再制造系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)度原理*

劉清濤 蔡宗琰 昝 杰 蔣世應(yīng)

(①長安大學(xué)工程機械學(xué)院，陜西西安 710064;②宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川宜賓 644003)

再制造是把達到使用壽命周期的產(chǎn)品通過回收、拆卸、分揀、清洗、噴涂、修復(fù)和技術(shù)改造使其達到甚至超過原型產(chǎn)品性能，從而以有競爭力的成本獲得產(chǎn)品新的生命周期的制造活動［1］。再制造是實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展的必要途徑。再制造系統(tǒng)的調(diào)度優(yōu)化在再制造理論研究中占有重要地位。目前，該領(lǐng)域的研究還處于起步階段。Luh Peter B等以延期/提前懲罰、準時交貨和庫存成本優(yōu)化為目標(biāo)函數(shù)，以工序、庫存和生產(chǎn)能力為約束條件，將線性規(guī)劃、拉格朗日松弛法、隨機動態(tài)規(guī)劃方法等相結(jié)合求解模型［2］;Guide等針對再制造系統(tǒng)的不確定性和復(fù)雜性，在仿真模型的基礎(chǔ)上，對拆卸執(zhí)行機制和優(yōu)先派遣規(guī)則進行了研究［3］;Li Yongjian等以批量制造/再制造為研究對象，在有限時間內(nèi)的確定性時變需求框架下，利用遺傳算法結(jié)合動態(tài)規(guī)劃的方法確定批量制造/再制造發(fā)生的時間點、新品需求量和再制造回收產(chǎn)品的最佳數(shù)量［4］。張紅宇等針對廢舊品再制造工藝路線不確定的特性，提出了一種基于可變長工序編碼方法的改進遺傳算法［5］。分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的各種方法都是假定再制造系統(tǒng)為某種情況下的調(diào)度優(yōu)化，無法滿足再制造系統(tǒng)動態(tài)多變的特性。短期內(nèi)提出一種能夠突破現(xiàn)有計算條件滿足再制造系統(tǒng)各種復(fù)雜性調(diào)度環(huán)境的算法并不現(xiàn)實;但另一方面，基于各種假設(shè)的再制造調(diào)度理論，特別是傳統(tǒng)制造的調(diào)度理論已經(jīng)相當(dāng)豐富，如果設(shè)計出一種能夠集成不同調(diào)度方法，充分發(fā)揮各種調(diào)度方法自身優(yōu)勢的調(diào)度模式將是不錯的選擇。基于這一出發(fā)點，筆者提出了再制造系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)度原理。

1 再制造系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)度的流程

再制造系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)度的基本流程如圖1所示。

Step1.根據(jù)再制造系統(tǒng)調(diào)度問題描述，再制造系統(tǒng)調(diào)度方法匹配識別系統(tǒng)判別當(dāng)前調(diào)度方法庫中的調(diào)度方法與擬解決調(diào)度問題的相同匹配性。如匹配，則轉(zhuǎn)Step4;否則，轉(zhuǎn)Step2;

Step2.再制造系統(tǒng)調(diào)度方法匹配識別系統(tǒng)判別當(dāng)前調(diào)度方法庫中的調(diào)度方法與擬解決調(diào)度問題的相似匹配性。如匹配，則轉(zhuǎn)Step3;否則，轉(zhuǎn)Step5;

Step3.提取相似調(diào)度方法，并根據(jù)擬解決調(diào)度問題與所提取調(diào)度方法的差異，由再制造系統(tǒng)調(diào)度專家系統(tǒng)推理生成候選調(diào)度方法;

Step4.在當(dāng)前調(diào)度方法庫中提取擬解決調(diào)度問題的候選調(diào)度方法;

Step5.根據(jù)再制造系統(tǒng)調(diào)度問題描述，建立該調(diào)度問題的數(shù)學(xué)模型，并從調(diào)度算法庫中提取相應(yīng)調(diào)度算法求解數(shù)學(xué)模型，形成候選調(diào)度方法;

Step6.對所生成的候選調(diào)度方法，進行再制造系統(tǒng)調(diào)度性能競爭性指標(biāo)和可持續(xù)性指標(biāo)評價，如符合要求，則轉(zhuǎn)Step7;否則，轉(zhuǎn)Step1;

Step7.輸出擬解決調(diào)度問題的最佳調(diào)度方法，并將新產(chǎn)生的調(diào)度方法存入當(dāng)前的調(diào)度方法庫中。

從再制造系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)度流程可以看出:對于一個擬解決的調(diào)度問題，可通過3種途徑使其得到最佳調(diào)度結(jié)果:首先在調(diào)度方法庫中檢索是否存在完全相同的調(diào)度問題，若存在，直接調(diào)用即可，若不存在，將與之相似的調(diào)度問題提取出來，通過專家推理來求解。如果擬解決的調(diào)度問題在調(diào)度方法庫中找不到相似的調(diào)度問題，則需要從新建立調(diào)度模型，提取相應(yīng)調(diào)度算法求解模型。無論哪種方法都需要通過調(diào)度方案評價來決定是否采用。

2 再制造系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)度的原型系統(tǒng)框架

根據(jù)再制造系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)度工作流程，其原型調(diào)度系統(tǒng)框架可包括4個層次:界面層、功能層、模塊層和數(shù)據(jù)庫層，如圖2所示。

(1)用戶接口界面 提供圖形化的人機接口界面，使用人員根據(jù)系統(tǒng)提示填寫相應(yīng)內(nèi)容并點擊相關(guān)按鈕就可完成操作。

(2)功能層 包括調(diào)度問題的生成、相同調(diào)度方法的提取、相似調(diào)度方法推理、新調(diào)度方法的生成以及調(diào)度方案評價等5部分。系統(tǒng)根據(jù)生成的調(diào)度問題，選擇采用提取、推理或生成機制，最后根據(jù)調(diào)度方案評價系統(tǒng)，確定最優(yōu)調(diào)度方案。

(3)模塊層 和功能層相對應(yīng)。每個大的模塊下面又分解為多個子模塊，通過模塊間的信息交互實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。在評價模塊中包括競爭性指標(biāo)評價和可持續(xù)性指標(biāo)評價，競爭性指標(biāo)包括生產(chǎn)周期、生產(chǎn)成本和加工質(zhì)量等因素，可持續(xù)性指標(biāo)包括資源消耗和環(huán)境影響兩個因素。

(4)數(shù)據(jù)庫層 存儲系統(tǒng)運行所需要的各種數(shù)據(jù)。調(diào)度方法庫存儲對應(yīng)不同調(diào)度問題的調(diào)度實例;調(diào)度算法庫在求解新建立的模型時調(diào)用;調(diào)度推理知識庫用來推理相似的調(diào)度問題，再制造工藝方案庫存儲不同失效形式對應(yīng)的工藝方案，該庫在生成調(diào)度問題時調(diào)用，此外，還有調(diào)度方案評價庫等。每一個數(shù)據(jù)庫通過數(shù)據(jù)庫管理模塊實現(xiàn)不斷的自我完善和更新操作。

3 再制造系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)度的關(guān)鍵技術(shù)

再制造系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)度的關(guān)鍵技術(shù)如圖3所示，結(jié)合該圖可以看出，實現(xiàn)再制造系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)度有4大關(guān)鍵技術(shù):

(1)建立體現(xiàn)再制造系統(tǒng)不確定性的模型 利用Petri網(wǎng)對分布、并發(fā)過程及對研究對象的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為進行有效分析的特性，建立再制造系統(tǒng)的賦時隨機Petri網(wǎng)模型，來研究再制造系統(tǒng)諸多不確定性之間的相互制約關(guān)系。由于廢舊零件的可再制造性難以確定，這種不確定性使得到達再制造系統(tǒng)(狹義)的可再制造的廢舊零部件的速率不確定，這可借鑒排隊系統(tǒng)中顧客到達速率的不確定性來研究，引入隨機特性和排隊論對影響調(diào)度問題的不確定因素進行仿真研究，探尋再制造系統(tǒng)不確定性因素對調(diào)度優(yōu)化的影響規(guī)律。這是研究再制造系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)度的前提。

(2)調(diào)度方法的匹配識別與提取 此問題的關(guān)鍵是研究再制造系統(tǒng)調(diào)度問題描述的表示方法、建立再制造系統(tǒng)調(diào)度問題描述的表示模型、研究再制造系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)度方法匹配識別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)等，其結(jié)構(gòu)可由分形神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Fractal neural network，F(xiàn)NN)和模糊邏輯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Fuzzy Logic neural network，F(xiàn)LNN)組成。FNN用于計算再制造系統(tǒng)調(diào)度方法組成庫中現(xiàn)有調(diào)度方法對應(yīng)的調(diào)度問題與擬求的調(diào)度問題的匹配性值，F(xiàn)LNN用于判別二者的相似度。

(3)自適應(yīng)調(diào)度專家系統(tǒng)推理 研究自適應(yīng)調(diào)度推理專家系統(tǒng)的原理，這里的關(guān)鍵點是再制造系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)度方法特征識別方法、調(diào)度方法推理知識獲取方法、調(diào)度方法推理知識表示方法、基于拓撲的調(diào)度推理方法和調(diào)度方法推理專家系統(tǒng)設(shè)計;研究自適應(yīng)調(diào)度推理優(yōu)化問題，應(yīng)用動態(tài)優(yōu)化方法建立推理優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，鑒于調(diào)度問題可有調(diào)度目標(biāo)和約束條件組成，采用分層推理機制，在先保持約束條件不變的情況下，推理相同調(diào)度目標(biāo)的調(diào)度優(yōu)化，然后在目標(biāo)相同的情況下，根據(jù)不確定性間的內(nèi)在關(guān)系及其對調(diào)度優(yōu)化的影響規(guī)律，通過約束變化來適應(yīng)不同的調(diào)度問題。

(4)建立再制造系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)度的性能評估體系。

4 結(jié)語

本文提出了再制造系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)度的概念，從工作流程、原型系統(tǒng)框架和關(guān)鍵技術(shù)3個方面對其原理進行了探討。盡管建立完善的自適應(yīng)調(diào)度數(shù)據(jù)庫需要較長時間的經(jīng)驗積累，但對于再制造系統(tǒng)動態(tài)多變的特性，再制造系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)度無疑是一種切實可行的方法。

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