实时工况驱动的柔性作业车间动态调度系统研究

陈鸿海, 赵 韩

(合肥工业大学 机械与汽车工程学院,安徽 合肥 230009)



实时工况驱动的柔性作业车间动态调度系统研究

陈鸿海, 赵 韩

(合肥工业大学 机械与汽车工程学院,安徽 合肥 230009)

为了解决生产计划与控制的复杂多变性问题,文章设计了一种柔性作业车间动态调度系统。该系统首先分析了相关动态调度理论与方法,提出了基于实时工况驱动的系统设计的基本思路,建立了系统的整体概念模型,讨论了该系统的基本特点;然后进行系统建模,确定该系统的主要功能模块及其相互关系;最后通过设计的原型系统部分界面来阐述系统的动态调度实现过程。

实时工况驱动;柔性作业车间动态调度;系统建模;功能模块;系统实现

0 引 言

当前,制造业已进入到以智能制造为代表的工业4.0时代,用户对产品的要求呈现出个性化趋势,由此对生产要求也越来越高,生产系统要求能够适应柔性化生产。因而柔性作业车间调度问题已成为生产系统计划与控制的关键问题之一。随着现代制造物联网技术的进一步发展和应用,车间实时工况信息的采集成为可能,这将进一步促进车间动态调度理论在企业生产过程中的应用。

目前,调度模型的构建和求解、扰动分析、重调度评价、重调度驱动策略等均成为柔性作业车间动态调度问题研究的重点[1]。调度模型的构建和求解方面，文献[2]基于组合规则对Job Shop车间多目标柔性调度方法进行了研究；扰动分析方面,在实时工况生产加工过程中,不确定环境下扰动因素主要包括内在成因、外在成因、环境成因、设备成因以及人员成因等[3-4]；重调度驱动方面,文献[5-6]对不确定条件下的重调度方法进行了研究,对相关重调度必要性评价机制、何时触发重调度等问题做了详细阐述;文献[7]以滚动时域优化为基础,提出了改进事件和周期混合驱动策略;文献[8]提出了工序前移的重调度策略、排序不限的重调度策略、排序不变的重调度策略,比较了3种重调度策略的优劣;文献[9]在实时工况研究的基础上,提出了车间事件扰动的重调度策略。

本文在上述研究的基础上,以企业柔性作业车间为研究对象,提出了实时工况驱动的柔性作业车间动态调度系统(dynamic scheduling system of flexible job shop driven by real-time condition，RC-DSSFJS)的基本思路,建立了所要开发RC-DSSFJS的整体概念模型;并分析了该RC-DSSFJS的基本特点，阐述了RC-DSSFJS的主要功能模块，介绍了RC-DSSFJS的实现过程,展示了RC-DSSFJS系统原型的部分界面。

1 系统概述

RC-DSSFJS以车间制造执行层的生产控制-制造执行系统(manufacturing execution system,MES)和制造物联技术为基础,在制造物联网采集车间工况信息的基础上,通过MES对实时工况信息进行分析和处理,并将分析结果传递给车间动态调度系统;动态调度系统根据MES的分析结果,依据重调度驱动机制,判断重调度的必要性,并结合现有资源工况,计算优化调度方案,从而指导车间调度作业。

2 系统概念模型

RC-DSSFJS的整体概念模型如图1所示。

图1 系统整体概念模型

RC-DSSFJS基于客户端/服务器(client/server,C/S)分布式网络模式,整个系统构架中包括数据存储层、信息采集层、数据处理层及业务逻辑层。

数据存储层主要是通过分布式数据库实现的，包括RC-DSSFJS的基本建模数据(如产品、工艺、设备、人员等基本建模数据)、动态调度数据(如调度参数、调度方案等结构化数据)以及实时运行数据(如设备运行状态、人员工作状态等)。数据采集层主要通过加工设备上的各类传感器、RFID、条码设备等,采集生产现场产品信息、过程进度以及设备状态灯信息,并将这些信息发送给数据处理层。数据处理层为车间制造执行系统,该系统一方面负责生产作业的下发，另一方面通过处理来自车间现场的实时工况信息,确定调度方案的执行情况以及生产的各类指标,包括产品生产质量、生产工时等,并将这些信息传递给动态调度的业务逻辑层。业务逻辑层(即动态调度系统)通过数据处理层提供的实时工况信息,计算调度方案的变动率,确定是否触发新一轮的调度。一旦新一轮调度被触发,系统根据完工时间、成本和质量3个指标,计算新的调度方案,并将调度方案下发到制造执行系统,形成新一轮作业排程,从而实现车间作业实时、动态优化,确保生产计划的有效执行。

3 系统特点

(1) 可视化。主要采用面向对象的抽象思想,将系统中的生产设备、作业人员等资源抽象为可视化图元。抽象的可视化图元具有属性设置功能,如可以设置设备在不同状态时显示颜色、设备加工任务的执行情况、不同调度方案的颜色区分等。在实现可视化调度管理驾驶舱构建的基础上,通过底层所采集的实时数据驱动可视化调度系统的运行,为管理人员提供一个方便、快捷的调度界面。

(2) 集成化和实时化。系统以生产过程链为主线,通过作业现场的信息采集和网络传输,将生产现场的实时工况与动态调度机制有机地关联起来,从而实现当生产实际偏离生产计划时,及时调整生产调度,从而实现车间现场的实时工况和生产过程的优化调度与管理的集成。

(3) 网络化。RC-DSSFJS采用典型的C/S架构模式,以结构化查询语言(structured query language,SQL)数据库平台作为实时数据和历史数据的存取仓储,该模式可以保证数据的实时采集和共享,最终为RC-DSSFJS的实现提供一个局域抗扰动的网络环境和实时、安全、可靠的数据平台。

4 系统建模

随着市场竞争的加剧,越来越多的企业通过采用先进的柔性生产设备来提高企业的核心竞争力,然而企业在采用先进设备的同时也增加了系统的复杂性,给生产系统的管理增加了难度。因此,为了构建更好的原型系统,首选需要对原型系统进行建模,确定所构建系统的详细功能模块划分及内部交互关系,使原型系统的功能、结构、数据以及相互的联系变得简单、清晰。因此,本文主要从系统的功能模型和数据模型2个角度出发对原型系统进行分析和建模。

4.1 系统功能模型

功能模型是在对系统进行详细需求分析的基础上构建的,是开发整个原型系统的基础,功能模型主要运行相应的建模方法将用户的详细需求转换为技术开发内容,为后续技术人员开发原型系统提供必要的条件。

功能模型以操作人员和系统功能模块为构建对象,完成2个因素之间的交互分析和表达。针对该功能的建模语言比较多,其中统一建模语言(united modeling language,UML)是应用最为成熟和广泛的一门语言,基于UML构建的原型系统功能模型如图2所示,主要包括系统管理模块、作业调度模块、机床管理模块、工艺配置模块、设备监控模块以及人员管理模块6大功能模块。其中作业调度为系统的主要功能模块,它包括调度参数设置、调度优化方案选择、调度驱动机制以及调度方案下发等子功能模块。

图2 系统功能模型

4.2 系统数据模型

数据是管理生产系统的基础。随着企业引进越来越多的先进技术和设备等,系统内部的数据交互越来越复杂,系统运行所产生的数据也越来越庞大。因此,为了构建运行更加流畅的原型系统,在构建系统功能模型的基础上,构建运行系统的数据模型成为重要的环节。

本文基于UML构建了原型系统数据模型,如图3所示,其中给出了数据模型中主要关系表及表中的主外键关系。

图3 系统数据模型

5 系统原型的开发与应用

实时工况驱动的柔性作业车间动态调度系统原型包括1个主模块(作业调度模块)和5个辅助模块(设备监控、工艺配置、机床管理、人员管理以及系统管理)。其中主模块主要负责作业动态调度的相关参数设置和优化计算等,包括调度参数设置、调度优化方案选择、调度驱动机制以及调度方案下发等子功能模块。下面介绍该系统的功能和应用。

调度问题是将任务按照特定要求在特定的制造资源(设备、人员等)上进行优化分配,实现部分指标的最优化。因此,设备管理是调度系统的基础之一，包括设备类型管理、设备属性管理以及设备文档管理等具体功能,可以实现设备的全生命周期管理。设备管理的部分界面如图4所示。

图4 设备管理界面

工艺配置模块的具体界面如图5所示。该界面包括产品制造的工艺流程、工序内容以及为各个工序配置相应的机器设备和人员,并设置各个设备完成相应工序的时间、成本和质量参数,为调度提供基础信息。

图5 工艺路线-工序配置

在实际的生产作业环境中,柔性作业车间的生产工况处于动态变化状态,会产生很多不确定的扰动因素。这不仅使得生产系统不能正常运行,而且影响了原有调度方案的执行,因此,需要通过特定的解决方案来实现扰动因素驱动下的实时动态调度,得出最优的调度方案。为了更好地确定重调度时间,系统对生产过程的设备以及加工过程进行监控,如图6所示,并计算原调度方案的生产变动率。当变动率超过预先设定的阈值,系统将会触发作业调度模块,使其根据当前工况,进行调度优化计算,形成新的调度方案。

重调度数据开发的作业调度界面如图7所示。生产进行过程中,当作业调度模块接收到生产过程监控模块发送来的重调度请求后,系统将根据当前工况优化计算,形成适合当前工况的新调度方案。一旦新的调度方案被确定,系统将把新的调度方案下发到车间,指导车间的作业生产。

图6 设备监控界面

图7 作业调度界面

此外,为了保证系统的可靠运行,系统还提供了系统管理的功能模块,主要涉及系统的参数设置、数据库优化、数据备份和还原、用户角色和权限管理等功能模块。

6 结 论

本文概述了实时工况驱动的柔性作业车间动态调度的相关理论与方法,提出了系统概念模型,描述了系统特点;从原型系统的功能特性分析、各功能模块之间的数据关联、原型系统的开发和实现3个方面出发,依次构建了系统的功能模型和数据模型,使信息系统的功能、结构、数据以及相互的关联简单、清晰;设计和开发了实时工况驱动的柔性作业车间动态调度的软件系统,该系统具有可视化、集成化、实时化以及网络化等特点;通过系统的应用,尤其是1个主模块(作业调度模块)和5个辅助模块(设备监控、工艺设置、机床管理、人员管理以及系统管理)的功能发挥,对生产过程的设备以及加工过程进行监控,根据信息处理驱动重调度机制,进行调度优化,形成新的调度方案,从而进行作业调度。

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[5] 吴文瑞.不确定环境下Job Shop制造车间重调度驱动机制研究[D].合肥:合肥工业大学，2012.

[6] 刘明周，单晖，蒋增强，等.不确定条件下车间动态重调度优化方法[J].机械工程学报，2009，45(10)：137-142.

[7] 刘国宝,张洁.基于改进滚动时域优化策略的动态调度方法[J].机械工程学报，2013,49(14)：182-190.

[8] TOKOLA H，AHLROTH L，NIEMI E.A comparison of rescheduling policies for online flow shop to minimize tardiness [J].Engineering Optimization，2014，46(2)：165-180.

[9] KHODKE P M，BHONGADE A S.Real-time scheduling in manufacturing system with machining and assembly operations：a state of art [J].International Journal of Production Research，2013，51(16)：4966-4978.

(责任编辑 胡亚敏)

R&D on dynamic scheduling system of flexible job shop driven by real-time condition

CHEN Honghai, ZHAO Han

(School of Machinery and Automobile Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China)

In order to solve the complex and varied issues of production plan and control， a dynamic scheduling system of flexible job shop was designed. Firstly, the related dynamic scheduling theory and methods were analyzed， and the basic idea of system design based on real-time condition was proposed. The overall concept model of the system was established， and the basic features of the system were analyzed. Then the system model was established， and the main function modules of the system and their mutual relations were determined. Finally, the dynamic scheduling implementation process of the system was described through part of the system interface.

real-time condition driven; flexible job shop dynamic scheduling; system modeling; function module; system implementation

2015-11-29；

2015-12-28

国家“十二五”科技支撑计划资助项目(2012BAF12B03)

陈鸿海(1962-),男,安徽明光人,合肥工业大学博士生; 赵 韩(1957-),男,安徽宿州人,博士,合肥工业大学教授,博士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.11.001

TH186

A

1003-5060(2016)11-1441-06