設(shè)備預(yù)防性維護(hù)與柔性作業(yè)車間控制集成優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種設(shè)備預(yù)防性維護(hù)和柔性作業(yè)車間控制集成的多目標(biāo)優(yōu)化方法，其特征在于，該方法具體包括：首先，根據(jù)柔性作業(yè)車間控制問題的工序先后順序、設(shè)備維護(hù)時(shí)段、每個(gè)工序的生產(chǎn)過程不可中斷、生產(chǎn)過程和設(shè)備維護(hù)過程之間不可沖突的約束條件，建立考慮成本和效率的柔性作業(yè)車間控制和設(shè)備維護(hù)計(jì)劃的集成優(yōu)化模型；其次，采用混合多目標(biāo)化學(xué)反應(yīng)方法對(duì)所述多目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，其中，所述多目標(biāo)包括最大完工時(shí)間、總生產(chǎn)費(fèi)用以及總的設(shè)備預(yù)防性維護(hù)的費(fèi)用；最后，獲得優(yōu)化求解結(jié)果，即可得到柔性作業(yè)車間控制計(jì)劃。本發(fā)明可以降低最大完工時(shí)間、生產(chǎn)成本和設(shè)備維護(hù)成本為目標(biāo)，獲得最優(yōu)化的柔性作業(yè)車間控制方案。
【專利說明】設(shè)備預(yù)防性維護(hù)與柔性作業(yè)車間控制集成優(yōu)化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于自動(dòng)化生產(chǎn)線【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及考慮設(shè)備預(yù)防性維護(hù)的柔性作業(yè)車 間控制技術(shù)的優(yōu)化方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 柔性作業(yè)車間控制問題（Flexible Job Shop Scheduling Problem，F(xiàn)JSP)相比 傳統(tǒng)作業(yè)車間控制問題（Job Shop Scheduling Problem, JSP)，是更為復(fù)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(xiàng)式 (non-deterministic polynomial,縮寫NP)，所謂的非確定性是指，可用一定數(shù)量的運(yùn)算 去解決多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)可解決的問題。在柔性作業(yè)車間控制問題中，每個(gè)工件的每一道工序 可以在多個(gè)可選擇的加工機(jī)器上進(jìn)行加工，每臺(tái)機(jī)器也可以對(duì)多個(gè)工件的不同工序進(jìn)行加 工，并且不同的機(jī)器加工同一個(gè)工序所需要的時(shí)間是不同的，這就使得柔性作業(yè)車間控制 更貼近實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，隨著設(shè)備役齡的增加，設(shè)備不可避免地要出現(xiàn)故 障，而一旦出現(xiàn)設(shè)備故障，產(chǎn)品的交貨期會(huì)在一定程度上被延長(zhǎng)，甚至直接導(dǎo)致生產(chǎn)停產(chǎn)， 維修的過程也會(huì)消耗價(jià)值不菲的成本和資源，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。
[0003] 設(shè)備的預(yù)防性維修（preventive maintenance，PM)是指根據(jù)設(shè)備故障的統(tǒng)計(jì)規(guī) 律，然后制定出長(zhǎng)期維修計(jì)劃，以期從總體上控制維修成本，進(jìn)而提高設(shè)備的可靠性。相對(duì) 于故障后維護(hù)，預(yù)防性維護(hù)更加合理有效，可以很大程度上減少將來可能發(fā)生的故障對(duì)整 個(gè)系統(tǒng)的影響，合理的預(yù)防性維修是提高設(shè)備利用率，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)效率最大化的有效途徑。因 此，在制定控制計(jì)劃的同時(shí)，根據(jù)車間內(nèi)機(jī)器設(shè)備的正常損耗和役齡的情況，把設(shè)備的合理 維護(hù)考慮在車間控制之中具有重要理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
[0004] 解決生產(chǎn)控制和設(shè)備維修計(jì)劃常用的元啟發(fā)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(shí)際應(yīng) 用中容易出現(xiàn)局部搜索能力低和收斂性差等缺點(diǎn)，模擬退火方法和禁忌搜索方法缺點(diǎn)是對(duì) 全局搜索空間的狀況了解不多，運(yùn)算效率低下。
[0005] 化學(xué)反應(yīng)方法（Chemical-Reaction Optimization, CR0)由 Lam 和 Li 于 2010 年 提出，是一種基于群體的新穎的元啟發(fā)式方法，相比遺傳方法和粒子群優(yōu)化方法，具有較高 優(yōu)化效率和魯棒性，但是，這種方法還存在局部搜索能力不強(qiáng)和收斂性較差的缺陷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種用于設(shè)備預(yù)防性維護(hù)與柔性作業(yè)車間控 制集成優(yōu)化的方法，其采用將化學(xué)反應(yīng)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(jī)結(jié)合的混合多目標(biāo)化學(xué)反應(yīng)方法（Hybrid Multi-objective Chemical-Reaction Optimization，M0CR0)，應(yīng)用于求解實(shí)際生產(chǎn)過程中廣泛存在的集成柔性作業(yè)車間控制和 設(shè)備預(yù)防性維護(hù)的問題，可以降低最大完工時(shí)間、生產(chǎn)成本和設(shè)備維護(hù)成本。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0008] -種柔性作業(yè)車間控制和設(shè)備維護(hù)的集成優(yōu)化方法，基于混合多目標(biāo)化學(xué)反應(yīng)方 法，以獲得具有較小的完工時(shí)間，較低的生產(chǎn)成本和設(shè)備維護(hù)成本的優(yōu)化控制方案，其特征 在于，該方法根據(jù)柔性作業(yè)車間問題的工序先后順序、設(shè)備維護(hù)時(shí)段、每個(gè)工序的生產(chǎn)過程 不可中斷、生產(chǎn)過程和設(shè)備維護(hù)過程之間不可沖突的約束條件，建立考慮成本的柔性作業(yè) 車間控制和設(shè)備維護(hù)的集成優(yōu)化優(yōu)化模型，再用混合多目標(biāo)化學(xué)反應(yīng)方法對(duì)三個(gè)目標(biāo)進(jìn)行 優(yōu)化，得到控制計(jì)劃。
[0009] 該方法具體包括如下步驟：
[0010] (1)初始化各個(gè)參數(shù)，包括：分子總數(shù)量P、各個(gè)分子的初始動(dòng)能KE、化學(xué)反應(yīng)方式 選擇概率molecoll、最大迭代次數(shù)N、以及動(dòng)能損失比KElossrate ;
[0011] (2)初始化分子種群，每個(gè)分子內(nèi)包含兩條編碼，即工序編碼和機(jī)器分配編碼；
[0012] (3)運(yùn)用快速排序方法求得所有分子的非支配解集，然后根據(jù)目標(biāo)函數(shù)計(jì)算各個(gè) 分子的勢(shì)能；
[0013] (4)隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)r e (〇, 1)，如果r>m〇lec〇ll，則進(jìn)行第（5)步，否則進(jìn) 行第（6)步；
[0014] (5)分子的分解反應(yīng)和分子與容器壁之間的碰撞反應(yīng)，隨機(jī)選擇一個(gè)分子w，若該 分子達(dá)到分解反應(yīng)的條件，就運(yùn)用分解方法將該分子分解成兩個(gè)新分子和《2,并用這兩 個(gè)分子替換之前選擇的分子；如果選擇的分子未能達(dá)到分解反應(yīng)的條件，就運(yùn)用分子和容 器壁碰撞的方法使得該分子產(chǎn)生一個(gè)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(yīng)和分子間碰撞反應(yīng)，首先隨機(jī)選擇兩個(gè)分子wl和《2,如果這兩 個(gè)分子滿足合成反應(yīng)的條件，則將這兩個(gè)分子運(yùn)用合成反應(yīng)合成為一個(gè)新的分子《，之后在 population中刪掉wl和w2,用w代替；如果兩個(gè)分子不滿足合成反應(yīng)的條件，則將兩個(gè)分 子進(jìn)行分子間的碰撞反應(yīng)生成兩個(gè)新分子wl'和w2'來替換wl和w2 ;
[0016] (7)對(duì)所有的分子運(yùn)用模擬退火進(jìn)化方法進(jìn)行局部搜索，以或得到數(shù)量更多，質(zhì)量 更優(yōu)的Pareto解；Pareto解就是一個(gè)解可能在某個(gè)目標(biāo)上是比較好的，但在其他目標(biāo)上 是比較差的，無法簡(jiǎn)單進(jìn)行相互比較的解；
[0017] (8)再次運(yùn)用快速排序方法求得所有分子的非支配解集，然后根據(jù)目標(biāo)函數(shù)計(jì)算 各個(gè)分子的勢(shì)能。如果達(dá)到了方法終止條件，則輸出所有Pareto解，否則重復(fù)進(jìn)行步驟（4) 至步驟（7)。
[0018] 本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比具有下列顯著優(yōu)勢(shì)：
[0019] (I)本發(fā)明在傳統(tǒng)的柔性作業(yè)車間控制問題的基礎(chǔ)上，考慮設(shè)備預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃， 更加貼近企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境。將設(shè)備維護(hù)的成本作為一個(gè)目標(biāo)，建立了綜合考慮時(shí)間和成 本的設(shè)備預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃和柔性作業(yè)車間控制問題模型，運(yùn)用概率和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的知識(shí)計(jì)算 出在設(shè)備預(yù)防性維護(hù)之前和之后一定時(shí)間內(nèi)故障發(fā)生次數(shù)的期望值，進(jìn)一步算出設(shè)備維護(hù) 的期望成本。
[0020] (II)本發(fā)明采用新穎的解碼方法，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(shè)備維護(hù)的不可沖突性。
[0021] (III)本發(fā)明方法中的操作借鑒非支配排序遺傳方法（NSGA-II)中的交叉和變異 過程，以使得原來主要用于連續(xù)問題的化學(xué)反應(yīng)方法適合于離散問題的求解。與NSGA-II 的區(qū)別是：化學(xué)反應(yīng)方法中增加了個(gè)體自身和個(gè)體之間的搜索方式，即，分子的分解反應(yīng)和 分子與容器壁之間的無效碰撞反應(yīng)，使得群體內(nèi)信息的動(dòng)態(tài)交換手段更加豐富，從而擴(kuò)大 了方法的搜索范圍。在遺傳方法中，變異操作是以一定概率進(jìn)行的，而在化學(xué)反應(yīng)方法中是 以分子與容器壁之間碰撞的方式確定發(fā)生，主要是擴(kuò)大全局搜索的范圍實(shí)現(xiàn)更有效偏移。
[0022] (IV)本發(fā)明方法中采用了一種考慮各分子Pareto順序的目標(biāo)組合法將三個(gè)目標(biāo) 合成為一個(gè)目標(biāo)來衡量各個(gè)分子的勢(shì)能大小，從而使得方法中化學(xué)反應(yīng)方式的選擇策略得 以進(jìn)行。
[0023] (V)本發(fā)明方法中將模擬退火方法加入進(jìn)行混合，對(duì)經(jīng)過所有化學(xué)反應(yīng)后最終得 到的所有分子進(jìn)行局部搜索，混合的主要思想是，針對(duì)分子內(nèi)兩條編碼的特點(diǎn)，采用不同的 鄰域搜索策略對(duì)之前的候選解進(jìn)行擾動(dòng)，如果得到的新解對(duì)之前的候選解構(gòu)成支配關(guān)系， 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(fā)明實(shí)施例的對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)的設(shè)備累積故障次數(shù)與不進(jìn) 行設(shè)備預(yù)防性維護(hù)的設(shè)備累積故障次數(shù)隨時(shí)間變化的對(duì)比曲線圖。
[0025] 圖2為按照本發(fā)明實(shí)施例的動(dòng)態(tài)安排設(shè)備預(yù)防性維護(hù)方法的示意圖。
[0026] 圖3為柔性作業(yè)車間問題的解碼說明圖。
[0027] 圖4為基于機(jī)器編碼的鄰域結(jié)構(gòu)說明圖。
[0028] 圖5為基于工序編碼的交換鄰域結(jié)構(gòu)（左）和插入鄰域結(jié)構(gòu)（右）說明圖。
[0029] 圖6為工序編碼的序列（左）和機(jī)器編碼的序列（右）的交叉方式說明圖。
[0030] 圖7為混合多目標(biāo)化學(xué)反應(yīng)方法流程圖。
[0031] 圖8和圖9為柔性作業(yè)車間問題的加工時(shí)間基本數(shù)據(jù)。
[0032] 圖10為設(shè)備預(yù)防性維護(hù)的基本數(shù)據(jù)

【具體實(shí)施方式】
[0033] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。
[0034] 本發(fā)明的主要目的是針對(duì)現(xiàn)有模型和方法的不足，建立了考慮成本和效率的柔性 作業(yè)車間控制和設(shè)備預(yù)防性維修的集成優(yōu)化模型，提出一種混合化學(xué)反應(yīng)方法來對(duì)該模型 進(jìn)行優(yōu)化求解，從而可以對(duì)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)的車間控制和設(shè)備維護(hù)起到一定的指導(dǎo)作用，并 為企業(yè)帶來更高的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。
[0035] (1)預(yù)防性維護(hù)（Preventive Maintenance，PM)理論
[0036] 通過記錄以往車間設(shè)備的故障數(shù)據(jù)，然后在此基礎(chǔ)上，可以分析得到設(shè)備故障的 概率分布，進(jìn)而可以對(duì)設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)采取何種策略做出有效的決策。設(shè)備故障的概率分 布函數(shù)F(t)是指在時(shí)刻t到來之前設(shè)備出現(xiàn)故障的概率，設(shè)備的故障概率分布大都服從指 數(shù)分布的形式，即：
[0037] F(t) = Ι-e…（t 彡 0) (1)
[0038] 假如某設(shè)備故障的概率密度分布為f(t)，設(shè)備的可靠度為R(t)，則該設(shè)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(dǎo)數(shù)；所以對(duì)于指數(shù)分布：
[0041] R(t) = e_At (3)
[0042] f(t) = λθ_λ? (4)
[0043] 指數(shù)分布具有無記憶性，被稱為永遠(yuǎn)年輕的指數(shù)分布?？梢赃\(yùn)用馬爾科夫理論進(jìn) 行分析，但是一般來說設(shè)備的故障率很少具有馬爾科夫特性，因此較少應(yīng)用與實(shí)際生產(chǎn)中。 實(shí)際應(yīng)用中更傾向于采用威爾分布來描述一般設(shè)備的故障規(guī)律。服從威爾分布的設(shè)備故障 概率分布公式為：
[0044]

【權(quán)利要求】
1. 一種設(shè)備預(yù)防性維護(hù)和柔性作業(yè)車間控制集成的多目標(biāo)優(yōu)化方法，其特征在于，該 方法具體包括： 首先，根據(jù)柔性作業(yè)車間控制問題的工序先后順序、設(shè)備維護(hù)時(shí)段、每個(gè)工序的生產(chǎn)過 程不可中斷、生產(chǎn)過程和設(shè)備維護(hù)過程之間不可沖突的約束條件，建立柔性作業(yè)車間控制 和設(shè)備維護(hù)計(jì)劃的集成優(yōu)化模型； 其次，采用混合多目標(biāo)化學(xué)反應(yīng)方法對(duì)所述多目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，其中，所述多目標(biāo)包括最 大完工時(shí)間、總生產(chǎn)費(fèi)用以及總的設(shè)備預(yù)防性維護(hù)的費(fèi)用； 最后，獲得優(yōu)化求解結(jié)果，即可得到柔性作業(yè)車間控制計(jì)劃。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種設(shè)備預(yù)防性維護(hù)和柔性作業(yè)車間控制集成的多目標(biāo)優(yōu) 化方法，其特征在于，所述集成優(yōu)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(shí)間、總生產(chǎn)費(fèi)用以及總的設(shè)備預(yù)防性維護(hù)的費(fèi)用， enjk為工件jk工序完工時(shí)間，Cpi為機(jī)器i預(yù)防性維護(hù)所需成本，Q為機(jī)器i上單位時(shí)間 的加工成本，C mi是故障后維修的費(fèi)用，Xijk說明工件j的第k個(gè)工序是否在機(jī)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(jī)器i上的加工時(shí)間，cSi為機(jī)器i維 修固定費(fèi)用。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種設(shè)備預(yù)防性維護(hù)和柔性作業(yè)車間控制集成的多目標(biāo) 優(yōu)化方法，其特征在于，所述采用混合多目標(biāo)化學(xué)反應(yīng)方法對(duì)所述多目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化的具體 過程如下： (1) 初始化所有分子參數(shù)，包括：分子總數(shù)量P、各個(gè)分子的初始動(dòng)能KE、化學(xué)反應(yīng)方式 選擇概率molecoll、最大迭代次數(shù)N、以及動(dòng)能損失比Kelossrate，其中每個(gè)分子表示一個(gè) 可行解； (2) 初始化分子種群，每個(gè)分子內(nèi)包含兩條編碼，即工序編碼和機(jī)器分配編碼； (3) 運(yùn)用快速排序求得所有分子的非支配解集，然后根據(jù)目標(biāo)函數(shù)計(jì)算各個(gè)分子的勢(shì) 能； (4) 隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)r e (〇, 1)，如果r>m〇lec〇ll，則進(jìn)行第（5)步，否則跳轉(zhuǎn)至第 (6)步； (5) 分子的分解反應(yīng)和分子與容器壁之間的碰撞反應(yīng)，隨機(jī)選擇一個(gè)分子w，若該分子 達(dá)到分解反應(yīng)的條件，就運(yùn)用分解方法將該分子分解成兩個(gè)新分子和《2,并用這兩個(gè)分 子替換之前選擇的分子；如果選擇的分子未能達(dá)到分解反應(yīng)的條件，就運(yùn)用分子和容器壁 碰撞的方法使得該分子產(chǎn)生一個(gè)新分子《'，如果可以支配《，則用替換w; (6) 分子合成反應(yīng)和分子間碰撞反應(yīng)，首先隨機(jī)選擇兩個(gè)分子wl和《2,如果這兩個(gè)分 子滿足合成反應(yīng)的條件，則將這兩個(gè)分子運(yùn)用合成反應(yīng)合成為一個(gè)新的分子《，之后刪掉 wl和《2,用w代替；如果兩個(gè)分子不滿足合成反應(yīng)的條件，則將兩個(gè)分子進(jìn)行分子間的碰撞 反應(yīng)生成兩個(gè)新分子wl'和w2'來替換wl和w2 ; (7) 對(duì)所有的分子運(yùn)用模擬退火進(jìn)化方法進(jìn)行局部搜索，以得到數(shù)量更多質(zhì)量更優(yōu)的 Pareto 解； (8) 再次運(yùn)用快速排序求得所有分子的非支配解集，并根據(jù)目標(biāo)函數(shù)計(jì)算各個(gè)分子的 勢(shì)能，如果達(dá)到了終止條件，則輸出所有Pareto解中的分子，得到滿足各個(gè)約束條件的控 制方案，否則重復(fù)進(jìn)行步驟（4)至步驟（7)進(jìn)行反復(fù)迭代，直至達(dá)到終止條件，獲得滿足各 個(gè)約束條件的控制方案。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的一種設(shè)備預(yù)防性維護(hù)和柔性作業(yè)車間控制集成 的多目標(biāo)優(yōu)化方法，其特征在于，所述終止條件為迭代次數(shù)達(dá)到所設(shè)定的迭代次數(shù)。
【文檔編號(hào)】G05B19/418GK104111642SQ201410259496
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月11日
【發(fā)明者】宋文家, 張超勇, 邵新宇, 羅敏, 劉瓊, 饒運(yùn)清, 朱海平, 張三強(qiáng), 林文文, 金亮亮, 謝陽 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)