关键词： 柔性作业车间   生产调度   深度强化学习   图神经网络   异构图  

摘要： 柔性作业车间是一类广泛存在于离散制造系统中的生产环境,柔性作业车间调度问题在理论研究与工程应用中具有重要意义。由于问题的复杂性和多样性,相关领域研究逐渐集中于问题的近似求解,如何兼顾求解质量和效率,提高方法泛化性能成为工业界和学术界的共同关注焦点和长期研究方向。近年来,基于机器学习的近似解法表现出了应用潜力,能够自动学习并取得较优的解。但在状态表示中普遍存在局限性,或存在对专家知识的依赖,现有针对其他问题的研究更难以直接应用到柔性作业车间调度问题。本文研究基于深度强化学习方法的柔性作业车间优化调度问题,提出一种图神经网络深度强化学习算法,包括模型构建、状态表示及其特征提取网络设计和动作决策及智能体训练方案设计等。具体工作如下:首先,分析柔性作业车间特性和假设约束,建立了调度问题的数学规划模型,基于强化学习原理,建立了柔性作业车间调度问题的马尔科夫决策过程模型,为强化学习提供数学基础;其次,针对车间环境特点和马尔可夫决策过程的状态表示存在的局限性,通过扩展传统析取图建立了异构图模型,更全面地描述车间生产状态,同时降低了图密集程度,设计了两阶段异构图神经网络,实现了状态特征的有效提取;最后,基于多层感知机设计了策略网络,将分别描述工序、机器和车间状态的多个特征向量首尾连接为一个向量,由此可将多种工序和机器组合并行输入策略网络,实现了不受规模影响的调度问题求解算法。为验证算法有效性,通过生成问题实例和经典问题实例进行测试,分析求解质量、求解效率和泛化性能。测试结果表明:经过中小规模调度问题上训练和测试,本文算法求解效率略慢于调度规则,但同为秒级求解时间,平均而言本文算法求解质量优于调度规则;将在中小规模问题上训练得到的模型直接应用于求解经典问题实例和大规模调度问题,本文算法同样能够在秒级求解时间内取得优于调度规则的求解结果质量,表现出了较好的泛化性能;与现有基于深度强化学习的方法在经典问题实例中的实验相比,本文算法在秒级求解时间内取得了平均而言更好的求解质量;与OR-Tools求解器相比,本文算法的求解效率更高,随着问题规模增大,合理时间内的求解质量能够逐步逼近直至超越求解器。根据柔性作业车间调度的功能需求和设计要求,设计并开发了智能调度软件。面向操作人员和研究人员,提供车间实例调度、模型性能测试、加工过程仿真和模型训练等功能,运行测试展示了本文算法的应用潜力。

摘要： 国际标准刊号:ISSN 1001—2354国内统一刊号:CN 12—1130/TH《机械设计》杂志是中国机械工程学会机械设计分会会刊、中文核心期刊、中国科技论文统计源期刊、中国科学引文数据库(CSCD)来源期刊,学位与研究生教育指定中文重要期刊,国内外公开发行,本刊已被"中国核心期刊(遴选)数据库"、"中国科技期刊精品数据库"、"中国期刊网"、"中国学术期刊(光盘版)"、"中国学术期刊综合评价数据库"等全文收录。

摘要： 交叉学科的教学是充满挑战的，在探索更好教学方法的过程中，只有尊重教学规律，充分利用丰富多样的教学形式，才能够找到合适的、能够传承和复制的教学模式，为我国高等教育人才培养作出贡献。高等学校开设交叉学科课程，对于培养学生全局意识和协调发展、科学有序的理念具有非常重要的意义。

关键词： NSGA-Ⅱ算法   改进ANSGA-Ⅱ算法   多目标调度算法   多智能体   FJSP调度  

摘要： 作业车间调度是典型的NP难问题,一直是研究的热点。遗传算法具有计算时间少、鲁棒性高等优点,因而是在作业车间调度研究领域中应用最早、最常用的智能优化方法之一。为了将遗传算法应用于实际作业车间,提高遗传算法对复杂作业调度问题的处理能力、解决交叉变异概率等算法参数需要依据算法的不同进化时期进行选择等问题。本文针对多目标柔性作业车间调度问题(Flexible Job Shop Scheduling Problem,FJSP)需求,建立了基于多智能体的柔性作业车间调度系统,并从交叉、变异算子以及精英个体的选择策略等方面对带有精英策略的非支配排序遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic AlgorithmsⅡ,NSGA-Ⅱ)进行改进,提出了一种自适应NSGA-Ⅱ算法(ANSGA-Ⅱ)。基于智能体的自学习、可交互等特性,本文针对车间调度系统的功能需求,设计了一种基于多智能体的柔性作业车间调度系统模型。选择管理智能体、调度智能体与设备智能体等三类智能体来实现柔性作业车间调度系统的各个层级的功能。同时,给出了基于合同网协议的多智能体协商机制和调度策略。为了便于将NSGA-Ⅱ算法应用到车间调度系统中,解决多目标FJSP调度问题,结合柔性作业车间的约束条件,本文建立了以最大完工时间、总拖期时间和机器总负荷为性能指标的多目标FJSP数学模型。为了提高算法的自适应能力,引入一种通过算法的不同进化时期动态调整交叉、变异概率参数的自适应交叉、变异算子和动态筛选每一层级种群中进入到下一代父代种群的精英个体数量的自适应比例因子,对传统NSGA-Ⅱ算法的交叉变异算子和精英个体的选择过程进行改进,从而提出了ANSGA-Ⅱ算法。通过两组不同规模的算例仿真和算法性能对比测试,结果表明,ANSGA-Ⅱ算法在调度性能指标的优化效果、Pareto解集多样性和Pareto解集覆盖率等评价指标上明显要优于传统NSGA-Ⅱ算法,提高了算法的搜索性能、收敛性和多样性。在上述理论研究基础上,结合某机械制造分厂的实际需求,本文初步开发了一个小型的柔性作业车间调度软件原型系统。该系统可以为车间管理者提供了一个简单、有效的生产作业调度决策支持工具。

关键词： 柔性作业车间调度   遗传模拟退火算法   多目标  

摘要： 随着工业互联网技术的飞速发展,智能制造业逐渐发展为国家的经济支柱,我国的传统制造业已经开始向智能制造业慢慢转型,在制造业转型的过程中制造业企业同时面临着激烈的市场竞争,因此企业需要提高产品的生产效率和多元化,通过满足客户对产品的个性化需求进而在竞争中站稳脚步。作业车间调度是企业生产过程中的重要因素,优良的调度方案能够为企业带来高效率、低成本的车间效益从而成为了企业需要。本文通过对车间调度的研究,发现其目前仍然是工业工程上的热点问题,有着非常重要的工程实践价值和理论意义。本文主要的工作如下:(1)描述了单目标和多目标柔性作业车间调度问题(FJSP),根据单目标和多目标FJSP的问题描述提出了相应的约束条件,在相应的约束条件下建立了各自的数学模型。(2)对单目标FJSP中的最大完工时间最小化为目标进行算法研究,在原有的遗传算法基础上提出了改进的遗传算法。在编码阶段,采用了双层编码的方式;为提高初始种群的质量,采用了全局搜索、局部搜索和随机选择相结合的初始化策略;为防止优秀个体被淘汰,在选择操作中采用了锦标赛法和精英保留策略;引入了非线性调整的S-自适应算子,提高了交叉和变异的概率,进而增补了改进的遗传算法的进化能力。利用国际通用的基准算例验证了本文改进遗传算法的有效性。(3)对最小完工时间、最小机器负载、最小总机器负载为目标的多目标FJSP进行算法研究,将本文中改进的遗传算法和模拟退火算法相结合,并在原有遗传模拟退火算法的基础上提出了改进的遗传模拟退火算法。在编码阶段,采用了双段编码方式;在种群初始化、选择、交叉、变异操作中设计了双种群模式,两个种群采用不同的初始化和遗传操作方式,增加了种群的多样性;在降温阶段,引入了非齐次的降温策略从而能够更好地控制算法的收敛速度。利用国际通用的基准算例对多目标FJSP进行仿真实验,通过对多个目标值的仿真结果分析,验证了本文改进遗传模拟退火算法的有效性和可行性。(4)对作业车间的生产过程进行需求分析后,设计并实现了以调度模块为主的多个功能模块相结合的柔性调度系统。

关键词： 气浮工作台   机械设计   气动系统   驱动控制系统   稳定性   定位精度  

摘要： 气浮工作台是集气浮静压支承、驱动及控制等技术为一体且能够实现高精度、低摩擦的运动平台，广泛应用于光刻机等精密超精密加工及测量等领域。气浮静压导轨具有较好的刚度及承载能力等优点，能够实现气浮工作台较好的运动承载性能和较高的运动精度。本课题研究的气浮工作台是以精密方箱为基准而研制的二维运动平台，由于精密方箱质量惯性较大且阻尼较低，会导致驱动控制系统稳定性以及运动精度较差。针对上述问题，本文主要开展了以下研究工作：　　首先，提出了气浮工作台的总方案以及工作指标，并依次阐述了机械结构系统、气动系统以及驱动控制系统的设计方案。根据气浮工作台机械结构以及工作指标，提出了以直线电机为驱动力、直线光栅尺为位置反馈的控制方案，配合运动控制器以及伺服驱动器可实现气浮工作台的精密运动。同时提出了直线电机采用PID调节器与滤波器等方式的三环控制方案。　　其次，根据所提出的直线电机三环控制方案，推导了气浮工作台X、Y轴直线电机的数学模型以及各环控制的传递函数。通过Bode图分析了各环控制的稳定裕度，通过修改参数保证了系统的稳定性。以Y轴为例，通过Simulink仿真分析了负载质量、位置环比例系数、速度环比例系数以及速度环积分系数对于控制系统的影响，并给出了合理的参数范围。　　最后，根据气浮工作台的机械结构以及工作指标，通过参数计算以及功能需求设计了合理的驱动控制系统硬件设施。并根据通信协议以及安装要求，搭建出了完整的气浮工作台驱动控制系统。设计了单轴和双轴的运动实验方案，单轴运动实验采用激光干涉仪测试了定位精度以及重复定位精度，并对定位精度进行了补偿，同时也验证了气浮工作台驱动控制系统的稳定性。两轴联动实验采用绘图的方式显示轨迹精度，实验结果显示气浮工作台拥有良好的定位精度。　　综上所述，本文围绕二维气浮工作台驱动控制系统开展了研究，分析了驱动控制系统的稳定性，得到了合理的控制参数以及承载范围，对关键零部件进行了分析与计算，搭建了实验平台，测量了气浮工作台的运动精度，同时也验证了驱动控制系统的合理性，能够使气浮工作台实现稳定且高精度的运动。为二维气浮工作台的研制奠定了良好的基础。

关键词： 柔性作业车间调度   降本增效   改进NSGA-Ⅱ算法  

摘要： 信息技术和先进制造技术的融合发展,推动了制造业的数字化转型。然而,随着客户需求趋向于多样化和个性化,部分制造型企业逐渐从大批量的生产方式向小批量、定制化方向转变,柔性作业车间调度问题也随之成为相关企业在生产过程中急需解决的重要问题之一。在此背景下,为了能够在快速发展的制造业市场中站稳脚跟,近年来,许多制造型企业通过引入先进的柔性生产策略来优化现有的作业车间调度方式。A公司作为一家专注于生产加工汽车发动机缸体的制造型企业,随着订单量和业务规模的逐年递增,其作业车间中不同生产效率的机器在生产加工过程中时常出现闲置或原料堆积等问题,因此迫切需要转变其现有的作业车间调度方案。基于此,本文在实地调研的基础上,分析了该公司目前在车间生产调度中存在的不足之处,并将柔性作业生产理论引入到该公司的车间调度优化中来,针对其柔性作业车间调度问题展开研究工作,对于提升该公司的生产效率和降低成本具有重要意义。鉴于此,本文针对A公司的实际需求,构建了多目标数学优化模型,并运用智能优化算法中的改进NSGA-Ⅱ算法进行求解,最终给出了一种新的柔性作业车间调度优化方案,并对其优化效果进行了分析。具体而言,首先,本文梳理并总结了国内外关于传统车间调度问题及柔性作业车间调度问题的相关研究,并对NSGA-Ⅱ算法的起源和发展进行简要介绍;其次,针对A公司作业车间的生产加工流程、生产调度方式及现存不足进行概述;然后,考虑到该公司车间调度的订单准时交付率和加工成本仍有待优化的空间,构建了同时兼顾完工时间和机器总加工成本的多目标数学优化模型,并设计了一种改进NSGA-Ⅱ算法进行求解;最后,基于作者在A公司实习期间调研获取的真实数据,选取其某一个月的订单数据作为数据来源,进行仿真实验,并据此有针对性地提出了一种新的柔性作业车间调度优化方案。仿真实验结果表明,根据本文提出的模型和算法所给出的A公司柔性作业车间调度优化方案,不仅能提升A公司的订单准时交付率,也能降低其生产加工成本,满足该公司现阶段的订单需求。此外,本文针对A公司所提出的柔性作业车间调度优化方案,也为同类型企业改进作业车间调度方案提供了一定的参考。

关键词： 组合优化   柔性作业车间调度   进化算法   交叉熵算法   多目标优化  

摘要： 目前,国内大部分船企的生产制造流程还停留在半自动化排产阶段,多数情况下调度人员根据当前资源的空闲状态及经验进行排产,不能合理地安排调度计划,严重影响生产制造效率,并且不能满足船舶智能制造数字化的需求。因此,解决船舶制造中的柔性作业车间调度问题(Flexible Job-Shop Scheduling Problem,FJSP)是提高船舶制造效率的关键所在。当前主要使用基于交叉、变异等算子的进化算法求解FJSP,其对个体的改良具有盲目性,同时鲜有使用交叉熵算法(Cross-Entropy Method,CEM)对FJSP进行求解,并且大部分研究没有很好地结合相关邻域搜索。针对该问题,本文设计了一种基于协同进化策略的交叉熵算法(Cooperative coevolution-based CEM,Co-CEM),通过实验证明了其求解FJSP的高效性。论文的主要工作如下:(1)针对单目标FJSP,提出一种基于协同进化策略的交叉熵算法,首先协同进化策略弥补CEM局部搜索能力较弱的问题,提高解的质量,其次提出基于主动调度的遗传解码算法,其中主动调度操作保证得到的解属于活动调度、遗传操作将相关调度信息保存在基因中,有效提高算法的搜索效率。(2)针对多目标FJSP,提出一种层次化多目标搜索策略,进一步平衡算法的全局搜索与局部搜索能力,并且在局部搜索时考虑多个目标的优化,增强种群的收敛性与多样性。最后分别引入基于SPEA2的环境选择算子与外部记忆库策略,保证Co-CEM在多目标问题下的可行性。

摘要： 现阶段，我国现代化建设加速，农业机械生产也越来越趋向于智能化、自动化，在新的发展时期，要提升农业机械设计制造工艺和质量，必须要有先进的加工技术和工艺，促进现代化农业机械生产发展。本文基于对农业机械设计制造工艺的分析，重点研究农业机械生产中的多种精密加工技术，探索相关技术对于农业机械设计制造带来的影响，以便更好地把握农业机械相关技术发展现状和应用趋势。目前，随着生产对于工艺和技术要求的不断提升，精密加工技术在机械设计制造中的应用成为必然要求，对于提升产品质量和工艺水平发挥着重要作用。

关键词： 可视化   机械设计   优化设计   应用思考  

摘要： 在信息技术快速发展的背景下，读图时代悄然来临，针对机械设备使用来讲，为提升机械的使用效率，需要对机械进行优化设计。可视化方法在机械优化设计中的作用较为明显，其可以使数据通过图文来进行展现，既易于理解，还可以保障机械设计有效性得到提升。基于此，本文主要分析可视化方法在机械优化设计中的应用，希望可以为相关人士提供参考和借鉴。