大批量定制生产系统的预防维护协同调度优化的方法
【专利摘要】本发明公开了一种大批量定制生产系统的预防维护协同调度优化的方法，包括：根据市场导向顺序下达的随机生产计划，实时获取设备层输出的预防维护时间间隔；在系统层采用提前延后平衡调度，动态利用生产转换时机，实时开展成本结余择优；计算比较预防维护作业提前成本结余和作业延后成本结余，进行维护双摆优化决策；反馈系统层组合预防维护结果至设备层，规划下一个周期的维护决策，动态循环地提供实时有效、经济可行的协同优化决策方案。本发明能够通过系统总体维护成本的结余最大化，为现代制造企业的大批量定制生产系统带来显著的经济效益。
【专利说明】大批量定制生产系统的预防维护协同调度优化的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及生产计划和维护决策【技术领域】的规划方法，具体是一种大批量定制生产系统的预防维护协同调度优化的方法。
【背景技术】
[0002]随着市场竞争日益激烈，在当今制造业的变革发展中，大批量定制作为一种先进生产模式得到广泛应用。大批量定制生产系统由不同类型多台设备根据多样化批量的产品工艺流程而配置组建，支撑企业适应新的市场和社会需求。针对这类生产系统开展生产与维护协同决策的研究，提出随机生产驱动的预防维护动态调度优化方法，可以保障批量生产的质量稳定性，提高各台设备的健康可靠性，降低生产系统的维护总成本。
[0003]传统的多设备预防维护调度优化大多采用维护作业驱动的机会维护策略。已有技术中，固定周期系统整体维护方法每经过等间隔时间就统一进行周期预防维护，忽视了生产系统中设备各自的衰退特性。大批量定制的预防维护需求应当与随机生产计划相协同，预防维护若是发生在生产批次期间更会影响产品质量的稳定性。Liu在国际高水平论文“Three m-failure group maintenance models for M/M/N unreliable queuing servicesystems，，( ((Computers&Industrial Engineering))2012 年第 62 期第 4 卷，1011-1024 页)中提出了系统中的设备故障台数达到预定值则驱动成组维护的策略。Scarf在国际高水平论文“Hybrid block replacement and inspection policies for a mult1-componentsystem with heterogeneous component lives，，( ((European Journal of OperationalResearch))2010年第206期第2卷，384-394页)中提出了一种改进型批量更换的优化调度策略。但上述两种方法忽略了大批量定制的生产模式特征和串并联系统的设备健康特性，无法应用于面向大批量定制的实际维护平台系统。
[0004]此外，在系统层统筹整合生产计划和维护决策的规划方法中，Mellouli针对两台相同设备，在国际高水平论文“Identical parallel-machine scheduling underavailability constraints to minimize the sum of completion times，，( ((EuropeanJournal of Operational Research》2009 年第 197 期第 3 卷，1150-1165 页)中提出了根据最短加工时间规则改进的启发式维护调度方法。但是该方法生成的维护方案仅面向双设备系统，面临设备数量增加造成计算量呈指数倍增长时难以有效决策，无法克服结合随机生产计划后导致的决策复杂性上升，难以应用于由不同类型多台设备组成的大批量定制生产系统的实际维护调度优化。
【发明内容】
[0005]本发明针对传统的多设备预防维护调度优化忽略大批量定制生产模式特征造成频繁停机，以及生产计划与维护优化缺乏协同决策的不足，提供了一种大批量定制生产系统的预防维护协同调度优化的方法。
[0006]根据本发明提供的一种大批量定制生产系统的预防维护协同调度优化的方法，包括以下步骤:
[0007]第一步:从第一个维护周期i = I开始，从设备层实时地获取生产系统中各台设备的预防维护时间间隔，并评估第j台设备Mj, j = 1，2，...，J，原定的规划预防时间点；
[0008]第二步:获取市场导向的首个随机批量订单，从第一个生产周期U = O开始，检查是否存在设备％原定于在该生产批次期间进行预防维护作业；
[0009]第三步:在第一个生产周期前不安排预防维护作业，所有的预防维护作业都应该被延后到生产批次完工后，对于下一个生产周期U+1，更新系统层生产转换时刻和各台设备的规划预防时间点；
[0010]第四步:维护时间检查，即每当一个生产批次完工，新的一个批次订单的生产周期丁811+1被下达时，检查系统中各台设备是否存在设备层原定的预防维护时间点在新的生产批次期间；
[0011]第五步:成本结余择优，即若系统中的任意设备原定在生产批次间进行维护，则分析预防维护的双摆调度决策带来的成本影响，分别计算预防维护作业提前成本结余和作业延后成本结余，动态比较而得的成本平衡结果，提前或延后设备的预防维护作业；
[0012]第六步:时间更新与反馈，即对于下一个生产周期u+1，在系统层交互优化调度中更新生产批次Bu后的生产转换时机，并根据设备层规划结果获取更新各台设备的规划预防维护时间点；
[0013]第七步:随着后续随机批量订单动态循环地下达，转回第四步进行维护时间检查，在第五步中通过成本结余择优，短区间决策系统层维护双摆优化调度，并在第六步设备层与系统层的信息交互中实时保持时间更新与反馈，如此实现循环递进，在加工制造了 U个生产批次的系统寿命内，降低核算协同调度优化方案的系统维护总成本。
[0014]优选地，所述第一步中，各台设备原定的预防维护时间间隔是通过设备层的维护规划模型计算获得，随设备役龄增加而逐渐递减。维护系统前台显示软件为LABVIEW，后台规划所用的软件为MATLAB。
[0015]优选地，所述第二步中，随机批量订单在批次间的生产转换时机才实时获得，随机批量订单的生产周期长短根据市场需求变化。
[0016]优选地,所述第五步中，成本结余择优APB(Advance_postpone balancing,提前延后平衡)数值为预防维护作业提前成本结余SCA减去作业延后成本结余SPC，SCA,SPC这两项调动成本结余各自包含停机转换成本结余项、小修作业成本结余项、预防维护作业成本结余项。成本结余择优的计算分析所用的软件为MATLAB。
[0017]优选地，所述第六步中，设备层的维护规划模型依据系统层调度优化决策的实际维护周期反馈，规划新的预防维护时间间隔。维护系统前台显示软件为LABVIEW，维护决策和结果传输所用的软件为MATLAB。
[0018]优选地，所述第七步中，系统维护总成本由生产转换成本率、预防维护作业成本、小修作业成本组成。系统维护总成本的计算分析所用的软件为MATLAB，系统层调度优化结果显示的软件为LABVIEW。
[0019]由于大批量定制生产模式中的生产转换时机会造成潜在的组合维护机会，故本发明综合设备层输出的预防维护时间间隔以及市场导向的随机订单生产计划，利用生产转换时机作为组合维护机会，通过实时的成本结余择优实现了大批量定制生产系统的有效维护和成本降低，即使设备数量增加、订单源源不断，仍能保证多设备维护调度优化方法的响应敏捷性。
[0020]本发明相比现有技术，具有以下技术特点:
[0021]本发明生成的系统层预防维护协同调度优化方案，能够综合考虑大批量定制的生产模式特征和串并联系统的设备健康特性，改进了传统的维护管理系统忽略大批量定制生产模式特征造成频繁停机和生产计划-维护优化缺乏协同决策的不足。同时，由于生产计划与预防维护的实时协同优化，保证了系统总体维护成本的结余最大化，有助于现代制造企业制定经济合理的预防维护作业，具有重要的工程实用价值。
[0022]具体地，本发明采用的技术手段包括:
[0023]本发明所提方法整合了生产计划和维护规划两方面的信息需求，交互传递生产信息数据流和维护信息数据流，实践支持动态循环的短区间优化决策模式，采用所提出的生产驱动的机会策略以规划系统层中预防维护的双摆调度决策带来的成本影响，分析系统中各台设备的维护提前和维护延迟各自的成本结余，以此实施批量生产和预防维护的协同优化调度，采用动态循环的协同优化决策实现各个生产周期的成本结余最大化，达到批量生产系统整体维护成本的显著降低。
[0024]本发明所解决的技术问题如下:
[0025](I)批量生产的订单量随机性技术问题:大批量定制生产直接以市场需求为导向，各个批次订单间离散、独立且呈现出随机性，为了提高维护优化策略的响应敏捷性，本发明所提方法遵循“短区间优化原则”，解决了生产提前期不断缩短的竞争环境中批量生产的订单量随机性技术问题。
[0026](2)预防维护的双摆调度决策技术问题:本发明融入生产计划提出的生产驱动的机会策略，全面分析系统中各台设备的维护提前和维护延迟各自的成本结余，通过提出成本结余择优技术，利用生产转换时机作为组合维护机会，将传统维护作业单摆调度方法演化成了双摆调度优化方法。
[0027](3)协同决策的维数灾复杂性技术问题:本发明深入分析系统层生产计划与维护规划的协同作用，以生产计划为决策约束，以维护规划为优化途径，利用批量间的生产转换时机，实时进行成本结余择优，动态循环地实现系统层协同决策，解决了传统生产与维护协同决策的维数灾复杂性技术问题。
[0028]更为具体地，本发明所获得的技术效果如下:
[0029]本发明提出的大批量定制生产系统的预防维护协同调度优化的方法，通过实时的成本结余择优显著降低了批量生产系统的系统维护总成本，并有效解决了协同决策的维数灾复杂性难题。即使在生产设备数量增加、批量订单源源不断的情况下，依旧能有力地指导制造企业实施批量生产系统的预防维护作业，保证协同优化策略的响应敏捷性。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0031]图1为维护平台系统的系统层中生产计划对维护调度的驱动机制流程；
[0032]图2为维护平台系统的系统层生产驱动的预防维护协同调度优化流程。【具体实施方式】
[0033]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0034]下面以某液压传动装置制造企业的七台设备串并联组成的大批量定制生产系统为例进行具体说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0035]具体包括下述步骤:
[0036]第一步:从第一个维护周期i = I开始，从设备层实时地获取生产系统中各台设备的预防维护时间间隔，并评估设备原定的规划预防时间点。各台设备原定的预防维护时间间隔是通过设备层的维护规划模型计算获得，随设备役龄增加而逐渐递减。维护系统前台显示软件为LABVIEW，后台规划所用的软件为MATLAB。
[0037]第二步:获取市场导向的首个随机批量订单(生产批次B1的生产周期TB1)。从第一个生产周期U = O开始Ubtl = O),检查是否存在设备Mj (j = I, 2,..., J)原定于在该生产批次期间进行预防维护作业。随机批量订单在批次间的生产转换时机才实时获得，其生产周期长短根据市场需求变化。
[0038]第三步:在第一个生产周期前不安排预防维护作业，所有的预防维护作业都应该被延后到生产批次完工后。对于下一个生产周期u = u+1，更新系统层生产转换时刻和各台设备的规划预防时间点。
[0039]第四步:维护时间检查，即每当一个生产批次完工，新的一个批次订单的生产周期丁811+1被下达时，检查系统中各台设备是否存在设备层原定的预防维护时间点在新的生产批次期间。维护平台系统的系统层中生产计划对维护调度的驱动机制流程如图1所示。
[0040]第五步:成本结余择优，即若系统中的任意设备原定在生产批次间进行维护，则分析预防维护的双摆调度决策带来的成本影响，分别计算预防维护作业提前成本结余和作业延后成本结余，动态比较而得的成本平衡结果，提前或延后设备的预防维护作业。成本结余择优的计算分析所用的软件为MATLAB。成本结余择优APB数值为预防维护作业提前成本结余(SCA)减去作业延后成本结余(SPC)，这两项调动成本结余各自包含停机转换成本结余项、小修作业成本结余项、预防维护作业成本结余项。令Ctu表示生产停机成本率，表示
生产转换成本率，Tpu表示预防维护作业时间，表示设备层规划出的预防维护时间间隔，
tbu表示系统层的生产转换时刻，tu表示设备原定的规划预防维护时间点，Cpu表示预防维护作业的成本，Cfij表示小修作业的成本:
【权利要求】
1.一种大批量定制生产系统的预防维护协同调度优化的方法，其特征在于，包括以下步骤: 第一步:从第一个维护周期i = I开始，从设备层实时地获取生产系统中各台设备的预防维护时间间隔，并评估第j台设备j = 1，2，...，J，原定的规划预防时间点； 第二步:获取市场导向的首个随机批量订单，从第一个生产周期u = O开始，检查是否存在设备原定于在该生产批次期间进行预防维护作业； 第三步:在第一个生产周期前不安排预防维护作业，所有的预防维护作业都应该被延后到生产批次完工后，对于下一个生产周期u+1，更新系统层生产转换时刻和各台设备的规划预防时间点； 第四步:维护时间检查，即每当一个生产批次完工，新的一个批次订单的生产周期TBU+1被下达时，检查系统中各台设备是否存在设备层原定的预防维护时间点在新的生产批次期间； 第五步:成本结余择优，即若系统中的任意设备原定在生产批次间进行维护，则分析预防维护的双摆调度决策带来的成本影响，分别计算预防维护作业提前成本结余和作业延后成本结余，动态比较而得的成本平衡结果，提前或延后设备的预防维护作业； 第六步:时间更新与反馈，即对于下一个生产周期u+1，在系统层交互优化调度中更新生产批次Bu后的生产转换时机，并根据设备层规划结果获取更新各台设备的规划预防维护时间点； 第七步:随着后续随机批量订单动态循环地下达，转回第四步进行维护时间检查，在第五步中通过成本结余择优，短区间决策系统层维护双摆优化调度，并在第六步设备层与系统层的信息交互中实时保持时间更新与反馈，如此实现循环递进，在加工制造了 U个生产批次的系统寿命内，降低核算协同调度优化方案的系统维护总成本。
2.根据权利要求1所述的大批量定制生产系统的预防维护协同调度优化的方法，其特征在于，所述第一步中，各台设备原定的预防维护时间间隔是通过设备层的维护规划模型计算获得，随设备役龄增加而逐渐递减。
3.根据权利要求1所述的大批量定制生产系统的预防维护协同调度优化的方法，其特征在于，所述第二步中，随机批量订单在批次间的生产转换时机才实时获得，随机批量订单的生产周期长短根据市场需求变化。
4.根据权利要求1所述的大批量定制生产系统的预防维护协同调度优化的方法，其特征在于，所述第五步中，成本结余择优APB数值为预防维护作业提前成本结余SCA减去作业延后成本结余SPC，SCA、SPC这两项调动成本结余各自包含停机转换成本结余项、小修作业成本结余项、预防维护作业成本结余项。
5.根据权利要求1所述的大批量定制生产系统的预防维护协同调度优化的方法，其特征在于，所述第六步中，设备层的维护规划模型依据系统层调度优化决策的实际维护周期反馈，规划新的预防维护时间间隔。
6.根据权利要求1所述的大批量定制生产系统的预防维护协同调度优化的方法，其特征在于，所述第七步中，系统维护总成本由生产转换成本率、预防维护作业成本、小修作业成本组成。
【文档编号】G06Q10/04GK103955766SQ201410177780
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月29日 优先权日:2014年4月29日
【发明者】夏唐斌, 奚立峰, 王猛, 陶辛阳 申请人:上海交通大学