第3章
基于BIMS的生產(chǎn)資源動(dòng)態(tài)調(diào)度

3.1　引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的一體化、市場競爭的加劇，用戶驅(qū)動(dòng)也越來越左右著產(chǎn)品的生產(chǎn)，制造業(yè)面臨越來越多的挑戰(zhàn)：產(chǎn)品的多樣化，用戶的個(gè)性化需求，產(chǎn)品生命周期的縮短，產(chǎn)品更新的速度不斷加快及產(chǎn)品批量的減少等。這些挑戰(zhàn)給制造系統(tǒng)帶來了許多的不確定性，如動(dòng)態(tài)的任務(wù)變化、緊急訂單等；同時(shí)，制造系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境也充滿了不確定性，如設(shè)備故障、人員缺席、生產(chǎn)延遲等。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，制造系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，對系統(tǒng)穩(wěn)健性和敏捷性的要求也越來越高。因此，在生產(chǎn)層面，現(xiàn)代制造系統(tǒng)正在尋求一種新的動(dòng)態(tài)調(diào)度方法，以求快速響應(yīng)動(dòng)態(tài)環(huán)境的變化，同時(shí)在某些生產(chǎn)約束下（如產(chǎn)品加工成本、資源利用率、交貨期等）通過優(yōu)化資源和任務(wù)的配置提高生產(chǎn)效率。

近年來，很多學(xué)者一直在對制造系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)度問題進(jìn)行深入的研究，并獲得了大量的研究成果。當(dāng)前，解決動(dòng)態(tài)調(diào)度問題主要依靠啟發(fā)式方法和多Agent技術(shù)。在啟發(fā)式方法的使用方面，有學(xué)者提出了一種柔性車間作業(yè)動(dòng)態(tài)調(diào)度的數(shù)學(xué)模型，并利用遺傳算法優(yōu)化了調(diào)度結(jié)果，同時(shí)提高了結(jié)果的穩(wěn)定性。針對柔性制造系統(tǒng)在進(jìn)行面向任務(wù)的動(dòng)態(tài)車間調(diào)度過程中，有學(xué)者提出了采用遺傳算法對評價(jià)指標(biāo)完工時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化；或者通過設(shè)計(jì)一種改進(jìn)的自適應(yīng)遺傳算法用于求解車間動(dòng)態(tài)調(diào)度問題，并證明采用該方法后機(jī)器的利用效率和車間的生產(chǎn)效率得到提高，或者考慮采用粒子群優(yōu)化算法用于求解混合流水車間動(dòng)態(tài)調(diào)度問題。通常，一種好的解決方案可以通過使用啟發(fā)式的算法來獲得，但是計(jì)算時(shí)間長和實(shí)施效率低仍是這些方法的短板?；贏gent的技術(shù)有分布式的優(yōu)點(diǎn)，在針對擾動(dòng)的響應(yīng)速度和并行計(jì)算能力等方面有顯著的優(yōu)勢。比如，有學(xué)者提出了一種基于制造單元內(nèi)外部指標(biāo)計(jì)算用于多Agent構(gòu)架的協(xié)調(diào)方法解決生產(chǎn)調(diào)度問題；或利用基于改進(jìn)合同網(wǎng)（Contract Net Protocol，CNP）的多Agent動(dòng)態(tài)調(diào)度方法解決動(dòng)態(tài)復(fù)雜的生產(chǎn)調(diào)度問題?？梢岳靡环N動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)方法求解合弄制造系統(tǒng)中的調(diào)度問題，也可以等采用基于合同網(wǎng)協(xié)商機(jī)制的任務(wù)和資源分配策略解決基于Agent的合弄制造系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)度問題?；贏gent的技術(shù)一般采用合同網(wǎng)協(xié)議的協(xié)商機(jī)制，具有策略簡單和應(yīng)用方便的特點(diǎn)，但合同網(wǎng)協(xié)議是一種顯式的協(xié)商機(jī)制，其協(xié)商過程中的通信量會(huì)隨著制造環(huán)境的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性的增加而迅速增加。

神經(jīng)內(nèi)分泌調(diào)節(jié)系統(tǒng)是人體生理過程中的重要調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在研究制造系統(tǒng)的過程中，它獨(dú)一無二的信息處理機(jī)制給研究者諸多靈感和啟發(fā)。這種基于神經(jīng)內(nèi)分泌調(diào)節(jié)機(jī)制的協(xié)調(diào)方法是一種隱式協(xié)調(diào)方法，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)在個(gè)體間的快速調(diào)節(jié)，還可以對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。與合同網(wǎng)等顯式協(xié)調(diào)機(jī)制相比，基于神經(jīng)內(nèi)分泌協(xié)調(diào)機(jī)制的隱式協(xié)商機(jī)制具有更少的通信、更簡單的協(xié)調(diào)、更容易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。

在第2章所提到的類生物化制造系統(tǒng)（BIMS）構(gòu)架的基礎(chǔ)上，受神經(jīng)內(nèi)分泌調(diào)節(jié)機(jī)制的啟發(fā)，本章設(shè)計(jì)了一種針對擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)調(diào)度方法，它可以快速地處理車間層的突發(fā)情況，以優(yōu)化任務(wù)和資源的分配。本章內(nèi)容主要是利用神經(jīng)內(nèi)分泌調(diào)節(jié)機(jī)制來改善BIMS中的性能指標(biāo)。