本發(fā)明涉及一種基于激素反應(yīng)擴(kuò)散原理的制造系統(tǒng)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)方法，屬于制造系統(tǒng)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)優(yōu)化決策領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著人工智能研究領(lǐng)域的拓展與深入，人體信息處理機(jī)制的智能模型逐漸成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能及其調(diào)控機(jī)制的多樣性、復(fù)雜性、可靠性、適應(yīng)性和高效性等值得我們在研究制造系統(tǒng)時(shí)進(jìn)行借鑒和參考。而內(nèi)分泌系統(tǒng)更是人體信息處理系統(tǒng)中的核心部分，其中復(fù)雜和獨(dú)特的基于激素反應(yīng)擴(kuò)散機(jī)制信息處理方式可以給予研究者很多啟發(fā)。這種基于內(nèi)分泌系統(tǒng)激素反應(yīng)擴(kuò)散機(jī)制的協(xié)調(diào)方法是一種隱式的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)方法，根據(jù)體液中激素濃度變化的調(diào)節(jié)作用，可以將眾多獨(dú)立的個(gè)體迅速的引導(dǎo)協(xié)調(diào)到當(dāng)前系統(tǒng)總體所最需要的工作中，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)部資源之間的全面協(xié)調(diào)與合作。內(nèi)分泌系統(tǒng)通過激素的反應(yīng)擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)調(diào)控作用，其通信量小，能實(shí)現(xiàn)快速同步協(xié)調(diào)與合作，通過刺激或抑制其它內(nèi)分泌細(xì)胞的分泌活動(dòng)來保持機(jī)體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，從而達(dá)到機(jī)體功能整體最優(yōu)的目的。并且，這種基于激素反應(yīng)擴(kuò)散機(jī)制的非符號式通信方法稱為隱式協(xié)調(diào)機(jī)制，其與基于制造系統(tǒng)控制系統(tǒng)中常用的LR、Petri Net和CNP等顯示協(xié)調(diào)機(jī)制相比較，具有信息通信量小、協(xié)調(diào)簡單、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)?；诖?，受內(nèi)分泌系統(tǒng)中激素反應(yīng)擴(kuò)散機(jī)制的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種基于激素分泌調(diào)節(jié)原理的任務(wù)協(xié)調(diào)優(yōu)化算法，對生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化分配，并能夠針對各種突發(fā)事件進(jìn)行快速反應(yīng)，使得設(shè)備資源得到合理利用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于激素反應(yīng)擴(kuò)散原理的制造系統(tǒng)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)方法。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

基于激素反應(yīng)擴(kuò)散原理的制造系統(tǒng)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)方法，包括以下步驟，

步驟1，分析離散式制造系統(tǒng)的生產(chǎn)任務(wù)與資源協(xié)調(diào)優(yōu)化過程，建立數(shù)學(xué)模型及其約束條件；

步驟2，受內(nèi)分泌系統(tǒng)激素調(diào)節(jié)機(jī)制啟發(fā)，在已建立的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，構(gòu)建車間管理層的生產(chǎn)任務(wù)激素信息，構(gòu)建工藝路線的資源反饋激素信息；

步驟3，對所有資源的生產(chǎn)能力建立生產(chǎn)能力表，并評估其生產(chǎn)能力，建立激素信息節(jié)點(diǎn)，存放其針對各種生產(chǎn)任務(wù)對應(yīng)的激素分泌量，構(gòu)成可以容留激素的離散式制造系統(tǒng)“體液”內(nèi)環(huán)境；

步驟4，生產(chǎn)任務(wù)到達(dá)后，進(jìn)行工藝分解，根據(jù)車間實(shí)際資源狀況生成若干條工藝路線，然后由約束條件進(jìn)行校驗(yàn)，對實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，并隨機(jī)生成在各個(gè)工藝路徑上生產(chǎn)的工件數(shù)量；

步驟5，生成生產(chǎn)任務(wù)激素，并將其釋放到公共環(huán)境中；

步驟6，車間生產(chǎn)資源層感知到生產(chǎn)任務(wù)激素，根據(jù)各個(gè)工藝路線的實(shí)際狀態(tài)對其進(jìn)行響應(yīng)，當(dāng)某條工藝路線上的資源生產(chǎn)成本低，且滿足約束條件的要求，則增大其激素分泌量；反之則減少其分泌量；

步驟7，生成資源反饋激素，并將其釋放到公共環(huán)境中；

步驟8，車間控制層感應(yīng)到資源反饋激素，再根據(jù)其中的信息對生產(chǎn)任務(wù)激素進(jìn)行更新，調(diào)整其中各個(gè)工藝路徑上生產(chǎn)的工件數(shù)量，并通過遺傳交叉變異方法進(jìn)行全局優(yōu)化；

步驟9，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)對交叉變異后的新分配方案進(jìn)行計(jì)算，并對所有解依次進(jìn)行排序、篩選、末位淘汰，計(jì)算出可行解空間矩陣，并以此生成資源反饋激素；

步驟10，設(shè)置循環(huán)條件，根據(jù)步驟5～9中的所述方法進(jìn)行循環(huán)操作，求解在多工藝路線的情況下，按照離散式制造系統(tǒng)模型目標(biāo)，任務(wù)與資源的最合理的選擇和分配。

離散式制造系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為，

minC_total(P)＝C_P(P)+C_T(P)

約束條件為，

其中，C_total(P)為總生產(chǎn)成本，C_P(P)為工件生產(chǎn)費(fèi)用，C_T(P)為工件運(yùn)輸費(fèi)用，R_P為可以生產(chǎn)的工藝路線總數(shù)，N_rp為在工藝路線rp上工件P的生產(chǎn)數(shù)量，C_rp為在工藝路線rp上單個(gè)工件P的生產(chǎn)成本，C_Trp為在工藝路線rp上工件P的運(yùn)輸成本，N_P為代生產(chǎn)工件P的總量，T_rp為在工藝路線rp上工件P的生產(chǎn)時(shí)間，T_Trp為在工藝路線rp上工件P的運(yùn)輸時(shí)間，T為完工時(shí)間，D_P為生產(chǎn)任務(wù)的交貨期。

生產(chǎn)任務(wù)激素用三元組h_x(Job_id,Num,Info)構(gòu)建，資源反饋激素用四元組h_y(Routh_id,c,t,ρ)構(gòu)建；其中，Job_id表示代生產(chǎn)任務(wù)的編號，Num表示工件的數(shù)量，Info表示生產(chǎn)任務(wù)的相關(guān)工藝信息，Routh_id表示工藝路線編號，c表示該工藝路徑的成本信息，t表示該工藝路徑上的加工時(shí)間，ρ表示激素分泌量。

激素分泌量更新公式：

ρ_rp(t+1)＝αρ_rp(t)+Δρ

其中，ρ_rp為工藝路線rp上的激素分泌兩量，α為激素的保留率，Q為已知固定常數(shù)量，t表示當(dāng)前時(shí)間，t+1表示下一個(gè)工件到達(dá)時(shí)間。

離散式制造系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)突發(fā)事件時(shí)，具體的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)過程為，

S1、根據(jù)突發(fā)事件的生產(chǎn)工藝從資源庫中選取合適的可加工設(shè)備；

S2、依據(jù)激素容留環(huán)境中殘留在各個(gè)資源激素信息節(jié)點(diǎn)中的激素量，疊加得到各條工藝路線的現(xiàn)有的資源反饋激素中的激素分泌量；

具體公式為，

其中，ρ_i為工藝路線中所選擇的資源i上所殘留激素分泌量，n表示工藝路線長度；

S3、更新離散式制造系統(tǒng)中的生產(chǎn)任務(wù)激素信息和資源反饋激素信息；

S4、運(yùn)行已有的激素動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)算法，即步驟5～9，為突發(fā)事件協(xié)調(diào)匹配合適的資源。

本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：本發(fā)明主要是受內(nèi)分泌系統(tǒng)激素反應(yīng)擴(kuò)散機(jī)制的啟發(fā)，實(shí)現(xiàn)了一種基于激素反應(yīng)擴(kuò)散原理的制造系統(tǒng)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)方法，設(shè)計(jì)了兩種可以相互影響的激素，來迅速尋優(yōu)，其中為了拓展尋優(yōu)的解空間，還使用了遺傳交叉變異的方法來對可行解進(jìn)行操作，以便在多工藝路線的情況下，根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)可以對資源進(jìn)行更合理的選擇和分配；同時(shí)本發(fā)明對于制造系統(tǒng)中的突發(fā)事件進(jìn)行響應(yīng)，可以提高系統(tǒng)的敏捷性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程圖。

圖2為多工藝路線有向圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1所示，基于激素反應(yīng)擴(kuò)散原理的制造系統(tǒng)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)方法，包括以下步驟：

步驟1，分析離散式制造系統(tǒng)的生產(chǎn)任務(wù)與資源協(xié)調(diào)優(yōu)化過程，建立數(shù)學(xué)模型及其約束條件。

離散制造系統(tǒng)生產(chǎn)任務(wù)與資源協(xié)調(diào)優(yōu)化問題可以描述為：數(shù)量為N_P的代加工工件p，將其中的生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行工藝分解后，可以得到一個(gè)如圖2所示的多工藝路線的生產(chǎn)任務(wù)與資源對應(yīng)的可選資源工序有向圖，3條可執(zhí)行工藝路線，S_p1～S_p9表示針對工件p的加工中可用的資源。

以生產(chǎn)成本最小為目標(biāo)建立離散式制造系統(tǒng)及數(shù)學(xué)模型及其約束條件為：

離散式制造系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為，

minC_total(P)＝C_P(P)+C_T(P)

約束條件為：要保證所有生產(chǎn)任務(wù)均能夠與對應(yīng)的資源配對，且能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，具體為，

其中，C_total(P)為總生產(chǎn)成本，C_P(P)為工件生產(chǎn)費(fèi)用，C_T(P)為工件運(yùn)輸費(fèi)用，R_P為可以生產(chǎn)的工藝路線總數(shù)，N_rp為在工藝路線rp上工件P的生產(chǎn)數(shù)量，C_rp為在工藝路線rp上單個(gè)工件P的生產(chǎn)成本，C_Trp為在工藝路線rp上工件P的運(yùn)輸成本，N_P為代生產(chǎn)工件P的總量，T_rp為在工藝路線rp上工件P的生產(chǎn)時(shí)間，T_Trp為在工藝路線rp上工件P的運(yùn)輸時(shí)間，T為完工時(shí)間，D_P為生產(chǎn)任務(wù)的交貨期。

步驟2，受內(nèi)分泌系統(tǒng)激素調(diào)節(jié)機(jī)制啟發(fā)，在已建立的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，構(gòu)建車間管理層的生產(chǎn)任務(wù)激素信息，構(gòu)建工藝路線的資源反饋激素信息。

生產(chǎn)任務(wù)激素用三元組h_x(Job_id,Num,Info)構(gòu)建，資源反饋激素用四元組h_y(Routh_id,c,t,ρ)構(gòu)建；其中，Job_id表示代生產(chǎn)任務(wù)的編號，Num表示工件的數(shù)量，Info表示生產(chǎn)任務(wù)的相關(guān)工藝信息，Routh_id表示工藝路線編號，c表示該工藝路徑的成本信息，t表示該工藝路徑上的加工時(shí)間，ρ表示激素分泌量。

步驟3，對所有資源的生產(chǎn)能力建立生產(chǎn)能力表，并評估其生產(chǎn)能力，建立激素信息節(jié)點(diǎn)，存放其針對各種生產(chǎn)任務(wù)對應(yīng)的激素分泌量，構(gòu)成可以容留激素的離散式制造系統(tǒng)“體液”內(nèi)環(huán)境。

步驟4，生產(chǎn)任務(wù)到達(dá)后，進(jìn)行工藝分解，根據(jù)車間實(shí)際資源狀況生成若干條工藝路線，然后由約束條件進(jìn)行校驗(yàn)，對實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，并隨機(jī)生成在各個(gè)工藝路徑上生產(chǎn)的工件數(shù)量。

步驟5，生成生產(chǎn)任務(wù)激素，并將其釋放到公共環(huán)境中。

步驟6，車間生產(chǎn)資源層感知到生產(chǎn)任務(wù)激素，根據(jù)各個(gè)工藝路線的實(shí)際狀態(tài)對其進(jìn)行響應(yīng)，當(dāng)某條工藝路線上的資源生產(chǎn)成本低，且滿足約束條件的要求，則增大其激素分泌量；反之則減少其分泌量。

判斷工藝路線上的資源生產(chǎn)成本是否低，通過將工藝路線上的資源生產(chǎn)成本與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，低于閾值的則判定生產(chǎn)成本低。

激素分泌量更新公式：

ρ_rp(t+1)＝αρ_rp(t)+Δρ

其中，ρ_rp為工藝路線rp上的激素分泌兩量，α為激素的保留率，Q為已知固定常數(shù)量，t表示當(dāng)前時(shí)間，t+1表示下一個(gè)工件到達(dá)時(shí)間。

步驟7，生成資源反饋激素，并將其釋放到公共環(huán)境中。

步驟8，車間控制層感應(yīng)到資源反饋激素，再根據(jù)其中的信息對生產(chǎn)任務(wù)激素進(jìn)行更新，調(diào)整其中各個(gè)工藝路徑上生產(chǎn)的工件數(shù)量，并通過遺傳交叉變異方法進(jìn)行全局優(yōu)化

為了擴(kuò)大可行解的解空間搜索范圍，本文根據(jù)多工藝路線資源的有向圖，選取m種可行分配方案為解空間X_m，其矩陣表示為：

矩陣中每一行x_i構(gòu)成了解空間的動(dòng)態(tài)候選組，通過遺傳變異的手段來進(jìn)行全局優(yōu)化。在選擇過程中，根據(jù)離散式制造系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型對可行解中各個(gè)候選解進(jìn)行計(jì)算，按下式得到的概率h_ri選取解空間中的兩個(gè)可行解進(jìn)行交叉變異操作；

其中，C_Total(P,i)表示解空間中第i個(gè)解的生產(chǎn)任務(wù)總成本。由公式可以看出，在各個(gè)可行解中，其生產(chǎn)成本越小，則其被選擇出來進(jìn)行交叉變異的概率越小，因?yàn)樵摽尚薪飧咏咏谧顑?yōu)解，適合保留。

在交叉操作中，設(shè)x_i和x_j為進(jìn)行交叉操作的兩個(gè)可行解，x_i和x_j為矩陣中的兩行，實(shí)際交叉概率為p_c＝P_C×h_ri，P_C為系統(tǒng)規(guī)定的交叉概率。這樣對于成本比較高的可行解來說，其進(jìn)行交叉的概率就比較大。隨機(jī)產(chǎn)生p∈[0，1]，若p﹥p_c，則進(jìn)行交叉操作。同理，在變異階段，其實(shí)際變異概率為p_m＝P_M×h_ri，P_M為系統(tǒng)規(guī)定的變異概率。采用這樣的變異概率同樣可以使得較優(yōu)解的變量可以較多的得到保存。隨機(jī)產(chǎn)生p∈[0，1]，若p﹥p_m，則進(jìn)行變異操作。

步驟9，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)對交叉變異后的新分配方案進(jìn)行計(jì)算，并對所有解依次進(jìn)行排序、篩選、末位淘汰，計(jì)算出可行解空間矩陣，并以此生成資源反饋激素；

步驟10，設(shè)置循環(huán)條件，根據(jù)步驟5～9中的所述方法進(jìn)行循環(huán)操作，求解在多工藝路線的情況下，按照離散式制造系統(tǒng)模型目標(biāo)，任務(wù)與資源的最合理的選擇和分配。

在充滿變數(shù)的動(dòng)態(tài)制造環(huán)境中，突發(fā)事件出現(xiàn)往往意味著在離散式制造系統(tǒng)中各種資源可能已有生產(chǎn)計(jì)劃在使用，那么對突發(fā)事件的安排就必須要考慮系統(tǒng)中各個(gè)資源的實(shí)際工作狀態(tài)，然后根據(jù)突發(fā)事件中工藝路線的安排合理的進(jìn)行資源選擇和協(xié)調(diào)分配。

假設(shè)突發(fā)事件中僅包含一種類型的產(chǎn)品I需要生產(chǎn)(多種產(chǎn)品組合的生產(chǎn)任務(wù)可以此類推)，其生產(chǎn)工藝特征為：I1→I2→……→In(表示制造產(chǎn)品I過程中的車、銑、磨等工序，n表示其所需要的流程數(shù)量，即工藝路線長度)。

離散式制造系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)突發(fā)事件時(shí)，具體的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)過程為：

S1、根據(jù)突發(fā)事件的生產(chǎn)工藝從資源庫中選取合適的可加工設(shè)備；

S2、依據(jù)激素容留環(huán)境中殘留在各個(gè)資源激素信息節(jié)點(diǎn)中的激素量，疊加得到各條工藝路線的現(xiàn)有的資源反饋激素中的激素分泌量；

具體公式為，

其中，ρ_i為工藝路線中所選擇的資源i上所殘留激素分泌量，n表示工藝路線長度；

S3、更新離散式制造系統(tǒng)中的生產(chǎn)任務(wù)激素信息和資源反饋激素信息；

S4、運(yùn)行已有的激素動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)算法，即步驟5～9，為突發(fā)事件協(xié)調(diào)匹配合適的資源。

上述方法主要是受內(nèi)分泌系統(tǒng)激素反應(yīng)擴(kuò)散機(jī)制的啟發(fā)，實(shí)現(xiàn)了一種基于激素反應(yīng)擴(kuò)散原理的制造系統(tǒng)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)方法，設(shè)計(jì)了兩種可以相互影響的激素，來迅速尋優(yōu)，其中為了拓展尋優(yōu)的解空間，還使用了遺傳交叉變異的方法來對可行解進(jìn)行操作，以便在多工藝路線的情況下，根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)可以對資源進(jìn)行更合理的選擇和分配。同時(shí)上述方法對于制造系統(tǒng)中的突發(fā)事件進(jìn)行響應(yīng)，可以提高系統(tǒng)的敏捷性。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。