复杂离散制造过程建模与性能评价方法研究

离散制造系统是制造业中最为复杂的制造系统之一，其生产特点表现在：生产方式的异步、并行；生产柔性强；调度复杂性高等方面。要实现对复杂离散制造系统的控制，首先必须对其建模。随着制造系统自动化程度提高，规模的增大，组成因素的复杂化，性能评价问题变得日益复杂并越来越受到人们的重视。提供直观的模型描述方法、有效的数学理论工具和模型分析方法及分析软件，是制造系统性能评价迫切需要解决的问题。为此本文进行了以下工作： 首先，提出了一种支持性能评价的制造过程模型框架。该框架体现了车间生产闭环控制机制，全面描述了车间制造过程相关组成要素之间的关系，可用于指导制造过程的建模和基于性能评价的优化控制。模型框架核心部分是生产过程模型、过程控制模型和过程性能模型，这三部分构成了制造过程模型。该过程模型在工厂模型的支持下，由事件模型驱动，受策略模型约束，通过一些过程准则和方法进行测量和监视，对性能相关数据进行统计、分析和评估，反映在性能指标上。 第二，确定了离散车间性能评价指标体系。该指标体系建立了不同性能指标与不同层次、不同类型的制造过程以及不同性能评价主体之间的关联，为选择评价方法奠定了基础。该指标体系按照车间目标将性能指标分为三大类，即时间、质量、成本；每一类细化为三个层次，分别是基本性能指标、扩展性能指标和综合性能指标。 第三，基于随机Petri网建立了具有随机机器故障的制造过程性能模型。该模型包含两个基本的状态转换环，将正常状态和异常情况分别描述；基于故障的随机特征，设置了服从泊松分布的故障发生模块；根据不同的故障发现模式，衍生出若干状态转换环，清晰地将故障发生、发现分离；还考虑了中断作业的处理，使模型更接近实际系统动态行为特征。另外，本文设计了考虑成本信息的作业优先级调度规则，并基于随机高级Petri网（SHLPN）应用到混流装配线动态调度问题中；针对流水线上存在的一类共享资源—维修工人，建立了考虑系统状态的维修排序规则SHLPN模型。通过数学分析和仿真方法结合实现了对以上制造过程模型的性能评价，验证了模型的有效性。 第四，针对性能评价的需求和Petri网在制造过程成本分析方面存在的不足，提出了一种适合制造过程成本分析的价格时间Petri网，并给出了相应的状态空间化简方法。通过对装配生产线多目标工人指派问题的求解，验证了模型和方法的有效性。 最后，根据管理控制过程和生产过程的特点以及它们之间的关系，提出了基于进程代数与Petri网的分层生产控制方法。采用Petri网和进程代数相结合的方法将物流和信息流集成在一个模型中，Petri网描述基于状态的与生产过程有关的过程流，进程代数描述计划、调度等与控制有关的推理过程，构成了两层分布式的车间生产控制结构。 综上可见，本文提出的制造过程建模、性能评价和控制方法，可以支持复杂离散制造系统的分析和综合；基于过程模型实现了复杂离散制造系统的生产过程模拟和性能分析；能够发现影响系统性能的瓶颈环节；为制造过程的改进和制造系统性能的提高提供了依据；进而实现了制造系统自主闭环自适应的优化控制。本文的研究工作具有重要的理论意义和实际应用价值。