（机械制造及其自动化专业论文）可重构装配线建模、平衡及调度研究.pdf

南京理工大学博七学位论文可重构装配线建模、平衡及调度研究 摘要 随着社会和科学技术的发展，现代制造业正面临不可预测、快速多变和不断增强 的市场竞争等一系列问题。在这种背景下，可重构制造系统成为了全球经济一体化时 代最有竞争力和发展潜力的制造模式。可重构装配线作为可以适应多品种、变批量、 多功能、快速交货和短的产品市场寿命生产模式的新型可重构制造系统，也成为近年 来装配领域的研究重点。可重构装配线的设计与管理作为可重构制造系统级研究的关 键内容，是引导可重构制造系统深入研究和广泛应用的重要途径，通过可重构装配线 管理系统的开发，可以为企业实现装配线的重构、平衡、调度及评价提供一个很好的 控制与管理平台，增强企业的灵活性和适应性，提高企业的竞争能力。因此，针对可 重构装配线管理系统的关键技术展开研究具有重要的理论意义及工程应用价值。本论 文研究了基于多a g e n t 的可重构装配线体系结构及其装配线管理技术，主要包括如下 几方面： ( 1 ) 研究了可重构装配线管理系统体系结构。在对可重构装配线系统需求进行 分析的基础上，提出了基于多a g e n t 的可重构装配线管理系统体系结构。分析了该体 系结构的主要特征，设计了系统的功能模块。最后分析了系统实现的关键技术，为论 文的研究确定了方向。 ( 2 ) 研究了可重构装配线建模技术。针对可重构装配线所具有的复杂性、重构 性、智能性及自治性的特点，提出了面向a g e n t 的赋时着色p e t r i 网的可重构装配线 建模方法。在对装配资源进行分类的基础上，将装配资源a g e n t 内部行为进行封装， 建立了装配资源a g e n t 的a t c p n 模型，并通过过渡变迁合成可重构装配单元a t c p n 模型。根据每个可重构装配单元之间的逻辑关系，确定整个系统的消息传递关系，在 此基础上实现了装配线快速重构。分析了可重构装配线的a t c p n 模型的性能指标， 并提出了a u m l 模型向a t c p n 模型的映射规则及基于a t c p n 的交互协议建模方法， 通过引入相应的多a g e n t 交互协议模型可以解决模型中存在的死锁和冲突。 ( 3 ) 研究了可重构装配线平衡。分析了可重构装配线的特点，综合考虑工作站 的数量、工作站的负荷及装配线效率三个因素，提出了可重构装配线的平衡模型，同 时提出了一种优化装配线平衡的混合遗传算法。该算法将模拟退火算法和遗传算法相 结合，并采用了交叉概率和变异概率的自适应重构策略，有效避免了算法的早熟，增 强了算法全局寻优能力。 ( 4 ) 研究了可重构装配线调度。综合考虑影响可重构装配线优化调度的三个主 要因素，即最小化空闲和未完工作业量、均衡零部件的使用速率及装配线调整成本， 摘要 博i j 论文 提出了可重构装配线多目标优化调度的数学模型。同时，提出了一种基于p a r e t o 多目 标遗传算法的可重构装配线优化调度方法，该算法在遗传操作中综合运用了群体排序 技术、小生境技术、p a r e t o 解集过滤器及精英保留策略，并采用了交叉概率和变异概 率的自适应重构策略，保证了群体的多样性，避免了算法早熟，增强了算法全局寻优 能力。 ( 5 ) 研究了可重构装配线多目标调度决策。基于改进的层次分析法和信息熵法， 综合了主观赋权法和客观赋权法的优势，提出了一种新的确定指标权重值的非线性目 标规划模型。同时针对可重构装配线多目标调度方案优选中存在的诸多灰色信息，提 出了一种基于灰关联分析的可重构装配线多目标调度决策模型，并利用决策向量与正 理想参考向量关联度的贴近度作为决策方案的评判依据，使评价结果更为可靠、可信。 ( 6 ) 研究了可重构装配线评价体系。在分析了可重构装配线评价指标选取原则 的基础上，根据可重构装配线的特点和要求，从工程实际出发，对具有多个不确定因 素的多目标、多层次综合评价模糊决策进行研究，构建了一个较为系统、科学、全面 的可重构装配线的三层指标评价体系，并分析了各个指标的内涵。利用组合赋权法来 确定各评价指标的权重，通过最d - 乘原理确定评价对象相对于最优参考值的优良隶 属度，以此作为评价准则，并结合层次分析法和模糊数学的方法实现对各指标的评价。 ( 7 ) 建立了基于c o r b a 的可重构装配线管理系统集成框架，研究了装配资源 的信息模型，并设计了系统的a g e n t 结构及各a g e n t 之间的通信机制。同时，开发了 可视化的a t c p n 仿真建模工具，用于可重构装配线的a t c p n 建模和性能分析。 在上述研究的基础上，开发可重构装配线管理原型系统，该系统已在某特种车辆 厂中得到初步应用，效果良好。 关键词：可重构装配线；p e t r i 网：遗传算法；多目标优化：调度；多目标决 策；灰关联分析；层次分析法 l l 南京理工大学博士学位论文 可重构装配线建模、平衡及调度研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i e t ya n dt h ea d v a n c eo ft h es c i e n t i f i ct e c h n o l o g y ，t h e m o d e r nm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e sa r ef a c i n gas e r i e so fp r o b l e m s ，s u c ha su n p r e d i c t a b l e a n df a s tm a r k e tc o m p e t i t i o nt h a ti ss t r e n g t h e n i n gc h a n g e a b l ya n dc o n s t a n t l y j u s tu n d e r t h i sk i l l do fb a c k g r o u n d ，r e c o n f i g u r a b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ( g m s ) b e c o m e so n eo ft h e m o s tc o m p e t i t i v ea n dp o t e n t i a lm a n u f a c t u r i n gp a t t e r n r e c o n f i g u r a b l ea s s e m b l yl i n e ( r h l ) i san e wr e c o n f i g u r a b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m , w h i c hi sd e s i g n e da tt h eo u t s e to fr a p i d c h a n g ei ns t r u c t u r ei nr e s p o n s et om u l t i - t y p e ，v a r i e d t o t i n g , m u l t i f u n c t i o n , q u i c kd e l i v e r y , a n ds u d d e nc h a n g e si nm a r k e t a sa na d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m , r a lh a sb e c o m e t h er e s e a r c hf o c a lp o i n to fa s s e m b l yf i e l di nr e c e n ty e a r s a st h ek e yr e s e a r c hc o n t e n to f r m s ，t h ed e s i g na n dm a n a g e m e n to ft h er a l i sa ni m p o r t a n tw a yt h a tc a nl e a dt h er m s t of u r t h e rr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n t h er e c o n f i g u r a b l ea s s e m b l yl i n em a n a g e m e n ts y s t e m c a l lo f f e rag o o dc o n t r o la n dm a n a g e m e n tp l a t f o r mf o rt h ee n t e r p r i s e st or e a l i z em o d e l i n g ， b a l a n c i n g ，s c h e d u l i n ga n da p p r a i s i n go ft h ea s s e m b l yl i n e ，t os t r e n g t h e nt h ef l e x i b i l i t ya n d a d a p t a b i l i t yo fe n t e r p r i s e sa n dt oi m p r o v et h ec o m p e t i t i v ec a p a c i t yo ft h ee n t e r p r i s e s h e n c et h er e s e a r c ho fk e yt e c h n o l o g i e sf o rr a lm a n a g e m e n ti so fg r e a ti m p o r t a n c ei n b o t ht h e o r ya n da p p l i c a t i o n t 1 1 i sp a p e rf o c u s e sm a i n l yo nt h ea r c h i t e c t u r ea n d m a n a g e m e n tt e c h n o l o g i e so fr a l n em a i nr e s e a r c hc o n t e n t si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y ，t h eo v e r a l lf r a m e w o r kf o rr a l i ss t u d i e d a f t e rt h es y s t e mr e q u i r e m e n ti s a n a l y z e df o rt h er a l ，t h es y s t e mf r a m e w o r ki sp r e s e n t e db a s e do nt h em u l t i a g e n t t e c h n o l o g y t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e ms 劬c t u r ea r ea n a l y z e d ，a n dt h ef u n c t i o n m o d a lo fs y s t e mi sd e s i g n e d t h ek e yt e c h n o l o g i e so fs y s t e mr e a l i z a t i o na r ed i s c u s s e da n d t h u st h er e s e a r c hd i r e c t i o no ft h ed i s s e r t a t i o ni sd e t e r m i n e d s e c o n d l y , t h em o d e l i n gt e c h n o l o g yo fr a l i ss t u d i e d c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fc o m p l e x i t y , r e c o n s t r u c t i n g ，i n t e l l i g e n ta n da u t o n o m yo ft h er a l ，a na g e n to r i e n t e d t i m e dc o l o r e dp e t r i n e t ( a t c p n ) m o d e l i n ga p p r o a c hi sp r o p o s e d b a s e do nt h e c l a s s i f i c a t i o no fr e s o u r c e s ，t h er e s o u r c ea g e n ti se n c a p s u l a t e ds ot h a tt i m e dc o l o r e dp e t r i n e tb a s er e s o u r c ea g e n ti sb u i l t t h ea t c p nm o d e lo fr e c o n f i g u r a b l ea s s e m b l yc e l li s c o m p o s e do fd i f f e r e n tr e s o u r c e sa g e n tb yt r a n s i t i o n a c c o r d i n gt ot h el o g i c a lr e l a t i o no f e a c hr e c o n f i g u r a b l ea s s e m b l yc e l l ，t h et r a n s i t i v er e l a t i o no fm e s s a g ef o ra s s e m b l ys y s t e m i sd e t e r m i n e da n dt h ea s s e m b l yl i n ec o u l db eq u i c k l yr e c o n f i g u r e du s i n gt h i sm e t h o d 1 1 1 e p e r f o r m a n c ei n d e x e so fa t c p n m o d e lf o rr a la r ea n a l y z e d , a n db ys t u d y i n gt h e 博士论文 t r a n s f o r m i n gf r o ma u m lm o d e lt oa t c p n - b a s e dm o d e lt h ea t c p n - b a s e di n t e r a c t i v e p r o t o c o ls i m p l i f i c a t i o nm o d e li sp r e s e n t e df o rt h er a l t os o l v et h ec o n f l i c to ft h em o d e l t h i r d l y , t h eb a l a n c i n gf o rr a l i ss t u d i e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm i x e d - m o d e l a s s e m b l yl i n ef o rm a s sc u s t o m i z a t i o n a r ea n a l y z e da n dt h es p e c i a lr e q u i r e m e n t so f b a l a n c i n ga r es t u d i e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e li sp r o p o s e db a s e do nt h r e ef a c t o r s ，w h i c h a r ei n t e g r a t e di n c l u d i n gt h ew o r k s t a t i o nn u m b e r , t h ew o r k s t a t i o nl o a da n dt h ea s s e m b l y l i n ee f f i c i e n c y t h e nan e wh y b r i dg e n e t i ca l g o r i t h mi sd e v e l o p e df o rf i n d i n go p t i m a l s o l u t i o no ft h ep r o b l e m s i no r d e rt op r e v e n tt h ep r e m a t u r ec o n v e r g e n c ep r o b l e ma n d e r t h a n e et h eg l o b e - 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o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n ；s c h e d u l i n g ；m u l t i o b j e c t i v ed e c i s i o n m a k i n g ；g r e yr e l m i o n m a n a l y s i s ；a n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) v 图清单博士论文 x 图清单 图1 1 装配线平衡问题分类”1 2 图1 2 论文组织结构图2 3 图2 1 可重构装配线管理系统体系结构一2 7 图2 2 可重构装配线管理系统功能结构图“3 1 图2 - 3 可重构装配线管理系统功能i d e f 0 图3 2 图2 4 可重构装配线管理关键技术关系图一3 4 图3 1 装配机器人a t c p n 模型4 2 图3 2 托盘a t c p n 模型4 3 图3 3 传输带a t c p n 模型4 3 图3 4 缓冲站a t c p n 模型”4 4 图3 机械手a t c p n 模型4 4 图3 6 基于a t c p n 可重构装配单元a g e n t 模型4 5 图3 7u m l 符号扩展图4 8 图3 8a u m l 模型向a t c p n 模型的映射图4 9 图3 9p e t r i 网简化方法5 0 图3 1 0 多a g e n t 交互协议a u m l 模型”5 1 图3 1 1 可重构装配线a t c p n 模型5 2 图3 1 2a u m l 转换后的交互协议a t c p n 模型”5 4 图3 1 3 简化后的交互协议a t c p n 模型5 5 图3 1 4 交互协议简化后的a t c p n 模型可达图”5 5 图4 1 装配任务优先图与优先矩阵“5 9 图4 2 产品a 、b 的装配优先图及联合装配优先图6 0 图4 3 交叉重组6 4 图4 4 移位变异6 4 图4 5 互换变异6 4 图4 6 混合遗传算法流程图6 6 图4 7 函数f l 的遗传算法进化过程对比6 7 图4 8 函数f 2 的遗传算法进化过程对比6 8 图4 9 先序关系图”6 8 图4 1 0a 、b 、c 三种产品的联合装配优先图6 9 南京理工大学博士学位论文可重构装配线建模、平衡及调度研究 图5 1 封闭工作站装配过程模型图”7 3 图5 2 群体分级流程图7 8 图5 3 可重构装配线多目标算法流程图”8l 图5 4 函数f 1 的p a r e t o 非劣解集8 2 图5 5 函数f 2 的p a r e t o 非劣解集8 2 图5 6 各种算法找到的非劣解的百分比“8 9 图6 1 可重构装配线的评价体系“9 4 图6 2 可重构装配线重构方案评价流程图1 0 3 图7 1 基于c o r b a 的可重构装配线管理系统集成框架1 0 9 图7 2a g e n t 的结构模型”110 图7 3 基于a t c p n 的仿真工具的功能结构图1 1 4 图7 4 a t c p n 模型类结构图1 1 5 图7 5 可重构装配线管理系统主界面1 1 6 图7 6 装配线任务管理界面1 1 7 图7 7 装配资源信息维护1 1 7 图7 8 装配资源建模1 1 8 图7 9 可重装配线建模1 18 图7 1o 交互协议建模“1 19 图7 1 1 交互协议网模型分析”119 图7 1 2 可重构装配线仿真及性能评价1 1 9 图7 1 3 装配优先图维护”1 2 0 图7 1 4 装配线平衡混合模型1 2 0 图7 1 5 装配线平衡优化参数设置”1 2 1 图7 1 6 装配线平衡优化结果1 2 1 图7 1 7 多目标调度优化模型参数1 2 1 图7 18 多目标优化调度1 2 2 图7 1 9 多目标优化调度输出结果“1 2 2 图7 2 0 多目标优化调度结果优化决策“1 2 2 图7 2 l 评价指标权重计算1 2 3 图7 2 2 评价隶属度计算”1 2 3 x l 表清单博士论文 x i i 表清单 表1 1 可重构制造系统主要特征4 表1 2 各种生产线的比较7 表3 1 装配资源颜色数据类型”4 1 表3 2 装配机器人a g e n t 模型的颜色集4 1 表4 1 混合遗传算法和标准遗传算法的性能比较6 7 表4 2 本文算法与e p a l p 对比结果6 8 表4 3 优化结果”7 0 表4 4 本文算法与其它算法结果对比”7 0 表5 1 各类型产品得物料单和需求的子装配数一8 8 表5 2 装配时间及工作站长度表“8 8 表5 3p a r e t o 非劣解集8 8 表5 4 本章算法与其它算法结果对比”8 9 表6 1 某企业可重构生产线规划方案指标值1 0 5 南京理工大学博士学位论文可重构装配线建模、平衡及调度研究 缩略词表 l p _ i e a np r o d u c t i o n ( 精良生产) c e c o n c u 玎c 殂te n g i n e e r i n g( 并行工程) 小“r t u a lm a n u f a c t u r i n g ( 虚拟制造) a m 一a 西l em a n u f a c t u r i n g ( 敏捷制造) m c _ 一m a s s c u s t o m i z a t i o n ( 大规模定制) m 仁n t e l l i g e i l c em a n u f a c t u r i n g ( 智能制造) f m s f 1 e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ( 柔性制造系统) r m s - - - - - - r e c o n f i g u r a b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ( 可重构制造系统) r a l r e c o n f i g u r a b l ea s s e m b l yl i n e ( 可重构装配线) c o r b a c o i 砌o no b j e c tr e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e ( 通用对象请求代理体系结构) k q m ir k n o w l e d g eq u e r ym a n i p u l a t i o nl a n g u a g e ( 知识查询与处理语言) ) a i - e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ( 扩展标记语言) o p n 一o b e c t o r i e n t e d p e t r in e t ( 面向对象p e t r i 网) a t c p n 一a g e mo r i e n t e dt i m e dc o l o r e dp e t r in e t ( 面向a g e n t 的赋时着色p e t r i 网) s t d l s t a t et r a n s i t i o nd i a g r a m ( 状态迁移图) a u m i a g e m u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ( 代理统一模型语言) g a - - - - - - - g e n e t i ca l g o r i t h m ( 遗传算法) s a s ：i i n u l a t e da n n e a l i n g ( 模拟退火算法) t s - t a b us e a r c h ( 禁忌搜索算法) j i t j u s t i n t i m e ( 准时生产) 趾 p a n a l 如c a lh i e r a r c h yp r o c e s s ( 层次分析法) t o p s i s - - - - - - - t e c h n i q u ef o ro r d e rp r e f e r e n c eb ys i m i l a r i t yt oi d e a ls o l u t i o n ( 逼近理想解 排序法) v e g a v e c t o re v a l u a t e dg e n e t i ca l g o r i t h m ( 矢量评价遗传算法) n p g a - n i c h e dp a r e t og e n e t i ca l g o r i t h m ( 置位p a r e t o 遗传算法) n s g a n o n d o m i i l a t e ds o r t i n gg e n e t i ca l g o r i t h m ( 非受支配排序遗传算法) o m g o b i e c tm a n a g e m e n tg r o u p ( 国际对象管理组) i d i i 玎t e r f a c ed e f i n i t i o nl a n g u a g e ( 接1 2 1 定义语言) 声明尸明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：蠡螭涵! 溯年6 其妒 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：兹睑幽 湖莎年 南京理工大学博士学位论文 可重构装配线建模、平衡及调度研究 1 1 引言 1 绪论 制造是人类文明的物质支柱之一。制造业在国民经济建设、社会进步、科技发展 与国家安全中占有重要战略地位。2 1 世纪的制造企业面对的是动态多变的市场环境， t ( t i m e ) ，q ( q u a l i t y ) ，c ( c o s o ，s ( s c r v i c 冠) ，e ( e n v i r o n m e n t ) 是企业生存发展的充分必 要条件，企业为了响应产品的个性化生产及市场快速变化等新的生产环境需求，降低 制造系统装备投资和产品成本，缩短产品变换更新所需的准备时间，提高产品质量以 及增强企业的竞争能力，要求制造系统或单元具有快速响应、快速重构的特性。在这 样的背景下，美国国家研究院经过对世界4 0 位专家咨询后，于1 9 9 8 年提出的2 0 2 0 年制造业挑战预测中将可重构制造系统列为2 0 2 0 年前制造业面临的十大关键技术之 首。可重构制造系统【卜