（机械制造及其自动化专业论文）混杂加工装配式生产网络性能分析.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，制造系 统中存在许多可控或者不可控的随机事件，其中设备故障的不可避免性促使很多 学者对不可靠系统进行研究，他们通过随机事件等来研究随机故障模式，对系统 分析提出了很多积极的规划及建议，对指导生产实际和增加企业核心竞争力有重 大意义。可以说，不可靠制造系统性能评估是生产规划和管理中重要的研究问题 之一。本文正是通过基于不可靠制造系统生产网络的简化模型，以混杂加工装配 模型和双设备模型作为研究对象，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生产网络的基本概念，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，通过状态概率问存在的拟生 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 通过研究装配模型中系统性能评估方法，由数学模型间的自相似特性，在 装配模型基础上发展了一种设备具有多故障且存在不可靠缓冲区的双设备模型的 系统评估方法，以生成稳态概率转移矩阵方法得到所有状态概率。这种生成转移 矩阵的算法，对于研究柔性制造系统和由装配单元组成的混杂系统具有较强的适 用性。 4 考虑了一类小规模闭环生产网络的系统分析过程，并引入缓冲区不可靠的 因素，对依靠缓冲区水平的故障类型进行研究，并求得影响设备故障类型的缓冲 区阈值点。通过对模型简化，以三设备闭环系统为例，说明了求取系统状态概率 的方法。这些工作为以后研究缓冲区为不可靠的大规模闭环网络生产系统提供了 算法经验。 5 对本课题的工作进行了总结并对下一步要进行的工作进行展望。 关键词：混杂生产系统；不可靠设备；装配模型；马尔可夫过程；闭环制造网络 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 st 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 sn e t w o r kc 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 n f r o mt h ep r o d u c t i o n d e p a r t m e n tt 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 ti s m o r e ， t h e vf o mt h ec o m p l e xn e t w o r kw h i c hi sr e s p o n s e i 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 ea r e al o to 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 e o r u n c o n t r o l l a b l ei 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 s h a v es t u d i e dt h e u n r e l i a b l es y s t e mf o rt 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 n o fp r o d u c t i o np l a y sa 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 s b a s e du p o nt h es i m p l i f i c a t i o no 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 g t h e h y b r i dp r o d u c t i o ns u c ha sm e r g es y s t e ma n d t 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 ，a n dt h e nab r i e f i n t r o d u c t i o n o nt h eb a s i cn o t i o n so fu n r e l i a b l ep r o d u c t i o nl i n e sw a sp r e s e n t e d ，r e v i e w e dt 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 o m a c h i n e ss u b je c t e dt oi n d e p e n d e n tf a i l u r em o d e sw h i c hc o n t a i n s t h es o 。c a l l e d i n a d e q u a c yf a i l u r ea n du n r e l i a b l eb u f f e ri s c 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 st 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 g t h ed i f f i c u l 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 ah 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 fm a c h i n e ss u b j e c t e dt om u l t i p l e f a i l u r em o d e sa n du n r e l i a b l eb u f f e r sa r ec o n s i d e r e d m a c h i n e sh a v et w o f a i l u r es t a t e s b a s e do nd i s c r e t em o d e l ，an e wa l g o r i t h mf o rg e n e r a t i n gt h et r a n s i t i o nm a t r i xi s p r o p o s e d ，t h ea l g o r i t h mu s e st h et r a n s i t i o nm a t r i xt h a tc o r r e s p o n dt oac e r t a i nv a l u e t h i sp r o c e s sa v o i d st h en e e dt or e c o r de x p l i c i t l ya l lt h es t a t e sa n dt r a n s i t i o n so ft h e m o d e l w h i c hi st e d i o u sa n dt i m e c o n s u m i n ge s p e c i a l l yf o rl a r g ev a l u e so ft h eb u f f e r l e v e l 4 a na p p r o x i m a t ea n a l y t i c a lm e t h o df o re v a l u a t i n gt h ep e r f o r m a n c eo fas m a l l 硕十学位论文 c l o s e dl o o pf l o ws y s t e mw i t hu n r e l i a b l em a c h i n e sa n df i n i t eb u f f e r si sd e s c r i b e d t h e m e t h o dp e r f o r m sw e l lb e c a u s ei tt a k e si n t oa c c o u n tt h ec o r r e l a t i o na m o n gt h e n u m b e r so fp a r t si nt h eb u f f e r s ，a n dc a l c u l a t e st h ev a l u eo ft h et h r e s h o l d w ea p p l yi t t oat h r e e m a c h i n el o o pi nw h i c hw eg o tt h em e t h o do fc a l c u l a t i n gt h es t a t e s p r o b a b i l i t ye v a l u a t i n gt h ep e r f o r m a n c 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 e r g em o d e s ；m a r k o v p r o c e s s ； c l o s e dl o o pm a n u f a c t u r en e t w o r k 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：冈砥 日期：p 年衫月岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：莎口年6 月监日 日强如 易玛f 如 硕十学何论文 曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量鼍曼曼i mmi l lm| i 皇曼曼曼皇曼曼皇曼鼍曼量曼曼皇曼鼍曼曼曼曼曼曼! 皇曼皇鼍曼皇邑皇曼皇曼曼 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 随着制造业从工业时代进入到网络信息时代，市场环境由相对稳定环境转向 动态多变的买方市场，市场需求的日趋多样化和市场竞争使得产品生命周期越来 越短，制造技术越来越复杂，原来大批量生产的刚性生产线模式显得越来越不适 应目前的市场需求，生产需求和生产组织方式的矛盾同益突出。在这种条件下， 多品种、小批量生产正逐渐成为当今制造业主导的生产方式。 近年来在制造领域陆续地提出了许多新的制造理念和制造系统，如：集成制 造c i m 、精益生产l p 、敏捷制造a m 、动态联盟v e 、准时生产j i t 、柔性生产 f m 、网络化制造n m 等。其中网络化制造是在网络经济下产生并得到广泛应用的 先进制造理念，是基于网络技术的先进制造模式。网络技术的飞速发展和广泛应 用深刻地改变了人类的生产和生活方式，也导致了制造企业运作模式的变化，大 大拓展了企业的制造和销售范围。网络化制造的核心是通过企业间的资源共享、 优化组合实现制造过程集成和异地协同制造。网络化制造的关键是资源的表示和 搜索。而在制造企业内部，机器制造网络是一个极其复杂的系统，目前从整体上 研究存在诸多困难，把机器作为网络节点，在计算机网络性能评估中的关键参数 和生产网络性能分析的主要指标是类似的。因此对生产网络的性能分析和相关的 策略研究，并建立制造网络的数学模型，也为网络制造技术提供新的理论与方法。 生产系统一般来说都是混杂系统，在这种系统中广泛存在连续过程和随机离 散事件。相对于不同随机事件，系统处于不同的运行模式，即系统的演化呈现为 阶段性地受不同动力学方程驱动。因此从全局观点来看混杂生产网络也是一个动 态随机波动的网络，它不仅受随机性影响，而且受不确定性干扰，在描述系统的 变量中同时含有连续变量和离散变量，不完善的数学理论、模型以及有限的求解 技术等等都是阻碍混杂生产网络性能研究的困难之一。 新一代制造系统必须体现数字化、柔性化、敏捷化、客户化、网络化与全球 化等基本特征。数字化、柔性化与敏捷化是快速响应客户化需求的前提，由于制 造资源与市场的全球化，这种快速重组必须建立在全球性的分布式网络化基础上， 其本质上是一个市场需求驱动的复杂交互系统。市场需求的快速多变和不确定性 决定了制造系统的暂时性，其生命周期取决于市场需求的存在，并随着市场需求 的变化快速组建与撤销，快速进入与退出市场。因此，系统必须具有动态易变性， 能通过快速重组，快速响应市场需求的变化。这就要求采用新的有效的组织与控 制策略，能通过简单的控制规则来实现复杂制造系统的动态重组与运行控制。 混杂加下装配式乍产网络性能分析 制造技术的发展离不开生产组织方式的进步，而所有生产改进以及设计行为 都需要有效的生产性能评价技术的参与。因此对混杂生产网络的性能分析从企业 内部最基本的机器网络出发，可以为网络制造技术提供基本的数学模型单元和性 能评价指标，因此具有重要的理论意义。 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，同时在 国家自然科学基金的资助下，国内学者相继对虚拟制造、敏捷制造、快速制造、 可重组制造和支持产品创新的先进制造技术基础进行了研究，探索加工机理、关 键技术和制造系统模式，在技术创新和工程应用诸方面取得了突出的成就。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。 正是在这种背景下，本文针对较为典型的四到五节点的加工装配式生产网络 模型进行性能分析，为复杂多级的混杂生产网络的研究打下基础，希望可以为企 业设计新的生产线，制定合理的生产计划，提高系统生产率，降低生产成本，提 高经济效益提供借鉴或方法参考。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 国内外研究现状 对生产系统的研究最早可以追溯到1 9 世纪末至二战结束4 0 年代中期，自 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，主要是以时问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。亨利福特首创了符合标准化、专业化 的生产线同步化系统( 流水线) ，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，使制造领域的生产率大幅度提高。 生产线( p r o d u c t i o ni n e ) 一般是由缓冲区相互连接的多台设备( 机器) 组成的。 类似提法如传送线( 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。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 2 硕十学何论文 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。 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。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，生产系统规模扩大，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。工业工程和生产控制理念已被成功引入亚太地区。最典 型和最成功的是同本研究者，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 n s 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 ) 等先进制造技术。定量化技 术成为了生产系统研究的主导和趋势，通过数学模型的建立来分析、设计、描述 复杂的工业生产系统，特别是计算机科学、系统科学与工程的产生，使得相关学 者对大规模的经济与社会系统进行分析、实验、多方案对比与决策，以及运行过 程的控制与创新。 因此，对生产线的分析，转变为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 】和r a o 9 1 。还有一些学者开始研究带缓冲区的 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 1 2 1 、【l3 】、h a t c h e r 【1 4 】、k n o t t 1 5 】、【1 6 】、m u t h 1 7 】、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，企业出于降低 成本或盈利目的，都在寻求能应对各种随机事件影响的有效生产组织方式和控制 策略方法等内容。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。d a l l e r ya n dg e r s h w i n ”】对l9 9 2 年以前的研究情况做了详细的介绍 和总结。一些相关的文献被b u z a c o t ta n ds h a n t h i k u m a r 2 0 】p a p a d a p o u l o s 2 1 】， g e r s h w i n 2 2 1 ，h e l b e r 2 3 】，a l t i o k 2 4 】等人提出，马尔可夫性质和相关数学模型被得 到了引用并取得发展。 3 混杂加t 装配式生产网络件能分析 对于不可靠制造系统，相关学者提出了三种马尔可夫模型。一是离散同步类 型，它是一种离散状态离散时问( d s d t ) 马尔可夫过程。它假设零件依次进入设备 进行加工，所有零件的加工时间是相同的。设备在一些离散的时间改变状态( 操 作、故障、维修、空闲) 。b u z a c o t ta n dh a n i f i n 【2 引，g e r s h w i na n ds c h i c k 2 6 】，y e r a l a n a n dm u t h 2 7 】和g e r s h w i n t 2 8 】研究了这种模型。一种是离散异步模型，它是一种离散 状态连续时间( d s c t ) 马尔可夫过程。它假设要加工的零件离散，加工时间独立并 _ l i l l e 从指数分布或其他分布。g e r s h w i na n db e 丌n a n 【2 9 1 ，b e 彻a n 【3 0 1 ，c h o o n ga n d g e r s h w i n t 3 1 】和j e o n ga n dk i m l 3 2 】考虑了这类模型。一种是连续模型，它是连续时 间，离散状态和连续状态混合( m s c t ) 的马尔可夫模型。它假设设备的加工速度是 一定的。d a l l e r y 等人【3 3 1 ，b u r m a n 3 4 1 和h e l b e r 2 3 1 研究了这种混杂模型。对于以上 模型，在考虑双设备情况下，系统性能如生产率和缓冲区的平均盈余水平可得到 精确解。如b u z a c o t ta n dh a n i f i n t 2 5 】得到了关于d s d t 的解，g e r s h w i na n db e m a n 【2 9 】 得到了关于d s c t 的解，g e r s h w i na n ds c h i c k 2 6 j 得到了有关m s c t 的解。 对于分析研究超过两台设备的生产线，g e r s h w i na n ds c h i c k l 2 6 1 就尝试将他们 的解析解扩展应用到三设备的不可靠生产线。g e r s h w i n 2 2 1 对这些解做了详细的介 绍，他把串行不可靠生产线从分解方法上近似成多个双设备单元，并得到分析系 统的方法。但是系统状态随设备数的增加呈指数级增长，特别是从串行结构向串 并行或者更为复杂的网络结构发展时，系统状态跟是难以计算，这就是所谓的“状 态爆炸”。( o k a m u r aa n dy a m a s h i n a ! 蚓) 尽管计算机技术的长足发展使得大规模数学 计算成为可能，但是要解决“状态爆炸 问题，必须对算法进行研究并做出改进， 在高运算性能计算机的帮助下解决问题。 串并联生产模型在工厂生产中也较为常见，即类似串行生产线结构，每级加 工单元由多个并行机器组合而成，并行模式可以较好解决由单一设备加工单元失 效引起的整个生产线的停滞问题。i g n a l la n ds i l v e r 【37 】首先提出了两级串并联生产 线，一些学者将此类模型的并行机器近似成一个虚拟机器，转化为串行生产线进 行了分析。( i y a m aa n di t 0 1 3 8 1 等) 。b u r m a n 3 4 1 在前人基础上改进了d d x t 3 3 】算法， 研究了存在有限缓冲区连续物料模型的两级加工中心的生产分析问题。然而由于 设备经济成本和空闲率过大问题，现代设计更强调多机器参与协同工作，于是柔 性生产线和网络布置格局受到更多关注。 加工装配式生产模型的生产对象由许多零部件组成，这些零件按产品装配的 先后顺序要求，可以分别在不同的时间和空间范围内加工制造，然后再集中进行 部件装配和产品总装，最终形成产成品。各种零部件的加工制造过程在时间上既 可以同步进行，也可以依次顺序地进行。加工装配式生产系统的运行在技术上是 允许中断的。以机械、电子、汽车等产品为生产对象的生产系统均属于这类系统。 加工装配式生产系统是一类最为典型的动态离散系统，也是制造网络中的最基础 4 硕十学位论文 的组成单元。对这类生产系统的性能分析，不论从理论还是实践上来说，均具有 重要的意义。 然而现阶段对多设备加工装配生产网络的研究成果相对较少，g e r s h w i n 【3 引， d im a s e o l o ，d a v i d ，d a l l e r y t 3 9 1 和h e l b e r 2 s 】等人首先对包含有限容量缓冲区及装 配拆卸设备单元的不可靠系统进行了分析。后来为了评估单循环生产系统的产出 量和库存的分布形式，g e r s h w i n ，m a t t a ，t o l i o 和w e r n e r 4 0 】等人又提出了一种在 分解法基础上的改进算法。分解方法大都能满足产品单一的模型，n e m e c 【4 1 】拓展 了最早由g e r s h w i n ( 2 8 1 提出的分解算法，提出了在串行生产线中机器可以生产两种 零件产品的模型。但他只是做出了这种模型假设，机器是串行分布的且没有相应 的装配操作。s y r o w i c z 4 2 】提出了一种可加工多产品且为多故障模式的串行生产线 的分解分析法。 还有一种较新颖的求解方法，是由c o l l e d a n i ，m a t t a ，和t o l i o t 4 3 1 等人提出的， 他们分析了一种可生产两种产品，且具有相同加工时间的这样一种近似模型，利 用算法改进并得到了在两故障模式下系统主要参数指标。这里需要说明近似处理 方法一般都假定了设备故障间隔时间远远大于工件的加工时间，这是符合大多数 生产实际情况的。对于离散装配模型作如下说明： 竺m 1 一 田， 一 图1 1 物料装配系统模型 在形如图l 所描述模型中，当缓冲区未饱和时候，上游两设备可同时为缓冲 区提供物料。当缓冲区变满时，供给的上游设备膨，和m ：需要具有不同的优先级 别来供给下一个物料到缓冲区。在这种模型中，设备故障可以是一种或者多种模 式。y o u n ga n dg e r s h w i n 4 5 】曾经提出过“空闲故障 概念，即不同于依靠操作型 故障，假设机器非生产状态也可能发生故障。而在d i a m a n t i d i sa n dp a p a d o p u l o s t 4 6 1 的分析工作中，他们成功的引入了这个假设，通过中间状态转移矩阵，利用计算 机语言实现并求取了相关的系统参数，并利用生产仿真软件模拟并证明了算法的 有效性。另外两种模型和图l 相似。h e l b e r ，m e h r t e n s e 4 3 1 和t a n 4 4 1 分析了具有三 机器和有限容量缓冲区且为连续物料的模型。 在多品种、小批量的加工装配式生产系统如图1 2 所示，各种产品包含不同 结构、技术和工艺要求的零部件，而各种零部件均有其特定的制造工艺要求，其 生产过程既有串联、又有同步( 平行、并发) 的特征，且分布上网络特征明显。单 s 混杂加i ：装配式乍产网络性能分析 一产品的生产过程己表现出其复杂性，而综合多种产品生产而构成的生产系统其 复杂程度更高。由于大规模的机器生产网络的机器状态的存在“状态爆炸 问题， 这对算法的优化提出了更多的要求，同时这种模型的假设和分析为寻求新方法研 究多台具有柔性的制造设备的生产网络提供了可行性，为此很多国内外专家对此 非常重视，不断评估并改进针对该模型的相关算法，以提高这种技术的分析效率， 并致力于扩展这种技术的应用范围。 成品 图2 加工一装配式产品生产过程示意图 很多专家在对生产线的分析基础之上也提出了很多的优秀控制策略理论，其 中一个重要内容即为阈值控制策略【4 7 1 。当系统生产能力可行时，产品的盈余应保 持在阈值点，以防止将来生产能力不足造成产品的欠缺而失去市场。阈值策略的 贡献不仅在于理论上提出了新思想，而且因其结构简单容易操作和接近最优的特 性而倍受关注，同时在应用上取得了良好的效果。将阈值策略引入到混杂网络的 研究中，能较好地满足生产需求，不仅是在总数上满足，而且能平衡各类产品， 并使系统保持较低的中间产品库存。 我国相应的研究工作起步较晚，但也取得了一定成果。国内自从把计算机集 成制造系统( 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【4 8 1 ，吴铁军，吕勇载【4 9 1 ，熊光楞5 0 1 ，郑应平【5 1 1 ， 陈文德，齐向东【5 2 】，王成恩，薛劲松5 3 】，郑应平【5 4 】，郑大钟，赵千j i i 5 5 i ，吴澄【s 6 等等。在生产线的建模和性能估计方面，国内像涂奉生【5 7 】，伍乃骐【5 8 】等，疏松桂， 谭民【5 9 1 ，赵千川和郑大钟等6 0 】分别就不同的方面做了相应的研究。喻明，吴澄【6 1 】 考虑多台机器、机器不可靠及缓冲区有限的f m s 的调度问题。喻明等【6 2 】利用流 率控制模型分析带中间缓冲区的不可靠生产线，提出一种次优h p 策略。宋东平【6 3 1 把结果推广到机器故障为运行相依的两台不可靠制造系统，并对不可靠制造系统 的阈值控制策略参数最优进行研究。刘军、宋春跃等【6 4 l 针对具有不确定需求层 的不可靠生产系统的生产控制问题，提出一个具有最优三层界点的控制策略。 6 硕十字何论文 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 ) 随着网络中被控节点数量和控制复杂度的不断增加，为满足控制要求，需 要新的控制技术把并行计算及分布式计算技术有效的结合起来，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。 7 混杂加t 装配式乍产网络性能分析 1 3 本文的主要工作 本文在对混杂生产网络的组成单元，主要以设备具有多故障模式且缓冲区为 不可靠的双设备模型和装配模型作为研究对象，并将装配模型的算法向双设备模 型进行了延伸，并对生产系统性能评估方法作为了探索性研究。本文主要工作有 以下几点： 1 在t o l i o 4 3 】等人对设备具有多故障模式的生产线评估研究的基础上， 引入了缓冲区为不可靠的双设备模型，因为缓冲区作为生产线常见元件， 其可靠性研究值得考虑，本文在离散模型基础上，通过分析系统状态概率 变迁情况，以两种方法对所有状态概率进行求解，简化了问题的难度，提 出了一种评价上述设备模型具有不完全的设备故障时的生产线系统性能 评估方法，并给出了该方法的算法参考程序。对此算法的仿真进行了结果 分析。 2 以设备具有多故障模式且缓冲区不可靠的双设备生产线的系统性能 评价指标作为研究目标，通过对装配模型状态描述的数学本质进行分析， 成功的将双设备生产线用装配模型状态概率求解所使用的矩阵生成算法 进行解析，提出了一种当缓冲区容量增大时计算系统状态转移概率矩阵的 递推算法，给出了算法程序。这种算法使得双设备模型和装配模型在同一 生产网络中的直接综合成为可能，并避免了容量增大时反复记录并计算所 有状态概率的问题。 3 针对一类小规模闭环生产网络系统，在m a g g i o 3 9 1 等前人对闭环生产 网络研究的基础上，引入了缓冲区不可靠的假设，并对生产网络系统性能 评估方法进行了研究。首先对闭环系统的分解方法进行了探讨，并通过考 虑缓冲区内工件个数对假想双设备分解模型故障模式的影响，提出了缓冲 区不可靠时存在的缓冲区阈值问题。对实际生产中缓冲区容量的设计具有 指导意义。同时以三设备闭环系统为例，给出了实际的系统评估计算过程。 硕十学位论文 曼舅皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼蔓舅舅曼蔓毫曼皇孽穹曼皇鼍皇曼鼍。一m 一。一一一一l 一 ；i ；i 舅 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 引言对于任何形式的机械制造系统， 最优经济性是学者和相关研究人员的目标， 有效方法；每台机器的利用率；在制品量、 生产线性能的影响等实际问题。 输出效率的最大化和生产维护过程中 研究生产最主要是得到计算生产率的 产品造价以及缓冲区容量分配对整个 本章将不可靠缓冲区引入双设备生产线系统，在离散模型基础上，通过对设 备、缓冲区等相关状态概率的处理，分析系统状态概率变迁，建立对应的解析模 型并得到相应的求解方法和算法，可以为确定生产线生产率和设计系统最优缓冲 区容量提出建议，解决机械制造系统性能评估的主要问题。 2 1 选择研究模型的出发点 在网络化生产过程中，现代市场的发展在使有关生产管理理念、技术不断更 新和发展的同时，也促进了网络制造、敏捷制造等先进制造系统的研究、发展。 这就要求生产系统能够处理多变的市场需求以及网络系统内部的随机扰动对生产 带来的影响。其中受诸多随机事件影响的随机制造网络的系统建模、分析问题是 解决上述企业所面临问题以及发展先进制造系统的基石。在现实环境中，系统可 能受多种内部或外部随机事件的影响，可能具有多种不同频率的随机模态及分布 类型。继承不可靠制造系统研究领域的成果，从生产力和平价缓冲区盈余水平这 两个主要的生产网络性能评价指标出发，以随机故障为代表模拟制造网络中发生 的随机事件，进而分析混杂生产网络的性能，具有较强的代表性和可行性。 实际生产中，由于需求的不确定性和机器本身自有故障产生时，设备或者部 门常常以低于全效率的生产方式进行生产。这尤其在先进制造系统研究中具有实 际意义。同时，以两台带中间缓冲区设备组成的生产线模型，在近来的理论分析 工作中也得到了进一步的发展。将实际模型简单化，抽象为双设备混杂生产线， 并以设备的不完全故障状态、故障状态和正常( 全效率) 状态转化作为研究重点， 旨在通过数值仿真来评估生产系统的性能。因此，本章选取这一模型进行深入研 究。 9 混杂加r 装配式生产网络件能分析 2 2 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。 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 。，m ，的状态存在如图2 所示的变迁关系。“l 表示设备处于完好状 态，可以接收或传送零件，u o ) 或d ( 1 ) 表示处于不完全故障状态，即也具有低效率 的运行能力，“( 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 。 图2 2 设备1 ，2 的状态变迂关系图 3 设备处于完好状态l 时，它进入故障模式u o ) 或d ( 1 ) 的概率记为p 。或p ：，； 进入 故障状态“( 2 ) 或d ( 2 ) 的概率为p l ，或p ：，。设备处于故障模式“( 1 ) 或d ( 1 ) 时，变迁 到故障模式“( 2 ) 或d ( 2 ) 的概率为p t ：或耽：。设备m 。或鸠处于故障状态“( 2 ) 或d ( 2 ) 时，其维修率为，或眨，设备故障率和维修率均服从几何分布。 4 设备m 。或肘：未发生故障、处于故障状态u o ) 或d ( 1 ) 和“( 2 ) 或d ( 2 ) 时，其生产 率分别为一或y z ( y , = 托) 、一或以( 一= 以) 和0 。 5 缓冲区容量为n ，p b ( p b 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。 l o 硕十学何论文 6 设备m 。，m ：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，为了使离散时问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： i 单位周期时间 l 图2 3 系统运行时序图 2 2 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 ( f ) = ( 疗，q ( 晚a 2 ( t ) ，( f ) ) ( 2 1 ) 其中n ( 0 以n ) 为整数，表示t 时刻缓冲区水平；吼= l ( k = 1 ，2 ) 表示设备处 于正常工作状态，否则吒= 球( i ) 或d ( j ) ( i ，j = 1 ，2 ) 。= 1 或口6 = 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： ) = 托裟，“闩 n o 卜n ( 2 2 ) 驰) = 亿怨尝1 州什d 爿 n o 刚 ( 2 3 ) 分别表示缓冲区传送工件的条件，当i ，= l ( j = 甜，d ) 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j 下常的缓冲区环境。下一时段系统缓冲区水平变迁关系可表示为： 以( f + 1 ) = n ( t ) + ，。( t + 1 ) 一i d ( t +