本發(fā)明涉及一種預(yù)測方法，尤其是一種基于模擬退火算法的人機焊接工時預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

在流量儀表智能生產(chǎn)線中，由于流量儀表中涉及的部件繁多，且工藝要求精細(xì)，因此，有些工序直接由MES(Manufacturing Execution System，制造執(zhí)行系統(tǒng))控制機械臂焊接，而有的工序則由人工焊接。但由于各種流量儀表的口徑規(guī)格大小不同，因此，需要根據(jù)各自的口徑規(guī)格匹配不同的焊接操作方式，并且不同作業(yè)人員所需的焊接工時不同，也即是說，流量儀表的口徑大小、機械臂焊接工時和人工焊接工時都將影響到流量儀表整個智能生產(chǎn)線的整體工時，因此，目前亟需一種能夠統(tǒng)籌全局，能夠通過預(yù)測人工焊接工時，從而定向調(diào)配相應(yīng)工序作業(yè)人員數(shù)量，進(jìn)而使得該流量儀表智能生產(chǎn)線的資源效益最大化的方法，即能夠?qū)崿F(xiàn)高效的人員調(diào)度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于模擬退火算法的人機焊接工時預(yù)測方法，其能夠預(yù)測人機焊接工時，從而為系統(tǒng)定向調(diào)配相應(yīng)工序作業(yè)人員數(shù)量提供參考，使得該流量儀表智能生產(chǎn)線的資源效益最大化。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種基于模擬退火算法的人機焊接工時預(yù)測方法，其包括步驟：

基于人機焊接工藝歷史工時數(shù)據(jù)建立不同口徑規(guī)格流量儀表不同等級作業(yè)人員的歷史焊接工時數(shù)據(jù)庫；

結(jié)合模擬退火算法對歷史焊接工時數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，并進(jìn)行聚類分析，得到基于流量儀表口徑規(guī)格聚類的不同等級作業(yè)人員的平均工時矩陣；

根據(jù)被預(yù)測流量儀表的實時焊接工時數(shù)據(jù)來修正模擬退火算法預(yù)測的平均工時矩陣，得到所述被預(yù)測流量儀表的最優(yōu)焊接工時。

進(jìn)一步地，所述采用模擬退火算法對歷史人工焊接工藝工時數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，并進(jìn)行聚類，得到基于儀表口徑規(guī)格聚類的不同等級作業(yè)人員的平均工時矩陣的步驟，具體包括步驟：

以歐式距離作為相似度建立適應(yīng)性函數(shù)模型：其中，為第j個樣本點，為第i類的聚類中心，K為歷史焊接工時數(shù)據(jù)中聚類中心數(shù)，N為全部樣本數(shù)目，d_ji(t)表示從當(dāng)前解的領(lǐng)域N中隨即選取解后，接受的退火懲罰因子；

根據(jù)歷史焊接工時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)作為原始的樣本數(shù)據(jù)，結(jié)合模擬退火算法計算最優(yōu)聚類，并根據(jù)模擬退火算法的最優(yōu)聚類結(jié)果得到基于不同口徑規(guī)格聚類的作業(yè)人員間的平均工時矩陣。

其中，所述退火懲罰因子的取值為：

其中，ΔJ是狀態(tài)和的目標(biāo)差，即t為當(dāng)前的溫度，為第i類初始聚類中心向量，w_ij為第i類初始聚類中心量第j維的元素。

進(jìn)一步地，所述結(jié)合模擬退火算法計算最優(yōu)聚類的步驟，具體包括步驟：

初始化控制參數(shù)：給定聚類類別數(shù)K和迭代允許誤差ε，令迭代初始值k＝1；

從歷史焊接工時數(shù)據(jù)庫中隨機選取一個初始的聚類中心并令

按照下式修正退火懲罰因子d_ji(i＝1，2，···，K，j＝1，2···，N)：

按照下式修正聚類中心

計算誤差并判斷誤差e是否滿足終止條件，若滿足終止條件，則模擬退火算法結(jié)束，為最優(yōu)聚類；

若誤差e不滿足終止條件，則判斷是否達(dá)到迭代次數(shù)閾值，若沒有達(dá)到迭代次數(shù)閾值，則令k＝k+1，并重新計算退火懲罰因子，然后根據(jù)重新計算的退火懲罰因子重新修正聚類中心和誤差e直至滿足終止條件，若達(dá)到迭代次數(shù)閾值，則令t_i+1＝λ·t_i，并重新計算聚類中心和誤差直至滿足終止條件。

本發(fā)明的有益之處在于：

本發(fā)明的預(yù)測方法通過歷史工時數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析預(yù)處理，用歐式距離作為相似性量度的方法選取出與待預(yù)測儀表的口徑參數(shù)具有相似性的歷史工時數(shù)據(jù)，作為預(yù)測模型建模用的訓(xùn)練樣本，利用這些聚類后的相似樣本經(jīng)過訓(xùn)練后得到基于聚類分析的工時預(yù)測模型，將待預(yù)測儀表的口徑規(guī)格和作業(yè)人員的等級作為的輸入?yún)?shù)，工時作為輸出，從而得到待預(yù)測儀表的預(yù)測工時。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種基于模擬退火算法的人機焊接工時預(yù)測方法的一實施例的流程圖；

圖2為本發(fā)明的一種基于模擬退火算法的人機焊接工時預(yù)測方法中計算最優(yōu)聚類的一實施例的流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作詳細(xì)的說明。

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明的預(yù)測方法通過對MES(Manufacturing Execution System，M ES)系統(tǒng)中記錄的歷史工時數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析預(yù)處理，并結(jié)合模擬退火算法進(jìn)行預(yù)測，從而得到最有焊接工時，僅為為調(diào)配對應(yīng)工序的作業(yè)人員數(shù)量提供參考，同時也能夠提高人員調(diào)配的正確性。

參見圖1，為本發(fā)明的一種基于模擬退火算法的人機焊接工時預(yù)測方法的一實施例的流程圖，具體地，本實施例中該預(yù)測方法包括步驟：

S101，基于人機焊接工藝歷史工時數(shù)據(jù)建立不同口徑規(guī)格流量儀表不同等級作業(yè)人員的歷史焊接工時數(shù)據(jù)庫。

由于流量儀表的口徑規(guī)格、機械臂焊接工時和人工焊接工時都是影響流量儀表整個智能生產(chǎn)線的整體人機工時的主要素，因此，MES系統(tǒng)會實時記錄并存儲所有口徑規(guī)格的流量儀表各自對應(yīng)不同等級作業(yè)人員時，分別所需的歷史人工工時和歷史機械臂工時，然后根據(jù)這些歷史數(shù)據(jù)建立不同口徑規(guī)格流量儀表對應(yīng)于不同等級作業(yè)人員的歷史焊接工時數(shù)據(jù)庫。

本實施例中，上述的作業(yè)人員的等級是根據(jù)作業(yè)人員對焊接工藝操作的熟練程度來劃分的，例如對焊接工藝操作最熟悉的作業(yè)人員其對應(yīng)的等級最高。

S103，結(jié)合模擬退火算法對歷史焊接工時數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，并進(jìn)行聚類分析，得到基于流量儀表口徑規(guī)格聚類的不同等級作業(yè)人員的平均工時矩陣。

在一具體實施例中，該步驟S103具體包括步驟：

I，以歐式距離作為相似度測度建立最優(yōu)數(shù)學(xué)模型，適應(yīng)性函數(shù)選取誤差誤差平方和作為目標(biāo)函數(shù)：

本實施例中，為第j個樣本點，為第i類的聚類中心，K為歷史焊接工時數(shù)據(jù)中聚類中心數(shù)，N為全部樣本數(shù)目，d_ji(t)表示從當(dāng)前解的領(lǐng)域N中隨即選取解后，接受的退火懲罰因子。

其中，火懲罰因子的取值為：

其中，ΔJ是狀態(tài)和的目標(biāo)差，即t為當(dāng)前的溫度，為第i類初始聚類中心向量，w_ij為第i類初始聚類中心量第j維的元素。

II，根據(jù)歷史焊接工時數(shù)據(jù)庫中的歷史焊接工時數(shù)據(jù)作為原始的樣本數(shù)據(jù)，結(jié)合模擬退火算法計算最優(yōu)聚類，并根據(jù)模擬退火算法的最優(yōu)聚類結(jié)果得到基于不同口徑規(guī)格聚類的作業(yè)人員間的平均工時矩陣。

本實施例中，合模擬退火算法計算最優(yōu)聚類的步驟，具體包括步驟：

初始化控制參數(shù)：給定聚類類別數(shù)K和迭代允許誤差ε；

從歷史焊接工時數(shù)據(jù)庫中隨機選取一個初始的聚類中心令其中，i＝1，2，···，K；

令迭代初始值k＝1；

按照下式修正退火懲罰因子d_ji(i＝1，2，···，K，j＝1，2···，N)：

按照下式修正聚類中心i＝i＝1，2，···，K

計算誤差并判斷誤差是否滿足終止條件，即判斷誤差是否滿足e＜ε，若滿足，則模擬退火算法結(jié)束，為最優(yōu)聚類；

若不滿足，則判斷是否達(dá)到預(yù)設(shè)的迭代次數(shù)，即判斷k是否滿足k＜N-1，若是，則重置k，即令k＝k+1，并重新計算退火懲罰因子，然后根據(jù)重新計算的退火懲罰因子重新修正聚類中心，然后計算誤差e，并判斷是否滿足終止條件，若滿足算法結(jié)束若不滿足，則繼續(xù)重置k重新計算誤差，如此循環(huán)直至滿足終止條件，即e＜ε；若達(dá)到了迭代次數(shù)，即k＝N-1時，則令t_i+1＝λ·t_i，并重新計算聚類中心和誤差，如此循環(huán)直至滿足終止條件，即e＜ε。

S105，根據(jù)實時焊接工時數(shù)據(jù)來修正模擬退火算法預(yù)測的平均工時矩陣，得到該被預(yù)測流量儀表的最優(yōu)焊接工時。

在一具體實施例中，該步驟S105具體包括步驟：

I，獲取當(dāng)前進(jìn)入焊接工序的被預(yù)測流量儀表的口徑規(guī)格D，以及該被預(yù)測流量儀表當(dāng)前對應(yīng)的當(dāng)前作業(yè)人員的等級S。

II，根據(jù)該被預(yù)測流量儀表的口徑規(guī)格D和該當(dāng)前作業(yè)人員的等級S，結(jié)合上述的平均工時矩陣計算得到人工焊接工時計算時間T_0C和機械臂焊接工時計算時間T_1C。

III，根據(jù)該人工焊接工時計算時間T_0C和機械臂焊接工時計算時間T_1C計算被預(yù)測流量儀表的人機焊接預(yù)測工時T_f。

在一具體實施例中，一般流量儀表都是成批成批的送入一條生產(chǎn)線中進(jìn)行焊接，而每個批次中的流量儀表的口徑規(guī)格相同，但在生產(chǎn)過程中：同一條生產(chǎn)線中存在工件批次更換或者工件混亂的情況，此時就可能使得當(dāng)前被預(yù)測流量儀表可能與上一次加工的流量儀表的口徑規(guī)格不同；另一方面，當(dāng)作業(yè)人員之間進(jìn)行換班時，使得同一生產(chǎn)線中同一批次的工件將面對不同等級的作業(yè)人員，因此，需要針對上述的兩種情況，分別進(jìn)行修正，具體地，

當(dāng)出現(xiàn)批次更換或者工件混亂，但作業(yè)人員不變時，該步驟III具體包括：

A1，判斷該被預(yù)測流量儀表的口徑規(guī)格D與該當(dāng)前作業(yè)人員上一次所焊接的流量儀表的口徑規(guī)格是否相同，若口徑規(guī)則不相同，則執(zhí)行步驟B1，若口徑規(guī)格相同，則執(zhí)行步驟C1。

本實施例中，該當(dāng)前作業(yè)人員上一次所焊接的流量儀表是指該當(dāng)前作業(yè)人員焊接該被預(yù)測流量儀表之前最后一次所焊接的流量儀表，系統(tǒng)中記錄有該流量儀表的口徑規(guī)格數(shù)據(jù)，以及其人機焊接工時。

B1，根據(jù)該當(dāng)前作業(yè)人員的等級S從歷史數(shù)據(jù)庫中獲取與該當(dāng)前作業(yè)人員同等級的作業(yè)人員上一次焊接的流量儀表(該流量儀表與被預(yù)測流量儀表的口徑規(guī)格不同)時所需的平均焊接工時T_H，以及實際操作完成的焊接工時T_A，并根據(jù)該當(dāng)前作業(yè)人員的焊接工時計算時間T_0C和該同等級作業(yè)人員的實際焊接工時T_A計算該當(dāng)前作業(yè)人員的預(yù)測焊接工時T_0f。

本實施例中，該步驟B1具體地包括步驟：計算該同等級作業(yè)人員(與該當(dāng)前作業(yè)人員同等級的作業(yè)人員)的操作比率，即γ＝T_H/T_A，然后根據(jù)該操作比率對當(dāng)前作業(yè)人員的人工焊接工時計算時間T_0C進(jìn)行修改，得到當(dāng)前作業(yè)人員的預(yù)測焊接工時：T_0f＝T_0C/γ。C1，對當(dāng)前作業(yè)人員的焊接工時計算時間T_0C和機械臂焊接工時計算時間T_1C求和，得到所述被預(yù)測流量儀表的人機焊接預(yù)測工時T_f＝T_0C+T_1C。

D1，對上述步驟B1的焊接預(yù)測工時T_0f和機械臂焊接工時計算時間T_1C進(jìn)行求和，得到被預(yù)測流量儀表的人機焊接預(yù)測工時T_f＝T_0f+T_1C。

當(dāng)作業(yè)人員等級變化，但流量儀表口徑規(guī)格不變時，該步驟III具體包括：

A2，判斷當(dāng)前作業(yè)人員的等級S與上一次焊接與該被預(yù)測流量儀表同種口徑規(guī)格的流量儀表的作業(yè)人員等級S'是否相同，若等級不相同，則執(zhí)行步驟B2，若等級相同，則執(zhí)行步驟C2。

B2，獲取上次焊接時作業(yè)人員(等級為S')的平均工時T′_H和實際焊接工時T_A'，并根據(jù)當(dāng)前作業(yè)人員的焊接工時計算時間T_0C與上次焊接作業(yè)人員的實際焊接工時T′_AA計算當(dāng)前作業(yè)人員的焊接預(yù)測工時T_0f。

本實施例中，該步驟B2具體包括步驟：計算上一作業(yè)人員(與當(dāng)前作業(yè)人員的等級不同)的操作比率γ＝T_H/T_A；根據(jù)該操作比率修正該當(dāng)前作業(yè)人員的人工焊接工時計算時間T_0c，得到該當(dāng)前作業(yè)人員的人工焊接預(yù)測工時：T_0f＝T_0C/γ×(1+α)，其中，α表示作業(yè)人員等級的更換，α∈[-1,1]，具體地，當(dāng)當(dāng)前作業(yè)人員的等級比上一次實際操作的作業(yè)人員的等級低時，則α為負(fù)值，當(dāng)當(dāng)前作業(yè)人員的等級比上一次實際操作的作業(yè)人員的等級高時，則α為正值。

C2，對當(dāng)前作業(yè)人員的焊接工時計算時間T_0C和機械臂焊接工時計算時間T_1C求和，得到被預(yù)測流量儀表的人機焊接預(yù)測工時T_f＝T_0C+T_1C。

D2，對上述的焊接預(yù)測工時T_0f和機械臂焊接焊接工時計算時間T_1C進(jìn)行求和，得到被預(yù)測流量儀表的人機焊接預(yù)測工時T_f＝T_0f+T_1C。

當(dāng)然，也可能存在口徑規(guī)格換的同時作業(yè)人員等級也更換的情況，因此，可將上述兩種方式相結(jié)合，即先判斷當(dāng)前作業(yè)人員的等級與上一次焊接與被預(yù)測流量儀表同種口徑規(guī)格的流量儀表的作業(yè)人員等級是否相同，若等級不相同，處理方式與上述過程相同，若等級相同，則再判斷該被預(yù)測流量儀表的口徑規(guī)格與該當(dāng)前作業(yè)人員上一次所焊接的流量儀表的口徑規(guī)格是否相同，若口徑規(guī)格不相同，處理方式與上述過程相同，最后，根據(jù)上述的焊接預(yù)測工時和機械臂焊接的平均工時計算得到被預(yù)測流量儀表的人機焊接預(yù)測工時，即人工焊接的預(yù)測工時和機器焊接的平均工時的總和。

本實施例中，由于人機焊接工藝由人工焊接和機器焊接共同組成，因此人機焊接工時包括了人工焊接工時和機器焊接工時，其中，由于作業(yè)人員的認(rèn)為因素使得其等級不同，并且即使其等級確定也可能受其它因素的干擾，其實際操作時間會與根據(jù)人機焊接工時矩陣中計算得到人工焊接工時計算時間不同，而機械臂是由系統(tǒng)精確控制的，故其操作速度的變化性不大，有鑒于此，在進(jìn)行預(yù)測時，需要當(dāng)對當(dāng)前作業(yè)人員的人工焊接工時計算時間T_0C進(jìn)行修正，再根據(jù)其和機械臂的焊接工時計算時間計算人機焊接最優(yōu)預(yù)測工時。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。