樹形結構生產系統的計算機控制方法

專利名稱：樹形結構生產系統的計算機控制方法
技術領域：
本發明涉及生產系統的加工設備生產速率的計算機控制，尤其是樹形結構生產系統(即 一個加工設備可以有多個前趨設備，但只有一個后繼設備)的計算機控制方法。
背景技術：
現有制造系統的生產控制研究，主要集中在單機、雙機，以及串行生產系統，而樹形結 構生產系統的研究較為少見。在實際生產中，樹形結構也是生產系統(尤其產品裝配系統) 常見的結構，由于該系統的復雜性，在采用安全點策略對其進行生產控制時，如何對其安 全點進行快速優化，是比較困難的問題。對于單機、雙機等比較簡單的生產系統，在采用 安全點策略進行生產控制時，可以通過數學模型獲得最優安全點的解析解，而對于其它更 復雜的生產系統，Akella等人在《IEEE Transactions on Automatic Control》(IEEE自動控 制雜志)，31(2)， 116-126， 1986上撰文"Optimal control of production rate in a failure prone manufacturing system (帶故障的制造系統生產率的最優控制)"，該文研究表明建立系統費 用的數學模型常常比較困難，最優安全點的解析解也難以獲得。

發明內容
本發明的目的是提供一種樹形生產系統的計算機控制方法，針對于復雜的樹形結構生產 系統，采用計算機仿真法求解系統的平均生產費用，再據此對安全點進行優化是一種可行 的解決方案。由于運用計算機仿真法求解系統平均費用的計算時間往往較長，因此在對系 統安全點進行優化時需要盡量地減少仿真次數，于是，根據樹形結構生產系統的特點，設 計了一種基于迭代學習的安全點優化方法，以減少優化時間。從而使產品的超產、欠產成 本達到最小化。
為實現上述目的，本發明方法技術方案如下 一種樹形結構生產系統的計算機控制方法， 其特征在于首先建立樹形結構生產系統模型，采用安全點策略對系統仿真器中各加工設 備生產速率進行控制，然后采用計算機仿真法求解系統的平均生產費用，在此基礎上通過 迭代學習器利用迭代學習方法對安全點進行優化得到最優安全點；由包括設有可編程控制
器PLC、工控機、基于RFID技術的數據采集終端系統和包括傳送機、加工設備在內的生 產監控器基于安全點策略對系統的生產進行控制，RFID數據采集終端對生產狀態進行實 時采集，較之傳統的條碼技術，RFID技術更加可靠、方便、信息讀取速度更快，并且電 子標簽具有存儲功能，可以向它寫入相應產品的實時數據狀態；PLC通過梯形圖編程，將 RFID終端設備采集到的數據以及其它附屬設備的實時狀態數據傳輸至工控機，同時，PLC 還通過開出模塊執行由工控機中運行的實時監控系統服務器程序發出的控制指令，完成包 括產品、零件的供應與運輸、傳送機的啟停、加工設備的運行操作；工控機運行數據采集 服務器程序、實時數據通信程序、生產調度服務器程序，實時監控服務器程序和終端用戶 操作界面程序，完成實時數據的采集、解釋、顯示以及生產調度和監控指令的運算。 具體按以下步驟
(1)由計算機進行迭代學習和實現安全點的優化1) 初始化安全點；
2) 調用系統仿真器中計算機仿真程序以獲取給定安全點的生產系統費用和各緩沖 區的特征量；
3) 如果從輸入緩沖區到輸出緩沖區的各路徑中存在某一零特征量，則擴大相應安 全點，調用計算機仿真程序以獲取給定安全點的各緩沖區的特征量，直至該零特征量為1;
4) 重復步驟2)和3)，直到所有緩沖區的特征量都為1;
5) 將各緩沖區的安全點減去其冗余量，調用計算機仿真程序以獲取給定安全點的 生產系統費用，從而得到各緩沖區都沒有缺貨時的最小庫存量；
6) 從輸出緩沖區到輸入緩沖區，學習器按兩分法逐一減小各緩沖區的安全點并由 仿真器中計算機仿真程序以獲取給定安全點的生產系統費用，從而以一定的缺貨損失換取 生產系統總費用的減小，直至生產系統總費用達到最小；
7) 輸出最優安全點到生產監控器；
(2)基于安全點策略對系統的生產進行控制
1) 生產監控器讀取生產系統狀態；
2) 如果某一設備的后置緩沖區中的零部件庫存量小于相應的最優安全點，該設備 無故障且其所有前置緩沖區中工件無缺貨，則該設備按其最大速率進行生產，轉步驟5);
3) 如果某一設備的后置緩沖區中的零部件庫存量等于相應的最優安全點，該設備 無故障且其所有前置緩沖區中工件無缺貨，則該設備按維持其后繼設備生產所需要的生產 速率進行生產，轉歩驟5);
4) 否則該設備不生產，轉歩驟5);
5) 對所有設備循環重復步驟l)至4)，直到生產結束。
求解系統平均費用的計算機仿真思想是在給定的安全點條件下，由計算機模擬系統 的需求，生產，設備的故障、修復等條件，隨著模擬生產時間的延長，系統的平均費用變 化將越來越緩慢；當在一定時間模擬時間間隔內，系統的平均生產費用變化小于某個閾值
時，認為該次仿真已經完成。所得到的系統平均生產費用即為給定安全點條件下的系統平 均生產費用。
基于迭代學習的由計算機進行安全點優化的基本思想是(1)由計算機得出各緩沖區
都沒有缺貨時的最小庫存量，以此作為進一步優化的基礎；(2)通過從輸出緩沖區到輸入 緩沖區，逐一減小各緩沖區的庫存量，從而以一定的缺貨損失換取系統總費用的減小。
由計算機實現的系統安全點策略結構為當加工設備的后置緩沖區零部件數量小于其 安全點時，使該加工設備以最大速率進行生產；當加工設備的后置緩沖區零部件數量等于 其安全點時，使該加工設備以與后續設備相同的速率進行生產；當加工設備的后置緩沖區 零部件數量大于其安全點時，使該加工設備暫停生產。
本發明的優點及有益效果本發明解決了樹形結構生產系統的計算機優化控制問題， 使產品的超產、欠產成本達到最小化；給出了求解樹形結構生產系統費用的計算機仿真法 和最優安全點的快速獲取方法；大量計算機仿真實驗表明，基于該優化控制方法的樹形生 產系統在其生產費用方面節約顯著。


圖1是樹形結構生產系統示意圖2是樹型結構生產系統控制框架圖3生產監控器體系結構圖4是基于安全點策略的計算機生產控制流程圖5是由計算機實現的基于迭代學習的安全點優化過程示意圖。
具體實施例方式
本發明解決其技術問題所采用的技術方案和具體實施方式
如下 1、樹形結構生產系統
本發明涉及的樹形結構生產系統(見圖1)，由p個易于發生故障的設備組成，設備M, 發生故障間隔時間以及修復時間都服從一定的概率分布。當設備M,無故障時可以進行工 件加工，加工的最大速率為r二， <ax〉0;當設備M,處于故障狀態時，則其不能進行任何 工件加工，當設備M,的故障被修復完成時，其又可以進行工件加工工作。成品的需求為 均勻的泊松流，泊松分布的參數恒定為^。設備Mi的狀態用A(Oe(0"表示，當設備處 于無故障狀態時^々)=1，當設備處于有故障狀態時&(0=0。
一個設備可以有多個前趨設備，但最多只有一個后繼設備，在一個設備的多個前趨中， 不同前趨設備的輸出零部件種類都是不同的； 一個設備可以有多個前置緩沖區，但最多只 有一個后置緩沖區，在一個設備的多個前置緩沖區中，不同前置緩沖區中的零部件種類都 是不同的(具有多種零部件的前置緩沖區看成多個緩沖區)。
由于每個加工設備最多只有一個后置緩沖區，因此可以將每個加工設備與其后置緩沖 區的編號對應起來，即加工設備M,的后置緩沖區為i ,。如果某一緩沖區不是任何加工設 備的后置緩沖區，則稱其為輸入緩沖區。如果某一緩沖區不是任何設備的前置緩沖區，則 稱其為輸出緩沖區。
本發明的樹型結構生產系統控制框架如圖2所示，其由樹型結構生產系統仿真器、迭 代學習器、生產監控器及生產系統組成。迭代學習器和系統仿真器的進行信息交互，通過 迭代學習得到生產系統費用最小的最優安全點，并將最優安全點信息傳遞給生產監控器。 由監控器結構3可知，該監控器是由可編程控制器(PLC)、工控機、基于RFID技術 的數據采集終端設備通過網絡通訊(TCP/IP)和工業現場總線連接組成，PLC與工控機通 過雙冗余網絡通訊(TCP/IP)方式連接，其中讀寫器讀取的數據經通訊模塊通過工業現場 總線(PROFIBUS)傳輸至可編程控制器(PLC)，然后由PLC將采集到的數據通過網絡 總線(TCP/IP)送至工控機，部分讀寫器的數據也可以通過串口通訊的方式(RS232/RS422) 將采集到的數據直接送至工控機或PLC，具體通訊方式視現場布線情況而定。智能采集設 備通過串口通訊(RS422 )方式將采集的數據直接送至PLC，然后由PLC送至工控機，RFID 數據采集終端主要負責樹形結構生產系統生產數據的實時采集，諸如加工零件種類、數量 等生產現場數據可存儲在移動數據存儲裝置(RFID的電子標簽)，通過讀寫器進行實時讀寫 產品或零件數據，能夠實現信息流的無縫連接和高效傳送。PLC通過梯形圖編程，將RFID 終端設備采集到的數據以及其它輔助設備的實時數據傳輸至工控機；同時，PLC還能通過 開出模塊執行由工控機中運行的實時監控系統服務器程序發出的控制指令，完成諸如產品或零件的供應與運輸、傳送機構的起停、加工設備的運行等操作。工控機主要負責運行數 據采集服務器程序、實時數據通信程序、生產調度服務器程序、實時監控服務器程序和終 端用戶操作界面程序，完成實時數據的采集、解釋、顯示以及生產調度和監控指令的運算。 監控器讀取生產系統的實時狀態信息，采用安全點策略生成控制指令，然后把控制指 令傳送給PLC的CPU模塊，由PLC的CPU模塊進行解釋并轉換成具體的執行指令，再 通過PLC的開出模塊下達給樹型制造系統的相關設備，以達到對系統的生產速率進行控 制的目的。
2、安全點的優化
2.1生產系統費用函數的計算機仿真解法
由于生產系統的費用是由各緩沖區的庫存費及輸出緩沖區的缺貨費所組成的，對于多 機的樹形隨機生產系統，要精確寫出費用函數,(x,"(其中x是由p個后置緩沖區的零 部件庫存量構成的向量，^是由所有輸出緩沖區的缺貨量構成的向量)的解析表達式是非 常困難的。計算機仿真是解決這類復雜問題的一個重要方法。對一給定的安全點
z = (z,由于生產系統的運行過程為有限狀態空間的馬爾可夫過程，隨著時間r
的增加，生產系統費用函數,(x,s)將收斂到某一定值。因此，可以采用計算機仿真法對
70,"進行求解。
輸入安全點2 = (^，22，...,、)，調用計算機仿真程序，首先對運行時間7^A:r，獲取生 產系統費用函數刀(jc,"(A:r)，再對運行時間r二2Ar，獲取jz(A:,"(2Ar)，逐次增加運行
時間r，當n」r時，獲取^(;c,s)(/zir)，若
射
,(jc,s)(/zir)
d=l,...，g， s為閾值，g為步數，此時，尸Oc，s)(/zir)可以近似替代尸(x,s)，即當
安全點為z = o, ，z2，...,、)時， ^(u)("r)。 對給定的安全點z = o, ，z2，...，~)， 生產系統連續運行時間r^"r，稱為生產系統穩定。當生產系統穩定時，設備M,生產 的零部件數量與生產系統連續運行時間:r的比值，稱為設備M,.的平均生產速率。
2.2由計算機實現的基于迭代學習的安全點優化過程
設M,+,為加工設備M,的后繼設備，在給定安全點2 = (21,22,...,、)下，系統穩定后，
緩沖區s,零部件數目大于+1)的時間，稱為7;b 。若系統的總運行時間為r ，稱g,
為緩沖區A的特征量。由于特征量g,具有一定模糊性，為了對系統的緩沖區進行精確分 類，采用下面規則，對空間7={& |g, e
}進行聚類，將空間F聚類為空間r、 "|ge{0，l}}。設《為區間[o，i]內的閾值，聚類規則如下如果g, 2《，則令？,=1， 否則令^,=0。
結論(l):設S,為樹形結構生產系統中的某一緩沖區，當A的安全點為z,時，設備Mj的平均生產速率為^， A的安全點為A'時，設備M,的平均生產速率為v;，若z,'2z,，則 《々TV當緩沖區S,，以及其前面各緩沖區安全點的值足夠大，必有緩沖區A特征量g = 1。
根據結論(1)可以由計算機得出使緩沖區A特征量g為l的過程l如下 過程1由計算機實現的特征量取l
步驟i初始化安全點？ = (2;,^ ，...,&)。
步驟2調用計算機仿真程序以獲取給定安全點？的各緩沖區的特征量l， 7 = 1,...^。 步驟3若緩沖區A的特征量菱,=0，緩沖區S,，以及其前面所有f類緩沖區為
"={《，...,《,...,《}， /Z = l，...,;9，則通過置^=/^， 〃>1，增加緩沖區《的安全
點，；j-i,...，p，得到新安全點？^n...,^)，執行步驟2;若緩沖區s,的特征
量^,=1，輸出安全點？，退出。
結論(2):在給定安全點2 = (^,22,...,、)下，系統穩定后若菱,=0，貝U，令？二Z，
執行過程1后，必有菱,.=1;若g =0，則增加緩沖區^以后的某一緩沖區A的安全點，g =0
不變；若妄,=0， A為緩沖區萬,以后的任一緩沖區，則^-0;若^=1， A為緩沖區S,以
前的任一緩沖區，則&=1。
設在給定安全點2 = (21,、)下，系統穩定后，緩沖區3,的特征量為菱,=1， B,的
b b
零部件數目大于;;,的時間為^(7,)，系統的總運行時間為r，若^^,; ， +
則稱7,為緩沖區A的冗余量。設系統共有^個輸入緩沖區，因此共有^條從輸入緩沖區
到輸出緩沖區的連通路徑。
根據結論(2)和樹形結構的特點，設計出下面適用于樹形結構生產控制的由計算機 實現的基于迭代學習的安全點優化過程(見圖5):
過程2由計算機實現的基于迭代學習的安全點優化 步驟1初始化安全點^ ^"),《),…,^)，和"二0。
步驟2調用仿真器中計算機仿真程序以獲取給定安全點zW的生產系統費用^'"'(x,s)以 及各緩沖區的特征量菱,，！'-l，...,p。
步驟3從輸入緩沖區到輸出緩沖區的各路徑中，如果菱,(1)=0，則置？ = 2(")，執行過程l，
重置2(") = 。
步驟4重復步驟2和3，直到所有緩沖區的特征量都為g-l， / = 1,...,^。
步驟5將各緩沖區的安全點減去其冗余量^+、(z"-T7i,^-"2,…,々-T7》，置
"=n + l ，調用計算機仿真程序以獲取給定安全點^")的生產系統費用,"'(x,s)。 步驟6置5二a， A = l，禾口6>,=0， i = l,...,p。 步驟7置,=^)。步驟8若~=0，則執行步驟9;若^=1， A<^，且^不為輸入緩沖區，則在第Jt條 從輸入緩沖區到輸出緩沖區的連通路徑中尋找緩沖區^^鄰近的前面緩沖區Sp，置 ;/ = /0，執行步驟8;若 =1， 且^為輸入緩沖區，貝1" = & + 1，執行步
驟7;若&=1， A: = ^，且S^為輸入緩沖區，則輸出ZW，結束。
步驟9臨時變量《=0。
步驟10置2("+1) = 2(")，= round((《)+<)/2)和"="+ l ，調用計算機仿真程序以獲取
給定安全點z(n)的生產系統費用(x，"，若J產> (u)，則置《=《"> ，
和《)"Jr1)，執行步驟10;若J產(A:，"S"("-"(;c,;y)，且,("—"(a:,力-J產(x,5)〈《， 則 =1，執行步驟7，否則，執行步驟IO。
該安全點優化過程共分兩部分。步驟1一5為第一部分，其目的是得出各緩沖區都沒 有缺貨時的最小庫存量，以此作為進一步優化的基礎。步驟6 — 10為第二部分，其目的是 通過從輸出緩沖區到輸入緩沖區，逐一減小各緩沖區的庫存量，從而以一定的缺貨損失換 取系統總費用的減小。
3、生產控制策略
系統中的所有加工設備都采用安全點策略進行生產控制，由生產監控器實現。例如 對于加工設備M,，其生產速率為w,(/)，前置緩沖區狀態用w,(/)e(0,U表示，即當前置緩 沖區工件沒有缺貨時，令^,(0=1，前置緩沖區工件缺貨時，令 ,(,)=0。設設備M,為設
備M-的前趨設備，"(o為維持設備M,后繼生產需要的生產速率，即< = "aw"^)，
設x,(,)為緩沖區5,的零部件庫存量，z,'為過程2所優化得到的緩沖區S,的安全點值，則設 備M,的計算機控制策略結構(該結構框圖見圖4)為
本發明是國家高技術研究發展計劃現代制造集成技術專題資助項目(2007AA04Z112)，國 家自然科學基金資助項目(60574062， 50475075， 50505006)和高等學校博士學科點專項科 研基金資助項目(20040286012)的共同成果。
<formula>formula see original document page 8</formula>
其它
權利要求
1、一種樹形結構生產系統的計算機控制方法，其特征在于首先建立樹形結構生產系統模型，采用安全點策略對系統仿真器中各加工設備生產速率進行控制，然后采用計算機仿真法求解系統的平均生產費用，在此基礎上通過迭代學習器利用迭代學習方法對安全點進行優化得到最優安全點；由包括設有可編程控制器PLC、工控機、基于RFID技術的數據采集終端系統和包括傳送機、加工設備在內的生產監控器基于安全點策略對系統的生產進行控制，RFID數據采集終端對生產狀態進行實時采集，PLC通過梯形圖編程，將RFID終端設備采集到的數據以及其它附屬設備的實時狀態數據傳輸至工控機，同時，PLC還通過開出模塊執行由工控機中運行的實時監控系統服務器程序發出的控制指令，完成包括產品、零件的供應與運輸、傳送機的啟停、加工設備的生產速率控制；工控機運行數據采集服務器程序、實時數據通信程序、生產調度服務器程序，實時監控服務器程序和終端用戶操作界面程序，完成實時數據的采集、解釋、顯示以及生產調度和監控指令的運算。
2、 根據權利要求1所述的樹形結構生產系統的計算機優化控制方法，其特征在于按以下步驟(1) 由計算機進行迭代學習和實現安全點的優化1) 初始化安全點；2) 調用系統仿真器中計算機仿真程序以獲取給定安全點的生產系統費用和各緩沖區 的特征量；3) 如果從輸入緩沖區到輸出緩沖區的各路徑中存在某一零特征量，則擴大相應安全 點，調用計算機仿真程序以獲取給定安全點的各緩沖區的特征量，直至該零特征量為l;4) 重復步驟2)和3)，直到所有緩沖區的特征量都為1;5) 將各緩沖區的安全點減去其冗余量，調用計算機仿真程序以獲取給定安全點的生 產系統費用，從而得到各緩沖區都沒有缺貨時的最小庫存量；6) 從輸出緩沖區到輸入緩沖區，學習器按兩分法逐一減小各緩沖區的安全點并由仿 真器中計算機仿真程序以獲取給定安全點的生產系統費用，從而以一定的缺貨損失換取生 產系統總費用的減小，直至生產系統總費用達到最小；7) 輸出最優安全點到生產監控器；(2) 基于安全點策略對系統的生產進行控制1) 生產監控器讀取生產系統狀態；2) 如果某一設備的后置緩沖區中的零部件庫存量小于相應的最優安全點，該設備無 故障且其所有前置緩沖區中工件無缺貨，則該設備按其最大速率進行生產，轉歩驟5);3) 如果某一設備的后置緩沖區中的零部件庫存量等于相應的最優安全點，該設備無 故障且其所有前置緩沖區中工件無缺貨，則該設備按維持其后繼設備生產所需要的生產速 率進行生產，轉步驟5);4) 否則該設備不生產，轉歩驟5);5) 對所有設備循環重復步驟l)至4)，直到生產結束。
全文摘要
一種樹形結構生產系統的計算機控制方法，其特征在于首先建立樹形結構生產系統模型，采用安全點策略對系統仿真器中各加工設備生產速率進行控制，然后采用計算機仿真法求解系統的平均生產費用，在此基礎上通過迭代學習器利用迭代學習方法對安全點進行優化得到最優安全點；由包括設有可編程控制器PLC、工控機、基于RFID技術的數據采集終端系統和包括傳送機、加工設備在內的生產監控器基于安全點策略對系統的生產進行控制。
文檔編號G05B19/418GK101320260SQ200810022638
公開日2008年12月10日 申請日期2008年7月18日 優先權日2008年7月18日
發明者嚴洪森, 施文武, 楊宏兵, 崢 汪 申請人:東南大學