基于信息素的制造系統(tǒng)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)分析論文

　　當(dāng)今制造業(yè)面臨著非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，其原因在于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來越多地表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)化、全球化和用戶驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)。所以，制造系統(tǒng)所而臨的內(nèi)外環(huán)境越來越充滿了隨機(jī)性與不確定性，例如:緊急加工工件的到來，生產(chǎn)設(shè)備的故障與修復(fù)，不可預(yù)知工件數(shù)量的增加變化、交貨期時(shí)間的變更等。如此諸多的隨機(jī)性和不確定因素，對(duì)制造系統(tǒng)的協(xié)調(diào)機(jī)制提出了更高的要求，以動(dòng)態(tài)地響應(yīng)諸多的變化，從而在滿足生產(chǎn)環(huán)境約束(如交貨期、設(shè)備負(fù)荷率、加工先后次序等)的前提下，使得生產(chǎn)加工工藝與加工設(shè)備得到合理的匹配，使得制造系統(tǒng)全局的運(yùn)行效果達(dá)到較優(yōu)或者近優(yōu)。

　　蜜蜂、螞蟻等低等動(dòng)物盡管具備極低的智能，但是卻能通過彼此之間的交互產(chǎn)生全局行為來提高對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)性。螞蟻的探路覓食方法就是一個(gè)典型的群居動(dòng)物行為實(shí)例。在觀察螞蟻從巢穴到食物源的尋找路徑的過程中發(fā)現(xiàn)，螞蟻盡管不能從外部環(huán)境中得到任何關(guān)于路徑的全局信息，但是總能找到巢穴與食物源之間的最短路徑。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，螞蟻的這種群體協(xié)作功能是通過一種遺留在其往返路徑上的叫做信息素(Pheromone)的一種揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)來進(jìn)行協(xié)調(diào)和通信的。通過這種信息素物質(zhì)，使得螞蟻群體表現(xiàn)出極其強(qiáng)大的優(yōu)化能力。蟻群算法原理就是根據(jù)螞蟻群體覓食的思想而設(shè)計(jì)出來的一種群體智能優(yōu)化算法，該算法在作業(yè)車間調(diào)度問題.任務(wù)分配問題.機(jī)器人合作問題等領(lǐng)域得到了廣泛的研究與應(yīng)用。筆者受螞蟻覓食行為模型與零件的生產(chǎn)加工工藝選擇的相似性的啟發(fā)，提出了基于信息素的任務(wù)分配協(xié)調(diào)機(jī)制，以信息素為介質(zhì)，給出了制造系統(tǒng)生產(chǎn)加工工藝選擇的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)算法。

　　1基于信息素的協(xié)調(diào)機(jī)制

　　基于信息素的協(xié)調(diào)機(jī)制源于螞蟻的覓食活動(dòng)，盡管單個(gè)螞蟻的行為比較簡(jiǎn)單，但整個(gè)螞蟻群體表現(xiàn)為高度機(jī)構(gòu)化的社會(huì)組織，在許多情況下能夠完成遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過單個(gè)螞蟻能力的復(fù)雜的任務(wù)。這種能力來源于螞蟻群體中的依靠信息素作為通信物質(zhì)的個(gè)體協(xié)作行為。螞蟻在覓食過程中能過通過相互協(xié)作找到食物源與巢穴之間的最短路徑。

　　螞蟻群體不但能夠協(xié)調(diào)完成復(fù)雜的任務(wù)，而且還能夠自適應(yīng)外部環(huán)境的變化，無論路徑長(zhǎng)短，各只螞蟻一開始的分布是均勻的，螞蟻總是先按照相同的概率選擇可行路徑。螞蟻在途經(jīng)的過程中，能夠在其經(jīng)過的路徑上留下信息素，而且能夠感知這種化學(xué)物質(zhì)的存在及其強(qiáng)弱，并以此指導(dǎo)自己的行為，螞蟻更傾向于向信息素量大的路徑上移動(dòng)。相等時(shí)間內(nèi)較短路徑上的信息素的遺留量就比較多，則選擇較短路徑上的螞蟻也隨之增多。不難發(fā)現(xiàn)，由于大量螞蟻組成的蟻群集體行為表現(xiàn)出了一種信息正反饋現(xiàn)象，即某一路徑上走過的螞蟻越多，則隨后的螞蟻選擇該路徑的概率就越大，螞蟻個(gè)體之間就是通過這種信息交流機(jī)制來進(jìn)行覓食，并最終沿著最短路徑進(jìn)行，通過對(duì)螞蟻覓食行為的深入研究表明。

　　2基于信息素的制造系統(tǒng)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)

　　2. 1基于信息素的靜態(tài)協(xié)調(diào)分配算法

　　對(duì)某一任務(wù)的加工可以有多條加工工藝路線完成，而由于設(shè)備性能的不同導(dǎo)致任何一條生產(chǎn)加工工藝路線所需要的總生產(chǎn)成本也是有所不同的，所以，可以理解每條加工工藝路線就分別擁有不同量值的信息素，與這些加工工藝路線對(duì)每一種加工任務(wù)的吸引強(qiáng)度分別相對(duì)應(yīng)。如果在某條工藝路線上不具備加工某類生產(chǎn)任務(wù)的話，則設(shè)置該條工藝路線上的信息素值為0，以防比該條工藝路線再吸引此類加工任務(wù)而使完工時(shí)間等性能指標(biāo)受到一定程度的影響。 然而，由于只能有某一條或某幾條加工工藝路線可以完成即有的任務(wù)的加工。所以，為了模仿螞蟻覓食的探路過程，并與加工過程中的真實(shí)情況相吻合，首先設(shè)置所有能夠加工某類生產(chǎn)任務(wù)的工藝路線上的信息.

　　當(dāng)某條加工工藝路線中所擁有的某設(shè)備的可利用時(shí)間小于該設(shè)備能夠加工的某種工件的對(duì)應(yīng)某一加工工序所需工時(shí)的時(shí)候，自動(dòng)置該條加工工藝路線的信息素為零。另外，當(dāng)某個(gè)設(shè)備的可利用時(shí)間為零時(shí)，該資源涉及到的所有加工工藝路線的信息素為零。

　　然而，在實(shí)際生產(chǎn)中存在大量隨機(jī)事件，如新任務(wù)插入、訂單的取消、交貨期變動(dòng)、機(jī)器故障等。為此，針對(duì)這些隨機(jī)事件需要?jiǎng)討B(tài)的協(xié)調(diào)來合理的進(jìn)行任務(wù)的分配。由于篇幅問題，本文主要從新任務(wù)加入這種情況來具體研究基于信息素的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)算法。有關(guān)設(shè)備故障、交貨期變更等動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)問題將在后續(xù)的工作中展開研究。

　　2. 2新任務(wù)到達(dá)時(shí)的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)

　　新任務(wù)所涉及的范圍較大，可以指種類不同的加工工件的集合，這里為了簡(jiǎn)單描述基于信息素的任務(wù)分配的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)過程，假設(shè)新任務(wù)中僅包含一種類型工件的加工任務(wù)(多種類型的任務(wù)也可依此類推)。這里只有新任務(wù)的加工工藝特征信息。

　　具體動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)算法步驟如下：

　　1)首先為新任務(wù)每道加工工序選擇具有匹配工藝能力的機(jī)床。因?yàn)樵谝粋�(gè)制造單元或者車間內(nèi)部具有某種加工工藝能力的機(jī)床往往不比一臺(tái)，也就是在機(jī)床設(shè)備之間具有可選擇性或者可替代性，所以新任務(wù)的每一道加工工序通�？蓪�(duì)應(yīng)多個(gè)機(jī)床可供選擇。

　　2)將之前生產(chǎn)任務(wù)選擇工藝路線時(shí)在每臺(tái)可替代機(jī)床上遺留的信息素量各自相加，可由式(5)計(jì)算所得。

　　由式(5)所計(jì)算出的信息素值大小的差異正體現(xiàn)各個(gè)加工機(jī)床在加工某種加工工藝特征時(shí)所表現(xiàn)出來的能力的強(qiáng)弱。在此條件下運(yùn)行基于信息素的工藝路徑選擇算法，將新任務(wù)中每個(gè)工件的第7道加工工序特征分配給步驟1)中所涉及到的機(jī)床，選中每個(gè)設(shè)備的概率可由式(6)計(jì)算所得。

　　3)更新機(jī)床所擁有的信息素的值。

　　4)為新任務(wù)中所有工件的第(j+1)道加工工序特征選擇機(jī)床，直至新任務(wù)的所有加工工藝特征都選擇所對(duì)應(yīng)能力的機(jī)床為止。

　　5)對(duì)新任務(wù)的每道加工工藝特征在各可用機(jī)床上的加工數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將承擔(dān)工件任務(wù)較多的機(jī)床自組織成一個(gè)主虛擬制造單元，將承擔(dān)工件任務(wù)數(shù)量較少的機(jī)床自組織成多個(gè)或一個(gè)副虛擬制造單元。

　　6)主、副虛擬制造單元在完成新任務(wù)加工后自動(dòng)解散并恢復(fù)到之前所屬的單元狀態(tài)。

　　3結(jié)語

　　受螞蟻群體覓食行為研究成果的啟發(fā)，本文提出了基于信息素的制造系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)算法。在該算法中，利用信息素量的大小來反映機(jī)床對(duì)加工任務(wù)的吸引力，通過獎(jiǎng)懲機(jī)制，使其表征加工路線(資源)的優(yōu)劣。實(shí)例結(jié)果表明，通過該算法既實(shí)現(xiàn)了加工成本的相對(duì)較優(yōu)化，又實(shí)現(xiàn)了制造系統(tǒng)中各設(shè)備的均衡利用，并對(duì)制造系統(tǒng)內(nèi)外部環(huán)境變化具有良好的自適應(yīng)性，為解決實(shí)際生產(chǎn)任務(wù)分配問題提供了一種實(shí)際可行的新思路。

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