CN1529261A - 一种带状态性能反馈的规则调度方法及其调度系统 - Google Patents

Abstract

一种带状态性能反馈的规则调度方法及其调度系统，可减少工件延误时间并提高设备利用率。在现有规则调度的基础上，引入设备需求量、设备需求趋势和工件平均松弛时间作为系统运行状态反馈，引入设备加工时间、工件加工时间、工件等待时间和工件提前/拖期时间作为系统运行性能反馈，形成反馈调度规则。引入调度目标函数并提出迭代优化调度方法。定义了扩展工艺顺序规划树并用于表示工件的工艺顺序规划柔性和工件的加工路径柔性，扩大了调度系统的决策空间，有利于形成更好的调度方案。调度系统由中央控制器、装卸站、系统缓冲站、自动轨道小车和生产设备等组成。每一决策时刻，中央控制器根据反馈调度规则计算空闲设备和待加工工件的优先级，选择优先级高的空闲设备加工优先级高的待加工工件。

Description

一种带状态性能反馈的规则调度方法及其调度系统

技术领域

本发明属于生产调度与管理技术领域，具体涉及一种带状态性能反馈的规则调度方法及其调度系统。

背景技术

根据最优生产技术，瓶颈设备的生产能力决定了整个系统的生产能力，并决定系统的运行性能。一个已投产的生产系统，其设备加工能力是固定不变的，只能通过适当的调度系统和调度方法，改变生产系统中物流，调节工件对设备生产能力的需求，以减轻或消除系统瓶颈设备效应，提高整个系统的运行性能。

生产调度问题的规模随生产设备数、工件品种和工件数、工艺规划数的增加而增大，调度问题的计算复杂性随调度问题规模的增大呈指数上升。因此，对于大规模的、物流情况复杂的生产系统，一般采用基于规则的调度方法完成对生产系统的实时调度与控制。

调度规则是一种排序方法，用于确定生产系统中生产设备和待加工工件的竞争优先级。每当设备空闲、或新的毛坯进入系统、或工件的一道工序加工完毕，则进入一个决策时刻，此时，调度系统根据调度规则确定哪一个工件的哪一道工序分配给哪一台设备加工，从而对生产过程实施调度和控制，这种调度方法称为基于规则的调度，简称规则调度。在调度规则的控制下，分配给生产系统中每台设备加工的工序队列以及加工每道工序的开始和结束时刻，称为规则调度的解。

在某一决策时刻，如果系统中有多台加工设备可以完成同一个待加工工件的加工，则首先选择优先级最高的生产设备完成此加工任务。同样，在某一决策时刻，如果系统中有多个工件等待加工，则首先选择优先级最高的待加工工件进行加工。通过调度规则，可以实现对生产系统中的生产设备和待加工工件进行优先级排序。不同的调度规则，可以产生不同的排序结果，因而可以改变生产系统中工件的流动过程，达到控制生产系统运行过程和运行性能的目的。

一般而言，规则调度具有简单易行的优点，且具有动态调度能力，特别适合生产过程中随机干扰因素较多的复杂的生产系统的调度。参见：A.Baker，A survey of factory control algorithms that can be implementedin a multi-agent heterarchy：dispatching，scheduling，and pull，J.of Manufacturing Systems，1998，17(4)：297-320。

规则调度的缺点在于其不能保证最优解，在很多情况下甚至不能保证满意解，主要原因在于：规则调度缺乏调度目标函数以及针对目标函数的优化控制手段。调度规则一旦确定，生产设备和待加工工件的排序方法随之确定，因此，基于规则的调度不能根据系统运行状态和运行性能实时调整生产设备和待加工工件的排序方法，不能根据系统实际运行情况优化生产过程，特别是不能针对当前调度目标函数优化生产过程。另一方面，现有规则调度没有充分利用工件的工艺顺序规划柔性和工件的加工路径柔性，因而决策空间小，可供选择的调度方案少，不利于形成更好的调度方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能克服上述缺陷的带状态性能反馈的规则调度方法，该方法可以根据系统运行状态和运行性能实时调整生产设备和待加工工件的排序方法，可以根据系统实际运行情况优化生产过程，特别是针对当前调度目标函数优化生产过程；本发明还可以使得在调度过程中可以充分利用工件的工艺顺序规划柔性和工件的加工路径柔性，形成更好的调度方案；本发明还提供了实现该方法的调度系统。

本发明提供的一种带状态性能反馈的规则调度方法，依次包括如下步骤：

(1)根据生产任务制定调度目标函数Obj；

(2)分别为生产设备k和工件i指定调度规则r_M，k、r_J，I，k＝1，2，……，

K，i＝1，2，……，N；

(3)构造迭代反馈调度规则r_cM，k、r_cJ，I：

r_cM，k＝r_M，k+p_k1R_k+p_k2D_k+q_kT_k

r_cJ，i＝r_J，i+p_it_s，i+q_i1t_p，i/t_w，i-q_i2t_d，i

其中p_k1、p_k2为设备k的状态反馈系数，q_k为设备k的性能反馈系数，p_i为工件i的状态反馈系数，q_i1、q_i2为工件i的性能反馈系数；R_k为设备k的需求量，D_k为设备k的需求趋势，T_k为设备k的加工时间；t_s，i为工件i的平均松驰时间，t_p，i为工件i的加工时间，t_w，i为工件i的等待时间，t_d，i为工件i的延误时间；

(4)设置迭代控制参数和迭代初值：

令当前迭代次数j＝1，令最大迭代次数为N_max；

令S_opt为空，且令Obj(S_opt)为一充分大的数；

令T⁽⁰⁾ _k＝0，t⁽⁰⁾ _p，i＝t⁽⁰⁾ _w，i＝t⁽⁰⁾ _d，I＝0；

(5)将所有设备设置为空闲状态，所有工件设置为初始状态；

(6)按照下述步骤给空闲设备分配待加工工件：

(6.1)如果没有空闲设备或没有待加工工件，转步骤(7)；

(6.2)利用下述公式计算所有空闲设备的优先级；

r^(j) _cM，k＝r_M，k+p_k1R^(j) _k+p_k2D^(j) _k+q_kT^(j-1) _k

(6.3)按优先级从高到低的顺序对每台空闲设备完成：

(6.3.1)确定可在其上加工的待加工工件集合I，如果I为空集，则取优先级次之的设备空闲设备，重复本步骤；

(6.3.2)根据下式计算I中待加工工件的优先级：

r^(j) _cJ，i＝r_J，i+p_it^(j) _s，i+q_i1t^(j-1) _p，i/t^(j-1) _w，i-q_i2t^(j-1) _d，i

(6.3.3)取优先级最高的工件给该空闲设备加工；

(6.3.4)判断是否还有空闲设备，如果有，进入步骤(6.3.1)，否则，进入步骤(7)；

(7)如果所有工件加工完毕，转步骤(8)；否则，前进一单位时间，转步骤(6)；

(8)本次迭代结束，计算本次迭代系统运行性能，计算调度目标函数值Obj(S^(j))，j为当前迭代次数。如果Obj(S^(j))＜Obj(S_opt)，则S_opt＝S^(j)；

(9)令j＝j+1，如果j≤N_max，转入步骤(5)，否则进入步骤(10)；

(10)停止迭代，输出最优调度结果，该结果可以直接用于相同生产任务的调度。

实现上述方法的调度系统，包括中央控制器、装卸站、系统缓冲站、自动轨道小车和加工设备，其特征在于：

所述加工设备均带有设备控制器；

毛坯经装卸站进入系统缓冲站等待加工，成品经装卸站退出系统；

系统缓冲站用于暂时存放工件，它设有缓冲站控制器；系统缓冲站设有物理工位，每个物理工位上设置一个托盘，托盘上装夹有待加工工件；缓冲站控制器中记录着物理工位相对于系统缓冲站绝对原点的相对位置，同时还记录着物理工位的状态；

自动轨道小车可以在装卸站、系统缓冲站和加工设备之间运动，其上附有托盘自动取/放机构；

装卸站、系统缓冲站和加工设备上均设有托盘交换工位，每个托盘交换工位处安装有位置指示元件，安装在自动轨道小车上的位置检测元件可以检测到每个托盘交换工位，从而实现自动轨道小车的精确定位；

中央控制器分别与装卸站显示装置、装卸站输入装置、自动轨道小车、系统缓冲站控制器和生产设备控制器相连，控制各部件工作。

本发明涉及的调度方法和系统中，在现有规则调度的基础上，增加了系统运行状态、运行性能反馈，通过反馈机制，实时调整生产设备和待加工工件的排序方法，控制生产系统中的物流，使待加工工件对生产设备的需求量与生产设备的加工能力相匹配，减轻或消除系统瓶颈设备效应，优化生产运行，从而克服了现有规则调度方法存在的问题。同时，本发明还提供了一种实现生产管理者生产目标、优化指定运行性能的技术手段，即根据生产管理者当前最关心的系统性能指标建立调度目标函数，在反馈调度规则的基础上，以迭代优化方式，逐步提高系统在调度目标函数意义下的运行性能。这一点在实际生产调度中具有重要意义，生产管理员可以根据其最关心的性能指标制定当前生产任务的调度目标函数，则本调度方法和调度系统可最大限度地优化相关系统运行性能。

本发明提出的调度方法，分别对三个调度目标函数：Obj1(工件延误时间最小)，Obj2(设备利用率最大)和Obj3(工件延误时间最小且设备利用率最大)进行测试，并与现有规则调度方法进行比较，实验结果的统计分析表明：以工件延误时间最小为调度目标时，与现有规则调度方法相比，在0.001显著水平下(t-测试)，本方法可以减少工件延误时间96.7％以上，而设备利用率略有提高(＜2％)。以设备利用率最大为调度目标函数时，与现有规则调度方法相比，在0.001显著水平下(t-测试)，本方法可以提高设备利用率3.2％以上，而工件延误时间仅减少2.2％。以工件延误时间最小且设备利用率最大为调度目标函数时，与现有规则调度方法相比，在0.001显著水平下(t-测试)，本方法可以减少工件延误时间93.5％以上，提高设备利用率4％以上。本发明测试结果显示：对于给定调度规则，本调度方法的性能总体上优于现有规则调度方法。

附图说明

图1为扩展工艺顺序规划树；

图2为带状态性能反馈的规则调度原理示意图；

图3为本发明调度方法在决策时刻的决策流程示意图；

图4为一种生产系统的设备组成和布局模型；

图5为调度系统的通信连接示意图。

具体实施方式

生产系统中，生产设备M具有一定的加工能力，可以完成一定的加工操作。工件是被加工对象，工件的加工可以分为若干不同的加工操作，每个加工操作，称为工件的一道工序Op。工件加工过程中，一些工序必须在另一些工序之前完成，即对工序的加工顺序有一定要求。工件的一个可行的工序加工顺序称为工件的一个工艺顺序规划。当一个工件存在多于一种可行的工艺顺序规划时，称该工件有多种工艺顺序规划，或该工件具有工艺顺序规划柔性。

工件的每道工序，可以在一台或多台生产设备上加工，但在同一时刻，一个工件至多只能在一台设备上加工。工件的一道工序在不同生产设备上加工时，所需加工时间不尽相同。为完成工件的加工，必须根据工件的工艺顺序规划要求，依次加工工件的每道工序，为此，工件必须以一定的顺序访问生产设备并在设备上加工。工件在系统中访问生产设备的顺序，称为工件的加工路径。如果工件的一道工序可以在多台生产设备上完成加工，则工件在生产系统中存在多种加工路径，称为工件的加工路径柔性。

此外，由于生产工艺的要求，不同的工件可能具有不同的加工路径，且同一工件可能多次访问同一生产设备。

从上面的讨论可知，本发明未对生产过程赋予任何附加限制，是最一般的生产过程，因此，本发明提出的调度方法和调度系统具有广泛的适应性，既适合于产品批量小、产品品种多、物流过程复杂的生产系统调度，如柔性制造系统的调度，也适合于大批量生产系统、流水生产系统、单件作业生产系统以及可重入生产系统的调度。

本发明提出的调度方法和调度系统，旨在根据扩展工艺顺序规划树，借助状态、性能反馈，以调度目标函数作为优化指标，合理安排工件工序的加工，提高生产系统运行性能。

本发明提出一种扩展工艺顺序规划树(图1)模型并用于表示工件的工艺顺序规划柔性和工件的加工路径柔性，图中，一个结点代表一道工序，用Op表示，{}内元素的数目代表生产系统的设备数，{}内的数字序列表示该工序与生产系统中设备的关系，其中“-1”表示该工序不能在此设备上加工，正数表示该工序可以在此设备上加工且数值的大小表示所需加工时间。例如Op1{10，-1，-1，-1，14，-1，-1，-1，-1，-1}，表示生产系统中共有10台设备，工序Op1可以在设备1和设备5上加工，且所需加工时间分别为10、14个单位时间。

从根结点到叶子结点的一条路径称为工件的一个工艺顺序规划方案。对于图1所示工件，该工件由4道工序组成，即Op1，Op2，Op3和Op4，工件的加工存在3种可行的工艺顺序规划，即：

(1)Op1→Op3→Op4→Op2；

(2)Op1→Op4→Op3→Op2；

(3)Op1→Op4→Op2→Op3。其中工艺顺序规划(1)表示：Op1加工完后，才能加工Op3；Op3加工完后，才能加工Op4；Op4加工完后，才能加工Op2；余此类推。

由于Op1、Op4均可在两台设备上加工，因此，对于任意一个工艺顺序规划，该工件在生产系统中有4种可行的加工路径，例如，对于工艺顺序规划(1)，该工件的4种可行加工路径为：

(1)M1→M2→M4→M3

(2)M1→M2→M8→M3

(3)M5→M2→M4→M3

(4)M5→M2→M8→M3

采用扩展工艺顺序规划树，可以表示工件的工艺顺序规划柔性和工件的加工路径柔性，使得在规则调度过程中能有效地利用系统、工件的柔性，形成更好的调度方案。

规则调度旨在在每一个决策时刻，为每一台空闲设备安排一道合适工序，例如，对于图1所示工件，当Op1加工完毕后，下一道加工工序可以选择Op3或Op4。Op3可以在设备M2上加工，所需加工时间为30单位时间；而Op4可以在设备M4和M8上加工，所需加工时间分别为24、31单位时间。具体选择哪一道工序以及该工序安排在哪一台设备上加工，则由调度规则决定。本发明中，采用带状态、性能反馈的调度规则决定设备、工件的优先级，选择优先级高的设备加工优先级高的工件，从而完成生产调度。

生产系统运行过程中，刻画系统中设备和工件运行属性的变量称为系统状态变量。对于状态变量，主要关心其在整个调度周期中的变化过程，而不是仅仅关心其在调度结束时刻的值。生产系统运行状态分为设备状态和工件状态。

反映待加工工件对各生产设备需求情况的量称为设备状态变量。设备状态变量包括设备需求量和设备需求趋势。

t时刻，生产系统中所有待加工工件对生产设备Mk的需求量称为设备k的需求量，记为R_k(t)。设备需求量由下式计算：

R_k(t)＝|{J_i(t)}|                  (式1a)其中：J_i(t)表示在t时刻可以在生产设备Mk上加工的工件，{}表示集合，||表示集合的基。

对于图1所示工件，设t时刻该工件已进入系统且尚未加工，则该工件可以在设备M1和M5上加工，对这两台设备有需求；如果该工件的工序Op1已加工完毕，则下一道工序可选择Op3或Op4，其中Op3可以在设备M2上加工，而Op4可以在设备M4或M8上加工，因此该工件对设备M2、M4和M8有需求。根据扩展工艺顺序规划树，可以计算所有待加工工件对设备的需求，从而可以计算对每台空闲设备的需求量。

设备需求与设备前待加工工件队列长度是不同的概念。队列长度表示已分配给该设备，但尚未加工的工件数；而设备需求量表示系统中工件对该设备的潜在需求。由于工件存在工艺顺序规划柔性和加工路径柔性，所以这些工件可能分配给该设备加工，也可能分配给其它设备加工。

未来一段时间内待加工工件对设备Mk需求量的变化趋势称为设备k的需求趋势，记为D_k(t)。设可以用连续可导函数F_k(t)拟合设备需求量R_k(t)，则设备需求趋势为：

$D_k\left(t\right)=\frac{d}{\mathrm{dt}}{F}_k\left(t\right)$ (式1b)

生产系统中反映被加工工件属性的量称为工件状态变量。工件状态变量主要包括工件i的平均松弛时间(t_s，i)，其计算方法如下：

$t_{s,i}=\frac{d_i-t-t_{r,i}}{n_{r,i}}$ (式1c)

式中，t为当前时刻，d_i为工件i的计划交货时间，t_r，i为工件i的未加工工序所需总加工时间的期望值，n_r，i为工件i的未加工工序数。

本发明定义的系统状态变量为：

$x=\left[\begin{array}{c}R\\ D\\ t_s\end{array}\right]$   (式1d)

其中，R＝[R₁，R₂，......，R_K]^T，D＝[D₁，D₂，......，D_K]^T，t_s＝[t_s，1，t_s，2，......，t_s，N]^T，K为系统中的生产设备数，N为系统的工件数。

生产系统运行性能指标是衡量生产系统运行情况的评价标准。对于运行性能，主要关心其在生产周期结束时刻的值，而非其在整个生产周期中的变化过程。生产系统运行性能指标可以分为两大类：设备关联指标和工件关联指标，其中工件关联指标又可分为工件完工指标和工件流动指标。

评价生产系统中设备运行性能的指标称为设备关联指标，度量设备关联指标的关键因素为设备在整个调度周期内的加工时间。设备关联指标主要包括系统中设备的平均利用率(U)和设备负荷不平衡率(B)，其计算方法如下：

$U=\left(\frac{1}{\mathrm{KT}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{T}_k\right)\×100\%$ (式2a)

$B=\left(\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\right|T_k-\frac{1}{K}\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{T}_j\left|\right)\×100\%$ (式2b)

其中，T为调度周期，T_j、T_k分别为设备j、k的加工时间(包括被加工工件装卸时间，以下同)。

设备负荷不平衡率是衡量设备相对负荷的重要指标。当负荷不平衡率大时，表明生产系统中设备负荷分布不均匀，存在瓶颈设备，系统生产率受这些瓶颈设备生产率的限制；当负荷不平衡率小时，表明系统中设备负荷分布均匀。

评价生产系统中被加工工件完工情况的指标称为工件完工指标，度量工件完工指标的关键因素是工件延误时间。工件完工指标也称为工件相对指标，它们的评价标准是相对工件的计划交货时间而言的，这些指标反映了系统对市场变化的响应能力，是衡量企业竞争力的重要指标。工件完工指标主要包括平均工件延误时间(t_d)、最大工件延误时间(t_d，max)和延误工件数(N_d)，它们的计算方法如下：

$t_d=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(\max \right\{t_{d,i},0\left\}\right)$ (式2c)

t_d，max＝max{max{t_d，i}，0}    (式2d)

N_d＝|{i，t_d，i＞0}|            (式2e)

其中：t_d，i为工件i的提前/拖期时间，定义为：

t_d，i＝t_c，i-d_i

其中：t_c，i为工件i的完工时间，d_i为工件i的计划交货时间。

评价被加工工件在生产系统中流动状态的指标称为工件流动指标，度量工件流动指标的关键因素是工件加工时间和工件等待时间。工件流动指标也称为工件绝对指标，它们反映了工件在加工过程中的绝对状态，这些指标反映了生产系统的生产效率，与生产成本有关。工件流动指标主要包括工件平均加工时间(t_p)、工件平均等待时间(t_w)和工件最大通过时间(t_t，max)，其计算方法如下：

$t_p=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{p,i}$   (式2f)

$t_w=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{w,i}$   (式2g)

t_t，max＝max{t_p，i+t_w，i}             (式2h)

其中：N为系统的工件数，t_p，i为工件i的加工时间(含装卸时间，以下同)，t_w，i为工件i的等待时间。

表一给出了生产系统运行性能典型评价指标及度量这些指标的关键因素。从表一可以看出，虽然评价生产系统运行性能的指标很多，但度量运行性能的关键因素为：在整个生产周期内，生产设备的加工时间(T_k)，工件加工时间(t_p，i)、工件等待时间(t_w，i)和工件延误时间(t_d，i)。本发明涉及的调度方法中，定义性能反馈变量为：

y＝[T₁…T_Kt_p，1…t_p，Nt_w，1…t_w，Nt_d，1…t_d，N]^T       (式2i)

表1

生产系统运行性能主要评价指标			度量性能指标的关键因素
				设备关联指标		平均设备利用率(U)	设备加工时间(Tk)
设备负荷不平衡率(B)
	工件关联指标	工件完工指标	平均工件延误时间(td)			工件延误时间(td，i)
最大工件延误时间(td，max)
			延误工件数(Nd)
工指 件标 流动				工件平均加工时间(tp)	工件加工时间(tp，i)工件等待时间(tw，i)
		工件平均等待时间(tw)

工件最大通过时间(tt，max)

本发明提出的调度方法在现有规则调度的基础上，引入状态、性能反馈，从而构成反馈调度规则，其原理如图2所示。图中，T_ask为生产系统1欲完成的任务，r为生产管理者H指定的调度规则矢量，r_c为反馈调度规则矢量，Obj为生产管理者H制定的调度目标，x为系统运行状态矢量，y为系统运行性能反馈矢量。

设P，Q分别为状态、性能反馈系数矩阵，则反馈调度规则的矩阵表达式为：

r_c＝r+Px+Qy              (式3)

上式给出了带状态性能反馈的规则调度方法的反馈调度规则的通用矩阵表达形式。根据具体的生产系统，可以选择不同的系统状态和运行性能，从而构成相应的反馈调度规则。

本发明调度算法中，对于设备k，带状态、性能反馈的调度规则为：

r_cM，k＝r_M，k+p_k1R_k+p_k2D_k+q_kT_k                 (式3a)

对于待加工工件i，带状态、性能反馈的调度规则为：

r_cJ，i＝r_J，i+p_it_s，i+q_i1t_p，i/t_w，i-q_i2t_d，i     (式3b)其中，r_M，k、r_J，i表示生产管理者分别为设备k指定的调度规则、为工件i指定的调度规则，p_k1、p_k2为设备k的状态反馈系数，q_k为设备k的性能反馈系数，p_i为工件i的状态反馈系数，q_i1、q_i2为工件i的性能反馈系数。上式的一个简化情况为：为所有设备指定一个调度规则r_M，为所有工件指定一个调度规则r_J，在此基础上再构成反馈调度规则。一个更为简化的情况为：为所有设备和工件指定一个调度规则。

令：r_c＝[r_cM，1r_cM，2…r_cM，Kr_cJ，1r_cJ，2…r_cJ，N]^T

r＝[r_M，1r_M，2…r_M，Kr_J，1r_J，2…r_J，N]^T

x＝[R₁R₂…R_KD₁D₂…D_Kt_s，1t_s，2…t_s，N]^T

y＝[T₁T₂…T_Ku₁u₂…u_Nt_d，1t_d，2…t_d，N]^T，(其中u_i＝t_p，i/t_w，i)

则(式3a)和(式3b)可以表示为(式3)形式的矩阵表达式。

式3a、式3b中的反馈系数反映了对应状态、性能对排序规则的相对影响程度，一般情况下，状态、性能反馈系数可以简单地设置为1，如果需要加强对某运行性能的优化，则可增加和减少对应的状态、性能反馈系数。如：假设某生产任务对交货时间要求非常严格，则可以增加(式3b)中的q_2i。特别地，当反馈系数为0时，表示调度规则与对应的反馈变量无关。

在任意一决策时刻，根据(式3a)计算空闲设备的优先级，按优先级从高到低的顺序，分别确定可在某台空闲设备上加工的待加工工件，并根据(式3b)计算待加工工件的优先级，将优先级最高的待加工工件分配给该设备加工。生产系统的规则调度，就是反复应用这一步骤，在每一决策时刻，将合适的工件分配给合适的设备加工，直到所有工件加工完毕。

在优先级计算中，r_cM，k的值越小，对应设备的优先级越高；r_cJ，i的值越小，对应工件的优先级越高。

根据(式3a)、(式3b)计算空闲设备、待加工工件的优先级时，由于优先级计算公式中引入了状态反馈，因此，设备和工件的优先级计算方法不是固定不变的，优先级的计算和系统运行状态相关，从而提供了一种根据系统运行状态实时调整设备、工件优先级排序方法的技术手段。同时，(式3a)和(式3b)中还引入了系统运行性能反馈，从而提供了一种根据系统上次运行性能调整设备、工件优先级排序方法的迭代优化手段。

反馈规则调度对生产系统中物流的控制过程如下：当设备k利用率较低时，T_k下降，通过反馈控制，r_k下降，设备k的优先级上升，因此设备k能获得更多的工件，提高其利用率。类似地，当预计工件i无法按期完工时，t_d，i上升，通过反馈控制，r_i下降，工件i的优先级上升，使其能提前加工。

系统运行性能是对系统运行情况的客观评价，而调度目标则是生产管理者对系统特定运行性能的追求。调度目标反映了生产管理者的主观意愿，因此，不同的生产管理者往往具有不同的调度目标，即使是同一生产管理者，其调度目标也会随生产任务、生产周期的改变而改变。调度目标反映了生产管理者当前最关心的系统运行性能，因此，生产过程优化应围绕调度目标进行，即重点优化调度目标中包含的系统运行性能。实际生产调度中，调度目标可表示为系统运行性能和系统运行状态的函数。常见的调度目标函数有：生产周期最短、工件延误时间最短、设备利用率最高、设备负荷不平衡率最小等，调度目标函数也可能是上述若干指标的加权和。

本发明提出的调度系统和调度方法，提供了一种技术手段，通过调节反馈调度规则中的状态、性能反馈系数，优化调度目标函数中出现的系统运行性能，具体调节方法如下：对于调度目标函数中出现的状态、性能变量，则在反馈调度规则中增大这些变量的反馈系数。如：当调度目标函数为工件延误时间最小，或调度目标函数中包含工件延误时间变量时，则增大(式3b)中反馈系数q_i2，使反馈调度规则对工件延误时间更敏感。

此外，当系统存在调度目标函数时，本调度方法还采用如下迭代优化策略，不断优化生产过程。

r^(j) _cM，k＝r_M，k+p_k1R^(j) _k+p_k2D^(j) _k+q_kT^(j-1) _k          (式4a)

r^(j) _cJ，i＝r_J，i+p_it^(j) _s，i+q_i1t^(j-1) _p，i/t^(j-1) _w，i-q_i2t^(j-1) _d，i   (式4b)

S_opt＝S^(j)，当Obj(S^(j))＜Obj(S_opt)时                                 (式4c)式中，上标j表示迭代次数。r^(j) _cM，k、r^(j) _cJ，i分别表示第j次迭代中设备k、工件i采用的反馈调度规则，即在各决策点时刻，根据此调度规则确定生产设备和工件的优先级。S^(j)为根据反馈调度规则r^(j) _cM，k和r^(j) _cJ，i得到的第j次迭代时系统解，即在每一台生产设备上完成的工序队列和加工每道工序的开始时间和结束时间。S_opt为系统最优解。Obj为调度目标函数，Obj(S)表示当系统调度解为S时系统的目标函数值。首次迭代时，定义S_opt为空，且定义Obj(S_opt)的初值为一充分大的正数，如1000，10000等。这里，第j次迭代调度中，计算设备、工件优先级的方法不仅与系统当前状态有关，而且还与第(j-1)次系统的运行性能相关，从而提供了一种根据系统上次运行性能调节设备、工件优先级计算方法的迭代优化手段。

设生产系统共有K台加工设备，现需要完成包含N个工件的生产任务，且已知该生产任务中每个工件的交货时间d_i，已知该生产任务中每一个工件的扩展工艺顺序规划树，则应用本发明实现生产调度的具体步骤如下：

1.根据生产任务制定调度目标函数Obj

如果该生产任务交货时间紧或延期交货将受处罚，可选式2c、式2d或式2e为调度目标，即：

$\mathrm{Obj}=\min t_d=\min \frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(\max \right\{t_{d,i},0\left\}\right),$ 或

Obj＝mint_d，max＝min(max{max{t_d，i}，0})，或

Obj＝minN_d＝min|{i，t_d，i＞0}|

如果该生产任务交货时间宽松，则可选式2a或式2b为调度目标，即：

$\mathrm{Obj}=\max U=\max \left(\frac{1}{\mathrm{KT}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{T}_k\right)\×100\%,$ 或

$\mathrm{Obj}=\min B=\min \left(\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\right|T_k-\frac{1}{K}\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{T}_j\left|\right)\×100\%$

也可选式2f、式2g或式2h为调度目标，即：

$\mathrm{Obj}=\min t_p=\min \frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{p,i},$ 或

$\mathrm{Obj}=\min t_w=\min \frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{w,i},$ 或

Obj＝mint_t，max＝min(max{t_p，i+t_w，i})

调度目标函数可以是若干性能的加权和，以便获得较好的综合性能。例如，当同时要求保证工件交货期和提高设备的利用率时，则调度目标函数可设为：

$\mathrm{Obj}=\min (c_1{t}_d-c_{2}U)=\min (c_1{t}_d-c_2\left(\frac{1}{\mathrm{KT}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{T}_k\right)\×100\%)$

其中c₁、c₂为常数，如果交货期更重要，可取较大的c₁，如果设备利用率更重要，可取较大的c₂。

2.分别为生产设备k和工件i指定调度规则r_M，k、r_J，i。也可采用简化处理方法：为所有设备指定一个调度规则r_M，为所有工件指定一个调度规则r_J。也可采用更简单的方法：为所有设备和工件指定同一个调度规则r。一般可选常用的调度规则，如：剩余加工时间最长优先、剩余加工时间最短优先、剩余工序数最多优先、剩余工序数最少优先、交货期最早优先、松弛时间最短优先、加工效率最高优先等；

3.分别设置迭代反馈调度规则(式4a)和(式4b)中的状态、性能反馈系数：

p_k1＝p_k2＝q_k＝1，k＝1，2，……，K

p_i＝q_i1＝q_i2＝1，i＝1，2，……，N

如果调度目标函数中包含设备利用率或设备负荷不平衡率，则增大q_k；如果调度目标函数中包含平均工件延误时间，或包含最大工件延误时间，或包含延误工件数，则增大q_i2；如果调度目标函数中包含工件平均加工时间，或包含工件平均等待时间，或包含工件最大通过时间，则增大q_i1。

4.设置迭代控制参数和迭代初值，即：

令当前迭代次数j＝1，令最大迭代次数为N_max；

令S_opt为空，且令Obj(S_opt)为一充分大的数(1000或10000等)；

令T⁽⁰⁾ _k＝0，k＝1，2，……，K；

令t⁽⁰⁾ _p，i＝t⁽⁰⁾ _w，i＝t⁽⁰⁾ _d，I＝0，i＝1，2，……，N

5.所有设备设置为空闲状态，所有工件设置为初始状态。

6.根据图3所示子程序算法给空闲设备分配待加工工件。

7.如果还有未完成工件，则前进一单位时间，转步骤6。

8.结束本次迭代，并根据(式2a)——(式2h)计算本次迭代系统运行性能，计算调度目标函数值Obj(S^(j))，j为当前迭代次数，如果Obj(S^(j))＜Obj(S_opt)，则S_opt＝S^(j)。

9.迭代次数加1，如果j≤N_max，转步骤5，进入下一次迭代。

10.停止迭代，并输出最优调度结果S_opt和对应的调度目标函数Obj(S_opt)值。

图4为实现本发明调度算法的一个生产系统的设备组成和布局模型(生产系统1)，图5为该系统的通信连接示意图。

生产系统1中，根据工件的加工状况，可以将工件分为毛坯R、半成品、成品F。毛坯在装卸站4处，经人工装夹在标准托盘P上，进入生产系统1等待加工；成品在装卸站4处，经人工取下退出生产系统1。装卸站4设置有一显示装置2，用于接收并显示中央控制器8的输出命令，提示操作工人当前应完成的操作类型：即取下装卸站4处托盘P上的成品，并按中央控制器8的命令要求在该托盘上以指定方式装夹指定类型的毛坯。在装卸站4处还有一输入装置3，用于操作者向中央控制器8发送信息，通知中央控制器8：装卸站处托盘上的成品已取下并已按要求装夹了新的毛坯，毛坯可以由自动轨道小车9载入生产系统1进行加工。

系统缓冲站6用于暂时存放工件。缓冲站上设有一定数量的物理工位7a、7b、7c、……，每个物理工位上可以设置一个托盘P，托盘P上装夹有待加工工件。在系统缓冲站控制器5中，记录着物理工位相对于系统缓冲站6绝对原点的相对位置，同时还记录着物理工位的状态(上面有无托盘、托盘上有无工件、托盘的编号及托盘上工件的编号)。根据缓冲站控制器5的命令，缓冲站可以将指定的物理工位移动到缓冲站托盘交换工位S02、S03或S04处，为托盘取/放操作做好准备。缓冲站控制器5通过局域网LAN与中央控制器8连接，可以接收中央控制器8的命令，也可以将系统缓冲站6的状态信息反馈到中央控制器8。

自动轨道小车9可在轨道10上运动，小车9上附有托盘自动取/放机构，可以完成托盘取/放操作。生产系统1中，在每个托盘交换工位S01，S02，S03，…，S15安装有位置指示元件，安装在自动轨道小车(9)上的位置检测元件可以检测到每个托盘交换工位，从而实现自动轨道小车(9)的精确定位。小车通过无线通信装置A接收中央控制器8的命令并返回小车的状态信息。根据中央控制器8发出的命令，自动轨道小车9可以运动到指定的托盘交换工位S01，S02，S03，…，S15并完成托盘取/放操作，因此毛坯、半成品、成品通过自动轨道小车9可以在装卸站4、系统缓冲站6和生产设备M1，M2，M3，…之间移动。

在生产系统1中，有若干台生产设备M1，M2，M3，…，不同的生产设备具有不同的加工能力，可以完成不同工序的加工。设备具有三种状态，即加工状态、空闲状态、故障(包括计划检修)状态。每台设备有一设备控制器C1，C2，C3，…，负责监测、控制该设备的运行。设备控制器C1，C2，C3，…通过局域网LAN和中央控制器8连接，可以接收中央控制器8下传的命令和数控加工程序，并完成相应的加工任务，也可以将设备状态上传到中央控制器8。

中央控制器8由计算机、输入输出电路、通信装置及相应调度软件等组成，负责生产系统运行状态监测和系统运行控制。

中央控制器8经输出、输入接口分别与装卸站显示装置2、装卸站输入装置3相连，经无线通信装置A与自动轨道小车9相连，经局域网LAN与系统缓冲站控制器5和生产设备控制器C1，C2，C3，…相连。

中央控制器8存储生产任务中所有工件的交货期及其扩展工艺顺序规划树，并根据本发明提出的调度方法，运行调度程序，实现对生产系统1的调度控制，即：控制迭代循环，并判断全部迭代是否结束，如果结束，则输出系统最优调度结果。在每一个迭代循环中，实时记录系统中每一个工件的状态，即工件是处在加工状态还是待加工状态，工件最近刚加工完(或正在加工)的工序。此外还实时记录每一台设备的状态，即设备是处在加工状态、空闲状态还是故障状态，每台设备完成的加工工序和工序的开始时间和结束时间。在每一个决策时刻，根据反馈调度规则，确定将哪一个工件的哪一道工序分配给哪一台设备加工，当完成一次任务分配后，实时更改系统中相关工件和设备的状态，并向有关设备发出托盘(工件)交换命令。

中央控制器8发出的托盘(工件)交换命令格式如下：

LD Pxx Sxx；在托盘交换工位Sxx取托盘Pxx

UL Pxx Sxx；在托盘交换工位Sxx存托盘Pxx

当完成一次任务分配后，即确定将某工件(如工件i)的某道工序分配给某台设备(如设备k)加工后，中央控制器8将向系统缓冲站控制器5发出取托盘(工件i)命令，缓冲站控制器5收到该命令后将缓冲站中载有工件i的托盘移动到托盘交换工位S02、S03或S04，等待自动轨道小车9取托盘。同时，中央控制器8将向自动轨道小车9发出取托盘命令，小车9收到该命令后即运动到指定的缓冲站托盘交换工位取出托盘。此后，中央控制器8将再向自动轨道小车9发出存托盘命令，小车9收到该命令后即将载有工件i的托盘存放到设备k处，供其加工。

此外，当一台设备加工完一道工序后，如果该工件还有未完成工序，或该工件所有工序全部加工完毕但目前装卸站上有托盘，则中央控制器8向自动轨道小车9发出取托盘命令，将该设备中的托盘以及装夹在托盘上的工件取出，并向自动轨道小车和系统缓冲站发送存托盘命令，将该托盘以及装夹在托盘上的工件送至系统缓冲站6暂存。如果该工件所有工序全部加工完毕且目前装卸站空闲，则中央控制器8先后向自动轨道小车9发出取托盘命令和存托盘命令，将该设备中的托盘以及装夹在托盘上的工件取出，送至系统装卸站，并向装卸站输出显示信息，通知操作工人卸下托盘上的成品并按要求装夹新毛坯。

如果系统缓冲站6存在已经加工完毕的成品，则中央控制器8通知自动轨道小车9将该成品取出并送至装卸站4。同时，中央控制器8向装卸站显示装置2输出命令，通知装卸站4处的操作工人取下托盘上的成品并按要求装夹新的毛坯。如果系统缓冲站6中有空闲托盘，则中央控制器8通知自动轨道小车9将该托盘取出并送至装卸站4。同时，中央控制器8向装卸站显示装置2输出命令，通知装卸站4处的操作工人按要求装夹新的毛坯。

毛坯在装卸站4处装夹完毕后，操作工人通过装卸站输入装置3发出信号，中央控制器8收到信号后控制自动轨道小车9将毛坯取走并送至系统缓冲区6等待加工。

该生产系统的一个相似系统为：在生产系统1的基础上，增加系统输入缓冲站和系统输出缓冲站。输入缓冲站用于存放毛坯，输出缓冲站用于存放成品。该生产系统的另一个相似系统为：在每台生产设备M1，M2，M3，…前，根据需要可以增加局部缓冲站，类似地，局部缓冲站也可以分为输入缓冲站和输出缓冲站。

Claims (7)

1.一种带状态性能反馈的规则调度方法，依次包括如下步骤：

(1)根据生产任务制定调度目标函数Obj；

(2)分别为生产设备k和工件i指定调度规则r_M，k、r_J，I，k＝1，2，……，K，i＝1，2，……，N；

(3)构造迭代反馈调度规则r_cM，k、r_cJ，I：

r_cM，k＝r_M，k+p_k1R_k+p_k2D_k+q_kT_k

r_cJ，i＝r_J，i+p_it_s，i+q_i1t_p，i/t_w，i-q_i2t_d，i

其中p_k1、p_k2为设备k的状态反馈系数，q_k为设备k的性能反馈系数，p_i为工件i的状态反馈系数，q_i1、q_i2为工件i的性能反馈系数；R_k为设备k的需求量，D_k为设备k的需求趋势，T_k为设备k的加工时间；t_s，i为工件i的平均松驰时间，t_p，i为工件i的加工时间，t_w，i为工件i的等待时间，t_d，i为工件i的延误时间；

(4)设置迭代控制参数和迭代初值：

令当前迭代次数j＝1，令最大迭代次数为N_max；

令S_opt为空，且令Obj(S_opt)为一充分大的数；

令T⁽⁰⁾ _k＝0，t⁽⁰⁾ _p，i＝t⁽⁰⁾ _w，i＝t⁽⁰⁾ _d，I＝0；

(5)将所有设备设置为空闲状态，所有工件设置为初始状态；

(6)按照下述步骤给空闲设备分配待加工工件：

(6.1)如果没有空闲设备或没有待加工工件，转步骤(7)；

(6.2)利用下述公式计算所有空闲设备的优先级；

r^(j) _cM，k＝r_M，k+p_k1R^(j) _k+p_k2D^(j) _k+q_kT^(j-1) _k

(6.3)按优先级从高到低的顺序对每台空闲设备完成：

(6.3.1)确定可在其上加工的待加工工件集合I，如果I为空集，则取优先级次之的设备空闲设备，重复本步骤；

(6.3.2)根据下式计算I中待加工工件的优先级：

r^(j) _cJ，i＝r_J，i+p_it^(j) _s，i+q_i1t^(j-1) _p，i/t^(j-1) _w，i-q_i2t^(j-1) _d，i

(6.3.3)取优先级最高的工件给该空闲设备加工；

(6.3.4)判断是否还有空闲设备，如果有，进入步骤(6.3.1)，否则，进入步骤(7)；

(7)如果所有工件加工完毕，转步骤(8)；否则，前进一单位时间，转步骤(6)；

(8)本次迭代结束，计算本次迭代系统运行性能，计算调度目标函数值Obj(S^(j))，j为当前迭代次数。如果Obj(S^(j))＜Obj(S_opt)，则S_opt＝S^(j)；

(9)令j＝j+1，如果j≤N_max，转入步骤(5)，否则进入步骤(10)；

(10)停止迭代，输出最优调度结果，该结果可以直接用于相同生产任务的调度。

2.根据权利要求1所述的调度方法，其特征在于：步骤(1)按以下方式制定调度目标函数Obj：

如果该生产任务交货时间紧或延期交货将受处罚，则选择下列公式之一为调度目标函数，即：

$\mathrm{Obj}=\min t_d=\min \frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(\max \right\{t_{d,i},0\left\}\right),$ 或

Obj＝mint_d，max＝min(max{max{t_d，i}，0})，或

Obj＝minN_d＝min|{i，t_d，i＞0}|

如果该生产任务交货时间宽松，则选择下列公式之一为调度目标函数，即：

$\mathrm{Obj}=\max U=\max \left(\frac{1}{\mathrm{KT}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{T}_k\right)\×100\%,$ 或

$\mathrm{Obj}=\min B=\min \left(\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\right|T_k-\frac{1}{K}\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{T}_j\left|\right)\×100\%,$ 或

$\mathrm{Obj}={\min t}_p=\min \frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{p,i},$ 或

$\mathrm{Obj}={\min t}_w=\min \frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{w,i},$ 或

Obj＝mint_t，max＝min(max{t_p，i+t_w，i})

当同时要求保证工件交货期和提高设备的利用率时，则调度目标函数设为：

$\mathrm{Obj}=\min (c_1{t}_d-c_{2}U)=\min (c_1{t}_d-c_2\left(\frac{1}{\mathrm{KT}}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{T}_k\right)\×100\%)$

其中c₁、c₂为常数，t_d为平均工件延误时间，K为系统中的生产设备数，T为调度周期，T_k为设备k的加工时间。如果交货期更重要，可取较大的c₁，如果设备利用率更重要，可取较大的c₂。

3.根据权利要求1所述的调度方法，其特征在于：步骤(2)中既可以为所有设备指定相同的r_M，k，也可以为不同类型的设备指定不同的r_M，k；既可以为所有工件指定相同的r_J，i，也可以为不同类型的工件指定不同的r_J，i；而且，还可以为所有设备和所有工件指定相同的r_M，k、r_J，i。

4.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：其中还包括确定度量系统运行性能关键因素的方法，具体包括：度量设备关联性能的关键因素为设备加工时间，度量工件完工性能的关键因素为工件延误时间，度量工件流动性能的关键因素为工件加工时间和工件等待时间。

5.根据权利要求1的方法，其特征在于：定义了待加工工件对各生产设备需求量和设备需求趋势，并给出了设备需求量和设备需求趋势的计算方法。

6.根据权利要求1的方法，其特征在于：可以描述工件的多个工艺顺序规划以及工件的多个加工路径。

7.一种实现权利要求1所述方法的调度系统，包括中央控制器(8)、装卸站(4)、系统缓冲站(6)、自动轨道小车(9)和加工设备(M1，M2，M3，…)，其特征在于：

所述加工设备均带有设备控制器(C1，C2，C3，…)；

毛坯经装卸站(4)进入系统缓冲站(6)等待加工，成品经装卸站(4)退出系统；

系统缓冲站(6)用于暂时存放工件，它设有缓冲站控制器(5)；系统缓冲站(6)设有物理工位，每个物理工位上设置一个托盘(P)，托盘(P)上装夹有待加工工件；缓冲站控制器(5)中记录着物理工位相对于系统缓冲站(6)绝对原点的相对位置，同时还记录着物理工位的状态；

自动轨道小车(9)可以在装卸站(4)、系统缓冲站(6)和加工设备(M1，M2，M3，…)之间运动，其上附有托盘自动取/放机构；

装卸站(4)、系统缓冲站(6)和加工设备(M1，M2，M3，…)上均设有托盘交换工位(S01，S02，S03，…)，每个托盘交换工位处安装有位置指示元件，安装在自动轨道小车(9)上的位置检测元件可以检测到每个托盘交换工位，从而实现自动轨道小车(9)的精确定位；

中央控制器(8)分别与装卸站显示装置(2)、装卸站输入装置(3)、自动轨道小车(9)、系统缓冲站控制器(5)和生产设备控制器(C1，C2，C3，…)相连，控制各部件工作。

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