陳鴻海, 趙 韓

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

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實(shí)時(shí)工況驅(qū)動的柔性作業(yè)車間動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)研究

陳鴻海, 趙 韓

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

為了解決生產(chǎn)計(jì)劃與控制的復(fù)雜多變性問題,文章設(shè)計(jì)了一種柔性作業(yè)車間動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先分析了相關(guān)動態(tài)調(diào)度理論與方法,提出了基于實(shí)時(shí)工況驅(qū)動的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思路,建立了系統(tǒng)的整體概念模型,討論了該系統(tǒng)的基本特點(diǎn);然后進(jìn)行系統(tǒng)建模,確定該系統(tǒng)的主要功能模塊及其相互關(guān)系;最后通過設(shè)計(jì)的原型系統(tǒng)部分界面來闡述系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)度實(shí)現(xiàn)過程。

實(shí)時(shí)工況驅(qū)動;柔性作業(yè)車間動態(tài)調(diào)度;系統(tǒng)建模;功能模塊;系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

0 引 言

當(dāng)前,制造業(yè)已進(jìn)入到以智能制造為代表的工業(yè)4.0時(shí)代,用戶對產(chǎn)品的要求呈現(xiàn)出個(gè)性化趨勢,由此對生產(chǎn)要求也越來越高,生產(chǎn)系統(tǒng)要求能夠適應(yīng)柔性化生產(chǎn)。因而柔性作業(yè)車間調(diào)度問題已成為生產(chǎn)系統(tǒng)計(jì)劃與控制的關(guān)鍵問題之一。隨著現(xiàn)代制造物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用,車間實(shí)時(shí)工況信息的采集成為可能,這將進(jìn)一步促進(jìn)車間動態(tài)調(diào)度理論在企業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用。

目前,調(diào)度模型的構(gòu)建和求解、擾動分析、重調(diào)度評價(jià)、重調(diào)度驅(qū)動策略等均成為柔性作業(yè)車間動態(tài)調(diào)度問題研究的重點(diǎn)[1]。調(diào)度模型的構(gòu)建和求解方面，文獻(xiàn)[2]基于組合規(guī)則對Job Shop車間多目標(biāo)柔性調(diào)度方法進(jìn)行了研究；擾動分析方面,在實(shí)時(shí)工況生產(chǎn)加工過程中,不確定環(huán)境下擾動因素主要包括內(nèi)在成因、外在成因、環(huán)境成因、設(shè)備成因以及人員成因等[3-4]；重調(diào)度驅(qū)動方面,文獻(xiàn)[5-6]對不確定條件下的重調(diào)度方法進(jìn)行了研究,對相關(guān)重調(diào)度必要性評價(jià)機(jī)制、何時(shí)觸發(fā)重調(diào)度等問題做了詳細(xì)闡述;文獻(xiàn)[7]以滾動時(shí)域優(yōu)化為基礎(chǔ),提出了改進(jìn)事件和周期混合驅(qū)動策略;文獻(xiàn)[8]提出了工序前移的重調(diào)度策略、排序不限的重調(diào)度策略、排序不變的重調(diào)度策略,比較了3種重調(diào)度策略的優(yōu)劣;文獻(xiàn)[9]在實(shí)時(shí)工況研究的基礎(chǔ)上,提出了車間事件擾動的重調(diào)度策略。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上,以企業(yè)柔性作業(yè)車間為研究對象,提出了實(shí)時(shí)工況驅(qū)動的柔性作業(yè)車間動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)(dynamic scheduling system of flexible job shop driven by real-time condition，RC-DSSFJS)的基本思路,建立了所要開發(fā)RC-DSSFJS的整體概念模型;并分析了該RC-DSSFJS的基本特點(diǎn)，闡述了RC-DSSFJS的主要功能模塊，介紹了RC-DSSFJS的實(shí)現(xiàn)過程,展示了RC-DSSFJS系統(tǒng)原型的部分界面。

1 系統(tǒng)概述

RC-DSSFJS以車間制造執(zhí)行層的生產(chǎn)控制-制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system,MES)和制造物聯(lián)技術(shù)為基礎(chǔ),在制造物聯(lián)網(wǎng)采集車間工況信息的基礎(chǔ)上,通過MES對實(shí)時(shí)工況信息進(jìn)行分析和處理,并將分析結(jié)果傳遞給車間動態(tài)調(diào)度系統(tǒng);動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)MES的分析結(jié)果,依據(jù)重調(diào)度驅(qū)動機(jī)制,判斷重調(diào)度的必要性,并結(jié)合現(xiàn)有資源工況,計(jì)算優(yōu)化調(diào)度方案,從而指導(dǎo)車間調(diào)度作業(yè)。

2 系統(tǒng)概念模型

RC-DSSFJS的整體概念模型如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體概念模型

RC-DSSFJS基于客戶端/服務(wù)器(client/server,C/S)分布式網(wǎng)絡(luò)模式,整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)架中包括數(shù)據(jù)存儲層、信息采集層、數(shù)據(jù)處理層及業(yè)務(wù)邏輯層。

數(shù)據(jù)存儲層主要是通過分布式數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)的，包括RC-DSSFJS的基本建模數(shù)據(jù)(如產(chǎn)品、工藝、設(shè)備、人員等基本建模數(shù)據(jù))、動態(tài)調(diào)度數(shù)據(jù)(如調(diào)度參數(shù)、調(diào)度方案等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù))以及實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)(如設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、人員工作狀態(tài)等)。數(shù)據(jù)采集層主要通過加工設(shè)備上的各類傳感器、RFID、條碼設(shè)備等,采集生產(chǎn)現(xiàn)場產(chǎn)品信息、過程進(jìn)度以及設(shè)備狀態(tài)燈信息,并將這些信息發(fā)送給數(shù)據(jù)處理層。數(shù)據(jù)處理層為車間制造執(zhí)行系統(tǒng),該系統(tǒng)一方面負(fù)責(zé)生產(chǎn)作業(yè)的下發(fā)，另一方面通過處理來自車間現(xiàn)場的實(shí)時(shí)工況信息,確定調(diào)度方案的執(zhí)行情況以及生產(chǎn)的各類指標(biāo),包括產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)工時(shí)等,并將這些信息傳遞給動態(tài)調(diào)度的業(yè)務(wù)邏輯層。業(yè)務(wù)邏輯層(即動態(tài)調(diào)度系統(tǒng))通過數(shù)據(jù)處理層提供的實(shí)時(shí)工況信息,計(jì)算調(diào)度方案的變動率,確定是否觸發(fā)新一輪的調(diào)度。一旦新一輪調(diào)度被觸發(fā),系統(tǒng)根據(jù)完工時(shí)間、成本和質(zhì)量3個(gè)指標(biāo),計(jì)算新的調(diào)度方案,并將調(diào)度方案下發(fā)到制造執(zhí)行系統(tǒng),形成新一輪作業(yè)排程,從而實(shí)現(xiàn)車間作業(yè)實(shí)時(shí)、動態(tài)優(yōu)化,確保生產(chǎn)計(jì)劃的有效執(zhí)行。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

(1) 可視化。主要采用面向?qū)ο蟮某橄笏枷?將系統(tǒng)中的生產(chǎn)設(shè)備、作業(yè)人員等資源抽象為可視化圖元。抽象的可視化圖元具有屬性設(shè)置功能,如可以設(shè)置設(shè)備在不同狀態(tài)時(shí)顯示顏色、設(shè)備加工任務(wù)的執(zhí)行情況、不同調(diào)度方案的顏色區(qū)分等。在實(shí)現(xiàn)可視化調(diào)度管理駕駛艙構(gòu)建的基礎(chǔ)上,通過底層所采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動可視化調(diào)度系統(tǒng)的運(yùn)行,為管理人員提供一個(gè)方便、快捷的調(diào)度界面。

(2) 集成化和實(shí)時(shí)化。系統(tǒng)以生產(chǎn)過程鏈為主線,通過作業(yè)現(xiàn)場的信息采集和網(wǎng)絡(luò)傳輸,將生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)工況與動態(tài)調(diào)度機(jī)制有機(jī)地關(guān)聯(lián)起來,從而實(shí)現(xiàn)當(dāng)生產(chǎn)實(shí)際偏離生產(chǎn)計(jì)劃時(shí),及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)調(diào)度,從而實(shí)現(xiàn)車間現(xiàn)場的實(shí)時(shí)工況和生產(chǎn)過程的優(yōu)化調(diào)度與管理的集成。

(3) 網(wǎng)絡(luò)化。RC-DSSFJS采用典型的C/S架構(gòu)模式,以結(jié)構(gòu)化查詢語言(structured query language,SQL)數(shù)據(jù)庫平臺作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的存取倉儲,該模式可以保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和共享,最終為RC-DSSFJS的實(shí)現(xiàn)提供一個(gè)局域抗擾動的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和實(shí)時(shí)、安全、可靠的數(shù)據(jù)平臺。

4 系統(tǒng)建模

隨著市場競爭的加劇,越來越多的企業(yè)通過采用先進(jìn)的柔性生產(chǎn)設(shè)備來提高企業(yè)的核心競爭力,然而企業(yè)在采用先進(jìn)設(shè)備的同時(shí)也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性,給生產(chǎn)系統(tǒng)的管理增加了難度。因此,為了構(gòu)建更好的原型系統(tǒng),首選需要對原型系統(tǒng)進(jìn)行建模,確定所構(gòu)建系統(tǒng)的詳細(xì)功能模塊劃分及內(nèi)部交互關(guān)系,使原型系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)以及相互的聯(lián)系變得簡單、清晰。因此,本文主要從系統(tǒng)的功能模型和數(shù)據(jù)模型2個(gè)角度出發(fā)對原型系統(tǒng)進(jìn)行分析和建模。

4.1 系統(tǒng)功能模型

功能模型是在對系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)需求分析的基礎(chǔ)上構(gòu)建的,是開發(fā)整個(gè)原型系統(tǒng)的基礎(chǔ),功能模型主要運(yùn)行相應(yīng)的建模方法將用戶的詳細(xì)需求轉(zhuǎn)換為技術(shù)開發(fā)內(nèi)容,為后續(xù)技術(shù)人員開發(fā)原型系統(tǒng)提供必要的條件。

功能模型以操作人員和系統(tǒng)功能模塊為構(gòu)建對象,完成2個(gè)因素之間的交互分析和表達(dá)。針對該功能的建模語言比較多,其中統(tǒng)一建模語言(united modeling language,UML)是應(yīng)用最為成熟和廣泛的一門語言,基于UML構(gòu)建的原型系統(tǒng)功能模型如圖2所示,主要包括系統(tǒng)管理模塊、作業(yè)調(diào)度模塊、機(jī)床管理模塊、工藝配置模塊、設(shè)備監(jiān)控模塊以及人員管理模塊6大功能模塊。其中作業(yè)調(diào)度為系統(tǒng)的主要功能模塊,它包括調(diào)度參數(shù)設(shè)置、調(diào)度優(yōu)化方案選擇、調(diào)度驅(qū)動機(jī)制以及調(diào)度方案下發(fā)等子功能模塊。

圖2 系統(tǒng)功能模型

4.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型

數(shù)據(jù)是管理生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。隨著企業(yè)引進(jìn)越來越多的先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備等,系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)交互越來越復(fù)雜,系統(tǒng)運(yùn)行所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也越來越龐大。因此,為了構(gòu)建運(yùn)行更加流暢的原型系統(tǒng),在構(gòu)建系統(tǒng)功能模型的基礎(chǔ)上,構(gòu)建運(yùn)行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型成為重要的環(huán)節(jié)。

本文基于UML構(gòu)建了原型系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型,如圖3所示,其中給出了數(shù)據(jù)模型中主要關(guān)系表及表中的主外鍵關(guān)系。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型

5 系統(tǒng)原型的開發(fā)與應(yīng)用

實(shí)時(shí)工況驅(qū)動的柔性作業(yè)車間動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)原型包括1個(gè)主模塊(作業(yè)調(diào)度模塊)和5個(gè)輔助模塊(設(shè)備監(jiān)控、工藝配置、機(jī)床管理、人員管理以及系統(tǒng)管理)。其中主模塊主要負(fù)責(zé)作業(yè)動態(tài)調(diào)度的相關(guān)參數(shù)設(shè)置和優(yōu)化計(jì)算等,包括調(diào)度參數(shù)設(shè)置、調(diào)度優(yōu)化方案選擇、調(diào)度驅(qū)動機(jī)制以及調(diào)度方案下發(fā)等子功能模塊。下面介紹該系統(tǒng)的功能和應(yīng)用。

調(diào)度問題是將任務(wù)按照特定要求在特定的制造資源(設(shè)備、人員等)上進(jìn)行優(yōu)化分配,實(shí)現(xiàn)部分指標(biāo)的最優(yōu)化。因此,設(shè)備管理是調(diào)度系統(tǒng)的基礎(chǔ)之一，包括設(shè)備類型管理、設(shè)備屬性管理以及設(shè)備文檔管理等具體功能,可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的全生命周期管理。設(shè)備管理的部分界面如圖4所示。

圖4 設(shè)備管理界面

工藝配置模塊的具體界面如圖5所示。該界面包括產(chǎn)品制造的工藝流程、工序內(nèi)容以及為各個(gè)工序配置相應(yīng)的機(jī)器設(shè)備和人員,并設(shè)置各個(gè)設(shè)備完成相應(yīng)工序的時(shí)間、成本和質(zhì)量參數(shù),為調(diào)度提供基礎(chǔ)信息。

圖5 工藝路線-工序配置

在實(shí)際的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境中,柔性作業(yè)車間的生產(chǎn)工況處于動態(tài)變化狀態(tài),會產(chǎn)生很多不確定的擾動因素。這不僅使得生產(chǎn)系統(tǒng)不能正常運(yùn)行,而且影響了原有調(diào)度方案的執(zhí)行,因此,需要通過特定的解決方案來實(shí)現(xiàn)擾動因素驅(qū)動下的實(shí)時(shí)動態(tài)調(diào)度,得出最優(yōu)的調(diào)度方案。為了更好地確定重調(diào)度時(shí)間,系統(tǒng)對生產(chǎn)過程的設(shè)備以及加工過程進(jìn)行監(jiān)控,如圖6所示,并計(jì)算原調(diào)度方案的生產(chǎn)變動率。當(dāng)變動率超過預(yù)先設(shè)定的閾值,系統(tǒng)將會觸發(fā)作業(yè)調(diào)度模塊,使其根據(jù)當(dāng)前工況,進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化計(jì)算,形成新的調(diào)度方案。

重調(diào)度數(shù)據(jù)開發(fā)的作業(yè)調(diào)度界面如圖7所示。生產(chǎn)進(jìn)行過程中,當(dāng)作業(yè)調(diào)度模塊接收到生產(chǎn)過程監(jiān)控模塊發(fā)送來的重調(diào)度請求后,系統(tǒng)將根據(jù)當(dāng)前工況優(yōu)化計(jì)算,形成適合當(dāng)前工況的新調(diào)度方案。一旦新的調(diào)度方案被確定,系統(tǒng)將把新的調(diào)度方案下發(fā)到車間,指導(dǎo)車間的作業(yè)生產(chǎn)。

圖6 設(shè)備監(jiān)控界面

圖7 作業(yè)調(diào)度界面

此外,為了保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行,系統(tǒng)還提供了系統(tǒng)管理的功能模塊,主要涉及系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)庫優(yōu)化、數(shù)據(jù)備份和還原、用戶角色和權(quán)限管理等功能模塊。

6 結(jié) 論

本文概述了實(shí)時(shí)工況驅(qū)動的柔性作業(yè)車間動態(tài)調(diào)度的相關(guān)理論與方法,提出了系統(tǒng)概念模型,描述了系統(tǒng)特點(diǎn);從原型系統(tǒng)的功能特性分析、各功能模塊之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、原型系統(tǒng)的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)3個(gè)方面出發(fā),依次構(gòu)建了系統(tǒng)的功能模型和數(shù)據(jù)模型,使信息系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)以及相互的關(guān)聯(lián)簡單、清晰;設(shè)計(jì)和開發(fā)了實(shí)時(shí)工況驅(qū)動的柔性作業(yè)車間動態(tài)調(diào)度的軟件系統(tǒng),該系統(tǒng)具有可視化、集成化、實(shí)時(shí)化以及網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn);通過系統(tǒng)的應(yīng)用,尤其是1個(gè)主模塊(作業(yè)調(diào)度模塊)和5個(gè)輔助模塊(設(shè)備監(jiān)控、工藝設(shè)置、機(jī)床管理、人員管理以及系統(tǒng)管理)的功能發(fā)揮,對生產(chǎn)過程的設(shè)備以及加工過程進(jìn)行監(jiān)控,根據(jù)信息處理驅(qū)動重調(diào)度機(jī)制,進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化,形成新的調(diào)度方案,從而進(jìn)行作業(yè)調(diào)度。

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(責(zé)任編輯 胡亞敏)

R&D on dynamic scheduling system of flexible job shop driven by real-time condition

CHEN Honghai, ZHAO Han

(School of Machinery and Automobile Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China)

In order to solve the complex and varied issues of production plan and control， a dynamic scheduling system of flexible job shop was designed. Firstly, the related dynamic scheduling theory and methods were analyzed， and the basic idea of system design based on real-time condition was proposed. The overall concept model of the system was established， and the basic features of the system were analyzed. Then the system model was established， and the main function modules of the system and their mutual relations were determined. Finally, the dynamic scheduling implementation process of the system was described through part of the system interface.

real-time condition driven; flexible job shop dynamic scheduling; system modeling; function module; system implementation

2015-11-29；

2015-12-28

國家“十二五”科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAF12B03)

陳鴻海(1962-),男,安徽明光人,合肥工業(yè)大學(xué)博士生; 趙 韓(1957-),男,安徽宿州人,博士,合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.11.001

TH186

A

1003-5060(2016)11-1441-06