不确定生产环境下知识化制造单元调度问题研究

摘要

鉴于实际生产环境具有时变性、动态性、随机性以及模糊性等特征，不确定生产环境下调度问题已成为企业最为关心的问题之一。本文针对不确定生产环境下知识化制造单元调度问题，首先对知识化制造单元动态调度问题进行了研究，解决了单个分派规则在调度中全局性差的问题；然后研究了知识化制造单元死锁避免问题，提出了一种构建分布式自动机死锁监控器的思想；通过对包含多机多产品单元运行费用成本问题的研究，得到了一种用于选择工件加工以及控制加工速率的无死锁调度策略；最后对带模糊加工时间和模糊交货期的知识化制造单元调度问题进行了研究。 具体说来，主要在如下几个方面进行了研究： 1.为了提高分派规则的调度性能，本文提出了一种获取制造单元状态和分派规则之间内在映射关系的学习算法。针对制造单元状态空间过大的特点，在分析单元状态关键特征的基础上，通过基本顺序算法方案(BSAS)得到单元的聚类状态，有效地减小了算法的搜索空间。基于单元聚类状态，提出了一种无需任何精确训练样本的B-Q学习算法，用于获取生产数据中所隐藏的调度知识，解决了动态调度训练样本获取困难的问题，并分析和证明了该学习算法的收敛性。在上述基础上，本文构建了一种能够适应单元环境变化的自适应调度控制策略，可面向单元的瞬时状态实时选取合理的分派规则对工件进行调度。 2.针对自动机建模易受单元状态规模影响的不足，提出一种构建分布式死锁监控器对知识化制造单元进行监控的思想。基于R-W可控自动机理论，文中首先给出了自动机“与”“或”操作算子定义。为了描述单元中资源之间的关系，给出了制造单元关联矩阵概念并定义了自相关操作算子。在此基础上，将制造单元划分成一个或多个有死锁倾向的单元子模块，分别构造了各单元子模块的加工资源层自动机、工件层自动机和约束层自动机，通过“与”算子操作得到了单元的分布式死锁监控器，并对该监控器的有效性进行了分析和证明。为了确保所得到的自动机具有完全可达性的属性，文中提出了一种状态回溯算法予以保证。与传统的集中式自动机监控器相比，分布式死锁监控器可有效地改进自动机建模和运算效率。 3.在加工时间、工件到达以及产品需求到达均为随机的生产环境下，研究了带有限缓冲区的知识化制造单元无死锁随机调度问题。针对自动机对定量指标描述能力的不足，给出了一种费用自动机概念。在同时考虑工件加工、库存以及缺货费用的情况下，本文采用无限时域折扣准则下马尔可夫链建立了单元的费用目标函数，通过一致化技术对目标函数进行离散化处理，得到目标函数的随机动态规划模型，分析并证明了单元最优目标值函数的性质。为了克服离散状态空间组合所产生的维数灾问题，文中提出了一种基于仿真和函数逼近的启发式近似动态规划算法对模型进行求解。在上述研究基础上，构建了一种单元无死锁随机调度策略，以保证单元安全高效地运行。 4.针对模糊生产环境下并行机调度问题研究不足的现状，研究了包含变速并行机的知识化制造单元模糊调度模型及其算法。文中首先采用三角模糊数和梯形模糊数分别描述工件加工时间和交货期，从模糊调度问题的性能指标出发，在引入模糊理论中可能性测度和必然性测度的基础上，提出了工件拖期可信度指标概念，用于对工件发生拖期的可能性进行衡量。以工件平均拖期可信度为调度优化指标，基于拖期可信度指标的性质，建立了变速并行机的混合整数规划模型。在对最优模糊调度性质分析和证明的基础上，提出了一种混合模糊遗传算法对模型进行求解。最后设计并开发了知识化制造单元模糊调度系统。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.2生产调度问题研究概述

1.2.1调度问题特点及分类

1.2.2生产调度问题的研究方法

1.3不确定生产环境下调度问题研究现状

1.3.1动态调度问题的研究方法

1.3.2制造系统中死锁控制策略

1.3.3随机调度问题的研究现状

1.3.4模糊生产环境下的调度问题

1.4本文的研究内容

第二章知识化制造单元动态调度的自适应策略

2.1引言

2.2知识化制造系统

2.2.1知识化制造系统提出的背景

2.2.2制造模式的知识网表示

2.2.3KMS的定义、体系结构、功能结构和逻辑层次

2.3问题描述

2.4 B-Q学习算法分析

2.4.1单元状态特征选取

2.4.2B-Q学习算法的提出

2.4.3自适应调度控制策略

2.5 B-Q学习算法收敛性分析

2.6仿真实验

2.7本章小结

第三章知识化制造单元死锁控制策略

3.1引言

3.2有限自动机(Finite Automaton)

3.2.1有限自动机定义

3.2.2有限自动机操作算子

3.3单元分布式死锁监控器

3.3.1单元关联矩阵

3.3.2分布式死锁监控器构建

3.4单元死锁控制策略

3.4.1加工资源层自动机

3.4.2工件层自动机

3.4.3约束层自动机

3.4.4死锁控制策略

3.5实例研究

3.6本章小结

附录

第四章带有限缓冲区的知识化制造单元无死锁调度

4.1引言

4.2问题描述及目标函数

4.2.1问题描述

4.2.2目标函数建立

4.3单元死锁监控器

4.4单元无死锁调度策略

4.4.1目标函数离散化

4.4.2目标函数性质分析

4.4.3无死锁调度策略

4.5仿真实验及分析

4.6本章小结

第五章知识化制造单元模糊调度模型和算法

5.1引言

5.2模糊调度问题描述

5.3模糊调度数学模型

5.3.1模糊数操作算子

5.3.2目标函数建立

5.3.3最优调度性质

5.4混合模糊遗传算法设计

5.4.1遗传编码设计

5.4.2初始种群产生

5.4.3选择运算

5.4.4种群改进准则

5.4.5交叉与变异运算

5.4.6停止准则

5.5实验与分析

5.6模糊调度系统开发

5.7本章小结

第六章结 论

6.1论文工作总结

6.2论文中需进一步研究的问题

参考文献

博士生阶段学习成绩及参加研究课题情况

附录

致谢