包含可充电运载机械的节能制造车间调度研究

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中国制造2025中强调了绿色制造的重要性,因此绿色节能的车间制造被视为一个新的重要目标。不同于传统制造车间的决策问题,节能车间制造需要权衡生产效率和能源节约两方面的目标。若工厂仅追求生产效率,则必然导致低效的电能利用;反之若仅追求电能利用效率,则会导致生产效率的降低。在该问题中多方面因素相互影响、交叉作用,使得问题中各类资源的调度异常复杂,但该问题又与制造车间的生产成本息息相关,因此对该问题的研究具有非常重要的意义。包含可充电运载机械的节能制造车间调度是一个复杂的决策问题,该问题需要权衡制造车间生产效率和生产制造过程中电能消耗的关系。制造车间的生产效率受工件的加工计划、机器的加工效率、物料的配送方案等因素的影响,同时这些因素也会影响生产制造过程中电能的利用率。通过对包含可充电运载机械的节能制造车间调度问题中各类资源调度的深入分析,该问题被建模成一个两阶段、多目标的决策问题。第一阶段是关于生产制造过程中工件的加工计划的决策。通过建立二次混合整数规划模型,该问题的优化目标和资源约束被清楚地刻画出来。但该二次混合整数规划问题仍然是一个NP-hard的问题,因此该问题的求解时间会随着问题规模急剧增加,且需要大量的时间来完成实际问题中的调度计划。为快速求解问题,该二次混合整数规划问题被转化为二次锥优化问题,并通过提出F-SOC算法,使得该问题能在短时间内得到高质量的解。基于工件的加工计划,运载机械可完成工件加工过程中物料的配送。准时的物料配送是保证车间加工计划正常实施的基础,但运载机械由于电量限制的原因,不可能无间断的进行物料配送,因此需要制订合适的充电调度策略以保证车间加工计划得到实现。第二阶段的决策问题研究了运载机械的充电调度问题,其优化目标是提高运载机械的利用效率以保证第一阶段的加工计划能够实现。第二阶段的决策问题同样也是NP-hard的问题,通过提出FD-SDP算法,该问题能在短时间内得到有效的调度方案以保证第一阶段的加工计划得以实现。通过对实际案例的研究,F-SOC算法和FD-SDP算法能有效解决包含可充电运载机械的节能制造车间调度的两阶段决策问题,且这两种算法的应用能有效提高工厂的生产效率并降低能源消耗。基于F-SOC算法和FD-SDP算法,设计了节能制造车间调度问题的计算机决策支持系统。决策者可以通过输入车间调度问题的相关参数得到高效的调度方案。本研究首次综合考虑了包含可充电运载机械的节能制造车间的多方面调度,并建立了两阶段、多目标的决策问题模型。此外的贡献还包括建立了该问题每个阶段决策问题的模型,提出了F-SOC算法和FD-SDP算法,并在这一系列研究的基础上设计了节能制造车间调度问题的决策支持系统。
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