一種基于動態看板的模具生產過程自適應控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于動態看板的模具生產過程自適應控制方法，包括建立基于動態看板的推式負荷均衡化控制機制、建立基于動態看板的拉式作業分派與協同機制、建立綜合工藝規劃的投放任務選擇模型、柔性工序交貨期動態計算、仿真驅動的耦合控制參數優化和建立規則導向的受擾響應序列生成器。本發明能夠突破推拉混合式控制方法在高度可變與復雜生產環境中的應用局限性，豐富了現有非重復性制造過程的生產控制系統理論，通過提高生產控制自動化水平來加快模具企業向高精模具制造轉型升級，提升我國模具行業的整體服務水平和國際競爭力，還能夠為其它單件小批量制造企業的復雜生產控制問題提供值得借鑒的解決思路與解決方法，具有廣泛的工程應用前景。
【專利說明】
一種基于動態看板的模具生產過程自適應控制方法
技術領域
[0001]本發明屬于工業生產過程控制系統的技術領域，具體涉及一種基于動態看板的模具生產過程自適應控制方法。
【背景技術】
[0002]采用工程訂貨型(Engineering-to-order，ΕΤ0)單件小批生產方式的模具企業是一類典型的非重復性制造系統。過去十年來，隨著汽車、家電、通訊和包裝等產業的跨越式發展，也極大的帶動了處于上游的模具行業。但總體來看，國內模具產品目前大多集中在技術水平偏低的中低檔領域，高端精密模具仍然較依賴日韓西歐等國家。在市場飽和與人力成本攀升等國內制造業大環境的作用下，中低端模具的附加值已經越來越低，同時還遭遇到來自東南亞及東歐等國家日漸明顯的價格優勢的競爭壓力。因此，發展高精模具是我國模具企業實現轉型升級的必然選擇，而人們對模具成型產品品質的不斷追求也為此提供了巨大契機，許多有實力有遠見的模具企業已經走在了發展前列。高精模具更具個性化和技術復雜性的特點必將帶來制造系統的更高復雜度，而針對此類復雜非重復性制造系統如何進行生產過程控制，以確保其優態高效運行，也就成為業界和學界關心的熱點問題。
[0003]就外部環境來說，高精模具的市場需求波動大，模具訂單隨機到達企業，基本都是單件定制，不同模具在產品結構、工藝與資源需求、交期等方面差異明顯，技術難度普遍較高且生產周期往往較長，由客戶發起的交期變更、技術方案變更，甚至是訂單暫停或取消時有發生。就內部環境來說，適應高精模具發展需要的制造系統的復雜度主要體現在三個方面:
1、全面化與智能化的資源配置帶來的生產過程的高度柔性:為了滿足高精模具的個性化加工需求，企業往往需要盡量全面的為其配置各類加工資源，這使得高精模具的多數零件不僅可以使用多種不同類型的資源加工完成，而且每類資源又存在多個不同加工能力的工作中心，每個工作中心又有多臺同等加工能力的機器可供選擇。因而，高精模具生產過程具有高度的工藝路線柔性。
[0004]2、多層級產品結構與多樣化附屬工裝帶來的生產進度協同困難性:高精模具通常具有復雜的零部件裝配關系，零件需要按照裝配物料齊套需求分先后順序送達裝配單元，但由于關聯零件之間工藝路線與加工工時差異較大，加之生產環節存在多套模具同時共享加工資源，致使滿足此種漸增式物料需求的零件生產進度協同具有相當的困難性;此外，高精模具制造過程往往需要大量借助各種硬/軟工裝，如典型的包括電極和NC程序，它們是零件開始加工的前置條件，此種情況下不能假定它們總是能夠在零件開始時已經準備就緒，其完成進度需要與零件的生產進度進行動態協同。
[0005]3、差異化技術要求與經驗依賴性工藝實現帶來的高度不確定性:零件工時無法提前準確預知，只能憑借以往實踐經驗給出一個初步的估計范圍，而且上一工序的加工效果將影響下一工序的操作參數造成加工工時不確定，所以只有隨著生產的不斷推進，對工時期量的估計才會變得準確;質量事故導致的返工/返修零件比例大為提高;零件制造復雜性也在很大程度上增加了各類設備的故障率;所需的原材料品種繁多，出現物料不能及時到位或原材料質量問題的概率大為增加;設計變更和工藝參數變更極為頻繁等。
[0006]相比中低檔模具，高精模具制造系統的內外部環境具有更高的復雜度和不確定性，因而其生產過程控制系統需要具備更高的環境適應性，主要體現在:①需要提高昂貴制造資源的利用率。企業為各類加工設備付出了高昂的購置及維護成本，在高度工藝柔性和不確定環境下如何最大化發揮資源的生產能力，將是生產控制面臨的重要問題;②需要有效控制車間現場在制品水平。控制現場在制品(Work-1n-Process，WIP)能夠最小化車間層生產時間，簡化車間運作管理，加快對需求變化的響應速度。但如何確定最佳WIP控制目標，將是生產控制面臨的另一個重要問題;③需要對零件生產/工裝準備進度進行動態協同，以最小化關聯零件/工序之間的相互等待時間。零件間的無謂等待是導致模具準時交貨率偏低的重要原因，滿足裝配物料漸增式齊套需求，在不確定生產環境下進行有效的進度協同，將極大的影響生產控制的績效。④需要對生產負荷進行動態均衡，降低漂移瓶頸的擁堵程度。瓶頸的產出率決定了整個制造系統的生產效率，在瓶頸具有較強漂移性的環境下進行有效動態負荷均衡，將極大影響系統產出率。⑤需要及時響應生產過程中出現的眾多隨機干擾，以最大程度維持系統的穩態運行。
[0007]目前國內外針對制造系統的適應性研究主要分為三類:一是從系統控制結構角度實現制造系統的適應性與進化，如基于多Agent的控制結構，此類方法更多考慮通過結構單元的自我組織與學習以及結構單元之間的信息協調適應環境變化，本質上并未提供可變環境生產控制的系統行為與優化機制；二是基于系統狀態或性能特征的量化分析，建立適應的調度策略實現制造系統的穩健性，如針對各種環境建立的動態調度方法、預-反應式重調度方法。該方面已有大量研究，但它們難于考慮制造系統的全局信息或狀態，更多側重于較小范圍的局部控制；三是通過合理設計生產控制模式保證制造系統的穩健性，如CONWIP系統和Kanban系統。
[0008]隨著制造過程復雜性的不斷增加，將推式和拉式方法進行創新性結合，設計針對更復雜環境的生產控制模式是制造系統研究領域的重要方向。推拉混合方法(HybridpUSh/pUll，HPP)的發展由來正是試圖讓單純推式方法和單純拉式方法能互相彌補。為了應對各種生產環境，學界和業界已經發展出了諸多HPP方法。從混合方式來看，HPP方法包括橫向混合與縱向混合:前者是指制造系統中一些工作站采取計劃推動，而另一些則采取需求拉動，其中較為常見的是CONWIP系統;后者則通常包含上層推式系統和下層拉式系統，其中較為經典的是基于MRP與JIT結合的方法。從涉及范圍來看，HPP方法可以面向企業內部，也可以面向企業供應鏈。從應用環境來看，HPP方法已經應用在包括面向庫存生產的MTS環境、按單裝配的ATO環境、按單生產的MTO環境以及大批量定制生產環境等。當前研究較為集中的幾類HPP方法包括:I)面向供應鏈協同規劃的HPP策略，其主要用于解決多工廠生產鏈的優化設計問題，不適用于制造系統的內部生產控制領域。2)分階段控制的HPP方法，此類研究最為廣泛，其基本思路是基于訂單差異分隔點或瓶頸位置，將制造系統分成推式和拉式生產階段，其更加適用于產品結構相對固定及生產過程相對穩定的制造環境。3)基于負荷控制(Workload control，WLC)的HPP方法，相比于前兩類方法，該方法更有可能應用于復雜非重復性制造系統中，原因是WLC與HPP能夠互為補充從而對復雜環境具有更高的適應性。
[0009]基于WLC的HPP方法的現有研究中較具代表性的成果是將拉式方法精髓之一的卡片系統引入WLC中，這預期能極大提高方法的環境適應性與實用性，總結已有類似方法，存在以下幾方面問題:
運行機制方面:已有方法的核心機制是先通過卡片來設置工作中心的負荷界限，再基于卡片授權方式進行周期與連續結合的任務投放，從而實現車間負荷均衡化。但在任務具有柔性工藝路線與不確定工時需求的復雜環境中，生產過程中的負荷動態不均衡性將極為顯著，而原機制不具備進行動態負荷均衡的能力。原機制僅采用面向交貨期的作業分派方式，無法對具有復雜關聯關系的任務之間的生產進度進行動態協同。此外，原機制中卡片僅能表示負荷大小，不能發揮出像傳統Kanban—樣的車間狀況顯示和生產指令下達的功能。
[0010]優化方法方面:已有方法在進行任務投放選擇優化時，通常需要假定任務具有唯一確定的工藝路線，這在復雜制造系統中往往難以成立;在諸如投放周期、負荷上界等關鍵參數的優化確定方面，通常采用經驗估計法，或者利用數學工具建立嚴格假設條件下的穩態計算模型，這種方式更適合解決制造系統設計問題，而無法滿足系統日常運行控制的動態優化需求;在工序交貨期計算方面，通常按公共交貨期進行倒排，此種方式難以滿足關聯任務間動態進度協同的需求。
[0011]受擾響應方面:已有研究僅能對少數干擾情況做出響應，而且也往往是點對點進行的，但在復雜制造系統中的隨機干擾之間通常具有很高的關聯性，這就需要系統能夠快速進行一系列響應活動。
[0012]綜上，針對高精模具制造過程的生產控制問題，雖然適合采用基于WLC的HPP方法來加以解決，但現有方法在運行機制、優化方法以及受擾響應這三個方面都存在明顯不足。
【發明內容】
[0013]針對現有技術的不足之處，本發明的所要解決的技術問題在于提供一種包含了“推式負荷均衡化控制、拉式作業分派與協同控制、聯動響應活動序列生成”的基于動態看板的模具生產過程自適應控制方法，從生產控制模式的角度研究建立適應復雜高精模具生產過程的控制系統，維持制造系統盡量在較優穩態下運行，同時又能使受擾系統快速回歸穩態。
[0014]為了解決上述技術問題，本發明可以通過以下技術措施實現:一種基于動態看板的模具生產過程自適應控制方法，包括以下步驟:
一、建立基于動態看板的推式負荷均衡化控制機制，包括任務投放控制機制與任務轉序控制機制，具體還包括:
1)周期性與連續性結合的投放觸發機制；
2)動態看板的工序卡“綁定-釋放”機制；
3)動態看板的工序卡和狀態卡更新機制；
二、建立基于動態看板的拉式作業分派與協同機制，具體包括:
1)總體與局部聯合牽引機制；
2)規則調度與動態批調度聯合決策機制；
三、建立綜合工藝規劃的投放任務選擇模型，具體包括:
1)構建參與優化選擇的任務集合；
2)考慮多工藝路線的最優投放任務選擇整數規劃模型； 3)工序卡的負荷大小估算；
四、柔性工序交貨期動態計算，具體包括:
1)確定柔性順排方法與柔性倒排方法；
2)多套模具并行裝配環境下的任務交貨期計算；
五、仿真驅動的耦合控制參數優化；
六、建立規則導向的受擾響應序列生成器，具體包括:
1)隨機干擾影響及受擾系統狀態演化過程分析；
2)構建“干擾事件-系統狀態-響應活動”之間關聯關系的映射規則；
3 )規則導向的聯動響應活動序列生成。
[0015]作為本發明的基于動態看板的模具生產過程自適應控制方法的優選實施方式，在步驟一中，所述周期性與連續性結合的投放觸發機制中增加選擇到使負荷更加均衡的任務的機率，依據實際生產情況設定最佳的投放周期長度。
[0016]在步驟二中，所述總體與局部聯合牽引機制的總體牽引是一個基于工序交貨期指引工作中心進行生產加工的過程，其體現的是對準時性的單目標優化;局部牽引是一個基于熱處理生產需求指引前工序工作中心進行生產加工的過程，其體現的是對準時性與節能性的雙目標優化，局部牽引的優先級高于總體牽引。
[0017]實施本發明的基于動態看板的模具生產過程自適應控制方法的技術方案具有如下有益效果:
1、設計了更具魯棒性的基于松散耦合控制網絡的運行機制:面向負荷總體均衡與動態均衡設計了推式負荷均衡化控制機制，面向動態進度協同與多目標生產優化設計了拉式作業分派與協同控制機制，并通過關聯優化決策與多視圖看板呈現實現了推拉機制的內在及外在耦合。
[0018]2、構建了更具復雜生產環境適應性的優化方法:考慮高度工藝路線柔性與工時不確定性，構建了綜合工藝規劃的投放任務選擇方法;考慮模具裝配物料需求的漸增齊套性，以及任務/工序加工進度之間復雜的動態協同性，構建了柔性ODD動態計算方法;考慮關鍵控制參數需要適應高可變制造系統的日常運作需求，構建了仿真驅動的耦合控制參數優化的群體智能算法。
[0019]3、建立了更具快速性的響應活動序列生成器:基于受擾系統的狀態演化過程，建立了“干擾事件、系統狀態及響應活動”之間關聯關系的規則映射方法，并通過規則導向快速生成聯動響應活動序列，驅動受擾系統快速回歸穩態。
[0020]本發明能夠突破推拉混合式控制方法在高度可變與復雜生產環境中的應用局限性，豐富了現有非重復性制造過程的生產控制系統理論，提出了解決復雜模具生產過程控制難題的新思路與新方法。本發明在工業中的應用，不僅能夠通過提高生產控制自動化水平來加快模具企業向高精模具制造轉型升級，提升我國模具行業的整體服務水平和國際競爭力，還能夠為其它單件小批量制造企業的復雜生產控制問題提供值得借鑒的解決思路與解決方法，具有廣泛的工程應用前景。
[0021]上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，并且為了讓本發明的上述和其他目的、特征和優點能夠更明顯易懂，以下結合優選實施例，并配合附圖，詳細說明如下。
【附圖說明】
[0022]利用附圖對本發明作進一步說明，但附圖中的實施例不構成對本發明的任何限制。
[0023]圖1是本發明中的推拉混合式自適應生產控制方法的總體技術框架示意圖。
[0024]圖2是本發明的基于動態看板的模具生產過程自適應控制方法的推式任務投放與轉序控制運行機制示意圖。
[0025]圖3是本發明的基于動態看板的模具生產過程自適應控制方法的拉式作業分派與進度協同運行機制示意圖。
[0026]圖4是本發明的基于動態看板的模具生產過程自適應控制方法建立的綜合工藝規劃的投放任務選擇模型圖。
[0027]圖5是本發明的基于動態看板的模具生產過程自適應控制方法的柔性工序交貨期動態計算過程示意圖。
[0028]圖6是本發明的基于動態看板的模具生產過程自適應控制方法的仿真驅動的耦合控制參數優化方法的框架圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖詳細說明本發明的【具體實施方式】，其作為本說明書的一部分，通過實施例來說明本發明的原理，本發明的其他方面、特征及其優點通過該詳細說明將會變得一目了然。在所參照的附圖中，不同的圖中相同或相似的部件使用相同的附圖標號來表示。為使本發明更加容易理解，下面將進一步闡述本發明的具體實施例。
[0030]基于系統動力學觀點，自適應生產控制的目標是使制造系統處于穩態的時間相對長，而處于非穩態的時間則相對短，即需要制造系統在非穩態時能夠快速向穩態轉化。這一方面要求生產控制對高度可變環境具有較高的魯棒性，以便使系統盡量長時間處于穩態；而另一方面又要求生產控制在制造系統處于非穩態時能夠將其及時引導回穩態。基于此原貝1J，圖1給出的本發明所提出的基于動態看板的推拉混合式自適應生產控制方法的總體技術框架圖。
[0031]首先，構建一個包含推式負荷均衡化控制機制及拉式作業分派與進度協同機制的松散耦合控制網絡，實現較高的控制魯棒性:推式機制考慮工藝路線的高度柔性與工時的高度不確定性等因素，通過關鍵控制參數的合理設置，以及對任務投放與任務轉序的聯合控制，實現負荷總體均衡與動態均衡，從而最大化制造系統的產出效率;拉式機制考慮裝配物料的漸增式齊套需求以及車間生產的多目標優化需求，通過零件/工裝工序交貨期的協調計算，以及對工作中心的作業分派進行總體與局部牽引，實現零件/工裝生產進度的動態協同和車間生產多目標的同時優化;推拉兩種機制可以通過其包含的相關模型的輸入/輸出/參數/約束等內在耦合關聯實現聯動決策優化，同時還可以通過動態看板實現外在耦合的決策結果呈現。
[0032]其次，構建松散耦合控制網絡環境下的響應活動序列生成器:松散耦合控制網絡包含多個分散控制模塊，基于預定的時點或事件觸發方式驅動各個模塊進行有序的控制活動，從而使制造系統維持在穩態運行狀態。而當制造系統受到隨機干擾之后，如任務出現返修，則需要快速采用非預定方式驅動相應模塊進行相關控制活動，從而使系統從非穩態回歸穩態。然而，復雜制造系統中的隨機干擾眾多，而且其對系統的影響往往不是單方面的或是孤立的，如零件的返修延誤可能會影響到與其存在裝配關系的其它零件，為了及時處理此種復雜關聯影響，需要快速生成一個能夠有序驅動相關控制模塊進行相關控制活動的有向聯動響應序列。首先對制造系統中各類干擾影響以及受擾系統狀態演化過程進行分析，并據此預先構建描述干擾事件、系統狀態以及響應活動之間關聯關系的映射規則集，最后在規則集引導下快速生成有向聯動響應活動序列。
[0033]下面詳細描述本發明的基于動態看板的模具生產過程自適應控制方法，包括以下步驟:
一、建立基于動態看板的推式負荷均衡化控制機制，包括任務投放控制機制與任務轉序控制機制，其運行機制如圖2所示。鑒于多工藝路線以及多工作中心的表達復雜性，圖中僅表示出單條工藝路線的3個工作中心的情況。其中投放控制目標是將最佳的任務在最佳的時間投放到其第I道工序的工作中心前的隊列中，而轉序決策目標是將已完成上一道工序的任務轉運到下一道工序的最佳工作中心前的隊列中。建立基于動態看板的推式負荷均衡化控制機制還包括:
周期性與連續性結合的投放觸發機制:周期性投放可以增加選擇到那些使負荷更加均衡的任務的機率，但周期性投放的間隔時間相對較長，在工藝路線高度柔性以及工時估計誤差的綜合作用下，可能出現工作中心饑餓的情況(即在投放間隔中出現“有設備空閑而沒有待機任務”的情況)，此時則用連續性觸發方式加以補充，即臨時投放任務到饑餓工作中心上。設置相對長的投放周期可以提高周期內工作中心的負荷上界，從而能投放更多任務以實現負荷的更均衡化，但另一方面又將增大任務在任務池中的等待時間，這又可能導致任務拖期量的增加。因此，這里的關鍵問題是如何依據實際生產情況設定最佳的投放周期長度，該周期設定問題與工作中心負荷定界問題具有緊密耦合關聯。
[0034]動態看板的工序卡“綁定-釋放”機制:任務被投放的同時也將占用其工藝路線上各個工作中心的生產能力，此處用工序卡的綁定與釋放來更加形象化的表達此種能力需求。某個任務一旦被投放，則需要在其所經過的每個工作中心的“看板-負荷視圖”上綁定一張工序卡;而當該任務在一個工作中心上加工完成，則綁定在其看板上的工序卡將立即釋放。這里的關鍵問題是如何為綁定在工藝路線前后不同位置工作中心上的工序卡估算合理的負荷大小，傳統WLC理論通常不考慮此種位置差別，這雖然能夠確保每個投放任務都提前占用了足夠的生產能力，但反過來又會給處于工藝路線較后位置的工作中心帶來過高的間接負荷，在高度工藝柔性與工時不確定性的生產環境下，這又會導致投放間隔期內出現設備饑餓的概率大為增加。
[0035]動態看板的工序卡和狀態卡更新機制:任務在某個工作中心上一旦加工完成則觸發轉序決策，其具有與投放控制類似的功能，只是這里僅針對單個任務進行，而投放控制則是針對一個任務集合進行。任務后續工藝路線一經規劃確定，則即時更新該任務綁定在各工作中心上的工序卡信息(此處可能涉及整體工藝路線的變更，也可能僅是對原工序卡負荷大小的修正)，同時向下一道目標工序下達轉序授權，這里通過任務的狀態卡來實現此種授權，即將該任務在目標工作中心看板的任務狀態卡更新為相應顏色。當任務當前不能獲得足夠產能而無法進行轉序時，它將必須在工作中心的待轉區等待，針對此種任務可以靈活采用定時或事件觸發機制重新進行轉序決策。
[0036]二、建立基于動態看板的拉式作業分派與協同機制，圖3給出了拉式作業分派與進度協同運行機制。前述推式控制機制目標是將合適的任務投放或轉運到合適的工作中心上，即控制“看板-作業視圖”內容的動態增減;而拉式控制機制目標是確定工作中心上任務的合理加工順序，即控制“看板-作業視圖”內容的動態呈現，具體包括:
總體與局部聯合牽引機制:總體牽引是一個基于工序交貨期(Operat1n due date，ODD)指引工作中心進行生產加工的過程，其體現的是對準時性的單目標優化，這里的關鍵是建立柔性ODD計算方法，即依據實際生產情況動態確定各關聯任務的各道工序的交貨期，用以協同它們之間的生產進度，滿足裝配物料的漸增式齊套需求，最小化各關聯任務之間的互相等待時間。局部牽引是一個基于熱處理生產需求指引前工序工作中心進行生產加工的過程，其體現的是對準時性與節能性的雙目標優化，局部牽引的優先級總是高于總體牽引，即在局部牽引作用下，總體牽引將僅能提供輔助控制作用。
[0037]規則調度與動態批調度聯合決策機制:規則調度用于確定非熱處理工序的工作中心看板C區的任務排序，考慮到不同任務加工工時差異較大，所以此處不宜直接采用基于ODD先后的排序方法，本發明采用松弛時間法，即由任務的ODD和加工工時確定其最晚開工時間，該時間與當前時刻的差值就為任務的松弛時間，松弛時間小的任務排在前面，以確保其被優先加工。動態批調度用于確定熱處理工序的最佳組批方案，考慮到熱處理任務到達的動態性和不確定性，此處不適合采用傳統研究常用的靜態批調度或滾動周期批調度方法，本發明采用事件觸發的實時調度方法，即由預定事件的發生觸發決策，確定空閑熱處理爐的最佳上機批次，同時確定前工序的任務加工順序。
[0038]三、建立綜合工藝規劃的投放任務選擇模型，所建立的綜合工藝規劃的投放任務選擇模型如圖4所示，先構建參與優化選擇的任務集合，再建立考慮多工藝路線的最優投放任務選擇整數規劃模型，最后視集合規模大小，選用適合于整數規劃模型求解的精確算法或近似算法，具體包括:
參與優化選擇的任務集合構建:該集合構建需要協調任務準時交貨與車間負荷均衡兩方面需求。任務的不同工藝路線所經過的工作中心不同，而在不同工作中心上的加工工時與平均等待時間都存在差異，所以針對每條工藝路線都可以基于倒排方法確定一個計劃投放時間PRD，所有工藝路線對應的PRD中的最值小和最大值就構成了任務的計劃投放時間范圍(PRDmin，PRDmax)。如果某個任務的計劃投放時間范圍與當前時刻CD的投放周期T存在交疊，即時段(PRDmin，PRDmax)與時段(⑶，CD+T)之間存在交集，則將該任務納入選擇任務集合中，依據此方法遍歷當前任務池中的所有的任務，將所有被選中的任務構成的集合稱為“優先投放集合”，該集合的任務如果被優先投放，則可以提高交貨的準時性。然而，“優先投放集合”的規模波動性較大，可能出現將其中任務全部投放都無法滿足產能的情況，所以還需要構建一個“次優先投放集合”，如將計劃投放時段與時段(CD+T，CD+2T)存在交集的所有任務納入該集合中，但此種方法同時也會增加那些交貨期原本較松的任務的投放機率，它們將可能過早的占用生產能力，需要確定該集合的最佳規模。
[0039]整數規劃模型構建:投放任務選擇問題實質是一個組合優化問題:集合中每個任務有多條可選工藝路線，每條工藝路線上又有多個可選工作中心，在實現所有工作中心平均負荷率最大化目標下，為每個任務確定一條最佳的工藝路線，以及為其每道工序確定一個最佳的工作中心，這里的主要約束是任務在該被選工藝路線上的每個被選工作中心上綁定的工序卡不能造成負荷超過允許的上限。該模型與傳統的綜合工藝規劃的生產計劃模型不同，本模型不需要通過考慮眾多復雜約束計算出任務每道工序的計劃開始與結束時間，而僅需要通過工序卡的綁定來實現車間負荷的總體均衡化。基于該模型，先對“優先投放集合”進行選擇，然后再對“次優先投放集合”進行選擇。
[0040]工序卡的負荷大小估算方法:前述整數規劃模型的關鍵問題是:如何對綁定在工作中心上的工序卡的負荷大小進行合理估算，主要需要解決兩個主要問題:I)任務加工工時的不確定性問題。在投放時刻，針對任務各道工序的加工工時往往只能確定一個時間范圍，傳統研究通常采用模糊函數來描述這種工時不確定性，這既會增加模型的復雜度，而且此種方法對復雜制造環境是否有效仍待驗證。因而此處采用一種更為實用的規則方法:少數關鍵任務的生產周期通常比非關鍵任務長得多，其生產進度將影響整套模具的交貨期，需要優先滿足其能力需求，因而為了確保關鍵任務能夠占用足夠的產能，其工時取工時范圍的最大值;非關鍵任務的工時則取工時范圍的期望值;工裝任務的工時取工時范圍的最小值。而且，此種規則帶來的可能工時誤差，也將在后續進行的轉序決策中得以修正。2)長工藝路線帶來的工作中心間接負荷虛高問題。在傳統WLC理論中，通常不考慮工作中心在工藝路線中的位置情況，而將任務在工作中心上的加工工時即作為其對該工作中心的負荷需求，這將確保任務被投放之后能夠獲得所需的足額加工能力，但同時也會給較后位置的工作中心帶來虛高的間接負荷，畢竟在長工藝路線環境下任務并不一定能夠在當前周期到達這些較后的工作中心。擬采取的應對方法是:為了確保少數關鍵任務能提前獲得足額的加工能力，適宜采用傳統WLC方法;非關鍵任務對工作中心的負荷貢獻最大，需要依據工作中心在工藝路線中的位置，對相應工時進行合理折算之后再作為其負荷需求，這樣能減小較后工作中心上的間接負荷，從而極大提高負荷均衡化效果；由于工裝任務的工藝路線和加工工時普遍較短，它們既不會對總體負荷均衡帶來太大影響，同時還可以利用它們的靈活投放來充分利用臨時閑置產能，所以不考慮它們所產生的間接負荷。
[0041]四、柔性工序交貨期動態計算，圖5給出了任務的ODD動態計算過程。首先通過關鍵任務的投放或轉序連續觸發其預計完成時間的估計計算(基于順排方法)，然后以該時間作為模具裝配的開始時間，依據模具裝配結構和裝配工序預計生產工期計算其它非關鍵任務開始裝配的時間(其即為任務加工階段的交貨期)，再以該時間為起點計算已投放非關鍵任務各道工序的交貨期(基于倒排方法)，最后依據關鍵任務與非關鍵任務的ODD確定工裝任務的交貨期，具體包括:
柔性順排方法與柔性倒排方法:柔性順排基本思路:基于原始順排方法計算關鍵任務的最后一道工序的0DD，如果該ODD小于模具項目計劃規定的交貨期DD，則按比例放大其每道工序的工期，從而補償平均等待時間AWT或加工工時PT的可能估計誤差;如果該ODD大于交貨期DD，則用最小等待時間重新基于順排方法計算最后一道工序的0DD，如果該ODD仍大于DD，則以該ODD作為其最終交貨期，否則則按比例縮小其每道工序的工期，從而使該任務具有更緊迫的ODD。柔性倒排基本思路:基于原始倒排方法計算非關鍵任務的第一道未開工工序的計劃開始時間PRD，再依據該PRD與任務實際投放時間或轉序時間的差異，按比例放大或縮小其每道工序的工期。
[0042]多套模具并行裝配環境下的任務交貨期計算問題，模具裝配單元往往同時有多套模具并行裝配，傳統模具制造的裝配周期普遍較短，所以通常基于無限能力方法計算任務的裝配開始時間。但在高精模具制造中，其裝配周期往往較長，對關鍵資源(有經驗的鉗裝師傅)的依賴性也更強，此類模具裝配單元就可能成為一類復雜的人工作業系統，此時適應傳統制造環境的無限能力方法可能會失去效力，因而需要采用具有更高復雜度的有限能力方法。
[0043]五、仿真驅動的耦合控制參數優化;任務的投放周期與工作中心的負荷上界是本發明所提出的生產控制方法的關鍵控制參數，能否對它們進行合理設定將直接或間接影響上述優化方法的有效性。解決該問題的困難在于:一是兩個參數之間具有緊密耦合關聯(工作中心負荷上界=投放周期內工作中心的額定產能X負荷加載比)，難以對兩個參數進行解耦優化;二是制造系統具有極高復雜度，難以利用排隊網等數學工具進行建模優化;三是參數設定需要滿足高可變制造環境的日常運作需求。考慮到仿真技術具有極強的復雜制造系統建模能力，而ABC算法作為一類群體智能算法又具有較快的收斂速度，擬將它們進行有機結合，構造一類解決上述耦合參數優化問題的有效方法，其框架如圖6所示，主要包含車間運作模擬仿真模型、指標分析器以及ABC算法三個互相聯系的部分。
[0044]現實制造系統的任務投放發生即觸發耦合參數優化決策，目標是確定下一次進行任務投放的時點及相應的工作中心負荷上界。先以簡單原則產生一個投放周期T(如逐天遞增法)，ABC算法獲取實際制造車間上一投放周期的相關統計數據，并據此進行投放周期T下的種群初始化以及將其表示的負荷上界信息輸入仿真模型中，仿真模型獲取實際制造車間的當前情景，然后以周期T將任務池中的當前任務進行模擬投放，直至任務池中所有任務投放完成，此時指標分析器則獲取仿真結果數據并進行統計分析，然后將作為適應度函數值的相關統計指標輸入ABC算法，其將基于輸入的適應度值進行相關的尋優搜索，產生新的種群之后又重復上述過程，直至滿足終止條件為止，輸出的結果即為投放周期T所對應的最佳負荷上界。通過不斷產生新投放周期執行上述決策過程，就可以獲得各種周期下的最佳負荷上界及其對應的相關性能指標，其中最佳性能指標對應的周期與負荷上界即為所求的最優參數。上述決策方法充分考慮了當前生產情況，雖然在任務池任務量較多時仍將非常耗時，但由于其可以在線下運行從而能緩解此種矛盾。
[0045]六、建立規則導向的受擾響應序列生成器，具體包括:
隨機干擾影響及受擾系統狀態演化過程分析:盡管前述松散耦合控制網絡能夠使制造系統具有較高的穩健性，但復雜模具制造過程中仍然有諸多隨機干擾因素，如與任務相關的返修、交期變更、工程變更、任務暫停/取消、緊急插單，與資源相關的機器損壞/修復等，不同干擾的影響往往不同，而即便是同一種干擾也可能有不同的影響，如關鍵任務返修的影響要比非關鍵任務返修的影響大很多。如果將制造系統在受到一類干擾影響下的情境認為是一個系統狀態，則依據干擾的影響范圍，該狀態將向其它狀態進行演化，而系統處于不同狀態時又需要控制網絡采用不同的響應活動，所以首先需要對復雜模具制造系統的眾多隨機干擾進行分類并分析其影響范圍和程度，再據此總結出制造系統受不同干擾時的各種狀態以及不同狀態之間的演化路徑。
[0046]“干擾事件-系統狀態-響應活動”之間關聯關系的映射規則構建:為了確保針對受擾系統的聯動響應活動序列生成的快速性，可能較難以應用自適應控制領域中常用的諸如Q學習、BP網絡等耗時方法，而規則方法在運行速度方面則具有較大優勢。所以本發明將預先構建“干擾事件-系統狀態-響應活動”之間關聯關系的映射規則庫，當制造系統受到干擾時能夠通過規則引導快速生成響應活動序列。但此種方法的效果將取決于預設規則的粒度與精度，決策者可以在生產實踐中不斷修改或添加規則。
[0047]規則導向的聯動響應活動序列生成:當制造系統中有干擾產生時，依據干擾導致的制造系統情境匹配出所有相關聯的規則，再由規則導向生成一個帶權有向圖(WeightedDirected Graph，簡稱WDG)，其即表示一個聯動響應活動序列，WDG中節點代表系統狀態，節點與節點之間的有向邊表示響應活動，邊的權重則表示響應活動涉及的參數。此種方法中，如果規則的粒度較粗，則響應活動范圍將較大，最極端情況是控制網絡中所有模塊都被激發，此時系統將需要較長的響應時間，反之又會使WDG的生成過程耗時較長，不利于系統做出及時的響應控制，所以需要建立規則粒度合理性的評價方法。
[0048]本發明建立的模具生產過程HPP自適應控制方法，具有如下優點:
1、設計了更具魯棒性的基于松散耦合控制網絡的運行機制:面向負荷總體均衡與動態均衡設計了推式負荷均衡化控制機制，面向動態進度協同與多目標生產優化設計了拉式作業分派與協同控制機制，并通過關聯優化決策與多視圖看板呈現實現了推拉機制的內在及外在耦合。
[0049]2、構建了更具復雜生產環境適應性的優化方法:考慮高度工藝路線柔性與工時不確定性，構建了綜合工藝規劃的投放任務選擇方法;考慮模具裝配物料需求的漸增齊套性，以及任務/工序加工進度之間復雜的動態協同性，構建了柔性ODD動態計算方法;考慮關鍵控制參數需要適應高可變制造系統的日常運作需求，構建了仿真驅動的耦合控制參數優化的群體智能算法。
[0050]3、建立了更具快速性的響應活動序列生成器:基于受擾系統的狀態演化過程，建立了“干擾事件、系統狀態及響應活動”之間關聯關系的規則映射方法，并通過規則導向快速生成聯動響應活動序列，驅動受擾系統快速回歸穩態。
[0051]綜上，本發明能夠突破推拉混合式控制方法在高度可變與復雜生產環境中的應用局限性，豐富了現有非重復性制造過程的生產控制系統理論，提出了解決復雜模具生產過程控制難題的新思路與新方法。本發明在工業中的應用，不僅能夠通過提高生產控制自動化水平來加快模具企業向高精模具制造轉型升級，提升我國模具行業的整體服務水平和國際競爭力，還能夠為其它單件小批量制造企業的復雜生產控制問題提供值得借鑒的解決思路與解決方法，具有廣泛的工程應用前景。
[0052]最后所應當說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對本發明保護范圍的限制，盡管參照較佳實施例對本發明作了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的實質和范圍。
【主權項】
1.一種基于動態看板的模具生產過程自適應控制方法，其特征在于，包括以下步驟: 一、建立基于動態看板的推式負荷均衡化控制機制，包括任務投放控制機制與任務轉序控制機制，具體還包括: 1)周期性與連續性結合的投放觸發機制； 2)動態看板的工序卡“綁定-釋放”機制； 3)動態看板的工序卡和狀態卡更新機制； 二、建立基于動態看板的拉式作業分派與協同機制，具體包括: 1)總體與局部聯合牽引機制； 2)規則調度與動態批調度聯合決策機制； 三、建立綜合工藝規劃的投放任務選擇模型，具體包括: 1)構建參與優化選擇的任務集合； 2)考慮多工藝路線的最優投放任務選擇整數規劃模型； 3)工序卡的負荷大小估算； 四、柔性工序交貨期動態計算，具體包括: 1)確定柔性順排方法與柔性倒排方法； 2)多套模具并行裝配環境下的任務交貨期計算； 五、仿真驅動的耦合控制參數優化； 六、建立規則導向的受擾響應序列生成器，具體包括: 1)隨機干擾影響及受擾系統狀態演化過程分析； 2)構建“干擾事件-系統狀態-響應活動”之間關聯關系的映射規則； 3)規則導向的聯動響應活動序列生成。2.根據權利要求1所述的基于動態看板的模具生產過程自適應控制方法，其特征在于，在步驟一中，所述周期性與連續性結合的投放觸發機制中增加選擇到使負荷更加均衡的任務的機率，依據實際生產情況設定最佳的投放周期長度。3.根據權利要求1所述的基于動態看板的模具生產過程自適應控制方法，其特征在于，在步驟二中，所述總體與局部聯合牽引機制的總體牽引是一個基于工序交貨期指引工作中心進行生產加工的過程，其體現的是對準時性的單目標優化;局部牽引是一個基于熱處理生產需求指引前工序工作中心進行生產加工的過程，其體現的是對準時性與節能性的雙目標優化，局部牽引的優先級高于總體牽引。4.根據權利要求1所述的基于動態看板的模具生產過程自適應控制方法，其特征在于，在步驟四中，所述柔性順排方法基于原始順排方法計算關鍵任務的最后一道工序的工序交貨期，如果該工序交貨期小于模具項目計劃規定的交貨期，則按比例放大其每道工序的工期，從而補償平均等待時間AWT或加工工時PT的可能估計誤差;如果該工序交貨期大于交貨期，則用最小等待時間重新基于順排方法計算最后一道工序的工序交貨期，如果該工序交貨期仍大于交貨期，則以該工序交貨期作為其最終交貨期，否則則按比例縮小其每道工序的工期;柔性倒排方法基于原始倒排方法計算非關鍵任務的第一道未開工工序的計劃開始時間PRD，再依據該PRD與任務實際投放時間或轉序時間的差異，按比例放大或縮小其每道工序的工期。5.根據權利要求1所述的基于動態看板的模具生產過程自適應控制方法，其特征在于，在步驟五中，所述仿真驅動的耦合控制參數優化先以簡單原則產生一個投放周期，并據此進行投放周期下的種群初始化以及將其表示的負荷上界信息輸入仿真模型中，仿真模型獲取實際制造車間的當前情景，然后以周期將任務池中的當前任務進行模擬投放，直至任務池中所有任務投放完成。
【文檔編號】G05B19/418GK105974891SQ201610030031
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年1月18日
【發明人】劉建軍, 胡常偉, 陳慶新, 毛寧, 梁祖紅
【申請人】廣東工業大學