CN111665811A - 动态事件下的柔性作业车间重调度节能优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态事件下的柔性作业车间重调度节能优化方法，包括以下内容：为了解决机械加工过程中出现紧急任务插单或机床故障等动态事件干扰调度方案执行，首先分析了动态事件下柔性作业车间的工件加工过程能耗特性，然后以总能耗最低、完工时间最小和鲁棒性好为优化目标建立了面向节能的动态重调度优化模型，并采用优化算法进行优化求解，最后通过案例对比分析，验证了所提方法的有效性。

Description

动态事件下的柔性作业车间重调度节能优化方法

技术领域

本发明涉及机械切削加工领域，具体涉及动态事件下的柔性作业车间重调度节能优化方法。

背景技术

机械加工制造系统量大面广，且能量消耗总量大，是企业面临的一个关键问题。机械加工车间生产过程中，调度方案对车间能耗影响显著，在开展车间节能优化调度的同时兼顾调度传统优化目标，如完工时间、机床负载等，是绿色制造背景下的热点研究问题。

此外，机械加工过程中常出现一些临时突发状况，如机床故障、随机工件到达等。动态事件发生前，车间工件及机床信息已知且不会改变，将按照生成的调度方案开展加工直到车间工件都完工。若动态事件发生，则需重新确定车间工件的加工状况及机床可用信息，以此进行重调度，将工艺路线选择、机床选择等与重调度方案同时优化，以降低能耗和完工时间。

发明内容

本发明提供一种动态事件下的柔性作业车间重调度节能优化方法，以降低动态事件发生时柔性作业车间的能耗、最大完工时间和鲁棒性。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，即动态事件下的柔性作业车间重调度节能优化方法。它包括以下步骤：

步骤1：分析柔性作业车间动态事件发生时的机床加工能耗特性，步骤1：分析柔性作业车间动态事件发生时的机床加工能耗特性，建立能耗模型；

步骤2：以车间总能耗、完工时间和鲁棒性最小为优化目标建立动态事件下的柔性作业车间重调度节能多目标优化模型；

步骤3：制定动态事件下的重调度策略，并基于多目标引力搜索算法求解。

优选地，步骤1中分析柔性作业车间能耗特性的过程为：

柔性作业车间调度生产系统的总能耗可计算如下：

(1)切削加工能耗

式中

r_j，g_jrs，b_m，y_jr，x_jrsm为0-1变量。若T_i ^d时刻发生的动态事件为紧急插单，则

否则

若工件J_j在动态事件发生时进入重调度，则r_j＝1，否则r_j＝0；若工序O_jrs在动态事件发生时进入重调度，则g_jrs＝1，否则g_jrs＝0；若机床M_m在重调度时刻可用，则b_m＝1，否则b_m＝0；若工件J_j选择R_jr，则y_jr＝1，否则y_jr＝0；若O_jrs选择M_m加工，则x_jrsm＝1，否则x_jrsm＝0。

若

时刻机床M_m发生故障，则正在加工的工序O_jrs停止加工，重调度时重新选择机床M_m’。工序O_jrs的切削加工能耗E_jrs与切削加工时间T_jrs随着重调度时选择机床的不同以及机床发生故障时刻的不同而发生变化。工序O_jrs在机床M_m上的切削加工能耗由切削时段能耗和空切时段能耗组成：

a)切削时段能耗工序O_jrs在机床M_m上加工至

时刻，机床M_m发生故障停止加工，工序O_jrs重新选择机床M_m’继续加工剩余的特征,工序O_jrs在机床M_m’上的切削时段能耗为

式中

为机床M_m发生故障之前，工序O_jrs在机床M_m上已经加工的时间。

b)空切时段能耗加工过程中走刀路径所覆盖的区域一般要大于工件特征区域，工序O_jrs在机床M_m和M_m’上加工存在固有的空切过程。工序O_jrs在机床M_m上已经加工一段时间，因此工序O_jrs在机床M_m’上的空切时间更长。工序O_jrs在机床M_m’上的空切时段能耗为

式中

为机床M_m发生故障之前，工序O_jrs在机床M_m上已经空切的时间。

(2)更换刀具能耗

工序在机床加工前需要考虑是否换刀。工序O_jrs的更换刀具能耗与在机床M_m加工的上一道工序所用的刀具有关。若发生紧急插单，则在重调度窗口加入紧急到达的工件；若机床发生故障，正在加工的工序重新选择机床，则需要重新更换刀具。重调度方案下的更换刀具能耗

式中

为0-1变量，若M_m加工的第k个工序为O_jrs，则

否则

(3)对刀能耗

工件在机床上加工前需通过对刀确定刀具刀位点在工件坐标系的位置。若发生紧急插单，则在重调度窗口加入紧急到达的工件；若机床发生故障，正在加工的工序重新选择机床，则更换刀具后需要重新对刀。重调度方案下的对刀能耗：

(4)工件装夹拆卸能耗

工件加工前装夹在机床上，加工完成后拆卸。若发生紧急插单，则在重调度窗口加入紧急到达的工件；若机床发生故障，正在加工的工序重新选择机床，则在加工前需要再次装夹、完工后再次拆卸。重调度方案下的工件装夹拆卸能耗：

(5)空闲等待能耗

重调度方案下机床M_m的空闲等待能耗

空闲等待时间

分别为：

优选地，步骤2中以车间总能耗、完工时间和鲁棒性最小为优化目标建立动态事件下的柔性作业车间调度节能多目标优化模型的过程为：

(1)目标函数

1)能耗目标函数

柔性作业车间能耗为所有机床的切削加工能耗、工件装夹拆卸能耗、更换刀具能耗、对刀能耗、空闲等待能耗之和。

2)完工时间

完工时间为所有机床加工最后一个工序完工时刻的最大值，即

3)鲁棒性

鲁棒性RM_R0可用重调度S_R和初始调度S₀的偏差来衡量，其偏差值越小，表明鲁棒性越好。具体表示为用工序的重调度完工时间C_jrs(S_R)和初始调度完工时间C_jrs(S₀)之差表示，即

(2)优化变量

将调度过程中选择的工艺路线yjr、工序选择的机床xjrsm、工序在机床上的加工顺序这3个变量作为优化变量。

(3)约束条件

1)同一工件的相邻两道工序，只有上一道工序完工后，下一道工序才能开始加工。

2)同一时刻一台机床只能加工一个工件的一道工序。

3)初始调度过程中，工序开始加工就不会中断。其中DT_j表示工件J_j的交货期。

4)在机床上加工的相邻两道工序，若工序可选刀具为上一工序可选刀具集的子集，则不需要更换刀具，以减少换刀次数。其中，

表示机床M_m加工第k个工序所使用的刀具。

基于上述分析，建立动态事件下的柔性作业车间调度节能多目标优化模型，具体如下：

优选地，步骤3中动态事件下的重调度策略为：

动态重调度指发生动态事件后，车间为了响应动态事件而重新生成调度方案，重新安排生产。重调度主要涉及何时重调度和如何重调度两个问题，根据柔性作业车间特点，采用事件驱动的重调度策略和完全重调度的重调度方法。事件驱动重调度指动态事件发生时就进行重调度；完全重调度指动态事件发生时，对当前所有未完工工件进行重调度。紧急插单或者机床故障时，根据各个工件和工序的状态确定重调度的对象，实时更新重调度窗口及机床的空闲时刻。

(1)紧急工件到达时，确定重调度的对象。实时更新车间调度窗口，调度窗口分为等待窗口、加工窗口和完工窗口，等待窗口存放刚到达的紧急工件，加工窗口存放已经到达等待加工和正在加工的工件，完工窗口存放已经加工结束的工件。通过比较工件加工状况和紧急插单时刻，去除完工窗口的工件和加工窗口中已经完工的工序，对等待窗口和加工窗口的工件重新进行调度。重调度的对象为新到达的工件、已经调度但尚未开始加工的工件，以及已开工但尚未完工工件的部分工序。

Ti^d时刻动态事件发生时，初始时刻的工件分为尚未开工的工件、正在加工的工件和已经完工的工件3类。

1)尚未开工的工件：若工件J_i的第一道工序O_jr1在T_i ^d时刻没有开始加工，即ST_jr1＞T_i ^d，则对应工件J_j的所有工序进入重调度，工件J_j重新选择工艺路线。

2)正在加工的工件：若工件J_i的工序O_jr1在T_i ^d时刻已开始加工，且工序

尚未完工，即ST_jr1＜T_i ^d且

则对应工件J_j在T_i ^d时刻尚未开始加工的工序O_jrs(ST_jrs≥T_i ^d)进入重调度，且不再重新选择工艺路线。

3)已经完工的工件：若工件J_i的最后一道工序

在T_i ^d时刻已经完工，即

则对应工件J_j不再进入重调度。

(2)机床发生故障时，确定各机床的空闲时刻。车间机床分为故障机床、正在加工的机床、空闲机床3类。其中，故障机床的空闲时刻为该机床的修复时刻

正在加工的机床的空闲时刻为正在加工工序的完工时间；空闲机床的空闲时刻为重调度时刻点。

优选地，步骤3中的模拟退火算法可替换为其他进化算法。

附图说明

图1动态事件下的柔性作业车间重调度节能优化流程框架

图2初始调度方案甘特图

图3紧急插单时重调度方案一甘特图

图4紧急插单时重调度方案二甘特图

图5紧急插单时重调度方案三甘特图

图6机床故障时重调度方案一甘特图

图7机床故障时重调度方案二甘特图

图8机床故障时重调度方案三甘特图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

本案例以某柔性作业车间的8台机床和5种待加工工件为研究对象开展应用验证，结合该车间的生产实践，在初始调度过程中先后随机出现紧急插单和机床故障动态事件的情况下，应用所提出的基于动态事件的柔性作业车间节能优化重调度方法，并与上述重调度方法进行对比。实验条件主要包括机床条件、刀具条件和工件信息等，具体如下表所示。

表1 待加工工件信息

表2 机床类型及其参数

表3 车间工件能耗与时间信息

根据该生产车间配置和工件信息，基于MOGSA对所提初始调度模型进行求解，得到初始调度方案的甘特图，如图3所示。甘特图中的标识为“工件编码-工序编码”，例如“1-1”表示工件1的第1道工序。初始时刻车间按照图2所示的初始调度方案加工。

(1)紧急插单下的车间调度方案获取

表4 工件“轴”的能耗和时间信息

在初始调度方案执行的第100 000s，由于收到紧急订单，紧急工件“轴”必须在交货期内优先加工，在满足工件交货期的前提下追求能耗最低的车间调度方案。“轴”的批量为80，交货期为350 000s，能耗和时间信息如表5所示，紧急插单时各工件加工状态如表6所示。

表5 紧急插单时的各工件加工状态

紧急插单时，分别采用以下3种方案进行重调度：①方案1(调度紧急工件)，不改变其他工件的调度方式，以能耗最低对工件6进行调度；②方案2(FCFS调度)，根据FCFS规则进行重调度；③方案3(MOGSA调度)，基于MOGSA求解所建立的考虑动态事件的重调度模型。3种重调度方案甘特图分别如图3～图5所示，甘特图中虚线表示紧急插单时刻。重调度方案能耗和完工时间目标值如表7所示。

表6 3种重调度方案能耗和完工时间目标值

与方案1相比，方案3的能耗降低了6.79％，完工时间降低了1.08％，；方案1与方案3相比，换刀能耗增加了14％。

方案2比方案3的总能耗增加了3.3％。

与方案1相比，方案2的能耗降低了3.7％，完工时间增加了1.67％，

在紧急插单的调度过程中，采用重调度方案3分别对单独优化能耗和完工时间以及同时优化能耗和完工时间进行加工调度，优化结果如表7所示。

表7 单独优化能耗和完工时间结果

与方案3.1(单独优化能耗)相比，方案3.2(单独优化完工时间)的完工时间降低了15％。

单独优化能耗时各工件选择能耗较小的工艺路线和机床进行加工，降低了切削加工能耗，同时选择的机床相对集中降低了换刀能耗、对刀能耗和机床空闲等待能耗，因此与单独优化完工时间相比，车间总能耗降低了8.75％。

方案3(同时优化能耗和完工时间)与方案3.1(单独优化能耗)相比，前者能耗增加3.42％、完工时间降低9.34％；方案3与方案3.2(单独优化完工时间)相比，能耗降低5.63％、完工时间增加6.81％。

(2)机床故障下的车间调度方案获取

紧急插单后车间调度方案执行到150 000s，机床M3发生故障暂时中断，维修时间为16 200s。机床发生故障时，各工件的加工状态如表8所示。

表8 机床故障发生时的各工件加工状态

机床发生故障时，分别采用3种方案进行重调度：①方案1(右移调度)，在紧急插单后重调度方案3的基础上，不改变其他工件的调度方式，将故障机床M3上正在加工的工序往右移动16 200s(机床M7的维修时长)；②方案2(FCFS调度)，根据FCFS调度规则进行重调度；③方案3(MOGSA调度)，基于MOGSA求解所建立的动态调度模型。3种重调度方案甘特图分别如图6～图8所示，重调度方案能耗和完工时间目标值如表9所示。

表9 3种重调度方案能耗和完工时间目标值

与方案3相比，方案1的能耗增加了4.61％，完工时间增加了5.69％。由图6可以得出，与紧急插单时的重调度方案3相比，方案1的其他工序不变，机床M₃发生故障后与其相关的后续工序5-1，5-2，5-3，5-4，5-5的加工时间后移，导致机床M₄，M₆，M₇，M₈的空闲等待时间和能耗都增加。

与方案2相比，方案3的能耗降低了1.94％，完工时间降低了3.01％。

与方案2相比，方案1的能耗增加了2.58％，完工时间增加了2.52％。

Claims (3)

1.一种动态事件下的柔性作业车间重调度节能优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：分析柔性作业车间动态事件发生时的机床加工能耗特性，建立能耗模型；

步骤2：以车间总能耗、完工时间和鲁棒性最小为优化目标建立动态事件下的柔性作业车间重调度节能多目标优化模型；

步骤3：制定动态事件下的重调度策略，并基于优化算法求解。

2.根据权利要求1所述的动态事件下的柔性作业车间重调度节能优化方法，其特征在于：步骤2中以车间总能耗、完工时间和鲁棒性最小为优化目标建立动态事件下的柔性作业车间调度节能多目标优化模型的过程为：

(1)目标函数

1)能耗目标函数

柔性作业车间能耗为所有机床的切削加工能耗、工件装夹拆卸能耗、更换刀具能耗、对刀能耗、空闲等待能耗之和；

2)完工时间

完工时间为所有机床加工最后一个工序完工时刻的最大值，即

3)鲁棒性

鲁棒性RM_R0用重调度S_R和初始调度S₀的偏差来衡量，其偏差值越小，表明鲁棒性越好，具体表示为用工序的重调度完工时间C_jrs(S_R)和初始调度完工时间C_jrs(S₀)之差表示，即

(2)优化变量

将调度过程中选择的工艺路线y_jr、工序选择的机床x_jrsm、工序在机床上的加工顺序

这3个变量作为优化变量；

(3)约束条件

1)同一工件的相邻两道工序，只有上一道工序完工后，下一道工序才能开始加工：

2)同一时刻一台机床只能加工一个工件的一道工序：

3)初始调度过程中，工序开始加工就不会中断，其中DT_j表示工件J_j的交货期：

4)在机床上加工的相邻两道工序，若工序可选刀具为上一工序可选刀具集的子集，则不需要更换刀具，以减少换刀次数，其中，

表示机床M_m加工第k个工序所使用的刀具。

3.根据权利要求1所述的动态事件下的柔性作业车间调度节能优化方法，其特征在于：步骤3所述的动态事件下的调度策略的过程为：

(1)T_i ^d时刻动态事件发生时，初始时刻的工件分为尚未开工的工件、正在加工的工件和已经完工的工件3类：

1)尚未开工的工件：若工件J_i的第一道工序O_jr1在T_i ^d时刻没有开始加工，即ST_jr1＞T_i ^d，则对应工件J_j的所有工序进入重调度，工件J_j重新选择工艺路线；

2)正在加工的工件：若工件J_i的工序O_jr1在T_i ^d时刻已开始加工，且工序

尚未完工，即ST_jr1＜T_i ^d且

则对应工件J_j在T_i ^d时刻尚未开始加工的工序O_jrs(ST_jrs≥T_i ^d)进入重调度，且不再重新选择工艺路线；

3)已经完工的工件：若工件J_i的最后一道工序

在T_i ^d时刻已经完工，即

则对应工件J_j不再进入重调度；

(2)机床发生故障时，确定各机床的空闲时刻，故障机床的空闲时刻为该机床的修复时刻

正在加工的机床的空闲时刻为正在加工工序的完工时间；空闲机床的空闲时刻为重调度时刻点。

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