基于MES系統(tǒng)的數(shù)字工廠調(diào)度方法研究

摘 要：為了適應(yīng)制造業(yè)自動化、數(shù)字化改造的時代需求，本文以MES系統(tǒng)為核心技術(shù)，構(gòu)建了制造業(yè)數(shù)字工廠的體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了物理車間與數(shù)字車間的聯(lián)系。設(shè)計了一種多目標(biāo)優(yōu)化的物料調(diào)度方法，充分考慮了4種約束條件，包括距離運輸、運輸力約束、運輸量約束和權(quán)重約束，并以液壓支架下料過程為對象進行試驗研究。試驗結(jié)果證實了本文方法的有效性。

關(guān)鍵詞：MES系統(tǒng)；數(shù)字工廠；調(diào)度方法；液壓支架；下料試驗

中圖分類號：TP 311" 文獻標(biāo)志碼：A

在數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化技術(shù)日新月異的發(fā)展中，以人工智能、大數(shù)據(jù)分析以及云計算為代表的新興信息技術(shù)具有無可替代的作用，它們以前所未有的速度和廣度滲透到各行各業(yè)，并以其強大的賦能能力，對傳統(tǒng)行業(yè)進行全方位、深層次的重塑[1]。例如制造業(yè)以數(shù)字工廠這種全新模式，將物料供給、制造加工和物流配送等集成在數(shù)字化管理系統(tǒng)之下，顯著提升了制造業(yè)的產(chǎn)出效率。MES系統(tǒng)是數(shù)字工廠的重要組成部分，是一種用于監(jiān)控和控制車間生產(chǎn)的計算機系統(tǒng)，可實時數(shù)據(jù)采集并分析，為數(shù)字工廠提供精細(xì)化管理和優(yōu)化的基礎(chǔ)[2]。數(shù)字工廠利用MES系統(tǒng)對生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)控和管理，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。MES系統(tǒng)能夠有效連接管理層和車間執(zhí)行層，形成生產(chǎn)計劃從指定、下達、執(zhí)行到反饋/控制的閉環(huán)。還可以根據(jù)不同行業(yè)的特定需求進行定制，例如在機械加工、注塑和光學(xué)檢測等領(lǐng)域，數(shù)字化制造有助于提高技術(shù)含量和產(chǎn)品質(zhì)量[3]。本文將對MES系統(tǒng)進行數(shù)字工廠框架設(shè)計，給出智能化的物料調(diào)度方法，并通過試驗加以驗證。

1 基于MES系統(tǒng)的數(shù)字工廠架構(gòu)設(shè)計

數(shù)字工廠的構(gòu)建思路是運用信息化技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)，對制造業(yè)的供給系統(tǒng)、加工制造系統(tǒng)和配送系統(tǒng)進行數(shù)字化建模，從而形成虛擬數(shù)字工廠和實體物理工廠的對應(yīng)。通過調(diào)度算法控制，使數(shù)字工廠和實體工廠間達到一一對應(yīng)的關(guān)系。由此，在數(shù)字工廠端進行操作和控制，就可以最終演變?yōu)閷嶓w工廠的操作，從而提升制造加工和輔助環(huán)節(jié)的效率。

MES系統(tǒng)是Manufacturing Execution System的簡稱，意為生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)。在信息化時代下，MES系統(tǒng)的核心是進行信息化、數(shù)字化建模，這一點與數(shù)字工廠的思想是一致的。通過設(shè)計信息化模型，實現(xiàn)從生產(chǎn)規(guī)劃到生產(chǎn)執(zhí)行的統(tǒng)一。

本文基于MES系統(tǒng)進行數(shù)字工廠的總體設(shè)計，提出多層次的MES系統(tǒng)常規(guī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計。該系統(tǒng)包括多個層次，位于底部的層次偏向于設(shè)備、器材等硬件，位于上部的層次偏向于數(shù)據(jù)和管理。這些層次彼此連接，互為支撐，共同為制造加工的過程服務(wù)。常規(guī)的MES系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計框架如圖1所示。

常規(guī)的MES系統(tǒng)雖然利用層次間的關(guān)聯(lián)建立了軟件和硬件、數(shù)據(jù)和設(shè)備間的聯(lián)系，但是仍存在一些問題。1） 軟件和硬件間、數(shù)據(jù)和設(shè)備間缺乏一個信息化的可視可控的數(shù)字模型，無法承載更多信息，也無法實現(xiàn)工廠級別的擴容和拓展。2） 從整個控制過程、生產(chǎn)計劃到生產(chǎn)執(zhí)行的演變，都無法進行可視化，高級管理者和設(shè)備間也無法直接對話，整個控制過程無法進行有效交互。3） 各級控制指令和任務(wù)的布置主要由人來完成，無法實現(xiàn)真正意義上的加工制造的自動化，也無法以最快的速度對現(xiàn)場條件的變化進行調(diào)整和應(yīng)對。因此，本文從數(shù)字工廠的理念出發(fā)，對MES系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)進行了改造設(shè)計，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

與圖1相比，圖2中的MES系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，劃分出了明確的物理車間和數(shù)字車間，符合數(shù)字工廠從虛擬到實體的映射關(guān)系。利用靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)信息的流動，最大限度地保持了2個車間信息、數(shù)據(jù)、操作和控制的一致性。此外，面板系統(tǒng)的配置使整個MES系統(tǒng)具備了可視化功能，也為控制者和操作過程間的交互提供了暢通的渠道。

2 基于多目標(biāo)優(yōu)化的物料調(diào)度方法設(shè)計

在制造業(yè)的數(shù)字工廠中，利用MES系統(tǒng)為物理車間配置所需原料、自動化完成調(diào)度和配送是一項非常重要的工作，直接決定了數(shù)字工廠能否順利、高效地完成預(yù)期的加工任務(wù)。本文將液壓支架的下料問題作為一個具體化的研究對象，來闡述制造業(yè)數(shù)字工廠物料調(diào)度方法的設(shè)計。

對于調(diào)度問題，需要調(diào)度的物料總量為多少，調(diào)度的距離有多遠，調(diào)度的物料總面積（工序）有多少，都是調(diào)度總體任務(wù)需要考慮的具體問題。因此，制造業(yè)數(shù)字工廠中的物料調(diào)度就演變?yōu)橐粋€多目標(biāo)優(yōu)化模型。本文構(gòu)建了如公式（1）所示的物料調(diào)度模型。

式中：M為制造業(yè)數(shù)字工廠物料調(diào)度總量；e為制造業(yè)數(shù)字工廠的第e次調(diào)度；n為制造業(yè)數(shù)字工廠的調(diào)度總次數(shù)；ρe為制造業(yè)數(shù)字工廠第e次調(diào)度對完成總體任務(wù)的權(quán)重；Le為制造業(yè)數(shù)字工廠第e次調(diào)度的調(diào)度距離；Ae為制造業(yè)數(shù)字工廠第e次調(diào)度的物料量。

當(dāng)公式（1）所示的多目標(biāo)優(yōu)化模型應(yīng)用于制造業(yè)數(shù)字工廠的物料調(diào)度時，還需要滿足多項約束條件，才能保證調(diào)度算法在自動運行的過程中不超過邊界。

多目標(biāo)優(yōu)化模型中的約束一：每一次物料調(diào)度不能超過運輸力的邊界，該約束的數(shù)學(xué)表示如公式（2）所示。

σ1≤σe≤σ2 （2）

式中：σe為第e次調(diào)度的實際運輸力的數(shù)值；σ1為第e次調(diào)度的最小運輸力；σ2為第e次調(diào)度的最大運輸力。

多目標(biāo)優(yōu)化模型中的約束二：每一次物料調(diào)度不能超過運輸距離的邊界，該約束的數(shù)學(xué)表示如公式（3）所示。

s1≤se≤s2 （3）

式中：se為第e次調(diào)度的實際運輸距離的數(shù)值；s1為第e次調(diào)度的最小運輸距離；s2為第e次調(diào)度的最大運輸距離。

多目標(biāo)優(yōu)化模型中的約束三：每一次物料調(diào)度不能超過運輸量的邊界，該約束的數(shù)學(xué)表示如公式（4）所示。

A1≤Ae≤A2 （4）

式中：Ae為第e次調(diào)度的實際運輸量的數(shù)值；A1為第e次調(diào)度的最小運輸距離；A為第e次調(diào)度的最大運輸距離。

多目標(biāo)優(yōu)化模型中的約束四：每一次物料調(diào)度不能超過調(diào)度權(quán)重的邊界，該約束的數(shù)學(xué)表示如公式（5）所示。

w1≤we≤w2 （5）

式中：we為第e次調(diào)度的實際調(diào)度權(quán)重；w1為第e次調(diào)度的最小權(quán)重；w2為第e次調(diào)度的最大權(quán)重。

3 MES系統(tǒng)中的液壓支架下料調(diào)度測試試驗

上文分析了數(shù)字工廠和MES系統(tǒng)的關(guān)系，并以MES系統(tǒng)為基礎(chǔ)進行了常規(guī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(shù)字化體系結(jié)構(gòu)設(shè)計。針對MES系統(tǒng)中的核心調(diào)度問題，設(shè)計了基于多目標(biāo)優(yōu)化的調(diào)度方法，構(gòu)建了具體的優(yōu)化模型，并給出了4個約束條件的邊界設(shè)定。為了驗證所提調(diào)度方法對制造業(yè)數(shù)字工廠物料調(diào)度的有效性，本文進行了試驗研究。

試驗以液壓支架下料過程的物料調(diào)度為對象，將基于決策樹模型的調(diào)度方法和基于粒子群模型的調(diào)度方法作為參照方法，與本文提出的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法進行調(diào)度效果比較。第一組試驗主要比較3種方法在調(diào)度過程中的優(yōu)化精度。優(yōu)化精度是指每一次調(diào)度完成后，實際調(diào)度總量和目標(biāo)調(diào)度總量間的相似程度，相似度越高，表明優(yōu)化效果越好。經(jīng)過13次調(diào)度后，液壓支架下料過程的調(diào)度優(yōu)化精度比較如圖3所示。

從圖3可以看出，在13次調(diào)度中，本文提出的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法的優(yōu)化精度均為90%以上，明顯優(yōu)于另外2種方法。次好的是基于粒子群的優(yōu)化調(diào)度方法，最差的是基于決策樹模型的優(yōu)化調(diào)度方法。這一組試驗以不同調(diào)度方法的橫向比較證明了本文方法對液壓支架下料調(diào)度的有效性。

第二組試驗是從調(diào)度過程中的距離約束條件角度，只觀察本文方法的調(diào)度距離的變化。在試驗過程中，隨著調(diào)度總距離不斷增加，本文方法的優(yōu)化精度越來越高。當(dāng)調(diào)度過程接近尾聲時，調(diào)度距離的優(yōu)化精度也達到了97%左右的水平。這一組試驗的結(jié)果曲線如圖4所示。

從第二組試驗可以看出，本文的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法能夠根據(jù)調(diào)度過程逐漸調(diào)整優(yōu)化精度，隨著調(diào)度過程持續(xù)，優(yōu)化精度越來越高。

第三組試驗是從調(diào)度過程中調(diào)度權(quán)重約束條件的角度，只觀察本文方法調(diào)度權(quán)重的調(diào)整。在試驗過程中，隨著調(diào)度次數(shù)不斷增加，本文方法的權(quán)重優(yōu)化精度越來越高。這一組試驗的結(jié)果曲線如圖5所示。

比較圖4和圖5可以看出，調(diào)度權(quán)重的優(yōu)化幅度變化明顯大于調(diào)度距離的優(yōu)化幅度。綜合上述2組試驗，再次證明了本文地多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法對制造業(yè)數(shù)字工廠物料調(diào)度的有效性。

4 結(jié)論

MES系統(tǒng)是數(shù)字工廠的重要組成部分，是一種用于監(jiān)控和控制車間生產(chǎn)的計算機系統(tǒng)，可進行實時數(shù)據(jù)采集和分析，為數(shù)字工廠提供精細(xì)化管理和優(yōu)化的基礎(chǔ)。數(shù)字工廠通過MES系統(tǒng)對生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)控和管理，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。本文以MES系統(tǒng)為基礎(chǔ)，分別進行了常規(guī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(shù)字化設(shè)計。其中，數(shù)字化體系結(jié)構(gòu)對應(yīng)數(shù)字工廠，將物理車間和數(shù)字車間有機地聯(lián)系起來。進而設(shè)計了基于多目標(biāo)優(yōu)化模型的物料調(diào)度方法，并應(yīng)用于液壓支架下料過程的物料調(diào)度，試驗結(jié)果證明該調(diào)度方法具有有效性。

參考文獻

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