面向离散制造的协同制造执行关键技术分析
时间：2022-03-22 11:20:15 浏览次数：次
【摘 要】随着我国军队装备现代化和信息化建设的推进，军队装备制造业的大力发展成为必然趋势。协同制造执行系统是基于传统的制造执行系统并结合车间生产管理系统的新一代协同发展思想，是企业协同制造信息化的重要组成部分。因此，如何有效满足军工企业需求是重要且有待深入研究的课题。基于分析协同制造执行系统和国内外的相关研究现状，对协同制造执行系统需求分析的基础上，建立离散企业协同制造执行系统的体系结构，并对软件系统的功能建立UML模型。基于协同车间协同规划和制造执行系统调度技术研究，结合离散企业规划和调度问题分类的特点，建立车间计划调度的系统，并在此基础上设计了车间协同遗传算法，通过计算实例验证了算法的有效性，然后对协同制造执行系统软件的规划和调度子系统详细设计。本文还研究了协同制造执行系统针对生产数据采集与技术处理方面的过程，通过分析车间生产数据类型及其采集方法，设计了车间生产数据采集方案，结合协同制造执行系统整体架构数据采集和处理子系统，建立了系统的软件结构，并对车间生产数据进行统一分类和建模，保证各车间信息源的一致性，并进行数据采集和子系统的详细设计。在以上关键技术研究的基础上，利用数据库、网站、webserviee和其他相关技术，结合企业应用系统上的实际需求，开发了协同制造执行系统，并通过实际运行验证了系统在实际应用中的有效性和可行性。
【关键词】面向离散制造;协同制造;执行关键技术
进入二十一世纪以来，我国经济快速度发展，并逐渐融入到世界经济体系中，尤其是在制造业的国际分工体系上越来越深入，并且在以信息技术的迅猛发展为代表的高新技术发展的同时，对传统制造业的升级换代的持续转型，大大提高了生产效率，随着对制造业信息化重视程度的持续提升，制造业信息化始终坚持以信息化带动工业化，工业化促进信息化的战略，由于制造业信息化涉及到大量的车间生产管理内容，车间生产管理信息化在制造业信息化和地位的过程中起着重要作用。车间作业调度是实现车间生产工作中的主要手段，这类问题可以简单地描述为：对设备的各种工作程序进行加工和调度的目标是合理安排工件在一段时间内正常加工，可以在最短的时间内使所有的加工过程完成任务。
一、离散制造业的制造执行可重构性分析
（一）离散制造业现况
自80年代中期以来，世界各国相继推出了先进制造技术发展计划，我国也在协同安定协同应用示范和推广期合作进行了深入的发展，制造业信息化工程以及“第十一个五年计划”等制造业信息化工程相继实施，现代制造集成技术，使军事工业自动化与中国制造业信息化水平取得了长足的进步。军工制造业是我国制造业的重要组成部分，属于典型的离散制造企业，与民用制造业相比，军工制造业有着产品种类繁多、技术要求高、制造难度大、生产周期长等特点。通过近年的研究和开发，信息系统和自动化技术在军工企业中得到了广泛的应用，并取得了一定的效益，但对于大多数离散制造企业来说，军工车间信息化仍然是一个薄弱环节，往往存在着缺乏有效的协调、生产进度混乱、生产状况不能及时反馈等问题。因此，建立适合产业特征的离散制造企业信息化车间管理方案是迫切需要解决的问题。
（二）制造执行可重构需求分析
制造执行系统是1990年提出的AMR公司的车间管理信息系统。制造执行系统连接上管理信息系统与底层工业控制系统，是可以有效弥补车间生产管理的“物料需求计划”的ERP系统，生产系统的车间生产数据及时反馈给上层管理信息系统，有效提升了规划和决策的实时性和灵活性。它能有效消除生产自动化与信息管理系统之间的信息壁垒，是企业信息化系统成功实施的关键。而现有的制造执行系统是一种生产管理过程从计划、执行、控制和反馈的过程，是一种串行、障碍类型的管理方法，缺乏有效的协调和快速的响应能力，从而使制造执行系统的应用效果大幅降低，甚至导致实施的失败。协同制造执行系统是基于传统的制造执行系统并结合合作理念，开发出的一个新概念，从生产管理信息壁垒的突破过程，优化企业的生产工艺操作，提高各车间、各部门、各信息系统之间的平行合作能力、信息集成和快速响应能力。随着企业管理的扁平化和制造执行系统的实现以及企业的生产和经营活动的有效整合，更多的车间生产过程控制和管理的环节，是企业提高自身竞争力的重要技术手段之一。因此，建立有效的生产执行、信息集成、协同制造执行系统体系，对推动军工离散企业制造信息化进程，实现快速响应制造，提升企业管理水平具有重要意义。
二、面向离散制造企业制造执行系统关键技术的研究
（一）车间劳动能力计划算法
随着作业车间调度问题的提出，人们尝试了很多方法来解决这类问题，但由于多方面的限制和复杂性特征的JSSP问题、调度问题最优解目标到现在寻求次优解原调度方案进行研究。一般的调度优化方法可以分为两类：精确解和近似解。在调度优化算法的分析方法上区别应对，如枚举法，通过简单求解，通常在小规模调度问题的精确算法更有效，在解决大规模调度问题上很少使用;构造法通常有着调度直接、简单、容易实现的特点，但它难以达到全局最优解，当系统或规则较大时，解决速度慢，适应能力差，很难适应企业环境變化的动态调度。
近年来，随着人工智能方法和邻域搜索算法的不断引入，生产调度领域经过大量的研究和快速发展，成为一种有效的方法来解决车间优化调度问题。并用遗传算法，协同规划和车间制造执行系统的调度是目前最深入、最广泛的研究和应用方法，调度优化方法更高成熟度、性能良好、自适应调度优化算法逐渐提出，各国的学者进行了研究热议。遗传算法模拟了“适者生存”的演变过程，通过对问题的解变量编码形式“染色体”的初始种群，种群的适应性，如果你不满足收敛条件，过去的复制，交叉、协同、变异和其他的遗传操作，最终发展到适应环境的实际情况，得到问题的最优解或满意解。
作为一种车间调度优化算法，遗传算法具有不同于其他优化算法的特点：在本质上是一种并行遗传算法的优化算法，搜索效率高。遗传算法采用随机搜索策略，容易摆脱局部最优解，实现全局最优解。遗传算法是一种混合的生物进化，自然选择的考虑情况，更有针对性和定向性，提高了求解效率。基于遗传算法的遗传算法求解，对求解问题的限制较少，功能本身和搜索空间的连续性，如正则约束和较强的适应性，适用范围广，鲁棒性好，实现更方便。它是因为遗传算法有更多的特点和优点，它被广泛用于各种车间的规划和调度系统，对于解决车间作业调度问题，学者们进行了广泛的研究，并提出了大量的遗传算法和解决方案。
但遗传算法应用于解决车间调度问题更为集中的内部调节，已经不能适应多协同车间环境规划和调度要求。本文通过标准遗传算法，进一步研究和优化，结合军工离散企业生产的特点和协同进化遗传算法，并将其应用于协同制造执行系统的系统调度子系统，以解决车间多协同规划和调度问题。
（二）自动化任务排程算法
（下转第190页）
（上接第188页）
模具零件的生产计划是指生产管理部门根据生产计划和试验，进行模具的交付模具进度，根据模具零件加工工艺路线，车间资源合理安排生产任务。生产计划的主要目的是为车间生成一个详细的短期生产计划调度，有效地减少等待时间、设备和工人，平衡生产负荷，优化生产能力，提高生产效率。模具制造业由于突出的行业特点，在机械制造业中有着明显的差异。由于缺乏成熟的技术，国内市场几乎没有对模具工业有广泛的协同制造执行系统的应用价值，而且国外模具企业专业的协同制造执行系统的定制价格昂贵，因此，国内模具企业需求价格并以实际价值为信息集成系统中的模具车间生产和管理。Johnson在50年代第一个提出解决问题的作业调度和优化算法，指生产车间生产调度理论研究的开始。经过半个多世纪，更多的生产计划理论和方法已被提出，复杂的调度算法和人机交互的调度方法被广泛讨论和应用。
三、用析取规划方法研究某离散型企业生产调度算法
广义析取规划和混合整数规划算法，主要算法仍然是基于分支定界法，但由于一个模型框架是一种是基于逻辑析取式，一种是基于代数表达式，因此算法的细节是不同的，以下是广义析取规划简要的算法介绍。
目前解决大规模静态生产调度的算法主要有：运筹学算法、分解-协调算法、基于空间划分与收缩的算法、启发式算法、计算智能算法等。运筹学算法属于精确解的方法，可以找到全局最优解，但规则模具有局限性，随着问题的扩展，算法的复杂度呈指数化，增加了算法的困难程度;基于空间分割和收缩分解协调算法是一种大型的规范模问题，具体的使用算法可以选择;一般其他方法只得到近似最优解或满意解，基本上是近似算法，最多可以求解调度问题，但由于算法本身的局限性，在很多问题上也没有精确度，但也存在着近似精准的算法。根据实际情况考虑问题，课题充分考虑到了模型在前一章的符号逻辑表达关系这一特点，提出了新的处理分支逻辑分支规则的方法，在求解模型时，给出模型在求解过程中结合生产规则的松弛方案，最后，对仿真结果进行了计算，并对结果进行了分析和说明。本文在阐述分支定界算法理论的基础上，从算法的关键技术操作入手，进行改进，分支定界法结合广义析取规划的逻辑问题，基于析取推理分支逻辑提出了改进方法，使分支定界算法在规划的广义析取逻辑命题存在原理模型，通过仿真结果比较表明，该算法能取得良好的效果，操作效率也有显著性。
四、结束语
在离散制造业车间的业务流程分析、系统论思想的指导下，针对车间生产管理，利用计算机网络技术和功能强大的数字管理技术开发了车间生产管理系统和一套面向离散制造业的制造执行系统。军工企业制造执行系统的实现路径，也是实现网络化协同制造过程中的一个关键环节，它是一种传统的制造执行系统概念和功能的开发与集成，以适应網络化的协同制造环境在企业协同发展的需要下，多协同生产提供了一个有效的信息集成平台，提高企业的生产、合作能力，促进军队离散制造业的数字化制造执行能力。基于离散制造环境下协同制造军工生产模式，对制造执行系统分析的具体要求，建立协同制造环境典型的离散型企业制造业务流程，给出了实施系统的功能要求，并结合以上分析，构建动态异构软件体系结构的制造执行系统，并建立了军工企业协同生产车间面向通用制造执行系统的四层体系结构使用UML建模软件体系结构。为我国的协同制造行业的发展与进步起到积极的推动作用。
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