一種模擬人體細(xì)胞演化的復(fù)雜作業(yè)車間布局方法
【專利摘要】一種模擬人體細(xì)胞演化的復(fù)雜作業(yè)車間布局方法，具體步驟如下：步驟1.多目標(biāo)布局函數(shù)的確定，車間布局的目標(biāo)函數(shù)表示為：步驟2人體細(xì)胞演化模擬設(shè)計(jì)，包括：細(xì)胞機(jī)模型設(shè)計(jì)、差分智能細(xì)胞算法、動(dòng)態(tài)差分智能細(xì)胞算法。
【專利說明】一種模擬人體細(xì)胞演化的復(fù)雜作業(yè)車間布局方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種復(fù)雜作業(yè)車間布局方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著產(chǎn)業(yè)升級(jí)、整合、集群的持續(xù)推進(jìn)，制造系統(tǒng)日趨復(fù)雜。高效企業(yè)物流系統(tǒng)已成為現(xiàn)代制造業(yè)構(gòu)成的關(guān)鍵要素之一。企業(yè)物流的核心是車間物流，車間物流主要涉及兩個(gè)方面:布局和調(diào)度，兩者相互耦合。車間布局不但要滿足單純的幾何約束條件，更重要的是要滿足物流關(guān)系、功能關(guān)系以及某些特定約束關(guān)系等定性定量條件，并與車間調(diào)度密切關(guān)聯(lián)。車間布局問題是高維的、非線性的NP完全問題。
[0003]目前各地產(chǎn)業(yè)規(guī)劃布局已初步完成，應(yīng)對(duì)新一輪的產(chǎn)業(yè)大調(diào)整，企業(yè)面臨二次發(fā)展問題，在未來幾年諸多企業(yè)將整體或部分搬遷至規(guī)劃中的新廠房，同時(shí)受到全球性經(jīng)濟(jì)疲軟、產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈和土地使用成本高昂的影響，企業(yè)希望通過新廠房布局優(yōu)化設(shè)計(jì)和老廠房布局調(diào)整解決原有車間布局不合理、物流迂回、在制品多、浪費(fèi)嚴(yán)重、調(diào)度混亂等問題。
[0004]土地集約利用是低碳經(jīng)濟(jì)和綠色經(jīng)濟(jì)的核心要素。在當(dāng)前日益稀缺的土地資源背景下，為尋求最佳占空比、最少在制品、最小物流搬運(yùn)費(fèi)用，如何有效進(jìn)行一類典型的復(fù)雜制造作業(yè)車間布局設(shè)計(jì)與優(yōu)化已成為目前國(guó)內(nèi)制造業(yè)迫切需要解決的問題。
[0005]該車間布局方法特點(diǎn):對(duì)象為復(fù)雜作業(yè)的車間布局的復(fù)雜問題，能隨著產(chǎn)品加工工藝的變化而調(diào)整優(yōu)化車間布局，該方法具有建模的精準(zhǔn)性和自適應(yīng)性，能較好解決車間布局這個(gè)高維、非線性的NP問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，針對(duì)目前復(fù)雜作業(yè)車間特點(diǎn)，一種模擬人體細(xì)胞演化的復(fù)雜作業(yè)車間布局方法。
[0007]目前復(fù)雜作業(yè)車間特點(diǎn):多品種、中大批量、任務(wù)型生產(chǎn)和流水型生產(chǎn)高度集成；加工批量和轉(zhuǎn)運(yùn)批量動(dòng)態(tài)化、制造資源呈現(xiàn)多樣性和動(dòng)態(tài)性、不同產(chǎn)品的加工路線差異可能會(huì)很大且非線性；生產(chǎn)物流的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在貫穿于系統(tǒng)中的“供需關(guān)系”的不確定性、環(huán)境的不確定性以及過多的隨機(jī)擾動(dòng)，導(dǎo)致其車間布局必須具備良好的柔性和可拓展性。
[0008]對(duì)復(fù)雜作業(yè)車間布局的原型特征進(jìn)行分析和研究，重點(diǎn)描述車間場(chǎng)地的制約性、混合生產(chǎn)方式的協(xié)同性、不同產(chǎn)品非線性加工工藝差異性及加工批量的動(dòng)態(tài)性、設(shè)備類型及數(shù)量的多樣性、物流路徑及搬運(yùn)費(fèi)用的集約性、生產(chǎn)計(jì)劃的擾動(dòng)性等原型局部和局部細(xì)節(jié)。鑒于復(fù)雜作業(yè)車間布局原型特征的復(fù)雜性及集成約束的動(dòng)態(tài)性，其建模、求解及實(shí)踐應(yīng)用主要模擬人體細(xì)胞特征及演化方法對(duì)車間布局進(jìn)行建模及求解；同時(shí)兼顧外部擾動(dòng)fed(t)等，其流程框架如圖1所示。
[0009]一種模擬人體細(xì)胞演化的復(fù)雜作業(yè)車間布局方法，具體步驟如下:
[0010]步驟1.多目標(biāo)布局函數(shù)的確定
[0011]復(fù)雜作業(yè)制造企業(yè)規(guī)模越來越大，而土地資源越來越緊張，同時(shí)受到全球性經(jīng)濟(jì)疲軟和產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈的影響，企業(yè)希望通過新廠房布局優(yōu)化設(shè)計(jì)和老廠房布局調(diào)整解決原有車間布局不合理、降低土地、設(shè)備和物流成本，同時(shí)保證布局有足夠的柔性和可拓展性以應(yīng)對(duì)環(huán)境的不確定性以及過多的隨機(jī)擾動(dòng)，提出復(fù)雜作業(yè)車間布局的目標(biāo)函數(shù)；
[0012]I)設(shè)備投資成本P1
[0013]機(jī)器設(shè)備成本是布置中要考慮的一個(gè)重要因素，特別是復(fù)雜作業(yè)車間，其周期性多階段生產(chǎn)的特點(diǎn)容易造成機(jī)器設(shè)備的過量配置；
[0014]2)在制品庫存量P2
[0015]要控制加工過程中各個(gè)工序間在制品量，在確保生產(chǎn)穩(wěn)定、產(chǎn)能最大化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)工序間在制品庫存最小，是生產(chǎn)過程的最優(yōu)狀態(tài)；
[0016]3)物流量距P3
[0017]物流搬運(yùn)費(fèi)用最小化是傳統(tǒng)布置評(píng)價(jià)目標(biāo)；復(fù)雜作業(yè)車間生產(chǎn)的產(chǎn)品多、工藝路線較多、交叉較為頻繁，所以要根據(jù)不同產(chǎn)品組合選擇合理的生產(chǎn)工藝路線以減少其交叉，同時(shí)考慮搬運(yùn)距離以達(dá)到總物流量距最小；在實(shí)施過程中要避免盲目追求物料傳輸費(fèi)用最小，要統(tǒng)籌兼顧車間設(shè)備布局的整體規(guī)劃；
[0018]4)車間占空比P4
[0019]車間占空比主要包含車間面積利用率和空間利用率。面積利用率指在一定車間的面積上，充分合理的利用車間面積，科學(xué)安排生產(chǎn)線，合理布置各道生產(chǎn)工序，實(shí)現(xiàn)各道工序之間的無縫隙連接，在滿足生產(chǎn)需要的同時(shí)減少了土地成本，使投資效益最大化；空間利用率在一定車間的空間上，充分合理的利用車間空間，科學(xué)安排工裝夾具及桁車等裝備，高效利用空間可有效提升面積利用率，在一定程度上，面積和空間利用率相互影響；
[0020]5)車間布局的可拓展性P5
[0021]制造環(huán)境的不確定性將導(dǎo)致制造企業(yè)頻繁地改變車間布局，實(shí)現(xiàn)對(duì)車間進(jìn)行參數(shù)化布局和動(dòng)態(tài)調(diào)度，特別同時(shí)存在多種生產(chǎn)組織模式的復(fù)雜車間尤為突出，車間布局的可拓展性對(duì)于適應(yīng)當(dāng)前激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的環(huán)境下尤為重要；
[0022]6)其他布局參數(shù)P6
[0023]除上述定量目標(biāo)參數(shù)(P1 -P5),還有一些定性布置目標(biāo)，如:動(dòng)線合理性、物料搬運(yùn)活性系數(shù)水平及車間自動(dòng)化水平等，也是車間布局過程中所要考慮的重要因素，已轉(zhuǎn)換為集成布置動(dòng)態(tài)約束的弱約束表征；
[0024]對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行歸一加權(quán)處理，車間布局的目標(biāo)函數(shù)可表示為:
[0025]

【權(quán)利要求】
1.一種模擬人體細(xì)胞演化的復(fù)雜作業(yè)車間布局方法，具體步驟如下: 步驟1.多目標(biāo)布局函數(shù)的確定； 復(fù)雜作業(yè)制造企業(yè)規(guī)模越來越大，而土地資源越來越緊張，同時(shí)受到全球性經(jīng)濟(jì)疲軟和產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈的影響，企業(yè)希望通過新廠房布局優(yōu)化設(shè)計(jì)和老廠房布局調(diào)整解決原有車間布局不合理、降低土地、設(shè)備和物流成本，同時(shí)保證布局有足夠的柔性和可拓展性以應(yīng)對(duì)環(huán)境的不確定性以及過多的隨機(jī)擾動(dòng)，提出復(fù)雜作業(yè)車間布局的目標(biāo)函數(shù)； 1)設(shè)備投資成本P1 機(jī)器設(shè)備成本是布置中要考慮的一個(gè)重要因素，特別是復(fù)雜作業(yè)車間，其周期性多階段生產(chǎn)的特點(diǎn)容易造成機(jī)器設(shè)備的過量配置； 2)在制品庫存量P2 要控制加工過程中各個(gè)工序間在制品量，在確保生產(chǎn)穩(wěn)定、產(chǎn)能最大化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)工序間在制品庫存最小，是生產(chǎn)過程的最優(yōu)狀態(tài)； 3)物流量距P3 物流搬運(yùn)費(fèi)用最小化是傳統(tǒng)布置評(píng)價(jià)目標(biāo)；復(fù)雜作業(yè)車間生產(chǎn)的產(chǎn)品多、工藝路線較多、交叉較為頻繁，所以要根據(jù)不同產(chǎn)品組合選擇合理的生產(chǎn)工藝路線以減少其交叉，同時(shí)考慮搬運(yùn)距離以達(dá)到 總物流量距最?。辉趯?shí)施過程中要避免盲目追求物料傳輸費(fèi)用最小，要統(tǒng)籌兼顧車間設(shè)備布局的整體規(guī)劃； 4)車間占空比P4 車間占空比主要包含車間面積利用率和空間利用率。面積利用率指在一定車間的面積上，充分合理的利用車間面積，科學(xué)安排生產(chǎn)線，合理布置各道生產(chǎn)工序，實(shí)現(xiàn)各道工序之間的無縫隙連接，在滿足生產(chǎn)需要的同時(shí)減少了土地成本，使投資效益最大化；空間利用率在一定車間的空間上，充分合理的利用車間空間，科學(xué)安排工裝夾具及桁車等裝備，高效利用空間可有效提升面積利用率，在一定程度上，面積和空間利用率相互影響； 5)車間布局的可拓展性P5 制造環(huán)境的不確定性將導(dǎo)致制造企業(yè)頻繁地改變車間布局，實(shí)現(xiàn)對(duì)車間進(jìn)行參數(shù)化布局和動(dòng)態(tài)調(diào)度，特別同時(shí)存在多種生產(chǎn)組織模式的復(fù)雜車間尤為突出，車間布局的可拓展性對(duì)于適應(yīng)當(dāng)前激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的環(huán)境下尤為重要； 6)其他布局參數(shù)P6 除上述定量目標(biāo)參數(shù)(P1-P5),還有一些定性布置目標(biāo)，如:動(dòng)線合理性、物料搬運(yùn)活性系數(shù)水平及車間自動(dòng)化水平等，也是車間布局過程中所要考慮的重要因素，已轉(zhuǎn)換為集成布置動(dòng)態(tài)約束的弱約束表征； 對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行歸一加權(quán)處理，車間布局的目標(biāo)函數(shù)可表示為:Min(Op) = OP1+ βΡ2 + χΡ% + δ(\ -Ρ4) + φ(1-Ρ5) + φΡ6(I) 式中α, β, χ, δ, φ, f為相對(duì)系數(shù)。 為Pareto解的展示方便，把上述公式變換為:
W1 = a P1+β P2+χ P3 (2)
W2 = δ (1-P4)+ φ (1-P5) (3)W\ =φΡ(,(4)
其中W1為直接費(fèi)用，W2為重要因素，W3為其他因素。 步驟2人體細(xì)胞演化模擬設(shè)計(jì)； . 2.1細(xì)胞機(jī)模型 細(xì)胞機(jī)是D維空間中一組細(xì)胞單元組成的陣列，每個(gè)細(xì)胞單元處于狀態(tài)空間中的某種狀態(tài)，各細(xì)胞單元下一時(shí)刻的轉(zhuǎn)移狀態(tài)根據(jù)相應(yīng)的鄰域函數(shù)規(guī)則(確定領(lǐng)域范圍及其到轉(zhuǎn)移狀態(tài)的映射)和各時(shí)間階的領(lǐng)域狀態(tài)配置(確定領(lǐng)域中細(xì)胞單元的狀態(tài))進(jìn)行更新。
, ^為細(xì)胞單元的D維空間地址索引值，,為細(xì)胞機(jī)的鄰域半 D-1.徑；
為空間結(jié)構(gòu)(其中為模Iii的整數(shù)集);Zq為狀態(tài)空間:細(xì)胞機(jī)中細(xì)胞單元？的狀態(tài)取值范圍；為鄰域函數(shù)規(guī)則；B為邊界條件。 細(xì)胞機(jī)初始拓?fù)湫螒B(tài)固有的機(jī)理缺欠和“混沌邊緣”屬性使其在模擬車間布局的時(shí)候缺乏足夠的流動(dòng)性(人工智能交互)，細(xì)胞機(jī)與車間布局系統(tǒng)相關(guān)屬性對(duì)比如表1所示； 表1細(xì)胞機(jī)與車間布局系統(tǒng)相關(guān)屬性對(duì)比
基于車間布局要素實(shí)體建立對(duì)應(yīng)細(xì)胞，將種群個(gè)體安排在二維的環(huán)形網(wǎng)格，將Agent機(jī)制引入二維細(xì)胞模型空間，定義、封裝并擴(kuò)展作業(yè)層和擾動(dòng)層細(xì)胞為具有自主性的智能型細(xì)胞。通過上述屬性比對(duì)和細(xì)胞封裝，使部分細(xì)胞具有自主性的智能細(xì)胞； 采用二維細(xì)胞機(jī)作為建模的工具，即D = 2。模型中根據(jù)不同實(shí)體的幾何屬性將細(xì)胞分成多類，不同類型的細(xì)胞所占據(jù)的網(wǎng)格數(shù)目不同；設(shè)備實(shí)體，根據(jù)需要可以是一臺(tái)獨(dú)立的生產(chǎn)設(shè)備，也可以是一個(gè)包括數(shù)臺(tái)機(jī)器的生產(chǎn)單元，或是一條裝配線；實(shí)體格點(diǎn)之間的聯(lián)線代表可能的物流路徑和工藝路徑，這樣構(gòu)成一個(gè)二維不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)；實(shí)體以其功能、容量和狀態(tài)等屬性而體現(xiàn)其作用，當(dāng)某一實(shí)體及其關(guān)聯(lián)對(duì)象的屬性狀態(tài)滿足作業(yè)活動(dòng)要求時(shí)作業(yè)發(fā)生，系統(tǒng)物流“涌現(xiàn)”于作業(yè)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)實(shí)體發(fā)生的作業(yè)活動(dòng)的自組織相互作用之中；構(gòu)建描述復(fù)雜作業(yè)車間布局的細(xì)胞機(jī)抽象，描述其狀態(tài)空間、空間結(jié)構(gòu)、邊界條件及領(lǐng)域函數(shù)規(guī)則，根據(jù)原型特征與集成布局動(dòng)態(tài)約束設(shè)定格點(diǎn)屬性并抽象出細(xì)胞機(jī)自演化機(jī)制；將Agent機(jī)制引入二維細(xì)胞模型空間，定義、封裝并擴(kuò)展作業(yè)層和擾動(dòng)層細(xì)胞為具有自主性的智能型細(xì)胞，充分利用Agent具有的自治特性，解決復(fù)雜作業(yè)車間布局的動(dòng)態(tài)性問題；. 2.2差分智能細(xì)胞算法 . 2.2.1差分演化策略 1)根據(jù)差分演化策略構(gòu)建選擇、交叉、變異(實(shí)體細(xì)胞平移、旋轉(zhuǎn)、合并、交換等)； 2)如果子代支配當(dāng)前個(gè)體，或者子代和當(dāng)前個(gè)體都處于非支配地位，且子代個(gè)體優(yōu)于當(dāng)前個(gè)體，則子代個(gè)體代替當(dāng)前個(gè)體，同時(shí)將該非支配的個(gè)體存放到信息文檔中； 3)對(duì)這些信息文檔存放好的個(gè)體性能優(yōu)劣進(jìn)行排序，若非支配個(gè)體超過了規(guī)定的容量，則將其中性能最劣的個(gè)體刪除； 4)在迭代過程中考慮車間調(diào)度關(guān)鍵指標(biāo)(按時(shí)交貨率、工件質(zhì)量、設(shè)備稼動(dòng)率、工件總流動(dòng)時(shí)間和延期總工件數(shù))； 5)在每代結(jié)束時(shí)，從信息文檔中選一些個(gè)體代替相同數(shù)量的原始種群中的個(gè)體，使信息文檔中的非支配個(gè)體在保持多樣性的同時(shí)，能朝著Pareto最優(yōu)前端的方向不斷逼近； . 2.2.2適應(yīng)度函數(shù)選擇及智能細(xì)胞機(jī)更新 采用腦模型聯(lián)接控制器的混合遺傳算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，自適應(yīng)調(diào)節(jié)，使得車間布局多目標(biāo)優(yōu)化的過程具有智能化和自適應(yīng)性，將目標(biāo)函數(shù)適當(dāng)改變作為適應(yīng)度函數(shù):
在訓(xùn)練學(xué)習(xí)中，要設(shè)置誤差上限ε，若IF(Xj)-Ftl(Xj) I ( ε，那么該學(xué)習(xí)是有效的；若IF(Xj)-F0(Xj) |> ε，則應(yīng)重新進(jìn)行學(xué)習(xí)，直至符合誤差要求為止； 設(shè)定修正算子和終止條件，同時(shí)使細(xì)胞種群不斷進(jìn)行更新操作，依據(jù)停止規(guī)則決定是否循環(huán)，最終尋找車間布局方案； . 2.3動(dòng)態(tài)差分智能細(xì)胞算法 由于復(fù)雜作業(yè)車間特性，多品種、中大批量、任務(wù)型生產(chǎn)和流水型生產(chǎn)高度集成；加工批量和轉(zhuǎn)運(yùn)批量動(dòng)態(tài)化、制造資源呈現(xiàn)多樣性和動(dòng)態(tài)性、不同產(chǎn)品的加工路線差異可能會(huì)很大且非線性；系統(tǒng)中的“供需關(guān)系”的不確定性、環(huán)境的不確定性以及過多的隨機(jī)訂單擾動(dòng)； 要解決該類車間布局問題，其布局應(yīng)具備良好的柔性和可拓展性，加入動(dòng)態(tài)變量f；d(t)，若外部環(huán)境擾動(dòng)超過某一數(shù)量時(shí)，則啟動(dòng)車間布局重新優(yōu)化；
其中a為外界環(huán)境擾動(dòng)率。
【文檔編號(hào)】G06Q10/06GK104077630SQ201410227492
【公開日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年5月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月26日
【發(fā)明者】王亞良, 馮定忠, 陳勇 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)