虛擬單元制造車間的規(guī)劃與調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈和市場(chǎng)需求動(dòng)態(tài)多變，迫使企業(yè)車間的制造系統(tǒng)必須具備快速可重構(gòu)的能力，從而以合理的成本快速投入新產(chǎn)品的生產(chǎn)，適應(yīng)動(dòng)態(tài)多變的市場(chǎng)和客戶的個(gè)性化需求。同時(shí)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和制造執(zhí)行系統(tǒng)在生產(chǎn)制造領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入，也促使生產(chǎn)車間不斷向透明化、數(shù)字化、可視化方向轉(zhuǎn)變。
　　 本文分析和總結(jié)了目前典型的制造模式特點(diǎn)以及車間制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，在虛擬制造單元、物聯(lián)網(wǎng)和制造執(zhí)行系統(tǒng)等技術(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)展了一種新的車間制造

2、模式--虛擬單元車間制造模式。
　　 本文以虛擬單元制造車間的支持技術(shù)、虛擬單元重構(gòu)方法以及車間的生產(chǎn)控制與調(diào)度為研究重點(diǎn)，對(duì)這些關(guān)鍵問(wèn)題和技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　 1、為了使制造系統(tǒng)能夠適應(yīng)動(dòng)態(tài)多變的市場(chǎng)，并具備透明化、數(shù)字化、可視化等特點(diǎn)，本文在虛擬制造單元、物聯(lián)網(wǎng)和制造執(zhí)行系統(tǒng)等技術(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)展了一種新的車間制造模式--虛擬單元車間制造模式。為了提高車間管理控制的自動(dòng)化水平，提出了物聯(lián)網(wǎng)與車間

3、制造系統(tǒng)全面融合的理念和結(jié)構(gòu)，并在可行性方面進(jìn)行了探索和研究，就一些關(guān)鍵問(wèn)題提出了相應(yīng)的技術(shù)解決方案。首先，探討了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)車間生產(chǎn)的重要意義，提出了一種基于網(wǎng)格平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建方法，針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的特點(diǎn)提出了一種基于網(wǎng)格服務(wù)的MES系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方法，構(gòu)建了基于網(wǎng)格服務(wù)的MES系統(tǒng)層次體系結(jié)構(gòu)和功能模型。然后，提出了一種物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和訂單實(shí)時(shí)跟蹤問(wèn)題的解決方法。該方法首先采用WSRF技術(shù)將生產(chǎn)設(shè)備封裝成標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格資源，通過(guò)

4、設(shè)備網(wǎng)格資源動(dòng)態(tài)信息的實(shí)時(shí)更新與查詢和網(wǎng)格資源通知機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備加工過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；然后采用OGSA-DAI網(wǎng)格中間件和WSRF技術(shù)將異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)封裝成標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格服務(wù)，從而屏蔽系統(tǒng)的差異性，實(shí)現(xiàn)訂單進(jìn)度信息的集成訪問(wèn)。從而可以實(shí)現(xiàn)管理人員和客戶對(duì)生產(chǎn)進(jìn)度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，不但為管理者的管理決策提供了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持，而且便于客戶準(zhǔn)確預(yù)測(cè)訂單完工時(shí)間。
　　 2、針對(duì)單件、小批量、個(gè)性化面向訂單生產(chǎn)企業(yè)，研究了多張不同交貨期生產(chǎn)訂單并

5、存情況下的虛擬單元重構(gòu)問(wèn)題。采用兩階段的策略進(jìn)行求解。在產(chǎn)品聚類階段提出了一種最小樹(shù)和遺傳算法相結(jié)合的自適應(yīng)聚類算法，在算法中引入了一種新的基于最小樹(shù)的編碼方法，有效的縮短了編碼長(zhǎng)度，縮小了問(wèn)題的搜索空間。該算法只需操作人員給定聚類的最大數(shù)量，就可以自適應(yīng)地確定最佳聚類數(shù)目和產(chǎn)品聚類。在單元重構(gòu)階段建立了問(wèn)題的多目標(biāo)整數(shù)規(guī)劃模型，針對(duì)該問(wèn)題的特點(diǎn)，將粒子群算法與協(xié)同進(jìn)化策略相結(jié)合，提出了一種平行多目標(biāo)協(xié)同粒子群優(yōu)化算法(PCMOPSO)

6、。采用生產(chǎn)實(shí)例對(duì)算法的有效性和可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 3、對(duì)虛擬單元制造模式下的車間調(diào)度特點(diǎn)進(jìn)行了分析，然后分別針對(duì)目標(biāo)數(shù)量較多的高維多目標(biāo)調(diào)度問(wèn)題和資源共享情況下的生產(chǎn)調(diào)度問(wèn)題進(jìn)行了研究。針對(duì)具有高維搜索空間的多目標(biāo)生產(chǎn)調(diào)度問(wèn)題，提出了一種基于偏好的多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法(PMOPSO)。算法引入了決策者的偏好信息，用以指導(dǎo)算法的搜索過(guò)程，使算法在決策者感興趣的區(qū)域進(jìn)行搜索，不但縮小了算法的搜索空間，提高了算法的效率，而且一次

7、運(yùn)算只求得偏好區(qū)域內(nèi)若干個(gè)折衷解，避免了決策者要在眾多非劣解中做出困難的選擇。在算法中，采用了新的偏好信息給定方法，即采用目標(biāo)間重要關(guān)系、目標(biāo)數(shù)值或目標(biāo)權(quán)重大致取值范圍來(lái)表示偏好信息。采用該方法，不但便于決策者給定偏好信息，而且還可以根據(jù)決策者的需求，對(duì)搜索區(qū)域的范圍進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。針對(duì)偏好信息的特點(diǎn)，提出了一種模擬人類社會(huì)組織“投票選舉”的偏好信息處理方法，該方法直觀簡(jiǎn)便并易于實(shí)現(xiàn)。針對(duì)資源共享情況下的生產(chǎn)調(diào)度問(wèn)題的特點(diǎn)，將粒子群優(yōu)化

8、算法與協(xié)同進(jìn)化算法相結(jié)合提出了一種分布式協(xié)同多目標(biāo)粒子群調(diào)度算法，針對(duì)共享資源調(diào)度沖突問(wèn)題，在算法中引入了一種模擬市場(chǎng)機(jī)制的解碼規(guī)則加以解決。并通過(guò)仿真試驗(yàn)，對(duì)上述兩種算法性能進(jìn)行比較分析和評(píng)價(jià)，結(jié)果表明了算法的有效性和可行性。
　　 4、研究了多張不同交貨期訂單并存情況下的多目標(biāo)分批動(dòng)態(tài)調(diào)度問(wèn)題。首先，針對(duì)傳統(tǒng)的多目標(biāo)動(dòng)態(tài)調(diào)度問(wèn)題，提出了一種基于滾動(dòng)窗口的多目標(biāo)粒子群動(dòng)態(tài)調(diào)度算法，該算法采用基于周期和事件驅(qū)動(dòng)的混合再調(diào)度機(jī)制將

9、調(diào)度過(guò)程分成連續(xù)靜態(tài)調(diào)度區(qū)間，在每個(gè)區(qū)間內(nèi)用基于Pareto概念的多目標(biāo)粒子群算法對(duì)窗口工件進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化，一次求解可得到多個(gè)Pareto最優(yōu)解，為決策者提供了多樣性的選擇。并針對(duì)調(diào)度問(wèn)題的特點(diǎn)，并設(shè)計(jì)了一種適合多目標(biāo)調(diào)度的間隙插入式解碼方法，有效的減小了問(wèn)題搜索空間。然后，針對(duì)面向訂單制造的多目標(biāo)分批動(dòng)態(tài)調(diào)度問(wèn)題，提出了一種基于粒子群算法的多目標(biāo)柔性分批動(dòng)態(tài)調(diào)度算法，算法采用局部更新和完全重調(diào)度相結(jié)合的策略，既可以保持生產(chǎn)秩序的穩(wěn)定，同

10、時(shí)又保證了算法對(duì)突發(fā)事件的快速反應(yīng)能力。在算法中，提出了一種新的基于“游標(biāo)”的柔性批次分割方法，并采用一種批次分割與加工工序相融合的粒子編碼方法，使得該算法不但可以根據(jù)機(jī)床負(fù)荷與訂單交貨期將工件族劃分為具有柔性批量的多個(gè)批次，而且可使批次工藝路線和加工排序同時(shí)得到優(yōu)化。而且，算法一次求解可得到多個(gè)Pareto最優(yōu)解，為決策者提供了多樣性的選擇。并且，通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了上述算法有效性和可行性。
　　 5、最后，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了虛擬單元制造