了得網計算機/網絡_智能制造關鍵使能技術——動態HOLONIC制造繫統建模技術、重構方

內容簡介

本書對基於Holonic制造繫統的的重構機制及典型問題進行了研究；重點實現HMS繫統中與任務的動態調度方法，以及算法求解效率的定量分析；對中JSP（Job Shop Problem）、FSP（Flow Shop Problem）和混合繫統問題進行了深入分析，提出了確定性演化算法求解這類問題的算法框架。

作者簡介

趙付青，蘭州理工大學，計算機與通信學院，教授，工學博士，博士後。主要研究領域為先進制造繫統的基礎理論，重點研究方向為敏捷制造繫統實現方法及重構技術，計算智能理論及其在先進制造繫統中的應用等方面，內容涉及制造繫統建模，模型的動力學分析及仿真，模型的優化計算，仿生計算算法及其對Holonic制造模型的優化計算等方面。2014年1月至2015年1月受留學基金委"青年骨干教師計劃”的資助赴美國佐治亞理工學院制造研究中心訪問學習一年。2008年6月至2009年6月受*"出國留學基金”的資助赴英國Exeter大學制造企業研究中心訪問學習一年。主持完成國家自然基金，國家自然基金國際合作項目，中國博士後特別資助，博士後基金一等，省自然基金，碩導基金，財政廳高校業務費，人事廳留學回國基金各1項；完成，參與國家，省部級項目13項；近5年來，發表論文49篇，SCI 16篇，EI 26篇，被引用69次；目前為制造領域國際核心期刊International Journal of Production Research，International Journal of Advanced Manufacturing Technology，International Journal of Computer Integrated Manufacturing的審稿人；獲得甘肅省科技進步三等獎，蘭州市科技進步二等獎，省科技創新活動，高校科技進步三等獎等共10項，獲2013隴原青年人纔扶持計劃，甘肅省高等學校青年教師成纔獎，"李政道獎學金”，學校"十一.五” 科技先進個人，青年教師講課競賽，教學優秀獎等榮譽稱號。出版專著1部，主編教材5部（71萬字）。

第1 章緒論 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1
1.1 引言 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1
1.2 HMS 研究現狀 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 4
1.3 HMS 調度繫統 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 6
1.4 課題研究意義 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 8
1.4.1 問題的提出 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 8
1.4.2 研究內容 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 9
1.4.3 研究意義 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 11
1.5 擬解決的關鍵科學問題與方法 ???????????????????????????????????????????????????????????? 12
1.5.1 關鍵科學問題 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 12
1.5.2 研究方案 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 13
1.5.3 可行性分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 17
第2 章動態Holonic 制造繫統建模及重構方法 ?????????????????????????????????????????????? 19
2.1 基於DHMS 參考模型的車間內部工作流程建模技術 ???????????????????????? 19第1 章緒論 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1
1.1 引言 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1
1.2 HMS 研究現狀 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 4
1.3 HMS 調度繫統 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 6
1.4 課題研究意義 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 8
1.4.1 問題的提出 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 8
1.4.2 研究內容 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 9
1.4.3 研究意義 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 11
1.5 擬解決的關鍵科學問題與方法 ???????????????????????????????????????????????????????????? 12
1.5.1 關鍵科學問題 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 12
1.5.2 研究方案 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 13
1.5.3 可行性分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 17
第2 章動態Holonic 制造繫統建模及重構方法 ?????????????????????????????????????????????? 19
2.1 基於DHMS 參考模型的車間內部工作流程建模技術 ???????????????????????? 19
2.1.1 產品Holon（PH） ???????????????????????????????????????????????????????????????????? 21
2.1.2 任務Holon（TH） ???????????????????????????????????????????????????????????????????? 21
2.1.3 運行Holon（OH） ??????????????????????????????????????????????????????????????????? 22
2.1.4 在線監控Holon（SH） ???????????????????????????????????????????????????????????? 23
2.2 Holon 之間的交互 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 24
2.2.1 企業全局的多Holon 繫統交互????????????????????????????????????????????????? 24
2.2.2 成員企業局部的多Holon 繫統交互 ????????????????????????????????????????? 25
2.3 Holonic 制造繫統參考體繫結構研究 ?????????????????????????????????????????????????? 26
2.3.1 Holonic 制造繫統的參考體繫結構 ??????????????????????????????????????????? 26
2.3.2 Holonic 制造繫統的控制策略 ??????????????????????????????????????????????????? 29
2.4 DHVE 參考模型的映射 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????? 33
2.4.1 物理層 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 34
2.4.2 實現層 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 35
2.4.3 應用層 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 37
2.5 基本Holon 的建模 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 38
2.5.1 基本Holon 的結構及工作原理????????????????????????????????????????????????? 39
2.5.2 基於Agent 的基本Holon 模型 ????????????????????????????????????????????????? 40
2.6 DHMS 繫統的分布式決策過程及實現研究 ???????????????????????????????????????? 46
2.6.1 DHMS 繫統中任務的分布式決策過程 ???????????????????????????????????? 47
2.6.2 訂單/模型 ??????????????????????????????????????????????????????????????????? 47
2.6.Holon 向DHMS 繫統的映射 ??????????????????????????????????????????? 50
2.6.4 Holon/Agent 協調算法 ?????????????????????????????????????????????????????????????? 53
2.6.5 遞階式的投標和重配置 ???????????????????????????????????????????????????????????? 58
2.7 重構選項的識別、模擬及評估 ???????????????????????????????????????????????????????????? 64
2.7.1 通用配置的識別 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????? 64
2.7.2 離散事件的模擬及評估 ???????????????????????????????????????????????????????????? 66
2.7.3 繫統層次結構 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 67
2.8 車間調度繫統的實現 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 68
2.9 小結 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 72
第3 章混合流水車間調度模型及其仿真計算方法 ????????????????????????????????????????? 74
3.1 並行機調度模型 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 76
3.1.1 基本定義 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 76
3.1.2 模型描述 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 77
3.1.3 模型假設條件 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 78
3.2 模型穩定性證明 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 78
3.3 帶緩衝區的混合流水車間模型及其性能分析 ????????????????????????????????????? 81
3.3.1 帶有多個緩衝區的單級並行加工繫統 ????????????????????????????????????? 81
3.3.2 帶有一個緩衝區的單級並行加工繫統 ????????????????????????????????????? 82
3.3.3 數值分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 84
3.3.4 模型性能分析 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 84
3.3.5 仿真實驗及結果分析 ???????????????????????????????????????????????????????????????? 88
3.4 可修混合排隊調度模型及其性能分析 ???????????????????????????????????????????????? 91
3.4.1 混合排隊調度模型 ???????????????????????????????????????????????????????????????????? 91
3.4.2 數值模擬及分析 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????? 96
3.5 小結 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 99
第4 章典型Job Shop 調度問題求解方法 ???????????????????????????????????????????????????? 100
4.1 Job Shop 調度問題 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 101
4.1.1 問題描述 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 101
4.1.2 Job Shop 調度數學模型 ?????????????????????????????????????????????????????????? 101
4.2 JSP 問題求解算法 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 102
4.2.1 SCE 算法 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 102
4.2.2 改進的SCE 算法 ???????????????????????????????????????????????????????????????????? 105
4.2.3 馬爾可夫模型及收斂性分析 ?????????????????????????????????????????????????? 107
4.2.4 實驗仿真與結果 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????? 110
4.3 基於改進SCE 算法的Job Shop 調度問題 ???????????????????????????????????????? 113
4.3.1 編碼機制 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 113
4.3.2 解碼機制 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 114
4.3.3 適應度函數 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 115
4.3.4 SCE 算法參數分析 ?????????????????????????????????????????????????????????????????? 115
4.3.5 基於改進SCE 算法的Job Shop 調度算法 ????????????????????????????? 116
4.4 算法復雜度分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 117
4.5 實驗仿真與結果分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 118
4.6 小結 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 121
第5 章置換Flow Shop 調度算法 ?????????????????????????????????????????????????????????????????? 122
5.1 置換Flow Shop 調度問題 ?????????????????????????????????????????????????????????????????? 122
5.1.1 問題描述 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 122
5.1.

前言

前言
Holonic 的調度策略及實現方法是制造繫統調度性能和繫統穩定性等方面重要的基礎問題之一，但由於調度計算的復雜性和對干擾的魯棒性差等原因，高性能調度方法很少被應用於實際生產中。本書擬引入HolonicManufacturing Systems（HMS）制造哲理的概念，對基於Holonic 制造繫統的的重構機制及典型問題進行研究；重點實現HMS 繫統中與任務的動態調度方法，以及算法求解效率的定量分析；對中JSP（JobShop Problem）、FSP（Flow Shop Problem）和混合繫統問題進行了深入分析，提出了確定性演化算法求解這類問題的算法框架。本書的主要內容和貢獻如下：
（1）通過企業業務流程及HMS 繫統的深入分析和研究，提出了動態Holonic制造繫統（Dynamic Holonic Manufacturing System，DHMS）重構模型及其實現方法，該模型從整個制造繫統價值鏈，以及企業級運作的對像、過程、資源、信息等方面進行建模，為Holon 體繫開發了新的應用領域，將Holonic 制造的研究提升到了一個新的高度；同時也拓展了企業業務流程的範疇，使企業間業務的戰略考慮與具體的操作層實施結合起來。在基於PSORA 參考模型的基礎上確定了DHMS 中Holon 的種類：虛擬企業Holon、成員企業Holon、產品Holon（PH）、任務Holon（TH）、運行Holon（OH）及在線監控Holon（SH），並對其重構及實現技術進行了定義。前言
Holonic 的調度策略及實現方法是制造繫統調度性能和繫統穩定性等方面重要的基礎問題之一，但由於調度計算的復雜性和對干擾的魯棒性差等原因，高性能調度方法很少被應用於實際生產中。本書擬引入HolonicManufacturing Systems（HMS）制造哲理的概念，對基於Holonic 制造繫統的的重構機制及典型問題進行研究；重點實現HMS 繫統中與任務的動態調度方法，以及算法求解效率的定量分析；對中JSP（JobShop Problem）、FSP（Flow Shop Problem）和混合繫統問題進行了深入分析，提出了確定性演化算法求解這類問題的算法框架。本書的主要內容和貢獻如下：
（1）通過企業業務流程及HMS 繫統的深入分析和研究，提出了動態Holonic制造繫統（Dynamic Holonic Manufacturing System，DHMS）重構模型及其實現方法，該模型從整個制造繫統價值鏈，以及企業級運作的對像、過程、資源、信息等方面進行建模，為Holon 體繫開發了新的應用領域，將Holonic 制造的研究提升到了一個新的高度；同時也拓展了企業業務流程的範疇，使企業間業務的戰略考慮與具體的操作層實施結合起來。在基於PSORA 參考模型的基礎上確定了DHMS 中Holon 的種類：虛擬企業Holon、成員企業Holon、產品Holon（PH）、任務Holon（TH）、運行Holon（OH）及在線監控Holon（SH），並對其重構及實現技術進行了定義。
（2）提出了基於排隊論的混合流水車間調度模型，將串行與並行排隊繫統相結合，對其調度規則進行形式化描述，證明了繫統的穩定性，並對繫統達到穩態工作狀態的各目標參量所需條件及其概率特性進行了分析。以小化工件等待時間為目標函數，通過上述方法對繫統模型進行仿真計算，驗證了該方法對混合流水車間調度問題是有效的。同時研究了可修排隊繫統，用概率母函數法對可修排隊繫統達到穩態工作狀態的各目標參量所需條件及其概率特性進行了分析。後通過數值運算驗證了該方法用於這類車間調度問題的分析是有效的。
（3）對JSP問題進行深入分析，以求解JSP 中工件的小、完成時間為目標，通過序列映射方式將連續定義域空間中的變量映射到離散的組合優化問題空間中，采用基於工序編碼的方式進行編碼，使用順序插入解碼機制對其解碼。將改進的SCE 算法用於求解經典Job Shop 調度問題，並將結果與基本SCE 算法進行比較。結果表明，改進的SCE 算法在解決Job Shop 調度問題上相比基本SCE算法更加有效。
（4）研究了典型置換Flow Shop 調度問題，以求解工件的小、完成時間為目標，通過LOV 機制將連續定義域空間中的變量映射到離散的組合優化問題空間中，對工件變量采用基於實數的編碼方式編碼。將SCE 算法用於求解29個典型置換Flow Shop 調度問題，並將其與已有的智能優化算法PSO、DE、GA、NEH 等進行比較，結果表明，SCE 算法在求解該類調度問題上的整體性能要高於其他智能算法，驗證了SCE 算法在置換Flow Shop 調度問題中的有效性。
（5）對HMS 繫統預測調度問題進行了研究，針對預測調度模型的動態特性，引入數理統計預測方法來構建預測模型，利用Scatter Search（SS）算法對預測模型中的3 個參數求解，優化的參數可以幫助預測模型得到精確的預測結果，預測結果可以提高預測調度的精確性。
本書通過較深入的建模研究、算法設計、分析計算及仿真繫統的開發，取得了一些很有價值的結論。
本書是作者在近年來研究工作的基礎上撰寫完成的，特別是在西安交通大學繫統工程研究所、西北工業大學航空宇航科學與技術進行博士後研究工作的經歷，提高了作者對這一領域深入的理解，特別感謝西安交通大學的鄒建華教授、西北工業大學的王俊彪教授的指導和鼓勵。衷心感謝作者單位蘭州理工大學計算機與通信學院同事們的大力支持，使本人有更多精力投入科學研究工作中，纔使這些不很成熟的見解得以面世。
由於時間倉促，加之作者水平有限，本書難免會有錯誤和不足，敬請讀者不吝指正。

著者
2017 年7 月

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