3.2　基于BIMS的動態(tài)調(diào)度

3.2.1　類生物化車間動態(tài)調(diào)度系統(tǒng)的組成

BIMS的結(jié)構(gòu)是由一系列具有協(xié)調(diào)和自治功能的有機制造單元（BIMC）組成的。有機制造單元的基本結(jié)構(gòu)有一個具有自組織功能的自主體，由控制器、感知器、決策器組成，能針對內(nèi)外部環(huán)境的變化進行自我調(diào)節(jié)，能應(yīng)對各種復(fù)雜因素。感知器能夠迅速感知環(huán)境變化，促使決策器快速做出反應(yīng)。當決策器做出決定后，控制器將給相應(yīng)的有機制造單元發(fā)送指令。

有機制造單元是可以獨立執(zhí)行任務(wù)并取得一定目標的自治實體，在面對制造環(huán)境中的不確定變化時具有自我調(diào)節(jié)功能。一個基本的有機制造單元包含一組可以代表體系結(jié)構(gòu)層次中任何一個等級的屬性。換句話說，一個有機制造單元可以代表最高等級的整個制造車間、中間等級的制造單元，也可以代表低等級的機床實體。因此，這種體系結(jié)構(gòu)有明確的遞歸特性。不同層次的有機制造單元雖然有較為相似的功能，但是在制造系統(tǒng)中扮演著不同的角色。本書將以調(diào)度計算過程為例，逐一闡述各層次有機制造單元在制造系統(tǒng)調(diào)度過程中所扮演的角色。

車間層有機制造單元扮演監(jiān)督者的角色，并為在其監(jiān)控下的有機制造單元提供優(yōu)化和協(xié)調(diào)服務(wù)。車間層有機制造單元具備非常強大的計算能力和優(yōu)化能力，所以它可以處理非常復(fù)雜的調(diào)度問題，并且可以制訂調(diào)度計劃。雖然制訂一個調(diào)度計劃需要花費大量的時間和精力，但是該調(diào)度計劃是一個全局最優(yōu)計劃，因為車間層的有機制造單元處在車間體系結(jié)構(gòu)的最高層，并且具有全局的視野。

單元層有機制造單元在自身單元內(nèi)扮演監(jiān)督者的角色，并為在其監(jiān)控下的有機制造單元提供優(yōu)化和命令執(zhí)行服務(wù)，對其他有機制造單元提供協(xié)調(diào)服務(wù)。相對于車間層，單元層有機制造單元的計算能力和優(yōu)化能力較弱，但是它仍然可以勝任其自身單元內(nèi)的調(diào)度問題。相對于車間層，單元內(nèi)調(diào)度問題的復(fù)雜程度較低，調(diào)度計劃的計算和優(yōu)化過程耗時也更短。但由于缺乏全局性的視野，單元層有機制造單元制訂的調(diào)度計劃只是單元層的最優(yōu)計劃，并不是全局的最優(yōu)計劃。

設(shè)備層有機制造單元扮演執(zhí)行者的角色，并提供任務(wù)執(zhí)行服務(wù)。相比于車間層和單元層，設(shè)備層的有機制造單元的計算和優(yōu)化能力最弱，但是它可以根據(jù)自身的知識勝任局部的簡單調(diào)度問題。

3.2.2　BIMS動態(tài)調(diào)度模型

為應(yīng)對內(nèi)外界環(huán)境變化產(chǎn)生的刺激，BIMS結(jié)構(gòu)中不同層次有機制造單元通過相互刺激和協(xié)調(diào)來確保系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定。本節(jié)將用動態(tài)調(diào)度模型對這種刺激和協(xié)調(diào)過程進行詳細闡述。對動態(tài)調(diào)度在操作層面的調(diào)度約束做如下假設(shè)。

（1）每個機床在同一時刻只能完成一個操作。

（2）工序的加工不可搶占，即若一道工序在一臺機器上加工，必須加工完成后，才能加工另一道工序。

（3）工件的一道工序必須在其前一道工序完成后方可開始加工。

（4）一個具有加工能力集Si的有機制造單元，有能力執(zhí)行一項任務(wù)Tj={Tlj}的條件是：TYPEj?Si?TYPElj?Si。其中，TYPEj={TYPElj}是任務(wù)Tj={Tlj}的工序類型集；i是有機制造單元編號；j是工件編號；l是工序編號。

BIMS動態(tài)調(diào)度模型如圖3.1所示，分為三個階段。第一階段為系統(tǒng)正常運行階段（無意外擾動事件），BIMS通過神經(jīng)調(diào)節(jié)保證系統(tǒng)的正常運作。神經(jīng)調(diào)節(jié)是中樞神經(jīng)系統(tǒng)維持和調(diào)整機體內(nèi)部各器官系統(tǒng)動態(tài)平衡的過程。相應(yīng)地，BIMS中各個層次的有機制造單元被組織成階層體系結(jié)構(gòu)，車間層有機制造單元（中樞神經(jīng)系統(tǒng)）制訂全局最優(yōu)調(diào)度計劃，并將其發(fā)送至底層的有機制造單元（器官）；底層的有機制造單元接到計劃并執(zhí)行其自身的固定操作。

BIMS針對車間層不確定擾動的反應(yīng)可以分為兩個階段，即響應(yīng)干擾階段和干擾之后的恢復(fù)階段。在第一階段，即系統(tǒng)應(yīng)對干擾的響應(yīng)階段：當意外擾動（如機床故障）出現(xiàn)時，BIMS通過內(nèi)分泌調(diào)節(jié)維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。內(nèi)分泌調(diào)節(jié)是通過控制激素的分泌來保證血液中生物化學(xué)環(huán)境平衡的。例如，當人體受到寒冷的刺激，下丘腦刺激垂體和甲狀腺分泌甲狀腺激素促進身體的新陳代謝來維持體溫穩(wěn)定。而在生產(chǎn)過程中，由于內(nèi)外界的擾動導(dǎo)致某些有機制造單元的任務(wù)和資源與原計劃存在偏差，這些偏差可以視作激素濃度的震蕩；同時，這些偏差刺激單元層有機制造單元與其他有機制造單元相互協(xié)調(diào)合作，來維持制造系統(tǒng)相對穩(wěn)定。協(xié)作過程中，在沒有車間層有機制造單元干預(yù)的情況下，通過相關(guān)的單元層有機制造單元進行從設(shè)備層到單元層的計劃調(diào)整，使受到擾動的單元層有機制造單元可以獲得一個可替代的調(diào)度計劃，以確保產(chǎn)品的及時交貨，同時保證了較低的在制品水平。如圖3.1（b）所示，故障機床的兩個任務(wù)通過內(nèi)分泌調(diào)節(jié)，被分配到其他具有相似加工能力的機床，以確保制造系統(tǒng)正常運行。

在第二階段，即系統(tǒng)在干擾之后的恢復(fù)階段：在執(zhí)行完一個基于事件的動態(tài)調(diào)度之后的一段時間內(nèi)，故障的機床恢復(fù)正常。此時，在第一階段參與協(xié)調(diào)的有機制造單元中可能會產(chǎn)生交貨期的偏差。將這些偏差視作激素的震蕩，BIMS再次利用神經(jīng)內(nèi)分泌調(diào)節(jié)機制調(diào)整系統(tǒng)，使系統(tǒng)保持平衡。當車間層的有機制造單元接收到下層的偏差信息后，首先從產(chǎn)生偏差的任務(wù)中選擇出具有較大偏差的一組瓶頸任務(wù)，然后通過各個層次間有機制造單元的相互協(xié)調(diào)，將瓶頸任務(wù)重新分配。如果延遲的任務(wù)進行重新分配，這意味著延遲被解決或者弱化；如果延遲的任務(wù)不能被重新分配，則相關(guān)的有機制造單元必須接受延遲。如圖3.1（c）所示，一臺機床存在交貨期偏差的任務(wù)，按照內(nèi)分泌調(diào)節(jié)機制，可以被分配到另外一臺具有相似加工能力的機床上，從而解決了任務(wù)延遲的問題。

BIMS在車間層有機制造單元沒有直接地處理干擾，僅僅是接收相關(guān)有機制造單元間的交互信息反饋，然后繼續(xù)優(yōu)化全局計劃以恢復(fù)系統(tǒng)。