（载运工具运用工程专业论文）面向动态需求的fms稳健性优化配置研究.pdf

i 杰逆上挚研士学位语文面向动态需求的用侣稳链性优化配互研究 摘要 随着社会的发展和科技的进步，人们的需求日趋多样化，大量的个性 化定制普遍出现，生产制造已经转向以多品种、中小批量为特征的现代化 制造模式。柔性制造系统( f m s ) 是为此发展起来的一种自动化生产方式， 具有高效率、智能化、柔性化的特点。但是，f m s 组成复杂、建设周期长、 投资费用高，从而使得系统的规划设计异常重要。在f m s 规划设计中。系 统资源的优化配置是最重要也是难度最大的任务之，因此，如何合理地 配置系统的资源就成为必须解决的问题。本文以f m s 资源的优化配置问题 为对象进行了研究。 科技的调整发展，产品更新换代，市场竞争激烈，行情瞬息万变。造 成了市场产品需求的动态性、随机性加剧。一个经营周期内的产品需求量 由于受到环境因素的影响，是一个随机变量。本文将工件的市场需求量视 为稳健设计中的随机扰动因素，探讨在产品需求动态变化的情况下，柔性 制造系统稳健设计的问题，以满足制造系统适应产品需求动态变化的需要。 本文在对f m s 资源优化配置和稳健设计的一般概念、相关理论、以及 研究现状进行了详细介绍和分析的基础上，提出了实现f m s 资源稳健性优 化配置的集成设计方案，该方案结合实验设计、仿真技术和数据分析拟合 出系统的响应曲面模型，通过对响应面模型的分析和处理，实现柔性制造 系统稳健性优化配置。 在稳健设计中，一个重要的研究方向是考虑随机变量的相关性问题，这 是针对当前的一些方法中都认为随机变量是相互独立而言的。制造系统规 划生产的多种工件中，其预测需求变量很可能是相关的。因此，本文讨论 了在制造系统稳健设计中如何考虑随机变量相关性的问题。 在论文前述内容的基础上，结合一个柔性制造系统优化配置的综合算 例，对求解过程进行了详细的说明。最后对全文的研究工作进行了总结， 并就今后的研究方向提出了作者的看法和建议。 摘要 关键词：柔性制造系统，稳健设计，配置，优化，需求，仿真技术，响应曲 面法，实验设计 j i 之：g z 挚顽士学位爸丈面向动态需求的用g 稳键栏优化配王研蔸 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n d t h ea d v a n c eo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y t h ew o r l dr e q u i r e m e n th a sb e c o m em o r ea n dm o r ed i v e r s i f i c a t i o n 。n l em o s t l y m o d eo fm a n u f a c t u r i n gh a st u r n e dt om u l t i - p r o d u c t ，s m a l la n dm e d i u mb a t c h f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ( f m s ) i sad e v e l o p i n ga u t o m a t i cp r o d u c t i o n f a s h i o nf o ri ta n dh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i 咖e 伍c i e n c y ，a u t o m a t i o na n d f l e x i b i l i t y h o w e v e r ，t h ef m sh a v ec o m p l e xc o n s t i t u t i o n ，l o n gc o n s t r u c t i n g p e r i o da n dh j i 曲e x p e n s e ，t h u sag o o dd e s i g no ff m s i sv e r yi m p o r t a n tp r i o rt o i t sb u i l du p i nt h ed e s i g no ff m s t h eo p t i m a ls p e c i f i c a t i o no fr e s o u r c ei so n eo f t h em o s ti m p o r t a n ta n dd i f f i c u l tt a s k s s oh o wt oa l l o c a t es y s t e mr e s o u r c eh a s b e c o m et h ep r o b l e mt h a tm u s tb es o l v e d i nt h i sp a p e r ，w et a k et h eo p t i m a l s p e c i f i c a t i o no ff m s r e s o u r c ea st h er e s e a r c h i n go b j e c t n 地d e m a n d a n a l y s i so fp r o d u c t si st h ef i r s ts t a g eo fm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s d e s i g na n d h a st h ed i r e c t i o n a le f f e c t so nt h el a t e rd e s i g n s t h ep r o d u c td e m a n d i nap r o d u c ec y d ei sas t o c h a s t i cv a r i a b l eb e c a u s eo ft h ee r i e c t so fe n v i r o n m e n t v a r i a b i l i t y t 1 l i sd i s s e r t a t i o nr e g a r d st h ep r o d u c t0 a r t ) d e m a n d s a st h es t o c h a s t i c f a c t o r sa n dd i s c u s s e st h er o b u s td e s i g no ff m su n d e rt h em a r k e tr e q u i r e m e n t v a r i e sd y n a m i c a l l y a f t e ri n t r o d u c i n ga n da n a l y z i n gc o m m o nc o n c e p t s ，c h a r a c t e r i s t i c s ，r e s e a r c h s i t u a t i o na n dt h e o r yc o r r e l a t e dw i t ht h eo p t i m a ls p e c i f i c a t i o no ff m sa n dt h e r o b u s td e s i g ni nd e t a i l ，t h i sd i s s e r t a t i o np m p o s e sa ni n t e g r a t e dd e s i g ns c h e m eo f t h er o b u s ta n do p t i m a ls p e c i f i c a t i o no ff m s t h er e s p o n s es u r f a c em o d e lo f f m si sd r a f t e dc o m b i n i n gt h ed e s i g no fe x p e r i m e n t s ，s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s a n da n a l y s i so fd a t ab yt h i ss c h e m e t h et a b u s ta n do p t i m a ls p e c i f i c a t i o no f f m si sr e a l i z e dt h r o u g j ao p t i m i z i n gt h em o d e l i nr o b u s td e s i g n ，a ni m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o ni sd i s c u s s i n gt h er e l a t i v i t y o fr a n d o mv a r i a b l e s t h i sa i m sa ts o m em e t h o d st h a tc o n s i d e rt h er a n d o m v a r i a b l e sa r ei n d e p e n d e n t i ng e n e r a l 山ed e m a n dv a r i a b l e so fm u l t i - b r e e dp a r t s t h a tt h em a n u f a c t u r i n gs y s t e mp h n st op r o d u c ea r ec o r r e l a t i v ep r o b a b l y t h i s d i s s e r t a t i o nw i l ld i s c u s st h er e l a t i v i t yo ft h er a n d o mv a r i a b l e si nt h er o b u s t d e s i g no fm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s t oi l l u s t r a t et h e t h e o r y a n dt e c l m o l 0 9 3 m e n t i o n e da b o v e d e t a i l e d l y ，a c o m p r e h e n s i v ee x a m p l e o ff m si s p r e s e n t e d f i n a l l y ，c o n c l u s i o n s o fa l l r e s e a r c he f f o r t si nt h ed i s s e r t a t i o na r ed r a w na n df u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o n sa r e - a b s t r a c t _ _ _ _ - _ _ 一 p r o s p e c t e d k e y w o r d s ：f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ，r o b u s td e s i g n ，s p e c i f i c a t i o n ， o p t i m i z a t i o n ，r e q u i r e m e n t ，s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y ，r e s p o n s e s u r f a c em e t h o d o l o g y ，d e s i g no fe x p e r i m e n t s 彤i 之遂z 挚顽士学位敝面向动态需求的f 榔稳建性优化配置研究 第一章绪论 1 1柔性制造系统及其性能特点 1 1 1 概述 2 0 世纪6 0 年代以来，随着科学技术的飞速发展，社会需求日趋多样化， 形成世界经济的全球化、知识化和信息化，市场竞争愈来愈激烈。为了敏 捷地响应市场变化，面向顾客定货的多品种、小批量生产将是2 1 世纪的主 导生产模式。相应地，制造企业正向着精益生产和敏捷制造的方向发展， 而制造过程则向着自动化、智能化、柔性化、高速化、精密化和宜人化等 方向发展。为适应这种形势，传统的适用于大批量生产的自动线生产方式 已不能满足企业的要求。企业必须寻找新的生产技术以适用多品种、中小 批量的市场需求，减少生产成本，缩小产品的开发周期。同时，计算机技 术的产生和发展，c a d c a m 、计算机数控、计算机网络等新技术新概念的 出现以及自动控制理论、生产管理科学的发展也为新生产技术的产生奠定 了技术基础【”。 柔性制造系统( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，f m s ) 正是适用多品种、 中小批量生产而产生的一种自动化技术。图1 - 1 显示了柔性制造技术和传统 制造技术的应用范卧”。 柔 性 增 加 产量增加- 图1 - 1柔性制造技术的应用范围 第一章绪论 1 1 2f m s 的一般概念 f m s 作为一种新的制造技术，在零件加工业以及加工和装配相关的领 域得到了广泛的应用。也正是由于应用范围广泛，目前还没有统一的定义。 在我国有关标准中，f m s 被定义为：柔性制造系统是由数控加工设备、物 流贮运装置和计算机控制系统组成的自动化制造系统，它包括多个柔性制 造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整，适用于多品种、 中小批量生产。 美国制造工程师协会的计算机辅助系统和应用协会把柔性制造系统定 义为：使用计算机控制系统、柔性工作站和集成物料运贮装置来控制，并 完成工件族某一工序或一系列工序的一种集成制造系统。 还有一种更直观的定义是：柔性制造系统是至少有两台机床，一套物 料运输系统( 从装载到卸载具有高度自动化) 和一套计算机控制系统所组 成的制造系统，它采用简单地改变软件的方法便能制造出某些部件中的任 何工件。 综合起来可以认为：柔性制造系统是在自动化技术、信息技术和制造 技术的基础上，通过计算机软件科学，把工厂生产活动中的自动化设备有 机地集成起来，打破设计和制造的界限，取消图纸、工艺卡片，使产品设 计、生产互相结合而成的，适用于中、小批量和较多品种生产的高柔性、 高效率的制造系统【2 l 。 f m s 最初是在2 0 世纪6 0 年代由英国m o l i n s 公司雇员t h e ow i l l i a m s o n 提出来的。1 9 6 5 年m o l i n s 公司取得了该项发明的专利。2 0 世纪8 0 年代 f m s 从探索阶段走向了实用化和商品化阶段，成为机械制造技术进步的重 要标志。1 9 9 4 年初，据统计世界各国已投入运行的f m s 约有3 0 0 0 多个。 其中日本拥有2 1 0 0 多个，占世界首位。在现己运行的f m s 中，5 0 的f m s 由美国制造商提供，另外5 0 由日本和德国提供。我国第一套f m s 于1 9 8 6 年1 0 月在北京机床研究所投入运行，用于) j o t 伺服电机的零件吼 一2 ；# i 之逼z 擎研士学位论文面向动态需求的丹心稳髓性优化昂j 研究 1 1 3f m s 的组成及其性能特点 f m s 的规模差别较大，功能不一，但都包含三个基本的部分，加工系 统、运储及管理系统和计算机控制系统。在此基础上，可以根据具体需求 选择不同的辅助工具，如监控工作站、测量工作站等。详见表1 - 1 。 表1 - 1f m s 的组成 组成名称作用组成内容 f l v s 的主体部加工单元指有自动换刀及换工件功能 加工系统 分，用于加工零件的数控机床 工件运送及管理系统组成： 毛坯、半成品、夹具组建的存储仓库 基 工件托运小车 向加工单元及工件、夹具装卸站 本 运储及管理辅助工作站送工缓冲存储站 部 系统件、夹具、刀具等刀具运送及管理系统组成： 工具刀具存储库 分 交换刀具的携带装置 交换刀具的运送装置 刀具刃磨、组装及预调工作站 计算机控制控制并管理由计算机及其通信网络组成 系统f m s 的运行 根据不同的需求，配置不同的辅助工 辅助工作站选件功能作站，如清洗工作站、监控工作站、在 线测量工作站等 f m s 是一种适用于多品种、中小批量生产的自动化技术，应用f m s 可 以获得明显的效益，主要因为f m s 具有如下的优点m ： ( 1 ) 设备利用率高由于采用计算机对生产进行调度，一旦有机床 空闲，计算机便分配给该机床加工任务。在典型的情况下，采用f m s 中的 一组机床所获得的生产量是单机作业环境下同等数量机床产量的3 倍。 ( 2 ) 缩短生产周期由于零件集中在加工中心上加工，减少了机床数 和零件的装卡次数。采用计算机进行有效的调度也减少了周转的时间。 ( 3 ) 具有维持生产的能力当f m s 中的一台或多台机床出现故障时， 计算机可以绕过出现故障的机床，使生产得以继续。 3 第一章绪论 ( 4 ) 生产具有柔性可以响应生产变化的需求，当市场需求或设计 发生变化时，在f m s 的设计能力范围内，不需要系统硬件结构的变化，系 统具有制造不同产品的柔性。并且对于临时需要的备用零件可以随时混合 生产，而不影响f m s 的正常生产。 ( 5 ) 产品质量高f m s 减少了卡具和机床的数量并且卡具与机床 匹配得当，从而保证了零件的一致性和产品的质量。同时自动检测设备和 自动补偿装置可以及时发现质量问题，并采取相应的有效措施，保证了产 品的质量。 ( 6 ) 加工成本低f m s 的生产批量在相当大的范围内变化，其生产 成本是最低的。它除了次性投资费用较高外，其他各项指标均优于常规 的生产方案。 1 2f m s 资源优化配置及其研究现状 1 2 1f m s 资源优化配置的研究内容 柔性制造系统设计包括三个阶段：概念设计、初步设计和详细设计。 在概念设计阶段，主要分析设计系统的产品需求、加工要求以及机床的加 工容量，概念设计的结果一般作为系统设计的约束。在初步设计阶段，系 统的各种资源及其数量必须被确定，确定的过程往往是在系统概念设计阶 段决定的设计空间中寻找系统资源的最佳组合。系统的主要性能指标评价 基本上决定于加工要求和与生产能力相关的一些准则。在详细设计阶段， 系统的各个部分将要被集成，系统的物料流通过程、需要的布置空间、空 间的设备布局和其他一些关于后勤、操作、和调度方面的细节将被确定【3 1 。 f m s 的优化配置属于柔性制造系统设计的第二个阶段，关于配置的定 义： m i l l e r 和f r i e s e n ( 1 9 8 4 ) 认为配置是一同出现的( 系统) 内在属性和 关系的集合“c o r l l n l o q yo c c u r r i n gc l u s t e r so fa t t r i b u t e so rr e l a t i o n s h i p s t h a t a r ei n t e m a l l yc o h e s i v e l 4 1 ”。 m e y e r 等( 1 9 9 3 ) 将其描述为一系列通常一起出现的、在概念上有明显 ，4 如i 交近z 挚顽士学位论文面向动态需求的用心稳健性优化配置研完 区别的特征组合“a n ym u l t i d i m e n s i o n a lc o n s t e l l a t i o no fc o n c e p t u a l l yd i s t i n c t c h a r a c t e r i s t i c st h a tc o m m o n l yo c c u rt o g e t h e r 【5 j ”。 一般性地认为：f m s 的资源优化配置主要是指根据所加工产品的信息 和制造系统的各种约束和要求来确定加工设备、工件运送系统、刀具交换 及运送系统以及各种必需的辅助台站的种类和数量。优化配置问题是个 在受约束的求解空间中找到一个资源分配的可行的解决方案，使得系统的 性能指标达到要求【3 1 。 一个f m s 的基本结构是由一系列的工作站组成，每一个工作站包括有： 一台或者几台相同的数控机床( c n c ) 、装卸载站、一个含有一个或者几个 运载工具的传送系统以及其他的辅助加工设备。既然投资费用主要来源于 这些系统的建造费用，那么找到一个合理的方案优化配置这些基本的加工 设备就具有非常重要的设计和生产意义。这样不仅能够降低系统的投资建 造成本，还能够避免系统由于建造资源不足，而长期工作于一种超负荷的 状态下，也能够避免系统长期工作于非饱和的状态下，而造成系统资源的 浪费【6 】。 f m s 资源优化配置任务的完成将为所设计的系统构造出初步的框架， 同时这一部分工作涉及到f m s 中最多的投资额，风险较大，是系统初步设 计中最重要也是难度最大的任务之一。 1 2 2f m s 资源优化配置的研究现状 关于f m s 优化配置的研究，直到1 9 7 7 年，离散事件仿真还是唯一 能够评价系统性能的工具，这时候利用离散事件仿真解决f m s 优化配置主 要是在参考仿真程序提供结果的基础上对系统的各种决策变量进行人为的 调整，由于受当时计算机仿真技术水平的限制，这只能是一种相对粗略的 设计方法，它大量地依赖于人的经验和直觉判断m 。 离散事件仿真对于系统评价的不精确促使人们去寻求系统的更准确的 描述方法，1 9 7 7 年s o l b e r g 利用c a n q 模型来对f m s 的性能进行评价， 从而开始了如何利用排队网络的方法来建立描述系统解析模型的探索嗍。相 对于仿真模型，解析模型具有良好的分析性能，从而使得对于系统资源的 5 第一章绪论 优化配置成为可能。解析模型的建立大大地方便了设计者的工作，因为在 一定的程度上，这种模型使得设计者对于其所描述的制造系统的性态有了 一个比较直观地认识。另外，解析模型分析的快速性使得针对于制造系统 大量的假设分析研究( w h a t i fs t u d y ) 交得非常的容易，而这些都是以前的 离散事件仿真模型所无法比拟的1 9 。 大量的研究使得利用排队网络的解析方法研究制造系统资源优化配置 问题产生了一系列的成果，建立了用于表征制造系统性能的各种模型，提 出了一些有效的算法。 s u r i 和h i l d e b r a n t ( 1 9 8 3 ) 最早对f m s 的优化配置问题进行了论述【1 0 】。 他们给出了一个用排队网络方法建立系统解析模型的一个例子，在这个模 型中，被定义的系统配置变量有机床数量、托盘的数量以及物料传送系统 设备的数量，被评价的性能指标包括生产量和机床利用率。为了配置一个 合理的系统，他们对模型进行了多次反复的迭代分析，每一次的迭代结果 都是对上一次系统配置的一次改进，直至得到满意的优化结果。 v i n o d 和s o l b e r g ( 1 9 8 5 ) 也较早地对f m s 的优化配置问题进行了研究 【l ”。他们利用闭环排队网络( c l o s e dq u e u e i n gn e t w o r k s ，c q n ) 模型对每个 系统工作站( w o r k s t a t i o n ) 中的服务器数量和系统的托盘总量( j o b p o p u l a t i o n ) 进行了优化研究，其目标是在满足一定的生产率要求下，使各 服务器运行费用的总量和托盘总量达到最小。由于非线性生产率约束不能 以显式形式给出，他们提出了解决此问题的隐枚举法( i m p l i c i t e n u m e r a t i o n ) ，并给出了计算结果。 s h a n t h i k u m a r 和y a o ( 1 9 8 7 ，1 9 8 8 ) 也给出了他们描述制造系统性能的 g o r d o n n e w e l l 网络模型【1 2 , 1 3 】。在他们建立的第一个模型( 1 9 8 7 ) 中，系统 每个工作站含有的缓冲站( b u f f e r ) 数量是有限制的，并且每一种工件只要 在一个工作站上加工就能够完成。而在第二个模型( 1 9 8 8 ) 中，系统的工 作站含有的缓冲站数量则是没有限制，每一种工件也至少要在两个工作站 上加工才能完成，也就是说每种工件至少有两道加工工序。并且，在论文 中他们提出了一种边缘分析算法( m a r g i n a la n a l y s i sa l g o r i t h m ) ，这种算法被 证明当制造系统的机床加工率( p r o c e s s i n gr a m ) 是队列长度递增的凹函数 堕：室墨互垫盟：自! 笪堡型丕垄墼婆鲍垡些里重鱼墨! - 6 ； j 之逼辟顽士学位论文面向动_ 态需求的丹摆稳健栏优化配j $ 院 随后，d a l l e r y 和f d e n ( 1 9 8 6 ) 1 1 引，v a i lv l i e t 和r i r m o o y k a n ( 1 9 9 1 ) i s 】， k o u v e l i s 和k e ( 1 9 9 5 ) 1 6 l 以及t e t z l a f f ( 1 9 9 4 ，1 9 9 5 ) 6 , 1 7 】都对排队网络用 于f m s 的性能评价作了大量的研究。他们改进了以前的算法，将边缘分析 法进行改进，利用渐进边界分析法( a s y m p t o t i c b o u n da n a l y s i s ) 寻求初解和 边界；同时也提出了一些新的算法，例如将分支定界法与c o n 模型结合起 来，等等。并且他们所分析系统规模变得复杂，考察的系统变量也越来越 多。 虽然利用解析方法评价制造系统取得了一定的成果。但是随着社会生产 的发展，制造系统规模的不断扩大，当资源配置问题的空间维数足够大时， 仅仅依靠解析方法就已经不能准确地表示系统。因为解析模型总是对真实 系统的一种近似，其忽略了真实系统的一些细节特征，特别是系统的一些 动态行为，比如机床的操作、托盘的移动、刀具的交换和操作，这些对于 解析模型是没法进行模拟的。当系统的规模不大时，也许对这些细节特征 的忽略并不会影响系统的主要性能，所以解析模型表现出了一定程度上的 适应性，但是当系统的规模达到足够大时，过多的细节特征忽略就会产生 爆炸性的影响，就会使得解析模型偏离真实的系统，从而得到错误的结论 或者不优的结果。同时，在制造系统领域还有一些固有的问题是解析方法 很难解决的，比如利用排队网络进行有限缓冲容量的研究就很困难。 随着计算机性能的提高，计算机仿真技术和虚拟技术的发展，特别是大 型商业化的离散事件仿真平台的出现，使得在计算机的虚拟环境中真实再 现设计系统变得可能，当然计算机仿真模型的输出只是一次统计试验的结 果，如果再结合各种统计分析处理技术对在虚拟仿真环境中得到的关于系 统性能的数据进行处理，如此则能更真实地反映所要设计的系统。 这种利用仿真模型对制造系统性能进行评价的方法由于其产生的时间 不长，还只是处于探索的初步阶段，相关的文献也很少。 a n d r e a 和m a s s i m o ( 2 0 0 0 ) 利用特定的软件工具w i t n e s s7 0 对制造 系统进行建模【1 8 】。分析了三种系统布置方式：加工车闻( j o bs h o p ) 、柔性 单元( f l e x i b l ec e l ls h o p ) 和流水生产线( f l o w s h o p ) 以及市场产品需求变 化对系统性能的影响。在论文中，他们独立考察的系统性能参数有平均交 7 第一章绪论 货时间( a v e r a g e l e a dt i m e ，l t ) 、平均在制品数量( a v e r a g ew o r ki np r o c e s s ， p ) 以及平均缓冲站容量( a v e r a g e b u f f e rs i z e ) ，文中成功地回答了其所 列出的三个考察问题：不同的系统布置方式是否对系统上述性能有显著的 影响? 市场需求的变化是否与系统性能有冲突? 以及市场的变化是怎样影 响系统性能的? 显然，利用仿真模型对制造系统建模，来优化配置系统的资源，使系统 长期运行与一个比较优化的状态，这一方面的工作还很不成熟，但是已经 显示出很好的适应性。因此，寻求利用仿真手段建模优化配置制造系统的 资源是制造系统配置方面一个新的重要的研究方向。 对于制造系统资源的优化配置理论和方法的研究取得了一系列的成果， 使得f m s 的建设越来越合理，运行也越来越稳定，大大地降低了f m s 建 设投入的高风险性。后来，随着日本学者田口玄一将稳健设计的理念引入 到产品质量设计中来，人们就开始从系统的角度，考虑f m s 设计的稳健性 品质问题，这其中重要的一个方面就是制造系统性能如何适应产品需求动 态变化的问题。随着科技的发展，社会需求越来越趋向于多样化，市场的 产品需求表现出了明显的动态性。a n d r e a 和m a s s i m o ( 2 0 0 0 ) b s l 的研究表 明市场需求的变化对制造系统资源的利用率有着很大的影响，不过文中并 没有指出如何能够降低甚至消除这种影响。 我国在制造系统设计方面的研究与国外先进水平相比有很大的差距。只 是到最近十几年，才陆续有关于制造系统设计的文章发表，且大多是定性、 原则性地讨论一些经验和体会【1 9 , 2 0 , 2 1 , 2 2 , 矧。 1 2 3f m s 资源优化配置的复杂性 配置系统资源是一项非常具有挑战性的工作，因为在现代的制造系统 中，需要配置的系统资源是非常巨大的，一个利用4 个工作站加工1 5 种工 件的系统，需要至少2 0 0 个辅助工具的情况在现实中并不少见，而对于这 样一个系统，其可能存在的各种系统资源配置方式将是爆炸性的，要在这 许多的配置方式中找到一个优化( 相对于某些系统性能) 的配置方式是不 容易的。而且各种资源之间存在的相互影响，这种影响一般不是很明确， 耍旦堡壅垄堡登丝竺：墨签壅递：型墨童塑垡丝墼重笪叁鲞墨室墨垄塑王 8 i 珏毛g 义擎研士学位艘面向动态需求的同心稳健性优化配置研蔸 几个方面： ( 1 ) f m s 参数的复杂性 在f m s 中既包括有在系统设计中可以调整的因素( 可控因素) ，也包括 具有一定的不确定性、随机性或者不易控制( 比如机床的平均故障时间和 修复时间) 的因素( 不可控因素) ，在设计中，综合考虑分析这些因素对性 能的影响，是系统优化配置的一个难点。 ( 2 ) f m s 参数的多样性 f m s 参数的复杂性决定了系统中既存在有连续的设计变量，也存在有 离散的设计变量，系统中涉及的优化模型往往都是具有混合变量、多目标 的优化闯题。 ( 3 ) f m s 参数的耦合性 f m s 参数之间存在着复杂的耦合关系，往往个因素的响应随着其他 因素的不同而不同，因素之间存在着复杂的交互作用，为f m s 的优化配置 问题的求解带来了困难。 1 3 课题的提出 1 3 1 课题的研究内容和目的 正如1 2 节所述，在制造系统资源优化配置领域，国外的学者进行了卓 有成效的研究工作。但是他们在这方面的工作还不很充分，特别是利用仿 真手段建模对制造系统的资源配置进行研究还处在初步阶段，有很长的路 要走，本文在这种情况下，提出了一种基于仿真模型的集成设计方法，以 实现f m s 资源的优化配置。 就研究的内容方面，以前的学者着重针对于如何对系统参数进行合理的 选择以期系统的某项设计指标实现最优或针对于几项设计指标得到满意 解，而往往忽视了一个重要的方面，那就是生产实际中环境因素的影响。 影响制造系统的环境因素很多，也是非常复杂的，这就造成了设计中的某 些参数( 主要是不可控参数) 服从一定概率分布，例如由于环境的影响造 9 第一章绪 论 成的机床平均故障间隔时间( m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e ，m t b f ) 和平均 修复时间( m e a n t i m et or e p a i r ，m t t r ) 根据大量的统计结果表明其服从 负指数分布；由于市场环境变化造成的工件预测需求量我们也只能看作是 服从一定的分布( 比如正态分布) ，实际中，这些参数总是在一定的中心值 ( 参数期望) 附近扰动。如何配置系统的资源使得系统性能对于这种参数 扰动不敏感，这是稳健设计的范畴。本文将稳健设计引入到f m s 的资源配 置中来，以实现制造系统资源稳健性优化配置。 产品的需求分析是制造系统设计的第一阶段，并对系统的后续设计起到 了方向性作用。以前的研究最关心是预测一个经营周期内( 如一年，一个 月，一天等) 的产品需求总量，显然预测的需求总量并不能对产品需求进 行动态的描述，因为一个经营周期内的产品需求量由于受到环境因素的影 响，是一个随机变量。本文将工件的市场需求量视为随机扰动因素，探讨 在市场需求动态变化的情况下，制造系统稳健设计的问题。 在稳健设计中，一个重要的研究方向是考虑随机变量的相关性问题，这 是针对当前的一些方法中都认为随机变量是相互独立而言的。制造系统规 划生产的多种工件中，其预测需求变量很可能是相关的( 例如，生产的工 件中，某些工件属于同一个装配部件，那么这些工件的需求量就近似线性 相关) 。本文将在制造系统稳健设计中考虑随机变量的相关性问题。 1 3 2 课题的工程及学术意义 由于f m s 设计问题的复杂性和多领域性，复杂工程系统的稳健优化设 计还未形成完整、系统的理论体系，甚至一些概念、术语的定义还不统一， 学者们进行着各自的研究工作，所研究的成果在求解范围、效果、效率和 透明性方面分别具有一定的局限性。 f m s 的资源优化配置涉及f m s 总体设计中较多的投资额，风险较大， 是初步设计中最重要也是难度最大的任务之一，对于这一任务的完成将为 所设计的f m s 构造出初步的框架。本文提出的f m s 稳健性优化配置方案 建立在当前相关领域先进研究成果的基础上，较好地解决了f m s 资源的优 化配置问题，对于f m s 设计具有一定的指导作用。当然，这种方案不仅适 用f m s 稳健设计，而且对于其它复杂系统也具有一定的适应性，具有普遍 1 0 如j 交逆辟研壬学位爸文面向动态需求的f 搬稳砧性优化配置研莞 的工程意义。 利用基于r s m 的仿真手段来建立表征f m s 的虚拟模型，通过d o e 的 方法回归出f m s 的解析模型，并将市场需求这一不确定因素纳入系统设计 中，使得设计的f m s 对于需求的变化具有一定的适应性，即系统具有稳健 性。这些工作涉及到制造工程、质量工程、工业工程、智能工程、概率论 等多科学、多领域的知识，因而本文对这些学科的理论及其综合应用方面 的研究具有一定的学术意义。 本学位论文的完成将对目前正在进行的、作者导师李建勇教授主持的 国家自然科学基金项目“自动化制造系统稳健性优化设计( 5 0 1 7 5 0 0 1 ) ”的 研究工作给予了支持。 1 4 论文的主要工作和组织结构 依据上述的思想，本文对f m s 资源的优化配置进行系统化的研究，文 章的结构安排如图1 1 所示。 本文的各章内容简述如下： 第一章为绪论。首先介绍了柔性制造系统概念、组成及其性能特点， 指出f m s 适应了社会发展的需求，是制造系统向着自动化、智能化、柔性 化发展的需要。接着就f m s 资源优化配置的研究内容、研究现状及其重要 性、复杂性作了说明，其中详细地介绍了f m s 优化配置理论的研究现状和 发展历程。最后在f m s 优化配置的研究现状地基础上，提出了本文研究的 内容和目的，指出了文章的工程和学术意义。 第二章主要介绍全文的两大理论基础：优化配置理论和稳健设计理论。 文章首先就f m s 优化配置的建模方法、性能指标以及在建模过程中涉及的 变量作了简要的介绍，接着介绍了就稳健设计理论的概念、发展历史、基 本原理、研究现状以及发展趋势。本文将稳健设计理论用于f m s 的系统设 计中，完成对f m s 资源的稳健性优化配置。 第三章在前面理论的基础上，提出了f m s 稳健性优化配置的集成设计 框架，并就框架中提到的相关技术进行详细的阐述。本章在全文中起到了 第一章绪论 承上启下的作用，提出的集成设计方法有效地解决了f m s 稳健性优化配置 地问题。 第四章将市场需求作为一个不可控制的因素，初步探讨了在制造系统 设计中，对产品市场需求的描述，以及基于市场动态需求的制造系统建模 方法。 第五章通过一个具体的实例的详细设计过程作为对前面讲述理论方法 的总结，实例的有效性很好地对本文提到的方法和理论进行了支持，说明 了该文方法的有效性。 第六章为总结和展望。总结了全文的研究工作，指出了成果和不足， 对今后的研究工作进行了展望。 厂一 厂 工件的类型 各工件的生产量 各工件工艺路线的流量 ( 2 ) 与制造单元相关的决策变量 各种物料处理设备的类型和数量 各种物料运输设备的类型和数量 托盘和夹具的类型和数量 缓冲站和仓储系统的类型和容量 ( 3 ) 与布局相关的决策变量 各种布局类型 1 8 - 毋i 之递欠擘顽士学位语文面向动态需求的同昭骜健性优化配王研多 2 3 稳健设计 2 3 1 稳健设计的概念 “稳健”一词的英文原文是“r o b u s t ”，其含义是强壮、健康、坚韧、能 经受逆境的考验的意思。 稳健性( r o b u s t n e s s ) ，在国内的一些技术文献中亦叫鲁棒性，是指因素 状况( 原因) 在发生一定范围内的波动对因变量( 结果) 影响的不敏感性。 如使产品( 系统) 性能对所用材质变差的不敏感性，能在一些情况下使用较 廉价的或较低级的材料；使产品对制造尺寸变差的不敏感性，可以提高产品 的可制造性、降低加工精度以减少制造费用；使产品对环境变化的不敏感性， 能保证产品使用的可靠性和降低操作、维修等费用。根据这种思想，通过对 产品的性能、质量和成本综合考虑进而做出在设计条件下的最佳设计，既提 高了产品的质量，又降低了产品的成本，这种面向产品质量的提高产品性能 的工程设计方法称为工程稳健设计。 2 3 2 稳健设计的发展历史 在工业发展过程中，人们不断地寻求与发展各种优化设计方法。在产品 地系统设计中工程师们通常使用地传统优化设计方法只是对设计参数的理 论值进行优化，而没有考虑系统中客观存在的噪声干扰等问题，因此计算出 设计参数在理论上可能是最优的。但是，如何保证实验室的最优策略在制造 过程与顾客使用环境中仍然是最优呢? 如何在顾客使用环境中使产品性能 的波动尽可能减少呢? 稳健设计就是在系统设计的基础上发展起来的一种 先进的质量改进技术。它的基本思想就是通过分析可控因素和噪声因素的效 应以及它们之间的交互作用效应，寻求可控因素的最优水平组合，使得此种 水平组合把噪声因素所引起的波动抑制在尽可能小的范围内，即使得嗓声引 起的波动对于产品或系统的性能不敏感，也就是说稳健的。 稳健设计技术是日本著名质量工程专家田口玄一( g t a g u c h i ) 博士于 1 9 7 8 年首先提出的，而后k a c k e r ( 1 9 8 5 ) ，p h a d k e ( 1 9 8 9 ) ，n a i r ( 1 9 9 2 ) 也 分别进行了研究，随之在工程技术界、工业界与统计界得到了高度重视与发 1 9 第二章f m s 稳健性优化配置的相羔理论 展。在稳健设计的研究中，一个重要的理论问题就是稳健性能的度量问题。 田口主张信噪比( s n ) 。但是，著名统计学家g e 2 b o x 在1 9 8 8 年指出，信 噪比的效率很低，有的损失高达7 0 的信息。l e o n ，s h o e m a k e r ，k a c k e r 于 1 9 8 7 年引入了“独立调整的性能度量( p e r m i a ) ”，并证明了s n 比是一种 p e r m i a 。w e l c h ，y u k a n g ，s a c k s 于1 9 9 0 年提出了响应面方法( r s m ) ，l e r e n z ， v i n a b o t l s ( 1 9 9 0 ) ，s h o e m a k e r t s u i ，w u ( 1 9 9 1 ) ，s t e i n b e r g 和b u r s z t y n ( 1 9 9 4 ， 1 9 9 8 ) ，t s u i ( 1 9 9 6 ) ，b e r u b e 与n a i r ( 1 9 9 8 ) 等进行了一系列研究工作。对 于动态特性的稳健设计问题，近年来越来越受到人们的重视，m i l l e r ，j e f f e r w u ( 1 9 9 1 ) 提出了动态响应函数模型，j b e r u b e ，n a i r ( 1 9 9 8 ) 建立了静态 响应面模型，并给出了估计方法。特别v i n i n g ，m y e r s ( 1 9 9 0 ) 与k i m ，l i n ( 1 9 9 8 ) 提出稳健性思想应与响应面思想结合在一起考虑，并且他们给出了 实际的例子。如今利用r s m 来解决稳健设计问题显得愈来愈受到统计界和 工业界的重视，特别是随着计算机的普及和推广，这使得稳健设计与响应面 方法之间的关系越来越密切。 2 3 3 稳健设计的基本原理 系统设计的好坏可用性能特性值接近目标值的程度来评定，性能特性愈 接近于目标值，质量就愈好；偏离目标值越远，质量就越差。用质量的平均 损失来衡量： e l ( y ) l e y 一，。) 2 - e ( y 一；) 2 + ( ；一，b ) 2 一盯，2 + 霹