可重构装配系统体系结构及其重构算法的研究

本文的研究内容是围绕国家“973”计划支持项目“基于智能制造单元的可重构装配生产线基础理论与实现方法研究”展开的。本研究以汽车减速箱装配生产线为实际背景，主要工作由四部分组成：对汽车减速箱的产品结构、装配工艺特征深入分析的基础上，提出了主干线和装配模块相结合的组织结构建模方法；利用网络法进行分析装配系统的三个重构过程，提出了适用于增容性、鲁棒性、适应新产品重构的优化算法；建立了基于多Agent系统的混合控制体系结构，利用JADE平台进行具体软件编程，实现了可重构装配生产线的控制系统；最后将组织结构建模、控制结构建模、重构优化算法有效的结合成统一整体，通过对Agent之间协商机制的研究，最终实现了可重构装配系统的实时重构、调度和控制，初步形成基于智能制造单元的汽车减速箱可重构装配系统的基本理论框架和方法体系。首先对汽车减速箱的产品结构、装配工艺特征进行了深入分析，从而形成了基于功能对象的产品族划分方法。在此基础上，根据模块化的设计思想，提出了主干线和装配模块相结合的可重构装配系统的开放式组织结构。通过引入缓冲区和多功能工作站，使得装配系统具有能力柔性、鲁棒性、功能扩展能力等特点，并能够通过模块的局部调整快速响应市场的需求。利用随机过程的基本原理，在建立缓冲区状态数学模型的基础上，以缓冲区被充满概率最小化为目标，通过递进算法确定缓冲区容量。讨论了可重构装配系统的两个规划问题：负荷平衡和多品种排序。阐述了混合模型产品的装配任务优先图和优先矩阵的合并，建立负荷平衡问题的数学模型，并总结了目前存在的求解方法。在归纳投产排序的优化模型和目标函数的基础上，介绍了生产比倒数法、试探法、循环改进法等优化方法。重构过程的优化是可重构装配系统研究的一个重要方面。利用网络法的基本原理，针对扩大生产能力、设备故障和新产品到达的三种系统重构要求，给出了相应的重构算法。通过装配操作向多功能工作站的转移以实现装配系统的增容；以工期延长最短为优化目标，利用网络法中的组织优化原则实现系统的鲁棒性重构；以最大候选原则的基本原理为基础，提出了基于固定设备约束的重构算法用于系统适应新产品的重构。在分析传统控制系统体系结构的基础上，根据可重构装配系统组织结构的特征，提出了基于多Agent系统的混合控制体系结构，它结合了递阶结构和分布式控制的优点，使得更有利于实现可重构装配系统的实时控制、调度和重构。为了对Agent进行建模和实现，在遵守FIPA规范的前提下，以汽车减速箱装配系统为背景，利用JADE开发平台，进行了各层Agent的实例开发，包括Agent属性描述、行为定义、通讯机制以及交互界面设计和Agent具体功能的编程实现。可重构装配系统重构过程的实现机理体现为多Agent之间的有效协商。在对现有Agent协商模型深入分析的基础上，针对鲁棒性、增容性、适应新产品的装配系统三个重构问题，提出了多Agent系统的协商机制，主要包括协商问题的形式化描述、协商模型、协商策略，结合相应的重构算法实现装配系统的重构。给出了Agent协商过程中存在的主要冲突和消解方法。通过多Agent系统协商实现可重构装配系统重构、调度和控制，充分体现了控制系统集中规划与分布式求解相结合的优点。