實時工況驅動的柔性作業車間動態調度系統研究

陳鴻海, 趙 韓

(合肥工業大學 機械與汽車工程學院,安徽 合肥 230009)

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實時工況驅動的柔性作業車間動態調度系統研究

陳鴻海, 趙 韓

(合肥工業大學 機械與汽車工程學院,安徽 合肥 230009)

為了解決生產計劃與控制的復雜多變性問題,文章設計了一種柔性作業車間動態調度系統。該系統首先分析了相關動態調度理論與方法,提出了基于實時工況驅動的系統設計的基本思路,建立了系統的整體概念模型,討論了該系統的基本特點;然后進行系統建模,確定該系統的主要功能模塊及其相互關系;最后通過設計的原型系統部分界面來闡述系統的動態調度實現過程。

實時工況驅動;柔性作業車間動態調度;系統建模;功能模塊;系統實現

0 引 言

當前,制造業已進入到以智能制造為代表的工業4.0時代,用戶對產品的要求呈現出個性化趨勢,由此對生產要求也越來越高,生產系統要求能夠適應柔性化生產。因而柔性作業車間調度問題已成為生產系統計劃與控制的關鍵問題之一。隨著現代制造物聯網技術的進一步發展和應用,車間實時工況信息的采集成為可能,這將進一步促進車間動態調度理論在企業生產過程中的應用。

目前,調度模型的構建和求解、擾動分析、重調度評價、重調度驅動策略等均成為柔性作業車間動態調度問題研究的重點[1]。調度模型的構建和求解方面，文獻[2]基于組合規則對Job Shop車間多目標柔性調度方法進行了研究；擾動分析方面,在實時工況生產加工過程中,不確定環境下擾動因素主要包括內在成因、外在成因、環境成因、設備成因以及人員成因等[3-4]；重調度驅動方面,文獻[5-6]對不確定條件下的重調度方法進行了研究,對相關重調度必要性評價機制、何時觸發重調度等問題做了詳細闡述;文獻[7]以滾動時域優化為基礎,提出了改進事件和周期混合驅動策略;文獻[8]提出了工序前移的重調度策略、排序不限的重調度策略、排序不變的重調度策略,比較了3種重調度策略的優劣;文獻[9]在實時工況研究的基礎上,提出了車間事件擾動的重調度策略。

本文在上述研究的基礎上,以企業柔性作業車間為研究對象,提出了實時工況驅動的柔性作業車間動態調度系統(dynamic scheduling system of flexible job shop driven by real-time condition，RC-DSSFJS)的基本思路,建立了所要開發RC-DSSFJS的整體概念模型;并分析了該RC-DSSFJS的基本特點，闡述了RC-DSSFJS的主要功能模塊，介紹了RC-DSSFJS的實現過程,展示了RC-DSSFJS系統原型的部分界面。

1 系統概述

RC-DSSFJS以車間制造執行層的生產控制-制造執行系統(manufacturing execution system,MES)和制造物聯技術為基礎,在制造物聯網采集車間工況信息的基礎上,通過MES對實時工況信息進行分析和處理,并將分析結果傳遞給車間動態調度系統;動態調度系統根據MES的分析結果,依據重調度驅動機制,判斷重調度的必要性,并結合現有資源工況,計算優化調度方案,從而指導車間調度作業。

2 系統概念模型

RC-DSSFJS的整體概念模型如圖1所示。

圖1 系統整體概念模型

RC-DSSFJS基于客戶端/服務器(client/server,C/S)分布式網絡模式,整個系統構架中包括數據存儲層、信息采集層、數據處理層及業務邏輯層。

數據存儲層主要是通過分布式數據庫實現的，包括RC-DSSFJS的基本建模數據(如產品、工藝、設備、人員等基本建模數據)、動態調度數據(如調度參數、調度方案等結構化數據)以及實時運行數據(如設備運行狀態、人員工作狀態等)。數據采集層主要通過加工設備上的各類傳感器、RFID、條碼設備等,采集生產現場產品信息、過程進度以及設備狀態燈信息,并將這些信息發送給數據處理層。數據處理層為車間制造執行系統,該系統一方面負責生產作業的下發，另一方面通過處理來自車間現場的實時工況信息,確定調度方案的執行情況以及生產的各類指標,包括產品生產質量、生產工時等,并將這些信息傳遞給動態調度的業務邏輯層。業務邏輯層(即動態調度系統)通過數據處理層提供的實時工況信息,計算調度方案的變動率,確定是否觸發新一輪的調度。一旦新一輪調度被觸發,系統根據完工時間、成本和質量3個指標,計算新的調度方案,并將調度方案下發到制造執行系統,形成新一輪作業排程,從而實現車間作業實時、動態優化,確保生產計劃的有效執行。

3 系統特點

(1) 可視化。主要采用面向對象的抽象思想,將系統中的生產設備、作業人員等資源抽象為可視化圖元。抽象的可視化圖元具有屬性設置功能,如可以設置設備在不同狀態時顯示顏色、設備加工任務的執行情況、不同調度方案的顏色區分等。在實現可視化調度管理駕駛艙構建的基礎上,通過底層所采集的實時數據驅動可視化調度系統的運行,為管理人員提供一個方便、快捷的調度界面。

(2) 集成化和實時化。系統以生產過程鏈為主線,通過作業現場的信息采集和網絡傳輸,將生產現場的實時工況與動態調度機制有機地關聯起來,從而實現當生產實際偏離生產計劃時,及時調整生產調度,從而實現車間現場的實時工況和生產過程的優化調度與管理的集成。

(3) 網絡化。RC-DSSFJS采用典型的C/S架構模式,以結構化查詢語言(structured query language,SQL)數據庫平臺作為實時數據和歷史數據的存取倉儲,該模式可以保證數據的實時采集和共享,最終為RC-DSSFJS的實現提供一個局域抗擾動的網絡環境和實時、安全、可靠的數據平臺。

4 系統建模

隨著市場競爭的加劇,越來越多的企業通過采用先進的柔性生產設備來提高企業的核心競爭力,然而企業在采用先進設備的同時也增加了系統的復雜性,給生產系統的管理增加了難度。因此,為了構建更好的原型系統,首選需要對原型系統進行建模,確定所構建系統的詳細功能模塊劃分及內部交互關系,使原型系統的功能、結構、數據以及相互的聯系變得簡單、清晰。因此,本文主要從系統的功能模型和數據模型2個角度出發對原型系統進行分析和建模。

4.1 系統功能模型

功能模型是在對系統進行詳細需求分析的基礎上構建的,是開發整個原型系統的基礎,功能模型主要運行相應的建模方法將用戶的詳細需求轉換為技術開發內容,為后續技術人員開發原型系統提供必要的條件。

功能模型以操作人員和系統功能模塊為構建對象,完成2個因素之間的交互分析和表達。針對該功能的建模語言比較多,其中統一建模語言(united modeling language,UML)是應用最為成熟和廣泛的一門語言,基于UML構建的原型系統功能模型如圖2所示,主要包括系統管理模塊、作業調度模塊、機床管理模塊、工藝配置模塊、設備監控模塊以及人員管理模塊6大功能模塊。其中作業調度為系統的主要功能模塊,它包括調度參數設置、調度優化方案選擇、調度驅動機制以及調度方案下發等子功能模塊。

圖2 系統功能模型

4.2 系統數據模型

數據是管理生產系統的基礎。隨著企業引進越來越多的先進技術和設備等,系統內部的數據交互越來越復雜,系統運行所產生的數據也越來越龐大。因此,為了構建運行更加流暢的原型系統,在構建系統功能模型的基礎上,構建運行系統的數據模型成為重要的環節。

本文基于UML構建了原型系統數據模型,如圖3所示,其中給出了數據模型中主要關系表及表中的主外鍵關系。

圖3 系統數據模型

5 系統原型的開發與應用

實時工況驅動的柔性作業車間動態調度系統原型包括1個主模塊(作業調度模塊)和5個輔助模塊(設備監控、工藝配置、機床管理、人員管理以及系統管理)。其中主模塊主要負責作業動態調度的相關參數設置和優化計算等,包括調度參數設置、調度優化方案選擇、調度驅動機制以及調度方案下發等子功能模塊。下面介紹該系統的功能和應用。

調度問題是將任務按照特定要求在特定的制造資源(設備、人員等)上進行優化分配,實現部分指標的最優化。因此,設備管理是調度系統的基礎之一，包括設備類型管理、設備屬性管理以及設備文檔管理等具體功能,可以實現設備的全生命周期管理。設備管理的部分界面如圖4所示。

圖4 設備管理界面

工藝配置模塊的具體界面如圖5所示。該界面包括產品制造的工藝流程、工序內容以及為各個工序配置相應的機器設備和人員,并設置各個設備完成相應工序的時間、成本和質量參數,為調度提供基礎信息。

圖5 工藝路線-工序配置

在實際的生產作業環境中,柔性作業車間的生產工況處于動態變化狀態,會產生很多不確定的擾動因素。這不僅使得生產系統不能正常運行,而且影響了原有調度方案的執行,因此,需要通過特定的解決方案來實現擾動因素驅動下的實時動態調度,得出最優的調度方案。為了更好地確定重調度時間,系統對生產過程的設備以及加工過程進行監控,如圖6所示,并計算原調度方案的生產變動率。當變動率超過預先設定的閾值,系統將會觸發作業調度模塊,使其根據當前工況,進行調度優化計算,形成新的調度方案。

重調度數據開發的作業調度界面如圖7所示。生產進行過程中,當作業調度模塊接收到生產過程監控模塊發送來的重調度請求后,系統將根據當前工況優化計算,形成適合當前工況的新調度方案。一旦新的調度方案被確定,系統將把新的調度方案下發到車間,指導車間的作業生產。

圖6 設備監控界面

圖7 作業調度界面

此外,為了保證系統的可靠運行,系統還提供了系統管理的功能模塊,主要涉及系統的參數設置、數據庫優化、數據備份和還原、用戶角色和權限管理等功能模塊。

6 結 論

本文概述了實時工況驅動的柔性作業車間動態調度的相關理論與方法,提出了系統概念模型,描述了系統特點;從原型系統的功能特性分析、各功能模塊之間的數據關聯、原型系統的開發和實現3個方面出發,依次構建了系統的功能模型和數據模型,使信息系統的功能、結構、數據以及相互的關聯簡單、清晰;設計和開發了實時工況驅動的柔性作業車間動態調度的軟件系統,該系統具有可視化、集成化、實時化以及網絡化等特點;通過系統的應用,尤其是1個主模塊(作業調度模塊)和5個輔助模塊(設備監控、工藝設置、機床管理、人員管理以及系統管理)的功能發揮,對生產過程的設備以及加工過程進行監控,根據信息處理驅動重調度機制,進行調度優化,形成新的調度方案,從而進行作業調度。

[1] OUELHADJ D，PETROVIC S.A survey of dynamic scheduling in manufacturing systems[J].Journal of Scheduling，2009，12(4)：417-431.

[2] 王海瑤，蔣增強,葛茂根.基于規則組合的Job Shop多目標柔性調度方法[J].合肥工業大學學報(自然科學版)，2010，33(1):14-18.

[3] 唐秋華,何明,何曉霞,等.隨機工時下柔性加工車間的魯棒優化調度方法[J].計算機集成制造系統，2015，21(4)：1002-1012.

[4] 吳秀麗.柔性作業車間動態調度問題研究[J].系統仿真學報，2008，20(14)：3828-3832.

[5] 吳文瑞.不確定環境下Job Shop制造車間重調度驅動機制研究[D].合肥:合肥工業大學，2012.

[6] 劉明周，單暉，蔣增強，等.不確定條件下車間動態重調度優化方法[J].機械工程學報，2009，45(10)：137-142.

[7] 劉國寶,張潔.基于改進滾動時域優化策略的動態調度方法[J].機械工程學報，2013,49(14)：182-190.

[8] TOKOLA H，AHLROTH L，NIEMI E.A comparison of rescheduling policies for online flow shop to minimize tardiness [J].Engineering Optimization，2014，46(2)：165-180.

[9] KHODKE P M，BHONGADE A S.Real-time scheduling in manufacturing system with machining and assembly operations：a state of art [J].International Journal of Production Research，2013，51(16)：4966-4978.

(責任編輯 胡亞敏)

R&D on dynamic scheduling system of flexible job shop driven by real-time condition

CHEN Honghai, ZHAO Han

(School of Machinery and Automobile Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China)

In order to solve the complex and varied issues of production plan and control， a dynamic scheduling system of flexible job shop was designed. Firstly, the related dynamic scheduling theory and methods were analyzed， and the basic idea of system design based on real-time condition was proposed. The overall concept model of the system was established， and the basic features of the system were analyzed. Then the system model was established， and the main function modules of the system and their mutual relations were determined. Finally, the dynamic scheduling implementation process of the system was described through part of the system interface.

real-time condition driven; flexible job shop dynamic scheduling; system modeling; function module; system implementation

2015-11-29；

2015-12-28

國家“十二五”科技支撐計劃資助項目(2012BAF12B03)

陳鴻海(1962-),男,安徽明光人,合肥工業大學博士生; 趙 韓(1957-),男,安徽宿州人,博士,合肥工業大學教授,博士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.11.001

TH186

A

1003-5060(2016)11-1441-06