車間布局與自動導(dǎo)引車系統(tǒng)規(guī)劃協(xié)同設(shè)計方法.pdf

1、《中國制造2025》要求推進(jìn)制造過程智能化，包括在重點(diǎn)領(lǐng)域試點(diǎn)建設(shè)柔性數(shù)字化車間，其中一個重要問題是柔性可重構(gòu)制造系統(tǒng)。柔性可重構(gòu)制造系統(tǒng)中的關(guān)鍵是如何實現(xiàn)其“柔性可重構(gòu)”，這是一個引人關(guān)注的具有挑戰(zhàn)性的前沿重要課題。針對該問題，本文進(jìn)行研究并提出一種車間設(shè)備布局和自動導(dǎo)引車(Automatic Guide Vehicle，AGV)系統(tǒng)規(guī)劃的協(xié)同設(shè)計新方法，它屬于柔性可重構(gòu)制造系統(tǒng)研究范疇。其中車間設(shè)備布局問題涉及設(shè)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(shè)備分配（設(shè)備分群）、AGV調(diào)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(shè)備布局和AGV系統(tǒng)規(guī)劃二者存在密切關(guān)聯(lián)關(guān)系，所以必須將二者集成，進(jìn)而采用協(xié)同設(shè)計，將有助于滿足實現(xiàn)柔性制造系統(tǒng)的“柔性可重構(gòu)”要求。
　　然而過去的相關(guān)研究由于車間設(shè)備布局或者AGV系統(tǒng)規(guī)劃都很復(fù)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(shè)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(diǎn)是將二者集成，缺欠是屬于非協(xié)同優(yōu)化設(shè)計，難以滿足其“柔性可重構(gòu)”需求。目前存在急需解決的問題是在給定設(shè)計目標(biāo)下，如何實現(xiàn)車間各區(qū)域的區(qū)域內(nèi)設(shè)備的數(shù)量和型號調(diào)整（再分群）及其設(shè)備布局靈活調(diào)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(nèi)部之內(nèi)和外部之間的整體協(xié)調(diào)，以滿足該制造系統(tǒng)由于不斷變化的柔性可重構(gòu)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(shè)計新方法處理此問題。
　　為此，本文提出一種車間設(shè)備布局與AGV系統(tǒng)規(guī)劃協(xié)同設(shè)計新方法，目的是力求滿足車間柔性可重構(gòu)制造系統(tǒng)的“柔性可重構(gòu)”要求。本文基本思想是從系統(tǒng)設(shè)計角度，將車間設(shè)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(jìn)化框架(Potter'sCC)，將各區(qū)域作為子系統(tǒng)，采用協(xié)同設(shè)計

5、方式求解。各區(qū)域內(nèi)的設(shè)備的排序及其布局和AGV路徑規(guī)劃采用本文改進(jìn)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(nèi)的設(shè)備型號和數(shù)量分配動態(tài)變化

6、采用設(shè)備分群發(fā)生器處理，從而滿足柔性可重構(gòu)制造系統(tǒng)的“柔性可重構(gòu)”需求。在理論研究上，本文設(shè)計問題屬于一類車間或場所內(nèi)設(shè)備布局與AGV系統(tǒng)規(guī)劃的耦合系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計問題;在應(yīng)用前景上，本研究課題屬于當(dāng)前柔性可重構(gòu)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(shè)備布局和AGV系統(tǒng)規(guī)劃集成的協(xié)同設(shè)計數(shù)學(xué)新模型。本文針對車間設(shè)備布局和AGV系統(tǒng)規(guī)劃協(xié)同設(shè)計問題，分析二者之間的耦合關(guān)系，并對

7、前人的非協(xié)同設(shè)計的相關(guān)模型進(jìn)行對比分析，構(gòu)建二者協(xié)同設(shè)計的數(shù)學(xué)模型。該數(shù)學(xué)模型給出了車間各區(qū)域內(nèi)外部的設(shè)備排序及其布局和AGV系統(tǒng)規(guī)劃之間，以及二者之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的數(shù)學(xué)描述，以及該設(shè)計的適應(yīng)度函數(shù)表達(dá)式，以滿足柔性可重構(gòu)系統(tǒng)要求的設(shè)備及其布局的調(diào)整和AGV系統(tǒng)規(guī)劃再匹配的數(shù)學(xué)描述，為該協(xié)同設(shè)計奠定基礎(chǔ)。
　　(2)提出了一種生產(chǎn)車間布局與AGV系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計集成的協(xié)同設(shè)計框架。從系統(tǒng)設(shè)計角度，將車間設(shè)備布局和AGV系統(tǒng)規(guī)劃集成。然后，

8、基于協(xié)同設(shè)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(dú)立并行進(jìn)化。通過整體協(xié)調(diào)機(jī)制實現(xiàn)協(xié)同設(shè)計，利用算法求解獲得車間設(shè)備布局與AGV系統(tǒng)規(guī)劃協(xié)同設(shè)計方案。因此該框架有助于實現(xiàn)“柔性可重構(gòu)”，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(jìn)行驗證。
　　(3)給出了本文基于協(xié)同設(shè)計框架的數(shù)學(xué)模型的求解算法，包括本文改進(jìn)的合作式協(xié)同模糊調(diào)節(jié)野草算法(CCFIWO)和合作式微蜂群算法(CCMABC)。CCFIWO改進(jìn)之處是算法引入模

9、糊調(diào)節(jié)系數(shù)和交叉、變異和重生策略來改善個體生成，增強(qiáng)跳出局部最優(yōu)和全局尋優(yōu)能力;CCMABC改進(jìn)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(nèi)容驗證，表明了本文協(xié)同設(shè)計方法的有效性。
　　(4)開發(fā)了一種車間設(shè)備布局和AGV系統(tǒng)規(guī)劃協(xié)同設(shè)計的系統(tǒng)原型，包括車間設(shè)備布局前處理與仿真模塊以及布局設(shè)計模塊，最后給出一個預(yù)研的設(shè)計實例。
　　本文工作意義:本文的車間設(shè)