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可重构制造系统(RMS)是一类构形可变的新型制造系统,能够根据生产需求,快速改变系统构形,以经济的方式准确地提供所需的功能和产能。可重构物流系统(RMHS)是RMS的重要组成部分,必须具有快速改变构形的能力,以适应RMS的要求。基于多自动导引车系统(AGVS)的RMHS运作中的关键问题是:为系统选择怎样的布局和路径网络,以及如何调度搬运任务,以使得物流成本最小化,即设计与调度问题。RMHS的设计与调度问题是复杂的组合优化问题,而且在RMS环境下,需要考虑系统构形频繁变化、工作站重构等复杂多变的问题,对于这个问题尚缺乏系统化的、行之有效的求解理论与方法。
针对这一情况,在国家重点基础研究计划项目“复杂生产制造过程实时、智能控制与优化理论和方法研究”的资助下,围绕课题“生产制造系统重构过程的实时协调控制理论与方法研究”,本文展开基于AGVS的RMHS设计与调度方法的研究,提出了有效的设计方法和调度方法,本文主要研究内容如下:
1.提出同时考虑布局和路径网络的更加符合实际情况的RMHS设计模型。根据基于AGVS的RMHS的特点,综合考虑布局和路径网络对物流成本的影响,考虑系统工作站布局重构的成本,提出集成考虑布局和路径网络的RMHS设计模型。该模型的目标是最小化系统总物流成本,包括AGV的负载路程和空载路程产生的成本,以及工作站重构的成本；主要决策变量是工作站布局变量和路径方向变量；需要满足路径长度、路径方向、流量等约束条件。
2.提出改进类电磁机制算法的RMHS设计方法。类电磁机制算法是一种较新的启发式方法,具有较好的求解速度和求解质量。但是初始的类电磁机制算法针对连续系统问题,为了应用在离散系统中,需要进行离散化改进。变邻域搜索策略是较好的局部搜索策略,能系统地搜索各个邻域。针对RMHS的路径网络设计问题、布局设计问题以及集成设计问题,分别设计相应的改进类电磁机制算法。
1)提出改进类电磁机制算法的路径网络设计方法。针对RMHS的路径网络设计问题,进行类电磁机制算法的设计。对路径网络进行预处理,以降低计算量,提高解的可行性。在改进的类电磁机制算法中,粒子采用离散的二进制编码,其编码长度等于预处理后边的数量。在局部搜索中,采用变邻域搜索策略,为了降低计算量,只对当前最优粒子进行局部搜索。根据粒子的总物流路程来计算带电量。在移动过程中,粒子根据合力的排序概率移动。对局部搜索和移动过程中产生的不可行解,进行有限修正,以提高可行解的比例。为了验证所提出算法的效果,提出基于遗传算法的路径网络设计方法作为对比方法,采用分支定界方法作为优化方法。通过多个计算实例,与其他方法比较来验证所提出方法的有效性。
2)提出改进类电磁机制算法的布局设计与重构方法。针对RMHS的布局设计与重构问题,进行类电磁机制算法的设计。粒子采用按照排列顺序编码的方法,在局部搜索过程中,采用变邻域搜索策略,对所有粒子进行局部搜索。在移动过程中,根据合力的排序来确定粒子的移动。作为比较,提出基于遗传算法的布局设计与重构方法。在问题规模较小的时候,采用穷举法得到最优解。通过多个计算实例,与其他方法比较验证所提出方法的有效性。
3)提出改进类电磁机制算法的集成布局和路径网络设计方法。布局与路径网络是密切相关的两个方面,可以通过集成设计来扩大可行解的空间,获得比单独设计更优的解,从而可能明显降低总的物流成本。针对RMHS的集成设计问题,进行类电磁机制算法的设计。粒子采用二段编码的方法,对布局和路径网络分别编码。在局部搜索过程中,采用变邻域搜索策略,对布局和路径网络分层次搜索。在合力计算过程中,分别计算布局和路径网络的合力。在移动过程中,根据布局和路径网络的合力,分别移动。为了验证所提出方法的效果,采用分步设计方法作为对比方法,采用分支定界方法作为优化方法。设计多个计算实例,通过与其他方法的比较,验证集成设计方法的有效性。
3.提出避免死锁的多属性任务调度方法。任务调度是物流系统管理控制方面的重要问题。针对RMHS快速多变,需要较高成本经济效益的特点,提出避免死锁的多属性任务调度方法。为了综合系统多方面的影响,采用多属性的调度方法。选择距离、输入输出缓冲区状态作为调度的属性。根据系统的加工和搬运资源,确定各个属性的权值。为了确保系统无死锁,在多属性任务调度过程中,加入基于剩余容量的死锁避免策略。该方法能够综合考虑系统多方面因素的影响,确保系统无死锁运行。通过多个仿真实例,说明了死锁避免策略能确保系统无死锁,多属性调度方法优于几种常用的调度方法。
4.结合多agent和离散事件仿真技术,设计并实现了RMHS的任务调度仿真系统。针对RMHS任务调度的特点,采用多agent技术和离散事件仿真技术,对搬运任务的分配过程以及系统运行过程进行仿真。该仿真系统可以适应不同的任务调度方法,在仿真过程中记录系统的运行状态。通过设计与调度的综合仿真实例设计,验证了本文提出的设计方法和任务调度方法的有效性。