智能工廠設(shè)計仿真 課件 第4 章 智能工廠任務(wù)的調(diào)度與優(yōu)化技術(shù)

智能工廠設(shè)計仿真第4章智能工廠任務(wù)的調(diào)度與優(yōu)化技術(shù)4.1智能工廠任務(wù)的調(diào)度與優(yōu)化技術(shù)概述4.2智能工廠數(shù)字車間的結(jié)構(gòu)與分布式執(zhí)行控制4.2.1數(shù)字車間的結(jié)構(gòu)4.2智能工廠數(shù)字車間的結(jié)構(gòu)與分布式執(zhí)行控制4.2智能工廠數(shù)字車間的結(jié)構(gòu)與分布式執(zhí)行控制4.2.2數(shù)字車間的分布式執(zhí)行控制4.2智能工廠數(shù)字車間的結(jié)構(gòu)與分布式執(zhí)行控制1）總控層：主要由數(shù)字車間業(yè)務(wù)功能模塊組成的上層控制系統(tǒng)，負責(zé)生產(chǎn)計劃制訂、規(guī)劃排產(chǎn)、資源管理與調(diào)度等。2）網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議層：即工業(yè)網(wǎng)關(guān)，用于負責(zé)各層級之間的數(shù)據(jù)通信。3）設(shè)備控制器層：負責(zé)解析總控層下發(fā)的執(zhí)行指令（即指令加工代碼），并將其轉(zhuǎn)化成硬件的調(diào)度指令，進而控制設(shè)備去執(zhí)行具體動作。4）設(shè)備層：指與生產(chǎn)有關(guān)的全部生產(chǎn)設(shè)備，包括刀庫、物料庫、機械手與數(shù)控機床等。4.3智能工廠數(shù)字車間控制系統(tǒng)的執(zhí)行流程4.3智能工廠數(shù)字車間控制系統(tǒng)的執(zhí)行流程4.3.1產(chǎn)前準備階段4.3智能工廠數(shù)字車間控制系統(tǒng)的執(zhí)行流程4.3.2排產(chǎn)仿真階段4.3.3加工生產(chǎn)階段（1）數(shù)據(jù)流在數(shù)字模擬仿真成功之后，生產(chǎn)線系統(tǒng)根據(jù)排產(chǎn)的結(jié)果以及產(chǎn)品的工藝信息，向倉庫管理系統(tǒng)（WarehouseManagementSystem,WMS）發(fā)布一個發(fā)料流程，然后WMS根據(jù)發(fā)料流程向MES反饋一份配料單的信息（包括材料的位置、品質(zhì)、出人庫時間等），系統(tǒng)得到配料單的信息后，用AGV將物料運送至加工中心，再向系統(tǒng)反饋一個交接信息，系統(tǒng)收到交接信息后，向加工中心發(fā)布加工指令，加工中心根據(jù)在排產(chǎn)階段收到的指令單開始進行相應(yīng)的加工。（2）物流調(diào)度通過數(shù)據(jù)流的介紹可以發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)過程中物料的及時轉(zhuǎn)運是十分重要的。4.3智能工廠數(shù)字車間控制系統(tǒng)的執(zhí)行流程4.3智能工廠數(shù)字車間控制系統(tǒng)的執(zhí)行流程4.3.4分析評價階段4.3智能工廠數(shù)字車間控制系統(tǒng)的執(zhí)行流程4.4數(shù)字車間的調(diào)度系統(tǒng)4.4.1數(shù)字車間的設(shè)備通信技術(shù)1.數(shù)字車間總控平臺的結(jié)構(gòu)（1）整體結(jié)構(gòu)如圖4-10所示，基于微服務(wù)架構(gòu)的數(shù)字車間總控平臺的整體結(jié)構(gòu)分力三大部分，分別是軟件服務(wù)層、平臺及服務(wù)層與基礎(chǔ)設(shè)施層。（2）平臺服務(wù)集成方案在微服務(wù)系統(tǒng)中，由于微服務(wù)單獨部署在Docker中運行，在運行期間可能隨時發(fā)生改變（如服務(wù)銷毀或者克隆），因此如何快速發(fā)現(xiàn)服務(wù)并集成是十分重要的。4.4數(shù)字車間的調(diào)度系統(tǒng)1）基于RESTful接口調(diào)用方式進行集成。2）基于消息隊列的消息驅(qū)動方式進行集成。4.4數(shù)字車間的調(diào)度系統(tǒng)2.分布式事務(wù)一致性方案（1）分布式事務(wù)一致性概述數(shù)據(jù)庫事務(wù)是指由一組數(shù)據(jù)庫操作序列組成的集合，這組操作要么全部執(zhí)行成功，要么全部執(zhí)行失敗、回滾（Rollback）。4.4數(shù)字車間的調(diào)度系統(tǒng)4.4數(shù)字車間的調(diào)度系統(tǒng)（2）基于消息隊列的分布式事務(wù)一致性方案針對上述兩種方式的優(yōu)缺點進行分析，本文提出一種基于消息隊列異步操作的分布式事務(wù)提交設(shè)計方案，用于實時性要求不高的分布式事務(wù)提交場合。4.4數(shù)字車間的調(diào)度系統(tǒng)1）主服務(wù)向事務(wù)消息管理發(fā)送事務(wù)消息，表不需要提交分布式事務(wù)。2）事務(wù)消息管理接收到主服務(wù)發(fā)送的消息后，反饋一條確認消息，表明事務(wù)消息已經(jīng)成功到達。3）主服務(wù)收到反饋的確認消息后，開始提交本地事務(wù)。4）此時分為兩種情況：一是主服務(wù)提交本地事務(wù)后，需要向事務(wù)消息管理發(fā)送提交結(jié)果，事務(wù)消息管理收到結(jié)果后，首先會反饋一條確認消息表明已收到，然后根據(jù)結(jié)果進行處理。5）從服務(wù)從隊列中獲取事務(wù)消息后進行處理（即提交本地事務(wù)），每個從服務(wù)執(zhí)行成功后，反饋執(zhí)行成功的消息，事務(wù)消息管理收到后，則反饋給主服務(wù)表示分布式事務(wù)提交成功。4.4.2基于ECode流程的建模技術(shù)（1）ECode模型的提出控制器之間的接口契約不僅需要保證能夠完成數(shù)據(jù)傳輸，還需要對傳輸數(shù)據(jù)的語義規(guī)范進行設(shè)計，即語義數(shù)據(jù)模型定義。（2）ECode的語義模型1）ECode模型的信息。4.4數(shù)字車間的調(diào)度系統(tǒng)2）ECode的數(shù)據(jù)格式。4.4數(shù)字車間的調(diào)度系統(tǒng)3）ECode的數(shù)據(jù)模型。4.4數(shù)字車間的調(diào)度系統(tǒng)（3）ECode的執(zhí)行管理ECode是具有生命周期的，每一層級ECode都有其生命周期，父指令的生命周期包含子指令的生命周期，全部子指令的生命周期共同構(gòu)成了父指令的整個生命周期。4.4.3數(shù)字車間的排產(chǎn)調(diào)度過程與刀具約束（1）排產(chǎn)調(diào)度過程生產(chǎn)線的排產(chǎn)調(diào)度過程如下：系統(tǒng)接收到上層或管理人員下發(fā)的工單任務(wù)后會進行合法性檢測，通過檢測后會進行規(guī)劃計算，在規(guī)定的規(guī)劃時間后根據(jù)當前最優(yōu)的調(diào)度結(jié)果進行指令的下發(fā)和執(zhí)行。（2）刀具約束刀具是機床加工過程中的重要資源，其調(diào)度結(jié)果在很大程度上會影響加工的效率。4.4數(shù)字車間的調(diào)度系統(tǒng)4.4.4多智體數(shù)字車間調(diào)度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)4.4數(shù)字車間的調(diào)度系統(tǒng)1）系統(tǒng)計算能力強，對資源規(guī)劃的粒度更細。2）在異常干擾下?lián)碛锌焖俚捻憫?yīng)和處理能力。3）系統(tǒng)運行效率高，穩(wěn)定性強，便于擴展。4.5數(shù)字車間的調(diào)度策略及其優(yōu)化技術(shù)4.5.1數(shù)字車間調(diào)度問題的模型（1）同一工件的加工順序要求同一個工件后續(xù)工序的開始加工時間要在前道工序完成之后。（2）加工時間約束工件在機床上的加工時間不能力負。（3）機床約束每個工序只能在一臺機床上加工。（4）機床加工約束工序，的開始加工時間與其在機床上的緊前工序開始加工時間之差大于或等于機床的緊前工序加工時間。4.5數(shù)字車間的調(diào)度策略及其優(yōu)化技術(shù)4.5數(shù)字車間的調(diào)度策略及其優(yōu)化技術(shù)4.5.2車間調(diào)度模型的粒子群算法求解（1）粒子群算法概述粒子群算法是指一種依賴群體信息共享的智能隨機尋優(yōu)算法，其來源是鳥類覓食行為的啟發(fā)。（2）算法設(shè)計中關(guān)鍵問題在粒子群算法中，粒子運動在實數(shù)域內(nèi)，粒子的位置、速度、學(xué)習(xí)因子、慣性權(quán)重等都在實數(shù)域內(nèi)給定，粒子經(jīng)過位置和速度更新方程更新后，其依舊運行在實數(shù)域內(nèi)，所以粒子群算法是針對連續(xù)空間域設(shè)計的優(yōu)化算法。（3）編碼設(shè)計截至目前，解決經(jīng)典車間調(diào)度問題的算法編碼有直接編碼和間接編碼兩種形式。4.5數(shù)字車間的調(diào)度策略及其優(yōu)化技術(shù)4.5數(shù)字車間的調(diào)度策略及其優(yōu)化技術(shù)（4）算法流程粒子群算法求解車間調(diào)度問題的流程如圖4-18所示，從圖中可以看出，這是在原生連續(xù)域內(nèi)的粒子群算法的基礎(chǔ)上引入了基于排序映射的調(diào)度序列生成方法。4.5數(shù)字車間的調(diào)度策略及其優(yōu)化技術(shù)4.5.3車間調(diào)度模型的改進型遺傳算法1.遺傳算法求解FJSP概述2.改進遺傳算法的流程4.5數(shù)字車間的調(diào)度策略及其優(yōu)化技術(shù)3.遺傳算法的改進（1）多段式編碼與解碼編碼是構(gòu)建遺傳算法模型的重要步驟。4.5數(shù)字車間的調(diào)度策略及其優(yōu)化技術(shù)4.5數(shù)字車間的調(diào)度策略及其優(yōu)化技術(shù)（2）負荷最小的種群初始化方法初始解的質(zhì)量將會很大程度上影響遺傳算法的求解速度和質(zhì)量。4.5數(shù)字車間的調(diào)度策略及其優(yōu)化技術(shù)4.5.4基于改進型遺傳算法的多智體靜態(tài)調(diào)度策略4.5數(shù)字車間的調(diào)度策略及其優(yōu)化技術(shù)1）當生產(chǎn)線管理智體通過通信接口接收到上層下發(fā)的生產(chǎn)任務(wù)時，會進行工單合法性判定，根據(jù)本生產(chǎn)線的加工能力和資源狀態(tài)判斷能否滿足需求，若能滿足需求則下發(fā)工單任務(wù)，反之會向同層級其他智體請求協(xié)助或反饋無法完成的信息。2）當生產(chǎn)訂單到達時，工單管理智體會向資源管理智體發(fā)送資源查詢請求，查詢系統(tǒng)的當前制造資源狀態(tài)與信息是否滿足下發(fā)工單的需求，若滿足需求則進行后續(xù)的工單分解操作，反之則返回錯誤信息，提示重新下發(fā)正確工單。3）工單任務(wù)通過資源檢查之后，會由工單管理智體下發(fā)給規(guī)劃智體，規(guī)劃智體會將該工單任務(wù)加入到待規(guī)劃的列表中，同時會根據(jù)工單任務(wù)的交貨期與優(yōu)先級將任務(wù)進行排序，將優(yōu)先級高、交貨期近的工單進行優(yōu)先排產(chǎn)，以避免延誤工期。4）規(guī)劃智體通過調(diào)度算法得到機床的工序加工序列解后，需先優(yōu)化當前序列的準確完工時間（由機床智體、刀庫管理智體共同協(xié)調(diào)得到），再將工藝加工序列下發(fā)給機床智體，由機床智體與刀庫管理智體協(xié)作確認工序完工時間并返回給規(guī)劃智體，規(guī)劃智體根據(jù)反饋的完工時間進行序列尋優(yōu)，在4.5數(shù)字車間的調(diào)度策略及其優(yōu)化技術(shù)規(guī)定時間內(nèi)輸出最優(yōu)工序加工序列。5）機床智體接收到工序加工序列后，根據(jù)機床的當前加工工序情況和刀具匹配情況來規(guī)劃該工序的完工時間，若機床的當前刀具匹配程度滿足工序加工需要，則不需要刀具準備時間，反之則需要向刀庫管理智體發(fā)送協(xié)助信息，對所需刀具的到達時間與加工時間段鎖定進行請水，根據(jù)刀庫管理智體反饋的信息完成工序完工時間的計算。6）刀庫管理智體接收到機床智體的刀具鎖定請水后，根據(jù)當前刀具使用情況計算出最優(yōu)的刀具調(diào)用時間，若能滿足機床智體到達時間的要求，則相應(yīng)刀具進入時間與狀態(tài)鎖定，在鎖定時間段內(nèi)不再參與刀具的規(guī)劃計算并反饋信息，若無法滿足時間要求，則反饋占用刀具的機床信息與當前最優(yōu)刀具調(diào)用時間。7）機床智體根據(jù)刀庫管理智體反饋的刀具占用信息進行完工時間計算，若刀具滿足時間要求，則依次完成完工時間計算，若不滿足時間要求，則根據(jù)返回的機床占用信息，與對應(yīng)機床智體進行刀具資源協(xié)商。4.5數(shù)字車間的調(diào)度策略及其優(yōu)化技術(shù)8）規(guī)劃智體接收到其他智體協(xié)商后得到的包含刀具調(diào)度的完工時間，通過改進型遺傳調(diào)度算法進行解尋優(yōu)，在規(guī)定時間內(nèi)得到最優(yōu)調(diào)度方案并將結(jié)果返回給工單管理智體（該調(diào)度方案包含每個工序的起始加工時間、加工機床和對應(yīng)刀具的調(diào)配計劃），并生成一系列的調(diào)度指令。4.5.5基于滾動窗口技術(shù)的多智體動態(tài)調(diào)度策略1.滾動窗口技術(shù)介紹4.5數(shù)字車間的調(diào)度策略及其優(yōu)化技術(shù)2.動態(tài)調(diào)度策略的分類4.5數(shù)字車間的調(diào)度策略及其優(yōu)化技術(shù)3.周期型多智體調(diào)度策略4.事件驅(qū)動型多智體調(diào)度策略4.5數(shù)字車間的調(diào)度策略及其優(yōu)化技術(shù)（1）設(shè)備故障時的調(diào)度策略當設(shè)備發(fā)生故障時，機床智體根據(jù)機床反饋的故障信息，依據(jù)歷史數(shù)據(jù)推測機床故障的持續(xù)時間，并向生產(chǎn)線管理智體反饋故障信息，同時通知工單管理智體解除安排在該機床上的處于當前工作窗口的工序的綁定關(guān)系，工單管理智體記錄當前工序的時間。4.5數(shù)字車間的調(diào)度策略及其優(yōu)化技術(shù)（2）有緊急訂單時的調(diào)度策略當新插入緊急訂單時，工單管理智體會先進行