关键词： 柔性作业车间调度   深度强化学习   近端策略优化   波动加工时间   最大完工时间  

摘要： 随着经济持续地发展,市场竞争愈发激烈,企业愈发关注解决实际生产过程中的动态调度问题,以提高生产效率和降低生产成本。因此,本文围绕柔性作业车间调度问题(Flexible Job Shop Scheduling Problem,FJSP),提出了一种基于深度强化学习的生产线动态调度方法,研究基于数据驱动的智能调度,使智能体能够自学习、自决策,从而提高车间调度的实时性和鲁棒性,研究工作具有现实意义。主要的研究内容如下: (1)提出基于深度强化学习解决车间调度问题的基本框架。针对FJSP问题,构建强化学习(Reinforcement Learning,RL)调度基本环境,包括采用马尔科夫决策过程对车间调度问题进行建模、状态转移函数的设计、动作空间的定义、奖励函数的构造以及智能体的网络架构设计。以最大完工时间最小化为优化目标,提出了近端策略优化算法(Proximal Policy Optimization,PPO)来解决FJSP,并在16个标准案例上进行调度性能测试。结果表明,所提出的算法和调度框架具有可行性与有效性。 (2)针对考虑加工时间波动的FJSP(Flexible Job Shop Scheduling Problem Considering Variable Processing Times,VPT-FJSP)问题,提出了基于调度经验的两阶段动态调度框架。阶段一采用熵权法对动作空间进行预提取以加快智能体收敛速度,阶段二使用深度强化学习算法训练智能体以保存网络模型及权重,同时采用随机探索概率衰减的贪婪策略来改进PPO算法以便智能体在阶段二中训练得更加稳定。最后在10种规模不同的标准案例上添加不同程度加工时间波动的动态因素,用于训练和测试智能体的调度结果,并与单一的混合调度规则进行比较。结果表明,PPO对解决VPT-FJSP问题具有显著的优势,并且训练的模型具有良好的泛化性能,能很好地扩展到相同规模的调度案例上。 (3)集成前述研究成果,利用Web系统开发技术,设计并实现了车间调度系统软件,具有车间信息管理和调度方案生成功能,为后续的示范性应用奠定了基础。

关键词： 柔性作业车间调度   改进人工蜂群算法   加速度非线性增减   目标权重  

摘要： 柔性作业车间调度问题(Flexible Job Schedule Problem,FJSP)是一个经典的NP-hard问题,在FJSP中,存在若干个工件需要被一组机器进行加工处理,每个工件存在若干个工序。同一个工件的加工顺序存在先后顺序约束,每道工序可在其可选机器集中任意一个机器进行加工,每台机器同时只能处理一个工序,而如何得到同时满足几个优化需求的调度方案则是该问题的目标。目前,许多科学家正专注于使用经济指标作为柔性作业车间调度(FJSP)问题的研究主题,而对车间能耗等绿色指标的考虑有限。同时,许多针对多个优化目标的的FJSP研究中,由于需要同时考虑生产效率、生产成本、客户满意度等多个优化目标,这导致FJSP的求解难度增大,因此多通过数学规划模型和优化算法进行求解,并没有考虑决策者等人为因素的参与对调度方案的影响。因此,本文主要围绕W公司柔性作业生产车间,针对考虑能耗的多目标柔性作业车间调度问题的数学模型与人工蜂群算法展开研究,并将人为决策因素考虑到最终调度方案中。 首先,本文综合分析了对于FJSP的评价因素得出了评价调度方案的四大目标,即最大完工时间、最小总负荷、最小车间总能耗和客户满意度,构建了一个同时优化传统目标与能耗指标的的混合整数规划模型。并在该模型中,引入机器的加工参数—加工速度,讨论其对优化目标的影响。 其次,本文结合标准人工蜂群算法(ABC)设计出了一个改进的人工蜂群算法对FJSP模型进行求解。针对FJSP模型的特征,本文在编码和解码部分首先设计了双重实数编码和左移插入解码方式。其次在种群初始化部分设计了随机规则和三种优先选择规则相结合的种群初始化策略。再次,在雇佣蜂阶段和观察蜂阶段设计了IPOX交叉策略和变步长策略进行交叉和变异,接着引入加速度非线性增减策略影响蜂群的移动速度以避免算法过早收敛或陷入局部最优。最后针对决策者的人为参与提出AHP评价方法确定优化目标的权重数值。 最后,在算例实验中,本文基于经典算例设计了适用于FJSP模型的测试算例,对改进的人工蜂群算法的整体与局部性能进行测试,测试结果表明改进后的算法在解决多目标柔性作业车间调度问题上是完全可行且高效率的。同时,为解决W公司柔性作业车间调度问题,将不同权重方案的优化结果进行比较,为决策者选出综合最优的调度方案。 在理论方面,本研究为考虑能耗的FJSP模型构建和群智能算法改进方面提供了一定参考价值。在实践方面,本研究能够帮助企业提高车间生产效率、减少能源消耗和提升客户满意度,并为企业参与绿色车间调度提供一定指导意见。为决策者在面临多种情况下的调度需求提供多种解决方案。

关键词： 机械设计基础   多维度   工程实践应用  

摘要： 机械设计基础是工科类专业学生的必修课，而工程领域人才的综合能力培养是工科专业课课程教学改革的核心。为了提升机械类专业学生工程实践应用能力，本文基于“工程教育专业认证”教学质量评价标准，结合机械设计基础课程教学内容，提出了一种以工程应用为向导的多维度机械设计基础课程教学方法，并给出了综合能力评价方法，可以全方位考核学生工程实践应用技能。

关键词： 动态柔性作业车间调度   多任务深度学习   卷积神经网络   改进鲸鱼群算法  

摘要： 在实际的生产调度过程中往往存在着各种动态事件,在发生动态事件后,往往需要重新制定调度方案,因此对动态调度的研究是很有必要的。调度规则和元启发式算法是动态调度中最常用的方法,调度规则能迅速得到一个调度方案,但其往往无法保证调度方案的质量,元启发式算法能得到一个比较好的调度方案,但一般情况下元启发式算法的实时性较差。为了能在短时间内获得一个质量高的调度方案,利用深度学习来解决动态柔性作业车间调度问题。主要研究内容如下: (1)为了给深度学习模型提供训练数据,设计了一种改进鲸鱼群算法。针对鲸鱼群算法会陷入局部最优的缺点,将禁忌搜索机制加入到改进鲸鱼群算法中,增强了算法的寻优能力,并通过实验验证了其有效性。 (2)为了获得合适的工件序列以及其对应的机器序列,将动态柔性作业车间调度问题作为一个序列问题,提出了一种基于卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)面向序列问题的动态柔性作业车间调度方法。提取了调度属性将调度方案转换为CNN模型的训练数据。设计并训练了基于CNN的动态柔性作业车间调度器,通过实验验证了其有效性。 (3)为了避免序列数据的组合爆炸,将动态柔性作业车间调度问题作为两个分类子问题,提出了一种基于多任务深度学习面向分类问题的动态柔性作业车间调度方法。提取了调度属性将调度方案转换为多任务深度学习模型的训练数据。设计并训练了基于多任务深度学习的动态柔性作业车间调度器,通过测试算例和实际算例验证了其有效性。

关键词： 机械设计   制动   热-机械耦合   温度场   应力   应变  

摘要： 对Abaqus软件进行二次开发，采用旋转载荷法设置热流密度、法向载荷、切向载荷以及轮轨间的接触传热作用，在车轮表面设置对流换热和热辐射作用，基于热-机械耦合仿真得到了不同制动规程条件下踏面温度、应力和应变的动态变化及其分布特性，在此基础上回归得到了车轮踏面最高温度及制动结束温度与制动工况参数之间定量关系，并给出了制动过程踏面温度最高点温度变化曲线模型以及热应力预测模型。结果表明：轴重、制动初速度和减速度每增加5 t、20 km/h和0.1 m/s2，踏面的最高温度分别增加约90℃、120℃和26℃；25 t、100 km/h、0.7 m/s2制动工况下，径向应力辐达625 MPa，切向应力最大值为-713 MPa，最大径向、切向塑性应变分别为-5.47‰和-3.37‰，最大热应变为5.178‰，热应力范围为433 MPa。

关键词： 柔性作业车间调度   灰狼优化算法   多目标优化  

摘要： 近年来，随着碳排放的急剧增加和人类基本生存资源的迅速消耗，我国的制造业面临着巨大的挑战。智能制造对于巩固壮大我国制造业的竞争力并加快发展现代产业体系具有重大意义。柔性作业车间调度问题(Flexiblejobshopschedulingproblem，简称FJSP)是现实制造中非常重要的问题，由于其计算复杂度较高，已被证明是NP-hard（非确定性多项式时间）问题。本文针对柔性作业车间调度问题进行研究，根据问题的特点，对灰狼优化算法进行改进并将该算法应用于求解该问题。　　(1)提出了一种混沌自适应灰狼优化算法(Chaoticadaptivegreywolfoptimizationalgorithm，简称CAGWO)。首先，将Tent混沌映射策略作为算法的初始化规则，用于生成具有遍历性和多样性的初始解。其次，研究了一种动态惯性权重用以提高算法在迭代过程中的收敛速度。最后，设计了一种自适应收敛因子使得算法的勘探能力和开发能力得到了更好的平衡。与流行的元启发式优化算法相比，CAGWO算法的收敛速度和求解精度更好。　　(2)将提出的CAGWO算法进行离散化并用于求解以完工时间为优化目标的FJSP问题。针对FJSP的问题特点，将灰狼的狩猎过程离散化，设计了一种离散灰狼更新算子，使算法能够有效地求解FJSP问题。首先，研究了一种新的首领狼的更新方式用于提高算法的搜索效率。其次，为了增强种群在更新过程中的多样性，在保存新种群时采用了基于海明距离的接收策略。最后，利用35个国际基准问题测试所提出的CAGWO的性能。与目前文献中提出的优化算法相比，CAGWO算法在不同尺度下的FJSP中具有更好的求解精度和收敛性能。　　(3)研究了一种多目标节能柔性作业车间调度问题的模型。考虑到了近年来国家对制造业中的节能减排的技术十分重视，在单目标柔性作业车间调度问题的基础上研究了能量消耗这一优化指标。首先，设计了一种同时优化完工时间和能耗的数学模型。其次，将Pareto决策法与本文提出的多目标问题的数学模型相结合，对拥挤距离和外部精英档案进行了设计。最后，优选了三种多目标评价指标来评估Pareto解集的优劣性。　　(4)采用灰狼优化算法对多目标节能柔性作业车间调度问题进行求解。从最大完工时间和总能耗两方面对FJSP进行优化。考虑到Pareto解集首要考虑解的收敛性，其次要保证解集的多样性和分布性，对算法的更新方式进行改进。首先提出了双更新机制策略，以更好地平衡勘探和开发能力，改善了原算法容易收敛速度慢、陷入局部最优的缺点。其次研究了一种基于Q-learning的自适应参数策略，引导种群选择最优参数以增强解集的多样性。同时设计了一种基于精英档案的变邻域搜索策略，进一步增强了更新过程中的优解。最后，在四个国际基准测试集上，将本章节提出的算法与MOEA/D、NSGA-Ⅱ、SinGWO和MOGWO四种知名的元启发算法进行了比较。统计实验验证了提出的算法的有效性，并优于比较算法。

关键词： 柔性作业车间   改进遗传算法   紧急插单   设备模糊聚类  

摘要： 军工制造业近年来受国内外经济政治环境与形势影响得到了快速发展,企业面临订单交付进度、顾客满意度、低成本可持续发展等多维度要求与挑战。基于系统角度,如何充分利用现有资源、高效合理安排生产对企业的生存发展具有重要作用。基于此,本文以W公司某生产车间为研究对象,开展了以下工作:1.对W公司车间调度现状与存在的问题进行必要分析,制定了改进目标。同时在国内外柔性车间调度问题的研究发展现状进行总结、分析与综述基础之上,对其相关基础调度算法与技术进行了学习,并结合案例分析,掌握其算法原理、优缺点及相关程序代码,为后期技术研究工作奠定基础。2.针对W公司多目标调度要求,提出一种基于改进遗传算法的柔性车间作业调度优化技术。该技术以总完工时间、最大延期时间与总加工成本最小为目标进行Pareto寻优,设计了设备与工序的双段编码和解码方式,提出基于零件工序时间和基于设备加工成本相结合的种群初始化策略,同时采用一种改进的非劣前沿分级方法,对个体进行分级排序,确定进行交叉变异的父代种群;采取基于外部档案集的改进精英保留策略确定新种群,可根据种群进化状况为不同非支配等级的个体添加相应的保留概率以产生新种群。最后以W公司实际生产数据为例进行了算法测试,实验表明本文技术较传统算法具有明显优势。3.针对W公司紧急插单频繁、调度任务重问题,提出了一种基于设备模糊聚类的紧急插单调度优化技术。该技术结合设备随机故障率与随机维修率因素等对车间设备进行模糊聚类,建立系统设备能力梯度模型,采用灰色关联分析法对插单订单的优先级进行确定,确定生产现场插单订单的插入点;在此基础之上,采用前文改进型遗传算法进行优化排产,在选择、交叉、变异确定新种群时,根据插入订单或任务优先级不同,优先选择综合能力优的加工设备产生新种群,以实现设备能力与订单紧急程度的精细化匹配与充分利用。并以W公司实际生产运营数据进行了仿真实验研究,结果表明,本技术能有效解决紧急插单环境下作业车间高效调度问题。4.基于上述工作,采用Matlab软件的GUI开发工具开发了相应软件模块,为W企业相关作业车间调度问题提供相关工具软件支持,并结合生产数据进行了软件功能实现,功能实现与实践应用结果均达到预期目标。

关键词： 有限元分析技术应用   农业机械设计   应力分析  

摘要： 农业机械优化的目的是提升机具整体性能，使其满足可靠性、适应性、经济性等作业需求。以常见的农业机械为例，在设计过程中应用有限元分析技术进行力学分析和模拟，可解决以往机具性能优化时费时费力、难以全面评估等问题，为农业机械的设计和优化提供规范化、标准化、智能化依据，显著提升设计效率、降低研发成本。

关键词： 位移传感器   机械设计   电子测量   解耦设计   数值模拟  

摘要： 隔震橡胶支座作为建筑基础隔震结构的关键构件,其内力与变形的实时测量和监测,对于隔震建筑实际抗震性能的实时评估、确保建筑结构的安全性具有重要意义。针对隔震建筑中橡胶隔震支座内力与变形实时监测的难点,本文主要提出了一种新型的隔震橡胶支座内力与变形实测方法,给出了传感器的整体结构设计方案,提出了一种三维内力与变形实测解耦方法。本文的主要研究工作如下:(1)对国内外现有的建筑隔震橡胶支座实测方法存在的问题进行了梳理分析,为考虑采用新的监测方法、新型高性能隔震橡胶支座监测材料和传感器结构设计提供了文献依据。(2)采用有限元分析方法,实现了建筑隔震橡胶支座的压剪性能数值模拟,获得了其橡胶的压剪变形和内力变化特征,为传感器的选型、整体结构的设计、解耦结构的设计提供了依据。(3)完成了建筑隔震橡胶支座内力与变形监测传感器的整体机械设计、电子测量、解耦设计。开展了初步的拟静力实验,初步验证并确定了传感器的布局、结构设计和数据采集系统的控制参数。(4)开展了对试验结果的数值模拟分析对比,为进一步优化改进隔震橡胶支座的内力和变形监测方案,提高实测数据的准确性和可靠性提供了参考。

关键词： 机械设计及理论   动臂塔机   缓冲力   非参数模型   动载系数  

摘要： 为准确计算动臂塔机的防后倾缓冲力，考虑塔身弹性振动和起重臂刚体转动对防后倾装置动力学的影响，建立了描述防后倾缓冲器相对运动的数学模型，结合防后倾装置的缓冲特性模型，建立了描述防后倾缓冲力与起重机动态特性的数学关系。以一台装备液压防后倾装置的动臂塔机为研究对象，辨识了组成缓冲力计算模型的参数，通过系列工况的防后倾实验验证了防后倾缓冲力计算模型。根据防后倾缓冲力的实验值，计算了突然卸载工况的等效动载系数，验证了《起重机设计规范》中突然卸载工况的动载系数要求，可为动臂塔机设计的相关国家标准修订提供参考。