面向类生物化制造系统的协调机制研究与实现

论文摘要

以全球化、动态化和用户驱动为显著特征的市场竞争的加剧,不可避免地对现代制造系统提出了更高的要求,突出表现为现代制造系统的运行环境越来越充满不确定性,比如中途不可预知任务的插入以及设备故障等。所有这些不确定因素要求现代制造系统内各组成要素能够更好地配合协作,动态快速地响应来自制造系统外部和内部的各种扰动,从而更快更好地完成任务,达到制造系统运行的整体优化。本文以类生物化制造系统的协调机制为研究目标对相关问题进行了探讨,全文研究内容如下:首先,本文分析了制造系统与生物系统的相似性,借鉴生物控制论的基本知识,从自组织性和自适应性等方面研究了类生物化制造系统的基本理论,并给出了类生物化制造系统的总体框架模型。其次,阐述了协调的基本概念并给出作者自己的理解,通过分析复杂制造系统对协调的需求指出协调在现代制造系统中的重要性。根据通信方式将协调分为显式协调和隐式协调两大类,并分析了各自的特点和优缺点,指出隐式协调相对于传统显式协调的优越性。第三,借鉴蚂蚁觅食的思想,提出了基于信息素的隐式协调机制,并将其应用到类生物化制造系统的任务分配问题和应对系统扰动中去。仿真结果表明,该协调机制不仅能综合系统成本及负荷等因素以求整体优化,而且避免了显式协调机制在问题复杂或频繁变化时易陷入死锁进而导致整个系统崩溃的弊端。第四,在Visual C++ 6.0平台上,开发了类生物化制造系统协调机制软件仿真平台。该软件仿真平台实现了设备和生产任务的管理、面向任务分配的基于信息素的静态协调、针对新增任务和设备故障的动态协调以及与ExtendSim仿真软件的接口等功能。经测试,该系统能较好地表现本文主要思想。最后,在类生物化制造系统硬件仿真平台上进行了基于信息素的隐式协调机制实验,对实验结果进行了分析,结果表明该协调机制具有易实现、通信量少、鲁棒性好、协调效果明显等特点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 协调机制的国内外研究现状
• 1.3 课题的来源及研究意义
• 1.4 本论文的研究内容
• 1.5 本章总结
• 第二章 类生物化制造系统基本理论研究
• 2.1 制造系统与生物系统的类比
• 2.2 类生物化制造系统模型
• 2.2.1 有机制造单元
• 2.2.2 类生物化制造系统协调模型
• 2.3 类生物化制造系统的特点
• 2.3.1 自治性
• 2.3.2 自组织性
• 2.3.3 自适应性
• 2.3.4 故障自诊断自修复性
• 2.4 本章总结
• 第三章 协调基本理论
• 3.1 协调概述
• 3.1.1 协调的基本概念
• 3.1.2 协调的需求分析
• 3.1.3 协调的通信方式
• 3.2 显式协调
• 3.2.1 显式通信
• 3.2.2 合同网
• 3.3 隐式协调
• 3.3.1 动物的群体智能
• 3.3.2 隐式协调的特点
• 3.4 显式协调与隐式协调的优缺点分析
• 3.4.1 优化能力
• 3.4.2 响应灵敏度
• 3.4.3 鲁棒性
• 3.4.4 通信量
• 3.4.5 易实现性
• 3.5 本章总结
• 第四章 基于信息素的类生物化制造系统协调机制研究
• 4.1 制造系统任务分配问题描述及数学模型
• 4.1.1 任务分配问题描述
• 4.1.2 任务分配问题数学模型
• 4.2 蚁群算法基本理论
• 4.2.1 蚂蚁的觅食行为和觅食策略
• 4.2.2 蚁群算法的实现
• 4.2.3 蚁群算法的特点
• 4.3 静态协调机制
• 4.3.1 基于信息素的任务分配算法
• 4.3.2 基于信息素的自组织协调
• 4.3.3 实例验证
• 4.3.4 静态协调机制的效用分析
• 4.4 动态协调机制
• 4.4.1 新任务到达后的协调
• 4.4.2 设备故障时的协调
• 4.5 本章总结
• 第五章 类生物化制造系统协调机制软件仿真平台开发
• 5.1 系统设计分析
• 5.1.1 功能模块划分
• 5.1.2 数据库设计
• 5.2 ExtendSim 接口设计
• 5.3 系统开发平台和运行环境
• 5.4 系统实现
• 5.5 本章总结
• 第六章 基于信息素的隐式协调硬件平台仿真实验
• 6.1 实验平台简介
• 6.2 基于信息素的隐式协调实验
• 6.2.1 实验内容描述
• 6.2.2 实验结果与分析
• 6.3 本章总结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录