智能工厂设计仿真 课件 第4 章 智能工厂任务的调度与优化技术

智能工厂设计仿真第4章智能工厂任务的调度与优化技术4.1智能工厂任务的调度与优化技术概述4.2智能工厂数字车间的结构与分布式执行控制4.2.1数字车间的结构4.2智能工厂数字车间的结构与分布式执行控制4.2智能工厂数字车间的结构与分布式执行控制4.2.2数字车间的分布式执行控制4.2智能工厂数字车间的结构与分布式执行控制1）总控层：主要由数字车间业务功能模块组成的上层控制系统，负责生产计划制订、规划排产、资源管理与调度等。2）网络通信协议层：即工业网关，用于负责各层级之间的数据通信。3）设备控制器层：负责解析总控层下发的执行指令（即指令加工代码），并将其转化成硬件的调度指令，进而控制设备去执行具体动作。4）设备层：指与生产有关的全部生产设备，包括刀库、物料库、机械手与数控机床等。4.3智能工厂数字车间控制系统的执行流程4.3智能工厂数字车间控制系统的执行流程4.3.1产前准备阶段4.3智能工厂数字车间控制系统的执行流程4.3.2排产仿真阶段4.3.3加工生产阶段（1）数据流在数字模拟仿真成功之后，生产线系统根据排产的结果以及产品的工艺信息，向仓库管理系统（WarehouseManagementSystem,WMS）发布一个发料流程，然后WMS根据发料流程向MES反馈一份配料单的信息（包括材料的位置、品质、出人库时间等），系统得到配料单的信息后，用AGV将物料运送至加工中心，再向系统反馈一个交接信息，系统收到交接信息后，向加工中心发布加工指令，加工中心根据在排产阶段收到的指令单开始进行相应的加工。（2）物流调度通过数据流的介绍可以发现，生产过程中物料的及时转运是十分重要的。4.3智能工厂数字车间控制系统的执行流程4.3智能工厂数字车间控制系统的执行流程4.3.4分析评价阶段4.3智能工厂数字车间控制系统的执行流程4.4数字车间的调度系统4.4.1数字车间的设备通信技术1.数字车间总控平台的结构（1）整体结构如图4-10所示，基于微服务架构的数字车间总控平台的整体结构分力三大部分，分别是软件服务层、平台及服务层与基础设施层。（2）平台服务集成方案在微服务系统中，由于微服务单独部署在Docker中运行，在运行期间可能随时发生改变（如服务销毁或者克隆），因此如何快速发现服务并集成是十分重要的。4.4数字车间的调度系统1）基于RESTful接口调用方式进行集成。2）基于消息队列的消息驱动方式进行集成。4.4数字车间的调度系统2.分布式事务一致性方案（1）分布式事务一致性概述数据库事务是指由一组数据库操作序列组成的集合，这组操作要么全部执行成功，要么全部执行失败、回滚（Rollback）。4.4数字车间的调度系统4.4数字车间的调度系统（2）基于消息队列的分布式事务一致性方案针对上述两种方式的优缺点进行分析，本文提出一种基于消息队列异步操作的分布式事务提交设计方案，用于实时性要求不高的分布式事务提交场合。4.4数字车间的调度系统1）主服务向事务消息管理发送事务消息，表不需要提交分布式事务。2）事务消息管理接收到主服务发送的消息后，反馈一条确认消息，表明事务消息已经成功到达。3）主服务收到反馈的确认消息后，开始提交本地事务。4）此时分为两种情况：一是主服务提交本地事务后，需要向事务消息管理发送提交结果，事务消息管理收到结果后，首先会反馈一条确认消息表明已收到，然后根据结果进行处理。5）从服务从队列中获取事务消息后进行处理（即提交本地事务），每个从服务执行成功后，反馈执行成功的消息，事务消息管理收到后，则反馈给主服务表示分布式事务提交成功。4.4.2基于ECode流程的建模技术（1）ECode模型的提出控制器之间的接口契约不仅需要保证能够完成数据传输，还需要对传输数据的语义规范进行设计，即语义数据模型定义。（2）ECode的语义模型1）ECode模型的信息。4.4数字车间的调度系统2）ECode的数据格式。4.4数字车间的调度系统3）ECode的数据模型。4.4数字车间的调度系统（3）ECode的执行管理ECode是具有生命周期的，每一层级ECode都有其生命周期，父指令的生命周期包含子指令的生命周期，全部子指令的生命周期共同构成了父指令的整个生命周期。4.4.3数字车间的排产调度过程与刀具约束（1）排产调度过程生产线的排产调度过程如下：系统接收到上层或管理人员下发的工单任务后会进行合法性检测，通过检测后会进行规划计算，在规定的规划时间后根据当前最优的调度结果进行指令的下发和执行。（2）刀具约束刀具是机床加工过程中的重要资源，其调度结果在很大程度上会影响加工的效率。4.4数字车间的调度系统4.4.4多智体数字车间调度系统的结构4.4数字车间的调度系统1）系统计算能力强，对资源规划的粒度更细。2）在异常干扰下拥有快速的响应和处理能力。3）系统运行效率高，稳定性强，便于扩展。4.5数字车间的调度策略及其优化技术4.5.1数字车间调度问题的模型（1）同一工件的加工顺序要求同一个工件后续工序的开始加工时间要在前道工序完成之后。（2）加工时间约束工件在机床上的加工时间不能力负。（3）机床约束每个工序只能在一台机床上加工。（4）机床加工约束工序，的开始加工时间与其在机床上的紧前工序开始加工时间之差大于或等于机床的紧前工序加工时间。4.5数字车间的调度策略及其优化技术4.5数字车间的调度策略及其优化技术4.5.2车间调度模型的粒子群算法求解（1）粒子群算法概述粒子群算法是指一种依赖群体信息共享的智能随机寻优算法，其来源是鸟类觅食行为的启发。（2）算法设计中关键问题在粒子群算法中，粒子运动在实数域内，粒子的位置、速度、学习因子、惯性权重等都在实数域内给定，粒子经过位置和速度更新方程更新后，其依旧运行在实数域内，所以粒子群算法是针对连续空间域设计的优化算法。（3）编码设计截至目前，解决经典车间调度问题的算法编码有直接编码和间接编码两种形式。4.5数字车间的调度策略及其优化技术4.5数字车间的调度策略及其优化技术（4）算法流程粒子群算法求解车间调度问题的流程如图4-18所示，从图中可以看出，这是在原生连续域内的粒子群算法的基础上引入了基于排序映射的调度序列生成方法。4.5数字车间的调度策略及其优化技术4.5.3车间调度模型的改进型遗传算法1.遗传算法求解FJSP概述2.改进遗传算法的流程4.5数字车间的调度策略及其优化技术3.遗传算法的改进（1）多段式编码与解码编码是构建遗传算法模型的重要步骤。4.5数字车间的调度策略及其优化技术4.5数字车间的调度策略及其优化技术（2）负荷最小的种群初始化方法初始解的质量将会很大程度上影响遗传算法的求解速度和质量。4.5数字车间的调度策略及其优化技术4.5.4基于改进型遗传算法的多智体静态调度策略4.5数字车间的调度策略及其优化技术1）当生产线管理智体通过通信接口接收到上层下发的生产任务时，会进行工单合法性判定，根据本生产线的加工能力和资源状态判断能否满足需求，若能满足需求则下发工单任务，反之会向同层级其他智体请求协助或反馈无法完成的信息。2）当生产订单到达时，工单管理智体会向资源管理智体发送资源查询请求，查询系统的当前制造资源状态与信息是否满足下发工单的需求，若满足需求则进行后续的工单分解操作，反之则返回错误信息，提示重新下发正确工单。3）工单任务通过资源检查之后，会由工单管理智体下发给规划智体，规划智体会将该工单任务加入到待规划的列表中，同时会根据工单任务的交货期与优先级将任务进行排序，将优先级高、交货期近的工单进行优先排产，以避免延误工期。4）规划智体通过调度算法得到机床的工序加工序列解后，需先优化当前序列的准确完工时间（由机床智体、刀库管理智体共同协调得到），再将工艺加工序列下发给机床智体，由机床智体与刀库管理智体协作确认工序完工时间并返回给规划智体，规划智体根据反馈的完工时间进行序列寻优，在4.5数字车间的调度策略及其优化技术规定时间内输出最优工序加工序列。5）机床智体接收到工序加工序列后，根据机床的当前加工工序情况和刀具匹配情况来规划该工序的完工时间，若机床的当前刀具匹配程度满足工序加工需要，则不需要刀具准备时间，反之则需要向刀库管理智体发送协助信息，对所需刀具的到达时间与加工时间段锁定进行请水，根据刀库管理智体反馈的信息完成工序完工时间的计算。6）刀库管理智体接收到机床智体的刀具锁定请水后，根据当前刀具使用情况计算出最优的刀具调用时间，若能满足机床智体到达时间的要求，则相应刀具进入时间与状态锁定，在锁定时间段内不再参与刀具的规划计算并反馈信息，若无法满足时间要求，则反馈占用刀具的机床信息与当前最优刀具调用时间。7）机床智体根据刀库管理智体反馈的刀具占用信息进行完工时间计算，若刀具满足时间要求，则依次完成完工时间计算，若不满足时间要求，则根据返回的机床占用信息，与对应机床智体进行刀具资源协商。4.5数字车间的调度策略及其优化技术8）规划智体接收到其他智体协商后得到的包含刀具调度的完工时间，通过改进型遗传调度算法进行解寻优，在规定时间内得到最优调度方案并将结果返回给工单管理智体（该调度方案包含每个工序的起始加工时间、加工机床和对应刀具的调配计划），并生成一系列的调度指令。4.5.5基于滚动窗口技术的多智体动态调度策略1.滚动窗口技术介绍4.5数字车间的调度策略及其优化技术2.动态调度策略的分类4.5数字车间的调度策略及其优化技术3.周期型多智体调度策略4.事件驱动型多智体调度策略4.5数字车间的调度策略及其优化技术（1）设备故障时的调度策略当设备发生故障时，机床智体根据机床反馈的故障信息，依据历史数据推测机床故障的持续时间，并向生产线管理智体反馈故障信息，同时通知工单管理智体解除安排在该机床上的处于当前工作窗口的工序的绑定关系，工单管理智体记录当前工序的时间。4.5数字车间的调度策略及其优化技术（2）有紧急订单时的调度策略当新插入紧急订单时，工单管理智体会先进行