Để thực hiện được các nội dung nghiên cứu đề ra, luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu sau:
Phương pháp nghiên cứu xác định thuật toán giải bài toán tối ưu cân bằng dây chuyền công nghiệp may sản phẩm dệt kim
Phương pháp nghiên cứu xác định thuật toán giải bài toán tối ưu cân bằng dây chuyền may theo công suất cho trước GALB-1
a) Phương pháp nghiên cứu thiết lập bài toán cân bằng dây chuyền công nghiệp may sản phẩm dệt kim
* Khảo sát các đặc trưng và hình thức tổ chức sản xuất của dây chuyền công nghiệp may sản phẩm dệt kim:
Bài toán cân bằng dây chuyền may được xây dựng trên cơ sở điều kiện thực tế, do đó cần phải khảo sát các đặc trưng và hình thức tổ chức của dây chuyền may sản phẩm dệt kim của một số doanh nghiệp may tại Việt Nam, các bước khảo sát được thực hiện như sau:
- Xác định nội dung khảo sát: Khảo sát đặc trưng và hình thức tổ chức sản xuất của dây chuyền công nghiệp may, nội dung phiếu khảo sát được trình bày trong phụ lục 1, PL1.2.
- Đối tượng khảo sát: Dây chuyền may sản phẩm dệt kim của 20 doanh nghiệp sản xuất sản phẩm may tại miền Bắc Việt Nam, danh sách các doanh nghiệp trình bày trong phụ lục 1, PL1.1.
- Hình thức khảo sát: Khảo sát bằng phiếu, phỏng vấn.
- Xử lý số liệu và tổng hợp kết quả khảo sát thực hiện bằng phần mềm Excel 10.0. Kết quả khảo sát được trình bày trong các biểu đồ dưới đây:
47
Hình 2.5 Hình thức cung cấp BTP Hình 2.6 Hình thức đưa mã hàng chuyền
Hình 2.7 Phương tiện vận chuyển BTP Hình 2.8 Đường đi của bán thành phẩm
Hình 2.9 Số công nhân tối đa trong một NCSX
Hình 2.10 Số NCCN tối đa trong một NCSX
Hình 2.11 Mỗi công nhân sử dụng tối đa
loại thiết bị trên dây chuyền Hình 2.12 Hình thức bố trí thiết bị
Các phiếu khảo sát của các doanh nghiệp không sản xuất sản phẩm dệt kim được loại bỏ. Các phiếu khảo sát còn lại là các doanh nghiệp chuyên môn hóa nhóm sản phẩm dệt kim chiếm 60% và các doanh nghiệp sản xuất nhiều loại sản phẩm chiếm
48
40% (hình 2.3). Kết quả khảo sát cho thấy dây chuyền may sản phẩm dệt kim có các đặc trưng như sau:
- Dây chuyền may có cấu trúc không chia nhóm, các cụm chi tiết được gia công độc lập hoặc song song, các cụm chi tiết được lắp ráp lại với nhau theo một trình tự nhất định để tạo thành sản phẩm may hoàn chỉnh (hình 2.4).
- Bán thành phẩm được cung cấp theo tập (hình 2.5), được vận chuyển thủ công (hình 2.7), các mã hàng được đưa lần lượt vào dây chuyền, đây cũng là hình thức sản xuất phổ biến của các doanh nghiệp may tại Việt Nam (hình 2.6).
- Hình thức bố trí thiết bị theo hai hàng, ở giữa hai hàng máy là bàn để bán thành phẩm (hình 2.12), đường đi của bán thành phẩm dạng kết hợp (hình 2.8).
- Mỗi nguyên công sản xuất không có quá ba công nhân thực hiện để việc phân công lao động và phân chia bán thành phẩm được dễ dàng (hình 2.9). Mỗi công nhân thực hiện không quá ba nguyên công để chuyên môn hóa công việc (hình 2.10).
- Mỗi công nhân thông thường làm việc trên một loại thiết bị thông dụng, đối với các thiết bị có thời gian tham gia trong quá trình sản xuất nhỏ thì người công nhân được đào tạo để sử dụng cả hai loại thiết bị (hình 2.11).
* Thiết lập bài toán cân bằng dây chuyền may:
Mỗi sản phẩm may được thực hiện theo một quy trình công nghệ gồm M nguyên công công nghệ (NCCN), NCCN thứ i được thực hiện bằng một loại máy hoặc thủ công với mức thời gian ti . Các NCCN được thực hiện theo một trình tự tùy thuộc vào từng loại sản phẩm như minh họa hình 2.13, các NCCN được chia làm ba loại:
- Nguyên công loại 1 gồm các NCCN sử dụng máy thông dụng như máy một kim mũi thoi, máy vắt sổ hai kim bốn chỉ, máy chần gấu hai kim ba chỉ….Các nguyên công loại 1 được phối hợp cùng loại thiết bị và giao cho các vị trí làm việc của công nhân trên dây chuyền.
- Nguyên công loại 2 gồm các NCCN thực hiện trên các máy có thời gian theo quy trình công nghệ nhỏ. Các nguyên công loại này có thể được phối hợp hai loại máy khác nhau và giao cho một công nhân để tận dụng tối đa thời gian lao động, như máy đính cúc và thùa khuyết thường được thực hiện bởi cùng một người.
- Nguyên công loại 3 là công việc thủ công, công việc thủ công có thể được thực hiện độc lập tại mỗi vị trí làm việc hoặc thực hiện cùng các nguyên công sử dụng thiết bị trên dây chuyền may.
Bài toán cân bằng dây chuyền: là việc phối hợp các NCCN thành nguyên công sản xuất (NCSXX) theo một số điều kiện ràng buộc, minh họa cách phối hợp các NCCN thành NCSX như trong hình 2.13, các NCSX được phân cho các vị trí làm việc trên dây chuyền nhằm đạt được mục tiêu cân bằng phụ tải giữa các vị trí làm việc, phụ tải trong bài toán này là thời gian để thực hiện tất cả các NCCN của mỗi vị trí làm việc.
49
Xây dựng các NCSX bằng cách phối hợp các NCCN và phân cho các vị trí làm việc trên dây chuyền với giả định của bài toán là khả năng lao động của công nhân là như nhau, phải đảm bảo các nguyên tắc sau:
Nguyên tắc 1: Khi phối hợp các NCCN thành NCSX thì phải tuân thủ tối đa trình tự công nghệ để đảm bảo BTP được dịch chuyển theo một hướng trên dây chuyền, không dịch chuyển qua lại giữa các NCSX, được phối hợp theo 2 cách sau:
+ Kết hợp các NCCN của cùng một nhánh trên sơ đồ trình tự công nghệ được gọi là kết hợp nối tiếp, để thỏa mãn sự dịch chuyển BTP xuôi dòng, đường đi ngắn nhất, minh họa trong hình 2.14a kết hợp NCCN 1 và 2 được NCSX 1.
+ Kết hợp các NCCN trên các nhánh gia công khác nhau nhưng không ảnh hưởng đến trình tự công nghệ được gọi là kết hợp song song, minh họa trong hình 2.14b kết hợp NCCN 1 và 3 được NCSX 1, trong hình 2.14c kết hợp NCCN 1 và 2 được NCSX 1.
a b c Hình 2.14 Phương án thỏa mãn ràng buộc trình tự công nghệ
a b
Hình 2.15 Phương án không thỏa mãn ràng buộc trình tự công nghệ
Phương án không thỏa mãn điều kiện ràng buộc trình tự công nghệ là phương án mà BTP phải vận chuyển qua lại giữa 2 NCSX, minh họa trong hình 2.15a BTP phải vận chuyển qua lại giữa NCSX 1 và 2, trong hình 2.15b BTP phải vận chuyển qua lại giữa các NCSX 2 và 4. Phương án thỏa mãn ràng buộc trình tự công nghệ là khi đó BTP được vận chuyển theo một hướng từ NCSX này đến NCSX khác.
Sơ đồ trình tự công nghệ là một dạng đồ thị có hướng không có chu trình [41]. Mỗi NCCN chính là một đỉnh của đồ thị. Nếu có một cung (cạnh có hướng) từ đỉnh
u đến đỉnh v có nghĩa là NCCN u phải được thực hiện trước NCCN v. Do đó, một NCCN u thực hiện trước v nếu có một đường đi có hướng từ u đến v trên sơ đồ trình tự công nghệ. Xét hai NCSX X và Y, nếu NCCN u ∈ X và v ∈ Y với u thực hiện trước
v thì không được tồn tại NCCN u’ ∈ X và v’∈ Y mà v’ lạithực hiện trước u’, đây cũng chính là phương pháp để kiểm tra điều kiện phù hợp về trình tự công nghệ.
Nguyên tắc 2: Kết hợp các NCCN có cùng tính chất công việc và thiết bị để khai thác, sử dụng thiết bị hiệu quả. Có thể chấp nhận kết hợp các công việc không cùng tính chất nhưng thích hợp về mặt công nghệ (không cùng thiết bị nhưng đảm bảo tính trình tự công nghệ).
50
- Kết hợp các NCCN có cùng thiết bị hoặc cùng công việc thủ công. - Kết hợp các NCCN sử dụng thiết bị với công việc thủ công.
- Đối với các NCCN sử dụng thiết bị đặc biệt và có thời gian sản xuất nhỏ được phân vào nhóm nguyên công loại 2, các nguyên công thuộc nhóm này có thể kết hợp hai loại thiết bị khác nhau.
Nguyên tắc 3: Hạn chế hình thành các NCSX gồm nhiều NCCN để đảm bảo tính chuyên môn hóa, thông thường mỗi NCSX có tối đa 3 NCCN.
Nguyên tắc 4: Hạn chế hình thành NCSX bội, NCSX bội là nguyên công gồm từ hai công nhân thực hiện trở lên. Số lượng công nhân trong mỗi NCSX không có quá ba người để việc quản lý công việc và phân chia bán thành phẩm đơn giản.
Nguyên tắc 5: Đảm bảo điều kiện thời gian của các NCSX dựa trên cơ sở nhịp của chuyền.
Gọi R là nhịp dây chuyền, ΔR là sai lệch giới hạn nhịp dây chuyền, sai lệch giới hạn nhịp phụ thuộc vào hình thức tổ chức dây chuyền, giá trị này được tham khảo trong các tài liệu và công trình khoa học [12-15].
- Với dây chuyền liên hợp nhịp chặt chẽ, sai lệch giới hạn nhịp dây chuyền được xác định là: ∆R = 0,05R
- Với dây chuyền liên hợp nhịp tự do, sai lệch giới hạn nhịp dây chuyền được xác định là: ∆R = 0,15R
- Với dây chuyền liên hợp nhóm, sai lệch giới hạn nhịp dây chuyền được xác định là: ∆R = 0,1R
∆R ∈ {0.05R; 0.1R; 0.15R} (2.1) Rmin = R - ∆R (giây) (2.2) Rmax = R + ∆R (giây) (2.3)
Trong đó Rmin và Rmax lần lượt làgiới hạn dưới và giới hạn trên của nhịp.
Nếu thời gian của NCSXj thỏa mãn điều kiện Tj ≤ R+ΔR thì NCSXj có 1 công nhân.
Nếu thời gian của NCSXj thỏa mãn điều kiện R+ΔR < Tj ≤ 2(R+ΔR) thì NCSXj
có 2 công nhân.
Nếu thời gian của NCSXj thỏa mãn điều kiện 2(R+ΔR) < Tj ≤ 3(R+ΔR) thì NCSXj
có 3 công nhân.
Hiệu suất cân bằng H là tỷ lệ phần trăm số NCSX có nhịp riêng nằm trong khoảng giới hạn nhịp [Rmin, Rmax] so với tổng số NCSX, được xác định theo công thức sau:
𝐻 =𝑘′
𝑘 . 100 (%) (2.4)
Trong đó k’ là số NCSX có nhịp riêng nằm trong khoảng giới hạn nhịp [Rmin, Rmax], k là tổng số NCSX được tạo thành. Những NCSX có nhịp riêng nằm trong khoảng giới hạn nhịp [Rmin, Rmax] thì nguyên công đó phù hợp về phụ tải, các NCSX được gọi là cân bằng về phụ tải.
Hiệu suất dây chuyền:
𝐿𝑒 = ∑ 𝑡𝑀 𝑖 1
𝑅. 𝑁 ∗ 100 (%)
(2.5)
Trong đó ti làthời gian của các NCCN, R là nhịp dây chuyền, N là số công nhân cần cho dây chuyền.
51
Khi Le=100% thì dây chuyền được coi là khai thác thời gian lao động hiệu quả nhất. Hiệu suất dây chuyền H đánh giá mức độ sử dụng thời gian lao động trên dây chuyền còn được gọi là mức độ khai thác thời gian lao động của công nhân.
Trên cơ sở dữ liệu đầu vào, luận án thiết lập ba bài toán cân bằng dây chuyền may như sau:
Bài toán 1: Cân bằng dây chuyền may sản phẩm dệt kim khi cho trước công suất, kí hiệu bài toán là GALB-1.
Bài toán 2: Cân bằng dây chuyền may sản phẩm dệt kim khi cho trước số công nhân, kí hiệu bài toán là GALB-2.
Bài toán 3: Xác định nhịp dây chuyền để tối đa hóa hiệu suất cân bằng, kí hiệu bài toán là GALB-E.
* Mô hình hóa bài toán cân bằng dây chuyền may sản phẩm dệt kim khi cho trước công suất GALB-1.
Dữ liệu đầu vào: Bảng quy trình công nghệ may, trình tự thực hiện của các NCCN, công suất dây chuyền.
Từ công suất xác định được nhịp dây chuyền R theo công thức sau: 𝑅 =𝑇𝑙𝑣
𝑃 (giây) (2.6)
Trong đó: P là công suất của dây chuyền (sản phẩm /ca), Tlv làthời gian làm việc của một ca sản xuất (giây).
Điều kiện ràng buộc: được thiết lập theo các nguyên tắc phối hợp NCCN thành NCSX.
Mục tiêu tối ưu của bài toán:
Để khai thác tối đa thời gian lao động của công nhân thì hiệu suất dây chuyền
Le phải đạt cao nhất do đó số lượng công nhân N cần nhỏ nhất. Để cân bằng phụ tải giữa các vị trí làm việc thì hiệu suất cân bằng H phải đạt lớn nhất, từ đó xác định mục tiêu tối ưu của bài toán là:
- Tối thiểu hóa số lượng công nhân N.
- Tối đa hóa hiệu suất cân bằng H.
Dữ liệu đầu ra: Bảng nguyên công sản xuất, các chỉ số: Số công nhân N tối ưu, hiệu suất cân bằng H tối ưu, thời gian tính.
b) Thuật toán đề xuất
Bài toán cân bằng dây chuyền may khi cho trước công suất GALB-1 được giải bằng ba phương pháp như sau:
- Phương pháp thứ nhất: Ứng dụng thuật toánVét cạn (Ex) giải bài toán GALB- 1 để tìm phương án cân bằng chuyền tối ưu đối với bộ dữ liệu nhỏ, nhằm đánh giá chất lượng lời giải của các thuật toán Luyện kim và Tham lam.
- Phương pháp thứ hai: Ứng dụng thuật toán Luyện kim (SA).
- Phương pháp thứ ba: Ứng dụng thuật toán kết hợp Luyện kim và Tham lam (SA-Gr) để tăng chất lượng lời giải của bài toán.
* Ứng dụng thuật toán Vét cạn giải bài toán GALB-1
Có nhiều cách phối hợp các NCCN mà không vi phạm các nguyên tắc xây dựng NCSX, mỗi cách đó sẽ tạo thành một phương án của bài toán cân bằng dây chuyền may. Vét cạn (Exhaustive Search, viết tắt là Ex) là một phương pháp tìm tất cả các phương án phối hợp NCCN thành NCSX có thể có của bài toán cân bằng dây chuyền may từ đó chọn ra phương án tốt nhất theo hàm mục tiêu. Trong bài toán GALB-1 chọn phương án tối ưu có số công nhân N nhỏ nhất, hiệu suất cân bằng H cao nhất.
52
Ưu điểm lớn nhất của phương pháp Vét cạn là luôn tìm ra nghiệm chính xác bởi nó xét hết toàn bộ không gian lời giải của bài toán. Tìm toàn bộ không gian lời giải được đánh giá là khó thực hiện ngay cả trên các máy tính hiện đại nhất do phải thực hiện các tổ hợp. Phương pháp này phù hợp với các bài toán tối ưu tổ hợp với không gian tổ hợp không quá lớn. Khi đầu vào đủ lớn, phải mất nhiều giờ chạy trên máy tính để ra kết quả tối ưu thì điều này là không khả thi trong thực tế. Đối với bài toán cân bằng chuyền có số lượng NCCN không quá lớn, sơ đồ phân tích quy trình công nghệ may là một dạng đồ thị có hướng, không có chu trình thì phương pháp Vét cạn sẽ cho kết quả tối ưu trong một thời gian hợp lý [40][41].
* Ứng dụng thuật toán Luyện kim giải bài toán GALB-1
Ý tưởng của thuật toán Luyện kim (Simulated Annealing Algorithm, viết tắt là SA) dựa trên quá trình nóng chảy và làm mát để đạt được cấu hình bền vững của kim loại. Quá trình này được mô tả qua hai giai đoạn như sau: Giai đoạn đầu là tăng nhiệt độ lên cao để kim loại nóng chảy. Giai đoạn sau giảm nhiệt độ để cho kim loại đạt được cấu trúc bền vững, khi đó năng lượng các phân tử ở trạng thái nhỏ nhất.
Bài toán tối ưu cân bằng dây chuyền may được xây dựng dựa trên mô phỏng quá trình luyện kim được so sánh trong bảng 2.2. Từ đó đề xuất thuật toán luyện kim giải bài toán tối ưu cân bằng dây chuyền may trình bày trong bảng 2.3
Bảng 2.2. So sánh quá trình luyện kim và bài toán cân bằng dây chuyền may GALB-1
Quá trình luyện kim Bài toán tối ưu Bài toán GALB-1
Năng lượng Mục tiêu tối ưu Tối thiểu số lượng công nhân N, tối đa hiệu suất cân bằng H
Trạng thái ổn định Nghiệm tối ưu
Phương án cân bằng chuyền (CBC) tối ưu có số công nhân N nhỏ nhất, hiệu suất cân bằng H cao nhất Quá trình chuyển
trạng thái
Quá trình tìm kiếm nghiệm
Quá trình tìm kiếm các phương án CBC tối ưu
Bảng 2.3 Ứng dụng thuật toán luyện kim giải bài toán bài toán cân bằng chuyền may