柔性制造系統(tǒng)智能調(diào)度技術(shù)研究

         柔性制造系統(tǒng)(FMS)是一種先進(jìn)的生產(chǎn)系統(tǒng)，適合于多品種、中小批量生產(chǎn)，可迅速適應(yīng)產(chǎn)品變化，具有提高設(shè)備利用率、減少在制品庫(kù)存量、提高產(chǎn)品質(zhì)量和一致性等諸多潛在優(yōu)點(diǎn)。但是，系統(tǒng)的這些優(yōu)點(diǎn)能否充分發(fā)揮，調(diào)度軟件功能的優(yōu)劣是極為重要的因素之一。FMS調(diào)度軟件的開(kāi)發(fā)是FMS系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，調(diào)度的主要任務(wù)就是在時(shí)間和空間上合理利用系統(tǒng)的有限資源，以滿足性能指標(biāo)的要求，因此FMS調(diào)度問(wèn)題將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的有效性和柔性。
1 FMS調(diào)度的任務(wù)、目標(biāo)及策略
             作業(yè)調(diào)度的任務(wù)可分為兩類：第一類是所謂路徑規(guī)劃問(wèn)題，即根據(jù)多種優(yōu)化目標(biāo)，采用計(jì)算機(jī)的各種算法，自動(dòng)地解決加工路線的最優(yōu)化以及各類設(shè)備的利用率等問(wèn)題。它的目標(biāo)是根據(jù)一定的性能指標(biāo)，在滿足技術(shù)上的制約因素(比如：機(jī)床刀庫(kù)容量和機(jī)床生產(chǎn)能力)的條件下，從上層計(jì)劃給出的應(yīng)加工的工件中選出一個(gè)適合加工的工件集合，并將其所有工序和所需的刀具分配到各機(jī)床；第二類是動(dòng)態(tài)調(diào)度問(wèn)題，即實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地根據(jù)下級(jí)的反饋信息和實(shí)際的系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，決定下一步執(zhí)行哪一道工序。它的目標(biāo)是在整個(gè)加工過(guò)程遇到擾動(dòng)和故障時(shí)，能根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控到的實(shí)時(shí)情況修改原定的加工順序和調(diào)度系統(tǒng)的所有資源，使FMS持續(xù)、優(yōu)化地運(yùn)行。
FMS的調(diào)度對(duì)象主要包括工件調(diào)度、托盤或夾具調(diào)度、機(jī)床調(diào)度和運(yùn)輸小車(AGV)調(diào)度，有時(shí)也包括動(dòng)態(tài)刀具調(diào)度。�� 就具體調(diào)度策略而言，F(xiàn)MS調(diào)度基本上可以分為三類：
(1)周期調(diào)度策略
             在每個(gè)生產(chǎn)周期開(kāi)始前預(yù)調(diào)度好各種設(shè)備，規(guī)定它在未來(lái)時(shí)間里的加工動(dòng)作，當(dāng)生產(chǎn)周期開(kāi)始時(shí)，按調(diào)度結(jié)果執(zhí)行。
(2)連續(xù)調(diào)度策略
            每當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)使系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化的事件時(shí)(例如“工件到達(dá)”、“加工完成”)，調(diào)度系統(tǒng)設(shè)備，使系統(tǒng)得到最優(yōu)的運(yùn)行。
(3)混合調(diào)度策略
            在正常工作周期，系統(tǒng)采用周期調(diào)度策略(或稱為批調(diào)度)；在系統(tǒng)出現(xiàn)意外時(shí)，采用連續(xù)調(diào)度策略。
           周期調(diào)度策略是采用最多的調(diào)度方法，這是因?yàn)镕MS大多以周期性生產(chǎn)的形式工作，系統(tǒng)中事件(意外事件除外)的發(fā)生具有一定的周期性和可確定性。這種調(diào)度方法簡(jiǎn)單方便、可靠，易實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是要犧牲一些系統(tǒng)性能，且無(wú)法處理突發(fā)事件。連續(xù)調(diào)度策略以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)為手段，面對(duì)系統(tǒng)中層出不窮的事件進(jìn)行頻繁的動(dòng)態(tài)調(diào)度，因此它能處理突發(fā)事件，并能優(yōu)化系統(tǒng)的調(diào)度；缺點(diǎn)是對(duì)調(diào)度器的硬件和軟件要求較高，對(duì)未來(lái)事件缺乏預(yù)見(jiàn)能力，缺乏整體的概念�；旌险{(diào)度策略則可以綜合周期調(diào)度和連續(xù)調(diào)度這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)。本文研究的柔性制造系統(tǒng)中的調(diào)度正是采用了混合調(diào)度策略。在生產(chǎn)開(kāi)始初期，先按周期調(diào)度進(jìn)行預(yù)調(diào)度，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，若設(shè)備出現(xiàn)故障、有急件或新件到達(dá)、實(shí)際運(yùn)行調(diào)度結(jié)果與原調(diào)度結(jié)果偏差太大時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)用戶再調(diào)度請(qǐng)求進(jìn)行連續(xù)調(diào)度，使系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。
2 系統(tǒng)配置
           本文研究的柔性制造系統(tǒng)由3臺(tái)加工中心、1臺(tái)測(cè)量機(jī)、1臺(tái)清洗機(jī)、3臺(tái)裝卸站、10個(gè)工件緩沖站、2個(gè)刀具緩沖站、2個(gè)刀具交換站、1臺(tái)物料運(yùn)輸車和其它輔助設(shè)備構(gòu)成。工裝為9套夾具底板、10個(gè)托盤。
          3臺(tái)裝卸站中有2臺(tái)帶翻轉(zhuǎn)臺(tái)，1臺(tái)不帶。物料小車既運(yùn)送工件，也運(yùn)送刀具，即混流運(yùn)輸。�� 根據(jù)該系統(tǒng)配置可得到以下約束：�� �S在系統(tǒng)中同時(shí)運(yùn)行的工件不超過(guò)9個(gè)，其中大件不超過(guò)3個(gè)；�� �S五坐標(biāo)立式機(jī)床的作業(yè)隊(duì)列長(zhǎng)度不超過(guò)3，四坐標(biāo)和五坐標(biāo)臥式機(jī)床的作業(yè)隊(duì)列長(zhǎng)度不超過(guò)6；�� �S使用平底板的工件不可在臥式機(jī)床上加工，使用立碑底板的工件不可在立式機(jī)床上加工；�� �S使用立碑底板的工件只能在帶翻轉(zhuǎn)臺(tái)的裝卸站裝卸；�� �S五坐標(biāo)加工不能在四坐標(biāo)機(jī)床上進(jìn)行。
基于以上分析可知，投放到系統(tǒng)中的作業(yè)必須大小件區(qū)配，如果大件過(guò)多，整個(gè)柔性制造系統(tǒng)的性能肯定不佳；作業(yè)必須按立式機(jī)床、臥式機(jī)床平衡分配；作業(yè)分配必須考慮三五坐標(biāo)平衡；盡量避免同一作業(yè)在立式機(jī)床、臥式機(jī)床間流動(dòng)，除非發(fā)生設(shè)備故障。
3 柔性制造系統(tǒng)智能調(diào)度推理機(jī)
            本智能調(diào)度軟件中作業(yè)在計(jì)劃層針對(duì)于零件，在調(diào)度層針對(duì)于工序。設(shè)備利用率是指該設(shè)備的使用時(shí)間與最后一道工序離開(kāi)該設(shè)備的時(shí)間之比。設(shè)備延誤是指設(shè)備實(shí)際使用時(shí)間減去設(shè)備最早可以使用的時(shí)間。
本智能調(diào)度軟件主要功能模塊描述如下：
(1)定單輸入和接收��
           在生產(chǎn)制造系統(tǒng)中，定單管理與控制貫穿生產(chǎn)活動(dòng)的始終。定單既可以面向零件，也可以面向產(chǎn)品。從接收定單開(kāi)始到定單完成，需要解決一系列關(guān)鍵問(wèn)題：
根據(jù)系統(tǒng)加工能力，定單能否按時(shí)完成；
定單一旦被接收，應(yīng)何時(shí)開(kāi)始加工；
如何確定定單優(yōu)先順序；
定單開(kāi)始加工后，如何保證定單的完整；
如何避免定單零件的重復(fù)投放；
完成定單的處理。
(2)生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃
           作業(yè)計(jì)劃是生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，通過(guò)計(jì)劃可以控制定單的執(zhí)行，并向物流系統(tǒng)提出毛坯需求計(jì)劃，向刀流系統(tǒng)提出刀具需求單。生產(chǎn)計(jì)劃是按設(shè)備負(fù)荷能力和零件工時(shí)安排的。計(jì)劃的制定有兩種方法，即批處理和負(fù)荷平衡規(guī)則，批處理面向定單，盡量按定單逐個(gè)計(jì)劃；負(fù)荷平衡面向機(jī)床，盡量使設(shè)備負(fù)荷達(dá)到平衡。
(3)智能調(diào)度引擎��
           調(diào)度引擎的主要功能是分析零件工藝特性，計(jì)算加工工序時(shí)間與輔助工序時(shí)間之比；讀取設(shè)備狀態(tài)信息，分析各種可能出現(xiàn)的系統(tǒng)配置；預(yù)安排零件加工機(jī)床，為智能調(diào)度做技術(shù)準(zhǔn)備，具體功能有：
根據(jù)機(jī)床狀態(tài)、系統(tǒng)可用托盤、零件夾具數(shù)量確定立式和臥式機(jī)床加工工時(shí)；
分析零件墊板數(shù)量和系統(tǒng)可用托盤數(shù)量的比例關(guān)系，合理預(yù)安排零件加工機(jī)床；
用戶提出再調(diào)度請(qǐng)求時(shí)，分析再調(diào)度類型，采集和準(zhǔn)備再調(diào)度數(shù)據(jù)。如果是在線作業(yè)，按其底板類型確定加工作業(yè)；當(dāng)加工零件均為小件時(shí)，優(yōu)先使用小托盤。
(4)調(diào)度知識(shí)庫(kù)
            本智能調(diào)度系統(tǒng)各設(shè)備所使用的調(diào)度決策規(guī)則有10種，它們?yōu)椋合葋?lái)先服務(wù)、優(yōu)先級(jí)最高、工序工時(shí)最短、工序工時(shí)最長(zhǎng)、剩余工時(shí)最短、剩余工時(shí)最長(zhǎng)、平均工序工時(shí)最短、平均工序工時(shí)最長(zhǎng)、剩余工序最多和剩余工序最少。調(diào)度知識(shí)庫(kù)分為調(diào)度規(guī)則知識(shí)庫(kù)和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)，用戶可通過(guò)操作界面建立各設(shè)備的調(diào)度規(guī)則知識(shí)庫(kù)，按用戶要求查詢和顯示各設(shè)備的調(diào)度規(guī)則；經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)是經(jīng)過(guò)“九五”柔性制造系統(tǒng)可靠性運(yùn)行，以及本課題多次模擬運(yùn)行中總結(jié)出來(lái)的系統(tǒng)最佳調(diào)度規(guī)則。
(5)作業(yè)優(yōu)化排序——罰函數(shù)算法
           作業(yè)排序采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)。在上層，決定哪一個(gè)作業(yè)優(yōu)先進(jìn)入加工系統(tǒng)，可通過(guò)作業(yè)優(yōu)先級(jí)控制和夾具主動(dòng)選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)；在底層，由設(shè)備管理器控制將哪一個(gè)作業(yè)分配給哪一個(gè)設(shè)備以達(dá)到最優(yōu)排序：即設(shè)備利用率最高，作業(yè)延誤最小，設(shè)備負(fù)荷平衡。夾具主動(dòng)選擇是指根據(jù)空閑夾具的類型，按照作業(yè)的優(yōu)先級(jí)，首先檢查有無(wú)合適的已開(kāi)工在線作業(yè)，然后是有無(wú)合適大件檢查，最后從小件中優(yōu)選。選定作業(yè)后，將作業(yè)從準(zhǔn)備狀態(tài)調(diào)到就緒狀態(tài)。
        當(dāng)設(shè)備接到設(shè)備管理器發(fā)來(lái)的加工作業(yè)時(shí)，對(duì)接收到的作業(yè)進(jìn)行能否接受的檢查，如果該作業(yè)適合于在該設(shè)備上處理，該設(shè)備則根據(jù)自己的排序規(guī)則產(chǎn)生該作業(yè)的調(diào)度基準(zhǔn)，并以該基準(zhǔn)為關(guān)鍵字，將該作業(yè)存入有序的作業(yè)緩沖區(qū)中。�� 設(shè)備管理器的優(yōu)化排隊(duì)程序決定了如何將作業(yè)分配到機(jī)床，并使整個(gè)系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。評(píng) 判調(diào)度結(jié)果優(yōu)化程度的幾個(gè)關(guān)鍵因素是：設(shè)備利用率、設(shè)備名義延誤、作業(yè)名義延誤、作業(yè)周期、系統(tǒng)周期等等。顯然，設(shè)備利用率越高，設(shè)備名義延誤和作業(yè)名義延誤越小，作業(yè)周期和系統(tǒng)周期越短，調(diào)度的結(jié)果越趨向最優(yōu)�？紤]到設(shè)備名義延誤和作業(yè)名義延誤耦合緊密，而且設(shè)備延誤大小也決定了作業(yè)周期和設(shè)備周期，故構(gòu)造罰函數(shù)如下：�� 假設(shè)設(shè)備的當(dāng)前利用率為�玼，該設(shè)備的當(dāng)前名義延誤為td��，則定義該設(shè)備的罰函數(shù)為：�玃(u,td)=(1-u)×td 當(dāng)1-u＞0.001時(shí)，P(u,td)=0.001×td 當(dāng)1-u≤0.001時(shí)。罰函數(shù)是運(yùn)籌學(xué)中對(duì)有約束多變量函數(shù)的優(yōu)化方法。
5 結(jié)論
         FMS運(yùn)行過(guò)程中各種活動(dòng)可以同時(shí)進(jìn)行，存在資源競(jìng)爭(zhēng)和設(shè)備選擇等問(wèn)題，合理的調(diào)度可以提高設(shè)備的利用率和系統(tǒng)總體加工性能，本FMS智能調(diào)度系統(tǒng)使用多調(diào)度規(guī)則的推理機(jī)，對(duì)各種調(diào)度結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)分析，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度，并具有結(jié)果的圖形和數(shù)據(jù)顯示。經(jīng)過(guò)FMS可靠性運(yùn)行，本系統(tǒng)性能趨于完善。