網(wǎng)絡(luò)化制造環(huán)境下以人為中心的制造執(zhí)行系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、制造執(zhí)行系統(tǒng)是面向制造過程的新型車間生產(chǎn)管理與控制信息系統(tǒng)，強調(diào)了以時間為關(guān)鍵的現(xiàn)代制造思想，填補了計劃管理層與控制層之間的信息斷層，是實現(xiàn)企業(yè)全面信息集成的關(guān)鍵，也是實施敏捷制造的重要基礎(chǔ)。目前，對制造執(zhí)行系統(tǒng)的研究和開發(fā)更多關(guān)注的是生產(chǎn)管理與控制的自動化和制造過程的自動化，阻礙了在生產(chǎn)過程復(fù)雜、人員密集、自動化程度低的離散制造業(yè)中的應(yīng)用。針對這一問題，本文在分析和總結(jié)制造執(zhí)行系統(tǒng)的功能、特點、發(fā)展歷程、研究現(xiàn)狀和制造系統(tǒng)發(fā)展趨勢的基

2、礎(chǔ)上，結(jié)合“以人為中心的生產(chǎn)”的思想和國家自然科學(xué)基金資助項目“人機協(xié)同的車間數(shù)字化制造模式研究”的立項方案，提出了以人為中心的制造執(zhí)行系統(tǒng)(HcMES)的概念，研究了關(guān)鍵技術(shù)，對適合我國國情的制造執(zhí)行系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行了有益的探討。 論文分析了網(wǎng)絡(luò)化制造環(huán)境下，離散制造業(yè)車間生產(chǎn)管理與控制系統(tǒng)的需求和面臨的挑戰(zhàn)，闡述了HcMES的思想、內(nèi)涵和功能，給出了定義，建立了功能模型。針對敏捷制造對生產(chǎn)控制結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)、可重用和可伸縮要求，在

3、詳細(xì)分析和總結(jié)車間控制結(jié)構(gòu)和制造資源組織形式的基礎(chǔ)上，提出了面向訂單的虛擬制造單元和由車間層、虛擬單元層、資源層組成的三層混合控制結(jié)構(gòu)。 論文探討了基于多Agent的HcMES軟件開發(fā)技術(shù)，給出了Agent的通用結(jié)構(gòu)、HcMES的多Agent功能模型和混合控制結(jié)構(gòu)的多Agent層次結(jié)構(gòu)，描述了主要Agent的功能、交互行為和行為內(nèi)容；針對設(shè)備單一Agent建模所帶來的網(wǎng)絡(luò)通信量過大、響應(yīng)速度慢的問題，在功能分解的基礎(chǔ)上，提出由設(shè)

4、備任務(wù)Agent和設(shè)備監(jiān)控Agent組成的設(shè)備雙代理機制；為了縮小Agent的交互范圍，提高響應(yīng)速度，提出基于可用資源集的虛擬單元組織結(jié)構(gòu)；在綜合分析Agent之間各種通信方式優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，對HcMES的不同層次設(shè)計了不同的通信策略；根據(jù)HcMES中多Agent的應(yīng)用要求和KQML語言與XML技術(shù)的特點，給出了由KQML保留述行語和車間制造擴展述行語組成的外部語言、基于XML的車間制造標(biāo)記語言的內(nèi)部語言和基于XML文檔類型/模式的本體

5、組成的通信消息格式和通信模型。探討了HcMES中Agent的組織管理機制和軟件體系結(jié)構(gòu)，給出了層次化軟件結(jié)構(gòu)模型。 論文對HcMES生產(chǎn)調(diào)度問題進(jìn)行了形式化描述，在分析人機協(xié)同調(diào)度的思想和方式、JIT生產(chǎn)方式下人工調(diào)度的一般過程、HcMES調(diào)度問題的多目標(biāo)優(yōu)化特征的基礎(chǔ)上，給出了基于虛擬單元的任務(wù)級、基于設(shè)備任務(wù)Agent招投標(biāo)的設(shè)備級和基于遺傳算法的車間級的三級人機協(xié)同優(yōu)化調(diào)度結(jié)構(gòu)；提出了以柔性工藝路線為基礎(chǔ)的正、反向招投標(biāo)調(diào)

6、度機制和人機協(xié)同方法，即充分利用了Agent的自主性，同時避免了工序關(guān)系的割裂和復(fù)雜的沖突消解過程；詳細(xì)描述了基于合同網(wǎng)協(xié)議的招投標(biāo)調(diào)度過程和方法，通過評標(biāo)指標(biāo)的構(gòu)成因子及參數(shù)調(diào)整，綜合考慮了加工時間、加工成本、設(shè)備利用率和物流時間；利用混合控制結(jié)構(gòu)和虛擬單元結(jié)構(gòu)，提出了擾動發(fā)生時的人機協(xié)同動態(tài)調(diào)度策略和方法，分析了幾種典型擾動事件，給出了具體調(diào)度方法。 利用遺傳算法的領(lǐng)域無關(guān)特性和運算步驟的獨立性，論文將遺傳算法和Agent的

7、招投標(biāo)機制結(jié)合起來，提出了全局優(yōu)化調(diào)度的任務(wù)投放順序遺傳優(yōu)化算法，實現(xiàn)了基于遺傳算法的集中式調(diào)度與基于多Agent的分布式調(diào)度的優(yōu)勢互補，給出了基于調(diào)度順序的染色體編碼方式、初始種群的產(chǎn)生方法、基于訂單優(yōu)先級的最大化適應(yīng)度函數(shù)、個體評價方法和算法流程，采用單親移位算子避免了遺傳過程中非法個體的產(chǎn)生，通過算例驗證了所提方法的有效性。 論文探討了支持HcMES的生產(chǎn)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)，給出了基于無線局域網(wǎng)和移動通信技術(shù)的生產(chǎn)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)

8、信息化結(jié)構(gòu)。針對無聯(lián)網(wǎng)和/或數(shù)據(jù)采集能力的設(shè)備，采用人機協(xié)同制造的思想，提出了以人為中心的虛擬自動化的概念，給出了定義、結(jié)構(gòu)模型和與HcMES信息交互關(guān)系；通過對操作員人機接口Agent的功能和需求分析，從推、拉技術(shù)相結(jié)合的信息傳遞方式和任務(wù)導(dǎo)向的智能用戶幫助技術(shù)兩個方面，給出了人機接口Agent設(shè)計問題的具體解決方案。 最后，論文以CIMS研究所實驗車間為背景，在國家“九五”攻關(guān)項目的基礎(chǔ)上，采用分布式對象技術(shù)和Windows