（机械工程专业论文）网络联盟制造环境下生产过程快速响应技术研究.pdf

独 创 性声 明 秉承祖 国优 良道 德传 统和 学校 的严谨 学风郑 重 申明 : 本人所 呈交 的学位 论 文 是我 个人在 导师指导下进行 的研 究工作及取得 的成果 。尽我所 知 ，除特 别加 以标住 和致谢 的地方外 ，论文 中不包含其他 人 的研 究成 果 。与我 一 同工作 的 同志对本文所研 究的工 作和成果 的任何 贡献均 已在 论文 中作 了明确 的说 明并 已致谢 。 本论文及其 相关 资料 若有不 实之 处 ， 由本人承担一切相 关责任 论文作者签名 : 如守 年“ 月日 学 位论 文使 用授权 声 明 在 导师 的指 导下创作完成 毕业论文 。本人 已通 过 论文 的答辩 ， 、亦 人本 并 已经在 西 安理 工 大 学 申请 博 士 / 硕 士学位 。本 人 作为 学位 论 文 著 作权 拥 有者 ，同意 授权西安理 工大 学拥 有 学位 论文 的部分使用权 ，即: l )已获学位 的研 究生按学校规定 提交 印刷 版 和 电子版 学位 论 文 ，学校 可 以采 用 影 印 、缩 印或 其 他 复制手 段 保 存研 究生 上交的学位 论文 ，可 以将 学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索 ; 2 )为 教学和科研 目的 ，学校 可 以将 公开 的学位 论文 或解 密后 的学位 论 文 作 为 资料 在 图书馆 、 资料室等场所 或 在 校 园 网上供 校 内师 生 阅读 、浏 览 。 本人学位 论文全 部或部分 内容 的公布 (包括刊登 ) 授权 西安理工大学研 究生部办 理 。 (保 密 的学位 论 文 在 解 密 后 ，适 用 本 授权 说 明 ) 论文作者 签名 : 导师签名 : 多 二一知 户 年 ， “) 日 中文摘要 论文题 目: 学科专业 : 研 究 生: 指导教师 : 网络联盟制造环境下生产过程快速 响应技术研究 机械工彻 工业工程 刘永 李言 教授 李淑娟 教授 签名 : 签名 : 签名 : j j j j j 纤纤洲洲 洲 洲 摘要 制造业面 临的市场变化 日益频繁且无法预知 ， 客户需求 的个性化和 多样化 ，导致产 品 生命周期缩短 、更新速度不 断加快 。为 了在激烈 的市场竞争 中取胜 ，企业应 能适 时动态地 调整其制造模式和控制策 略 ，以支持对市场 的快速 反应 。网络联盟制造是适合 中小型制造 企业 的一种 生产模式 ，它通过 网络 实现制造 资源 、制造信 息的集成与共享 ，通过联盟企业 的协作提 高制造系统 的敏捷性 、柔性和市场应变 能力 。本文针对装备制造业 的生产特 点 ， 研 究 网络联盟制造环境下 生产过程快速 响应策略及其关键技术 ， 以期满足 多变 的客户化 生 产 需求 。 1. 研 究 了制造企业 生产过程 的快速 响应机制 ，建立 了基于 网络联盟及 资源共享 的快 速 响应系统 的结构模型 ，期望从企业联盟构建层 、客户需求分析层 、生产任务规划层 、生 产资源重构层 、生产调度 实施层 五个层 次提升制造系统 的快速 响应性 能 ， 并对系统 的结构 与功能模型进行分析和描述 ，从而形成生产过程快速 响应体系结构 。 2. 提 出一种基 于服 务 资源 匹配 的制造 企业联盟构建 方法 。 以资源 描述框架 的数 据模 型 为基础 ，建立 了制造服 务 资源 描述模 型和服 务 资源 匹配策 略 ; 给 出了服务 资源 的定性属 性 匹配和 定量属性 匹配算 法 ; 建立 了服务 资源 的匹配搜 索流程 ，从而 实现利用 网络 制造 服 务资源共享平 台， 形成更广 范 围的企业联盟 ，以便更加及 时地得到联盟企业 的生产技术支 持 。 3. 依据 agent 的基础 结构 ，建立 了基 于 多 agen t的生产 过程快速 响应系统 的结构模 型 ，重 点研 究 了客户 需求 向生产 需求转变过程 的 agen t辅助 ; 在深入研 究该辅助模 式下 生 产任务规划 策略 的基础 上 ， 提 出 了基 于退火进化算 法 的生产任 务分配优化 方法 ，实现 以招 投标 结果为基础 的综合评标 ，从而 获得 生产任务 的全 局最优 分配 方案 ; 借助 可靠性 理论 ， 提 出一种提 高多 agen t系统可靠 性 的并联结构 ，构造 出可靠性最 大化 问题 的求解 算法 。 4. 提 出 了基 于多色集 合 理论 的系统 资源 重构建模 方法和 方案评价指标体系 ，利用 元 素 、个人颜色 、统一颜色 等概 念 ，建立制造 资源 与系统功 能 的映射 关系 ，通过搜 索 围道布 尔矩 阵来获得系统 资源 重构 的方案 。在此基础 上 ，探 讨 了重构 方案评价指标 的选 取 、处理 和评价 方法 。其 中，提 出功 能冗 余度 作 为重构方案 的重要评 价指标 ，并给 出该指标 的有 效 计 算 方 法 。从 而 实现 不 同生 产 需求 的生产 资源 快速 组 织 。 少 西安理工大学博士学位论文 5. 研究 了多订单生产环境下 的计划与调度集成优化 问题 ，在充分考虑产 品的结构约 束 、资源 能力约束 、提前一 延期惩 罚、设备间的运输 时间 以及多工艺路线 问题等 的基础上 ， 建立 了单件生产和 小批量 生产模 式下 的问题规划模 型 。设计 了带精英策略 的蚁 群求解算 法 ，实现 了直接面 向多个订单 的工序级任务调度 ，将计划层与调度层统一起 来 ，避免计划 与调度衔接过程 中约束关系 的丢失 ， 便于获得全局最优解 。实例运行验证 了蚁群算法求解 该 问题 的可行性及算法性能 的优越性 。 在上述研究的基础上 ， 建立 了一个生产过程快速 响应原型系统 ， 完成 了基于 jsp 的生 产 过程快速 响应 系统软件 的开 发 ， 通 过在 企业 的部分应用 进 一 步验 证 了本文所 提 理 论 和 方 法 的正确 性和 可行 性 。 关键词 : 网络联盟制造 ; 资源 匹配 ; 多 agent 系统 ; 资源重构 ; 集成调度 本研究工作得到 以下项 目资助 : 1. 国家教育部春晖计划资助项 目 “ 基于 网络 的敏捷制造系统控制技术研 究 ” (项 目编号 : 2 2005一 l一 61004 ) 2 . 陕西省教育厅项 目 “ 快速可重构制造系统协作控制技术研究 ” (项 目编号 : 08jk 389 ) 3. 陕西省 自然科学基金资助项 目 “ 敏捷制造 系统控制技术研究 ” (项 目编 号 : zoo4e zoz ) 4 . 校 高学历人 员科研 启动 经 费资助 项 目 “ 可 重构制 造 系 统 结构及 生产控 制 技 术研 究 ” (项 目编号 : 102一 210701) 一一一一止些塑色一一一一一一一一 t itle : s t u d y o n r a p id r e s p o n s e t e c h n o l o g y o f p r o d u c t !o n p r o c e s s u n d e r n e t wo r k a l l !a n c e m a n u f a c t u r in g e n v ir o n m e n t m a j or: m echanical e ngineering 1 ind ustr n a m e : y on g s u p e r vis o r: 丫a n l i s hujuan li ia l e n g in e e rin g 5 ig n a tu re : 5 ig n a tu re : 5 ig n a tu re : a b s tfa c t ma r ket eh a ng es t h a t m a nu f a etu r i n g s f a ee a r e f r eq uen t a nd u n p red ieta ble ，a nd cu sto m ers req u ire men ts a r e in d iv id ua l ized a nd d iv ersif i ed ，w h i eh lead to th e sh o r t en in g o f p ro d uet ey ele a n d t h e speeding u p of prod u et u p da t ing. t h u s，en t er p r i ses sh o uld d妞a m lcally ad j ust their m a n uf a etur i ng m ode a n d eontr o lling s t r a i egy to m a k e q u ic k res p onse t o t h e eha n g i ng m a r ket 50 as to su ee eed in th e in ten se m a r ket eo m p etitio n . n et wo r k allia nc e m a n uf a et u r i n g 15 a k i n d o f p r o d u etio n m o d e w h i eh 15 su ita ble f o r th e m ed iu m a nd sm a l l一 sized en i er p r i ses. it f u lf i lls t h e m a nu f a et u r i n g in f o r ma t io n in teg ra t io n a nd reso u rces sh a r in g b y m ea ns o f n et wo r k: en haees m an u f a ctu r i n g sy ste m 5 ag ility ， f l ex ib ility ， a nd a bility o f m eetin g m a r ket b y m e a ns o f allia ne e eo o p era t io n . a im in g a t th e p r o d u ctio n f e a t u re o f eq u ip m en i m a nu f a ctu r i n g ，th is d isser t a t io n st u dies t h e ra p id response st r a t egies a n d key teeh l n olog i es of the pr o duetion pr o eess under the net w or k a l lia n ce m a n uf a etur i ng envir o n ment 50 as to sa t isf y eustom ized requirem ents. 1 . r a pid res po n se m ech a n ism o f th e p ro d u ctio n p ro c ess 15 stu d ied ，an d str uctu re m o d e o f t h e res po nse sy s t e m b a s ed o n n etw o r k a l lia nee a nd reso u reessh a r in g 15 e sta blish ed in th is r e sea r ch . t h e im p ro v em e n t o f m a n uf a etu r i n g sy ste m 5 resp o n se p r o p er t y 15 ex p eeted to b e aeh iev ed f r o m su ch f i v e lev els as en ter p r i se allia ne e eo n st r uetin g ，eu sto m e r req uire me n ts a naly zin g ，p ro d u etio n task p a l n nin g ，p ro d u ctio n reso u r c es reco n f i g u ra t in g ，a nd p ro d uetio n sch ed u le ex eeu tin g . a nd th e resp o n se sy stem 5 str uetu re a nd f u n ctio n m o d el a r e a na l y zed a nd d escr i b ed 50 a s to f o r mu la t e ra pid re sp o n se arch iteetu re o f th e p ro d u etio n p ro ee ss. 2 . c o n str uetin g m eth o d o f m an u f a etu r i n g en ter pr i se a llia nce b ased o n ser v iee re so u rce s m a t eh in g 15 p u t f o r wo r d. 几 k in g th e d ata m o d el o f re so u r c e d eser i p tio n f r am ew o r k a s th e b asis， m an u f a etu r i n g ser vie e re so u rc e d escrip tio n m o d el a nd m a t eh in g strateg y a r e esta blish ed ， ser viee reso u r c esq ualita t iv e p r o p er t y m atch in g a nd q u a ntita t iv e p ro p er t y a r e p re sen ted ， a nd ser vic e reso u r c es sea r eh in g f l o w 15 set u p 50 th a t a m o re m a t ch in g alg o r i th m ex ten siv e en t er p r i se 川 少 西安理工大学博士学位论文 allia ne e ，w h ieh eo u ld p ro m p tly ach iev e o th er allia nce en ter p r i sessu p p o r t ，15 f o r med b y u sin g th e n etw o r k m a nu f a ctu r i n g ser v iee sh a r in g p la t ef o r m. 3 . o n t h e b asis o f ag en t b asie str u etu r e，m u lti一 ag en t b ased st r uet u ral m o d el o f th e ra pid re sp o n se sy stem in p r o d u etio n p r ocess 15 set u p，ag en t assista ne e in th e tra nsf e 币 n g f r om eu sto m ers req u rem en ts to p ro d u etio n req u irem en ts 15 stu d ied ; a nd o n th e b asis o f p ro d u ctio n ta sk p la n nin g st r a t eg y u nd er t h e eireu m sta nee o f in d e pt h st u d y o f th i s a ssista ne e m o d e ， a n nealing evolu t ion algor i thm ded u eed optim al ass i g n ing m ethod of production tasks 15 p ro p o sed ， a nd sy nth etie al b id in g ev alu a t io n w h ieh ta kes th e te nd er i n g resu lt as b asis 15 re aliz es 50 that a n overall optim al assi加 ng sehem e of pr o duetion tasks 15 o b tained.w it h t h e hel p of relia blity th eo r y ， a k in d o f p a r allel str u ct u re to im p r o v e t h e relia bility o f m u ti一 ag en i sy stem 15 p ro p sed ， an d th e a l g o r i th m t h a t e a n so lv e th e m a xim iz ed p ro b lem o f r e lia bility 15 eo n str ueted . 4 . r eso u ree reco n f i g ura t io n m o d elin g m eth o d a nd its seh em e ev alu a t io n in d ie a t o r sy stem b ased o n p o ly ch ro m a t ie sets th eo r y a r e p rop o sed .ma pp in g rela t io n sh i p b et ween m a n uf a et u r i n g reso u r c es a nd sy stem f u n etio n s a r e esta blish ed b y th e u se o f elem en t，in d iv id u al eo lo r sets a s w ell as unif i ed eolor sets.r esour c e reeonf i g u ra t ion sehem es a r e a c hieved t h roug h sea r ehing the eo n i o u r b o o lea n m a t r i x . s electin g ，p r o c essin g a nd ev alu a t in g m eth o d o f t h e ree o n f i g u ra t io n seh e me 5 ev alu atio n in d ie a t o r a r e d iseu ssed . i n w h i eh ，允 n etio n red u n d a ney p ro p o sed in th is d isser t a t io n 15 a n im p o r t an t ev alu a t io n in d ie a t o r o f th e reeo n f i g u ra t io n seh em e，a nd its e f f eetiv e ea leu la t io n m e t ho d 15 g iv e n in th i s d isser t a t io n . t h ere by ， p r od u etio n r e so u r e es ra pid o r g耐z in g o f t h e d if f eren t p r o d u etio n req u ir e m e n ts 15 aeh iev ed . 5 . p ro d u ctio n p la n nin g a nd sch ed u lin g in i eg r a t ed o p tim iz a t io n p r o b lem 15 st u d ied u n d er th e m u lti一 o rd e r en v ir o n m en i . i n teg er p ro g r an u n in g m o d els o f t h e in d iv id ual p r o d uetio n an d sm all一 lo t p ro d uetio n a r e e sta blish ed b ased o n th e eo n sid era t io n o f p r o d u et a s sem b ly str u etu re eo n st r a i n t，reso u re e ea paeity eo n st r ain i ，ea r lin e ss一 ta r d in ess p en alty ， tra ns po r i in g tim e， a nd m u lti一 p ro eess ro u t e p ro b lem s. t h e a nt eo lo n y alg o r i t知叭 w ith elitist st r a t eg y 15 d esig ned to a ch iev e m u ltio rd er - o r i en ted ta sk seh ed u lin g ，t h u s p la n nin g lay er a nd seh ed u lin g lay era r e u nif i ed w h ieh ea n a vo id eo n st r ain i s lo sin g in eo m b in in g p ro cess o f p la n mn g a nd seh ed u lin g . t h e f e a sib ility o f a nt eo lo n y alg o r i th m to so lv e t h e p r o b lem a nd t h e su per i or i ty o f a r ith m etie p erf o r ma ne e a r e v e r if i ed b y m e a ns o f run n in g so m e p ra c tie al in sta nces. o n th e b asis o f th e af o rem en i io n ed stu d y ， a ra pid res po n se p ro to ty pe sy stem o f p r o d u etio n pr o eess 15 esta b lished， a n d the ra p id response system sof tw a r e based on ja v a ser v er pages 15 d ev elo p ed . t h e co r r eetn ess a nd f e asib ility o f th is d isser t atio n p ro p o sed th eo r y a nd m eth o d a r e f u r t her ver i f i ed th r oug h pa r t ial a p pliea t ions in enter p r i ses. k ey w o rd s: n et wo r k a llia ne e ma nu f a et u r i n g ;r eso u r e e ma t ch in g :mu lti一 a g en i s y stem; r eso u r ce r eco n f i g u r a t io n ;i n te g ra t ed s eh ed u lin g iv 目 录 目 录 1 绪论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1.1 研 究背景分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1.1 我 国制造业 面 临 的挑 战 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1 .1. 2 我 国制造业现状 . . . . . . ， . . . . . . . . . . . 2 1. 2 敏捷制造模式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， 3 1. 3 网络联盟制造及其关键技术 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1. 3.1 网络联 盟制造含 义和特 性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1. 3. 2 网络联盟制造 的关键技术 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . 6 1 . 4 研 究 中存 在 的主要 问题 . . . . . . . . . . . . . 9 1. 5 本课题 的研 究工作 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2 生产过程快速 响应 系统 结构研 究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .n 2.1 研 究对象分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .， .， . . 1 1 2. 2 生产过程快速 响应系统结构建模 .， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 2. 3 生产过程快速 响应系统功 能模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 2. 3.1 网络制造服 务系 统. . . . . . . . . . . . . . . . ， ， . . . . . ， . . . . . . . . . . . 巧 2. 3. 2 企业 内部生产控制系统 . . . . . . . . . . . . . .， . . . . . . . .， .， . . . . . . . . . . . .1 7 2. 4 r rs p p 中的关键技术 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 2. 4.1 制造 资源描述及搜索 匹配 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 2. 4 . 2 基于 m a s 的系统控制 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 8 2. 4. 3 任 务分解技 术 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 2. 4 . 4 资源 重构技 术 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 0 2. 4. 5 计划 调度 问题集 成求解 技术 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .， . 20 2. 5 本 章小 结 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3 基 于服 务 资源 匹配 的网络 制造 联盟 组建技术 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . 2 1 3.1 r df 的基本概念 . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . .， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 3.1.1 资源 描述框 架简 介 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 3.1. 2 r d f 数据模 型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .， . . 2 1 3.1. 3 r df 的词汇 集 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 3. 2网络制造环 境下 的资源模 型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3. 3 服 务 资源 的匹配 问题 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 3. 3.1 服 务 匹配模 型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . 27 3. 3. 2 服 务 资源 的定性 匹配 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .， . .， . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 3. 3. 3 服 务 资源 的定量 匹配 . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 为 西安理工大学博士学位论文 3. 3. 4 服 务 资源 的搜 索 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 3. 4 应用 实例 . ， . . . . . . . . . ， . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34 3. 5 本章 小结 . . . .， . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36 4 基于 m a s 的生产过程敏捷控制 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 7 4.1 a ge n t 的基本概念 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 4 . 2 基于 m a s 的快速 响应系统 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38 4 . 2.1 系统结构模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 4 . 2. 2 多形 式 的合 同 网协作 机制 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4 . 2. 3 r rspp 中的 a g e n i 模 型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2 4 . 2. 4 r rspp 中 a ge n t 实体 设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4. 3 基 于 m a s 的任 务分配 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8 4. 3.1 任 务分配 问题 的描 述 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48 4. 3. 2 任务分配 的退火进化算法设计 .