《智能制造系统感知分析与决策 》 课件 第7章 制造资源优化技术

2024第7章制造资源优化技术目录•制造资源优化概述•厂内物流优化•制造系统重调度•柔性作业车间高级排产系统导读制造系统需高效利用有限资源（人力、设备、材料等）以高质量完成生产任务。制造资源优化技术是实现此目标的关键，也是决策环节的核心。本章节将介绍资源优化的基本概念，包括厂内物流、柔性作业车间排产和资源重调度等核心问题。学习这些技术，读者将了解如何在智能制造中应用智能优化技术，以实现高效管理和科学决策。01PARTONE制造资源优化概述1制造资源优化概述1.1制造资源优化的目标和基本原则制造资源包括设备、物料等，其状态随生产变化。这种动态变化增加了配置难度，需平衡成本与效率。将概述资源优化原则、重要性、分类、技术和步骤。优化目标是提升效率、降低成本、保证质量、提高资源利用率和生产灵活性，需遵循一定原则以实现。1制造资源优化概述1.2制造资源优化的重要性制造资源优化对于任何一个制造企业来说，都是其核心竞争力的重要组成部分。随着全球化竞争的加剧和消费者需求的日趋多样化，企业面临的挑战越来越大。在这种背景下，有效地优化和配置制造资源能够提高生产效率和降低生产成本，增强企业的市场竞争力。1制造资源优化概述1.2制造资源优化的重要性制造资源优化的意义包括以下方面：（1）提升效率：优化资源配置，减少浪费，提高生产线效率，缩短周期，提升设备利用率，以更快生产更多产品，降低成本。（2）降低成本：成本控制对盈利至关重要。通过资源优化，节约原材料、能源、人力等成本，提供有竞争力的价格，增强市场竞争力。（3）提升资源利用率：优化资源管理与配置，满足可持续发展需求。（4）加快市场响应：优化提高生产灵活性，快速调整计划，适应市场需求。（5）促进创新与技术进步：资源优化识别生产瓶颈，推动技术创新，如自动化和智能化，提升效率和质量，增强竞争力。1制造资源优化概述1.3制造资源分类在深入探讨制造资源优化的过程中，对常见的制造资源进行分类和特点分析显得尤为重要。这不仅有助于精确识别生产过程中的关键环节，还能为资源优化提供明确的方向和策略。常见的制造资源可以分为机器设备、人力资源和原材料这三大类资源。1制造资源优化概述机器设备机器设备作为制造过程中的核心物理资产，其种类和功能的多样性决定了其在生产活动中的关键作用。这些设备涵盖质量控制、物料搬运以及环境控制等多个方面。1制造资源优化概述机器设备（1）生产设备。生产设备是制造过程的心脏，其性能直接关系到生产效率和产品质量。在不同的行业中，生产设备的种类和应用有所不同。例如，在汽车制造业中，高度自动化的装配线和机器人臂是生产的主力；而在半导体行业，精密的光刻机和清洗设备则是不可或缺的。1制造资源优化概述机器设备（2）检测设备。检测设备确保产品质量，覆盖从基础测量到高级自动化系统，全面控制生产质量，快速识别并解决问题，保障产品达标。（3）物料搬运设备。物料搬运设备处理生产物流，涵盖原料输入、半成品转运及成品输出，减少手工搬运的损失和伤害。左图为物流仓库中的智能搬运机器人1制造资源优化概述机器设备（4）环境控制设备。环境控制设备确保生产环境符合高标准要求，对环境敏感行业如制药或食品加工至关重要，保障产品安全卫生。1制造资源优化概述人力资源0504020301人力资源是制造活动中的动力源泉。不同层次和技能的人员协同工作，确保了生产活动的顺利进行。（1）直接生产人员。直接生产人员是生产前线的执行者，其操作直接影响效率和质量。提升他们的技能和效率是提高生产能力的关键。（2）技术人员。技术人员在生产中提供关键的技术支持和创新，负责工艺设计、产品开发等，是提升技术水平和产品竞争力的重要推动者。（3）管理人员。管理人员负责协调各个生产环节，确保生产计划的实施和生产资源的有效配置。他们的管理能力直接影响到生产的顺畅和效率。（4）服务与支持人员。服务与支持人员提供生产过程中必要的后勤支持，包括设备维修、物流管理等，是保障生产活动能够顺利进行的基础。1制造资源优化概述原材料原材料是转化为最终产品的关键物质基础。原材料的质量、成本和供应状况对生产有着直接和深远的影响。（1）金属材料：因其机械和加工特性，在制造业中广泛使用，影响产品性能和成本。（2）非金属材料：如塑料、橡胶等，以其特性在电子、包装等行业中至关重要。（3）电子元件：电子产品的基本组成，其性能和可靠性决定产品品质。（4）化学物质：化工、制药等行业生产基础，供应和质量控制对产品和效率至关重要。1制造资源优化概述1.4制造资源优化技术制造资源优化旨在通过技术和方法提升资源效率、降低成本、保证质量并实现可持续性。本章将探讨精益生产、自动化、数字化转型、智能制造以及AI和机器学习在优化中的应用。1制造资源优化概述1.4.1精益生产管理精益生产是一种管理方法，旨在消除浪费、提升效率和质量、降低成本。起源于丰田生产系统，已广泛应用于全球制造业。核心是持续改进和消除浪费，包括七大浪费和未利用的人才。实施中，5S、价值流分析、及时生产和看板系统等工具和策略，帮助识别和减少浪费，促进持续改进。1制造资源优化概述5S方法论5S方法论的实施是精益生产管理中最基本的步骤。5S代表整理（Seiri）、整顿（Seiton）、清扫（Seiso）、清洁（Seiketsu）和素养（Shitsuke），旨在建立有序、高效、安全的工作环境。实施5S要求清除多余物品，设定工具和材料位置，定期清洁，保持卫生，并通过教育培养良好习惯。这提高了效率，增强了安全意识和团队合作。1制造资源优化概述价值流分析（VSM）价值流分析（VSM）是可视化工具，帮助企业绘制物料和信息流动图，识别流程中的浪费点，如多余库存、过度处理或等待时间。企业可据此设计未来状态的价值流图，规划消除浪费的策略。1制造资源优化概述价值流分析（VSM）价值流分析促进了从当前状态向更加精益和高效的生产流程的过渡，使企业能够更接近于实现零浪费的目标。1制造资源优化概述准时制（JIT）准时制（JIT）策略是精益生产的关键实践，其核心在于按需生产，避免过剩库存和空间浪费。JIT要求生产系统灵活、快速响应市场变化，并与供应商和客户建立紧密协作。看板系统是实现JIT的实用工具，通过视觉信号指示生产和供应需求。看板卡片在生产线上循环，指导生产，确保及时生产适量产品。1制造资源优化概述1.4.2自动化与机器人技术在当今的制造业中，自动化与机器人技术已成为推动生产效率、降低成本、提高产品质量及实现资源优化的关键因素。这些技术的应用范围从简单的机械臂到复杂的自动化生产线，再到智能机器人系统，覆盖了制造过程中的各个环节，包括装配、搬运、检测、包装等。1制造资源优化概述自动化技术在制造资源优化中的应用自动化技术利用控制系统、信息技术和机器设备自动执行任务，旨在提高效率、减少错误、降低劳动强度并优化资源配置。制造业中的自动化分为三类：1.固定自动化：适用于大批量、单一产品生产，通过专用设备实现高效率和低成本，但灵活性较低，难以适应产品变更。2.可编程自动化：允许编程以适应不同产品和任务，如机器人和数控机床，适用于中小批量、多样化产品生产，能快速适应新任务。3.灵活自动化：结合固定自动化的效率和可编程自动化的灵活性，通过集成制造系统如FMS和CIMS实现，提供高度信息化和自动化集成，实现生产过程的高灵活性和适应性。1制造资源优化概述机器人技术在制造资源优化中的应用焊接机器人在汽车、重工业和金属加工中普及，执行精确、重复的焊接任务，保证质量一致性。相比人工，机器人焊接更高效、稳定，适应高强度和高精度作业，减少错误，提高安全性。系统包括机械臂、电源、焊枪和控制系统，支持多种焊接方式。1制造资源优化概述机器人技术在制造资源优化中的应用装配机器人在电子、汽车和消费品行业中至关重要，执行复杂装配任务，如小型零件组装和精密装配。它们具有灵活性和精准性，通过视觉系统和机械手精确定位和装配。应用装配机器人能显著提升生产效率和产品质量，降低人力成本和错误率。1制造资源优化概述机器人技术在制造资源优化中的应用喷涂机器人在汽车、家具和电子行业中进行表面涂装，提供均匀且高质量的喷涂。它们能精确控制喷涂速度、量和路径，确保涂层均匀并节省涂料。相比手动喷涂，机器人能在复杂形状上保持一致效果，减少浪费，并提高作业安全性，降低工人接触有害化学品的风险。1制造资源优化概述机器人技术在制造资源优化中的应用搬运和堆垛机器人在物料搬运、仓储和物流中至关重要，执行重复的搬运、分类和堆垛任务，提升效率和准确性。适用于重物搬运和高架堆垛，减轻人工劳动，减少损伤。集成仓储管理系统（WMS）后，可实现自动化库存管理和物流流程优化。1制造资源优化概述1.4.3数字化转型与智能制造数字化转型和智能制造通过引入信息技术和智能系统，优化生产过程和资源配置，提高市场响应速度和灵活性，保持全球竞争力。转型包括将传统制造流程数字化，以数据和技术为核心，是提升制造业竞争力和效率的关键。核心要素包括“互联网+制造”、大数据分析和云计算，构建智能制造基础，推动制造业进入新时代。1制造资源优化概述1.4.3数字化转型与智能制造“互联网+制造”融合互联网技术于制造业，提高资源配置和优化管理效率。依托物联网，连接生产线、仓储、物流等，收集传输实时数据，实现实时监控和分析。这有助于及时调整生产计划，提升资源效率。随着该概念的实施，制造数据量激增，涵盖生产、设备状态、质量控制和市场需求等。大数据分析技术使企业能从大数据中提取信息和洞察，优化生产流程，提升质量，降低能耗和材料消耗，预测市场趋势。1制造资源优化概述1.4.3数字化转型与智能制造云计算为数字化转型提供灵活、高效、可扩展的资源管理，使企业能在远程服务器上进行数据存储、处理和分析，减轻IT负担，降低成本，提升效率和灵活性。云计算、物联网和大数据分析共同构成制造业数字化转型的基础，相互促进，推动制造业向智能化、高效率、环保方向发展，为企业带来持续发展潜力。1制造资源优化概述1.5制造资源智能优化制造资源智能优化通过集成先进的信息技术、自动化技术和智能系统，极大地提高了制造业的生产效率和资源利用率，例如故障预测监控系统、生产流程优化、智能定制生产和智能物流等。1制造资源优化概述故障预测智能监控系统故障预测监控系统通过实时监控和数据分析预测设备故障和维护需求，提前维护修理，避免生产中断。依赖物联网和大数据分析，收集运行数据，用机器学习算法分析预测故障。预测性维护优化资源分配，减少非计划停机，提高生产效率。图为Predix平台的架构1制造资源优化概述生产流程智能优化智能算法通过实时监控和分析生产参数（如原料质量、环境、设备状态），自动调整以优化生产。西门子在电子制造中应用AI，实时分析数据调整参数，提升效率和质量。如图所示为西门子工业自动化产品成都生产及研发基地中的HMI检测工站。1制造资源优化概述智能定制生产智能定制生产根据消费者需求定制产品，要求生产系统灵活且响应迅速。通过灵活生产线、设计软件和数字化技术（如3D打印）实现定制化。利用客户数据设计产品，自动化生产线快速调整，实现小批量或单件生产。这满足个性化需求，提升资源效率和竞争力。1制造资源优化概述智能物流人工智能和机器学习在物流领域通过优化仓库管理、货物分拣和配送路线，提升效率和准确性。例如，DHL使用AI和机器人自动化仓库操作，提高包裹处理速度和准确度，降低人力成本。图为采用蓝胖子机器人进行包裹分拣的DHL02PARTTWO厂内物流优化2厂内物流优化2.1厂内物流系统概念厂内物流涵盖从原材料入库、存储、出库到成品运送的全过程，包括包装、加工、计划、流程、管理、搬运和信息系统。要求合理规划以减少停顿和缩短周期。优化原则包括：目标实际可行，避免盲目设定；目标量化，便于客观评价；目标可持续，考虑多方面影响；适度优化，考虑外部衔接；优化结果应有良好回报，降低风险，体现价值。2厂内物流优化2.2厂内拣选路径规划厂内拣选作业是根据订单拣选货物并运送的过程。分为单一作业（仅进出库之一）和复合作业（同时进行进出库）。单一作业按复杂度分为单车辆拣选单货物、单车辆拣选多货物和多车辆拣选多货物。复合作业则关注如何有效结合进出库作业，提高运输效率。2厂内物流优化2.2厂内拣选路径规划单一作业主要流程2厂内物流优化2.2厂内拣选路径规划复合作业主要流程2厂内物流优化2.3案例：5G在钢铁制造厂内物流的应用厂内物流通过5G等新技术实现信息化管理优化，从无信息化直接跨越到5G时代。5G的高带宽和低时延特性使得海量数据能实时快速传输，满足现代物流需求，超越4G方案。结合大数据和AI技术，5G助力厂内物流效率提升。2厂内物流优化2.3.1接入5G专网为实现5G新技术应用，需建设和优化5G网络基础。钢铁厂物流需大量上传图像、视频，对5G上行需求高。现有5G公网以下行为主，需优化以建设5G行业专网。网络规划应遵循合理布局、科学组网、风险防控、稳定运行原则，综合评估现场情况、覆盖要求、并发接入量、速度、安全、扩展、成本，进行规划设计。部署90余5G基站，SA独立组网，专用频段。核心网数据与省会核心网通信，网管数据与维护网络连接，集中运维管理。提高上行容量，采用2.6GHz与4.9GHz异频组网，扩大保障上行容量。2.6GHz用于公网，时隙侧重下行，与物流需求矛盾，难调整。利用4.9GHz资源，建行业专网，资源向上行倾斜。建2.6GHz与4.9GHz混合组网。考虑物流车集中位置与工业视频设备位置，在5G终端密集处部署4.9GHz专网，发挥高频大带宽优势，提升上行容量。在终端稀疏、上行需求低、开阔室外，优化2.6GHz公网，完善覆盖。2厂内物流优化2.3.25G车载终端5G手机等消费级终端已普及，但行业用车载5G终端尚处早期，类型少且成本高。使用5GCPE终端是经济选择。大型车辆易发生事故，需重点监管，安装符合标准的车载终端。部标机是成熟设备，成本较低，内置4G和Wi-Fi模组。安装5GCPE，部标机通过Wi-Fi与CPE通信，通过5G网络传输。4G作为备用链路，用于厂外无5G覆盖区域。2厂内物流优化2.3.3网络系统方案系统以5G专网为核心，构建端到端信息化系统，包括车载终端、5G专网和业务平台。首期建设采用成熟方案，低成本实现5G技术应用。1.车载终端接入：车载5GCPE通过2.6GHz/4.9GHz5G基站接入5G专网。2.数据流传输：根据当地5G传送网络演进阶段，数据流通过PTN或SPN各级环网，接入5G核心网。3.网络通信：数据经由互联网，与物流企业内网中的信息化综合调度平台通信。4.网络切片与QoS：行业专网采用网络切片和QoS优先调度，满足运输监控的高带宽需求。5.生产系统对接：钢铁企业内网的MES、ERP、计量系统等通过VPN专线与物流企业内网的综合调度平台对接。2厂内物流优化2.3.3网络系统方案基于5G的厂内物流网络系统结构2厂内物流优化2.3.4实际部署应用（1）5G高清视频监控通过车辆上的部标终端和摄像机，实时获取视频并通过5GCPE回传至云端。多路摄像机监控不同位置，平台支持实时直播、画面切换、多画面监视、图像设置、字幕叠加和视频调节。平台还能调取存储的历史视频，支持下载和回放。5G的高带宽和低时延特性支持多路高清视频传输，减少缓冲加载时间，提升监控效率，快速响应突发事件。2厂内物流优化2.3.4实际部署应用（2）基于层次化AI人脸识别的驾驶安全监测将5G网络与AI结合，实现分层识别体系，将识别任务分配给车载终端和平台侧车载终端AI识别：对实时性高的安全性监测，如危险驾驶行为，由车载终端AI识别。车载AI监控司机状况，识别不安全驾驶行为，如接打电话、抽烟、疲劳驾驶等。发生不安全行为时，平台提醒管理人员并记录。平台侧AI识别：对实时性一般但准确性要求高的监测，如人脸打卡，由平台侧AI处理。车载摄像机拍摄司机人脸，通过5G网络回传至平台，平台AI比对验证司机身份，检查违规顶班。多次异常时，平台报警并记录。统一监控与管理：管理人员可通过平台监控中心统一监控不安全驾驶和人脸考勤情况，按多维度统计报警报表。2厂内物流优化2.3.5实施效果钢铁制造厂内物流企业通过部署5G技术，改进了管理经营方式，提升了安全监管水平。车载终端和司机手机端提醒司机任务，司机执行点检后开始任务。调度员通过5G网络实时监控任务，灵活调配资源。指挥中心与生产系统数据互通，实时同步计划和完成情况。大数据技术整合多种数据，形成生产报表，支持公司考核和决策。2厂内物流优化2.4.1物料搬运系统设计原则（1）系统性与集成性。物料搬运系统设计需采用系统工程方法，确保与生产线、仓储等环节高度集成，实现协同与集成，构建高效协调的生产体系。（2）灵活性与可扩展性。物料搬运系统设计需具备灵活性和可扩展性，快速适应生产变化和技术更新，考虑未来技术升级，确保顺利扩展和改进。（3）可靠性与安全性。物料搬运系统设计需确保可靠性和安全性，考虑潜在故障和风险，采取预防措施，并符合安全标准和法规，保障设备、人员和环境安全。2厂内物流优化2.4.2厂内物料搬运系统优化物料搬运系统的优化主要涉及数据驱动优化方法、智能调度与路径规划、物联网（IoT）与实时监控、虚拟仿真与数字孪生技术、智慧供应链云平台与区块链技术等内容。2厂内物流优化2.4.2厂内物料搬运系统优化（1）数据驱动优化方法：数据驱动优化方法通过分析实时采集的物料搬运系统数据，发现问题和优化机会，采用数据挖掘、机器学习等技术进行指导和改进。（2）智能调度与路径规划：智能调度与路径规划通过算法优化物料搬运任务，提高系统效率和灵活性。（3）物联网（IoT）与实时监控：物联网技术支持物料搬运系统中设备和传感器的实时数据收集与通信，实现远程监控和优化。（4）虚拟仿真与数字孪生技术：虚拟仿真和数字孪生技术用于物料搬运系统的全生命周期管理，提供实时模拟和优化决策支持。2厂内物流优化2.4.3案例：石化企业企业厂内搬运系统优化受资源限制和客户需求变化影响，石化固态产品物流需求发生变化，仓储物流正从平面库人工作业模式向自动化立体仓库智能模式转变，石化企业物流升级发展加速。1.物流管理挑战：传统物流管理模式难以满足客户对时效、安全、环保的要求。2.技术融合：结合工业4.0下的物联网、大数据、云计算等IT新技术，与炼化生产、经营、智能仓储、物料搬运、物流包装等环节融合。3.自动化技术应用：在自动化立体仓库中应用堆垛机、环形穿梭车、托盘输送机系统、机器人、AGV等技术，提升石化物流仓储的自动化、信息化和系统化水平。4.智慧石化物流仓储：打造智慧石化物流仓储系统，成为石化物流仓储升级发展的大趋势。2厂内物流优化2.4.3案例：石化企业企业厂内搬运系统优化某石化企业因业绩增长导致仓储能力不足，于2021年5月进行扩能改造，新增60万吨聚烯烃产品生产规模和2.7万吨PP+PE立体库，采用智能化管理实现全流程自动化。智能物料搬运系统集成堆垛机、立体库货架、托盘输送系统等，通过WMS、WCS、TMS等系统实现智能化存储和搬运。项目投资约8500万元，提升仓储效率和智能化水平。2厂内物流优化2.4.3案例：石化企业企业厂内搬运系统优化智能搬运系统现场2厂内物流优化2.4.2厂内物料搬运系统优化相对于传统的以人为核心的厂内物料搬运作业模式，该智能物料搬运系统具有以下优势：（1）占地面积小，库存量大（2）

节省人工和叉车数量（3）

提高收发货作业效率通过案例可见，厂内智能物流物料搬运系统的技术应用显著提升了企业效益。这些技术使物料搬运过程更智能、高效、可持续，增强了生产体系的运行效率和企业竞争力。03PARTTHREE柔性作业车间高级排产系统3柔性作业车间高级排产系统3.1高级排产系统概述排产系统是现代制造业的关键组成部分，负责规划和管理生产活动，优化资源利用，满足市场需求，实现生产目标。有效排产直接影响生产效率、成本控制和客户满意度，是制造企业的核心管理工具。排产系统的作用包括：确保生产计划的合理性和准确性，通过综合分析订单、库存、资源和交货期，生成并调整生产计划。提高生产效率和资源利用率，通过调度生产任务、优化设备使用和减少闲置时间，降低成本。提升生产过程的可控性和可预测性，实时监控生产进度和资源，及时处理问题，避免中断和延误。传统排产系统在面对现代制造业的复杂性和变化性时存在局限，依赖静态规则和简单算法，难以应对快速变化的市场需求。因此，需要更智能化、灵活化和高效化的排产系统来应对挑战。3柔性作业车间高级排产系统3.1高级排产系统概述相较于传统排产系统，高级排产系统具有以下特点和优势：（1）

智能优化能力（2）实时监控和反馈（3）灵活的排产策略3柔性作业车间高级排产系统3.1高级排产系统概述（1）灵活适应生产变化：高级排产系统通过智能优化和实时监控，适应柔性作业车间多样化且频繁变化的生产任务，快速调整计划，保持生产灵活性和高效性。01（2）提高生产效率：高级排产系统在柔性作业车间中，通过智能优化算法和实时监控，提高生产效率，减少闲置时间和浪费，有效调度和管理复杂的工艺流程和生产任务。02（3）优化资源利用：在柔性作业车间中，合理利用设备、人力和原材料等资源对提升生产效率至关重要。高级排产系统通过智能调度和优化算法，最大化资源利用效率，增强生产效率和经济效益。03高级排产系统为柔性作业车间提供以下价值：3柔性作业车间高级排产系统3.2车间排产优化排产问题研究始于20世纪中期，旨在解决制造型企业的订单混乱和调度问题，以快速响应客户需求，优化生产计划，避免资源浪费，提高客户满意度。该领域的研究具有高学术和实际价值，多种解决方案已被验证有效，帮助企业提升效率和收益。3柔性作业车间高级排产系统3.2.1问题概述车间调度优化，即排产问题，涉及将a个工件分配到b台机器上，确保按标准顺序完成加工流程，以最大化机器利用率或最小化总加工时间。车间调度问题的基本要素主要有3种：工件和机器信息、约束条件和性能指标。3柔性作业车间高级排产系统工件和机器信息调度过程中所包含的一些相关信息，如需要加工的工件数量、准备时间、工件的完工时间、每个工件的标准加工时间、参与调度的机器数量等。3柔性作业车间高级排产系统约束条件在调度中，需满足特定生产对象的约束，包括按标准流程顺序加工、机器可用性、工序时间固定、准备时间限制及材料限制等要求。3柔性作业车间高级排产系统性能指标调度问题中的优化目标，如最小化完工时间、延误、能源消耗，及最大化瓶颈机器利用率，作为性能指标。车间调度问题即在特定要求下，优化加工顺序，实现性能指标最优，制定最佳排产计划。3柔性作业车间高级排产系统3.2.2车间排产问题优化模型研究车间排产优化问题时，需确定优化目标，同一问题可采用不同目标模型，但结果可能因模型匹配度而异。选择合适的目标模型对排产优化至关重要，影响解的有效性。排产核心在于生产流程，涉及参数如工件数量、工艺数量、时间、机器数量、总时长、负荷、利用率、交货时间等，这些参数可建立优化目标模型。3柔性作业车间高级排产系统以加工时间为优化目标式中Cmax为最大完工时间，n为工件总数，m为工序总数，Si,j为加工开始时间，Ci,j为加工结束时间。3柔性作业车间高级排产系统以机器利用率为优化目标式中Vi,j为加工i工件的j工序的设备负荷，VT为设备总负荷；Pi,j为设备利用率，TEi,j为开机时间，TSi,j为关机时间，TPi,j为应开机时间。3柔性作业车间高级排产系统以交货提前期为优化目标式中Tmax为最大交货延误期，TDi，j表示第i个订单记录中，产品j的交货日期，TRi，j表示第i个订单记录中，产品j的计划完工时间。3柔性作业车间高级排产系统综合多目标优化对于追求精确优化结果的场景，可以采用权重—目标优化函数模型，该模型通过权重组合多种常用模型，全面考虑生产过程的参数及其影响，构建更全面的优化模型。尽管这种模型更为复杂，但在智能算法调度优化中较少作为目标函数模型使用。式中F为权重优化函数，r为不同参数的权重系数。3柔性作业车间高级排产系统3.2.2车间排产问题优化模型目标函数模型以加工时间、机器利用率、交货提前期为指标，各有优势。最小化最大加工时间的模型直观反映加工时长，简化优化效果展示；基于机器负荷和利用率的模型侧面揭示生产问题，优化超负荷和低效利用，提升生产效率；以交货提前期和理想时间为参数的模型反映计划与实际偏差，优化偏差以满足客户需求。3柔性作业车间高级排产系统3.2.3车间排产算法概述排产优化问题复杂，难以简单计算解决，因此发展了多种智能算法，如蚁群、神经网络、粒子群等。近年来，新算法如帝国竞争、社会蜘蛛群、混合蛙跳优化算法等不断涌现。各算法有其特点，最优解可能略有不同。3柔性作业车间高级排产系统3.2.4应用：使用遗传算法优化车间排产问题（1）编码和解码（2）初始化种群（3）遗传操作3柔性作业车间高级排产系统编码和解码车间生产排产是组合型流水车间调度问题，有多种编码方式，包括基于操作、工件、工件对应关系、完成时间、随机键、优先权规则、先后表、析取图和机器的编码等。三工件三机器的加工数据例子如表所示。3柔性作业车间高级排产系统编码和解码a.基于操作的编码基于操作的编码是车间调度的常用方法，每个染色体由a×b个基因构成，每个基因代表一个操作，整体表示工件的完整工艺流程，其中a是电机数，b是工序数。假设染色体为[331221321]，每个工件都会出现3次，用Si，j，k表示工件i的第j道工序在第k台机器上加工，结合加工顺序的限制要求。3柔性作业车间高级排产系统编码和解码b.基于工件的编码这种编码方式通过基因序列表示整个工艺流程的工序组合，优先完成一个工序的所有操作后再调度后续工件。例如，先加工工件1的所有工艺流程，再按最早允许时间加工后续工件，直至完成所有工件。以染色体[123]为例，表示先加工零件1，然后是零件2和3。排产结果可通过染色体片段组合表示，但可能无法确保找到最优解。3柔性作业车间高级排产系统初始化种群初始化种群是遗传算法的起点，涉及随机生成多个个体，每个个体代表一个潜在解。由于通常随机生成，可能无法确保快速找到最优解，有时可能陷入局部最优。为提高初始种群的多样性和有效性，加快找到满意解的速度，常在初始化时结合启发式算法生成部分个体，其余则随机生成。3柔性作业车间高级排产系统遗传操作a.选择操作选择，或称复制，基于适应度函数决定复制对象。通过计算函数值，挑选较优个体进行复制，以保留优秀基因，实现“优胜劣汰”。常见方法包括比例选择和锦标赛选择。比例选择主要是基于适应度值的概率来进行选择。随机产生一个数值m∈[0,1]，若满足判断式，则对第j个个体进行复制操作锦标赛选择是一种简单直接的选择方法，通过随机选择n个个体（n小于种群总数），在这些个体中根据适应度准则进行比较，选出最优的个体进行复制。参数n的选择对选择过程有重要影响，需要根据具体情况合理设定。3柔性作业车间高级排产系统遗传操作b.交叉操作交叉操作是一种形成新个体的过程。在父代中随机选择两个染色体，然后通过一定的规则交换其部分片段，有概率组合成更优的可行解。常用的交叉方式包括单点交叉和多点交叉等方式。单点交叉是要先确定染色体中的某个片段的位置，然后随机选择两个染色体交换选定位置之后的片段。多点交叉是随机确定多个片段的位置，然后互换两个染色体在这些位置之间的片段。3柔性作业车间高级排产系统遗传操作单点交叉前后对比图多点交叉前后对比图3柔性作业车间高级排产系统遗传操作c.变异操作变异操作是遗传算法中防止过早收敛的关键机制，通过随机改变染色体中的基因片段，增加新基因，提高种群多样性。不同编码方式采用不同的变异策略：二进制和十进制编码常用单位置或多位置替换式变异；实数编码则采用扰动式变异；车间排产优化中，通常使用互换变异。3柔性作业车间高级排产系统遗传操作互换操作（SWAP），即随机选取一个染色体中的两个基因，然后将其交换，形成新的染色体。3柔性作业车间高级排产系统3.3

高级排产系统的企业应用场景高级排产系统在制造业中是提升生产效率、降低成本和增强竞争力的关键工具。它适用于离散和连续制造业，具有广泛的应用场景和重要价值。接下来将讨论其在制造业的具体应用。3柔性作业车间高级排产系统离散制造业的应用场景①生产调度优化：在离散制造业中，合理调度众多生产任务和资源至关重要。高级排产系统利用智能算法和实时监控，实现调度的智能化和优化，确保任务按时完成，最大化资源利用率。12③库存和物流优化：在离散制造业中，库存管理和物流运输对效率和成本控制至关重要。高级排产系统通过实时监控和优化算法，降低库存水平，减少物流成本，提升供应链的响应速度和灵活性。3②订单管理和优先级调度：离散制造业需应对多样化订单和紧迫交货期，高级排产系统能根据订单优先级和截止时间，动态调整任务顺序，确保紧急订单及时完成，提升客户满意度。离散制造业以离散单元为基础，通过组装或加工生产成品，如汽车、电子产品等。高级排产系统在该领域的应用主要体现在：3柔性作业车间高级排产系统连续制造业的应用场景①生产过程优化：连续制造业的生产过程复杂，涉及多工序和设备协调。高级排产系统利用实时监控和优化算法，提升各生产环节的效率和产品质量。01②资源调度和能源管理：在连续制造业中，资源调度和能源管理至关重要。高级排产系统通过智能调度和节能技术，优化资源利用和能源消耗，减少成本和环境影响。02③质量控制和故障预测：高级排产系统通过实时数据分析和机器学习，监控质量指标和设备状态，预测故障，确保生产稳定和质量稳定。03连续制造业指的是生产过程中以连续流程为基本单位，通过连续运行生产线来生产成品的制造形式，如化工工业、钢铁工业等。在连续制造业中，高级排产系统的应用主要体现在以下几个方面:3柔性作业车间高级排产系统3.3

高级排产系统的企业应用场景高级排产系统在服务业中的应用具有广泛的应用前景和重要的意义。通过合理利用高级排产系统，可以实现资源的智能化管理和服务的优化协调，提高企业的竞争力和市场地位，促进行业的健康发展。3柔性作业车间高级排产系统物流服务领域高级排产系统在物流行业中的应用主要体现在以下几个方面：①路线规划与调度优化：物流行业需规划运输路线和配送调度。高级排产系统用实时数据和智能算法优化路线，减少成本和时间，提升效率。②仓储管理优化：仓储管理影响货物存储、分拣、装载。高级排产系统通过智能仓储管理，实现智能分拣和存储，提升效率和准确性。③运输车辆调度与维护：运输车辆需合理调度和维护以确保及时送达。高级排产系统动态调度车辆，智能管理维护保养，降低成本和风险。3柔性作业车间高级排产系统医疗保健领域①医疗保健领域是服务业中的重要组成部分，涉及医院、诊所、药店等机构的运营管理和医疗服务的提供。②医疗资源调度与排班优化：医疗机构需要合理安排医生、护士和其他医护人员的工作排班，以满足患者的就诊需求。高级排产系统可以根据患者的预约情况和医护人员的专业特长，实现医疗资源的智能调度和排班优化，缩短患者的等待时间，提高就诊效率。04PARTFOUR制造资源重调度4制造资源重调度4.1重调度概述（1）概念和定义在制造领域，资源重调度是提高生产灵活性和适应性的关键管理活动。它涉及重新调配人力、设备、原材料等资源，以应对生产环境的变化和不确定性。制造资源重调度是在生产过程中根据订单变更、设备故障、材料短缺等因素，对资源调度方案进行修改或重新安排，确保生产效率和及时交付。4制造资源重调度4.1重调度概述（2）重调度重要性提升灵活性和敏捷性：制造资源重调度使企业能快速调整计划和资源，适应生产需求和市场变化，增强应变能力和市场反应速度。提高效率和资源利用率：通过优化资源配置和生产计划，避免资源闲置，提升生产效率和产能利用率，降低成本，提高利润率和经济效益。应对不确定性：制造过程中的不确定性因素，如设备故障、材料短缺等，可能影响生产计划，增加延误和成本。资源重调度能及时应对这些挑战，确保生产稳定性和可靠性。4制造资源重调度4.1重调度概述（3）问题与挑战生产延误：不及时的资源重调度可能引发生产延误和客户不满，增加生产中断和质量问题的风险。库存积压与资源浪费：不进行资源重调度可能引起库存积压和资源浪费，增加成本。客户满意度降低：生产问题会损害客户满意度和企业竞争力，资源重调度不及时可能导致效率和质量下降，影响市场地位。4制造资源重调度4.2重调度的触发机制制造资源重调度的关键在于有效应对生产变化和不确定性，这些变化可能由内部（如设备故障）或外部因素（如订单变更）触发。识别和理解这些因素对制定有效的重调度策略至关重要。4制造资源重调度订单变更客户订单变更是制造资源重调度的常见原因，可能涉及数量、交付日期或规格更改，直接影响生产计划和资源分配，需及时调整以满足新要求。4制造资源重调度设备故障生产设备故障、维护或修理可能导致生产中断或延迟，影响生产进程，需重新安排计划和资源配置以适应维修时间和需求。4制造资源重调度材料短缺原材料供应可能受到供应链问题、交通中断等因素的影响，导致生产中断或延迟。在这种情况下，需要及时调整生产计划和资源分配，以利用现有的资源最大限度地维持生产活动。4制造资源重调度人力调整人力资源变动，如员工请假或劳动力短缺，可能影响生产效率和进度，需调整工作安排以维持生产线正常运行。4制造资源重调度市场需求变化市场需求的不确定性可能导致订单量的波动，从而影响生产计划的稳定性。制造企业需要根据市场的实际情况调整生产资源的配置，以满足变化的需求。4制造资源重调度供应链问题供应链中的问题，如供应商延迟交货、物流中断等，可能会影响生产计划的执行。企业需要及时调整生产计划和资源分配。4制造资源重调度环境变化外部环境的变化，如天气条件、政策法规等，可能会影响生产过程。企业需要根据实际情况调整生产计划和资源配置。4制造资源重调度竞争压力竞争对手的行动可能会对企业的生产计划产生影响。企业需要密切关注市场竞争动态，及时调整生产计划和资源配置，以应对竞争压力带来的挑战。4制造资源重调度4.3应用：扰动环境下离散车间的资源重调度策略在制造过程中，紧急插单、设计变更、工人离岗、员工效率波动和设备故障等不确定性因素可能严重影响生产计划和运营效率。为减少这些扰动事件的影响，需要根据具体情况制定有效的重调度方案，通过调整调度计划来减轻不利影响，确保生产的稳定性和连续性。4制造资源重调度4.3.1离散车间扰动事件的界定与分类我们可以将离散车间生产过程中常见的扰动事件归结于以下两种：外部扰动和内部扰动事件。4制造资源重调度外部扰动事件在实际生产过程中，由于客户订单的变更和设计的更改，造成企业生产延误的现象时有发生。企业应及时根据客户提出的订单变更需求，及时调整生产调度方案，以此来满足客户的需求。常见的外部扰动事件包括：工件质量不合格导致客户拒收；由于某些客观原因，导致订单交货期的变化；设计变更导致的工件的数量和种类的变化等。4制造资源重调度内部扰动事件生产过程中常出现设备故障、工序加工时间波动等扰动事件，影响企业按时交货，降低设备利用率以及提升库存的风险。车间中常见的内部扰动事件有以下几类：原材料带来的不确定性：原料不足引起加工停止和原料质量问题等；生产过程中的不确定性：设