智能製造關鍵使能技術——動態HOLONIC製造系統建模技術、重構方法及優化理論

趙付青，教授，工學博士/博士後。主要研究領域為先進製造系統的基礎理論，重點研究方向為敏捷製造系統實現方法及重構技術，計算智能理論及其在先進製造系統中的應用等。2008年6月至2009年6月受教育部“出國留學基金”的資助赴英國Exeter大學製造企業研究中心訪問學習一年，2014年1月至2015年1月受留學基金委“青年骨乾教師計劃”的資助赴美國喬治亞理工學院製造研究中心訪問學習一年。__eol__主持完成國家自然科學基金項目，國家自然科學基金國際合作項目，中國博士後科學基金（特別資助、一等資助、二等資助）項目，甘肅省自然科學基金項目，甘肅省碩士研究生導師基金項目，甘肅省人事廳留學回國基金項目，2013年隴原青年人才扶持計劃項目等各1項；完成或參與國家級、省部級項目13項。獲得甘肅省科技進步獎三等獎，蘭州市科技進步獎二等獎，甘肅省科技創新活動優秀獎，高校科技進步獎二等獎等共10項；還曾獲得甘肅省高等學校青年教師成才獎，蘭州理工大學“十一五”“十二五”科技先進個人，青年教師講課競賽三等獎，教學優秀獎等。近5年，發表學術論文49篇，其中SCI收錄 16篇、EI收錄 26篇，被引用69次。目前，擔任ESWA、COR、IJPR、IJAMT、IJCIM等製造領域國際核心期刊的審稿人；出版專著1部，主編教材5部。

第1 章 緒論 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1
1.1 引言 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1
1.2 HMS 研究現狀 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 4
1.3 HMS 調度系統 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 6
1.4 課題研究意義 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 8
1.4.1 問題的提出 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 8
1.4.2 研究內容 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 9
1.4.3 研究意義 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 11
1.5 擬解決的關鍵科學問題與方法 ???????????????????????????????????????????????????????????? 12
1.5.1 關鍵科學問題 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 12
1.5.2 研究方案 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 13
1.5.3 可行性分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 17
第2 章 動態Holonic 製造系統建模及重構方法 ?????????????????????????????????????????????? 19
2.1 基於DHMS 參考模型的車間內部工作流程建模技術 ???????????????????????? 19
2.1.1 產品Holon（PH） ???????????????????????????????????????????????????????????????????? 21
2.1.2 任務Holon（TH） ???????????????????????????????????????????????????????????????????? 21
2.1.3 運行Holon（OH） ??????????????????????????????????????????????????????????????????? 22
2.1.4 在線監控Holon（SH） ???????????????????????????????????????????????????????????? 23
2.2 Holon 之間的交互 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 24
2.2.1 企業全局的多Holon 系統交互????????????????????????????????????????????????? 24
2.2.2 成員企業局部的多Holon 系統交互 ????????????????????????????????????????? 25
2.3 Holonic 製造系統參考體系結構研究 ?????????????????????????????????????????????????? 26
2.3.1 Holonic 製造系統的參考體系結構 ??????????????????????????????????????????? 26
2.3.2 Holonic 製造系統的控制策略 ??????????????????????????????????????????????????? 29
2.4 DHVE 參考模型的映射 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????? 33
2.4.1 物理層 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 34
2.4.2 實現層 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 35
2.4.3 應用層 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 37
2.5 基本Holon 的建模 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 38
2.5.1 基本Holon 的結構及工作原理????????????????????????????????????????????????? 39
2.5.2 基於Agent 的基本Holon 模型 ????????????????????????????????????????????????? 40
2.6 DHMS 系統的分佈式決策過程及實現研究 ???????????????????????????????????????? 46
2.6.1 DHMS 系統中任務的分佈式決策過程 ???????????????????????????????????? 47
2.6.2 訂單/任務單元模型 ??????????????????????????????????????????????????????????????????? 47
2.6.3 單元Holon 向DHMS 系統的映射 ??????????????????????????????????????????? 50
2.6.4 Holon/Agent 協調算法 ?????????????????????????????????????????????????????????????? 53
2.6.5 遞階式的投標和重配置 ???????????????????????????????????????????????????????????? 58
2.7 重構選項的識別、模擬及評估 ???????????????????????????????????????????????????????????? 64
2.7.1 通用配置的識別 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????? 64
2.7.2 離散事件的模擬及評估 ???????????????????????????????????????????????????????????? 66
2.7.3 系統層次結構 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 67
2.8 車間調度系統的實現 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 68
2.9 小結 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 72
第3 章 混合流水車間調度模型及其模擬計算方法 ????????????????????????????????????????? 74
3.1 並行機調度模型 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 76
3.1.1 基本定義 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 76
3.1.2 模型描述 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 77
3.1.3 模型假設條件 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 78
3.2 模型穩定性證明 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 78
3.3 帶緩沖區的混合流水車間模型及其性能分析 ????????????????????????????????????? 81
3.3.1 帶有多個緩沖區的單級並行加工系統 ????????????????????????????????????? 81
3.3.2 帶有一個緩沖區的單級並行加工系統 ????????????????????????????????????? 82
3.3.3 數值分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 84
3.3.4 模型性能分析 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 84
3.3.5 模擬實驗及結果分析 ???????????????????????????????????????????????????????????????? 88
3.4 可修混合排隊調度模型及其性能分析 ???????????????????????????????????????????????? 91
3.4.1 混合排隊調度模型 ???????????????????????????????????????????????????????????????????? 91
3.4.2 數值模擬及分析 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????? 96
3.5 小結 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 99
第4 章 典型Job Shop 調度問題求解方法 ???????????????????????????????????????????????????? 100
4.1 Job Shop 調度問題 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 101
4.1.1 問題描述 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 101
4.1.2 Job Shop 調度數學模型 ?????????????????????????????????????????????????????????? 101
4.2 JSP 問題求解算法 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 102
4.2.1 SCE 算法 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 102
4.2.2 改進的SCE 算法 ???????????????????????????????????????????????????????????????????? 105
4.2.3 馬爾可夫模型及收斂性分析 ?????????????????????????????????????????????????? 107
4.2.4 實驗模擬與結果 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????? 110
4.3 基於改進SCE 算法的Job Shop 調度問題 ???????????????????????????????????????? 113
4.3.1 編碼機制 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 113
4.3.2 解碼機制 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 114
4.3.3 適應度函數 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 115
4.3.4 SCE 算法參數分析 ?????????????????????????????????????????????????????????????????? 115
4.3.5 基於改進SCE 算法的Job Shop 調度算法 ????????????????????????????? 116
4.4 算法復雜度分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 117
4.5 實驗模擬與結果分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 118
4.6 小結 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 121
第5 章 置換Flow Shop 調度算法 ?????????????????????????????????????????????????????????????????? 122
5.1 置換Flow Shop 調度問題 ?????????????????????????????????????????????????????????????????? 122
5.1.1 問題描述 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 122
5.1.2 數學模型 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 123
5.2 基於SCE 算法的置換Flow Shop 調度算法 ?????????????????????????????????????? 123
5.2.1 編碼策略 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 123
5.2.2 映射策略 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 124
5.2.3 適應度函數 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 124
5.2.4 算法復雜度分析 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????? 125
5.3 實驗模擬與結果 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 125
5.4 小結 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 130
第6 章 動態預測調度模型求解方法 ??????????????????????????????????????????????????????????????? 131
6.1 預測調度模型 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 131
6.2 預測調度方法 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 132
6.3 預測模型和Scatter Search 算法 ????????????????????????????????????????????????????????? 132
6.3.1 預測模型 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 132
6.3.2 Scatter Search 算法 ?????????????????????????????????????????????????????????????????? 133
6.4 實驗和模擬 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 138
6.4.1 實驗相關參數 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 138
6.4.2 預測結果 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 139
6.5 小結 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 140
第7 章 結論 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 141
7.1 研究總結 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 141
7.2 研究展望 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 143
參考文獻 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 144
附錄A 發表的學術論文目錄 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 152