（机械制造及其自动化专业论文）制造过程中mes结构设计与调度算法研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文以离散型机械加工企业为背景，研究了m e s 的体系结构、在制品 工艺状态建模方法和智能调度算法。 首先，论文在探求国内外制造执行系统研究成果的基础上，认真分析了 制造执行系统中各功能模块之间的内在联系，并结合具体研究对象的实际特 点，提出了一种新的基于m a s ( m u l t i a g e n ts y s t e m ) 和“漏斗模型 的m e s 体系结构，并对其各功能模块之间的信息流做了分析研究。 随后，论文研究了在制品工艺状态表示方法，引入了过程失效模式及后 果分析( p r o c e s sf a i l u r em o d ea n de f f e c t sa n a l y s i s ) 和基于集合s ( 2 ) 的状态建模 方法，提出了一种全新的表示方法，? 并做了实例验证。 最后，论文分析总结前人的相关调度算法，根据实际情况，提出了适用 于相应车间的智能调度算法。本文灵活运用了一些相关规则与智能算法相结 合或者是运用多种智能算法相结合，既充分利用了各智能算法的优点，又有 效地避免了各智能算法的缺陷。本文主要根据流水车间、混合流水车间、作 业车间和柔性作业车间四种车间状况来研究智能调度问题，通过相应调度方 法对车间实际生产数据进行验证，以此来判断相应调度方法的有效性。 关键词：m e s 在制品工艺状态流水车间作业车间智能算法 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r ，d i s c r e t em a c h i n i n ge n t e r p r i s e s a r ep u ta s a p p l i c a t i o n b a c k g r o u n d ，a n dt h ea r c h i t e c t u r e o fm e s ，p r o d u c tp r o c e s ss t a t em o d e l i n g a p p r o a c ha n di n t e l l i g e n ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m sa r e s t u d i e d f i r s to fa l l ，t h ep a p e re x p l o r e sr e s e a r c ho fd o m e s t i c a n di n t e r n a t i o n a l m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ，a n a l y z e st h ei n t r i n s i cl i n kb e t w e e n t h ev a r i o u s f u n c t i o n a lm o d u l e si nt h es y s t e mc a r e f u l l y , t a k e st h ea c t u a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s p e c i f i c r e s e a r c ho b je c ti n t oa c c o u n ta n dp r o p o s e st h en e wm a n u f a c t u r i n g e x e c u t i o ns y s t e ma r c h i t e c - t u r eb a s e do nm a sa n d “f u n n e lm o d e l ”，a n dt h e a n a l y s i so ft h ei n f o r m a t i o nf l o wb e t w e e nt h ev a r i o u sf u n c t i o n a lm o d u l e sh a s b e e nd o n e s u b s e q u e n t l y ，t h ep a p e rs t u d i e sp r o d u c tp r o c e s ss t a t er e p r e s e n t a t i o n m e t h o d s a n dan e wr e p r e s e n t a t i o ni sp r o p o s e dw i t ht h ei n t r o d u c t i o no fp r o c e s s f a i l u r em o d ea n de f f e c t sa n a l y s i sa n ds t a t em o d e l i n gm e t h o db a s e do n a c o l l e c t i o no fs ( 2 ) ，a n dt h ei n s t a n c ev a l i d a t i o ni sc o m p l e t e d f i n a l l y ，t h ep a p e r a n a l y z e st h ep r e v i o u ss c h e d u l i n ga l g o r i t h m a c c o r d i n gt o t h ea c t u a ls i t u a t i o n ， i m p r o v e di n t e l l i g e n ts c h e d u l i n g a l g o r i t h m s a r eu s e df o rt h ec o r r e s p o n d i n g w o r k s h o p m a i n l y ，s o m er e l e v a n tr u l e sa n di n t e l l i g e n ta l g o r i t h mo rav a r i e t yo f i n t e l l i g e n ta l g o r i t h m a r ec o m b i n e da n du s e d ，w h i c hm a k e sf u l l u s eo ft h e a d v a n t a g e s o ft h e i n t e l l i g e n ta l g o r i t h m ，a n d a l s o e f f e c t i v e l y a v o i dt h e s h o r t c o m i n g so fi n t e l l i g e n ta l g o r i t h m s i nt h i st h e s i s ，m a i n l y ，a c c o r d i n gt o t h e s i t u a t i o no ff o u rw o r k s h o p si n c l u d i n gt h ef l o ws h o p ，h y b r i df l o ws h o p ，j o bs h o p a n df l e x i b l ejo bs h o p ，t h ei n t e l l i g e n ts c h e d u l i n gm e t h o d sa r es t u d i e d u s i n gt h e a p p r o p r i a t em e t h o di n t h ew o r k s h o p s ，t h ea c t u a lp r o d u c t i o nd a t ah a sb e e n v e r i f i e da n d d e t e r m i n e dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ec o r r e s p o n d i n gs c h e d u l i n g m e t h o d s k e yw ords ：m e s ：p r o d u c tp r o c e s ss t a t e ；f l o w - s h o p ；jo b - s h o p ；i n t e l l i g e n t s c h e d u l i n ga l g o r i t h m 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1 课题来源 我国国民经济发展的重中之重是加工制造业，国家统计部门发布的经济 数据显示：目前，加工制造企业占我国工业企业的9 0 以上，我国工业企业 的主营业务收入的8 0 和利润的7 0 来自加工制造业。同时，加工制造业 也是我国的战略性产业，它为发展经济和建设国防提供了技术装备：现代化 的加工制造业更为实现国家现代化和巩固国防提供了根本保证。总而言之， 加工制造业是国家综合实力与经济水平的根本和象征心1 。 随着社会信息化程度的不断提高和经济的快速增长，现代社会对加工制 造企业的要求也越来越高，在保证质量的前提下，企业必须做到能够根据客 户要求的不断变化迅速做出反应，快速满足客户的要求。加工制造企业要想 立于不败之地必须重视以下两个方面：一方面，要具有一定的研发能力；另 一方面，应具备科学完善的管理技术。只有具备以上两个方面的条件，才能 满足企业快速跟进社会发展的要求。另外，随着人们物质生活水平的逐步提 高，对商品的需求方式也从单一多量转变成了多品种少量，所以企业为了满 足消费者个性化、多样化的需求，生产方式也由以往的单品种大批量的生产 模式逐渐转变为多品种或单品种的少批量生产模式。这样的生产方式必然要 求企业具有能够随时掌握社会需求变化的能力，充分利用各种信息资源，快 速研发并制造出相应地新产品。企业不仅要有快速制造新产品的能力，还需 要有保证产品拥有高质量、低成本等优点的能力。多品种、小批量、高质量、 低成本以及交货期短等特点正是为了适应不断变化的生产环境和生产方式才 产生的。这些已成为当今工业企业的主要生产特点，并且变得越来越重要， 具有这些特点的生产方式在学术界被定义为j o b s h o p 型生产方式h 5 1 。 为响应新生产方式快速性和敏捷性的要求，作为面向车间生产级的管理 信息系统一制造执行系统( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ，m e s ) 得以出 现，它在企业计划层( e r p ) 和车间控制底层( p c s ) 之间架起了一座桥梁， m e s 填补了e r p 和p c s 层之间的信息鸿沟，加强了企业层和生产底层的信 息交流传递和反馈，这使得企业整个生产过程能有序的进行，保证了整个生 产系统的信息畅通，从而使企业成为一个有机整体。在制造执行系统中，如 何快速、精确实现生产现场各要素相关信息的搜集、交互利用并科学做出相 应是整个m e s 的关键，也是实现整个生产车间快速制造、透明化制造，最 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 终实现生产过程优化配置的关键。其中，物料成本、设备、产品质量以及进 度管理都会被考虑在内哺1 。 m e s 的核心功能模块之一是车间作业调度，e r p 层下达的生产计划能否 按时完成，主要取决于车间作业调度安排的是否合理，有效的调度方案能最 大限度的降低生产成本，按时交货，从而提高企业的信誉，增强企业的竞争 力。生产调度问题研究的实质就是如何优化分配生产系统的资源，使得整个 生产过程满足某个或几个性能指标。一般加工车间的特征包括工件集、工件 工序集、加工机床集、人员集。不难看出调度的根本目的就是在工件集、工 件工序集、加工机床集、人员集正常运行的情况下，不考虑动态因素的影响， 如何实现工件集、工件工序集、加工机床集、人员集之间的合理映射，即可 行性调度。最优调度就是合理映射之一，可以称之为最优映射。生产调度是 否合理影响着m e s 整体功能的运行效果和企业的生产效率，因此，优化生 产调度问题是目前加工制造企业的重点研究问题，也是社会问题研究的热点 之一。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 制造执行系统研究现状 2 0 世纪九十年代初，m e s 的概念首次被提出，并给出所包含的具体内 容： ( 1 ) 在整个产品加工生命周期内，追踪产品的所有相关加工信息情况， 包括在线反馈和离线反馈提供的有效信息。 ( 2 ) 整合产品所有反馈信息和产品已有数据，对车间生产活动进行最优 调度，压缩非增值生产活动，提高车间乃至企业的运营效率。 m e s 作为生产方式发展的成果，大多源自于工厂的内部需求。传统的 m e s 是从2 0 世纪7 0 年代的零散车间级应用发展起来的，在经过长时间的经 验积累之后，一些专门从事m e s 开发的公司应运而生，并且形成了一系列 相当成熟的标准 1 。m e s 包含多个子模块，每个模块都有自己的功能，但各 功能模块的集成性是否良好是m e s 系统实施的关键。中村、正田耕一以及 m i c h a e lm c c l e l l a n 强调过m e s 中各子系统之间的功能协调和信息集成的重 要性，良好的集成性是保障整个生产过程得以正常运行和优良管理的关键。 2 1 世纪初，为了适应协同制造的需求，集成的i - m e s 发展成为协同的 c m e s 。2 0 0 4 年5 月，m e s a 提出了协同的制造执行系统( c o l l a b o r a t i v e 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m s ，c m e s ) 理论，它指出c m e s 的特点是将 原有m e s 的功能和集成能力进一步加强，使其在运行中拥有更高的执行效 率，加强了m e s 与整个生产系统的信息交流能力，使整个生产系统向智能 化和敏捷化靠近哺儿9 | 。 m e s 所带来的效益在制造企业中产生的效果越来越明显，不同行业根据 自身企业的不同特点，将符合自己行业的知识融入m e s 系统，于是不同类 型的制造执行系统应运而生。柴天佑、郑秉霖等在2 0 0 2 年提出了基于三层结 构的流程工业集成制造系统，这三层结构是指b p s m e s p c s 。流程工业m e s 注重的是整个生产过程的运行管理，强调各层之间的信息传递、反馈及加工 利用。c h a ity 在2 0 0 5 年提出了一种自动化系统，该系统能实现对多个生产 指标的综合优化，并强调了智能化是该系统实现的关键n 0 | 。 在我国，m e s 起步较晚，直到2 0 世纪9 0 年代初期才逐渐为人们所知， 行业对其研究大多数也仅仅是处于理论方面，对于其具体的实施性研究并不 成熟。但是，随着社会经济的发展以及对提高企业效率的重视，越来越多的 高校以及自动化研究所等相关单位对m e s 的研究开始系统化、标准化并进 行了实际应用，也取得了一些成果。但是总体来说，目前我国对于m e s 的 研究还处于发展阶段。 1 2 2在制品工艺状态研究现状 随着当今制造业信息化的快速发展，c a p p 系统已经囊括了与工艺活动 相关的制造工艺信息系统，此系统以c a p p 的相关功能作为铺垫，形成了柔 性化的系统结构，并拓展出了与工艺信息相关的模块，以实现产品工艺状态 的管理。在制品工艺状态的管理已经成为在线管理的重要组成部分，它有利于 实时监控在制品的加工状态，其加工状态包括：部件是否加工完成，是否加 工合格，以及己加工工序和未加工工序的统计。其科学合理的建模方法为实 现产品快速有效的加工奠定了基础。在国内外相关文献中，关于在制品工艺 建模方法的研究较少，相信随着加工企业的不断智能化，在制品工艺状态建 模方法的研究将会变得越来越重要。 1 2 3 生产调度技术研究现状 车间优化调度( j o b s h o ps c h e d u l i n gp r o b l e m ，j s s p ) 作为目标要求范围大、 约束条件多、变化复杂的综合优化问题，已经被证明是n p 难题 ( n o n p o l y n o m i a lc o m p l e t ep r o b l e m ) n 。对于车间生产调度问题的研究，最 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 初的研究主要是采用数学规划方法、启发式调度方法等n2 。，其中启发式调度 方法包括基于规则的方法、基于人工智能的方法、随机搜索方法、基于仿真 的方法n 引。但是，由于生产调度问题是n p 难题，传统的数学规划和一般的 启发式方法难以获得较优的结果。因此，为了寻求优良的调度方法，研究者 将遗传算法、模拟退火、神经网络等智能调度算法运用到了生产调度问题中， 并取得了一些成果1 5 1 。由于各算法本身的一些缺陷和调度问题自身的复杂 性，至今还没有哪一种算法能确切的针对某一类调度获得较优的结果。也正 因为如此，生产调度方法的研究仍然是该领域的热点研究问题。下面将对生 产调度方法的研究现状做了一下简述： ( 1 ) 数学规划方法 从数学规划的角度出发，生产调度的问题可以归纳为在等式约束或者不 等式约束下，对一个或者多个目标函数的优化。其可以表示为m i l p 或者 m i n l p 优化模型，采用运筹学方法求解，得到最优解或者其取值范围。数学 规划方法一般都能求得精确解，即最优调度方案。但该方法对规模较大的复 杂调度问题缺乏实用价值，因为运算量大，耗时长，费时费力会增加运算成 本。其实，在实际的生产过程中，并不一定要求求得最优调度方案，因此， 出现了其他的调度方法。 ( 2 ) 启发式调度方法 启发式调度算法是一种能够快速求得较优解的算法总和n6 | 。由于启发式 算法可操作性强，运算量小和用时相对较少等特点，在实际的加工过程冲， 其运用反而更为广泛。因此，国内外文献对启发式调度方法的研究较多，并 取得了较大成绩。其一般可分为以下三类： 规则调度方法 规则调度方法一般是指在实际生产加工过程中，根据一定的规则和策略 来安排下一步操作的调度方法n7 | 。其大体包括七种情况，每种情况下又有相 应的分类n 引，如表1 1 。 智能调度方法 采用人工智能理论和技术求解生产调度问题的方法统称为智能调度方法 n 圳。目前，智能调度方法仍是生产调度研究的热点与重点，其主要包括：基 于符号智能的专家系统调度心；基于计算智能的神经网络调度；模糊规则调 度心“；基因算法调度；基于多智能体合作求解技术的分布式生产调度等瞳引。 目前，利用智能调度方法求解生产调度问题已取得了一些成果，特别是新兴 的智能求解算法，如改进遗传算法、模拟退火算法、蚁群算法、粒子群优化 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 - - _ _ _ - _ - - - _ - _ _ _ _ - _ - - - _ - 一 。 算法等都已被成功应用于车间调度问题m 4 | 。 表卜1 调度规则分类 t a b 1 1t h ec l a s s i f i c a t i o no fs c h e d u ij n gr u i e s 1 基于加工时间的调度规则 最短加工时间( s p t ) 优先规则 最长加工时间( l p t ) 优先规则 最短剩余加工时间和( l w k r ) 优先规则 最短工序完成时间优先规则 最长工序完成时间优先规则 最长剩余加工时间和( h e r ) 优先规则 2 基于交货期的调度规则 e b b 优先规则 o p i 如d 优先规则 3 基于工序数的调度规则 最小剩余工序数优先规则 l h a l f 优先规邱j 最大剩余工序数优先规则 f h a l f 优先规则 4 基于费用的调度规则 最大价值优先规则 最小罚单优先规则 5 基于到达时间和随机因素的调度规则 6 基于松弛时间和允许时间的调度规则 最小松弛量( s l k ) 优先规则 s w r k 优先规则 a l l o p n 优先规则 s a l l 优先规则 s o p n 优先规则 最小允许时问( a l l ) 优先规则 最小关键比( c r ) 优先规则 7 基于机器信息 n i n q 优先规则 v i n q 优先规则 基于仿真的方法 基于仿真的方法是利用离散仿真模型模拟实际生产过程，通过测试和分 析各种调度方法，进而调整调度规则的方法心5 1 。基于仿真的方法得到了多方 面的研究，其可以对调度问题的多个侧面进行分析研究，具体情形包括： 1 ) 仿真可以捕捉和分析制造资源之间的动态影响因素，评价调度中的矛 盾条件，解决各种冲突问题心6 1 。 2 ) 生产调度可以看成是一个多级决策过程，各决策点可能存在多种决策 方案，通过仿真，可以比较不同决策方案对系统性能的影响，进而选择最佳 决策方案瞄7 i 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 3 ) 利用仿真工具直接产生调度方案。这方面的研究尚处于起步阶段，尤 其是，怎样利用仿真技术实现调度方案的优化，其控制机理有待深入研究乜引。 启发式算法，虽然能够快速求得较优解，但是容易陷入局部最优，难以 保证全局最优，还有就是受编码方法的限制。虽然存在这些缺点，但是因其 计算简单，实用性更强，在实际的生产过程中却被广泛运用。随着调度方法 的发展，启发式算法出现了和其他算法相结合应用的趋势，多种算法的结合 有利于避免单一算法引起的不足，同时能够充分利用各优化算法的优点，使 优化调度方法更贴合实际心铲圳。 1 3 研究内容、目的及意义 本课题的研究是以离散型企业为背景，研究了m e s 集成设计、在制品 生产工艺表示方法以及智能调度方法在车间调度中的应用。目的是紧扣生产 环节的核心问题进行研究，通过相关理论和应用研究来提高车间的生产效率 以及工厂的快速反应能力。具体内容如下： ( 1 ) 制造执行系统分析研究：在充分研究国内外在制造执行系统的研究 成果基础上，分析制造执行系统中各功能模块之间的内在联系，结合具体研 究对象的实际特点，提出一种基于m a s 和“漏斗模型”的制造执行系统体 系结构，并对其各功能模块之间的信息流做了分析研究。 ( 2 ) 在制品工艺状态表示方法研究：在研究在制品工艺状态表示方法时， 引入了基于集合s ( 2 ) 的建模方法、过程失效模式及后果分析( p r o c e s sf a i l u r e m o d ea n de f f e c t sa n a l y s i s ) 和过程检测，提出了一种自省式在制品工艺状态表 示方法。 ( 3 ) 智能调度方法研究：分析总结前人的智能算法，如粒子群算法、遗 传算法等。根据实际情况，提出了适用于相应车间调度的智能调度算法，并 且灵活运用了一些相关规则与智能算法相结合或者是多种智能算法相结合的 方法，充分利用了各智能算法的优点，又有效地避免了各智能算法的缺陷。 其中，主要从流水车间、混合流水车问、作业车间和柔性作业车间的状况研 究了调度方法。通过该方法对车间生产的实际数据进行验证，以此来判断该 调度方法是否有效。 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 二一：= ：二：二： 1 4 研究技术路线 本文首先对m e s 和生产调度系统进行了定性分析，提出了一种基于多 智能体的m e s 集成结构。然后，对在制品工艺表示方法进行了研究。最后， 运用智能调度算法，对不同车间的不同情况进行了定量分析与验证。技术路 线，如图1 1 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 2 m e s 的集成研究 2 1 m e s 现场执行系统的国内应用 企业要想赢得更多的利润，提高核心竞争力，就必须从生产过程的管理 入手。因为，生产制造是工厂的核心，工厂制造成本是公司最大的成本来源， 而生产部门是工厂最大的部门，所以抓好生产管理，提高生产管理水平，意 义重大。如今，企业之间的竞争已经过渡到了管理的竞争。企业明白，只有 靠现代的管理手段才能制造出更好的产品，为客户提供更满意的产品与服务， 同时企业才能健康、持续发展。 缺乏生产管理手段的生产现场就如同一个“黑箱”。在生产现场到底发生 了什么，没有一个完整的信j 息反馈。制造执行系统m e s 通过反馈结果来优 化生产制造过程的管理业务。生产过程追溯功能，可使企业非常清楚产品的 原材料是哪家、什么时间提供的，接收人是谁，检验的参数，产品在生产过 程中各环节的时间、技术参数、操作人员等信息。根据这些反馈信息，来解 决企业产能成本过高，或者产品质量不稳定的问题，并及时做出调整，有针 对性的为客户提供更好的服务，即使发生客户投诉，我们也能及时准确地为 客户澄清问题，确认并控制影响范围沁1 。 工厂负责生产的领导需要了解整个工厂的生产进度、任务达成度、产品 品质。在没有使用生产执行系统m e s 之前，这些信息的获取，只能通过人 员填写的报表反馈，或者是电话汇报。这些信息的获取非常不及时，结果就 导致了企业的管理层不能及时有效的下达管理指令，制约了管理措施的有效 实施。正是这个管理的“黑箱”遮住了管理层的眼睛，束缚了他们的手脚。 国内生产制造企业纷纷引入m e s 现场执行系统，帮助企业打破“黑箱”， 打造可视工厂，使生产的过程完全透明化。生产执行系统m e s ，可监控从原 材料进厂到产品入库的全部生产过程，记录生产过程中产品所使用的材料、 设备、产品检测的数据、结果以及产品在每个工序上生产的时间、操作人员 等信息。这些信息的收集，经过m e s 系统加以分析，就能通过系统报表实 时呈现生产现场的生产进度、目标达成状况、产品品质状况，以及投入生产 的人、机、料的利用状况，这样使得整个生产现场完全透明化。企业的管理 人员，无论何时、身处何地，只需透过i n t e r n e t 就能将生产现场的状况看的 清清楚楚明明白白。身在总部的老板亦能通过m e s 获取信息，运筹帷幄； 远在国外的客户，当然也可以来关心他们的订单进度、产品品质等信息。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 m e s 系统 2 2 1m e s 定义 m e s ( 英文m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m 的缩写) ，即生产执行系统， 是近几年发展起来的企业信息化系统。该系统目前在发达国家已经得到普遍 推广。m e s 主要是面向离散制造企业( 如机械制造、电子电器、航空制造、 汽车制造等行业) 和流程生产行业( 如制药、化工、电力、钢铁制造、能源、 水泥等) 的生产模式、管理模式的信息集成系统。 m e s 是实现管控一体化的纽带，它处于计划层与控制层之间，是实现企 业自动化控制的关键一环。在已经实现e r p 系统的企业中，e r p 系统和f c s 系统均有其各自的局限性，使得在企业范围的信息化过程暴露出上层计划系 统与底层控制系统之间生产执行领域的空白。如图2 1 所示： u 自动化孤岛 0 前后7 - 序之问信息缺乏链接 图2 - 1 m e s 的作用 f ig 2 1t h er o i eo fm e s m e s 的目的是通过整合工厂内的所有资源来优化整个生产加工过程。生 产管理系统主要有两方面的作用，一是在线收集和传送数据，使生产管理者 迅速得到所有信息并快速做出决策；二是通过对现有和以往数据的分析与总 结，找出其内在规律，为优化管理系统提供依据。 虽然不同机构对m e s 有不同的描述，但是以下几点是被普遍认可的： ( 1 ) m e s 在整个生产加工系统中起着重要的连接作用，是管理活动和 生产作业活动的纽带。 ( 2 ) m e s 是搜集产品在整个加工生命周期内的所有相关数据和在线或 离线状态，目的是从当前视角出发优化生产活动。 西南科技大学硕士研究生学位论文第10 页 ( 3 ) 从数据实时性角度出发，如若是控制层相对于实时性要求的时间因 子为l x ，那么，m e s 要求的时间因子为10 x ，而r e p 要求的时间因子为10 0 x 。 如图2 2 图2 - 2三层结构的时间因子 2 2 2 m e s 的定位模型 m e s 是处于计划层和控制层之间的执行层，如图2 3 ，其主要服务于企 业的生产管理和调度指挥。使用统一的数据库和通过网络连接，可以同时为 生产部门、质检部门、工艺部门、物流部门等提供服务。该系统通过强调制 造过程的整体优化，来帮助企业实施完整的闭环生产，协助企业建立一体化、 实时e r p m e s f c s 信息体系。各层在整个生产过程中的作用模型，如图2 4 ， m e s 作用主要包括第三层和第四层。m e s 在整个企业信息集成中的位置， 如图2 5 。 图2 - 3三层结构模型 西南科技大学硕士研究生学位论文第11 页 生产调度r ；三层生产调度，系统优化、 过程优化l 第四层先进控制，过程优化 过程控制 ( 第五层 单元自动化。简单控制 过程控制 第五层单元自动化。简单控制 岁 生产过程一 图2 - 4生产过程作用模型 fig 2 - 4 p r o d u c tio np r o c e s se f f e c tm o d e 分派生产单元产品跟踪 资源分配0 调度规划 设备管理 m e s ：生产数据集成等i质量管理 过程管理 0 人力资源管理 文件管理 i 性能分析 图2 - 5m e s 的集成位置 f i g 2 - 5 in t e g r a t e dl o c a t i o no fm e s 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 2 2 3m e s 的功能模型 m e s 本身也是各种生产管理的功能软件集合，m e s a 通过其各成员的实 践，归纳了十一个主要的m e s 功能模块，包括：工序详细调度、资源分配 和状态管理、生产单元分配、过程管理、人力资源管理、维护管理、质量管 理、文档控制、产品跟踪和产品清单管理、性能分析和数据采集。实际的产 品可能只包含其中一个或几个功能模块。各模块的功能简述，如图2 - 6 ( 1 ) 工序排程调度：主要是考虑在有限资源下，通过科学合理的作业调 度来优化车间效能。 ( 2 ) 资源分配和状态管理：主要是统筹安排物料、机器、人员等生产资 源，并适时监控当前工作状态。 ( 3 ) 生产单元分配：该模块的主要作用是执行生产指令，将相关信息或 物料传送至相应加工单元，并进行相应操作。 图2 - 6m e s 的功能模块 f i g 2 - 6 f u n c l i o nm o d u ie so fm e s ( 4 ) 文档控制：对产品制造与设计、工艺流程等信息进行分发和管理， 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 并且汇总产品和环境方面的相关信息。 ( 5 ) 产品跟踪和产品清单管理：通过监控加工部件在整个加工工厂的所 有信息，来获得产品的加工记录，以确保每个产品或产品组具有可追溯性。 ( 6 ) 性能分析：通过实际测定结果与历史记录和定制标准的对比，得出 相关报告，以提高和改进其相关性能。 ( 7 ) 人力资源管理：在线提供员工的相关信息数据，以便有效的引导员 工。 ( 8 ) 维护管理：通过在线或离线监控以保证机器和其它资产设备的正常 运转以实现工厂的执行目标。 ( 9 ) 过程管理：通过生产计划和产品的实际过程，来规划企业或车间的 工作流程，该模块与质量管理和生产单元分配有重叠，在此以独立系统来实 现。： ( 1 0 ) 品质管理：根据加工目标来监控产品和加工流程的质量，来确保 产品质量。 ( 1 1 ) 数据采集：收集和汇总来自工厂的所有资源信息，该模块为重点 模块。 2 2 4m e s 的数据流分析 m e s 在企业数据流中的运行总框架，如图2 7 图2 - 7运行总框架 f ig 2 7g e n e r a ir u n n in gf r a m e w o r k 西南科技大学硕士研究生学位论文第14 页 在三层结构模型中，m r pi l e r p 和m e s 之间的数据流交换如图2 8 。 e r p 、 交互信息 ，、 产品工程 产品生产需求 m e s 过程j 质量管理 预测 b o m 。图纸，工艺文件 a 库存状态 日 人力资源管理 成本分析j 生产计划叫 过程定义 人力状态 文档维护管理 销售订单处理 加工计划和配件需求 产品跟踪 + + 书牛堆奎幸牛幸幸丰幸幸幸幸+ 木中 产品酱系管理 人力资源j 库存管理 采购? 分销 订单完成情况f 交货期状态 工序详细调度 ，一 物料消耗人员分配 o 生产单元分配 供应计划 、一 性能分析 配件需求 实际物料清单( b o m ) 财务 生产能力j 周期盘点次数 数据采集 短期生产计划j 废品，次品 、 7 一一 图2 8m r p i i e r p 和t i e s 之间的数据流 fig 2 8 在三层结构模型中，m e s 和控制层之间的数据流交换如图2 - 9 fig 2 9 图2 - 9控制层和l t l e $ 之间的数据流 西南科技大学硕士研究生学位论文第15 页 2 3 基于m a s 和“漏斗模型的m e s 集成设计研究 2 3 1 m ulti a g e n ts y s t e m ( m a s ) a g e n t 原为代理商，是指在商品经济活动中被授权代表委托人的一方。 后来被借用到人工智能和计算机科学等领域，以描述计算机软件的智能行为， 称为智能体3 | 。“多智能体”一般专指多智能体系统( m a s ，m u l t i a g e n t s y s t e m ) 或多智能体技术( m a t ，m u l t i a g e n tt e c h n o l o g y ) 。多智能体系统 是分布式人工智能( d a i ，d i s t r i b u t e da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 的一个重要分支。 多智能体系统是多个智能体组成的集合，它的目标是将大而复杂的系统建设 成小的、彼此互相通信和协调的，易于管理的系统口4 j 。 一般认为，a g e n t 应该具有以下四个基本特征口5 | ： ( 1 ) 自主性：表现为即使没有外界条件的干预，也能根据自身内部状态 来决策自己的行为。 ( 2 ) 交互性：表现为能够灵活多样的与其他智能体进行信息交换协同工 作。 ( 3 ) 反应性：表现为能够根据所处环境对某些事件作出适时准确的反应。 ( 4 ) 主动性：表现为能够按照某种规则主动行动，表现出针对相关目标 的行为。 但是，a g e n t 的主要表现是智能性和代理能力。智能性是指系统本身具 有推理、学习能力和其他技术手段，并且能够利用本身的能力来分析解释其 接触过的或被提供的各种信息和知识。代理能力是指a g e n t 能对外部产生的 消息进行感知，并根据当前其知识水平自行反馈。 具体建模涉及问题，如表2 1 表2 1a g e n t 建模涉及的问题 t a b 2 1t h eis s u e sin v o i v e dina g e n tm o d e ii n g 个体a g e n t 的推理 多a g e n t 规划 冲突的识别与消解 通信管理 适应与学习 2 事务的分解与分配 4 各成员a g e n t 的目标、行为的一致性 6 建立其它a g e n t 的模型 8 资源管理、负载平衡 10 移动及系统的安全 西南科技大学硕士研究生学位论文第16 页 在多智能体系统( m a s ，m u l t i a g e n ts y s t e m ) 或多智能体技术( m a t ， m u l t i a g e n tt e c h n o l o g y ) 中，单个a g e n t 的基本结构，如图2 1 0 。 境 输入模块 ，r 、 信 信息孙l 息 、j 7 理模块p 、噜 通 、_ 一 l ，夕、 讯 帆，善、帜少 模 行 埝山蟮地 1 决策 t ，卜 块 萱 输出模块 j 模块 一 兀 图2 10 单个a g e n t 基本结构 f i g 2 1 0 t h eb a s i cs tr u c t u r eo ft h es in g i ea g e n t 智能体的基本结构包括输入模块、输出模块、信息处理模块、通讯模块、 知识库模块、决策模块。 输入模块、输出模块负责与环境信息互动，通讯模块负责与其他a g e n t 进行交流，接受外界信息，并传递给信息处理模块。 信息处理模块主要是对得到的信息进行初步加工和处理，存入知识库或 者送到决策模块中直接对a g e n t 决策。 决策模块是智能体的重要部分，负责调动知识库中相关知识，对信息处 理模块得到结果和其他a g e n t 的通讯信息，进行深度分析、推理，并作出相 关决策和相应反馈。 知识库模块存放智能体所有自身的局部信息以及与其他智能体实现协作 问题求解所必须具备的各种知识。 2 3 2 “漏斗模型”的生产控制原理 “漏斗模型”的工作原理可以通过流量图来描述如图2 1 l 所示。流量图的 基本要素包括输入曲线和输出曲线。图中，纵坐标表示工作量，横坐标表示 时间，p 为参考时间段，i 为时间段p 的初始库存量，i p 为p 内的输入，o t 为p 内的输出，i f 为期末库存。从图中可以看出，当在制品库存量升高时， 必然是输入过多或产出( 生产能力) 不足，这时就要减少输人或增大产出( 生 产能力) ；反之同样。 西南科技大学硕士研究生学位论文第17 页 三悖圣 陋 瓠造任务 、i 小列 参毒。，i ；之b l 砖玲八p 、 库每 u琴学甜 ，0 i j 乏内的 ；套t f j 弋嚣一韧皓序幻： n 参学时问段f 舶 i 宅戋佟务 对声j 一1 7 跨、i ，i 、州 图2 11漏斗模型和流量图 面向负荷的生产控制是“漏斗模型的实际应用，我们为每一个负荷中 心建立一个账户，每一个账户也就等同于一个漏斗。在这个帐户里有余额， 也就是说是上一周期的任务库存。根据当前周期的计划输入，把任务加载到 负荷中心上，就是存款。为这个账户，规定一个最高存款额，即这个负荷中 心的负荷限额。一旦加载到这个负荷中心上的负荷超过了规定的负荷限额， 即账户存款数己大于最高存款额，则该账户立即被冻结，我们就不能再向其 增加负荷。在把任务加载到负荷中心上之前，我们要先为所有的任务进行紧 急度的排序，这样就把任务分为紧急任务和不紧急任务。对紧急任务在负荷 中心上进行加载，当某一任务的某一个工序加载到某一个工作中心上之后， 该工作中心即满负荷，那么该账户随即被冻结。再要有某一个任务的工序经 过这个已被冻结的账户，则该工序及该任务的所有其他工序在相应的工作中 心上都将被拒绝，这个任务就进入到不可投放的任务序列中。所有这些不可 投放的任务与非紧急任务就被安排进入下一周期进行任务的加载。 不难看出，基于“漏斗模型”的面向负荷的生产控制，最大的缺陷就在于 负荷中心间的信息不沟通，车间内的每一个负荷中心都是独立解决自己的任 务。应该说，进人投放序列的任务都是紧急任务。由于一个任务的某一个工 序所要经过的工作中心账户已被冻结，那么这个紧急任务就变成不可行任务 被安排到下一个周期进行加载，尽管它的其余工序在其余的工作中心上都能 够被加载。 西南科技大学硕士研究生学位论文第18 页 2 3 3 基于m u lti a g e n t 的控制结构 这里考虑了常见的三种体系结构的优缺点： 集中控制是指在组织中建立一个相对稳定的控制中心，由控制中心对组 织内外的各种信息进行统一的加工处理，发现问题并提出问题的解决方案。 这种形式的特点是所有的信息( 包括内部、外部) 都流入中心，由控制中心集 中加工处理，且所有的控制指令也全部由控制中心统一下达。集中控制最大 的优点，就是能够保证组织的整体一致性。缺点是可能出现控制中心失误造 成整个组织坍塌的状况。 递阶控制是一种从上而下的控制结构，它严格定义了系统的模块及功能。 各模块之间的通信，也被严格的限制在上下层的模块之间，同时，各模块之 间也没有自主决策的能力。因此，当系统变得非常庞大时，这种僵化的控制 结构会使得系统的容错性变差，可维护性和可扩展性下降，且对环境变化的 系统扰动的反应能力变差，不能完成柔性和有适应能力的控制。 分布自治控制是由具有决策权、自主权和合作能力的模块组成的扁平结 构。在此控制结构中，各模块之问相互通讯、相互合作，共同完成各自不能 独立完成的任务。它抛弃了阶梯控制结构中的上下、主从关系，采用一种平 等的合作关系，此结构提高了控制系统的鲁棒性、容错性和可维护性等，能 够快速对外界的变化作出反应，但是可能引起系统紊乱。因此，该种结构在 实际应用中较少见。 基于以上三种控制结构的优缺点分析，这里采用了一种混合式的m e s 系统结构，保障了控制系统的稳定性和灵活性。如图2 1 1 ，把集合1f 资源 a g e n t ，人员a g e n t ，设备a g e n t ，物料a g e n t 设计为递阶控制结构，由资源 a g e n t 负责对人员a g e n t 、设备a g e n t 、物料a g e n t 的控制与反馈，把集合2 调 度a g e n t ，生产任务a g e n t ，生产成本a g e n t ，库存管理a g e n t ，监控管理a g e n t ， 生产工艺a g e n t ，产品质量a g e n t 设计为集中控制结构，由调度a g e n t 负责 对生产任务a g e n t 、生产成本a g e n t 、库存管理a g e n t 、监控管理a g e n t 、生 产工艺a g e n t 、产品质量a g e n t 进行统一控制，考虑到集合l 能够灵活融入 和脱离控制系统，集合l 和集合2 之间设置为分布自治式控制结构。 调度a g e n t ：它是这个模型中关键的环节，与生产任务a g e n t 进行信息 交换，完成生产任务的安排与