CN105824304A - 一种考虑机加工设备可用性的柔性作业车间动态调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种柔性作业车间动态调度方法，属于车间调度技术领域。该方法考虑在机加工设备可用性降低到一定阀值时，对机加工设备进行预防性维修，生成预调度方案，以达到减少加工过程中机加工设备出现异常情况概率的目的；然后，在加工过程中，实时检测设备运行状态。当检测到设备状态出现异常时，通过分析异常状态持续时间对最大完工时间的影响程度，判别是采取右移策略还是执行重调度策略。本发明基于机加工设备可用性，通过插入空闲时间来对机加工设备进行预防性维修，从而降低机加工设备发生异常的概率。同时，通过实时检测设备运行状态，提高异常情况出现时重调度的响应能力，进而提高作业车间动态调度的稳定性和及时性。

Description

一种考虑机加工设备可用性的柔性作业车间动态调度方法

技术领域

本发明属于车间调度领域，具体涉及一种柔性作业车间动态调度方法，用于车间生产过程的调度优化与管理。

背景技术

作业车间作为一种车间级的制造系统，它是机加工制造企业主要的生产活动中心，是资源流动和生产过程的主体场所，是制造业企业的关键。因而，对作业车间的优化运行技术一直是热点研究领域，如何减少加工时间，提高加工效率以及降低加工成本等是其关注的主要问题，典型作业车间调度问题是一种的组合优化问题。

传统车间调度模型中，假设工序加工所需要的资源不具有柔性，机加工设备的选择是唯一的。但是随着大批量连续生产时代正逐渐被适应市场动态变化的多品种、小批量离散生产所替代，柔性制造系统和数控加工系统等带有一定柔性的生产系统逐渐出现，柔性作业车间调度问题也就成为了研究重点，它是作业车间调度问题的一种扩展，工件的每道工序可以在多台不同设备上进行加工，这样的柔性作业车间具有以下明显的优点：

①提高设备的利用率，机加工设备一旦空闲就可以安排其它工件进行加工，减少设备的闲置时间和工件的等待时间；

②具有维持加工稳定的能力，当设备出现故障时，工序可以安排到其它设备上进行加工，使得加工过程可以继续，保证加工的稳定。

另外，大多数现有的研究都把作业车间的相关参数假设为确定和已知的，但是在实际的制造系统生产过程中，会出现随机的不确定因素影响调度的正常运行。例如加工时间不确定，机加工设备状态异常、工件随机到达等，理想状态下的调度方法无法直接应用到存在不确定因素的生产过程中。机加工设备状态异常作为常见的不确定因素之一，已经成为学者研究的重点，而针对这些故障采取的维修策略主要有事后维修和预防性维修。

事后维修是指在故障发生后进行的维修活动，这样的维修方式会严重影响到作业车间调度任务运行的效率，例如在按照调度计划加工的过程中，某台设备发生了故障，那么为了等待设备修复，已经安排在该设备上的加工任务就不得不中断，甚至会影响到整个调度任务的运行；预防性维修是指按照一定的规律，在未发生故障之前就对设备进行全面检修，把故障消灭在萌芽状态，使加工设备处于良好的技术状态。在生成调度方案时，考虑插入空闲时间段来进行预防性维修，可以有效降低的故障率，使设备故障对已经开始的调度任务的影响得到减小。因此，合理安排预防性维修的关键在于减少已经开始的加工任务中设备故障发生的概率的同时还要减少预防性维修对未开始的加工任务的影响。

机加工设备可用性是通过对设备持续运行时间和故障历史数据分析得到的时间函数，反映的是机加工设备在运行过程中的可用性。因此，从机加工设备可用性方面来考虑在预调度方案中插入空闲时间段，对机加工设备进行预防性维修，以达到减少加工过程中出现的故障对调度任务的影响，提高调度运行效率的目的。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种考虑机加工设备可用性的柔性作业车间动态调度方法，该方法通过考虑机加工设备可用性，在预调度方案中通过插入空闲时间来对机加工设备进行预防性维修，从而可减少故障出现的概率。同时，通过实时检测设备运行状态，提高故障发生时的重调度的响应能力，进而提高作业车间动态调度的稳定性和及时性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

考虑机加工设备可用性的柔性作业车间动态调度方法，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：

步骤一：在机加工设备可用性降低到预设阀值时，在预调度方案中插入空闲时间段，对该机加工设备进行预防性维修，按照插入空闲时间段之后的柔性作业车间预调度方案进行加工；

所述机加工设备可用性是表示设备在规定的使用与维修方式下，在给定的时间内能够完成规定功能的能力。可用性取决于机加工设备的可靠性和维修性。在机加工设备k的可靠性和维修性都服从指数分布的情况下，故障率λ_k和修复率γ_k都为常数，机加工设备k的可用性函数A_k(t)可表示为：

$A_k\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\γ}}_k}{{\mathrm{\λ}}_k+{\mathrm{\γ}}_k}+\frac{{\mathrm{\λ}}_k}{{\mathrm{\λ}}_k+{\mathrm{\γ}}_k}{e}^{-({\mathrm{\λ}}_k+{\mathrm{\γ}}_k)t}$

所述预设阀值是表示当机加工设备可用性低到某个值时，该设备发生故障的概率很大。该阀值由历史数据中设备发生故障时对应的可用性大小决定，采用切尾均值的方法来处理发生故障时的可用性数据，设备k的可用性阀值用AO_k表示；

所述预防性维修是指在机加工设备发生故障之前进行检查、修理或更换，以防患于未然。

所述空闲时间段是指在该段时间内对机加工设备进行预防性维修，在本次调度任务中空闲时间段的插入时刻用TA_k表示，并且TA_k＝T_k-TO_k，其中T_k是由A_k(t)＝AO_k求得的时间，TO_k表示在开始本次调度任务之前设备k持续运行的时间；空闲时间段的长度由该设备的保养时间决定，设备k的保养时间用TM_k表示；

所述柔性作业车间具有以下特点：工件在一台设备上加工的整个过程称为一道工序，每个工件需要多道工序来加工完成，每道工序可以由一个或多个设备来进行加工，并且不同设备的加工时间不同。

步骤二：实时检测设备运行状态，在没有出现异常的情况下，按照原调度方案完成生产任务，在检测到设备状态出现异常时，实时统计异常状态持续时间，保持原调度方案不变，在最大完工时间发生变化之前，采取右移策略；

所述设备运行状态是通过对实时获取到的设备输入功率特征进行识别来判断的，当设备发生异常时，功率特征会发生变化；

所述异常状态是包括停机状态和机加工设备处于待机状态时间超过调度方案中的待机状态时所处的状态。

所述右移策略是保持原有调度方案不变，等待设备被修复继续完成中断的工序。

步骤三：当实时统计到的故障持续时间超过了最大完工时间变化时右移策略的持续时间，重调度机制被触发，依据异常类型对修复时间进行估计，采取重调度策略，更新设备可用性，依据可用性计算插入空闲时间段的时刻，生成重调度方案；

所述最大完工时间变化时右移策略的持续时间是指在保持右移策略时，因设备异常而中断的工序及其紧后工序的完成时间都会延迟，在一定的时间范围内，最大完工时间不会发生变化，而当右移策略持续一段时间之后，最大完工时间会开始增大；

所述异常状态修复时间的估计是通过历史数据统计来获得的，不同的异常状态都有其对应的平均修复时间。假设某台设备会出现G种异常状态，每种异常状态的平均修复时间为T_g(g＝1,2,...,G)，相应的频率为f_g(1,2,...,G)，则该台设备的平均异常状态修复时间为

所述重调度策略包括确定重调度工序和重调度下设备开工时间，另外重调度的目标函数不仅需要考虑最大完工时间，还需要考虑调度的稳定性。相关内容含义如下：

重调度工序包括未开始加工的工序和因设备异常中断的工序，并且中断的工序还需要的加工时间与完成的比例相对应。例如某工序在设备A、B上进行加工需要的加工时间分别为a₁、a₂，在设备A上加工了时间a₃时设备A出现异常，则该工序在设备B上继续加工需要的时间

重调度下设备开工时间需要进行设定，工序已经开始加工的设备在加工完成该工序之后才能进行重调度，发生异常的设备在异常状态修复后进行重调度，其修复时间由不同异常类型的平均修复时间决定；

所述更新设备可用性是指对机加工设备被修复之后，其可用性会发生变化，这种变化包含两种情况：预防性维修之后，机加工设备可用性恢复到初始状态；出现异常经过修复之后，机加工设备可用性恢复到异常情况出现前一时刻的状态。

步骤四：按照重调度方案进行生产加工，执行步骤二。

本发明具有区别于传统方法的显著优势：

本发明由于在对柔性作业车间进行预调度时，引入机加工设备可用性来对机加工设备预防性维修的时刻做出预判，通过插入空闲时间段来对机加工设备进行预防性维修，以达到减少加工过程中出现的故障对调度任务的影响，提高调度运行效率的目的。此外，通过实时检测设备运行状态，及时获取设备故障信息，提高了异常状态出现时的重调度的响应能力，保证了动态调度的及时性和稳定性。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的动态调度流程图；

图2为本发明具体实施方式的考虑机加工设备可用性的柔性作业车间预调度方案流程图；

图3为本发明具体实施方式的重调度策略流程图；

图4为本发明具体实施方式的考虑机加工设备可用性的柔性作业车间预调度甘特图；

图5为本发明具体实施方式的右移结果甘特图；

图6为本发明具体实施方式的重调度结果甘特图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

参照图1、图2、图3、图4、图5和图6，一种考虑机加工设备可用性的柔性作业车间动态调度方法，包括如下步骤：

步骤一：在机加工设备可用性降低到预设阀值时，在预调度方案中插入空闲时间段，对该机加工设备进行预防性维修，按照插入空闲时间段之后的柔性作业车间预调度方案进行加工，考虑机加工设备可用性的柔性作业车间预调度方案流程如图2所示；

所述机加工设备可用性是表示设备在规定的使用与维修方式下，在给定的时间内能够完成规定功能的能力。可用性取决于机加工设备的可靠性和维修性。在机加工设备k的可靠性和维修性都服从指数分布的情况下，故障率λ_k和修复率γ_k都为常数，机加工设备k的可用性函数A_k(t)可表示为：

$A_k\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\γ}}_k}{{\mathrm{\λ}}_k+{\mathrm{\γ}}_k}+\frac{{\mathrm{\λ}}_k}{{\mathrm{\λ}}_k+{\mathrm{\γ}}_k}{e}^{-({\mathrm{\λ}}_k+{\mathrm{\γ}}_k)t}$

所述预设阀值是表示当机加工设备可用性低到某个值时，该设备发生故障的概率很大。该阀值由历史数据中设备发生故障时对应的可用性大小决定，采用切尾均值的方法来处理发生故障时的可用性数据，设备k的可用性阀值用AO_k表示；

所述预防性维修是指在机加工设备发生故障之前进行检查、修理或更换，以防患于未然。

所述空闲时间段是指在该段时间内对机加工设备进行预防性维修，在本次调度任务中空闲时间段的插入时刻用TA_k表示，并且TA_k＝T_k-TO_k，其中T_k是由A_k(t)＝AO_k求得的时间，TO_k表示在开始本次调度任务之前设备k持续运行的时间；空闲时间段的长度由该设备的保养时间决定，设备k的保养时间用TM_k表示；

所述柔性作业车间具有以下特点：工件在一台设备上加工的整个过程称为一道工序，每个工件需要多道工序来加工完成，每道工序可以由一个或多个设备来进行加工，并且不同设备的加工时间不同。

步骤二：实时检测设备运行状态，在没有出现异常的情况下，按照原调度方案完成生产任务，在检测到设备状态出现异常时，实时统计异常状态持续时间，保持原调度方案不变，在最大完工时间发生变化之前，采取右移策略；

所述设备运行状态是通过对实时获取到的设备输入功率特征进行识别来判断的，当设备发生异常时，功率特征会发生变化；

所述异常状态是包括停机状态和机加工设备处于待机状态时间超过调度方案中的待机状态时所处的状态。

所述右移策略是保持原有调度方案不变，等待设备被修复继续完成中断的工序。

步骤三：当实时统计到的异常状态持续时间T_k超过了最大完工时间变化时右移策略的持续时间T_c，重调度机制被触发，依据异常类型对修复时间进行估计，采取重调度策略，更新设备可用性，依据可用性计算插入空闲时间段的时刻，生成重调度方案，重调度策略基本流程如图3所示；

所述最大完工时间变化时右移策略的持续时间是指在保持右移策略时，因设备异常而中断的工序及其紧后工序的完成时间都会延迟，在一定的时间范围内，最大完工时间不会发生变化，而当右移策略持续一段时间之后，最大完工时间会开始增大；

所述异常状态修复时间的估计是通过历史数据统计来获得的，不同的异常都有其对应的平均修复时间。假设某台设备会出现G种异常状态，每种异常状态的平均修复时间为T_g(g＝1,2,...,G)，相应的频率为f_g(1,2,...,G)，则该台设备的平均异常状态修复时间为

所述重调度策略包括确定重调度工序和重调度下设备开工时间，另外重调度的目标函数不仅需要考虑最大完工时间，还需要考虑调度的稳定性。相关内容含义如下：

重调度工序包括未开始加工的工序和因设备异常而中断的工序，并且中断的工序还需要的加工时间与已完成的比例相对应。例如某工序在设备A、B上进行加工需要的加工时间分别为a₁、a₂，在设备A上加工了时间a₃时设备A出现故障，则该工序在设备B上继续加工需要的时间

重调度下设备开工时间需要进行设定，工序已经开始加工的设备在加工完成该工序之后才能进行重调度，发生异常的设备在异常状态修复后进行重调度，其修复时间由不同异常类型的平均修复时间决定；

所述更新设备可用性是指对机加工设备被修复之后，其可用性会发生变化，这种变化包含两种情况：预防性维修之后，机加工设备可用性恢复到初始状态；发生设备异常经过修复之后，机加工设备可用性恢复到异常发生前一时刻的状态。

步骤四：按照重调度方案进行生产加工，执行步骤二。

实施例：

本实施例中，将考虑机加工设备可用性的柔性作业车间重调度方法应用到某柔性作业车间中，该车间生产4个工件，每个工件有4道工序来完成加工过程，有6台机床设备来加工，设备可加工的工序及相应加工时间如表1所示，其中(ω)表示对应工件相关工序的可选机器号为且在该机器上的加工时间为ω，多行该符号表示某工序可在多台不同机器上加工，且加工时长各不相同。

表1柔性作业车间调度实例

依据机加工设备可用性，设备1在时刻33需要进行预防性维修，预防性维修时间长度为10，设备5在时刻22需要进行预防性维修，维修时间长度为11，则通过插入空闲时间段，对设备1和设备5进行预防性维修，得到的预调度方案如图4所示。

在时刻40，设备1出现异常，当异常状态持续时间Tk≤7时，采取如图5所示的右移策略，保持原有的调度方案不变；当异常状态持续时间Tk＞7时，此时依据异常类型，对异常状态修复时间进行估计，得到该异常还需要的修复时间为6，则采取如图5所示的重调度策略，将工件1的第4道工序安排到设备6上进行加工。

实例结果分析：

由上述调度实例可见，在生成预调度方案时考虑机加工设备可用性插入空闲时间段的方法，不仅是可以对机加工设备进行预防性维修，降低设备出现故障的概率，而且在该空闲时间段出现设备异常的情况下，这个时间段能够为设备修复提供一个缓冲时间，并且通过实时状态检测统计异常状态的持续时间，以此为依据采取不同的调度策略，避免了一出现异常就对调度方案进行调整，保证了动态调度的及时性和稳定性。

Claims (1)

1.一种考虑机加工设备可用性的柔性作业车间动态调度方法，用于解决异常状态下柔性作业车间调度问题，提高动态调度的稳定性和及时性，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：

步骤一：在机加工设备可用性降低到预设阀值时，在预调度方案中插入空闲时间段，对该机加工设备进行预防性维修，按照插入空闲时间段之后的柔性作业车间预调度方案进行加工；

所述机加工设备可用性是表示设备在规定的使用与维修方式下，在给定的时间内能够完成规定功能的能力。可用性取决于机加工设备的可靠性和维修性。在可靠性和维修性都服从指数分布的情况下，故障率λ和修复率γ都为常数，机加工设备可用性A(t)可表示为：

$A\left(t\right)=\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\λ}+\mathrm{\γ}}+\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\λ}+\mathrm{\γ}}{e}^{-(\mathrm{\λ}+\mathrm{\γ})t}$

所述预设阀值是表示当机加工设备可用性低到某个值时，该设备发生故障的概率很大。该阀值由历史数据中设备发生故障时对应的可用性大小决定，采用切尾均值的方法来处理发生故障时的可用性数据；

所述预防性维修是指在机加工设备发生故障之前进行检查、修理或更换，以防患于未然。

所述空闲时间段是指在该段时间内对机加工设备进行预防性维修，空闲时间段的长度由该设备的保养时间决定；

所述柔性作业车间具有以下特点：工件在一台设备上加工的整个过程称为一道工序，每个工件需要多道工序来加工完成，每道工序可以由一个或多个设备来进行加工，并且不同设备的加工时间不同。

步骤二：实时检测设备运行状态，在没有出现异常的情况下，按照原调度方案完成加工任务，在检测到设备出现异常时，实时统计异常状态持续时间，保持原调度方案不变，在最大完工时间发生变化之前，采取右移策略；

所述设备运行状态是通过对实时获取到的设备输入功率特征进行识别来判断的，当设备发生异常时，功率特征会发生变化；

所述异常状态是包括停机状态和机加工设备处于待机状态时间超过调度方案中的待机状态时所处的状态。

所述右移策略是保持原有调度方案不变，等待设备被修复继续完成中断的工序。

步骤三：当实时统计到的异常状态持续时间超过了最大完工时间变化时右移策略的持续时间，重调度机制被触发，依据异常状态类型对修复时间进行估计，采取重调度策略，更新设备可用性，依据可用性计算插入空闲时间段的时刻，生成重调度方案；

所述最大完工时间变化时右移策略的持续时间是指在保持右移策略时，因异常状态而中断的工序及其紧后工序的完成时间都会延迟，在一定的时间范围内，最大完工时间不会发生变化，而当右移策略持续一段时间之后，最大完工时间会开始变化；

所述异常状态修复时间的估计是通过历史数据统计来获得的，不同的异常状态都有其对应的平均修复时间。假设某台设备会出现G种异常状态，每种异常状态的平均修复时间为T_g(g＝1,2,...,G)，相应的频率为f_g(g＝1,2,...,G)，则该台设备的平均异常状态修复时间为

所述重调度策略包括确定重调度工序和重调度下设备开工时间，另外重调度的目标函数不仅需要考虑最大完工时间，还需要考虑调度的稳定性。相关内容含义如下：

重调度工序包括未开始加工的工序和因设备异常中断的工序，并且中断的工序还需要的加工时间与完成的比例相对应。例如某工序在设备A、B上进行加工需要的加工时间分别为a₁、a₂，在设备A上加工了时间a₃时设备A出现异常，则该工序在设备B上继续加工需要的时间

重调度下设备开工时间需要进行设定，工序已经开始加工的设备在加工完成该工序之后才能进行重调度，出现异常的设备在异常状态修复后进行重调度，其修复时间由不同异常类型的平均修复时间决定；

所述更新设备可用性是指对机加工设备被修复之后，其可用性会发生变化，这种变化包含两种情况：预防性维修之后，机加工设备可用性恢复到初始状态；发生异常经过维修之后，机加工设备可用性恢复到异常情况发生前一时刻的状态。

步骤四：按照重调度方案进行生产加工，执行步骤二。