一種考慮機加工設備可用性的柔性作業(yè)車間動態(tài)調度方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種柔性作業(yè)車間動態(tài)調度方法，屬于車間調度技術領域。該方法考慮在機加工設備可用性降低到一定閥值時，對機加工設備進行預防性維修，生成預調度方案，以達到減少加工過程中機加工設備出現(xiàn)異常情況概率的目的；然后，在加工過程中，實時檢測設備運行狀態(tài)。當檢測到設備狀態(tài)出現(xiàn)異常時，通過分析異常狀態(tài)持續(xù)時間對最大完工時間的影響程度，判別是采取右移策略還是執(zhí)行重調度策略。本發(fā)明基于機加工設備可用性，通過插入空閑時間來對機加工設備進行預防性維修，從而降低機加工設備發(fā)生異常的概率。同時，通過實時檢測設備運行狀態(tài)，提高異常情況出現(xiàn)時重調度的響應能力，進而提高作業(yè)車間動態(tài)調度的穩(wěn)定性和及時性。
【專利說明】
-種考慮機加工設備可用性的柔性作業(yè)車間動態(tài)調度方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于車間調度領域，具體設及一種柔性作業(yè)車間動態(tài)調度方法，用于車間 生產(chǎn)過程的調度優(yōu)化與管理。
【背景技術】
[0002] 作業(yè)車間作為一種車間級的制造系統(tǒng)，它是機加工制造企業(yè)主要的生產(chǎn)活動中 屯、，是資源流動和生產(chǎn)過程的主體場所，是制造業(yè)企業(yè)的關鍵。因而，對作業(yè)車間的優(yōu)化運 行技術一直是熱點研究領域，如何減少加工時間，提高加工效率W及降低加工成本等是其 關注的主要問題，典型作業(yè)車間調度問題是一種的組合優(yōu)化問題。
[0003] 傳統(tǒng)車間調度模型中，假設工序加工所需要的資源不具有柔性，機加工設備的選 擇是唯一的。但是隨著大批量連續(xù)生產(chǎn)時代正逐漸被適應市場動態(tài)變化的多品種、小批量 離散生產(chǎn)所替代，柔性制造系統(tǒng)和數(shù)控加工系統(tǒng)等帶有一定柔性的生產(chǎn)系統(tǒng)逐漸出現(xiàn)，柔 性作業(yè)車間調度問題也就成為了研究重點，它是作業(yè)車間調度問題的一種擴展，工件的每 道工序可W在多臺不同設備上進行加工，運樣的柔性作業(yè)車間具有W下明顯的優(yōu)點：
[0004] ①提高設備的利用率，機加工設備一旦空閑就可W安排其它工件進行加工，減少 設備的閑置時間和工件的等待時間；
[0005] ②具有維持加工穩(wěn)定的能力，當設備出現(xiàn)故障時，工序可W安排到其它設備上進 行加工，使得加工過程可W繼續(xù)，保證加工的穩(wěn)定。
[0006] 另外，大多數(shù)現(xiàn)有的研究都把作業(yè)車間的相關參數(shù)假設為確定和已知的，但是在 實際的制造系統(tǒng)生產(chǎn)過程中，會出現(xiàn)隨機的不確定因素影響調度的正常運行。例如加工時 間不確定，機加工設備狀態(tài)異常、工件隨機到達等，理想狀態(tài)下的調度方法無法直接應用到 存在不確定因素的生產(chǎn)過程中。機加工設備狀態(tài)異常作為常見的不確定因素之一，已經(jīng)成 為學者研究的重點，而針對運些故障采取的維修策略主要有事后維修和預防性維修。
[0007] 事后維修是指在故障發(fā)生后進行的維修活動，運樣的維修方式會嚴重影響到作業(yè) 車間調度任務運行的效率，例如在按照調度計劃加工的過程中，某臺設備發(fā)生了故障，那么 為了等待設備修復，已經(jīng)安排在該設備上的加工任務就不得不中斷，甚至會影響到整個調 度任務的運行;預防性維修是指按照一定的規(guī)律，在未發(fā)生故障之前就對設備進行全面檢 修，把故障消滅在萌芽狀態(tài)，使加工設備處于良好的技術狀態(tài)。在生成調度方案時，考慮插 入空閑時間段來進行預防性維修，可W有效降低的故障率，使設備故障對已經(jīng)開始的調度 任務的影響得到減小。因此，合理安排預防性維修的關鍵在于減少已經(jīng)開始的加工任務中 設備故障發(fā)生的概率的同時還要減少預防性維修對未開始的加工任務的影響。
[000引機加工設備可用性是通過對設備持續(xù)運行時間和故障歷史數(shù)據(jù)分析得到的時間 函數(shù)，反映的是機加工設備在運行過程中的可用性。因此，從機加工設備可用性方面來考慮 在預調度方案中插入空閑時間段，對機加工設備進行預防性維修，W達到減少加工過程中 出現(xiàn)的故障對調度任務的影響，提高調度運行效率的目的。

【發(fā)明內容】

[0009] 有鑒于此，本發(fā)明目的在于提供一種考慮機加工設備可用性的柔性作業(yè)車間動態(tài) 調度方法，該方法通過考慮機加工設備可用性，在預調度方案中通過插入空閑時間來對機 加工設備進行預防性維修，從而可減少故障出現(xiàn)的概率。同時，通過實時檢測設備運行狀 態(tài)，提高故障發(fā)生時的重調度的響應能力，進而提高作業(yè)車間動態(tài)調度的穩(wěn)定性和及時性。
[0010] 為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：
[0011] 考慮機加工設備可用性的柔性作業(yè)車間動態(tài)調度方法，其特征在于:該方法具體 包括W下步驟：
[0012] 步驟一:在機加工設備可用性降低到預設閥值時，在預調度方案中插入空閑時間 段，對該機加工設備進行預防性維修，按照插入空閑時間段之后的柔性作業(yè)車間預調度方 案進行加工；
[0013] 所述機加工設備可用性是表示設備在規(guī)定的使用與維修方式下，在給定的時間內 能夠完成規(guī)定功能的能力?？捎眯匀Q于機加工設備的可靠性和維修性。在機加工設備k的 可靠性和維修性都服從指數(shù)分布的情況下，故障率Ak和修復率γ k都為常數(shù)，機加工設備k的 可用性函數(shù)Ak(t)可表示為：
[0014]
[0015] 所述預設閥值是表示當機加工設備可用性低到某個值時，該設備發(fā)生故障的概率 很大。該閥值由歷史數(shù)據(jù)中設備發(fā)生故障時對應的可用性大小決定，采用切尾均值的方法 來處理發(fā)生故障時的可用性數(shù)據(jù)，設備k的可用性閥值用AOk表示；
[0016] 所述預防性維修是指在機加工設備發(fā)生故障之前進行檢查、修理或更換，W防患 于未然。
[0017] 所述空閑時間段是指在該段時間內對機加工設備進行預防性維修，在本次調度任 務中空閑時間段的插入時刻用TAk表示，并且TAk =化-TOk，其中化是由Ak (t) = AOk求得的時 間，TOk表示在開始本次調度任務之前設備k持續(xù)運行的時間；空閑時間段的長度由該設備 的保養(yǎng)時間決定，設備k的保養(yǎng)時間用TMk表示；
[0018] 所述柔性作業(yè)車間具有W下特點：工件在一臺設備上加工的整個過程稱為一道工 序，每個工件需要多道工序來加工完成，每道工序可W由一個或多個設備來進行加工，并且 不同設備的加工時間不同。
[0019] 步驟二:實時檢測設備運行狀態(tài)，在沒有出現(xiàn)異常的情況下，按照原調度方案完成 生產(chǎn)任務，在檢測到設備狀態(tài)出現(xiàn)異常時，實時統(tǒng)計異常狀態(tài)持續(xù)時間，保持原調度方案不 變，在最大完工時間發(fā)生變化之前，采取右移策略；
[0020] 所述設備運行狀態(tài)是通過對實時獲取到的設備輸入功率特征進行識別來判斷的， 當設備發(fā)生異常時，功率特征會發(fā)生變化；
[0021] 所述異常狀態(tài)是包括停機狀態(tài)和機加工設備處于待機狀態(tài)時間超過調度方案中 的待機狀態(tài)時所處的狀態(tài)。
[0022] 所述右移策略是保持原有調度方案不變，等待設備被修復繼續(xù)完成中斷的工序。
[0023] 步驟當實時統(tǒng)計到的故障持續(xù)時間超過了最大完工時間變化時右移策略的持 續(xù)時間，重調度機制被觸發(fā)，依據(jù)異常類型對修復時間進行估計，采取重調度策略，更新設 備可用性，依據(jù)可用性計算插入空閑時間段的時刻，生成重調度方案；
[0024] 所述最大完工時間變化時右移策略的持續(xù)時間是指在保持右移策略時，因設備異 常而中斷的工序及其緊后工序的完成時間都會延遲，在一定的時間范圍內，最大完工時間 不會發(fā)生變化，而當右移策略持續(xù)一段時間之后，最大完工時間會開始增大；
[0025] 所述異常狀態(tài)修復時間的估計是通過歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計來獲得的，不同的異常狀態(tài)都 有其對應的平均修復時間。假設某臺設備會出現(xiàn)G種異常狀態(tài)，每種異常狀態(tài)的平均修復時 間為Tg(g = l，2, . . .，G)，相應的頻率為fg(l，2, . . .，G)，則該臺設備的平均異常狀態(tài)修復時 間關
[0026] 所述重調度策略包括確定重調度工序和重調度下設備開工時間，另外重調度的目 標函數(shù)不僅需要考慮最大完工時間，還需要考慮調度的穩(wěn)定性。相關內容含義如下：
[0027] 重調度工序包括未開始加工的工序和因設備異常中斷的工序，并且中斷的工序還 需要的加工時間與完成的比例相對應。例如某工序在設備A、B上進行加工需要的加工時間 分別為曰1、曰2,在設備A上加工了時間曰3時設備A出現(xiàn)異常，則該工序在設備B上繼續(xù)加工需要 的時間
[00%]重調度下設備開工時間需要進行設定，工序已經(jīng)開始加工的設備在加工完成該工 序之后才能進行重調度，發(fā)生異常的設備在異常狀態(tài)修復后進行重調度，其修復時間由不 同異常類型的平均修復時間決定；
[0029] 所述更新設備可用性是指對機加工設備被修復之后，其可用性會發(fā)生變化，運種 變化包含兩種情況:預防性維修之后，機加工設備可用性恢復到初始狀態(tài)；出現(xiàn)異常經(jīng)過修 復之后，機加工設備可用性恢復到異常情況出現(xiàn)前一時刻的狀態(tài)。
[0030] 步驟四：按照重調度方案進行生產(chǎn)加工，執(zhí)行步驟二。
[0031] 本發(fā)明具有區(qū)別于傳統(tǒng)方法的顯著優(yōu)勢：
[0032] 本發(fā)明由于在對柔性作業(yè)車間進行預調度時，引入機加工設備可用性來對機加工 設備預防性維修的時刻做出預判，通過插入空閑時間段來對機加工設備進行預防性維修， W達到減少加工過程中出現(xiàn)的故障對調度任務的影響，提高調度運行效率的目的。此外，通 過實時檢測設備運行狀態(tài)，及時獲取設備故障信息，提高了異常狀態(tài)出現(xiàn)時的重調度的響 應能力，保證了動態(tài)調度的及時性和穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0033] 圖1為本發(fā)明【具體實施方式】的動態(tài)調度流程圖；
[0034] 圖2為本發(fā)明【具體實施方式】的考慮機加工設備可用性的柔性作業(yè)車間預調度方案 流程圖；
[0035] 圖3為本發(fā)明【具體實施方式】的重調度策略流程圖；
[0036] 圖4為本發(fā)明【具體實施方式】的考慮機加工設備可用性的柔性作業(yè)車間預調度甘特 圖；
[0037] 圖5為本發(fā)明【具體實施方式】的右移結果甘特圖；
[0038] 圖6為本發(fā)明【具體實施方式】的重調度結果甘特圖。
【具體實施方式】
[0039] 下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做詳細說明。
[0040] 參照圖1、圖2、圖3、圖4、圖5和圖6,一種考慮機加工設備可用性的柔性作業(yè)車間動 態(tài)調度方法，包括如下步驟：
[0041] 步驟一:在機加工設備可用性降低到預設閥值時，在預調度方案中插入空閑時間 段，對該機加工設備進行預防性維修，按照插入空閑時間段之后的柔性作業(yè)車間預調度方 案進行加工，考慮機加工設備可用性的柔性作業(yè)車間預調度方案流程如圖2所示；
[0042] 所述機加工設備可用性是表示設備在規(guī)定的使用與維修方式下，在給定的時間內 能夠完成規(guī)定功能的能力?？捎眯匀Q于機加工設備的可靠性和維修性。在機加工設備k的 可靠性和維修性都服從指數(shù)分布的情況下，故障率Ak和修復率γ k都為常數(shù)，機加工設備k的 可用性函數(shù)Ak(t)可表示為：
[0043]
[0044] 所述預設閥值是表示當機加工設備可用性低到某個值時，該設備發(fā)生故障的概率 很大。該閥值由歷史數(shù)據(jù)中設備發(fā)生故障時對應的可用性大小決定，采用切尾均值的方法 來處理發(fā)生故障時的可用性數(shù)據(jù)，設備k的可用性閥值用AOk表示；
[0045] 所述預防性維修是指在機加工設備發(fā)生故障之前進行檢查、修理或更換，W防患 于未然。
[0046] 所述空閑時間段是指在該段時間內對機加工設備進行預防性維修，在本次調度任 務中空閑時間段的插入時刻用TAk表示，并且TAk =化-TOk，其中化是由Ak (t) = AOk求得的時 間，TOk表示在開始本次調度任務之前設備k持續(xù)運行的時間；空閑時間段的長度由該設備 的保養(yǎng)時間決定，設備k的保養(yǎng)時間用TMk表示；
[0047] 所述柔性作業(yè)車間具有W下特點：工件在一臺設備上加工的整個過程稱為一道工 序，每個工件需要多道工序來加工完成，每道工序可W由一個或多個設備來進行加工，并且 不同設備的加工時間不同。
[004引步驟二:實時檢測設備運行狀態(tài)，在沒有出現(xiàn)異常的情況下，按照原調度方案完成 生產(chǎn)任務，在檢測到設備狀態(tài)出現(xiàn)異常時，實時統(tǒng)計異常狀態(tài)持續(xù)時間，保持原調度方案不 變，在最大完工時間發(fā)生變化之前，采取右移策略；
[0049] 所述設備運行狀態(tài)是通過對實時獲取到的設備輸入功率特征進行識別來判斷的， 當設備發(fā)生異常時，功率特征會發(fā)生變化；
[0050] 所述異常狀態(tài)是包括停機狀態(tài)和機加工設備處于待機狀態(tài)時間超過調度方案中 的待機狀態(tài)時所處的狀態(tài)。
[0051] 所述右移策略是保持原有調度方案不變，等待設備被修復繼續(xù)完成中斷的工序。
[0052] 步驟Ξ:當實時統(tǒng)計到的異常狀態(tài)持續(xù)時間化超過了最大完工時間變化時右移策 略的持續(xù)時間T。，重調度機制被觸發(fā)，依據(jù)異常類型對修復時間進行估計，采取重調度策 略，更新設備可用性，依據(jù)可用性計算插入空閑時間段的時刻，生成重調度方案，重調度策 略基本流程如圖3所示；
[0053] 所述最大完工時間變化時右移策略的持續(xù)時間是指在保持右移策略時，因設備異 常而中斷的工序及其緊后工序的完成時間都會延遲，在一定的時間范圍內，最大完工時間 不會發(fā)生變化，而當右移策略持續(xù)一段時間之后，最大完工時間會開始增大；
[0054] 所述異常狀態(tài)修復時間的估計是通過歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計來獲得的，不同的異常都有其 對應的平均修復時間。假設某臺設備會出現(xiàn)G種異常狀態(tài)，每種異常狀態(tài)的平均修復時間為 Tg(g = l，2, . . .，G)，相應的頻率為fg(l，2, . . .，G)，則該臺設備的平均異常狀態(tài)修復時間為
[0055] 所述重調度策略包括確定重調度工序和重調度下設備開工時間，另外重調度的目 標函數(shù)不僅需要考慮最大完工時間，還需要考慮調度的穩(wěn)定性。相關內容含義如下：
[0056] 重調度工序包括未開始加工的工序和因設備異常而中斷的工序，并且中斷的工序 還需要的加工時間與已完成的比例相對應。例如某工序在設備A、B上進行加工需要的加工 時間分別為曰1、曰2,在設備A上加工了時間曰3時設備A出現(xiàn)故障，則該工序在設備B上繼續(xù)加工 需要的時間
[0057] 重調度下設備開工時間需要進行設定，工序已經(jīng)開始加工的設備在加工完成該工 序之后才能進行重調度，發(fā)生異常的設備在異常狀態(tài)修復后進行重調度，其修復時間由不 同異常類型的平均修復時間決定；
[0058] 所述更新設備可用性是指對機加工設備被修復之后，其可用性會發(fā)生變化，運種 變化包含兩種情況:預防性維修之后，機加工設備可用性恢復到初始狀態(tài);發(fā)生設備異常經(jīng) 過修復之后，機加工設備可用性恢復到異常發(fā)生前一時刻的狀態(tài)。
[0059] 步驟四：按照重調度方案進行生產(chǎn)加工，執(zhí)行步驟二。
[0060] 實施例：
[0061] 本實施例中，將考慮機加工設備可用性的柔性作業(yè)車間重調度方法應用到某柔性 作業(yè)車間中，該車間生產(chǎn)4個工件，每個工件有4道工序來完成加工過程，有6臺機床設備來 加工，設備可加工的工序及相應加工時間如表1所示，其中（換ω)表示對應工件相關工序的 可選機器號為巧，且在該機器上的加工時間為ω，多行該符號表示某工序可在多臺不同機 器上加工，且加工時長各不相同。
[0062] 表1柔性作業(yè)車間調度實例
[0063]
[0064] 依據(jù)機加工設備可用性，設備1在時刻33需要進行預防性維修，預防性維修時間長 度為10,設備5在時刻22需要進行預防性維修，維修時間長度為11，則通過插入空閑時間段， 對設備1和設備5進行預防性維修，得到的預調度方案如圖4所示。
[0065] 在時刻40,設備1出現(xiàn)異常，當異常狀態(tài)持續(xù)時間化<7時，采取如圖5所示的右移 策略，保持原有的調度方案不變;當異常狀態(tài)持續(xù)時間化>7時，此時依據(jù)異常類型，對異常 狀態(tài)修復時間進行估計，得到該異常還需要的修復時間為6,則采取如圖5所示的重調度策 略，將工件1的第4道工序安排到設備6上進行加工。
[0066] 實例結果分析：
[0067] 由上述調度實例可見，在生成預調度方案時考慮機加工設備可用性插入空閑時間 段的方法，不僅是可W對機加工設備進行預防性維修，降低設備出現(xiàn)故障的概率，而且在該 空閑時間段出現(xiàn)設備異常的情況下，運個時間段能夠為設備修復提供一個緩沖時間，并且 通過實時狀態(tài)檢測統(tǒng)計異常狀態(tài)的持續(xù)時間，W此為依據(jù)采取不同的調度策略，避免了一 出現(xiàn)異常就對調度方案進行調整，保證了動態(tài)調度的及時性和穩(wěn)定性。
【主權項】
1. 一種考慮機加工設備可用性的柔性作業(yè)車間動態(tài)調度方法，用于解決異常狀態(tài)下柔 性作業(yè)車間調度問題，提高動態(tài)調度的穩(wěn)定性和及時性，其特征在于:該方法具體包括以下 步驟： 步驟一:在機加工設備可用性降低到預設閥值時，在預調度方案中插入空閑時間段，對 該機加工設備進行預防性維修，按照插入空閑時間段之后的柔性作業(yè)車間預調度方案進行 加工； 所述機加工設備可用性是表示設備在規(guī)定的使用與維修方式下，在給定的時間內能夠 完成規(guī)定功能的能力?？捎眯匀Q于機加工設備的可靠性和維修性。在可靠性和維修性都 服從指數(shù)分布的情況下，故障率λ和修復率γ都為常數(shù)，機加工設備可用性A(t)可表示為：所述預設閥值是表示當機加工設備可用性低到某個值時，該設備發(fā)生故障的概率很 大。該閥值由歷史數(shù)據(jù)中設備發(fā)生故障時對應的可用性大小決定，采用切尾均值的方法來 處理發(fā)生故障時的可用性數(shù)據(jù)； 所述預防性維修是指在機加工設備發(fā)生故障之前進行檢查、修理或更換，以防患于未 然。 所述空閑時間段是指在該段時間內對機加工設備進行預防性維修，空閑時間段的長度 由該設備的保養(yǎng)時間決定； 所述柔性作業(yè)車間具有以下特點：工件在一臺設備上加工的整個過程稱為一道工序， 每個工件需要多道工序來加工完成，每道工序可以由一個或多個設備來進行加工，并且不 同設備的加工時間不同。 步驟二:實時檢測設備運行狀態(tài)，在沒有出現(xiàn)異常的情況下，按照原調度方案完成加工 任務，在檢測到設備出現(xiàn)異常時，實時統(tǒng)計異常狀態(tài)持續(xù)時間，保持原調度方案不變，在最 大完工時間發(fā)生變化之前，采取右移策略； 所述設備運行狀態(tài)是通過對實時獲取到的設備輸入功率特征進行識別來判斷的，當設 備發(fā)生異常時，功率特征會發(fā)生變化； 所述異常狀態(tài)是包括停機狀態(tài)和機加工設備處于待機狀態(tài)時間超過調度方案中的待 機狀態(tài)時所處的狀態(tài)。 所述右移策略是保持原有調度方案不變，等待設備被修復繼續(xù)完成中斷的工序。 步驟三：當實時統(tǒng)計到的異常狀態(tài)持續(xù)時間超過了最大完工時間變化時右移策略的持 續(xù)時間，重調度機制被觸發(fā)，依據(jù)異常狀態(tài)類型對修復時間進行估計，采取重調度策略，更 新設備可用性，依據(jù)可用性計算插入空閑時間段的時刻，生成重調度方案； 所述最大完工時間變化時右移策略的持續(xù)時間是指在保持右移策略時，因異常狀態(tài)而 中斷的工序及其緊后工序的完成時間都會延遲，在一定的時間范圍內，最大完工時間不會 發(fā)生變化，而當右移策略持續(xù)一段時間之后，最大完工時間會開始變化； 所述異常狀態(tài)修復時間的估計是通過歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計來獲得的，不同的異常狀態(tài)都有其 對應的平均修復時間。假設某臺設備會出現(xiàn)G種異常狀態(tài)，每種異常狀態(tài)的平均修復時間為 Tg(g = l，2,. . .，G)，相應的頻率為fg(g=l，2,. . .，G)，則該臺設備的平均異常狀態(tài)修復時間所述重調度策略包括確定重調度工序和重調度下設備開工時間，另外重調度的目標函 數(shù)不僅需要考慮最大完工時間，還需要考慮調度的穩(wěn)定性。相關內容含義如下： 重調度工序包括未開始加工的工序和因設備異常中斷的工序，并且中斷的工序還需要 的加工時間與完成的比例相對應。例如某工序在設備A、B上進行加工需要的加工時間分別 為ai、a2，在設備A上加工了時間a 3時設備A出現(xiàn)異常，則該工序在設備B上繼續(xù)加工需要的時重調度下設備開工時間需要進行設定，工序已經(jīng)開始加工的設備在加工完成該工序之 后才能進行重調度，出現(xiàn)異常的設備在異常狀態(tài)修復后進行重調度，其修復時間由不同異 常類型的平均修復時間決定； 所述更新設備可用性是指對機加工設備被修復之后，其可用性會發(fā)生變化，這種變化 包含兩種情況:預防性維修之后，機加工設備可用性恢復到初始狀態(tài);發(fā)生異常經(jīng)過維修之 后，機加工設備可用性恢復到異常情況發(fā)生前一時刻的狀態(tài)。 步驟四：按照重調度方案進行生產(chǎn)加工，執(zhí)行步驟二。
【文檔編號】G05B19/418GK105824304SQ201610329129
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月18日
【發(fā)明人】谷振宇, 李林鋒, 劉國榮, 馬鐵東
【申請人】重慶大學