CN104484733A - 一种生产车间作业自适应调度方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种生产车间作业自适应调度方法及装置，所述方法根据多层树形结构中各节点的调度计划参数和执行状态参数通过偏离度度量算法计算各节点的执行偏离度，然后将各节点的执行偏离度与各节点的最大允许偏离度阈值进行比较，做出继续执行当前调度计划、在该节点的范围内调整调度计划或者反馈到上级节点的自适应调度决策；本发明通过进行多层级的分析做出自适应调度决策，克服生产执行过程中存在的滞后、不一致、不协调的问题，实现了根据生产过程调度计划参数和实时执行状态参数对车间作业进行自适应调度调整，提高了生产效率。

Description

一种生产车间作业自适应调度方法及装置

技术领域

本发明涉及制造业企业车间生产调度领域，更具体地，涉及一种生产车间作业自适应调度方法及装置。

背景技术

目前制造业面临升级转型的迫切需求，而信息技术是企业实现升级转型的重要手段。在企业制造车间采用信息技术实施管理系统，如企业资源计划ERP(Enterprise Resource Plan)、制造执行系统MES(Manufacturing Execution System)等系统，以提高生产效率，也已经在很多企业得到实施。这些系统多含有计划和调度模块APS(Advanced Planning and Scheduling)对生产过程进行排产和优化，然后下达到车间执行。

但是，在实际生产中，APS按照一定规则或智能算法制定的生产计划，属于传统离线调度计划，存在以下挑战：制造系统的调度优化机制是采用离线、非自适应方式，无法适应车间瞬息万变的意外事件的发生。因此，在调度计划下达到车间后，往往无法匹配订单变化和人员、设备、物料等各种资源的实时状态，因此执行过程中存在滞后、不一致、不协调的问题。在企业生产规模急剧扩大进入大批量生产模式的情况下，问题更加突出，这对制造业生产过程的管理是一个共性难题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。

本发明的首要目的克服生产执行过程中存在的滞后、不一致、不协调的问题，提供一种生产车间作业自适应调度方法。

本发明的进一步目的是克服生产执行过程中存在的滞后、不一致、不协调的问题，提供一种生产车间作业自适应调度装置。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种生产车间作业自适应调度方法，所述方法包括以下步骤：

S1：将生产车间划分为多层的树形结构，将调度计划参数和最大允许偏离度阈值从上到下层层分解下达到各节点；

S2：获取各叶子节点的调度计划参数和执行状态参数，根据各叶子节点的调度计划参数和执行状态参数通过偏离度度量算法计算各叶子节点的执行偏离度；

S3：将各叶子节点的执行偏离度与各叶子节点的最大允许偏离度阈值进行比较，如果执行偏离度未超过最大允许偏离度阈值则继续执行当前调度计划，如果执行偏离度超过最大允许偏离度阈值则计算该叶子节点的上级节点的执行偏离度；

S4：将该上级节点的执行偏离度的该上级节点的最大允许偏离度阈值进行比较，如果执行偏离度未超过最大允许偏离度阈值则在本上级节点的范围内调整调度计划，如果执行偏离度超过最大允许偏离度阈值则继续计算更上级节点的执行偏离度；

S5：则重复步骤S4直到更上级节点的执行偏离度未超过该更上级节点的最大允许偏离度阈值，在该更上级节点的范围内调整调度计划。

在一种优选的方案中，所述树形结构除根节点外，其余节点有且只有一个父节点。

在一种优选的方案中，所述调度计划参数的向量表示为<JID,EID,a1,a2,…,a1n>,执行状态参数的向量表示为<JID,EID,a1',a2',…,a1n'>,其中JID,EID分别表示生产作业编号、生产设备，<a1,a2,…,a1n>调度计划下达的计划参数，<a1',a2',…,a1n'>表示执行完成后采集的执行参数。

在一种优选的方案中，所述的偏离度度量算法采用点集之间距离的函数映射表示，方法为：

将调度计划参数和执行状态参数的除JID、EID以外的参数分别映射到n维空间的一个点，调度计划状态点集表示为A{<a1,a2,…,an>|<JID,EID,a1,a2,…,an>}，执行状态点集表示为B{<a1',a2',…,an'>|<JID,EID,a1',a2',…,an'>}，在这个n维空间计算调度状态映射点集和执行状态映射点集之间距离的函数映射来表示执行偏离度。

在一种优选的方案中，所述偏离度度量算法采用Hausdorff距离H(A,B)来表示执行偏离度，执行偏离度通过以下公式计算：

H(A，B)＝g(x)h(A，B)

$h(A,B)=\underset{a\&Element;A}{\max }\underset{b\&Element;B}{\min }\left|\right|a-b\left|\right|$

$\left|\right|a-b\left|\right|=\sqrt[2]{{(a1-{a1}^{\&prime;})}^2+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+{(\mathrm{an}-{\mathrm{an}}^{\&prime;})}^2}$

$g\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{if}(\mathrm{aj}-{\mathrm{aj}}^{\&prime;})>0\\ -1& \mathrm{if}(\mathrm{aj}-{\mathrm{aj}}^{\&prime;})<0\end{array}\right.\mathrm{aj}\&Element;(a1...\mathrm{an})$

其中，H(A,B)表示执行偏离度，h(A,B)表示单向Hausdorff距离，||a-b||表示A、B之间的范数，aj为从<a1,a2,…,an>中选定的一个参数，作为正负度量标准。

在一种优选的方案中，所述方法根据偏离度函数积累算法计算非叶子节点的执行偏离度，非叶子节点表示位于叶子节点上层的节点，具体方法为：

该节点获取子节点的执行状态参数和执行偏离度后，将根据规则计算该节点的执行偏离度，所述规则为以下3种规则中的任一种：

(1)根据该节点所属所有子节点的调度计划参数映射点集和执行状态参数映射点集，采用点集之间距离的函数映射算法重新计算该节点的执行偏离度。

(2)根据重要性对该节点的子节点设置权重，根据权重对所有子节点的执行偏离度线性求和作为该节点的执行偏离度。

(3)直接将该节点的子节点的执行偏离度的最大值作为该节点的执行偏离度。

一种生产车间作业自适应调度装置，所述装置包括：

数据采集单元：用于采集执行状态参数，然后通过网络发送到层级决策机构；

层级决策机构：部署在企业服务器，用于从下到上逐层计算各节点的执行偏离度，并对各节点的执行偏离度与该节点的最大允许偏离度阈值比较，做出继续执行当前调度计划、在该节点的范围内调整调度计划或者反馈到上级节点的自适应调度决策；

决策输出单元：用于将层级决策机构做出的自适应调度决策输出到相应控制装置。

在一种优选的方案中，所述层级决策机构为层级树状结构，除根节点，每个节点有且只有唯一父节点，每个节点为一个决策单元，每个决策单元均设置有决策模块和执行模块。

在一种优选的方案中，所述数据采集单元为设置有数据采集装置的手持终端、手机、平板电脑、笔记本电脑、台式机电脑或一体机电脑，数据采集单元中安装数据采集软件，可以输入或采集执行状态参数，然后通过网络发送到层级决策机构。

在一种优选的方案中，所述决策输出单元为显示屏、自动数控设备或者数据接口，用来显示自适应调度后的作业列表、将自适应调度结果输出到数控设备或传输到ERP及MES系统。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明生产车间作业自适应调度方法，根据多层树形节点中各节点的调度计划参数和执行状态参数通过偏离度度量算法计算各节点的执行偏离度，然后将各节点的执行偏离度与各节点的最大允许偏离度阈值进行比较，做出继续执行当前调度计划、在该节点的范围内调整调度计划或者反馈到上级节点的自适应调度决策；本发明通过进行多层级的分析做出自适应调度决策，克服生产执行过程中存在的滞后、不一致、不协调的问题，实现了根据生产过程调度计划参数和实时执行状态参数对车间作业进行自适应调度调整，提高了生产效率。

本发明生产车间作业自适应调度装置包括数据采集单元、层级决策机构、决策输出单元，数据采集单元采集执行状态参数，层级决策机构根据执行状态参数和调度计划参数做出自适应调度决策然后通过决策输出单元输出，该装置与上述方法配合完成生产车间作业自适应调度，提高了生产效率。

附图说明

图1为实施例1生产车间作业自适应调度方法的流程图。

图2为实施例2的三层树状的层级决策机构示意图。

图3为实施例2决策单元中执行模块和决策模块的运行机制示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，一种生产车间作业自适应调度方法，所述方法包括以下步骤：

S1：将生产车间划分为多层的树形结构，将调度计划参数和最大允许偏离度阈值从上到下层层分解下达到各节点；

S2：获取各叶子节点的调度计划参数和执行状态参数，根据各叶子节点的调度计划参数和执行状态参数通过偏离度度量算法计算各叶子节点的执行偏离度；

S3：将各叶子节点的执行偏离度与各叶子节点的最大允许偏离度阈值进行比较，如果执行偏离度未超过最大允许偏离度阈值则继续执行当前调度计划，如果执行偏离度超过最大允许偏离度阈值则计算该叶子节点的上级节点的执行偏离度；

S4：将该上级节点的执行偏离度与该上级节点的最大允许偏离度阈值进行比较，如果执行偏离度未超过最大允许偏离度阈值则在本上级节点的范围内调整调度计划，如果执行偏离度超过最大允许偏离度阈值则继续计算更上级节点的执行偏离度；

S5：则重复步骤S4直到更上级节点的执行偏离度未超过该更上级节点的最大允许偏离度阈值，在该更上级节点的范围内调整调度计划。

在具体实施过程中，所述树形结构共分为三层，从上到下依次包括车间节点即根节点、工序节点和工作中心节点即叶子节点，所述树形结构除根节点外，其余节点有且只有一个父节点。。

在具体实施过程中，所述调度计划参数的向量表示为<JID,EID,a1,a2,…,a12>,执行状态参数的向量表示为<JID,EID,a1',a2',…,a12'>,其中JID,EID分别表示生产作业编号、生产设备，<a1,a2,…,a12>和<a1',a2',…,a12'>分别表示调度计划下达和执行完成后采集的工件等待时间、工件准备时间、机器准备时间、加工开始时间、加工完工时间、工件释放时间、转运时间、工件计划数、工件完工数、工废数、料废数和返工数参数。

在具体实施过程中，所述的偏离度度量算法具体为：将调度计划参数和执行状态参数的除JID、EID以外的参数分别映射到12维空间的一个点，调度计划状态点集表示为A{<a1,a2,…,a12>|<JID,EID,a1,a2,…,a12>}，执行状态点集表示为B{<a1',a2',…,a12'>|<JID,EID,a1',a2',…,a12'>}，在这个n维空间计算调度状态映射点集和执行状态映射点集之间距离的函数映射来表示执行偏离度。

在具体实施过程中，在所述n维空间计算调度状态映射点集和执行状态映射点集之间的Hausdorff距离H(A,B)来表示执行偏离度，执行偏离度通过以下公式计算：

H(A，B)＝g(x)h(A，B)

$h(A,B)=\underset{a\&Element;A}{\max }\underset{b\&Element;B}{\min }\left|\right|a-b\left|\right|$

$\left|\right|a-b\left|\right|=\sqrt[2]{{(a1-{a1}^{\&prime;})}^2+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+{(\mathrm{an}-{a12}^{\&prime;})}^2}$

$g\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \mathrm{if}(\mathrm{aj}-{\mathrm{aj}}^{\&prime;})>0\\ -1& \mathrm{if}(\mathrm{aj}-{\mathrm{aj}}^{\&prime;})<0\end{array}\right.\mathrm{aj}\&Element;(a1...a12)$

其中，H(A,B)表示执行偏离度，h(A,B)表示单向Hausdorff距离，||a-b||表示A、B之间的范数，aj为从<a1,a2,…,a12>中选定的一个参数，作为正负度量标准。

在具体实施过程中，所述方法根据偏离度函数积累算法计算非叶子节点的执行偏离度，非叶子节点表示位于叶子节点上层的节点，具体方法为：

该节点获取子节点的执行状态参数和执行偏离度后，将根据规则计算该节点的执行偏离度，所述规则为以下3种规则中的任一种：

(1)根据该节点的调度计划参数和执行状态参数，采用Hausdorff距离表示该节点的执行偏离度。

(2)根据重要性对该节点的子节点设置权重，根据权重对所有子节点的执行偏离度线性求和作为该节点的执行偏离度。

(3)直接将该节点的子节点的执行偏离度的最大值作为该节点的执行偏离度。

本实施例生产车间作业自适应调度方法，根据多层树形节点中各节点的调度计划参数和执行状态参数通过偏离度度量算法计算各节点的执行偏离度，然后将各节点的执行偏离度与各节点的最大允许偏离度阈值进行比较，做出继续执行当前调度计划、在该节点的范围内调整调度计划或者反馈到上级节点的自适应调度决策；本发明通过进行多层级的分析做出自适应调度决策，克服生产执行过程中存在的滞后、不一致、不协调的问题，实现了根据生产过程调度计划参数和实时执行状态参数对车间作业进行自适应调度调整，提高了生产效率。

实施例2

一种生产车间作业自适应调度装置，所述装置包括：

数据采集单元：用于采集执行状态参数，然后通过网络发送到层级决策机构；

层级决策机构：部署在企业服务器，用于从下到上逐层计算各节点的执行偏离度，并对各节点的执行偏离度与该节点的最大允许偏离度阈值比较，做出继续执行当前调度计划、在该节点的范围内调整调度计划或者反馈到上级节点的自适应调度决策；

决策输出单元：用于将层级决策机构做出的自适应调度决策输出到相应控制装置。

如图2所示，在具体实施过程中，所述层级决策机构为三层，呈树状结构，从上到下依次为车间决策层、工序决策层和工作中心决策层，根节点位于车间决策层，叶子节点位于工作中心决策层，除根节点，每个节点有且只有唯一父节点，每个节点为一个决策单元，每个决策单元均设置有决策模块和执行模块，决策模块的功能是根据各节点偏离度值是否超过阈值，来进行决策；执行模块的功能是负责获得上级节点下达的调度计划参数和最大偏离度阈值，然后将调度计划参数再根据下级子节点需求进行分解，并制定每个子节点允许的最大偏离度阈值，将调度计划参数和最大偏离度阈值下达到下级子节点，这一过程分解下达过程直至叶子节点，叶子节点的执行模块通过数据接口从数据采集单元获取执行状态参数，并输出到本叶子节点决策模块。

三层树状的层级决策机构，使决策机构模型与生产车间实际的层次决策体系类似，能否方便灵活的建模，这种树状层级体系，在每个节点都可以进行独立决策，对节点内调整能解决的问题，就在本节点内解决，这样可使自适应调整的影响控制在一个局部的有限范围，既达到了自适应调整的目的，又最大可能的保持的系统生产状态的稳定性。

在具体实施过程中，所述数据采集单元为设置有数据采集装置的手持终端、手机、平板电脑、笔记本电脑、台式机电脑或一体机电脑，数据采集单元中安装数据采集软件，可以输入或采集执行状态参数，然后通过网络发送到层级决策机构。

在具体实施过程，生产作业的工件或工件集合采用一维条码、二维码、IC卡或RFID卡标签技术进行标注，所述数据采集单元通过摄像头、扫描枪或NFC(近场通信)装置等扫描标签进行参数采集和输入，提升输入速度，提高管理效率。

在具体实施过程中，所述决策输出单元为显示屏、自动数控设备或者数据接口，用来显示自适应调度后的作业列表、将自适应调度结果输出到数控设备或传输到ERP及MES系统。

如图3所示，决策单元是由执行模块EM和决策模块DM组成，其运行机制如下：

①第i层第j个决策单元的执行模块EM_i，j负责从上级节点获得本节点调度计划参数Plan_i,j和最大允许偏离度阈值ToD_i,j；

②将调度计划参数和最大允许偏离度分解后，将其子节点第i+1层第k个子节点的调度计划Plan_i+1,k和最大允许偏离度阈值ToD_i+1,k下达到下级节点，这一下达过程直至叶子节点；

③下级节点执行调度计划，并根据采集的执行状态参数获得下级节点的执行状态Plan^exe _i+1,k和下级节点的执行偏离度Devi_i+1,k。如果本节点是叶子节点，将获得的是数据采集单元采集的作业的执行状态Plan^exe _i+1,k。

④执行模块EM_i,j获得下级节点的执行状态和执行偏离度后，根据偏离度算法或者偏离度函数积累算法计算本节点的执行偏离度Devi_i,j。如果本节点是叶子节点，则只能根据偏离度算法计算偏离度。

⑤执行模块EM_i,j将执行偏离度Devi_i,j传入决策模块DM_i,j，由DM_i,j根据相应算法进行决策，获得的决策结果为：继续执行调度计划；在本节点范围内进行作业调整；反馈至上级节点，由上级做出进一步决策。决策模块DM获得决策结果后，将决策结果Res返回给执行模块EM_i,j。

⑥执行模块执行决策结果并输出到决策输出单元。如果决策结果是继续执行调度计划，则调度计划不做任何调整。如果调度结果是在本节点范围内进行作业调整，则将调整后的调度计划参数和最大允许偏离度重新下达到本节点所有的子节点。如果决策结果是反馈至上级节点，则作业的执行状态Plan^exe _i,j和本节点偏低度Devi_i,j将反馈至上级，由上级做进一步的自适应调整。

本实施例生产车间作业自适应调度装置包括数据采集单元、层级决策机构、决策输出单元，数据采集单元采集执行状态参数，层级决策机构根据执行状态参数和调度计划参数做出自适应调度决策然后通过决策输出单元输出，该装置与上述方法配合完成生产车间作业自适应调度，提高了生产效率。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种生产车间作业自适应调度方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：将生产车间划分为多层的树形结构，将调度计划参数和最大允许偏离度阈值从上到下层层分解下达到各节点；

S2：获取各叶子节点的调度计划参数和执行状态参数，根据各叶子节点的调度计划参数和执行状态参数通过偏离度度量算法计算各叶子节点的执行偏离度；

S3：将各叶子节点的执行偏离度与各叶子节点的最大允许偏离度阈值进行比较，如果执行偏离度未超过最大允许偏离度阈值则继续执行当前调度计划，如果执行偏离度超过最大允许偏离度阈值则计算该叶子节点的上级节点的执行偏离度；

S4：将该上级节点的执行偏离度与该上级节点的最大允许偏离度阈值进行比较，如果执行偏离度未超过最大允许偏离度阈值则在本上级节点的范围内调整调度计划，如果执行偏离度超过最大允许偏离度阈值则继续计算更上级节点的执行偏离度；

S5：则重复步骤S4直到更上级节点的执行偏离度未超过该更上级节点的最大允许偏离度阈值，在该更上级节点的范围内调整调度计划。

2.根据权利要求1所述的生产车间作业自适应调度方法，其特征在于，所述树形结构，除根节点外，其余每个节点有且只有一个父节点。

3.根据权利要求1所述的生产车间作业自适应调度方法，其特征在于，所述调度计划参数的向量表示为<JID,EID,a1,a2,…,a1n>,执行状态参数的向量表示为<JID,EID,a1',a2',…,a1n'>,其中JID,EID分别表示生产作业编号、生产设备，<a1,a2,…,a1n>调度计划下达的计划参数，<a1',a2',…,a1n'>表示执行完成后采集的执行参数。

4.根据权利要求3所述的生产车间作业自适应调度方法，其特征在于，所述的偏离度度量算法具体为：

将调度计划参数和执行状态参数的除JID、EID以外的参数分别映射到n维空间的一个点，调度计划状态点集表示为A{<a1,a2,…,an>|<JID,EID,a1,a2,…,an>}，执行状态点集表示为B{<a1',a2',…,an'>|<JID,EID,a1',a2',…,an'>}，在这个n维空间计算调度状态映射点集和执行状态映射点集之间距离的函数映射来表示执行偏离度。

5.根据权利要求1所述的生产车间作业自适应调度方法，其特征在于，所述方法根据偏离度函数积累算法计算非叶子节点的执行偏离度，具体方法为：

该节点获取子节点的执行状态参数和执行偏离度后，将根据规则计算该节点的执行偏离度，所述规则为以下3种规则中的任一种：

(1)根据该节点所属所有子节点的调度计划参数映射点集和执行状态参数映射点集，采用点集之间距离的函数映射算法重新计算该节点的执行偏离度。

(2)根据重要性对该节点的子节点设置权重，根据权重对所有子节点的执行偏离度线性求和作为该节点执行偏离度。

(3)直接将该节点的子节点的执行偏离度的最大值作为该节点的执行偏离度。

6.一种生产车间作业自适应调度装置，其特征在于，所述装置包括：

数据采集单元：用于采集执行状态参数，然后通过网络发送到层级决策机构；

层级决策机构：部署在企业服务器，用于从下到上逐层计算各节点的执行偏离度，并对各节点的执行偏离度与该节点的最大允许偏离度阈值比较，做出继续执行当前调度计划、在该节点的范围内调整调度计划或者反馈到上级节点的自适应调度决策；

决策输出单元：用于将层级决策机构做出的自适应调度决策输出到相应控制装置。

7.根据权利要求6所述的生产车间作业自适应调度装置，其特征在于，所述层级决策机构为层级树状结构，除根节点，每个节点有且只有唯一父节点，每个节点为一个决策单元，每个决策单元均设置有决策模块和执行模块。

8.根据权利要求6所述的生产车间作业自适应调度装置，其特征在于，所述数据采集单元为设置有数据采集装置的手持终端、手机、平板电脑、笔记本电脑、台式机电脑或一体机电脑，数据采集单元中安装数据采集软件，可以输入或采集执行状态参数，然后通过网络发送到层级决策机构。

9.根据权利要求6所述的生产车间作业自适应调度装置，其特征在于，所述决策输出单元为显示屏、自动数控设备或者数据接口，用来显示自适应调度后的作业列表、将自适应调度结果输出到数控设备或传输到ERP及MES系统。