一种具有最大联通性的制造系统构型优化方法
【专利摘要】本发明提供了一种保证机床加工功能具有最大联通性的制造系统构型优化方法，解决现有技术中不能同时具有制造系统的大批量生产能力和柔性化生产能力的问题。步骤一、获取工艺相关信息；步骤二、根据工艺相关信息中的工件之间的加工功能、加工时间、加工批量构建相似性工件族；步骤三、将工件在车间内的加工按照加工功能进行编码；步骤四、随机排列机床，生成编码方案，解码为初始可行解，并将其设为当前最优解；步骤五、按照两段邻位对换的策略生成当前最优解的可行解邻域；步骤六、计算邻域中所有可行解的评价值；步骤七、按照禁忌规则从邻域中选择一个解为当前最优解；步骤八、判断当前最优解是否为全局最优解。
【专利说明】一种具有最大联通性的制造系统构型优化方法
【技术领域】
[0001]本发明属于先进制造领域，特别涉及一种保证机床加工功能具有最大联通性的制造系统构型优化方法。
【背景技术】
[0002]面对激烈地全球化市场竞争与动态多变的客户需求，传统制造业面临着如何快速响应市场需求的巨大挑战。传统的刚性制造系统能通过大批量生产提高效益，它是专门针对某一种工件而不是基于变化的生产周期设计的，不具有缩放性和变化性；而对应的柔性制造系统虽然能缩短产品生产周期，但投资过大，系统功能冗余现象比较严重，资本回收期过长，给企业造成很大的成本压力。因此，现代制造企业亟需一种能把刚性生产系统和柔性制造系统的特点充分结合的全新制造系统，从而使制造企业能快速响应市场需求，提高竞争力。
[0003]针对大批量生产与柔性制造双重特点的制造系统，国内外学者提出了多种先进制造系统，比如综合了信息全能技术的敏捷制造系统、基于合弄概念的合弄制造系统、由智能机器人和人类专家共同构成的智能制造系统、基于生物医学和模拟自然界中生命形态而构造的生物制造系统等等。这些先进的制造系统在不同原理上实现了可重构性，但是很少有从机床功能均匀布局的角度来研究制造系统构形，从这个角度考虑的制造系统构建原理简单，易操作，能够达到预期效果。
[0004]目前，已经有学者运用不同的方法来研究该问题。在《计算机集成制造系统》发表的《面向订单制造的可重构制造系统中虚拟制造单元构建技术》中提出一种多目标的非线性0-1整数规划模型来研究多种不同交货期订单时的可重构制造单元构建问题，先用启发式方法对非瓶颈设备和工艺处理，然后用分布式平行协同多目标粒子群算法求解最优解集，目标设的较多，从最优解集里选最优解有较大困难。在《South African Journalof Industrial Engineering))上发表的〈〈A hybrid reconfigurable computer-1ntegratedmanufacturing cell for the production of mass customised parts〉〉提出将计算机集成制造单元与可重构制造系统技术结合起来，使构建的系统构形同时具有计算机集成制造单元的制造能力和可重构制造系统的特征，从而达到可重构制造单元要求的效果，但是相应的结合技术并不成熟，难以实际应用。在《Simulation》上发表的《Cell formation andscheduling of part families for reconfigurable cellular manufacturing systems usingTabu search》以最小化工件族之间的转换成本和可重构机床的闲置成本为优化目标，采用混合整数线性规划模型同时解决工件族和制造系统构形的构建问题，但是未考虑构形构建之前车间机床布局问题。在《International Journal of Production Research))上发表的((Optimal configuration selection for reconfigurable manufacturing system using NSGAIIand T0PSIS》分两阶段优化制造系统构形，先采用非支配排序遗传算法获得非支配解，然后采用一种多属性决策方法选择帕雷托前沿解，这种方法寻找最优构形更有效，但是没有考虑多工件加工路线。[0005]以上几种制造系统构型构建方法的共性还在于:其都是在现有机床布局的基础上考虑构建制造系统构型的。车间机床的布局方式对产品生产的组织方式影响很大，如果制造系统构型是在机床加工功能的基础上进行构建的，则可以很大程度地提高制造系统的生
产柔性。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的问题是提供了一种保证机床加工功能具有最大联通性的制造系统构型优化方法，解决现有技术中不能同时具有制造系统的大批量生产能力和柔性化生产能力的问题。
[0007]为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有最大联通性的制造系统构型优化方法，包括以下步骤:
[0008]步骤一、获取工艺相关信息；
[0009]步骤二、根据工艺相关信息中的工件之间的加工功能、加工时间、加工批量构建相似性工件族；
[0010]步骤三、根据步骤二中构建的相似性工件族，将工件在车间内的加工按照加工功能进行编码；
[0011]步骤四、随机排列机床，生成编码方案，解码为初始可行解，得到步骤二中所述相似性工件族在车间中的加工方案，并将其设为当前最优解；
[0012]步骤五、按照两段邻位对换的策略生成当前最优解的可行解邻域；
[0013]步骤六、计算邻域中所有可行解的评价值；
[0014]步骤七、按照禁忌规则从邻域中选择一个解为当前最优解；
[0015]步骤八、判断当前最优解是否为全局最优解，如果该解是全局最优解，则将其解码并输出，不是则转到步骤五。
[0016]其中步骤一中所述的工艺相关信息，包括工件族中包含的工件数量及种类、工件使用的加工功能种类、每道工序使用机床的数量、每台机床所具有的加工功能、车间内机床布局。
[0017]其中步骤二中所述的构建相似性工件族采用以下方法:
[0018]步骤1:根据式(I)得到任意两个工件之间的加工功能相似性系数，进而得出一批工件的加工功能相似性矩阵；
[0019]Ppq = a/ (a+b+c)(I)
[0020]其中，a是工件P和工件q使用相同加工功能的工序数量，b是只有工件p使用的加工功能的工序数量，c是只有工件q使用的加工功能的工序数量；
[0021]步骤2:根据式(2)和式(3)计算两个工件的加工时间、加工批量相似性系数，进而得出一批工件的其它评价指标的相似性矩阵；
[0022]
【权利要求】
1.一种具有最大联通性的制造系统构型优化方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤一、获取工艺相关信息； 步骤二、根据工艺相关信息中的工件之间的加工功能、加工时间、加工批量构建相似性工件族； 步骤三、根据步骤二中构建的相似性工件族，将工件在车间内的加工按照加工功能进行编码； 步骤四、随机排列机床，生成编码方案，解码为初始可行解，得到步骤二中所述相似性工件族在车间中的加工方案，并将其设为当前最优解； 步骤五、按照两段邻位对换的策略生成当前最优解的可行解邻域； 步骤六、计算邻域中所有可行解的评价值； 步骤七、按照禁忌规则从邻域中选择一个解为当前最优解； 步骤八、判断当前最优解是否为全局最优解，如果该解是全局最优解，则将其解码并输出，不是则转到步骤五。
2.如权利要求1所述的一种具有最大联通性的制造系统构型优化方法，其特征在于，其中步骤一中所述的工艺相 关信息，包括工件族中包含的工件数量及种类、工件使用的加工功能种类、每道工序使用机床的数量、每台机床所具有的加工功能、车间内机床布局。
3.如权利要求1或2所述的一种具有最大联通性的制造系统构型优化方法，其特征在于，其中步骤二中所述的构建相似性工件族采用以下方法: 步骤1:根据式(I)得到任意两个工件之间的加工功能相似性系数，进而得出一批工件的加工功能相似性矩阵； Ppq = a/ (a+b+c)(I) 其中，a是工件P和工件q使用相同加工功能的工序数量，b是只有工件P使用的加工功能的工序数量，c是只有工件q使用的加工功能的工序数量； 步骤2:根据式(2)和式(3)计算两个工件的加工时间、加工批量相似性系数，进而得出一批工件的其它评价指标的相似性矩阵；
4.如权利要求1或2所述的一种具有最大联通性的制造系统构型优化方法，其特征在于，其中步骤四中所述的解码为初始可行解采用以下方法:首先对具有相同加工功能的机床集合进行随机排列，然后按照禁忌机床表对机床序列按照先后顺序进行调整，使每个机床序列中的需求机床没有在禁忌机床表中出现，其中禁忌机床表是把每次对机床序列调整后的可行机床序列组合在一起而形成的集合，经过调整之后的机床序列能够满足约束条件，为可行解。
5.如权利要求1或2所述的一种具有最大联通性的制造系统构型优化方法，其特征在于，其中步骤五中所述的生成当前最优解采用以下方法: 步骤1:设需求机床数量为n，则从当前机床集合中选取前n+1个没有被禁忌的机床及移动方向和移动元素； 步骤2:从选取的移动元素中选出最大的元素Emax ； 步骤3:在选取的机床集合中，若对应的移动方向向左，且不是第一个元素，则将Emax及移动方向和机床与左边的移动元素及移动方向和机床对换；若对应的移动方向向右，且不是最后一个元素，则将Emax及移动方向和机床与右边的移动元素及移动方向和机床对换；转至步骤8 ； 步骤4:若对应的移动方向向左，且是第一个元素，或者对应的移动方向向右，且是最后一个元素，则被标识为不可移动； 步骤5:从选取后的移动元素中选出次大的元素Emintff ； 步骤6:若对应的移动方向向左，且左边元素没有被标记为不可移动，则将Eminm及移动方向和机床与左边的移动元素及移动方向和机床对换；或者对应的移动方向向右，且右边元素没有被标记为不可移动，则将EminOT及移动方向和机床与右边的移动元素及移动方向和机床对换； 步骤7:若对应的移动方向向左,且左边元素被标记为不可移动,或者对应的移动方向向右，且右边元素被标记为不可移动，则也被标识为不可移动，转至步骤5 ； 步骤8:将新选取的机床集合与未选取的机床集合按照顺序重新组合生成新的邻位对换表； 步骤9:根 据需要的邻域元素数量N，重复N次步骤1-8，生成当前解的N个邻域。
【文档编号】G06Q10/04GK103996080SQ201410239088
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】王国新, 杜景军, 阎艳, 王孟超, 鲍衍地 申请人:北京理工大学