一种多时间因素下混合流水锻造车间的节能调度模型的制作方法

本发明涉及混合流水车间的调度技术，尤其是针对混合流水锻造车间的一种节能调度模型的建模方法，属于先进制造控制与调度技术领域。

背景技术：

随着工业的快速发展，能源价格的上涨和当前的可持续发展趋势给制造企业带来了新的压力，节能调度已成为车间调度的重要研究目标之一。与通常机加生产线的特点不同，锻造车间的生产是具有加热炉连续性的加工和其他机加设备的离散性加工混合的生产，生产过程难以控制，能量损失严重。除了加工操作中消耗的离散能量之外，锻造生产的大部分能量消耗来自加热炉等高能设备。因此，对锻造生产过程进行节能研究是非常有价值的。

关于加热炉节能的之前研究主要集中在设备优化和改造、废气热回收利用、新材料的开发和应用和热处理工艺的改进。近年来，通过解决炉膛加热的调度问题，对单机能耗进行了一些研究，以降低锻造生产的能耗。然而，对于锻造生产线的能耗调度问题的研究十分有限。关于混合流水车间调度问题的研究很多，如专利cn103309316a中提出带有批处理机的多阶段变异混合流水车间调度方法，专利cn106020142a中提出考虑能耗成本与加权拖期成本的柔性作业车间调度方法，以及专利cn104808636a提出柔性流水车间能耗优化调度方法等，然而，对于有加热炉的混合流水锻造车间的调度问题的研究几乎没有。

在实际锻造生产中，加热炉等锻造生产设备的单位能耗高于普通生产设备。由于设备在多种不同时间状态下的能耗仍然很大，无法估算生产中设备的实际浪费能耗。同时，加热炉的后续加工在锻造生产中是连续性的，增加了生产调度的难度。因此，分析锻造生产中的多种制造时间因素，研究具有连续和离散加工的混合流水锻造车间节能调度模型十分重要。

技术实现要素：

本发明中建立的锻造生产模型不仅考虑了众多不同制造阶段的时间，而且还提出了一种运输时间右移的规则，用于加热炉设备的连续性加工和机加设备的离散加工的生产计划排序，建立混合流水锻造车间调度的完工时间和能耗两个目标的权衡模型。

一种多时间因素下混合流水锻造车间的节能调度模型，该模型的建模过程有以下五个步骤：

步骤1构建多种时间因素下的混合流水车间模型

分析每个加工阶段的具体过程，针对每个过程分析过程中的不同操作状态，确定该状态下的时间因素，在运输阶段有运输时间tt，在上机加工阶段有准备时间ert，加工时间ept和调整时间eat，在等待阶段有等待时间wt，开关机时间st，等待平衡时间bt和间隔时间gt。通过对多种时间因素的分析，建立考虑多种时间因素的混合流水车间模型。

步骤2分析混合流水锻造车间的连续性和离散性

在锻造生产车间里，对于前一个阶段工艺是加热炉的工件，必须等到此阶段设备空闲，才能从上一阶段加热炉内取出工件进行此次工艺的加工，加工必须是连续性的。锻造加热工件工艺过程中，加热时间一般设定为固定的值，当满足加热时间后快速转移只保温区进行保温操作，保温时间要求必须满足最小保温时间，能够使锻件晶粒增长到锻造需求，当时不能大于最大保温时间以至锻件晶粒增长过大，内部组织破环，因此在加热炉连续的加工中，时间要求如下所示：

tfurnace＝theat+theat-preservation(1)

对于前一阶段是非加热炉的机加设备，加工完之后到下一阶段等待时间可以无限延伸，因此前一阶段是机加设备的，此阶段加工可以保持离散状态，利于生产调度调节。

步骤3建立混合流水锻造车间完工时间模型

提出了“运输时间右移规则”，即基于先完工先运输的规则，对已完工的工件进行运输顺序排列，将其他同时完成的工件采用可调时间进行排序调整。对于机加工设备，可调时间是运输前等待时间wt^t和加工前等待时间wt^m。对于前一阶段是加热炉，后一加工阶段的等待时间为零，可调时间是加热炉的保温时间hpt。最后再对排序之后的结果验证保温时间hpt是否满足工艺要求在最小保温时间和最大保温之间。

通过分析多种类型的时间分析和运输时间右移规则，构建的混合流水锻造车间调度的完工时间模型如下：

步骤4建立混合流水锻造车间能耗模型

将混合流水锻造车间的总能耗模型分为三部分：机加设备的工作能耗、机加设备的待机能耗和加热炉设备能耗。机加设备的工作能耗是设备处于准备时间、加工时间和调整时间的能耗。机加设备的待机能耗是设备处于等待状态的能耗，若待机时间过长，消耗的待机能耗大于开关机需要的能耗，采用“关闭/开启”方案来节省能耗。加热炉设备一旦开始需要保持温度恒定，中间没有待机状态，因此加热炉设备能耗是从开始加工第一个工件到完成最后一个工件的所有加热能耗和保温能耗的总和。利用“开启/关闭”方案构建的混合流水锻造车间调度的能耗模型如下：

步骤5构建混合流水锻造车间节能调度模型的多目标函数

混合流水锻造车间节能调度模型中的完工时间fmax和总能耗ea作为优化的两个目标函数，定义如下：

基于多目标加权和的方法，考虑多目标归一化构建的多目标优化函数如下：

minf(x)＝ω·fmax+(1-ω)·ea·ne(8)

各个符号的技术含义如下：

tfurnace：加热炉工艺需要的时间；

theat：加热炉工艺的加热时间；

theat-preservation：加热炉工艺的保温时间；

加热炉工艺允许的最小保温时间；

加热炉工艺允许的最大保温时间；

fmax：总完工时间；

n：工件的数量；

i：第i个工件；

m：加工阶段的数量；.

j：第j加工阶段；

第i个工件在第j加工阶段的运输前等待时间；

第i个工件在第j加工阶段的加工前等待时间；

ttij：第i个工件在第j加工阶段的运输时间；

ertij：第i个工件在第j加工阶段的准备时间；

eptij：第i个工件在第j加工阶段的上机加工时间；

eatij：第i个工件在第j加工阶段的调整时间；

ea：所有设备的总能耗；

第j加工阶段里设备的开关机能耗

kj：第j加工阶段里的机器数量；

k：加工阶段里的机器编号；

btj：第j加工阶段设备的间隔时间；

egtij：第i个工件在第j加工阶段的等待平衡时间；

ehtjk:第j加工阶段中第k设备的加热时间总和；

ektjk:第j加工阶段中第k设备的保温时间总和；

eppj：在第j加工阶段设备的工作功率即加热炉设备的加热功率；

ewpj：在第j加工阶段设备的待机功率；

ekpj：在第j加工阶段加热炉的保温功率；

αij：是否采用“关闭/开启”方案参数；

βj：加热炉与机加设备识别参数；

ω：多目标权值参数；

ne：多目标归一化参数。

本发明通过分析实际生产中多种时间状态因素的影响，对混合流水锻造车间调度问题建立加工时间和能耗的数学模型，并构建了基于加权和的多目标函数，与现有技术相比较，本发明具有如下技术效果：

(1)提出了多个不同时间因子的节能型混合流水车间调度问题模型，涉及多个不同状态的时间因素，如等待时间，准备时间，处理时间，调整时间，运输时间和运输平衡时间。

(2)提出了考虑加热炉加工与生产调度关系的节能型混合锻造流水车间调度规则——“运输时间右移规则”，以解决混合流水锻造车间调度中考虑加热炉连续加工和其他加工设备离散加工的排序。

(3)将“关闭/开启”方案用于分析混合流水锻造车间的能耗调度。

(4)所构建的模型可以结合优化算法进行生产调度的优化计算。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

图1是考虑多个时间因素的混合流水车间调度模型图。

图2是加热炉内工件的加工过程示意图。

图3是工件在一台设备上加工的所有时间组成图。

图4是在两个阶段的机器集上生产五个工件的甘特图示例图。

图5是机加设备的运输时间右移规则示意图。

图6是加热炉设备的运输时间右移规则示意图。

图7是在同一设备上加工不同工件的开关机能耗模型示例图。

具体实施方式

本发明中建立的锻造生产模型不仅考虑了众多不同制造阶段的时间，而且还提出了一种运输时间右移的规则，用于加热炉设备的连续性加工和机加设备的离散加工的生产计划排序，建立混合流水锻造车间调度的完工时间和能耗两个目标的权衡模型。下面结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

步骤1构建多种时间因素下的混合流水车间模型

如图1所示，描述了一般的混合流水车间的模型，物料从原材料存放区开始，依次经过各个加工阶段，最后到完成品存放区。每个加工阶段中有相同的并行设备，当物料运输到该加工阶段，可以选择其中任何一台设备进行加工。并行设备的数量根据实际车间布局需求而定。除此之外，分析每个加工阶段的过程，针对每个过程分析过程中的不同时间因素，在运输阶段有运输时间(tt)，在上机加工阶段有准备时间(ert)，加工时间(ept)和调整时间(eat)，在等待阶段有等待时间(wt)，开关机时间(st)，等待平衡时间(bt)和间隔时间(gt)。通过对多种时间因素的分析，建立考虑多种时间因素的混合流水车间模型。

步骤2分析混合流水锻造车间的连续性和离散性

如图2所示，锻件的加热过程通常分为炉内加热和保温两个阶段。在加热阶段，工件的温度迅速升高。在保温阶段，降低加热温度并保持稳定，以确保工件内部晶粒的均匀生长。在锻造生产线上采用环形加热炉，炉内分为加热区和保温区，可用于连续锻造生产线，控制单件工件的加热时间。

对于完成加热工艺的工件，为了保证工件保持高温，必须快速从炉内取出转移并放置在下一个工位进行加工。因此，在锻造生产车间里，对于前一个阶段工艺是加热炉的工件，必须等到此阶段设备空闲，才能从上一阶段加热炉内取出工件进行此次工艺的加工。锻造加热工件工艺过程中，加热时间一般设定为固定的值，当满足加热时间后快速转移只保温区进行保温操作，保温时间要求必须满足最小保温时间，能够使锻件晶粒增长到锻造需求，当时不能大于最大保温时间以至锻件晶粒增长过大，内部组织破环，因此在加热炉连续的加工中，时间要求如下所示：

tfurnace＝theat+theat-preservation(1)

对于前一阶段是非加热炉的机加设备，加工完之后到下一阶段等待时间可以无限延伸，因此前一阶段是机加设备的，此阶段加工可以保持离散状态，利于生产调度调节。

步骤3建立混合流水锻造车间完工时间模型

一批工件的总完工时间是从第一台设备上的第一台工件开始加工到最后一台设备上的最后一个工件结束加工的时间。一般设定同一批次的开始制造时间是相同的，因此总完工时间(fmax)是所有工件制造时间中的最大值。可以表示为：

fmax＝max(ci)(i＝1,2,3,…,n)(3)

如图3所示，是在多时间因素的分析基础上，构建的第j阶段第i个工件的所有制造时间组成，以及各个时间的关系顺序，用公式表示为：

其中，准备时间(ert)表示工件运输完成后，工件上料、安装需要的时间，对于同一阶段的并行设备来说，准备时间因车间布局而不同，并行设备中离运输完成位置近的准备时间较小，相反则较大。加工时间(ept)指工件在设备上实际花费的加工时间，只和工件工艺相关，对于加热炉，加工时间就是加热时间。调整时间(eat)是设备加工完成后，工件下料以及设备恢复到原状态需要的时间，对于加热炉，准备时间是保温时间，具体如下：

运输时间(tt)是两个阶段之间工件的搬运时间，只和阶段相关。等待时间分为运输前等待时间(wt^t)和加工等待时间(wt^m)，是用来在调度计划中可以调整的时间，等待时间可以无限延伸，对于前一阶段是加热炉，此阶段所有等待时间为零。

如图4所示，是5个工件在两阶段生产线的案例，图中括号内三个数字分别代表工件号、阶段号、该阶段内的设备号。图中已标出建立时间模型时，需要考虑混合锻造生产的三个约束，第一个约束是所有工件的运输时间彼此独立并且不能同时发生，可表示为：

tt^s(l+1)≥tt^c(l)＞tt^s(l)(l＝1,2,3,…)(6)

第二个约束是同一设备的每个工件的制造时间彼此独立并且不能同时发生。特别是，当前一阶段的处理设备是加热炉时，运输的开始时刻将影响待处理工件的开始加工时刻。可表示为：

tt^s(o+1)+ttj＝pt^s(o+1)≥pt^c(o)(o＝1,2,3,…)(7)

第三个约束运输时间的开始时刻必须在相同作业的前一阶段完成时刻之后。特别是，当前一阶段的处理设备是加热炉时，输送的开始时刻是前一阶段调整时间的结束时刻，并且必须在允许的调整时间范围内。可表示为：

在上述三种约束下，提出了“运输时间右移规则”，即基于先完工先运输的规则，对已完工的工件进行运输顺序排列，将其他同时完成的工件采用可调时间进行排序调整，如图5所示是机加设备的前后两阶段多种时间关系，其中运输前等待时间(wt^t)和加工前等待时间(wt^m)即为机加工的可调时间。如图6所示是加热炉和机加设备的先后两阶段关系，其中等待时间为零，加热炉的保温时间(hpt)即为加热炉的可调时间。最后再对排序之后的结果验证，主要验证保温时间(hpt)是否满足工艺要求在最小保温时间和最大保温之间。

基于“运输时间右移规则”，建立混合流水锻造车间完工时间模型如下：

步骤4建立混合流水锻造车间能耗模型

根据多个时间因素的分析，设备的状态被确定为工作，待机，空转，开/关机和关机。工作功率是设备加工工件状态下的功率，待机功率是设备待机和空闲状态下的功率，并且当设备关闭时，没有能量消耗。对于加热炉一旦设备开启直到所有作业都被处理完毕才可以关闭，因此没有待机能耗。构建的能耗模型由三部分组成，如下所示：

ea＝eerun+eewait+efrun(10)

eerun，eewait，efrun分别表示机加设备的工作能耗，机加设备的待机能耗和加热炉设备能耗。

机加设备的工作能耗是处于准备状态、加工状态和调整状态下的能耗，在多种时间因素的分析基础上，表达公式如下：

机加设备的待机能耗是处于运输状态、等待状态下的能耗，在此过程中，采用“关闭/开启”方法，如图7所示为三个工件在一台设备上的实例。若待机时间过长，消耗的待机能耗大于开关机需要的能耗，可采用“关闭/开启”方案来节省能耗。表达如下：

加热炉设备在加工阶段需保持温度恒定，因此加热炉能耗是从开始加热第一个工件到完成最后一个工件时间内所有的能耗，包括加热能耗和保温能耗。表示如下：

结合三部分能耗模型的分析，构建混合流水锻造车间总能耗模型如下：

步骤5构建混合流水锻造车间节能调度模型的多目标函数

根据混合流水锻造车间的时间数学模型和能耗模型的建立，该节能调度模型中两个目标为完工时间(fmax)和总能耗(ea)可以定义如下：

基于加权和的方法将能量消耗和完工时间整合为一个目标函数，考虑两个目标数量级上的差距，设置归一化参数，构建的多目标函数如下：

minf(x)＝ω·fmax+(1-ω)·ea·ne(20)

实际问题中，可以权衡完工时间和能耗的重要性，设置权重系数(ω)，权重系数越大，完工时间占比越大，权重系数越小，能耗占比越大。构建的多目标函数即为混合流水锻造车间节能调度模型，该模型可以用于节能生产调度的基础，可结合优化算法计算最优生产调度计划，为实际混合流水锻造生产提供节能调度方案。

在所述数学模型以及图示中采用的符号具体如下：

tfurnace：加热炉工艺需要的时间；

theat：加热炉工艺的加热时间；

theat-preservation：加热炉工艺的保温时间；

加热炉工艺允许的最小保温时间；

加热炉工艺允许的最大保温时间；

fmax：总完工时间；

ci：第i个工件的完工时间；

cij：第i个工件在第j加工阶段的完工时间；

n：工件的数量；

i：第i个工件；

m：加工阶段的数量；.

j：第j加工阶段；

kj：第j加工阶段里的机器数量；

o：在同一台机器里的加工顺序；

ertij：第i个工件在第j加工阶段的准备时间；

eptij第i个工件在第j加工阶段的上机加工时间；

eatij第i个工件在第j加工阶段的调整时间；

第i个工件在第j加工阶段的运输前等待时间；

第i个工件在第j加工阶段的加工前等待时间；

ttij第i个工件在第j加工阶段的运输时间；

ttj第j加工阶段的运输时间；

hptij第i个工件在第j加工阶段上加热炉的调整时间，即保温时间；

第i个工件在第j加工阶段加热炉允许的最小保温时间；

第i个工件在第j加工阶段加热炉允许的最大保温时间；

atij第i个工件在第j加工阶段机加设备的调整时间；

第i个工件在第j加工阶段的开始时间点；

第i个工件在第j加工阶段的开始运输时间点；

第i个工件在第j加工阶段的结束运输时间点；

第i个工件在第j加工阶段的开始上机时间点，即准备时间开始时间点；

第i个工件在第j加工阶段的上机加工结束时间点；

第i个工件在第j加工阶段的结束时间点；

ea所有设备的总能耗；

eerun机加设备的工作能耗；

eewait机加设备的待机能耗；

efrun加热炉设备能耗；

第j加工阶段里设备的开关机能耗

kj：第j加工阶段里的机器数量；

k：加工阶段里的机器编号；

btijk第i个工件在第j加工阶段上第k设备的间隔时间；

gtjk第j加工阶段中第k设备的等待平衡时间；

ehtjk第j加工阶段中第k设备的加热时间总和；

ektjk第j加工阶段中第k设备的保温时间总和；

eppj在第j加工阶段设备的工作功率(加热炉设备的加热功率)；

ewpj在第j加工阶段设备的待机功率；

ekpj在第j加工阶段设备的保温功率；

αij：是否采用“关闭/开启”方案参数；

βj：加热炉与机加设备识别参数；

ω：多目标权值参数；

ne：多目标归一化参数。