設備預防性維護與柔性作業車間控制集成優化方法

2023-04-28 10:25:11 1

設備預防性維護與柔性作業車間控制集成優化方法
【專利摘要】本發明公開了一種設備預防性維護和柔性作業車間控制集成的多目標優化方法，其特徵在於，該方法具體包括：首先，根據柔性作業車間控制問題的工序先後順序、設備維護時段、每個工序的生產過程不可中斷、生產過程和設備維護過程之間不可衝突的約束條件，建立考慮成本和效率的柔性作業車間控制和設備維護計劃的集成優化模型；其次，採用混合多目標化學反應方法對所述多目標進行優化，其中，所述多目標包括最大完工時間、總生產費用以及總的設備預防性維護的費用；最後，獲得優化求解結果，即可得到柔性作業車間控制計劃。本發明可以降低最大完工時間、生產成本和設備維護成本為目標，獲得最優化的柔性作業車間控制方案。
【專利說明】設備預防性維護與柔性作業車間控制集成優化方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬於自動化生產線【技術領域】，具體涉及考慮設備預防性維護的柔性作業車 間控制技術的優化方法。

【背景技術】
[0002] 柔性作業車間控制問題（Flexible Job Shop Scheduling Problem，FJSP)相比 傳統作業車間控制問題（Job Shop Scheduling Problem, JSP)，是更為複雜的所謂的非 確定性（non-deterministic polynomial，NP-hard)問題，其中，NP是指非確定性多項式 (non-deterministic polynomial,縮寫NP)，所謂的非確定性是指，可用一定數量的運算 去解決多項式時間內可解決的問題。在柔性作業車間控制問題中，每個工件的每一道工序 可以在多個可選擇的加工機器上進行加工，每臺機器也可以對多個工件的不同工序進行加 工，並且不同的機器加工同一個工序所需要的時間是不同的，這就使得柔性作業車間控制 更貼近實際生產環境。在實際生產過程中，隨著設備役齡的增加，設備不可避免地要出現故 障，而一旦出現設備故障，產品的交貨期會在一定程度上被延長，甚至直接導致生產停產， 維修的過程也會消耗價值不菲的成本和資源，進而影響整個系統的生產效率。
[0003] 設備的預防性維修（preventive maintenance，PM)是指根據設備故障的統計規 律，然後制定出長期維修計劃，以期從總體上控制維修成本，進而提高設備的可靠性。相對 於故障後維護，預防性維護更加合理有效，可以很大程度上減少將來可能發生的故障對整 個系統的影響，合理的預防性維修是提高設備利用率，實現資產效率最大化的有效途徑。因 此，在制定控制計劃的同時，根據車間內機器設備的正常損耗和役齡的情況，把設備的合理 維護考慮在車間控制之中具有重要理論意義和實際應用價值。
[0004] 解決生產控制和設備維修計劃常用的元啟發式方法，包括遺傳方法（GA)、模擬退 火方法（SA)、禁忌搜索方法（TS)和粒子群方法（PS0)，但遺傳方法和粒子群方法在實際應 用中容易出現局部搜索能力低和收斂性差等缺點，模擬退火方法和禁忌搜索方法缺點是對 全局搜索空間的狀況了解不多，運算效率低下。
[0005] 化學反應方法（Chemical-Reaction Optimization, CR0)由 Lam 和 Li 於 2010 年 提出，是一種基於群體的新穎的元啟發式方法，相比遺傳方法和粒子群優化方法，具有較高 優化效率和魯棒性，但是，這種方法還存在局部搜索能力不強和收斂性較差的缺陷。


【發明內容】

[0006] 本發明針對現有技術的不足，提供了一種用於設備預防性維護與柔性作業車間控 制集成優化的方法，其採用將化學反應方法的全局搜索能力與模擬退火方法的局部搜索能 力有機結合的混合多目標化學反應方法（Hybrid Multi-objective Chemical-Reaction Optimization，M0CR0)，應用於求解實際生產過程中廣泛存在的集成柔性作業車間控制和 設備預防性維護的問題，可以降低最大完工時間、生產成本和設備維護成本。
[0007] 為實現上述目的，本發明採用的技術方案如下：
[0008] -種柔性作業車間控制和設備維護的集成優化方法，基於混合多目標化學反應方 法，以獲得具有較小的完工時間，較低的生產成本和設備維護成本的優化控制方案，其特徵 在於，該方法根據柔性作業車間問題的工序先後順序、設備維護時段、每個工序的生產過程 不可中斷、生產過程和設備維護過程之間不可衝突的約束條件，建立考慮成本的柔性作業 車間控制和設備維護的集成優化優化模型，再用混合多目標化學反應方法對三個目標進行 優化，得到控制計劃。
[0009] 該方法具體包括如下步驟：
[0010] (1)初始化各個參數，包括：分子總數量P、各個分子的初始動能KE、化學反應方式 選擇概率molecoll、最大迭代次數N、以及動能損失比KElossrate ;
[0011] (2)初始化分子種群，每個分子內包含兩條編碼，即工序編碼和機器分配編碼；
[0012] (3)運用快速排序方法求得所有分子的非支配解集，然後根據目標函數計算各個 分子的勢能；
[0013] (4)隨機產生一個隨機數r e (〇, 1)，如果r>m〇lec〇ll，則進行第（5)步，否則進 行第（6)步；
[0014] (5)分子的分解反應和分子與容器壁之間的碰撞反應，隨機選擇一個分子w，若該 分子達到分解反應的條件，就運用分解方法將該分子分解成兩個新分子和《2,並用這兩 個分子替換之前選擇的分子；如果選擇的分子未能達到分解反應的條件，就運用分子和容 器壁碰撞的方法使得該分子產生一個新分子 w'，如果w'可以支配w，則用w'替換w;
[0015] (6)分子合成反應和分子間碰撞反應，首先隨機選擇兩個分子wl和《2,如果這兩 個分子滿足合成反應的條件，則將這兩個分子運用合成反應合成為一個新的分子《，之後在 population中刪掉wl和w2,用w代替；如果兩個分子不滿足合成反應的條件，則將兩個分 子進行分子間的碰撞反應生成兩個新分子wl'和w2'來替換wl和w2 ;
[0016] (7)對所有的分子運用模擬退火進化方法進行局部搜索，以或得到數量更多，質量 更優的Pareto解；Pareto解就是一個解可能在某個目標上是比較好的，但在其他目標上 是比較差的，無法簡單進行相互比較的解；
[0017] (8)再次運用快速排序方法求得所有分子的非支配解集，然後根據目標函數計算 各個分子的勢能。如果達到了方法終止條件，則輸出所有Pareto解，否則重複進行步驟（4) 至步驟（7)。
[0018] 本發明與現有的技術相比具有下列顯著優勢：
[0019] (I)本發明在傳統的柔性作業車間控制問題的基礎上，考慮設備預防性維護計劃， 更加貼近企業實際生產環境。將設備維護的成本作為一個目標，建立了綜合考慮時間和成 本的設備預防性維護計劃和柔性作業車間控制問題模型，運用概率和數理統計的知識計算 出在設備預防性維護之前和之後一定時間內故障發生次數的期望值，進一步算出設備維護 的期望成本。
[0020] (II)本發明採用新穎的解碼方法，解碼過程考慮了控制問題中每道工序加工過程 的不可間斷性，還有工序加工和設備維護的不可衝突性。
[0021] (III)本發明方法中的操作借鑑非支配排序遺傳方法（NSGA-II)中的交叉和變異 過程，以使得原來主要用於連續問題的化學反應方法適合於離散問題的求解。與NSGA-II 的區別是：化學反應方法中增加了個體自身和個體之間的搜索方式，即，分子的分解反應和 分子與容器壁之間的無效碰撞反應，使得群體內信息的動態交換手段更加豐富，從而擴大 了方法的搜索範圍。在遺傳方法中，變異操作是以一定概率進行的，而在化學反應方法中是 以分子與容器壁之間碰撞的方式確定發生，主要是擴大全局搜索的範圍實現更有效偏移。
[0022] (IV)本發明方法中採用了一種考慮各分子Pareto順序的目標組合法將三個目標 合成為一個目標來衡量各個分子的勢能大小，從而使得方法中化學反應方式的選擇策略得 以進行。
[0023] (V)本發明方法中將模擬退火方法加入進行混合，對經過所有化學反應後最終得 到的所有分子進行局部搜索，混合的主要思想是，針對分子內兩條編碼的特點，採用不同的 鄰域搜索策略對之前的候選解進行擾動，如果得到的新解對之前的候選解構成支配關係， 則用新解替換候選解。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024] 圖1為按照本發明實施例的對設備進行預防性維護的設備累積故障次數與不進 行設備預防性維護的設備累積故障次數隨時間變化的對比曲線圖。
[0025] 圖2為按照本發明實施例的動態安排設備預防性維護方法的示意圖。
[0026] 圖3為柔性作業車間問題的解碼說明圖。
[0027] 圖4為基於機器編碼的鄰域結構說明圖。
[0028] 圖5為基於工序編碼的交換鄰域結構（左）和插入鄰域結構（右）說明圖。
[0029] 圖6為工序編碼的序列（左）和機器編碼的序列（右）的交叉方式說明圖。
[0030] 圖7為混合多目標化學反應方法流程圖。
[0031] 圖8和圖9為柔性作業車間問題的加工時間基本數據。
[0032] 圖10為設備預防性維護的基本數據

【具體實施方式】
[0033] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不 用於限定本發明。
[0034] 本發明的主要目的是針對現有模型和方法的不足，建立了考慮成本和效率的柔性 作業車間控制和設備預防性維修的集成優化模型，提出一種混合化學反應方法來對該模型 進行優化求解，從而可以對企業實際生產的車間控制和設備維護起到一定的指導作用，並 為企業帶來更高的生產效率和經濟效益。
[0035] (1)預防性維護（Preventive Maintenance，PM)理論
[0036] 通過記錄以往車間設備的故障數據，然後在此基礎上，可以分析得到設備故障的 概率分布，進而可以對設備的維護保養採取何種策略做出有效的決策。設備故障的概率分 布函數F(t)是指在時刻t到來之前設備出現故障的概率，設備的故障概率分布大都服從指 數分布的形式，即：
[0037] F(t) = Ι-e…（t 彡 0) (1)
[0038] 假如某設備故障的概率密度分布為f(t)，設備的可靠度為R(t)，則該設備的故障 率為：
[0039] λ (t) = f (t)/R(t) (2)
[0040] 且R(t) = l_F(t)，f(t)為F(t)的導數；所以對於指數分布：
[0041] R(t) = e_At (3)
[0042] f(t) = λθ_λ? (4)
[0043] 指數分布具有無記憶性，被稱為永遠年輕的指數分布。可以運用馬爾科夫理論進 行分析，但是一般來說設備的故障率很少具有馬爾科夫特性，因此較少應用與實際生產中。 實際應用中更傾向於採用威爾分布來描述一般設備的故障規律。服從威爾分布的設備故障 概率分布公式為：
[0044]

【權利要求】
1. 一種設備預防性維護和柔性作業車間控制集成的多目標優化方法，其特徵在於，該 方法具體包括： 首先，根據柔性作業車間控制問題的工序先後順序、設備維護時段、每個工序的生產過 程不可中斷、生產過程和設備維護過程之間不可衝突的約束條件，建立柔性作業車間控制 和設備維護計劃的集成優化模型； 其次，採用混合多目標化學反應方法對所述多目標進行優化，其中，所述多目標包括最 大完工時間、總生產費用以及總的設備預防性維護的費用； 最後，獲得優化求解結果，即可得到柔性作業車間控制計劃。
2. 根據權利要求1所述的一種設備預防性維護和柔性作業車間控制集成的多目標優 化方法，其特徵在於，所述集成優化模型具體如下： f1 = max {enJk I j = 1, 2, ··· n ；k = 1, 2, ··· m}
式中，fl，f2, f3分別表示最大完工時間、總生產費用以及總的設備預防性維護的費用， enjk為工件jk工序完工時間，Cpi為機器i預防性維護所需成本，Q為機器i上單位時間 的加工成本，C mi是故障後維修的費用，Xijk說明工件j的第k個工序是否在機器i上加工， 如果是其值為1，否則為〇, tijk為工件j的第k工序在機器i上的加工時間，cSi為機器i維 修固定費用。
3. 根據權利要求1或2所述的一種設備預防性維護和柔性作業車間控制集成的多目標 優化方法，其特徵在於，所述採用混合多目標化學反應方法對所述多目標進行優化的具體 過程如下： (1) 初始化所有分子參數，包括：分子總數量P、各個分子的初始動能KE、化學反應方式 選擇概率molecoll、最大迭代次數N、以及動能損失比Kelossrate，其中每個分子表示一個 可行解； (2) 初始化分子種群，每個分子內包含兩條編碼，即工序編碼和機器分配編碼； (3) 運用快速排序求得所有分子的非支配解集，然後根據目標函數計算各個分子的勢 能； (4) 隨機產生一個隨機數r e (〇, 1)，如果r>m〇lec〇ll，則進行第（5)步，否則跳轉至第 (6)步； (5) 分子的分解反應和分子與容器壁之間的碰撞反應，隨機選擇一個分子w，若該分子 達到分解反應的條件，就運用分解方法將該分子分解成兩個新分子和《2,並用這兩個分 子替換之前選擇的分子；如果選擇的分子未能達到分解反應的條件，就運用分子和容器壁 碰撞的方法使得該分子產生一個新分子《'，如果可以支配《，則用替換w; (6) 分子合成反應和分子間碰撞反應，首先隨機選擇兩個分子wl和《2,如果這兩個分 子滿足合成反應的條件，則將這兩個分子運用合成反應合成為一個新的分子《，之後刪掉 wl和《2,用w代替；如果兩個分子不滿足合成反應的條件，則將兩個分子進行分子間的碰撞 反應生成兩個新分子wl'和w2'來替換wl和w2 ; (7) 對所有的分子運用模擬退火進化方法進行局部搜索，以得到數量更多質量更優的 Pareto 解； (8) 再次運用快速排序求得所有分子的非支配解集，並根據目標函數計算各個分子的 勢能，如果達到了終止條件，則輸出所有Pareto解中的分子，得到滿足各個約束條件的控 制方案，否則重複進行步驟（4)至步驟（7)進行反覆迭代，直至達到終止條件，獲得滿足各 個約束條件的控制方案。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的一種設備預防性維護和柔性作業車間控制集成 的多目標優化方法，其特徵在於，所述終止條件為迭代次數達到所設定的迭代次數。
【文檔編號】G05B19/418GK104111642SQ201410259496
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年6月11日 優先權日:2014年6月11日
【發明者】宋文家, 張超勇, 邵新宇, 羅敏, 劉瓊, 饒運清, 朱海平, 張三強, 林文文, 金亮亮, 謝陽 申請人:華中科技大學