订单陆续到达下虚拟单元多期构建与动态调度问题研究

发布时间：2017-08-05 07:27

  本文关键词：订单陆续到达下虚拟单元多期构建与动态调度问题研究

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【摘要】：在竞争日益激烈和制造能力不断提升的环境下,制造业逐渐采用面向订单制造(Make-to-Order manufacturing,MTO)的生产模式,产品呈现出批量小、品种多样化及市场需求动态多变等特点。虚拟单元制造系统(Virtual Cellular Manufacturing System,VCMS)结合了单元制造模式的效率和柔性制造的生产柔性,是多品种、小批量企业中广泛应用的生产组织方式,通过逻辑上的单元构建来组织生产,不仅能保证一定的加工效率,也极大的减少了重构时间和成本,因此更能适应企业所面临的内、外部动态多变的生产环境。在实际生产环境中,除了紧急插单等突发扰动事件外,还不断地接收着由计划层下发的普通订单,各订单依次接受加工后再不断地离开。随着订单的陆续到达,导致加工任务的组合复杂多变,根据上一阶段的零件种类和需求量构建的单元结构可能并不一定适合下一阶段。在虚拟单元生产方式下,将原来一个计划期分解成连续多个生产周期,根据这种动态变化对生产系统内部资源不断地进行调整。然而,频繁的重构会使得生产调度更为复杂,带来更多的物料搬运成本,尤其是极大的增加了工人的生产压力,也给生产的过程控制和质量控制带来很多隐患。因此有必要探讨兼顾多周期均衡策略和考虑后续调度复杂度的虚拟单元动态构建方法。在一个确定的生产周期内,考虑订单陆续到达的生产特征更能反映生产的实际情况,但会使得调度过程更具随机性,提高了调度问题的复杂度。采用结合滚动窗口技术的周期驱动动态调整策略,可简化动态调度过程,使得陆续到达的订单依次有序的进入加工状态,结合虚拟单元资源共享的生产方式可显著地提高设备利用率。本文从车间层的短期作业计划角度出发,将虚拟单元多期构建问题分为多周期设备资源选择、路径分配和单元结构优化两个阶段。综合考虑了设备冗余情况下加工批量设置、系统稳健性、单元构建对调度的影响等问题,根据不同生产周期下零件加工的种类和数量的不同对制造资源进行选择。提出以最小化加工及运输成本、最大调度因子最小和负荷平衡为目标的资源选择和路径分配问题的多目标动态混合整数规划模型,采用自适应遗传算法求解该优化问题的pareto最优解集,并引入TOPSIS思想得出最优资源选择方案。然后设计了基于模糊C均值的改进资源聚类算法,引入HERBAL算法来产生初始聚类中心,并采用单元构建的专用距离函数实现聚类。从成组效率、设备负荷均衡两个角度来评价最优聚类集合,实现虚拟单元多周期构建。针对在一个周期内生产任务陆续到达的实际情况,通过对订单随机到达的时间进行模拟的基础上,结合虚拟单元特有的资源共享理念,提出了考虑设备实时负荷的变周期驱动动态调度策略,将依次到达的各加工任务划入相应的调度区间。设计了该调度问题的多目标优化模型,同时考虑了最大完工时间、各工件加权总拖期和各工件的平均流经时间最小。采用改进蚁群算法进行该问题的求解,采用最大最小蚂蚁机制来避免算法陷入局部最优,引入精英蚂蚁策略加速算法的收敛,最终生成虚拟单元动态调度的方案。为验证本文提出的多周期虚拟单元资源选择、聚类方法及虚拟单元动态调度方法的有效性,在对某造船企业生产现状和存在的相关问题进行详细分析后,将文中所提方法应用于该企业管子加工车间。通过将当前生产方式与虚拟单元生产方式的对比分析,显示了本文所提方法的可行性及有效性。
【关键词】：虚拟单元多期构建 资源选择 订单陆续到达 动态调度
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：F274;TP18
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-15
• 第1章 绪论15-29
• 1.1 选题背景及研究意义15-16
• 1.2 国内外研究现状16-25
• 1.2.1 虚拟单元构建问题研究现状16-18
• 1.2.2 制造资源选择问题研究现状18-21
• 1.2.3 单元重构算法研究现状21-22
• 1.2.4 虚拟单元调度问题研究现状22-23
• 1.2.5 周期驱动策略下的动态调度问题研究现状23-24
• 1.2.6 相关研究现状的评述及启示24-25
• 1.3 研究内容、技术路线及创新点25-28
• 1.3.1 研究内容25-26
• 1.3.2 技术路线26-27
• 1.3.3 章节安排27
• 1.3.4 本文的创新点27-28
• 1.4 本章小结28-29
• 第2章 本文相关概念及理论基础29-39
• 2.1 虚拟单元制造系统概述29-32
• 2.1.1 虚拟单元制造系统发展脉络29-31
• 2.1.2 虚拟单元制造系统与其他生产方式对比31-32
• 2.2 虚拟单元构建与调度的相关原理32-35
• 2.2.1 虚拟单元构建基本概念及构建策略分析32-33
• 2.2.2 虚拟单元调度基本概念及特征33-34
• 2.2.3 虚拟单元构建与调度常用目标设定34-35
• 2.3 扰动事件理论概述35-38
• 2.3.1 扰动事件的概念及特征35-36
• 2.3.2 虚拟单元生产方式下的扰动事件36-37
• 2.3.3 虚拟单元动态调整策略37-38
• 2.4 本章小结38-39
• 第3章 基于两阶段求解的虚拟单元多期构建方法39-53
• 3.1 虚拟单元多期构建机制39-42
• 3.1.1 虚拟单元动态构建必要性研究40
• 3.1.2 虚拟单元动态构建的过程40-42
• 3.2 虚拟单元多期构建问题描述及数学模型42-45
• 3.2.1 问题描述42
• 3.2.2 虚拟单元多周期资源选择的数学模型42-45
• 3.3 虚拟单元多期构建两阶段求解算法设计45-48
• 3.3.1 资源选择算法45-47
• 3.3.2 聚类算法设计47-48
• 3.4 算例研究48-52
• 3.4.1 算例基本数据48-49
• 3.4.2 资源选择模型求解与分析49-52
• 3.4.3 虚拟单元聚类结果与分析52
• 3.5 本章小结52-53
• 第4章 任务陆续到达下基于变周期驱动的虚拟单元动态调度53-67
• 4.1 虚拟单元动态调度过程的描述与转化53-56
• 4.1.1 工件到达时间模拟53-54
• 4.1.2 变周期驱动的滚动窗口技术54-56
• 4.1.3 任务陆续到达下动态调度区间划分56
• 4.2 传统蚁群算法简介56-58
• 4.2.1 蚁群算法寻优原理56-57
• 4.2.2 蚁群算法关键技术简介57-58
• 4.3 虚拟单元多目标动态调度问题模型58-61
• 4.3.1 问题描述59-60
• 4.3.2 数学模型60-61
• 4.4 改进蚁群算法设计61-64
• 4.5 算例研究64-66
• 4.5.1 算例基本数据64
• 4.5.2 计算结果及分析64-66
• 4.6 本章小结66-67
• 第5章 案例分析67-79
• 5.1 案例企业的基本情况67-70
• 5.1.1 企业的总体概况67-68
• 5.1.2 企业作业生产现状及存在问题68-69
• 5.1.3 案例实施的可行性分析69-70
• 5.2 案例应用过程及数据70-72
• 5.2.1 案例应用的框架70-71
• 5.2.2 案例应用的数据71-72
• 5.3 案例应用结果及分析72-78
• 5.3.1 虚拟单元动态构建结果72-74
• 5.3.2 虚拟单元动态调度结果74-76
• 5.3.3 有效性分析76-78
• 5.4 本章小结78-79
• 总结与展望79-81
• 参考文献81-86
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果86-87
• 致谢87

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本文编号：623672