專利名稱：一種流程工業(yè)擬實優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自動化技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種流程工業(yè)擬實優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的方法。
背景技術(shù)：
國外對流程工業(yè)生產(chǎn)調(diào)度問題非常重視，目前國外調(diào)度軟件已較廣泛的應(yīng)用于石化、制藥、制造等流程工業(yè)。國外對生產(chǎn)調(diào)度問題的研究以基于數(shù)學(xué)規(guī)劃模型的優(yōu)化調(diào)度為主，重視定量調(diào)度；國內(nèi)考慮到管理、測量等因素，以基于人工智能的啟發(fā)式調(diào)度方法為主，注重定性調(diào)度等。國內(nèi)雖然在生產(chǎn)調(diào)度模型、算法和計算性能方面取得了一定進展，但實際調(diào)度問題還遠未解決，大部分流程生產(chǎn)過程的生產(chǎn)計劃與動態(tài)調(diào)度水平還比較落后，多數(shù)企業(yè)完全由人工來編制生產(chǎn)計劃，效率低下，調(diào)度不實時，制約了生產(chǎn)效率的提高。
目前已申請的有關(guān)生產(chǎn)調(diào)度方法，如“03141668.3”(基于參數(shù)空間搜索的混合流水生產(chǎn)線的啟發(fā)式調(diào)度方法)主要提出一種啟發(fā)式MRA優(yōu)化調(diào)度方法，根據(jù)參數(shù)空間搜索方法對工件進行排序，最后根據(jù)最優(yōu)排序表進行設(shè)備分配。由于人工智能的知識表達、規(guī)則獲取有很大的環(huán)境針對性，定性調(diào)度軟件有很大的局限性?！?00310110345.4(一種一體化的鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程在線計劃調(diào)度系統(tǒng)與方法)”提出一種生產(chǎn)過程的在線計劃調(diào)度系統(tǒng)與方法；“200310120845.6(一種鋼鐵生產(chǎn)的遞階協(xié)調(diào)計劃調(diào)度方法)”采用上位和下位計算機及數(shù)據(jù)采集工具進行生產(chǎn)計劃的遞階調(diào)度；上述兩個申請都適用于鋼鐵企業(yè)?！?00410021489.7(流程行業(yè)優(yōu)化排產(chǎn)動態(tài)調(diào)度的組態(tài)平臺方法)”提出一種圖形化的建模組態(tài)模型和虛擬生產(chǎn)仿真模型，卻沒有解決混雜系統(tǒng)的混流生產(chǎn)模式問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，上承企業(yè)資源規(guī)劃ERP、供應(yīng)鏈SCM和分銷管理DCM，下接實時生產(chǎn)過程，提出一種普遍適用于流程工業(yè)擬實優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的方法，解決了流程工業(yè)的實際調(diào)度問題。
本發(fā)明的擬實調(diào)度就是在調(diào)度系統(tǒng)中用仿真模型模擬生產(chǎn)過程，以期在真實生產(chǎn)前，檢驗生產(chǎn)計劃的可行性；優(yōu)化表現(xiàn)在生產(chǎn)過程中監(jiān)視生產(chǎn)狀況，必要時通過再調(diào)度策略實現(xiàn)動態(tài)調(diào)度。
本發(fā)明順序包括以下步驟生產(chǎn)工藝流程的描述與建模、模型優(yōu)化求解、生產(chǎn)過程模擬、生產(chǎn)過程動態(tài)監(jiān)控與再調(diào)度。
具體步驟如下1、生產(chǎn)工藝流程的描述與建模首先，對生產(chǎn)工藝流程進行描述，建立生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括產(chǎn)品、原料、生產(chǎn)設(shè)備、存貯裝置等基本屬性和約束，及銷售計劃、原料采購計劃和設(shè)備檢修計劃。
其次，在生產(chǎn)工藝流程的描述基礎(chǔ)上，建立生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的模型。
所述的建立生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的模型可以采用生產(chǎn)工藝流程圖描述建模或生產(chǎn)工藝流程關(guān)系式建模。
生產(chǎn)工藝流程圖描述建模就是通過狀態(tài)任務(wù)網(wǎng)絡(luò)圖描述流程工業(yè)過程生產(chǎn)系統(tǒng)的任務(wù)、資源和設(shè)備三要素，建立模型。狀態(tài)任務(wù)網(wǎng)絡(luò)圖是一種表示生產(chǎn)工藝的有向圖，由狀態(tài)節(jié)點和操作節(jié)點組成。狀態(tài)節(jié)點表示輸入原料、中間產(chǎn)品或最終產(chǎn)品；操作節(jié)點表示處理任務(wù)，該處理任務(wù)將一種或多種輸入狀態(tài)轉(zhuǎn)化為一種或多種輸出狀態(tài)。通過定義工藝名稱、生產(chǎn)路徑、物料清單、主次設(shè)備、處理速率、緩存類型、庫存水平、需求定單等內(nèi)容，充分表征生產(chǎn)系統(tǒng)。
生產(chǎn)工藝流程關(guān)系式建模以表格的方式直接建立生產(chǎn)工藝流程的描述，通過任務(wù)、資源和設(shè)備三要素之間相互依存的關(guān)系來描述流程工業(yè)過程生產(chǎn)系統(tǒng)，建立模型。某個生產(chǎn)任務(wù)(或生產(chǎn)工藝流程)由多個生產(chǎn)環(huán)節(jié)構(gòu)成(反應(yīng))，某個生產(chǎn)環(huán)節(jié)又通過多臺生產(chǎn)設(shè)備(或反應(yīng)裝置)實現(xiàn)，而某個生產(chǎn)設(shè)備具體從事某項任務(wù)(或反應(yīng))，有其自身的生產(chǎn)約束如生產(chǎn)能力，生產(chǎn)資源占用、消耗、生產(chǎn)成本等；通過定義生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)要素關(guān)系，同樣也能完成過程生產(chǎn)系統(tǒng)的有效描述，建立模型。
本發(fā)明中采用圖形的可視化描述設(shè)計技術(shù)，組件技術(shù)和有向圖，或者采用關(guān)系式描述，將復(fù)雜的生產(chǎn)工藝流程以簡單、直觀的方式加以表達，完成生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)生產(chǎn)模型的有效描述，包括生產(chǎn)過程的內(nèi)在聯(lián)系及演化規(guī)則，有助于調(diào)度系統(tǒng)與具體工業(yè)背景的分離，能夠處理廣泛的生產(chǎn)過程調(diào)度問題。
2、模型優(yōu)化求解包括以下步驟1)目標(biāo)模型的數(shù)據(jù)文件生成根據(jù)產(chǎn)品銷售計劃、原料采購計劃、設(shè)備維修計劃、產(chǎn)品(中間體、原料)庫存信息和設(shè)備生產(chǎn)能力，生產(chǎn)資源占用、消耗、生產(chǎn)成本等生產(chǎn)約束信息，生成目標(biāo)模型的數(shù)據(jù)文件。
2)目標(biāo)模型的模型文件生成根據(jù)選擇優(yōu)化目標(biāo)(最大生產(chǎn)能力、最大利潤或滿足銷售訂單)確定對應(yīng)的目標(biāo)模型的模型文件。
3)優(yōu)化求解將目標(biāo)模型的模型文件和數(shù)據(jù)文件提交給優(yōu)化求解器(ILOG OPL Studio)，自動求解其最優(yōu)解，并將其結(jié)果自動存入到數(shù)據(jù)庫中，并以GANNT圖的方式，顯示生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度方案。
本發(fā)明根據(jù)工程實際，適應(yīng)反應(yīng)設(shè)備在生產(chǎn)調(diào)度周期內(nèi)要停工檢修或清洗等情況，創(chuàng)新性地改造了UDM(Uniform Discrete time Model)方式建立即按時間次序建模的以STN圖描述的數(shù)學(xué)模型(Kondili et.al.模型)，增加設(shè)備不開工的約束；改進了NUDM(None Uniform Discretetime Model)方式即按事件次序建模的數(shù)學(xué)模型參數(shù)。集合了UDM方式建摸簡潔、直觀和NUDM方式建摸處理復(fù)雜問題及求優(yōu)解方面收斂快的優(yōu)勢，確定優(yōu)化目標(biāo)后調(diào)整時間參數(shù)，將STN圖以及關(guān)系式建摸描述的生產(chǎn)工藝流程轉(zhuǎn)換為求解MILP(Mixed Integer Linear Programming)數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，求解的結(jié)果即為優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，并可用Gantt圖顯示和查看。
3、生產(chǎn)過程模擬將優(yōu)化調(diào)度方案與設(shè)備、采購計劃、銷售計劃和庫存等資料結(jié)合在一起，利用可視化ESCPetri-Nets網(wǎng)技術(shù)對生產(chǎn)過程進行仿真。
仿真過程形象、直觀。以物料為中心，隨調(diào)度時間變化，以圖形的方式動態(tài)顯示某個物料的變化趨勢以及某時刻與某物料生產(chǎn)消耗相關(guān)的設(shè)備運行狀況。物料變化包括采購、銷售、生產(chǎn)(產(chǎn)出及消耗)；某時刻與物料消耗相關(guān)的生產(chǎn)設(shè)備的分布狀況分車間、工段顯示；移動觀察點時間游標(biāo)(隨調(diào)度時間)，即可瀏覽某時刻的物料動態(tài)變化信息以及該時刻的物料生產(chǎn)消耗或產(chǎn)出情況。
4、生產(chǎn)過程動態(tài)監(jiān)控與再調(diào)度根據(jù)實際生產(chǎn)工況(包括實際采購到貨、銷售、生產(chǎn)狀態(tài)等信息)監(jiān)控生產(chǎn)調(diào)度方案的執(zhí)行，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的監(jiān)控敏感數(shù)據(jù)監(jiān)控生產(chǎn)進度和機器工況。調(diào)度方案經(jīng)模型仿真得到中間結(jié)果(如截止每天或每班應(yīng)完成的產(chǎn)品規(guī)格的產(chǎn)量、完成合同估計值等)以3δ正態(tài)分布設(shè)置監(jiān)控區(qū)域，越限則報警，同時顯示對實際工況的評估，進行再調(diào)度(重復(fù)步驟2)。
在實際的生產(chǎn)過程調(diào)度中，可能發(fā)生意想不到的事情，如生產(chǎn)設(shè)備故障、采購計劃未實現(xiàn)等使得原來求得的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果不再適用，本發(fā)明利用動態(tài)再調(diào)度技術(shù)重新求得優(yōu)化的生產(chǎn)調(diào)度計劃，使生產(chǎn)計劃隨著情況改變而調(diào)整，提高調(diào)度排產(chǎn)效率。
本發(fā)明將擬實優(yōu)化應(yīng)用于流程工業(yè)的調(diào)度過程，建立了可視化整體智能框架，系統(tǒng)的實現(xiàn)生產(chǎn)工藝流程描述與建模、模型優(yōu)化求解、生產(chǎn)過程模擬、生產(chǎn)過程動態(tài)監(jiān)控與再調(diào)度的整個過程，實現(xiàn)了生產(chǎn)的擬實優(yōu)化調(diào)度。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。
具體實施例方式
將本發(fā)明方法以某藥品生產(chǎn)車間為例結(jié)合附圖進行實例說明。
圖1描述了調(diào)度方法各步實現(xiàn)的具體模塊及與上層ERP、SCM、DCM和下層生產(chǎn)過程監(jiān)控間的關(guān)系圖示。首先收集某藥品及原料、生產(chǎn)設(shè)備、存貯裝置等基本屬性和約束，及該藥品的銷售計劃、原料采購計劃和設(shè)備檢修計劃，建立生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對該藥品的生產(chǎn)工藝流程進行可視化建模，可選擇生產(chǎn)工藝流程圖描述建?；蛏a(chǎn)工藝流程關(guān)系式建模；然后根據(jù)該藥品的銷售計劃、原料采購計劃、設(shè)備維修計劃、中間體和原料庫存信息、設(shè)備生產(chǎn)能力，生產(chǎn)資源占用、消耗、生產(chǎn)成本等生產(chǎn)約束信息，生成目標(biāo)模型的數(shù)據(jù)文件，根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)(最大生產(chǎn)能力、最大利潤或滿足銷售訂單)確定對應(yīng)的目標(biāo)模型的模型文件，將模型文件和數(shù)據(jù)文件提交給ILOG OPL Studio進行自動求解，其結(jié)果即生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度方案以GANNT圖的方式顯示；將優(yōu)化調(diào)度結(jié)果與設(shè)備、采購計劃、銷售計劃和庫存等資料結(jié)合在一起，利用圖形的可視化ESCPetri-Nets網(wǎng)技術(shù)仿真生產(chǎn)過程；根據(jù)實際采購到貨、銷售、生產(chǎn)等信息監(jiān)控生產(chǎn)計劃的執(zhí)行，在實際的生產(chǎn)過程調(diào)度中發(fā)生的生產(chǎn)設(shè)備故障、采購計劃未實現(xiàn)等使得原來求得的優(yōu)化調(diào)度結(jié)果不再適用，利用動態(tài)再調(diào)度技術(shù)重新求得優(yōu)化的生產(chǎn)調(diào)度計劃，使生產(chǎn)計劃隨著情況改變而調(diào)整。
采用本發(fā)明方法后生產(chǎn)質(zhì)量顯著提高，廢品率大大減少，同時縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)設(shè)備利用率，節(jié)約了水電等能源消耗，經(jīng)濟效益顯著。
權(quán)利要求
1.一種流程工業(yè)擬實優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的方法，其特征在于該方法包括以下步驟生產(chǎn)工藝流程的描述與建模、模型優(yōu)化求解、生產(chǎn)過程模擬、生產(chǎn)過程動態(tài)監(jiān)控與再調(diào)度。
2.如權(quán)利要求1所述的一種流程工業(yè)擬實優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的方法，其特征在于所述的生產(chǎn)工藝流程的描述與建模的方法是首先對生產(chǎn)工藝流程進行描述，建立生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，再在生產(chǎn)工藝流程的描述基礎(chǔ)上，建立生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的模型；所述的建立生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的模型可以采用生產(chǎn)工藝流程圖描述建模和生產(chǎn)工藝流程關(guān)系式建模中的一種。
3.如權(quán)利要求1所述的一種流程工業(yè)擬實優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的方法，其特征在于所述的模型優(yōu)化求解方法是1)根據(jù)生產(chǎn)約束信息，生成目標(biāo)模型的數(shù)據(jù)文件；2)根據(jù)選擇優(yōu)化目標(biāo)確定對應(yīng)的目標(biāo)模型的模型文件；3)將目標(biāo)模型的數(shù)據(jù)文件和模型文件提交給優(yōu)化求解器，自動求解其最優(yōu)解，并將其結(jié)果自動存入到數(shù)據(jù)庫中，以GANNT圖的方式，顯示生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度方案。
4.如權(quán)利要求1所述的一種流程工業(yè)擬實優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的方法，其特征在于所述的生產(chǎn)過程模擬是將優(yōu)化調(diào)度方案與設(shè)備、采購計劃、銷售計劃和庫存資料結(jié)合在一起，利用可視化ESCPetri-Nets網(wǎng)技術(shù)對生產(chǎn)過程進行仿真。
5.如權(quán)利要求1所述的一種流程工業(yè)擬實優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的方法，其特征在于所述的生產(chǎn)過程動態(tài)監(jiān)控與再調(diào)度是根據(jù)實際生產(chǎn)工況監(jiān)控生產(chǎn)調(diào)度方案的執(zhí)行，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的監(jiān)控敏感數(shù)據(jù)監(jiān)控生產(chǎn)進度和機器工況；調(diào)度方案經(jīng)模型仿真得到中間結(jié)果以3δ正態(tài)分布設(shè)置監(jiān)控區(qū)域，越限則報警，同時顯示對實際工況的評估，進行再調(diào)度。
全文摘要
本發(fā)明屬于自動化技術(shù)領(lǐng)域。目前流程生產(chǎn)過程的調(diào)度水平還比較落后。本發(fā)明包括生產(chǎn)工藝流程的描述與建模、模型優(yōu)化求解、生產(chǎn)過程模擬、生產(chǎn)過程動態(tài)監(jiān)控與再調(diào)度。其中生產(chǎn)工藝流程的描述與建模是對生產(chǎn)工藝流程進行描述，建立生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的模型。模型優(yōu)化求解包括目標(biāo)模型的數(shù)據(jù)文件生成和模型文件生成，再對其自動求解，顯示生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度方案。本發(fā)明建立了可視化整體智能框架，系統(tǒng)的實現(xiàn)生產(chǎn)工藝流程描述與建模、模型優(yōu)化求解、生產(chǎn)過程模擬、生產(chǎn)過程動態(tài)監(jiān)控與再調(diào)度的整個過程，實現(xiàn)了生產(chǎn)的擬實優(yōu)化調(diào)度。
文檔編號G06Q10/00GK1760902SQ20051006152
公開日2006年4月19日 申請日期2005年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月11日
發(fā)明者薛安克, 徐哲, 王建中, 徐生林, 林岳松 申請人:杭州電子科技大學(xué)