新订单随机到达下的虚拟单元重构与重调度

摘要

随着市场需求的动态多变，多品种、小批量的订单式生产（ Make-to-order manufacturing，MTO）已经成为制造业发展的主流。虚拟单元生产系统（Virtual Cellular Manufacturing System，VCMS）（下文简称虚拟单元）是从成组技术以及传统单元制造基础上发展起来的一种先进生产方式。当前的市场需求呈现交货期短、动态性强的特征，采用虚拟单元生产方式能够有效地提高生产制造柔性及敏捷性。而从目前的研究来看，对于虚拟单元动态重构与重调度问题的研究都简化为静态的重构与重调度来处理，对于随机动态扰动因素的影响考虑不足，这与实际生产明显不符。因此，本文以新订单随机到达条件下对虚拟单元重构与重调度问题进行详细研究。
　　在虚拟单元生产过程中，随着新订单的随机到达，原有的虚拟单元结构可能已不适应后期的加工需求，所以导致虚拟单元重构的频繁发生。针对此种扰动，本文提出将新订单与时间窗口相结合的方式下对虚拟单元进行重构。若车间内剩余机器设备的加工能力不能够满足新订单的生产需求，则采用时间窗口冻结技术将新订单进行冻结，在本期生产结束后，再将新订单加入后期虚拟单元中进行生产。后期的虚拟单元重构不同于一般初始性的虚拟单元动态重构，企业需要实现在已有虚拟单元构建方案的基础上进行虚拟单元的快速重构。该重构方案不仅仅要实现后续虚拟单元生产的高效运行，而且还应最大程度地继承原有虚拟单元的配置形式。本文在现有研究基础上，提出了继承性的虚拟单虚拟单元重构方案以避免割裂式重构带来的影响。该重构方法综合考虑了虚拟单元重构的高效性与稳定性特征。其中高效性包含产品工艺相似性、跨单元次数、设备利用率、物流成本因素；稳定性包含单元内机器变动因素。为了有效地求解模型，在相关算法研究基础上，设计了基于动态层次分析的多目标遗传优化算法；该算法通过随机搜索Pareto优化解集，实现对模型的有效求解。若车间的剩余加工能力能够满足新订单的生产需求，则采用订单驱动的重构方式，在当期利用剩余设备对到达的新订单进行初始性构建。这样既保证了对于生产加工过程中的事件性扰动做到了实时响应，同时又维护了生产系统的稳定性与连续性。
　　针对新订单随机到达下的虚拟单元重调度问题，本文通过对新订单到达时间进行模拟，结合滚动窗口技术，在重调度混合驱动基础上，提出根据订单按时完工触发器和机器空闲状态触发器来进行重调度驱动的决策判断。同时根据机器的平均负荷来确定动态滚动窗口大小，将动态随机的调度周期划分成连续静态调度区间。并给出了考虑最大完工时间、加权总拖期、初始调度偏离度最小为目标的非线性多目标0-1整数规划模型，设计了多目标离散粒子群算法求解该模型。
　　为了验证本文所提出新订单随机到达下虚拟单元继承性重构与基于滚动窗口技术重调度方法的有效性。本文在对HDZH船厂的机加工车间生产现状及存在问题进行详细分析的基础上，将本文所提出的方案应用到机加工车间的实际生产中。在新任务随机到达的动态生产环境下，将企业当前所采用的生产方式与虚拟单元生产方式的进行对比分析。结果表明了本文所提方法具有较高的可行性及有效性。

目录

声明

第1章绪论

1.1问题提出、背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的研究内容、技术路线图及创新点

1.4 本章小结

第2章 虚拟单元动态调度的相关理论基础

2.1虚拟单元制造系统

2.2虚拟单元动态构建的相关原理

2.3虚拟单元动态调度的相关原理

2.4干扰管理理论

2.5 本章小结

第3章 新订单与时间窗口结合的继承性虚拟单元重构

3.1虚拟单元继承性动态构建与一般割裂式构建对比

3.2虚拟单元多期构建问题描述及数学模型

3.3算法设计

3.4 算例研究

3.5 本章小结

第4章 新任务下基于滚动窗口的虚拟单元动态调度

4.1重调度驱动决策

4.2重调度模型

4.3算法设计

4.4算例研究

4.5 本章小结

第5章 案例分析

5.1 案例应用企业的基本情况

5.2 案例应用过程及数据

5.3 案例应用结果及分析

5.4 本章小结

总结与展望

论文总结

研究展望

参考文献

攻读学位期间所取得的相关科研成果

致谢