沈陽機床配件本文著重從制造系統(tǒng)的改造方面探討沈陽機床配件如何提高企業(yè)的效率和應(yīng)變能力。
制造系統(tǒng)，尤其是具有相對完整和獨立功能的車間作業(yè)系統(tǒng)，傳統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)和控制方式有遞階式和異構(gòu)式兩種。遞階式結(jié)構(gòu)將控制模塊逐級分層，每層有各自的任務(wù)和功能，上下層模塊之間是主- 從關(guān)系，采用命令-回答的模式，控制和反饋信息通過相鄰的上下層之間逐層傳遞，優(yōu)點是降低了控制難度，能掌握系統(tǒng)的全局性能，缺點是不能及時響應(yīng)和處理干擾。異構(gòu)式結(jié)構(gòu)是一種高度分布式結(jié)構(gòu)，它把制造系統(tǒng)的各種功能模塊看成是一個個自治的實體，單個實體有很大的自治和決策能力，決策通過實體間相互交流信息、協(xié)調(diào)意見而達到，優(yōu)點是有很高的柔性、健壯性和對干擾的良好反應(yīng)能力，缺點是失去了全局優(yōu)化特性和對系統(tǒng)性能的預(yù)見性。
如何充分利用遞階式和異構(gòu)式沈陽機床配件控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，同時又避免兩者的缺點呢?在探索過程中，我們采用了并行車間作業(yè)管理系統(tǒng)模式，通過作業(yè)調(diào)度和作業(yè)控制的并行處理，使車間作業(yè)系統(tǒng)具有抗干擾的穩(wěn)定性、對變化的適應(yīng)性和柔性、利用資源的高效性和對系統(tǒng)全局性能的預(yù)見性。
并行車間作業(yè)管理系統(tǒng)整體上采用多層的組織結(jié)構(gòu)形式，沈陽機床配件決策權(quán)力在決策層和執(zhí)行層的適當(dāng)分配，決策層負責(zé)根據(jù)歷史信息產(chǎn)生優(yōu)化的調(diào)度方案，執(zhí)行層在執(zhí)行調(diào)度方案的過程中，有權(quán)力根據(jù)加工現(xiàn)場的情況適當(dāng)調(diào)整原方案，以達到執(zhí)行效果的實際更優(yōu)。下面介紹并行車間管理的體系結(jié)構(gòu)、控制策略和控制算法。
圖1 CSFC體系結(jié)構(gòu)圖
圖2 并行作業(yè)調(diào)度和作業(yè)控制功能模型
1 并行車間作業(yè)管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
并行車間作業(yè)管理系統(tǒng)CSFC(Concurrent Shop Floor Control)由資源配置子系統(tǒng)和過程控制子系統(tǒng)組成。資源配置子系統(tǒng)包括生產(chǎn)任務(wù)管理單元、資源管沈陽機床配件理單元、調(diào)度器、在線控制器、監(jiān)測器等，它主要負責(zé)資源-任務(wù)的匹配和系統(tǒng)性能的優(yōu)化：過程控制子系統(tǒng)包括CAE單元(CAD單元、CAPP單元、CAM單元等)和資源管理中的過程控制部分等，它主要負責(zé)產(chǎn)品設(shè)計、工藝規(guī)劃和過程控制等，將兩個子系統(tǒng)的相關(guān)部分適當(dāng)組合，得出如圖1所示CSFC的體系結(jié)構(gòu)。
CSFC系統(tǒng)的工作流程為:CSFC(生產(chǎn)計劃和工藝管理模塊)從MRPII接收生產(chǎn)任務(wù)，從CAX系統(tǒng)獲取零部件設(shè)計、工藝和制造信息，(調(diào)度器)再根據(jù)資源及其配置信息模塊的信息，采用適當(dāng)?shù)恼{(diào)度算法，生成最優(yōu)化的作業(yè)調(diào)度方案，然后通過在線控制器將方案下發(fā)到資源模塊(如運輸單元和生產(chǎn)單元)。同時，CAX模塊將相應(yīng)的 NC程序傳送到DNC管理模塊，由DNC管理模塊依據(jù)各項技術(shù)資料和在線控制器的指令為沈陽機床配件執(zhí)行層實施作業(yè)方案提供數(shù)控程序等。在此過程中，監(jiān)測器將采集到的現(xiàn)場信息處理后，以恰當(dāng)?shù)姆绞絺魉偷较嚓P(guān)的模塊，各模塊再分工對系統(tǒng)的適時狀態(tài)和干擾因素作出反應(yīng)。
2 并行車間作業(yè)管理的控制策略
并行車間作業(yè)管理中的調(diào)度器和在線控制器并行運行，在不同的時間尺度上都對干擾作出響應(yīng)，生成一前一后的解決方案。
其中，調(diào)度器系統(tǒng)性能的全局優(yōu)化，在較大的時間尺度上調(diào)整現(xiàn)有調(diào)度方案。它連續(xù)地進行優(yōu)化計算，用靜態(tài)調(diào)度算法(如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等)謀求調(diào)度方案的最優(yōu)化，保證系統(tǒng)的高性能、可預(yù)測性，但其掌握的信息過時，且需要大量的計算時間。
在線控制器負責(zé)響應(yīng)干擾，它通過調(diào)度執(zhí)行算法(如PA算法等)對新的最優(yōu)方案產(chǎn)生之前的一段時間的系統(tǒng)運行進行優(yōu)化。在線控制器適時監(jiān)測制造系統(tǒng)狀沈陽機床配件態(tài)、控制制造資源，并自主執(zhí)行調(diào)度方案：盡可能遵照調(diào)度方案，但必要時打破方案以響應(yīng)干擾。這樣，就可以根據(jù)現(xiàn)有的調(diào)度方案和系統(tǒng)實際狀態(tài)適時提出適當(dāng)資源配置方案，而不是讓調(diào)度器單獨承擔(dān)再調(diào)度優(yōu)化任務(wù)，從而大大緩解再調(diào)度的時間壓力，縮短了干攏響應(yīng)時間，也大大增加了調(diào)度優(yōu)化的可用時間。其功能模型如圖2所示。
干擾發(fā)生時，在線控制器首先以現(xiàn)存的最優(yōu)調(diào)度方案為基準，根據(jù)制造系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)，通過一定的算法快速計算出應(yīng)急作業(yè)方案，在新的最優(yōu)方案計算出來之前保證系統(tǒng)以較高的效率運行：同時，將干擾信息、應(yīng)急方案反饋給調(diào)度器，調(diào)度器立即根據(jù)最新信息重新進行最優(yōu)化計算，并將計算結(jié)果及時反饋給在線控制器。
由此可見，為解決系統(tǒng)性能優(yōu)化和系統(tǒng)適時響應(yīng)干擾的矛盾沈陽機床配件，必須重新配置決策權(quán)，必須打破遞階式結(jié)構(gòu)和異構(gòu)式結(jié)構(gòu)的束縛，在保證調(diào)度器的決策權(quán)的同時，賦予在線控制器一定的自主決策權(quán)�？刂破鞯淖灾餍员憩F(xiàn)在:在響應(yīng)干擾過程中，調(diào)度器產(chǎn)生的調(diào)度計劃是名義計劃 (nominal plan)，只是控制器決策的參考信息之一，其它參考信息還有系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)等�？刂破鞯哪繕�(biāo)是獲取有限時間內(nèi)能得到的可選方案中的性能最優(yōu)者。
3 并行車間作業(yè)管理的控制算法
圖3 系統(tǒng)運行的調(diào)度狀態(tài)圖
系統(tǒng)運行過程的再認識
對于一定的任務(wù)集，若車間作業(yè)系統(tǒng)的能力足夠，作業(yè)時間足夠，而且這個條件不被干擾破壞，則任務(wù)集總能完成。此時，根據(jù)運籌學(xué)原理，對于特定沈陽機床配件的全局優(yōu)化指標(biāo)，系統(tǒng)在運行期間的任意時刻，理論上都存在一個最優(yōu)調(diào)度方案，而且理想狀態(tài)下，系統(tǒng)在干擾侵入的時刻由一種最優(yōu)調(diào)度方案躍遷到另一種最優(yōu)調(diào)度方案�，F(xiàn)實系統(tǒng)由于受到調(diào)度技術(shù)的限制，總有一個延遲，因而也就存在一個過渡狀態(tài)。所以，從調(diào)度方案的性能角度來考察，現(xiàn)實系統(tǒng)的運行過程由若干最優(yōu)調(diào)度階段、過渡調(diào)度階段以及系統(tǒng)的起始點和結(jié)束點組成。如圖3所示。
生產(chǎn)任務(wù)下達，調(diào)度器根據(jù)一定的調(diào)度指標(biāo)，經(jīng)過充分的運算獲得足夠優(yōu)化的調(diào)度方案S1，并下發(fā)給在線控制器執(zhí)行。在t1時刻，系統(tǒng)遭遇干擾，一方面控制系統(tǒng)先在較短時間沈陽機床配件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)急方案S2，保證系統(tǒng)在新的優(yōu)化方案產(chǎn)生前以一定的效率運行，一方面，調(diào)度器經(jīng)過t2～t1時間的最優(yōu)化運算，得到新方案S3，并下發(fā)執(zhí)行。在t3時刻，由于采取了改善措施(如添加新設(shè)備)，系統(tǒng)性能提高，同樣，控制系統(tǒng)也是先在較短時間內(nèi)產(chǎn)生一個補救方案S4，保證在調(diào)度器經(jīng)過t3～t4時間產(chǎn)生新的最優(yōu)方案S5之前，系統(tǒng)可以按改進的方案運行。在時刻 t5生產(chǎn)任務(wù)完成。
在線控制器處理干擾的方案及算法
按照上一節(jié)的理解方式，干擾的響應(yīng)問題就轉(zhuǎn)化為如何使過渡過程盡可能短、性能下降盡可能小的問題。在線控制器在最優(yōu)階段的職責(zé)是執(zhí)行最優(yōu)調(diào)度方案:沈陽機床配件在過渡階段的職責(zé)是根據(jù)現(xiàn)有方案、現(xiàn)場信息，通過一定的算法迅速獲得使性能指標(biāo)下降盡量小的過渡調(diào)度方案。調(diào)度器在過渡階段的職責(zé)為根據(jù)在線控制器傳遞的現(xiàn)場信息進行再調(diào)度。
干擾發(fā)生，最優(yōu)化調(diào)度方案從一狀態(tài)向另一狀態(tài)轉(zhuǎn)移。在這過渡中，車間作業(yè)系統(tǒng)(包括調(diào)度器、在線控制器和執(zhí)行器等)的行為可有多種選擇：
控制器在干擾發(fā)生時立即中止系統(tǒng)的運行，并將此時的系統(tǒng)狀態(tài)信息反饋給調(diào)度器，然后一直等到新的最優(yōu)化方案產(chǎn)生，才根據(jù)新方案重新啟動系統(tǒng)。此方案存在的問題如下：過渡階段系統(tǒng)完全停止運行，造成資源浪費、效率下降，而且使任務(wù)的完成嚴重延期。
控制器在干擾發(fā)生時，不經(jīng)優(yōu)化或根據(jù)簡單的規(guī)則(例如分派沈陽機床配件規(guī)則、優(yōu)先權(quán)規(guī)則等)制定控制方案，使系統(tǒng)繼續(xù)運行，然后將系統(tǒng)信息反饋給調(diào)度器，調(diào)度器再進行最優(yōu)化運算，將結(jié)果作為新的調(diào)度方案。此方案存在的問題如下：車間作業(yè)系統(tǒng)本身具有準混沌特性，過渡過程的惡劣性能極易造成系統(tǒng)整體性能的嚴重下降：并且過渡階段與新的最優(yōu)階段的銜接困難，新調(diào)度方案產(chǎn)生后，又得再次與處在惡劣狀態(tài)下的系統(tǒng)運行方案協(xié)調(diào)，可能會造成系統(tǒng)一直低效運行。
干擾發(fā)生后，控制器只負責(zé)局部優(yōu)化沈陽機床配件，制定的執(zhí)行方案不考慮全局性能指標(biāo)�，F(xiàn)有算法，如仿真算法、基于規(guī)則的算法等能快速有效地獲得局部優(yōu)化方案。此方案存在的問題是：控制器實施的是局部優(yōu)化，因此無法保證全局性能指標(biāo)趨于優(yōu)化。
干擾發(fā)生后，控制器負責(zé)局部決策，但它考慮全局指標(biāo)變化的程度，能迅速根據(jù)各種信息計算出全局性能下降最小的執(zhí)行方案。適于此方案的比較好的算法是PA算法。下面就著重介紹PA算法，并簡單證明這種方法向著使系統(tǒng)全局性能優(yōu)化的確定方向努力。
PA算法
在線控制器如果知道局部決策如何影響全局性能，那么它就可通過局部決策直接表示決策目標(biāo)，從而根據(jù)全局優(yōu)化來進行局部決策。攝動分析(PA)就是解決這種問題的一項專門沈陽機床配件數(shù)學(xué)技術(shù)。在PA算法中，全局性能指標(biāo)表示為局部決策參數(shù)的函數(shù)。首先，計算全局性能指標(biāo)對局部參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)，然后利用這些偏導(dǎo)數(shù)將全局指標(biāo)表示為局部參數(shù)的線性表達式。這樣，實現(xiàn)了決策目標(biāo)與局部決策的直接相關(guān)。
為減輕在線控制器的負擔(dān)，偏導(dǎo)數(shù)由調(diào)度器離線定義和計算：而在線控制器則根據(jù)計算結(jié)果和適時的制造信息，迅速作出局部決策。但是，常規(guī)的Gantt圖調(diào)度方案表示法不能提供計算偏導(dǎo)數(shù)的足夠信息，因此通過活動網(wǎng)絡(luò)圖來表示調(diào)度方案，這樣就可以定義局部決策參沈陽機床配件數(shù)ee(如系統(tǒng)中每個操作的最早開始時間)和全局性能函數(shù)L(如生產(chǎn)任務(wù)的平均延遲時間)，L是ee的函數(shù)。然后通過高效的計算方法計算L對ee的偏導(dǎo)數(shù)?L/?ee(它表示局部決策參數(shù)對系統(tǒng)全局性能的影響程度)和L的變化量?(?L必須實時地計算出來)，?L被表示為?L/?ee的線性表達式。在線調(diào)度過程中，以全局的觀點，根據(jù)系統(tǒng)的適時信息，確定可選方案，并對每個方案計算偏導(dǎo)數(shù)?L/?ee，然后算得全局指標(biāo)L的變化量為?L。?L最理想的方案即被選為過渡階段的執(zhí)行方案。
從上面的操作流程可知，PA算法以現(xiàn)存的最優(yōu)調(diào)度方案為基準，將若干全局指標(biāo)表達為局部參數(shù)的方程，通過微分快速計算出與原最優(yōu)方案偏離最理想的方案，在新的最優(yōu)方案沈陽機床配件計算出來之前保證系統(tǒng)以較高的效率運行。在線控制器決策的基準不是新的最優(yōu)方案，因為當(dāng)時它還不存在。因而在線控制器不以保證系統(tǒng)性能最優(yōu)為直接目標(biāo)，而是通過保證系統(tǒng)性能與現(xiàn)存最優(yōu)方案的偏差最理想來間接保證系統(tǒng)性能在過渡階段的優(yōu)化。
4 結(jié)論
本文分析了并行車間作業(yè)管理系統(tǒng)的并行式體系結(jié)構(gòu)，為了解決系統(tǒng)運行過程中遭受干擾時既要快速作出反應(yīng)，又要保持系統(tǒng)全局性能優(yōu)化的問題，把決沈陽機床配件策權(quán)在調(diào)度器和在線控制器之間進行了適當(dāng)?shù)姆峙�。而通過將系統(tǒng)運行過程劃分為最優(yōu)調(diào)度過程和過渡調(diào)度過程，把干擾的響應(yīng)問題轉(zhuǎn)化為對過渡過程的處理問題。進一步又介紹了一種高效的、能使系統(tǒng)性能優(yōu)化的調(diào)度執(zhí)行算法PA算法。
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