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文檔簡介
1、《中國制造2025》要求推進制造過程智能化,包括在重點領域試點建設柔性數(shù)字化車間,其中一個重要問題是柔性可重構制造系統(tǒng)。柔性可重構制造系統(tǒng)中的關鍵是如何實現(xiàn)其“柔性可重構”,這是一個引人關注的具有挑戰(zhàn)性的前沿重要課題。針對該問題,本文進行研究并提出一種車間設備布局和自動導引車(Automatic Guide Vehicle,AGV)系統(tǒng)規(guī)劃的協(xié)同設計新方法,它屬于柔性可重構制造系統(tǒng)研究范疇。其中車間設備布局問題涉及設備布局、工序排序和A
2、GV的裝載及路徑等;AGV系統(tǒng)規(guī)劃涉及工序排序、設備分配(設備分群)、AGV調度和AGV路徑優(yōu)化等。可見其中任一個問題都存在眾多耦合的影響因素,不僅如此,更重要的是車間設備布局和AGV系統(tǒng)規(guī)劃二者存在密切關聯(lián)關系,所以必須將二者集成,進而采用協(xié)同設計,將有助于滿足實現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)的“柔性可重構”要求。
然而過去的相關研究由于車間設備布局或者AGV系統(tǒng)規(guī)劃都很復雜,因此傳統(tǒng)上將二者分別研究,雖然已取得豐碩成果,但是缺乏二者的集成
3、。近年來有研究者采用分步求解方式研究二者集成。例如先求解車間設備布局,再求解AGV系統(tǒng)規(guī)劃。這屬于采用串行求解處理方法,優(yōu)點是將二者集成,缺欠是屬于非協(xié)同優(yōu)化設計,難以滿足其“柔性可重構”需求。目前存在急需解決的問題是在給定設計目標下,如何實現(xiàn)車間各區(qū)域的區(qū)域內設備的數(shù)量和型號調整(再分群)及其設備布局靈活調整,以及AGV系統(tǒng)規(guī)劃靈活匹配。尤其重要的是如何實現(xiàn)各區(qū)域內部之內和外部之間的整體協(xié)調,以滿足該制造系統(tǒng)由于不斷變化的柔性可重構要
4、求。與上述方法不同,本文探討采用二者集成的協(xié)同優(yōu)化設計新方法處理此問題。
為此,本文提出一種車間設備布局與AGV系統(tǒng)規(guī)劃協(xié)同設計新方法,目的是力求滿足車間柔性可重構制造系統(tǒng)的“柔性可重構”要求。本文基本思想是從系統(tǒng)設計角度,將車間設備布局和AGV系統(tǒng)規(guī)劃視為系統(tǒng),首先將二者作集成,然后基于Bozer的區(qū)域式AGV系統(tǒng)方式,本文將車間劃分為若干區(qū)域,將它們置于協(xié)同進化框架(Potter'sCC),將各區(qū)域作為子系統(tǒng),采用協(xié)同設計
5、方式求解。各區(qū)域內的設備的排序及其布局和AGV路徑規(guī)劃采用本文改進的合作式協(xié)同野草算法(Cooperative Co-evolutionFuzzy lnvasive Weed Optimization algorithm,CCFIWO)和微蜂群算法(CooperativeCo-evolutionary Micro Artificial Bee Colony algorithm,CCMABC)求解,此外各區(qū)域內的設備型號和數(shù)量分配動態(tài)變化
6、采用設備分群發(fā)生器處理,從而滿足柔性可重構制造系統(tǒng)的“柔性可重構”需求。在理論研究上,本文設計問題屬于一類車間或場所內設備布局與AGV系統(tǒng)規(guī)劃的耦合系統(tǒng)協(xié)同設計問題;在應用前景上,本研究課題屬于當前柔性可重構制造系統(tǒng)中存在的急待解決實際問題。
論文的主要工作成果如下:
(1)提出一類柔性車間設備布局和AGV系統(tǒng)規(guī)劃集成的協(xié)同設計數(shù)學新模型。本文針對車間設備布局和AGV系統(tǒng)規(guī)劃協(xié)同設計問題,分析二者之間的耦合關系,并對
7、前人的非協(xié)同設計的相關模型進行對比分析,構建二者協(xié)同設計的數(shù)學模型。該數(shù)學模型給出了車間各區(qū)域內外部的設備排序及其布局和AGV系統(tǒng)規(guī)劃之間,以及二者之間關聯(lián)關系的數(shù)學描述,以及該設計的適應度函數(shù)表達式,以滿足柔性可重構系統(tǒng)要求的設備及其布局的調整和AGV系統(tǒng)規(guī)劃再匹配的數(shù)學描述,為該協(xié)同設計奠定基礎。
(2)提出了一種生產(chǎn)車間布局與AGV系統(tǒng)規(guī)劃設計集成的協(xié)同設計框架。從系統(tǒng)設計角度,將車間設備布局和AGV系統(tǒng)規(guī)劃集成。然后,
8、基于協(xié)同設計框架,將車間中各區(qū)域作為子系統(tǒng),各子系統(tǒng)相對獨立并行進化。通過整體協(xié)調機制實現(xiàn)協(xié)同設計,利用算法求解獲得車間設備布局與AGV系統(tǒng)規(guī)劃協(xié)同設計方案。因此該框架有助于實現(xiàn)“柔性可重構”,并通過3個不同規(guī)模的算例以及實際工程背景的案例進行驗證。
(3)給出了本文基于協(xié)同設計框架的數(shù)學模型的求解算法,包括本文改進的合作式協(xié)同模糊調節(jié)野草算法(CCFIWO)和合作式微蜂群算法(CCMABC)。CCFIWO改進之處是算法引入模
9、糊調節(jié)系數(shù)和交叉、變異和重生策略來改善個體生成,增強跳出局部最優(yōu)和全局尋優(yōu)能力;CCMABC改進之處在于其屬于小種群,迭代速度較快。同時輔以精英個體池,以充分利用已有精英個體。上述兩算法經(jīng)案例驗證。以上三項內容驗證,表明了本文協(xié)同設計方法的有效性。
(4)開發(fā)了一種車間設備布局和AGV系統(tǒng)規(guī)劃協(xié)同設計的系統(tǒng)原型,包括車間設備布局前處理與仿真模塊以及布局設計模塊,最后給出一個預研的設計實例。
本文工作意義:本文的車間設
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