，考虑ACV的5种容量，分别是1，2，3，4 ，5。基于图2所示的仿真平台，比较分别以任务拒绝率为。设备堵塞率为。和ACV利用率为90 %3种目标的仿真优化方法，选取一种结果更优的方法，得到ACV每一种容量下缓存设置参数。最后再比较5种容量与缓存组合设置的参数，得到一组设置参数使得系统的性能指标更优。因为任务的到达和加工速率都是随机分布，为了得到能准确描述系统的仿真结果，根据大数定理，每次仿真的时间设置为1 000 <1，仿真结果由10组相同参数独立随机仿真试验的结果求均值得到。每一种ACV容量下各缓存的初值，通过预设各缓存容量为ao，仿真至系统稳态后得到各缓存的平均队列长度，以此作为缓存初值设置依据，如表1所示。
表1 无限缓存下各缓存平均队长
Tab.1 The average queue length of the cache
从表1可以看出，零件成品仓库B02缓存的平均队长始终为0，这是因为零件被ACV运回B02后马上离开系统，对系统不会造成堵塞影响。因此，零件成品仓库B02缓存在仿真试验时设置为ao。
针对上述3种方法，进行仿真可得到每一种ACV容量与各缓存组合设置参数的结果，如表2所示。其中，方法1表示以任务拒绝率等于。为目标；方法2表示以3个加工中心堵塞率等于。为目标；方法3以ACV利用率大于等于90%为目标。设备堵塞率、ACV利用率和任务拒绝率，具体实验参数设置初始值如表2所示。每一种试验的输入速率入表示定单输入速率， = 0. 9个/h；处理速率林表示3个加工中心总的处理速率，= 1个/h；ACV容量初始设置为1，仿真过程一直仿真至5；各缓冲区容量参数设置初值参考表1所得的平均队长。
表2 实例数据
Tab.2 Instance data
4.2仿真结果及分析
根据表2所示的实例数据设置，在仿真模型上进行仿真，得到如表3一表5所示3种方法的优化结果。
表3是任务拒绝率等于0为目标的优化方法结果，表中可以看出，5种ACV容量以及各缓存区容量组合参数中，当ACV小车容量为1时的组合参数，系统的平均生产周期最少，即企业的交货期最短，并且ACV小车利用率最高，而设备利用率略低于ACV容量为3时的结果。因此ACV小车容量为1的ACV容量以及各缓存区容量组合参数的设置为5种参数设置中最优。
表3 任务拒绝率为目标的实验结果
Tab.3 Experimental results for task rejection rate
表4是设备堵塞率等于0为目标的优化方法结果，表中设备利用率并没有因设备堵塞率为。而达到100 %，这是因为设备虽然不存在堵塞，但是设备仍存在闲置的可能。5种ACV容量以及各缓存区容量组合参数中，第2组参数的系统平均生产周期最少，即企业的交货期最短，而产出率和设备利用率指标只比第1 ，3组的系统指标略低，虽然第1组参数所得的ACV利用率也是最高的，但第1组参数系统的平均生产周期比第2组要长很多，即交货期长，这使得企业的竞争力大大降低。因此，综合系统指标考虑，ACV小车容量为2的ACV容量以及各缓存区容量组合参数的设置为5种参数设置中最优。
表4 设备堵塞率为目标的实验结果
Tab.4 Experimental results for equipment utilization rate
表5是ACV小车利用率大于等于90%为目标的优化方法结果。表中可以看出，5种ACV容量以及各缓存区容量组合参数中，当ACV小车容量为1时的组合参数，ACV小车利用率最高，系统的平均生产周期最少，即企业的交货期最短，设备利用率、产出率最高，即系统的产能最高。因此ACV小车容量为1的ACV容量以及各缓存区容量组合参数的设置为5种参数设置中最优。
表5 AGV利用率为目标的实验结果
Tab.5 Experimental results for AGV utilization
综合表3一表5，3种优化方法的最优组合以及所得的系统性能指标如表6所示。从表6数据结果显示，第1种优化方案中，平均生产周期较其他2种方案而言不是最短的，但产出率和设备利用率最高，任务拒绝率为0。这种方案下虽然企业的交货期较长，但是企业的产能却是最高的。优化方案2，平均生产周期较其他2种方案而言最少，即企业的交货期最短，这种方案下企业的竞争力较大，但是各缓冲区容量配置却是3种方案中最大的，即缓冲区的面积较大，车间建设成本也较其他两种方案而言要高。第3种优化方案是以运输环节中ACV利用率为目标所得的结果，这种方案的产出率、设备利用率略低于其他两种方案，但缓冲区容量的设置也是3种方案中最少的，即车间建设成本的投入少。
表6 3种优化方法最优参数设置及实验结果
Tab.6 Optimal parameters setting and experimental results of three kinds of optimization methods
设备的利用率是企业产能的最重要指标。从表6实验结果可以看出，要提高设备利用率，企业需要争取更多的订单量，并具备可容纳大量毛坯中心库区；而加工设备前后的缓存区容量不能过大，避免设备出现过多空闲或者被堵塞状态；ACV组成的运输系统，小批量、多批次的运货策略，制造单元的设备利用率最高，运输的效率也是最高。
取表6中优化方案1，并通过500组仿真实验分析装备制造系统性能指标变化情况，根据得到的500组仿真数据，取其中随缓存增加而单调变化的“任务拒绝率”和“产出率”进行分析，2项指标拟合出的多项式曲线如图7所示，其中横坐标即为一组试验中不同缓存组合总数。随着各级缓存的增加，“任务拒绝率”在前期出现快速下降的趋势，后期下降速率逐渐变缓并趋于0；而“系统产出率”随着各级缓存的增加则呈现单调上升的趋势，前期出现快速上升的
趋势，后期上升速率逐渐变缓并趋于0. 9，即趋于系统输入速率。
5结束语
本文通过建立仿真模型，应用3种仿真优化方法，对具有MHS的装备制造系统ACV小车及缓冲区最大容量配置问题进行了仿真优化。通过仿真分析，得到了3种优化方案下的优化结果，根据仿真优化结果对上述3种方法进行了分析与比较，3种优化方法所得的ACV小车及缓冲区配置方案适用于不同的车间配置与企业决策。该仿真优化模型可为企业配置ACV小车及缓冲区最大容量提供一种有效的方法，同时为制造系统排队网研究提供了大量的数据支持。
图7 仿真结果拟合曲线
Fig.7 Simulation result fitting curve
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