面向时序约束任务的协同制造链优化研究

论文摘要

随着网络技术和制造技术的不断融合,网络化制造得到广泛研究和应用,并逐渐成为取代传统制造模式的新一代先进制造模式。在网络化制造环境下,实现制造任务与制造资源的合理优化配置,是实现协同制造链(CMC)构建的关键基础技术,已经成为现代集成制造研究领域的热点问题之一。本文以浙江地区中小企业复杂产品的异地协同制造和转包加工为背景,深入研究了协同制造链的构建过程、制造任务结构规划、协同制造链优化建模及系统应用。论文的主要研究内容和成果如下:(1)深入分析了构建协同制造链的过程特征,指出其构建过程是制造任务与制造资源双向优化调整的过程;提出了协同制造链(CMC)、时序约束任务(TTSC)与协同制造单元(CMU)等新概念;建立了TTSC有向图模型与CMC过程数学模型;通过分析TTSC分解方案规范解集、非规范解集,得出了相应的CMC构建方案规范解集、非规范解集,并给出了规范型CMC与水平型CMC两种不同的市场表现形式。(2)针对协同制造任务的结构优化问题,提出了时序约束任务跨度(STTSC)模型;通过分析市场协作环境下制造任务分解方案、协作成本、生产周期三个方面的关键因素,建立了STTSC与它们之间相互影响的数学模型,拟定量分析了STTSC的优化设计问题,获得了在相应条件下的任务跨度最佳值。基于STTSC规划分析,建立了一种面向核心制造资源的任务分解策略,并给出了任务分解与归并的方法、步骤。(3)对CMC优化建模问题进行了研究。基于CMC形成过程中的双向优化结构,分析影响制造任务性能参数优化与制造资源配置过程中的各种因素特征,提出了制造任务性能参数向量欧式距离模型,进而构建了CMC任务性能参数优化数学模型;针对水平型CMC的构成特点,充分利用协作CMU的剩余生产能力,建立了基于综合运行成本最小化与CMU生产负荷均衡化的多目标优化模型;针对规范型CMC的优化问题,考虑CMU之间的内联成本、任务执行的拖期惩罚成本与协作CMU的剩余生产能力等影响因素,建立了基于综合运行成本最小化与CMC整体生产负荷最小化的多目标优化模型。(4)对CMC的优化模型求解算法及仿真进行了研究。针对CMC任务性能参数优化目标函数特性,应用自适应遗传算法进行求解,设计了实数编码机制与自适应改变遗传算子的机制,并对优化目标函数进行了模型转换。因为水平型CMC与规范型CMC优化模型均为多目标函数,故应用基于Pareto最优概念的快速非支配排序遗传算法进行求解。针对提出的模型与算法,分别进行了实例仿真研究,验证优化模型的有效性。(5)设计了协同制造链优化支持系统(CMCOSS)的体系结构与应用流程,开发了一个原型系统。以某型号汽车后半轴的协同制造为例,演示了平台的运行结果,系统地验证了本文所提出的理论与方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题概述
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究问题的界定
• 1.1.3 课题研究的目的与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 协同制造链构建过程的研究
• 1.2.2 时序约束任务的研究
• 1.2.3 协同制造链优化模型及求解算法的研究
• 1.3 存在的问题
• 1.4 课题来源及本文主要工作
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 本文主要工作及章节结构
• 1.5 本章小结
• 第二章 协同制造链的构建过程分析
• 2.1 引言
• 2.2 协同制造链的概念及特征
• 2.2.1 制造协作联盟及其分类
• 2.2.2 协同制造链的概念
• 2.3 协同制造链构建过程分析
• 2.3.1 相关概念的说明
• 2.3.2 定性与定量相结合的决策过程
• 2.3.3 协同制造链构建过程中的CMU 表现形式
• 2.3.4 协同制造链的双向优化过程
• 2.4 协同制造链构建过程建模
• 2.4.1 时序约束制造任务有向图模型
• 2.4.2 协同制造链构建过程数学模型
• 2.5 基于制造任务与制造资源的约束分析
• 2.6 协同制造链的市场表现形式
• 2.7 协同制造链构建过程相关讨论
• 2.8 本章小结
• 第三章 时序约束任务规划
• 3.1 引言
• 3.2 时序约束任务规划的原则
• 3.3 时序约束任务跨度研究
• 3.3.1 制造任务跨度模型
• 3.3.2 基于制造任务分解方案的跨度分析
• 3.3.3 基于制造任务协作成本的跨度分析
• 3.3.4 基于制造任务生产周期的跨度分析
• 3.4 时序约束任务规划研究
• 3.4.1 时序约束任务规划方法
• 3.4.2 基于产品结构的制造任务分解策略
• 3.5 时序约束任务规划的讨论
• 3.6 本章小结
• 第四章 协同制造链优化建模
• 4.1 引言
• 4.2 优化评价准则
• 4.2.1 制造任务性能参数评价准则
• 4.2.2 制造资源生产状况评价准则
• 4.3 协同制造链优化过程形式化描述
• 4.4 协同制造链制造任务性能参数优化数学模型
• 4.4.1 协同制造链制造任务性能参数优化过程分析
• 4.4.2 制造任务性能参数优化建模
• 4.4.3 制造任务性能参数优化目标函数存在定理
• 4.5 水平型协同制造链多目标优化模型
• 4.5.1 问题描述及优化准则
• 4.5.2 目标函数及约束
• 4.6 规范型协同制造链多目标优化模型
• 4.6.1 规范型协同制造链优化问题描述
• 4.6.2 规范型协同制造链优化的目标函数
• 4.6.3 约束分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 协同制造链优化模型求解算法与实例仿真
• 5.1 引言
• 5.2 基于自适应遗传算法的制造任务性能参数优化
• 5.2.1 遗传算法简介
• 5.2.2 编码机制、模型转换及遗传算子设计
• 5.2.3 制造任务性能参数优化实例仿真
• 5.3 协同制造链优化仿真
• 5.3.1 多目标问题概述及其数学描述
• 5.3.2 Pareto 支配与Pareto 最优解
• 5.3.3 NSGA-II 算法特点及流程设计
• 5.3.4 基于NSGA-II 算法的水平型协同制造链优化实例仿真
• 5.3.5 基于NSGA-II 算法的规范型协同制造链优化实例仿真
• 5.4 本章小结
• 第六章 协同制造链优化支持系统的实现
• 6.1 引言
• 6.2 系统平台构建
• 6.2.1 系统主要目标
• 6.2.2 体系结构
• 6.2.3 业务流程
• 6.2.4 功能设计
• 6.3 系统实现及其应用
• 6.3.1 系统应用环境
• 6.3.2 应用验证
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 创新性成果
• 7.3 研究展望
• 参考文献
• 英文缩写索引
• 致谢
• 攻读博士学位期间科研与论文成果