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摘要 摘要 离散型装备制造业在制造业中处于非常重要的地位 是我国工业发展的基础 它具有多品种 小批量 客户定制化生产的特点 因而其采用了柔性制造的生产方 式 各大型离散型装备制造企业为了提高其竞争力 缩短车间生产对客户需求的反 应速度 从而提出了在柔性制造的基础上实现敏捷制造的目标 高效的车间生产调 度能够提高车间生产效率 缩短产品的生产周期 进而对上述目标的实现具有很大 的推动作用 但经过调研发现目前大部分离散型装备制造企业车间的生产调度是靠 人工进行的静态调度 它在调度的实时性 柔性 和动态性方面不太理想 难以满 足该行业车间生产调度的需求 因此这就需要研究适合离散型装备制造业的具有实 时性和柔性的车间大规模动态生产调度系统 经调研和分析发现该研究主要存在以 下两个问题 一个是车间分布式生产数据的实时采集和调度指令的实时下达问题 另一个具有实时性和柔性的大规模动态生产调度算法的研究问题 针对第一个问题本文采用了车间实时信息网络来代替人工方式来实现车间分 布式生产数据的实时采集和车间生产调度指令的实时下达 在分析离散型装备制造 业车间生产环境的基础上本文分析了适合车间不同生产环境的三种车间实时信息网 络 具有抗车间电磁干扰作用的基于r s 4 8 5 总线的三层架构的车间实时信息网络 可避免车间布线难题的基于4 3 3 m 无线通信的四层架构的车间实时信息网络和能充 分利用资源的基于计算机网络的车间实时信息网络 在组建车间实时信息网络时根 据不同车间的生产环境可选择由上述某一种车间实时信息网络构成的单一网络模式 或由上述几种车间实时信息网络构成的混合网络模式 针对第二个问题本文采用了能够解决大型复杂问题的具有并行计算能力的 m u l t i a g e n t 生产调度算法 为了降低制造车间随机性突发事件和生产订单频繁变化 对调度的影响而采用了以设备a g e n t 为招标者的合同网模型来实现设备a g e n t 和任 务a g e n t 的匹配 为了提高此算法的计算速度而对以设备a g e n t 为招标者的合同网 模型进行了改进 从而提出了改进的以设备a g e n t 为招标者的m u l t i a g e n t 生产调度 算法 该算法能够满足车间大规模动态生产调度对实时性和柔性的要求 广东工业大学硕士学位论文 为了检测上述车间实时信息网络和生产调度算法的可行性和效果而在某一大 型陶瓷装备制造企业广东某机电股份有限公司的两个工厂的车间建立了基于上述车 间实时信息网络和车间生产调度算法的车间生产调度系统 通过将该车间生产调度 系统的调度效果与原来的人工静态调度的效果进行比较发现该车间生产调度系统在 调度的动态性 实时性和柔性等方面具有明显的优势 这充分证明了本文提出的在 离散型装备制造业车间生产调度过程中采用车间实时信息网络来实现生产数据实时 采集和调度指令实时下达的思想的可行性和本文所提出的改进的以设备a g e n t 为招 标者的m u l t i a g e n t 生产调度算法的可行性 关键字 离散型装备制造业 车间实时信息网络 车间生产调度 m u l t i a g e n t 算 法 合同网模型 启发式规则 a b s t r a c t a bs t r a c t d i s c r e t ee q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y t h ef o u n d a t i o no fi n d u s t r i a le v o l u t i o n i nc h i n a p l a y sa ne s s e n t i a lr o l ei nm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y i tf e a t u r e sw i d ev a r i e t i e s s m a l lb a t c h a n dc u s t o m i z e dp r o d u c t i o nw i t hf l e x i b l e m a n u f a c t u r i n ga si t sm o d eo f p r o d u c t i o n t os h o r t e nt h er e s p o n s es p e e do ft h ew o r k s h o pp r o d u c t i o nt oc u s t o m e rn e e d s a n di m p r o v ei t sc o m p e t i t i v e n e s s t h el a r g ed i s c r e t ee q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e p u t f o r w a r dt h e g o a l o f a c h i e v i n ga g i l em a n u f a c t u r i n gb a s e do n t h ef l e x i b l e m a n u f a c t u r i n g e f f i c i e n tw o r k s h o pm a n u f a c t u r i n gs c h e d u l i n gc a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c y o ft h ew o r k s h o p s h o r t e np r o d u c tp r o d u c t i o nc y c l e a n dt h e nt op r o m o t et h ea t t a i n m e n to f t h eg o a l h o w e v e r i n v e s t i g a t i o nh a sr e v e a l e dt h a ta t p r e s e n tw o r k s h o pm a n u f a c t u r i n g s c h e d u l i n go fm o s td i s c r e t ee q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s ei sb ya r t i f i c i a ls t a t i c s c h e d u l i n gw h i c hi sn o tv e r yi d e a li n t e r m so fr e a l t i m e f l e x i b i l i t ya n dd y n a m i c t h e r e f o r e i ti sn e e d e dt os t u d yw o r k s h o pl a r g e s c a l ed y n a m i cm a n u f a c t u r i n gs c h e d u l i n g s y s t e m w i t hr e a l t i m ea n df l e x i b l ef e a t u r e st h a ts u i tf o rd i s c r e t e e q u i p m e n t m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y a c c o r d i n gt or e s e a r c ha n da n a l y s i s i ti sf o u n dt h a tt h e r ea r e m a i n l yt w oa s p e c t so fp r o b l e m si nt h i sr e s e a r c h o n ei st h ep r o b l e mo fr e a l t i m e c o l l e c t i o no fw o r k s h o pd i s t r i b u t e d p r o d u c t i o nd a t aa n dr e a l t i m et r a n s m i s s i o no f s c h e d u l i n gi n s t r u c t i o n s a n o t h e ri st h es t u d yp r o b l e mo ft h el a r g e s c a l ed y n a m i c m a n u f a c t u r i n gs c h e d u l i n ga l g o r i t h mr e a l t i m ea n df l e x i b l ef e a t u r e s f o rt h ef i r s tp r o b l e m i tw a su s e di nt h i sp a p e rt or e p l a c ea r t i f i c i a lc o l l e c t i o no f d i s t r i b u t e d p r o d u c t i o nd a t a w i t hr e a l t i m ec o l l e c t i o n w a yo fw o r k s h o 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r i t h m k e y w o r d s d i s c r e t ee q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y w o r k s h o pr e a l t i m ei n f o r m a t i o n a b s t r a c t n e t w o r k w o r k s h o pm a n u f a c t u r i n gs c h e d u l i n g m u l t i a g e n ta l g o r i t h m h e u r i s t i cr u l e c o n t r a c tn e tm o d e l v 广东工业大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t 山 c o n t e n t s v i i i c h a p t e r1 1 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f t h es t u d y 1 1 2o v e r s e a sa n dd o m e s t i cr e s e a r c hs t a t u s 3 1 2 1o v e r s e a sa n dd o m e s t i cr e s e a r c hs t a t u so f m a n u f a c t u r i n gw o r k s h o pr e a l t i m e i n f o r m a t i o nn e t w o r k 3 1 2 2o v e r s e a sa n dd o m e s t i cr e s e a r c hs t a t u so fw o r k s h o pm a n u f a c t u r i n g s c h e d u l i n g 4 1 2 3o v e r s e a sa n dd o m e s t i cr e s e a r c hs t a t u so f m u l t i a g e n ts c h o d u l i n ga l g o r i t h m1 0 1 3s t u d yc o 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i n a ls t a t e m e n t 8 2 d i s s e r t a t i o nc o p 妒g h tu s ea u t h o r i z e ds t a t e m e n t 8 2 a c k n o w l e d g m e n t s 8 3 x 第一章绪论 第一章绪论弟一早瑁v 匕 本章首先分析了离散型装备制造业需要进行车间生产调度的原因和车间生产 调度需要车间实时信息网络的原因 并给出了本课题的研究来源 其次本文在分析 车间生产环境和目前生产调度所面临的问题的基础上给出了解决这些问题的方法 并分析了车间实时信息网络 生产调度算法和m u l t i a g e n t 算法的国内外研究现状 最后简单介绍了本课题的主要研究内容 创新点和本文的结构 1 1 课题研究的背景及意义 离散型装备制造业需要车间生产调度 其原因包括以下几点 1 车间生产调 度能够提高离散型装备制造业的生产效率 缩短产品的生产周期 提高车间生产对 客户需求的响应速度 有助于该行业在柔性制造的基础上实现敏捷制造 以提高行 业竞争力 2 离散型装备制造业的生产特点要求在其车间实施高效的车间生产调 度 3 高效的车间生产调度能够减少资源浪费 降低成本 实现资源的有效利用 4 车间生产调度能够提高离散型装备制造企业的整体运行效益 目前离散型装备制造业的生产方式正处于由柔性制造生产方式向敏捷制造生 产方式转变的过渡期 这就要求离散型装备制造业车间生产调度要在动态性和柔性 的基础上实现实时性 即要求在生产车间实行具有柔性的大规模动态实时调度 经 过对生产调度系统的研究与分析发现 要实现车间的实时动态生产调度需要缩短分 布式生产数据的采集时间 生产调度指令的下达时间和调度算法的计算时间 并把 这些时间之和缩短到2 秒左右 而经过调研发现目前离散型装备企业车间生产数据 的采集和生产调度指令的下达大部分都是靠人工进行的 人工进行采集生产数据的 周期一般都在3 个小时以上 人工指令的下达一般在半个小时左右 这远远满足不 了离散型装备制造业车间生产调度的实时性要求 以嵌入式技术 射频识别技术 r f i d 计算机网络技术和通信技术为基础而发展起来的实时信息网络能够将车 间分布式生产数据采集和生产调度指令下达的时间缩短到1 秒以内 因此在制造车 间建立实时信息网络是在离散型装备制造业建立车间生产调度系统的必然选择 广东工业大学硕士学位论文 离散型装备制造业的制造车间生产环境的复杂性给其车间的实时信息网络的 构建带来了很大难度 由于离散型装备制造业的产品及工件以强材 钢 铁 铜和 铝等 为主 其加工设备多并且以大型加工设备为主 并且大部分加工设备中都装 有电机 设备运行时会产生大量的电磁干扰以及声音污染 光污染及振动污染等 大量生产设备同时运行使得数据采集点多且具有分布性的特点 这就要求对生产数 据实行分布式采集 这给车间布线带来了很大难题 由于生产设备的用途和生产厂 家不同 造成实时数据采集所需的软硬件也各不相同l i 给使用统一的数据采集方 式实现实时数据采集带来了很大困难 目前车间生产调度所面临的问题主要分两个方面 一个是生产调度算法理论研 究方面所面临的问题 另一个是实际的生产调度所面临的问题 目前对生产调度的 研究大都停留在算法理论方面 首先生产调度问题的研究难度非常大 它已经被证 明是非确定性多项式 n o n d e t e r m i n i s t i cp o l y n o m i a l n p 难题l z l 其次大部分生产调度 算法的研究一方面是基于某些简化的假设 而这些假设过于理想化 它不能充分反 映实际生产环境的复杂性 随机性和动态性 另一方面是缺少对这些算法使用条件 的分析 因此这种算法在实际应用时有一定的局限性 再者一定要考虑这些调度算 法所解决的调度问题的规模和算法运算的时间 即大部分调度算法忽略了调度问题 的规模和调度算法的运算时间而盲目追求调度效果的优越性 目前对实际的生产调 度系统的研究比较少 大部分离散型装备制造企业都是靠人工进行调度 这种调度 基本上属于静态调度 调度严重滞后 不具备实时性和动态性的特点 调度不准确 并且需要消耗大量的人力和时间 根据离散型装备制造业车间实时信息网络所面临的问题 本文分析了三种车间 实时信息网络 1 基于r s 4 8 5 总线的三层架构的车间实时信息网络 它采用具有 屏蔽作用的r s 4 8 5i 业总线在车间进行通信 具有抗干扰性强的特点 并且它采用 数字智能终端进行数据采集 无论是数控设备还是传统设备都可以采用统一的数据 采集方式进行数据采集 它适用于车间电磁干扰性大且容易布线的车间 2 基于 l 心4 3 3 m 无线通信的四层架构的车间实时信息网络 该网络是对前一网络的改进 为了解决分布式数据采集点密集度大且车间布线比较困难的问题 而在车间采用 4 3 3 m 射频无线通信来解决这一问题 3 基于计算机网络的车间实时信息网络 对于某些车间由于生产的需要已经配置了电脑 为了充分利用资源和降低成本 在 2 第一章绪论 电脑上配置射频读卡器并直接采用计算机网络来进行车间实时生产数据采集 离散 型装备企业要根据生产车间的实际情况来选择其中一种或多种组网方式来创建其车 间的实时信息网络 为了解决上面所提出的离散型装备制造业车间生产调度所面临的问题 本文在 对比分析多个国内外调度算法优缺点的基础之上选择了m u l t i a g e n t 车间生产调度 算法 m u l t i a g e n t 算法具有并行运算功能 能处理带有空间分布的问题 特别适用 于解决复杂问题1 3 1 等优点 它能解决大规模调度n p 难题 l 为了提高该调度算法的 柔性而采用了以设备智能体 a g e n t 为招标者的合同网模型来实现设备a g e n t 和任 务a g e n t 间的匹配 为了进一步提高该算法的计算速度而对该合同网模型进行了改 进 根据此改进的以设备a g e n t 为招标者的m u l t i a g e n t 调度算法所开发的基于车间 实时信息网络的车间生产调度系统可以满足离散型装备制造业的具有柔性和实时性 的车间大规模动态生产调度的需求 能够很好地处理随机性突发事件 具有很好的 开放性 并且可大大提高调度的准确性 缩短产品的生产周期 推动离散型装备制 造业在柔性制造的基础上向敏捷制造的转变 因此本课题的研究具有一定的实际应 用价值和理论研究价值 本课题来源于2 0 1 0 年广东省现代信息服务业发展专项资金扶持项目面向精益 生产的电子看板信息协同平台 g d e i d 2 0 l o l s 0 6 5 该项目是在生产陶瓷装备的广 东某机电公司的各个工厂车间构建一个电子看板信息协同平台 该项目的子项目是 在该公司的机加工工厂和深加工工厂建立制造执行系统 m e s 本课题就是研究 此子项目的车间生产调度模块 另外本课题也受到了我导师获得的国家自然科学基 金项目基于r f l d 的分时段双层实时动态o k p 调度理论与算法研究 6 1 0 7 4 1 4 6 的 资助 1 2 国内外研究现状 1 2 1 制造车间实时信息网络的国内外研究现状 实现车间分布式生产数据实时采集和生产调度指令实时下达的典型的车间实时 信息网络就是现场总线 它应用于生产现场 在微机化测量控制设备间实现双向串 3 广东工业大学硕士学位论文 行多节点的数字通讯系统 目前常用的现场总线有 p n e t w o r l d f i p p r o f i b u s f f c a n l o n w o r k s 等l 习 现场总线具有抗干扰性强 稳定性好等优点 因而可以 应用它在离散型装备制造业存在强电磁干扰的车间构建车间实时信息网络 然而现 场总线这类专用实时通信网络具有成本高和支持的应用有限等缺陷 t i 另一个用于 制造车间实时信息采集的网络是工业以太网 随着以太网技术的不断成熟和它具有 成本低 稳定和可靠等诸多优点 而越来越多地应用于工业生产 杨金奇等从四个方 面分析了工业控制领域需要以太网的原因 7 它在工业上也有一些成功的应用案例 睁一o j 沈航等分析了以太网在工业应用上的一些缺点f i i j 但是随着网络技术的发展这 些问题正在不断地得到解决 尤其是工业以太网在速度等方面的进步 特别是高速 以太网 1 2 的快速发展进一步推动了它在工业方面的应用 对于在离散型装备制造业 已经配置电脑的制造车间可以采用工业以太网来构建车间实时信息网络 此外常用 的车间实时信息网络还有工业无线网络 它具有灵活性 能避免车间布线困难的难 题和成本低的优点 因此它在工业应用领域越来越多地得到应用 可以采用它在离 散型装备制造业存在布线困难且分布式数据采集点密集的车间构建车间实时信息网 络 常见的国外的工业无线网络有基于w i r e l e s s h a r t 通信协议标准的 w i r e l e s s h a r t 无线脚 工业网络和基于i s a1 0 0 1 l a i s a 通信协议标准的 霍尼韦尔 h o n e y w e l l 的工业网络 我国的工业无线网络有基于w 队 p a w i r e l e s s n e t w o r k sf o ri n d u s t r i a la u t o m a t i o n p r o c e s sa u t o m a t i o n 中国 通信协议标准的 w 认 p a 的工业网络 此外还有适应较大传输覆盖面和较大信息传输量的基于i e e e 8 0 2 1 1 通信协议的无线局域网 适用于大数据容量的基于i e e e8 0 2 1 5 3 通信协议的 短程无线通信网i t 3 以及可以在多个领域广泛应用的无线传感网等其他无线网络 无 线网络在工业中也有一些成功的应用案例u t 6 在离散型装备制造企业的生产车间 构建车间实时信息网络要根据不同车间生产环境的特点来选择一种或多种网络来实 现车间生产数据的采集和车间生产调度指令的下达 1 2 2 车间生产调度的国内外研究现状 国内外关于生产调度的研究主要在于两个方面 一个是关于生产调度系统的实 际应用层面的研究 另一个是关于调度算法理论层面的研究 由于生产调度是一个 n p 难题 对其研究的难度比较大 目前国内外在生产调度系统的应用层面的研究 4 第一章绪论 成果比较少 而在调度算法方面的研究成果突出 有两大难题一直制约着实际生产调度系统的应用和推广 一个是生产调度的实 际需求对生产调度系统的要求比较高 例如离散型装备制造业对其车间的生产调度 提出了在大规模动态生产调度环境下提供调度的柔性和实时性 另一个是由于生产 环境和生产业务的不同导致各个行业之间甚至某些行业不同企业间的生产调度系统 各不相同 例如在离散型制造业的一个企业的成功的生产调度系统很难在该行业的 另外一个企业中运行 这就要求根据每个企业的生产特点来开发它的生产调度系统 因此经过调研发现目前生产车间尤其是离散型装备制造业的制造车间的调度大部分 是人工进行的静态调度 但是也有一些车间动态调度系统的成功应用案例1 1 7 d l 离散型装备制造业多品种小批量的生产特点决定了该行业要采用柔性制造的生 产方式 并且该行业车间生产的规模也比较大 这就要求其车间进行具有柔性的大 规模动态生产调度 某些离散型装备制造企业为了获得更多的客户 提出了提高其 车间生产对客户需求的反应速度的需求 这就要求其生产方式需要在柔性制造的基 础上实现敏捷制造 因此就需要其车间的生产调度具有实时性 可见离散型装备制 造业车间生产调度需要具有高柔性和实时性的车间大规模动态生产调度 因此这就 要求寻找一个在大规模动态调度环境下具有高柔性和实时性的调度算法 国内外关 于动态调度的算法的研究比较多 常见的动态调度算法有最优化方法 仿真方法 专家系统方法 神经网络方法 禁忌搜索法 滚动窗口重调度算法 解析模型方法 m

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