（机械制造及其自动化专业论文）混杂生产线系统性能分析方法研究.pdf

硕十学位论文 摘要 专业化分工以及现代化市场发展使得生产系统网络化特征越来越明显，从生 产部门到供应链网络，不同层次和组织间的交流、关联、制衡等关系复杂而多变， 构成了具有自我响应且随机动态波动的复杂网络。多品种、小批量生产方式正成 为制造业主导。为了提高系统生产效率就需要对系统参数进行广泛研究，由于制 造系统中存在许多可控或者不可控的随机事件，所有制造系统一般来说都是混杂 系统。可以说，对混杂系统进行性能评估及优化控制是生产规划和管理中重要的 研究问题之一。本文正是通过两类不同的性能分析方法对混杂生产线系统进行性 能评估，并以此为基础，研究该混杂系统的混杂自动机建模与优化控制方法，做 出的主要工作以及获得的主要研究成果如下： 1 介绍了本文的研究背景，按照不同研究模型、不同生产网络结构的发展阶 段，介绍了一些关于不可靠制造系统以及混杂系统的基本概念，并进行了简单的 回顾和总结，并提出了当前存在的问题和以后的发展方向。 2 对设备具有不完全故障模式的双设备模型，在离散模型基础上，提出了当 有限缓冲区为不可靠时，系统性能参数评估的方法，通过状态概率间存在的拟生 灭过程等式给出了一种有效计算系统生产率和平均缓冲区水平的方法，克服了算 法复杂性的难题，并通过程序仿真证明了系统参数对性能评估的影响，由仿真数 据的差异得到了影响系统性能的主要因素和参数特征。 3 提出了流水线生产线系统的综合分析方法并推导出相应的公式。不同于传 统的生产模型，该生产线的缓冲区不可靠且具有多种随机故障模式，因此这种方 法能够对更复杂的生产线系统进行性能分析。 4 基于生产线连续和离散并存的混杂特征，提出了混杂系统的建模及其优化 控制方法。研究了加工单元混杂自动机模型，对满足一定产量情况下最大化机器 利用率的混杂优化控制进行了研究，提出了基于蒙特卡洛法的性能优化仿真计算 方法。最后，对某有限缓冲容量串行生产线进行了仿真计算，仿真结果验证了该 研究方法的可行性和有效性。 关键词：混杂生产系统；不可靠设备；多故障模式；系统的综合分析方法 混杂生产线系统性能分析方法研究 i1 1 a b s t r a c t d u et ot h es p e c i a l i z a t i o no fw o r kd i v i s i o na n dt h ed e v e l o p m e n to fm o d e r n m a r k e t i ti so b v i o u s t ou st h a tt h ep r o d u c t i o ns y s t e mp r e s e n t s n e t w o r k c h a r a c t e r i s t i c t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nd i f f e r e n tl e v e la n do r g a n i z a t i o nf r o mt h e p r o d u c t i o nd e p a r t m e n t t ot h es u p p l y n e t w o r ka r ec o m p l i c a t e da n dv a r i a t i o n a l a n dw h a t i sm o r e ，t h e yf o r mt h ec o m p l e xn e t w o kw h i c hi sr e s p o n s ei t s e l fa n dr a n d o m i z a t i o n m e a n w h i l e ，t h e r ei sal o t so fs t o c h a s t i ce v e n t sw h i c ha r ec o n t r o l l a b l eo ru n c o n t r o l l a b l e i nt h em a n u f a c t u r es y s t e m m a n ya c a d e m i c i a n sh a ss t u d i e dt h eu n r e l i a b l es y s t e mf o r t h ei n e s c a p a b i l i t yo fd e v i c ef a i l u r e t h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fp r o d u c t i o np l a y s a ni m p o r t a n tr o l ei nt h ef i e l do ff l o o rc o n t r 0 1 t h ep a p e rw a sb a s e du p o n t h e s i m p l i f i c a t i o n o fu n r e l i a b l ep r o d u c t i o nn e t w o r k ，w i t ht h es t u d y i n gt h eh y b r i d p r o d u c t i o ns u c ha sm e r g es y s t e ma n dt h et w o m a c h i n e sm o d e l t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e db a c k g r o u n do ft h et h e s i s ，t h e nab r i e fi n t r o d u c t i o no n t h eb a s i cn o t i o n so fu n r e li a b l ep r o d u c t i o n l i n e sw a sp r e s e n t e d ，r e v i e w e d t h e d e v e l o p m e n t sa n dr e s e a r c hs i t u a t i o no fu n r e l i a b l ep r o d u c t i o ns y s t e ma n dp o i n to u t s o m ed e f i c i e n c i e sa n df u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n s 2 i na c c o r d a n c ew i t hah y b r i dp r o d u c t i o nl i n es y s t e mc o n s i s t i n go f t w om a c h i e n s s u b je c t e dt oi n d e p e n d e n tf a i l u r e m o d e sw h i c hc o n t a i n st h es o c a l l e di n a d e q u a c y f a r l u r ea n du n r e l i a b l eb u f f e ri sc o n s i d e r e d ，b a s e do nd i s c r e t em o d e l ，t h e s t a t e s t r a n s i t i o np r o b a b i l i t i e so ft h es y s t e ma r es t u d i e da n a l y t i c a l l y , w i t ht h er e d u c i n gt h e d i f f i c u i t i e so fs o l v i n gt h ep r o b l e m ，ac o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h ma r ed e v e l o p e dh e r e ， a n da l s ot h ec o r r e s p o n d i n gp r o g r a mi sp r o v i d e d 3 i n t r o d u c ean e ws y s t e mp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nm e t h o dt o t h et w o - m a c h i n e l i n e a f t e rt h a t ，t h ee x t e n d e ds y s t e ma g g r e g a t i o n m o d e li s d e v e l o p e d a n d c o r r e s p o n d i n ga g g r e g a t i o nf o r m u l a t i o n s a r ed e d u c e d d i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a l p r o d u c t i o nm o d e l s ，t h ep r o d u c t i o n l i n ef e a t u r e su n r e l i a b l eb u f f e r sa n dm u l t i p l e s t o c h a s t i cf a i l u r em o d e so ft h em a c h i n e s t h em e t h o di sa p p l i c a b l et oa n a l y z i n gt h e c a s e sa r i s i n gf r o mt w oo rm o r es t o c h a s t i ce v e n t so rm o r ec o m p l e xp r o d u c t i o nl i n e s 4 t od e a lw i t hh y b r i dn a t u r eo fc o e x i s t e n c eo fc o n t i n u i t ya n dd i s c r e t e n e s s i n p m d u c t i o nl i n e ，m o d e l i n ga n do p t i m i z a t i o nc o n t r o lm e t h o d so fh y b r i ds y s t e mw e r e i i 硕十学位论文 p r o p o s e d t h eh y b r i da u t o m a t am o d e lo fam a n u f a c t u r i n gc e l lw a ss t u d i e d b a s e do n a b o v ea n a l y s i s ，t h eo p t i m a lc o n t r o lp r o b l e mo ft h eh y b r i ds y s t e mw a ss t u d i e d ，w h i c h m a x i m i z e du t i i i z a t i o nr a t eo fm a c h i n e sw i t hc e r t a i np r o d u c t i o no u t p u t n u m e r i c a l s i m u l a t i o nb a s e do nm o n t ec a r l om e t h o dw a sd e v e l o p e d t h ef e a s i b i l i t ya n de f f i c a c y o ft h em o d e la n dc o n t r o la l g o r i t h mw e r ep r o v e nv i as i m u l a t i o ne x a m p l eo faf i n i t e b u f f e rc a p a c i t yt a n d e mi i n e 5 ab r i e fs u m m a r yo ft h i st h e s i sa n dt h ef o l l o w u pw o r ki sv i e w e d k e yw o r d s ：h y b r i dp r o d u c t i o ns y s t e m ；u n r e l i a b l em a c h i n e s ；m u l t i p l ef a i l u r e m o d e s ；e x t e n d e ds y s t e ma g g r e g a t i o nm e t h o d i l l 混杂生产线系统性能分析方法研究 插图索引 图2 1设备具有多故障模式且缓冲区不可靠的双设备生产线系统8 图2 2 设备1 ，2 的状态变迁关系图9 图2 3 系统运行时序图9 图2 4 系统内部状态转移图1 4 图2 5 低边界状态概率转移图：1 6 图2 6 高边界状态概率转移图1 6 图2 7 低边界状态不同缓冲区水平层的交互关系1 9 图2 8 高边界状态不同缓冲区水平层的交互关系2 0 图2 9 缓冲区容量的变化与系统平均生产率关系图2 2 图2 1 0 缓冲区容量的变化与缓冲区平均盈余水平关系图一2 3 图3 1 流水线系统一2 4 图3 2 子系统t l 的等价设备2 6 图3 3 t l 的状态转移图2 7 图4 1 串行生产线示意图3 l 图4 2 加工单元的混杂自动机模型3 4 图4 3 加工过程中缓冲区b 2 和b 3 中容量的变化3 7 i v 硕+ 学位论文 皇曼曼曼曼曼! 曼曼曼! 曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇! 蔓! 曼曼曼皇曼曼曼曼曼量曼曼曼皇! 曼曼舅曼曼曼曼量曼曼曼皇m -。 = n = m = n l 皇曼皇曼曼曼曼曼 插表索引 表2 1 基本参数2 2 表2 2 差异比较2 2 表3 1t l 的系统状态2 5 表3 2 设备的基本参数2 9 表3 3 缓冲区的基本参数2 9 表4 1 系统的作业参数( 仿真原始数据) 一3 6 v 硕士学位论文 曼曼曼皇曼曼曼曼曼皇量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼蔓曼皇曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼璺曼曼曼曼量蔓曼皇鼍曼曼曼曼! 曼曼鼍曼皇曼曼曼量曼曼|i i 鼍 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 社会经济活动中，制造业是人们创造产品或服务的有组织的活动。随着计算 机技术的飞速发展，以及用户需求个性化而导致的不确定性和竞争全球化等因素， 单一制造企业要在短时间内拥有产品的各项技术、知识、能力往往是不可能的。 由于企业自身资源的局限性，企业无法再像以往只凭一己之力就能满足客户对产 品的多方面要求。为了增强竞争力，企业必须与其它合作伙伴( 如供应商、制造商、 分销商以及零售商) 组成供应链一起协同工作，以供应链为主体，参与到外部竞争 活动中去，从而更好地适应市场的需求。组成供应链的各个企业之间通过合作可 以最大限度地提高用户满意水平，并通过增加产品的价值来将“蛋糕 做大，达 到“双赢 的效果。在实际生产当中，由于生产计划的复杂性和不确定性，订单 的完成不能仅在一个企业中进行，而是要依靠供应链上所有的企业成员一起进行 协作，因此，供应链一般来说都可以看做是一个复杂制造网络式系统。同时，供 应链中需求、供应，生产、存储、运输、销售等多个环节都存在着不确定性，容 易受到诸多随机因素的影响。为了更好地对供应链进行管理，我们必然要对复杂 制造网络系统进行深入研究。 对制造企业本身来说，企业内部的每个部门都是生产环节的一部分，各个部 门之间通过协作，保证生产活动的顺利进行。因此，制造企业本身就是一个复杂 的网络系统。只有加强对复杂制造网络系统的研究，才能更好地对企业内部进行 管理与控制，使各个部门之间更好地进行合作，提高工作效率，保证企业的效益 达到最大化，从而适应激烈的市场竞争的需求。 正是在这种背景形势下，本文通过对具有多故障模式的不可靠生产线系统的 研究，希望可以对复杂制造网络系统做一些探索性研究，从而为企业设计新的生 产线，制定合理的生产计划，优化生产布局，提高系统生产率，降低生产成本， 提高经济效益，同时也为当前经济大环境下中小企业如何优化生产管理、提高系 统效益等提供一些新的思路。 混杂牛产线系统性能分析方法硼f 究 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 国内外研究现状 在制造业中，对生产系统的研究可以追溯到1 9 世纪末。从1 8 9 5 年以来，泰勒 等人先后发表了计件工资制、工厂管理和科学管理原理等论著，主要是 以时间研究和动作研究为主的工作研究理论，提出了工作定额原理和标准化原理， 使生产率提高了几倍。1 9 1 3 年，美国人福特( h e n r y f o r d ) 开发出了世界上第一条符 合标准化、专业化的生产线同步化系统( 流水线) ，使制造业发生了革命性变化， 生产系统从小规模的作坊式企业走上了较大规模生产的工厂制，大量生产方式主 导了制造业近百年，对于人类的进步做出了巨大的贡献。 生产线( p r o d u c t i o nl i n e ) 一般是由缓冲区相互连接的多台设备( 机器) 组成的。 也可被称为传送线( t r a n s f e rl i n e ) 、前后排队系统( t a n d e mq u e u i n gs y s t e m ) 以及流水 线( f l o wl i n e ) 等。待加工的产品毛坯从系统外部到达系统的第一台设备进行加工， 然后进入缓冲区一，再到第二台设备进行处理，进入缓冲区二，到达第三台设备 进行处理，如此进行下去直到最后一台设备，最后退出生产线。生产线的生产执 行情况经常受到如故障维修、加工时间的波动等一些不确定因素的影响。当一台 设备发生故障时，不可避免的需要一定的时间去维修它，在这期间，这台设备上 游缓冲区中的产品数量就会增加，同时下游缓冲区中的产品数量反而会减少。如 果这种情况持续下去，上游缓冲区中的产品数量就会达到缓冲区的最大容量，导 致上游的设备发生“阻塞 现象；而下游缓冲区中的产品数量会减少到零，导致 下游设备无产品可以连续加工，出现所谓的“饥饿 状态。如生产线加工人物分 配不平衡，或某台设备出故障都可以引起“饥饿 或阻塞现象，从而降低机器的 利用率，造成生产线生产率下降。适当增大缓冲容量将有助于减少“饥饿 或阻 塞现象的出现，但要考虑在制品量的增加会带来生产系统造价提高，会影响的整 个生产线经济效益。因此，对生产线的分析，主要是得到计算生产率的有效方法； 每台机器的利用率；在制品量、产品造价以及缓冲区容量分配对整个生产线性能 的影响等。 从2 0 世纪4 0 年代中期到7 0 年代末为生产研究的发展期。这个时期生产力得 到高速发展期，特别是由战后经济建设的恢复需求，随着自动化、电子化的进一 步发展，生产系统规模越来越大，形成了大量流水生产、成批生产、单件小批生 产的三种典型的生产系统。市场竞争的焦点以资本、实力竞争为主，工业工程从早 2 硕十学何论文 期应用工作研究解决现场效率提高发展到企业整体的设计、改善，包括工厂设计、 物料搬运、人机工程、生产计划、贮存控制、质量控制等。其中工业工程和生产 控制理念已被成功引入亚太地区。最典型和最成功的是日本人，开创出丰田生产方 式( t p st o y o t ap r o d u c t i o ns y s t e m ) 、全面质量管理( t q ct o t a lq u a l i t yc o n t r 0 1 ) 等。 随着计算机科学、系统科学与工程等学科的产生，定量化技术成为生产系统研究 的主要方向。相关学者通过建立数学模型来分析、设计、描述复杂的工业生产过 程，并对大规模的经济与社会系统进行运行过程的控制与创新。 因此，对生产线的分析，转变为计算生产率的有效方法；每台机床的利用率； 在制品量、产品造价以及缓冲区容量分配对整个生产线性能的影响等实际问题。 一些早期的数学理论学者开始研究这类问题，并通过多学科和跨学科的共同研究 得到了大量的学术成果。 根据b u z a c o t t 1 】的记载，最早是v l a d z i e v k i i 2 】用概率理论对生产线性能进行了 分析研究。接着，很多学者对不存在缓冲区的和存在有限容量缓冲区的生产线进 行了研究，代表人物有h u n t 3 1 、s u z u k i 4 1 、a v i i t z h a ka n dy a d i n 5 1 、m o r s e 6 1 、 b u z a c o t t 7 1 、b a r l o wa n dp r o s c h a n 8 1 和r a o 9 1 。还有一些学者研究了带缓冲区的可 靠生产线，缓冲区作为系统机器设备中间的一个解耦元件起到提高生产率的作用， 并能减少设备加工时间的波动对生产率的影响( 参见p a t t e r s o n 1 0 】、h i l l i e ra n d b o l i n g 1 1 1 、 n e u t s 12 1 、 1 3 l 、h a t c h e r 【1 4 】、k n o t t 15 1 、 【16 1 、 m u t h b t 、a m m a ra n d g e r s h w i n 1 8 】) 。 进入2 0 世纪7 0 年代后，受各种随机因素特别是市场的影响，企业出于降成 或盈利目的，都在寻求应对各种随机事件影响的、有效的生产组织、控制策略、 方法等。学术界为此进行了大量的理论研究工作，主要以具有随机故障模态的的 混杂生产线为主要对象，模拟研究在各种随机因素影响下有关生产系统的分析、 组织、控制问题。于是，对不可靠生产线系统的研究便随之展开并取得了很大的 发展。生产网络不同于通信网络，有其自身的特点和需求。目前生产系统性能分 析主要涉及两个性能指标：平均缓冲区盈余水平( a v e r a g eb u f f e rl e v e lo r a v e r a g e s u r p l u sl e v e l ) 和系统生产能力( s y s t e mt h r o u g h p u t ) 。高性能系统应具有低平均 缓冲区盈余水平和高生产能力。生产线平均缓冲区盈余水平如为零即达到精益生 产“一个流”境界。对生产制造网络的研究起源于对生产线的研究。众多学者自 上个世纪5 0 年代起就开始使用解析方法对生产线进行建模、分析( d a l l e r y 和 g e r s h w i n 对1 9 9 2 年以前的研究情况做了详细的介绍和总结【1 9 】，国内也有很多学者 进行了相应研究【2 0 2 4 】) 。不过这些学者往往都忽略或者弱化了系统的混杂特性， 没有考虑随机事件或各系统构成自我随机调整所引发的动态变化，并结合系统的 混朵乍产线系统性能分析方法研究 管理和控制，给出理论分析结果。 混杂系统( h y b r i ds y s t e m ) 1 2 5 】是离散事件动态系统与连续时间动态系统相混 合而形成的统一的动态系统，它更能反映现实存在的众多真实系统。考虑随机事件 影响的制造系统属于典型的混杂系统，对该类系统的前期基础研究集中在不可靠 制造系统的研究领域。自r i s h e l 对系统连续状态受m a r k o v 过程影响的最优控制 问题f 2 6 1 做了研究之后，o l s d e r 和s u r i 2 7 】对不可靠制造系统的控制问题进行了阐述， 他们开创性地提出了一种动态模型描述方法，并自此之后逐渐形成了不可靠制造 系统这一领域的研究体系。在不可靠制造系统有关理论、技术的发展中，麻绳理 工学院的科学家g e r s h w i n 做了大量开创性的工作，如提出流率模型、阈值控制策 略、递阶结构框架等1 2 8 】；美国伊里诺伊斯大学的科学家k u m a r 最先建立了严格的 数学分析方法【2 9 1 ；加拿大多伦多大学管理学院的科学家s e t h i 教授在实时递阶调 度和渐进最优反馈控制等方面取得了重要成果1 3o j 等等，在此不一一详述。 受随机故障等各种随机因素( 故障或维修、随机加工时间、随机产品需求等) 影响的不可靠生产线，是研究系统构成存在随机动态波动的复杂网络系统分析、 建模与控制的基石，成为众多学者的研究目标【3 1 。3 2 l ，其系统分析的相关理论与方 法也随着不可靠制造领域有关技术理论的发展而快速发展。其中，对双设备不可 靠生产线的研究是研究多设备不可靠生产线的基础。针对离散、连续、同步、异 步、相似型、非相似型、依靠操作型故障和依靠时间型故障等等不同的双设备不 可靠生产线模型，很多学者得到了有关系统性能分析问题的闭环解【3 引。相似型生 产线即说明生产线上所有设备对某工件的加工、处理时间是一样的。现在越来越 多的工作则集中在分析超过两台设备、更长的生产线上【”。3 引，但要获得设备数超 过三台的不可靠生产线的相关解析解是非常困难的( 并非没有希望) 。造成这个困 难的主要原因是系统状态随着设备数的增加成指数级增长，即“状态爆炸”。即使 有高性能计算机的支持，但维数灾问题依然导致上述问题是难以处理的。主要在 于“它难以编程、病态，而且对规模更大的问题不具有可扩展性1 3 7 1 。因而从分 析、评价的角度又诞生了三种近似技术来研究该类混杂生产线：以排队网络建立 系统模型，利用产品序列近似计算它的平稳概率密度分布1 3 引、生产线分解方法1 3 9 】、 生产线综合方法【4 0 】等。它们各有利弊，但后两种方法优势更加明显，为主要分析 方法。第一种方法现在也基本被淘汰，根本原因还是维数灾问题。g e r s h w i n 针对 离散同步模型提出的分解方法，极大推动了混杂生产线分析技术的进步。其基本 思想是将包含多台设备的不可靠生产线分解成一系列的双设备生产线，并且这些 双设备生产线具有原始生产线的操作特性，同时提出了著名的d d x 算法【4 0 】。实 验表明g e r s h w i n 的方法非常准确，但是相关算法却比较复杂而且不一定收敛。为 了使用这种分解技术去分析非相似型生产线，g e r s h w i n 建议了一种将非相似型生 产线转换为相似型生产线的处理方法【4 1 1 ，目前在一些简单的模型上该方法已经得 4 硕十学位论文 蔓鼍曼鼍曼皇鼍皇皇曼曼曼皇曼鼍曼鼍皇皇mi i i 鼍曼曼曼曼曼曼曼曼皇皇曼曼曼曼皇曼兰蔓曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼篡皇曼曼曼皇曼皇曼曼笪曼曼鼍曼曼皇皇量! 曼皇曼曼! 曼曼笪曼曼葛 到数字校验。在g e r s h w i n 的工作基础之上，c h o o n g 和g e r s h w i n 4 2 1 针对离散异 步模型提出了相应的分解方法。d a l l e r ye ta l 4 3 】则针对连续模型提出了相应的分解 方法。部分学者也做了大量的工作来提高这种技术的效率，如c o l l e d a n im 和t o l i o t1 4 引、l e elh ，e ta l 【4 5 】等等。另外也有学者致力于扩展这种技术的应用范围，如 l ij i n g s h a n 4 6 】等。这种技术也好像在算法复杂度和可靠性之间找到了一种平衡， 例如更加简化并且收敛性高的a d d x 、b d d x 、l m t 等分解算法的提出与发展等 i z 7 1 。目前该方法集中在网络结构、多级随机模态等模型结构的理论拓展与技术发 展中。生产线综合方法的思想是先将缓冲区和它上下游的两台设备综合成一台“等 价设备 ，然后逐步将生产线最终综合成一台“等价设备”。虽然现有生产线综合 方法在部分模型上存在生产能力奇异性跳变问题，但从直观性、模型由复杂到简 单，以及便于生产设计、优化控制等其它生产问题利用或共享的角度来看，生产 线综合方法更有优势f 4 。而且生产线综合技术可以同时应用于相似型和非相似型 生产线，避免了复杂系统分析的模型转换误差。改进生产线综合方法，降低它相 对于分解方法在某些问题上的分析误差，是很多学者的目标【4 引。除此之外，对生 产网络的系统分析方法还有基于离散事件仿真、堆栈理论和基于流率模型三种主 要方法【4 9 1 。尤其近年来在堆栈理论的基础之上，将已获得部分发展的交通流率模 型转化并应用到生产网络的建模、分析中也成为一个研究方向，如h e l b i n g 5 0 】、 d a g a n z 0 1 5 1 1 利用从微观到宏观层次的交通工具流和人流建立生产供应链网络模 型；f i l l i g e r 等人从微观出发，利用交通模型模拟生产网络中的设备、缓冲区等 5 2 1 ， 取得一定成果；其他类似研究还如a r m b r u s t e r 5 3 、k o t s i a l o s ”】等等。但除系统仿 真外，上述基于堆栈理论和流率模型的两种网络系统分析方法仍然忽略或弱化了 系统的混杂特性，忽略了随机事件给系统带来的影响，较适于可靠、稳定生产网 络的系统分析。而且在缓冲区容量有限的实际情况下，应用堆栈理论具有非常大 的局限性和误差。从该意义上讲，以随机故障为代表模拟随机事件对制造网络的 影响，发展不可靠制造网络的系统分析技术具有较强的可操作性和现实意义；同 时该方法本身的技术可扩展性强，能得到较准确的系统性能计算公式。目前 g e r s h w i n 等学者已经开始尝试将不可靠混杂生产线系统分解方法进行拓展用于 分析制造网络，并已在具有简单网络结构特性的单多闭环生产线、平行或装配生 产线等系统分析问题中取得了部分成果 5 5 - 5 8 j 。 在目前对复杂制造网络式系统的建模与优化控制的研究中，基于数学模型的 控制方法的研究对象和附加的假设条件往往与实际情况距离较远；而常规智能方 法由于缺乏理论体系及其本身的局限性，只能适用于复杂制造系统的特定对象。 由于其对提高制造业竞争力具有重要的作用，国外著名高技术公司投入了相当的 人力和财力，结合复杂制造系统中的特定对象，研究开发自动化技术，取得了一 5 混杂生产线系统件能分析方法研冗 些实用成果，但这些研究很少涉及该类问题的基础理论层次，因而缺乏普遍性， 特别是不完全适合生产条件变化频繁、工况变化大的我国制造企业。许多国有大 中型企业生产管理技术及手段落后，产品制造周期长，资源有效利用率低，从而 产品制造成本高，交货期长，对市场反映不灵敏，严重影响了企业的经济效益， 甚至造成许多企业亏损，这种情况持续下去，将会阻碍企业的快速发展l 。为了改 善这种状况，增强我国企业的竞争力，国家投入了大量的科研资源。1 9 9 2 年，国 家计算机集成制造系统工程技术研究中心( c i m s 工程研究中心) 成立。中心依 托在清华大学，是一个跨系的由多学科人员组成的联合体，自组建十几年来，“中 心帮助5 0 多家企业实施了c i m s 和企业信息化工程；培养了大批的博士生、硕 士生、博士后以及企、事业单位的科技人员。也带动了我国制造业在科学技术新 成果推动下的极大发展。而我们的课题研究的主要方向正是复杂制造系统智能建 模与优化这一c i m s 的重要组成内容。 在复杂制造系统建模与优化研究中，我国国内相应的研究工作起步较晚，但也 取得了一定成果。国内自从把c i m s 列入8 6 3 高技术主题以来，极大的推动了离 散事件动态系统、柔性制造系统( f m s ) 以及计算机集成制造系统( c i m s ) 的发 展，取得了丰硕的成果，如：潘裕焕，庄颂新5 9 1 ，吴铁军，吕勇载【6 0 1 ，熊光楞6 1 1 ， 郑应平【6 2 1 ，陈文德，齐向东6 3 1 ，王成恩，薛劲松6 4 1 ，郑应平【6 5 1 ，郑大钟，赵千 川6 6 1 ，吴澄【6 7 1 等人。 在生产线的建模和性能估计方面，国内像涂奉生【6 引，伍乃骐6 9 1 等，疏松桂， 谭民【7 0 1 ，赵千川和郑大钟等7 1 1 分别就不同的方面做了相应的研究。此外，在对混 杂系统的建模，分析、控制和优化方面，国内像吴兆春，王梅生，徐心和【7 2 1 ，程 曙，张浩，朱志浩【7 3 1 ，宋春跃，李平7 4 】等人做出来大胆尝试，将混杂系统理论应 用到实践中去，取得了一定成果。 1 2 2 发展趋势 分析国内外混杂制造网络的研究现状及存在的不足，综合考虑，提出了混杂 制造网络未来研究的3 个方向： 1 ) 随着先进制造理论发展，制造环境内部网络化，供应链协作将更加紧密， 实现制造过程的高度集成。 2 ) 随着混杂系统中被控节点数量和控制复杂度的不断增加，系统的建模方法 需要更深一步的研究，为大规模计算和分析提供强有力的计算环境。 3 ) 虚拟现实技术在制造业中获得越来越多应用，企业模型向企业联盟发展， 发挥强势动态互补，实现产业水平的全面提升。 6 硕十学位论文 1 3 本文的主要工作 本文以不可靠生产线系统为研究对象，对双设备生产线系统及包含有3 台以 上设备的流水线系统的性能分析方法进行了研究，提出了此类生产线系统的性能 评价技术，并对生产线系统的建模方法进行了初步研究，本文主要工作有以下几 点： 1 针对多故障模式设备和不可靠缓冲区的混杂加工生产线系统，在t o l i o 等 人提供的方法的基础上，研究此类混杂生产线系统性能的分析技术，提 出一种有效的系统性能分析方法，并给出相应算法。 2 提出了流水线系统的综合分析方法并推导出相应的公式。不同于传统的 生产模型，该生产线的缓冲区不可靠且具有多种随机故障模式，因此这种 方法能够对更复杂的生产线系统进行性能分析。 3 在对混杂生产线系统进行性能分析的基础上，基于生产线连续和离散并 存的混杂特征，研究该混杂系统的混杂自动机建模方法( 混杂基本结构) 与优化控制技术，使系统性能期望达到最大。 7 混杂生产线系统性能分析方法研究 曼量鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼鼍皇曼曼曼皇曼曼曼! 曼曼曼! 曼璺鼍曼鼍曼! 曼曼鼍i 一 i 曼曼曼曼! 曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼量曼! 第2 章设备具有独立不完全故障模式的混杂生产线系 统性能分析技术 引言本章以存在不可靠缓冲区的双设备生产线作为研究对象，通过对设备 故障影响下的整个系统状态概率进行分析并求解，期望得到一种以系统生产率和 缓冲区平均盈余水平作为目标的一般性的程序算法，同时也给混杂系统控制和优 化提供启示。 2 1 模型假设 图2 1 为典型的双设备生产线系统。工件由图示方向进行加工，到达第一台 设备加工后进入缓冲区，再顺序进行第二台加工并离开系统，并假设第一台机器 前序工件存储区和第二台设备后序存储区的容量为无限大。即假设系统的第一台 设备不存在“饥饿 现象，第二台设备不存在“阻塞 现象，在制品工件在加工 完成后总有空间存放。 案p b p 搿d ( 1 ) r u ( 1 ) r b j ( 1 ) r u 圆 砷 图2 1设备具有多故障模式且缓冲区不可靠的双设备生产线系统 1 设备m i ，m 2 的状态存在如图2 所示的变迁关系。“1 ”表示设备处于完好状 态，可以接收或传送零件，“( 1 ) 或d c l ) 表示处于不完全故障状态，即也具有低效率 的运行能力，甜( 2 ) 或d ( 2 ) 表示设备处于完全故障状态，即表示设备加工停滞的“0 状态。 2 设备故障均为依靠操作型故障，且不能同时发生一种以上故障，可以从不 完全故障状态变迁到故障“0 ”状态。如果设备处于状态“l ”时，它只能进入一 种故障模式“( f ) 或d ( ) ，其中i ，j = 1 , 2 。 8 硕十学位论文 图2 2 设备1 ，2 的状态变迁关系图 3 设备处于完好状态1 时，它进入故障模式“( 1 ) 或d ( 1 ) 的概率记为a 。或p ：； 进入 故障状态“( 2 ) 或d ( 2 ) 的概率为a 。或p ：，。设备处于故障模式甜( 1 ) 或d ( 1 ) 时，变迁 到故障模式材( 2 ) 或d ( 2 ) 的概率为p l ：勘：。设备m 或鸠处于故障状态“( 2 ) 或d ( 2 ) 时，其维修率为，或匕，设备故障率和维修率均服从几何分布。 4 设备m 或鸩未发生故障、处于故障状态“( 1 ) 或d ( 1 ) 和甜( 2 ) 或d ( 2 ) 时，其生产 率分别为乃或( 以= 托) 、幺或以( 以= 以) 和o 。 5 缓冲区容量为n ，见( 岛 1 ) 和( 1 ) 分别为缓冲区的故障率和维修率， 且均服从几何分布。 6 设备m ，帆同时开启，所有设备具有相同和固定的服务时间，加工周期被 定义为一个时间单元，设备状态改变发生于时间周期开始端，而缓冲区水平变迁 发生于时间周期的结束端。我们认为缓冲区传送工件时间远小于设备加工单个零 件时间，可忽略不计。 7 事件时序关系，为了使离散时间马尔可夫过程更精确表出，我们需要对给 定的时间周期内时序做出一些假设。设备故障发生于周期开端，即时发生，同时 定义缓冲区故障发生于设备故障前，可认为一旦缓冲区故障，任意机器在同周期 内不能发生故障。周期内时间点关系图如下： l 单位周期时间 l 图2 3 系统运行时序图 2 1 1 模型性能的评估指标函数 系统在t 时刻的状态表示为 s ( t ) = ( 刀，q ( f ) ，口2 ( ，) ，( f ) ) 9 ( 2 1 ) 混尕生产线系统件能分析方法形f 冗 其中n ( 0 n n ) 为整数，表示t 时刻缓冲区水平；吒= 1 ( k = 1 ，2 ) 表示设备处 于正常工作状态，否则= z f ( i ) 或d ( j ) ( i ，j = l ，2 ) 。= 1 或= 0 分别表示缓冲区 处于正常工作状态和完全故障状态。 对于缓冲区水平的数量变迁，我们做如下设定，定义公式： 黔船戮。1 “”d 爿，n 喇 ( 2 2 ) 圳= 亿怨尝1 咐d 。1 ，n 州 ( 2 3 ) 分别表示缓冲区传送工件的条件，当i ，= l ( j = l d , e 1 ) 表示缓冲区在时间末尾段 接收工件或释放工件到后序工序。但是期间需要保证缓冲区为正常状态，缓冲区 水平变迁依赖于正常的缓冲区环境。下一时段系统缓冲区水平变迁关系可表示为： n ( t + 1 ) = 刀o ) + lo + 1 ) - i do + 1 ) ( 2 4 ) 设邑和易分别代表设备m ，鸠的正常作业效率，e 和易分别代表设备 m ，m 在不完全故障状态下的平均生产效率，根据条件缓冲区工作正常且前序机 器在缓冲区工件水平小于容量时m 为工作输出状态，其平均输出表示为： 丑= 瓦+ e = y l p r o b ( a l = l ，以 0a n d a o = 1 )( 2 6 ) = 如p ( n ，t ，l ，1 ) + 以e p ( n ，t ，d ( 1 ) ，1 ) 假设设备加工不会造成在制品零件的损坏和缺失，加工过零件随加工结束离 开系统，可定义系统保守。双设备生产系统的吞吐平衡可以表示为： 鼻= e ( 2 7 ) 缓冲区的平均盈余水平记为： 五= 甩p ( n ，q ，) ( 2 8 ) n = 0 g l = l g ( 1 ) ，“( 2 ) ，1 a 2 = d ( 1 ) ，d ( 2 ) 1 = o ，1 2 1 2 求取评估指标函数的分析思路 由2 2 1 节所假设，我们可以得到一系列的系统状态概率表达式。同时由马 尔可夫特性可知，系统状态间存在着动态转移的关系并存在最终的稳态概率。因 1 0 硕十学何论文 曼鼍o n - - - mi n 皇曼曼曼曼曼蔓曼鼍曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼皇曼曼曼蔓曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼量量曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼 此求取系统稳态概率是解决问题的关键