基于多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)的制造業(yè)生產(chǎn)線智能調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林斌鈿

（廣東省技師學(xué)院，廣東博羅，516100）

0 引言

傳統(tǒng)的制造業(yè)生產(chǎn)線智能調(diào)度系統(tǒng)是通過對生產(chǎn)設(shè)備機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行感知，制定出對應(yīng)的生產(chǎn)調(diào)度策略，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)線的智能調(diào)度[1]。隨著制造業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，調(diào)度對象的數(shù)目也在不斷增多。使得制造業(yè)的用電負(fù)荷與日俱增，將生產(chǎn)機(jī)組設(shè)備的用電負(fù)荷作為調(diào)度因素的重點(diǎn)規(guī)劃是極為必要的，否則無法維系生產(chǎn)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，生產(chǎn)車間的生產(chǎn)目標(biāo)正在由生產(chǎn)數(shù)量逐步向生產(chǎn)質(zhì)量發(fā)展，由此對車間生產(chǎn)機(jī)組的性能也提出了更高的要求[2]。為滿足生產(chǎn)質(zhì)量的需求，各生產(chǎn)線進(jìn)口了不同規(guī)模與型號的生產(chǎn)設(shè)備。這就導(dǎo)致傳統(tǒng)的智能調(diào)度系統(tǒng)采集到的生產(chǎn)設(shè)備信息具有多源性、復(fù)雜性。導(dǎo)致傳統(tǒng)調(diào)度系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)對大基數(shù)的設(shè)備信息進(jìn)行處理與調(diào)度。同時(shí)，由于生產(chǎn)設(shè)備機(jī)組在不同時(shí)段的用電負(fù)荷具有較大差異，如果將不同時(shí)段視為同一個(gè)整體進(jìn)行調(diào)度，會(huì)出現(xiàn)較大的用電資源浪費(fèi)，不利于節(jié)能減排的實(shí)現(xiàn)。因此，為滿足生產(chǎn)效率、減少機(jī)組的用電耗能，需在不同使用時(shí)段下提出對應(yīng)的調(diào)度策略。多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)理論可通過對不同時(shí)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)調(diào)，提出具體可行的協(xié)調(diào)策略，可為智能調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論上的參考[3]。

1 基于多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)的制造業(yè)生產(chǎn)線智能調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從實(shí)際需求出發(fā)，結(jié)合多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)理論，將采用日前調(diào)度的形式對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行智能調(diào)度[4]。調(diào)度系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。為滿足制造業(yè)的生產(chǎn)需求，將智能調(diào)度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為三層，分別為顯示層、業(yè)務(wù)層以及數(shù)據(jù)層。日前調(diào)度主要由業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層共同實(shí)現(xiàn)，通過對制造業(yè)生產(chǎn)日期前一天與當(dāng)天進(jìn)行不同的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的錯(cuò)峰使用，提高生產(chǎn)設(shè)備的使用周期。

圖1 制造業(yè)生產(chǎn)線智能調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于制造業(yè)的生產(chǎn)線通常由多方數(shù)據(jù)組成，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)層對多方數(shù)據(jù)的整體調(diào)用與處理，需對多源數(shù)據(jù)集成器進(jìn)行設(shè)計(jì)，為數(shù)據(jù)層功能的實(shí)現(xiàn)提供良好的硬件支持。本次數(shù)據(jù)集成器選用的是核心控制芯片HLM8303 的數(shù)據(jù)集中器，利用HDMI 線將集成器連接客戶端平臺以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通過萬維網(wǎng)對集成器的向上運(yùn)行提供支持。為提高數(shù)據(jù)集成器的處理性能，需對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 HLM8303多源數(shù)據(jù)集成器配置參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)對多源集成器進(jìn)行對應(yīng)的配置調(diào)整，并通過GPRS/CDMA 通訊口與終端控制器進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)與控制中心的交互功能。系統(tǒng)硬件框架如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框架圖

同時(shí)，為避免能耗過大或數(shù)據(jù)處理能力較弱，多元數(shù)據(jù)集成器的參數(shù)配置需要在一定數(shù)值范圍內(nèi)進(jìn)行。通過線性優(yōu)化，將集成器與數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過對線性關(guān)聯(lián)的具體范圍內(nèi)的多源數(shù)據(jù)集成器進(jìn)行參數(shù)配置，可保證集成器數(shù)據(jù)處理性能的同時(shí)以較少的能耗進(jìn)行工作。同時(shí)在客戶端與服務(wù)器的終端位置，也需安裝一個(gè)數(shù)據(jù)集成器，以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)總數(shù)據(jù)的采集與管理。對于制造業(yè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)設(shè)備，需對不同型號的生產(chǎn)設(shè)備采用相同的數(shù)據(jù)提取模型，以實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)管理。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了完成制造業(yè)生產(chǎn)線智能調(diào)度系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，需要對生產(chǎn)設(shè)備的信息進(jìn)行采集與處理，以完成生產(chǎn)設(shè)備日前調(diào)度模型。首先通過傳感器對設(shè)備信息進(jìn)行采集。并將采集到的信息傳輸?shù)浇K端控制器，然后通過數(shù)據(jù)處理模塊對設(shè)備信息進(jìn)行預(yù)處理，并將處理后的信息輸入數(shù)據(jù)層進(jìn)行儲(chǔ)存與調(diào)用。最后將采集并處理完成的制造業(yè)生產(chǎn)設(shè)備信息作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集，構(gòu)建出不同時(shí)段的日前調(diào)度模型。

1.2.1 制造業(yè)生產(chǎn)線生產(chǎn)設(shè)備信息采集與處理

為對制造業(yè)生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度，首先要對生產(chǎn)設(shè)備的信息進(jìn)行采集與處理，通過安裝傳感器對設(shè)備信息進(jìn)行采集。設(shè)備信息包括設(shè)備工藝狀態(tài)、設(shè)備轉(zhuǎn)速、開關(guān)狀態(tài)、絞邊狀態(tài)以及視頻監(jiān)控。同時(shí)還需對車間的環(huán)境信息進(jìn)行采集，包括車間的溫度、粉塵濃度以及含水量。生產(chǎn)設(shè)備以及車間環(huán)境的具體信息經(jīng)由傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，傳輸?shù)浇K端控制器，通過數(shù)據(jù)處理模塊對設(shè)備信息進(jìn)行預(yù)處理，處理后重新輸入數(shù)據(jù)層進(jìn)行儲(chǔ)存與調(diào)用。

孤獨(dú)森林算法適用于全局的異常點(diǎn)敏感檢測，可對大規(guī)模數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理，因此選用該算法對制造業(yè)生產(chǎn)車間的設(shè)備數(shù)據(jù)信息進(jìn)行異常值的檢測，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

首先將采集到的設(shè)備信息設(shè)定為一個(gè)集合A，在該集合中放入m 條數(shù)據(jù)，設(shè)其中的一條數(shù)據(jù)為d，令該數(shù)據(jù)遍歷孤立樹，得到具體的遍歷長度h(d)，數(shù)據(jù)d 在孤立樹的平均遍歷長度為C(m)，可計(jì)算出數(shù)據(jù)d 的異常分?jǐn)?shù)S，具體表達(dá)式如下：

根據(jù)上述公式可知，當(dāng)數(shù)據(jù)d 在孤立樹中遍歷的平均長度小于對應(yīng)的異常分?jǐn)?shù)，且異常分?jǐn)?shù)的值在0.5 以下時(shí)，說明該數(shù)據(jù)為正常數(shù)據(jù)。若不符合以上條件則為異常數(shù)據(jù)，需對其進(jìn)行剔除，剔除后即可得到完整穩(wěn)定的數(shù)據(jù)源。

根據(jù)上述步驟即可實(shí)現(xiàn)對制造業(yè)生產(chǎn)線生產(chǎn)設(shè)備的信息采集與數(shù)據(jù)處理，保證數(shù)據(jù)源的可靠性，為后續(xù)的智能調(diào)度提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.2.2 建立生產(chǎn)設(shè)備日前調(diào)度模型

將采集并處理完成的制造業(yè)生產(chǎn)設(shè)備信息作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集，構(gòu)建出不同時(shí)段的日前調(diào)度模型，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

首先對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行建立，以生產(chǎn)設(shè)備機(jī)床的耗電成本、啟動(dòng)成本和調(diào)度成本最優(yōu)化為目標(biāo)，建立出的目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式如下：

其中，T代表實(shí)行日前調(diào)度的時(shí)段總數(shù)，N代表生產(chǎn)機(jī)床設(shè)備總數(shù)，t 代表調(diào)度的某一時(shí)段。Pj、Pw和Py分別代表生產(chǎn)設(shè)備機(jī)床的耗電成本、啟動(dòng)成本和調(diào)度成本。調(diào)度成本包括可平移的負(fù)荷調(diào)度成本以及可削減的負(fù)荷調(diào)度成本。

對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行約束，使目標(biāo)函數(shù)成立的概率在某一置信水平之下，具體約束表達(dá)式如下：

其中，CT代表置信表達(dá)式，分別代表制造業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行上限以及爬坡速度，δ代表備用功率系數(shù)，β和ε分別代表制造業(yè)生產(chǎn)設(shè)備目標(biāo)函數(shù)在的平均約束和備用約束條件成立下對應(yīng)的置信水平。

對于可削減負(fù)荷的調(diào)度成本，具體約束條件是每個(gè)使用者只能選擇一種模式切換的方式參與調(diào)度。對于可平移負(fù)荷的調(diào)度成本，具體的約束條件為在某一時(shí)間段內(nèi)平移次數(shù)為一次，具體表達(dá)式如下：

其中，ton代表連續(xù)調(diào)用時(shí)間的最小值，?t代表接收響應(yīng)的平移距離。

通過不同時(shí)段的日前調(diào)度，可確定生產(chǎn)設(shè)備的多方調(diào)度成本，對不同時(shí)段的調(diào)度成本的約束條件進(jìn)行整合，即可構(gòu)建不同時(shí)段的日前調(diào)度模型，該模型可針對不同時(shí)段制定對應(yīng)的日內(nèi)調(diào)度計(jì)劃。

根據(jù)上述步驟即可構(gòu)建出不同時(shí)段的日前調(diào)度模型，將該模型內(nèi)容與生產(chǎn)設(shè)備信息采集處理進(jìn)行集合，構(gòu)成本智能調(diào)度系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。結(jié)合上文的硬件設(shè)計(jì)與整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，至此，基于多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)的制造業(yè)生產(chǎn)線智能調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成。

2 實(shí)驗(yàn)部分

為證明提出的基于多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)的制造業(yè)生產(chǎn)線智能調(diào)度系統(tǒng)比常規(guī)的調(diào)度系統(tǒng)具有較高的負(fù)荷控制能力，對該系統(tǒng)的實(shí)際調(diào)度效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本次實(shí)驗(yàn)選取的實(shí)驗(yàn)對象為某電力企業(yè)生產(chǎn)線的兩組火電機(jī)組以及兩組電力機(jī)組。選取的對比對象為傳統(tǒng)的基于態(tài)勢感知的制造業(yè)生產(chǎn)線智能調(diào)度系統(tǒng)，通過使用兩種系統(tǒng)對不同機(jī)組進(jìn)行調(diào)度，比較兩種智能調(diào)度系統(tǒng)的調(diào)度效果。兩個(gè)機(jī)組的工作日負(fù)荷曲線如圖所3 示。

圖3 日負(fù)荷曲線

通過采用兩種智能調(diào)度系統(tǒng)，在上午和下午兩個(gè)時(shí)段對四組生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行調(diào)度，記錄下機(jī)組的負(fù)荷值，并對負(fù)荷峰谷差進(jìn)行計(jì)算。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)采取的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為生產(chǎn)機(jī)組的負(fù)荷峰谷差值，該值越小代表調(diào)度系統(tǒng)給出的調(diào)度策略越合理，說明調(diào)度系統(tǒng)對生產(chǎn)設(shè)備電力負(fù)荷的調(diào)度能力越強(qiáng)。負(fù)荷峰谷差的值可通過機(jī)組電力負(fù)荷的峰值與谷值作差求得，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 生產(chǎn)設(shè)備負(fù)荷峰谷差對比

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，智能調(diào)度系統(tǒng)在不同時(shí)間段對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行調(diào)度時(shí)，設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)也有所不同。傳統(tǒng)的智能調(diào)度系統(tǒng)在對火電機(jī)組以及電力機(jī)組進(jìn)行調(diào)度后，生產(chǎn)設(shè)備的電力負(fù)荷較大，且負(fù)荷峰谷差也較大，單一時(shí)段內(nèi)最高峰谷差可達(dá)到69.52kW，且對于相同類型的生產(chǎn)設(shè)備，如果調(diào)度后的電力負(fù)荷相差較大，說明傳統(tǒng)的生產(chǎn)線智能調(diào)度系統(tǒng)的調(diào)度策略浪費(fèi)了不必要的電力資源，其調(diào)度能力較弱，無法滿足對制造業(yè)生產(chǎn)線的智能調(diào)度需求。而本文提出的智能調(diào)度系統(tǒng)在對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行調(diào)度時(shí)，機(jī)組負(fù)荷峰谷差明顯控制得更好，最高負(fù)荷峰谷差值僅為55.61kW。且對于同一類型的生產(chǎn)設(shè)備，調(diào)度后的電力負(fù)荷值較為一致，說明本文提出的智能調(diào)度系統(tǒng)的調(diào)度性能更加穩(wěn)定，能夠提出更為科學(xué)的調(diào)度策略，且對電力資源進(jìn)行了有效地節(jié)約，在保證生產(chǎn)設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行的同時(shí)也做到了節(jié)能減排，能夠滿足制造業(yè)對生產(chǎn)設(shè)備的調(diào)度需求。這是由于本文提出的智能調(diào)度系統(tǒng)與多時(shí)間尺度進(jìn)行了有效結(jié)合，對生產(chǎn)設(shè)備機(jī)組的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集，以耗電成本、啟動(dòng)成本和調(diào)度成本為目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建出了不同時(shí)段的日前調(diào)度模型，可以實(shí)現(xiàn)對制造業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的科學(xué)合理調(diào)度。

3 結(jié)論

本文所提出的制造業(yè)生產(chǎn)線智能調(diào)度系統(tǒng)與多時(shí)間尺度進(jìn)行了有效結(jié)合，通過對不同時(shí)段的調(diào)度成本進(jìn)行約束，構(gòu)建出的日前調(diào)度模型可對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)度。在保證制造業(yè)生產(chǎn)車間正常運(yùn)行的同時(shí)，能夠有效地減少電力資源的浪費(fèi)，做到節(jié)能減排。能夠?yàn)楣芾韺拥恼{(diào)度決策提供可靠的參考數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化調(diào)度分析，滿足制造業(yè)對生產(chǎn)設(shè)備的智能調(diào)度需求。在保證生產(chǎn)效率的同時(shí)，提高了機(jī)組運(yùn)行的負(fù)荷率，有利于規(guī)劃生產(chǎn)設(shè)備錯(cuò)峰用電，實(shí)現(xiàn)電力資源使用的最大化。在今后的研究工作中，還需對錯(cuò)峰管理調(diào)度進(jìn)行更深入的研究。