自动化系统与集成 离散制造生产调度技术要求 征求意见稿

1GB/TXXXXX—XXXX自动化系统与集成离散制造生产调度技术要求本文件给出了离散制造生产调度的参考模型，并规定了模型层、调度层、数据层、应用层的技术要本文件适用于离散制造行业企业生产调度模型构建、调度方案生成、调度器开发部署与测试分析。2规范性引用文件本文件没有规范性引用文件。3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1离散制造生产过程DiscreteManufacturingProductionProcess生产由离散元件经过一系列不连续工序的加工最终装配而成的产品或零部件的过程。[来源：GB/T41252-2022，有修改]3.2制造资源ManufacturingResource制造企业用于生产产品或提供服务的任何设备、工具和手段。[来源：GB/T44063-2024]3.3任务调度TaskScheduling根据一定的约束条件将生产任务分配到指定制造资源执行的过程。3.4调度方案SchedulingSolution生产任务向制造资源分配和配置的最终结果。4离散制造生产调度技术要求4.1参考模型离散制造生产调度参考模型分为模型层、调度层、数据层和应用层，层级划分见图1。针对离散制造生产过程的任务调度需求，模型层建立并存储相应的数学模型。数学模型作为评估函数支撑调度方案评估。调度层包含调度功能和调度流程。调度功能模块为调度方案生成提供服务支持，而调度流程模块则按需从离散制造生产过程中读取关联数据和状态，并导入模型层的数学模型作为评估函数，使用相应优化决策算法生成调度方案。数据层从应用层和调度层获取历史数据和当前状态数据，支撑调度流程中调度方案的生成。应用层将调度层所给出的最终调度方案导入对应制造资源，进行方案部署、修改和集成等工作，确保调度方案的顺利实施和制造资源的有序运行。GB/TXXXXX—XXXX2图1离散制造生产调度参考模型4.2模型层技术要求4.2.1目的模型层应实现但不局限于以下目的：a)根据离散制造生产调度需求，建立数学模型，准确表征任务调度变量、约束和目标；b)根据离散制造生产调度数学模型，对特定任务调度需求下调度方案进行评估；c)积累不同任务调度需求下的调度模型，形成调度模型库，为多场景下离散制造生产调度方案可行性与方案预期应用效果提供参考。4.2.2调度需求4.2.2.1调度批次GB/TXXXXX—XXXX3一个调度批次的输入信息应对该批次下的订单关键信息进行总体描述，包含但不局限于以下内容（如图2）：a)订单数量；b)订单优先级。4.2.2.2调度订单一个调度订单的输入信息应对该订单下的任务关键信息进行总体描述，包含但不局限于以下内容（如图2）：a)任务数量；b)任务前驱后继关系；c)交付时间区间；d)交付成本区间；e)质量区间。4.2.2.3调度任务一个调度任务的输入信息应对该任务的关键信息进行详细描述，包含但不局限于以下内容（如图2a)所需元件/材料；b)工艺类型与参数；c)设备类型与配置；d)工具类型与参数；e)人员数量与服务时间；f)前驱任务集；g)后继任务集；h)预估执行时间。4.2.2.4调度资源一个调度资源的输入信息应包含但不局限于以下内容（如图2）：a)资源可用时间；b)资源功能；c)资源运行条件；d)资源运行成本；e)资源运行能耗；f)资源隶属关系；g)资源位置。GB/TXXXXX—XXXX4图2调度需求4.2.3调度变量4.2.3.1调度任务调度变量是依据调度需求梳理得到的决定任务向制造资源分配的待确定量，每一个调度变量的取值决定了一个待调度任务的一项分配结果，物理含义应包含但不限于以下内容：a)所选设备类型；b)所选设备编号；c)所选工具类型；d)所选工具编号；e)所选人员编号；f)所选工艺类型；g)变量对应任务相对其他任务的优先级。4.2.3.2调度资源描述调度变量的描述应包含但不限于以下内容：a)对应的任务编号；b)定义域，依据变量的含义和工业现场可用制造资源来确定；c)编码和解码规则，用于后续调度方案的生成。当所有调度变量的取值均给定后，即形成一个完整的调度方案。4.2.4调度约束5调度约束规定了调度变量之间取值的相互约束，并确定调度方案的可行域，应包含但不限于以下内a)任务所需物料约束；b)任务开始时间约束；c)任务结束时间约束；d)任务互斥约束；e)资源可用时间约束；f)资源执行任务约束；g)资源任务队列约束；h)资源协同操作约束；i)资源操作空间约束；j)资源互斥约束；k)资源停开机约束。4.2.5调度目标调度目标规定了不同场景下离散制造生产过程的调度方案需要优化的因变量。在生产调度数学模型的构建过程中，调度目标一般以目标函数的形式存在，包含于调度方案评估函数中，用于计算出调度方案对应调度目标的值。调度目标应包含但不限于以下内容：a)调度批次的最大完工时间；b)调度批次的资源总能耗；c)调度批次的执行总成本；d)调度批次的执行总碳排放量；e)调度批次的执行总污染排放量；f)调度批次的执行总安全系数；g)调度批次的材料总用量；h)调度批次的执行的资源负载均衡度；i)调度批次的执行可靠性；j)调度批次的执行资源利用率；k)调度任务的平均等待时间；l)调度任务的平均延迟时间；m)调度任务的平均提前时间。其中，需要最小化的调度目标包含调度批次的最大完工时间、资源总能耗、执行总成本、执行总碳排放量、执行总污染排放量、材料总用量以及调度任务的平均等待时间、平均延迟时间、平均提前时间等，需要最大化的调度目标包含调度批次的资源负载均衡度、执行总安全系数、执行可靠性、执行资源利用率等。4.2.6模型类型模型类型主要依据调度变量、调度约束和调度目标而定，应包括但不限于以下内容：a)线性规划模型；b)非线性规划模型；c)0-1规划模型；d)组合优化模型；e)马尔可夫模型；GB/TXXXXX—XXXX6f)李亚普诺夫模型；g)博弈模型。4.2.7模型建立4.2.7.1依据模型建立是依据调度需求确定主要调度变量，依据调度任务和调度资源描述确定调度约束的数学表达，包含约束等式和约束不等式，并给出调度目标函数表达式。此外，模型建立还应依据模型类型给出推导调度变量之间的量化关系以及调度约束和调度目标的要素量化计算函数。4.2.7.2任务状态任务状态空间应包含等待分配、等待执行、正在执行、中断挂起、任务结束等五个关键状态。一个任务的状态由当前场景事件及其前序状态共同决定。第p个任务的状态序列可表示为式(1)：式中：t——当前时刻。第p个任务在第i个离散时间点的状态可表示为式(2)：stask,p,i,i∈0,t] 那么，结合式(1)、(2)，一个任务的状态转移函数可表示为式(3)：式中：Ω——当前场景事件描述向量。4.2.7.3资源状态资源状态空间应包含待机、空闲、部分占用、满载、过载、宕机、维修等七个关键状态。一个资源的状态由当前场景事件、资源正在并行执行的任务列表及其前序状态共同决定。第q个资源的状态序列可表示为式(4)：sresource,q={sresource,q,0,sresource,q,1,sresource,q,2,…,sresource,q,式中：t——当前时刻。第q个任务在第j个离散时间点的状态可表示为式(5)：sresource,q,j,j∈0,t 那么，结合式(4)、(5)，一个资源的状态转移函数可表示为式(6)：式中：7Ω——场景事件描述向量；Qrun——正在执行的任务列表；Qwait——等待执行的任务列表。4.2.7.4资源动作资源主要作为任务执行载体存在，因此其动作空间应包含启动、暂停、更新执行任务列表、更新等待任务列表、更换操作工具、更换操作参数等六个关键状态。一个资源的动作主要由场景事件及自身状态决定，因此第q个资源在t时刻的动作响应函数可表示为式(7)：式中：Ω——当前场景事件描述向量；Qrun——资源正在执行的任务列表；Qwait——资源等待执行的任务列表。4.2.7.5任务奖励函数：任务奖励函数是将任务作为决策主体时，任务执行过程中因效率提升、执行成本低廉、提前完工的存储成本低廉、无滞后完工等正向反馈的综合奖励值，应根据调度目标制定。4.2.7.6资源奖励函数：资源奖励函数是将资源作为决策主体时，资源运行过程中因负载均衡、执行效率提升、能耗降低等正向反馈的综合奖励值，应根据调度目标制定。注：函数不局限于连续函数或离散函数，不局限于线性函数或非线性函数，也不局限于凸函数和凹函数。4.2.8评估函数评估函数从所建数学模型经人工构建或自动转换生成，是量化评价调度方案的综合计算单元，应包含以下步骤：a)调度变量解码；b)约束冲突检查；c)调度目标计算。其中调度目标的计算包含但不限于调度批次中依据任务状态空间和状态转移函数的任务状态序列推导，依据资源状态空间和状态转移函数的资源状态序列推导，依据资源动作空间和动作响应函数的资源动作序列推导，依据任务奖励函数的单个任务奖励值、单个订单奖励值、调度批次奖励值的计算和资源奖励值的计算，最终将上述计算量按照调度目标函数计算得到目标取值，作为调度方案的量化评估结果。4.2.9模型保存模型保存是将所建调度模型和评估函数保存到调度模型库的步骤。调度模型库是不同场景下离散制造生产调度数学模型的集合，也是调度层准确执行的前提。为方便查找相同或相似离散制造生产调度场景对应的数学模型，调度模型库按类保存相应模型，分类机制应包含但不局限于以下内容：a)按模型类型分类；b)按生产调度场景类型分类；c)按调度变量规模分类；GB/TXXXXX—XXXX8d)按调度变量类型分类；e)按调度目标数量分类；f)按调度目标类型分类；g)按调度约束数量分类；h)按调度约束类型分类。4.3调度层技术要求4.3.1调度功能调度层的调度功能应围绕静态调度和动态调度，包含但不局限于以下模块：a)调度方案生成模块：针对每一个调度批次，给出最优或较优的可行调度方案；b)调度方案评估模块：调用调度模型库模型和评估函数对调度算法所生成的调度方案进行评估；c)生产过程监控模块：下发调度方案，并针对相关生产过程，进行调度批次、订单、任务状态和关联资源状态监控；d)调度算法管理模块：存储并管理静态调度算法和动态调度算法，形成静态调度算法库和动态调度算法库；e)调度历史管理模块：存储并管理历史调度批次、订单、任务及调度方案。其中，静态调度主要对提前预知且批量到达的任务提前生成调度方案，而动态调度作为静态调度的补充，一方面应对提前未知的随机或临时到达任务依据资源运行场景在线生成调度方案；另一方面，应在静态调度方案不能按预期执行时，调整静态调度方案，生成新的任务调度方案。静态调度和动态调度应具备互补执行的功能。4.3.2调度流程4.3.2.1静态调度流程步骤静态调度流程是针对以周期出现的调度批次一次性生成调度方案并统一下发执行的过程。静态调度流程应包含但不限于以下步骤：a)静态调度需求接收是静态调度流程的起始步骤，用于周期性地接收用户提交的调度需求作为一个调度批次。b)模型选择步骤支持用户依据静态调度需求中调度变量、调度约束和调度目标选择模型类型。模型类型确定后模型构建方法包含以下两种：.手动构建数学模型和评估函数并导入调度模型库；.从调度模型库中选择现有调度模型和评估函数。c)模型构建完毕后由调度方案评估模块调用。d)模型配置步骤针对当前所接收的静态调度批次，应包含但不限于以下内容：.调度变量配置；.调度约束配置；.调度目标配置；.调度模型配置；.评估函数配置。e)数据导入步骤主要通过生产过程监控模块导入静态调度批次的相关订单数据、产品数据、工艺数据、资源数据和用户数据等。f)算法选择步骤支持用户通过调度算法管理模块选取静态调度算法库中的算法，静态调度算法类型包含但不限于：GB/TXXXXX—XXXX9.全局搜索算法；.局部搜索算法；.确定性求解算法；.非确定性求解算法。g)算法配置步骤基于所选算法，对算法的启动参数和算法结构进行设定，并将算法导入调度方案生成模块。h)静态调度方案生成步骤通过调度方案生成模块调用配置好的静态调度算法生成调度方案。i)方案评估步骤通过调度方案评估模块调用配置好的评估函数计算所生成的静态调度方案的目标值。j)方案可行性判定步骤通过调度方案评估模块调用配置好的评估函数计算所生成静态调度方案的可行性，检查是否存在约束冲突。若调度方案不存在约束冲突，则跳转至方案满足需求判定步骤；否则，将跳转至静态调度方案生成步骤。k)方案满足要求判定步骤判定所生成的可行方案是否充分满足用户要求，若满足，则跳转至方案下发步骤，否则，将跳转至静态调度方案生成步骤。l)方案下发步骤将依据选定的静态调度方案，将调度批次所包含的每个任务下发到对应的制造资源按序执行。4.3.2.2动态调度流程动态调度流程是针对生产过程中非周期随机到达的任务或因不可预测事件导致不能按预期执行的任务生成调度方案并实时下发执行的过程。动态调度流程应包含但不限于以下步骤：a)动态调度需求检测是动态调度流程的起始步骤，也是区分静态调度和动态调度的核心步骤，又分为事件检测、任务状态检测、资源状态检测三个部分，见图3。图3动态调度需求检测1)其中事件检测应包含但不限于以下事件：.随机任务到达；GB/TXXXXX—XXXX.制造资源故障；.生产过程错误；.任务临时中止。2)当事件发生时，任务状态检测旨在发现待调整和动态调度的任务，应包含但不限于以下类型任务：.新增待调度任务；.等待超期任务；.执行超期任务；.低可靠执行任务；.约束冲突任务；.目标超限任务。3)任务状态检测完毕后，资源状态检测用于确保任务关联的哪些调度变量需确定取值或修改取值。资源状态检测应包含但不限于以下内容：.资源负载队列；.资源可用时间；.物料可用状态；.资源停开机状态；.资源位置。b)模型更新步骤主要依据动态调度需求检测结果生成调度变量，更新调度约束和调度目标，并且依据当前资源状态和任务状态更新其对应的数学模型和调度方案评估函数。由于动态调度的时效性要求，模型更新步骤为自更新，即实现模型自动选择和模型自动配置功能。c)数据导入步骤主要通过生产过程监控模块导入动态调度任务的相关订单数据、产品数据、工艺数据、资源数据和用户数据等。d)算法更新步骤主要依据动态调度模型从动态调度算法库中自动选取和配置算法，动态调度算法类型包含但不限于：.启发式搜索算法；.规则搜索算法；.基于学习的算法。e)动态调度方案生成步骤通过调度方案生成模块调用配置好的动态调度算法生成调度方案。f)方案评估步骤通过调度方案评估模块调用配置好的评估函数计算所生成动态调度方案的目标值。g)方案可行性判定步骤通过调度方案评估模块调用配置好的评估函数计算所生成动态调度方案的可行性，检查是否存在约束冲突。若调度方案不存在约束冲突，则跳转至方案满足需求判定步骤；否则，将跳转至动态方案生成步骤。h)步骤判定所生成的可行方案是否充分满足用户要求，若满足，则跳转至方案下发步骤，否则，将跳转至动态调度方案生成步骤。i)方案下发步骤将依据选定的动态调度方案，将调度批次所包含的每个任务下发到对应的制造资源按序执行。4.4数据层技术要求4.4.1目的数据层应实现但不局限于以下目的：GB/TXXXXX—XXXXa)当前调度批次和历史调度批次中各个调度订单的数据存储、增删改查和数据管理；b)当前调度批次和历史调度批次所涉及的产品数据存储、增删改查和数据管理；c)当前调度批次和历史调度批次所涉及的工艺数据存储、增删改查和数据管理；d)调度层所覆盖的制造资源数据存储、增删改查和数据管理；e)当前调度批次和历史调度批次所涉及的用户数据存储、增删改查和数据管理。4.4.2订单数据订单数据应包含但不限于以下内容：a)所属调度批次；b)对应调度方案；c)关联制造资源编号；d)对应产品编号；e)对应用户名称；f)订单交付时间；g)订单交付成本；h)订单交付质量；i)订单执行状态；j)订单包含任务编号。4.4.3产品数据产品数据应包含但不限于以下内容：a)覆盖调度批次；b)对应订单编号；c)产品物料表；d)产品包含的工艺数据编号；e)产品产量。4.4.4工艺数据工艺数据应包含但不限于以下内容：a)覆盖调度批次；b)对应订单编号；c)对应任务编号；d)关联制造资源编号；e)工艺包含工序操作；f)预计加工时间。4.4.5资源数据资源数据应包含但不限于以下内容：a)资源工作状态；b)资源历史执行任务及时间；c)资源当前执行任务编号；d)资源待执行任务队列；e)资源适用的工艺编号；f)资源可用时间；g)资源可用物料。4.4.6人员数据人员数据应包含但不限于以下内容：a)人员工作状态；b)人员负责的订单编号；c)人员负责的任务编号；d)人员负责的资源编号。4.4.7用户数据用户数据应包含但不限于以下内容：a)用户对应调度批次；b)用户对应调度订单；c)用户对应产品编号；d)用户对应的模型选择与配置偏好；e)用户对应的算法选择与配置偏好。4.5应用层技术要求4.5.1目的应用层应包含但不局限于以下功能：a)生产计划分解；b)调度需求解析；c)调度中心部署；d)调度方案部署；e)调度性能分析。4.5.2生产计划分解生产计划是指离散制造生产过程所涉及的主生产计划按生产现场制造资源能力进行细化和分解，应包含但不限于以下内容：a)将离散制造主生产计划向下分解为多个长周期计划；b)将长周期计划向下分解为多个中周期计划；c)将中周期计划向下分解为多个短周期计划；d)将短周期计划分解为物料需求计划、能力需求计划、车间任务计划等，并以车间任务计划为主线，明确任务的物料需求和能力需求。