留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于数字孪生的实时装配工时调度优化

吴昕宇 张美华 张立强

吴昕宇, 张美华, 张立强. 基于数字孪生的实时装配工时调度优化[J]. 上海工程技术大学学报, 2023, 37(2): 198-206. doi: 10.12299/jsues.22-0157
引用本文: 吴昕宇, 张美华, 张立强. 基于数字孪生的实时装配工时调度优化[J]. 上海工程技术大学学报, 2023, 37(2): 198-206. doi: 10.12299/jsues.22-0157
WU Xinyu, ZHANG Meihua, ZHANG Liqiang. Optimization of real-time assembly man-hours scheduling based on digital twin[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2023, 37(2): 198-206. doi: 10.12299/jsues.22-0157
Citation: WU Xinyu, ZHANG Meihua, ZHANG Liqiang. Optimization of real-time assembly man-hours scheduling based on digital twin[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2023, 37(2): 198-206. doi: 10.12299/jsues.22-0157

基于数字孪生的实时装配工时调度优化

doi: 10.12299/jsues.22-0157
基金项目: 国家自然科学基金项目资助(51775328)
详细信息
    作者简介:

    吴昕宇(1998−),男,在读硕士,研究方向为数字孪生监测及调度研究. E-mail: wuxinyu980919@163.com

    通讯作者:

    张美华(1978−),女,讲师,博士,研究方向为智能制造、调度优化. E-mail: zhang_meihua@126.com

  • 中图分类号: TP391

Optimization of real-time assembly man-hours scheduling based on digital twin

  • 摘要: 针对产品个性化定制过程中装配工时不确定、装配车间动态扰动频发问题,提出基于数字孪生的实时装配工时车间调度模型. 构建基于数字孪生的装配车间调度整体架构,利用射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)技术实时采集物理装配车间的工时数据,用改进的Rete算法进行实时装配工时处理. 建立基于实时装配工时的装配车间调度数学模型,采用改进的人工鱼群−禁忌算法对模型求解,以实现实时装配工时车间的调度优化. 实证结果表明,模型算法进行实时装配工时车间调度具有一定的可行性及优越性.
  • 图  1  基于数字孪生的装配车间调度整体架构

    Figure  1.  Overall architecture of assembly shop scheduling based on digital twin

    图  2  基于RETE算法的实时装配工时处理图

    Figure  2.  Real-time assembly man-hours processing diagram based on RETE algorithm

    图  3  人工鱼群−禁忌算法流程图

    Figure  3.  Artificial fish shoal - tabu algorithm flowchart

    图  4  静态调度甘特图

    Figure  4.  Static scheduling Gantt chart

    图  5  虚拟装配车间图

    Figure  5.  Virtual assembly shop diagram

    图  6  各个装配站实时状态图

    Figure  6.  Real-time status diagram of each assembly station

    表  1  基于实时装配工时的装配车间调度参数表

    Table  1.   Assembly workshop scheduling parameter table based on real-time assembly man-hours

    参数名称表示参数名称表示
    $N=\{ {N}_{1},{N}_{2},\dots ,{N}_{i},\dots ,{N}_{I}\}$ 工件 $ {T}_{i,j,l} $ 基于历史数据的第$ i $个工件的第$ j $道工序由$ l $装配班组的装配时间
    I 工件总数 ${C}_{{\rm{max}}}$ 最大完工时间
    $ {N}_{i} $ 第$ i $个工件 $ {t}_{i,j,w1} $ 基于实时数据的第$ i $个工件的第$ j $道工序装配开始时间
    $M=\{ {M}_{i,1},{M}_{i,2},\dots ,{M}_{i,j},\dots ,{M}_{i,J}\}$ 工序 $ {t}_{i,j,y2} $ 基于历史数据的第$ i $个工件的第$ j $道工序装配结束时间
    J 每个工件的工序总数 $ {t}_{i,j,w2} $ 基于实时数据的第$ i $个工件的第$ j $道工序装配结束时间
    $ {M}_{i,j} $ 第$ i $个工件的第$ j $道工序 $\Delta {t}_{{\rm{lim}}}$ 实时数据与历史数据工时时间差值的阈值
    $P=\{ {P}_{j,1},{P}_{j,2},\dots ,{P}_{j,l},\dots ,{P}_{j,L}\}$ 第$ j $道装配工序的装配班组 $ {X}_{i,j,l}=\left\{\mathrm{0,1}\right\} $ 第$ i $个工件的第$ j $道装配工序是否安排在第$ l $道装配班组,是为1,否则为0
    L 第$ j $道装配工序的装配班组总数量 $ {Z}_{g,h,j}=\left\{\mathrm{0,1}\right\} $ 表示第$ j $道工序上的$ g $,$ h $两个产品的加工顺序,$ g $先于$ h $则为1,否则为0
    $ {P}_{j,l} $ 第$ j $道装配工序的第$ l $个装配班组 U 很大的一个正数
    下载: 导出CSV

    表  2  算例L1原始数据

    Table  2.   Example L1 raw data

    工件
    编号
    工序1工时工序2工时工序3工时
    M1M2M3M4M5M6M7M8M9
    1223452323
    2454343454
    3654423425
    4434653658
    5453313465
    6654234395
    7524463435
    8354753364
    9254127865
    10364344867
    11524356765
    12654543475
    下载: 导出CSV

    表  3  不同智能算法的结果对比

    Table  3.   Results comparison of different intelligent algorithms

    运行
    次数
    GA
    最优解
    GSA
    最优解
    ID-KH
    最优解
    人工鱼群算法
    最优解
    122222121
    222222121
    322222121
    422212121
    522222221
    622222121
    722212121
    822222121
    922222121
    1022222121
    平均值2221.821.121
    下载: 导出CSV

    表  4  装配时间表

    Table  4.   Assembly time table

    工件
    编号
    工序1工时/s工序2工时/s工序3工时/s
    小组1小组2小组3小组4小组5小组6小组7小组8小组9
    1242832404844322428
    2312725333531272833
    3202824373942303234
    4202422383440363432
    5282025272833312630
    6202422374035323034
    7322630353032283032
    8332734273125364030
    9343024454042323430
    下载: 导出CSV
  • [1] 陈宇轩. 工时不确定条件下基于改进遗传算法的柔性作业车间调度问题的区间数求解方法[J] . 机械工程师,2018(1):79 − 81. doi: 10.3969/j.issn.1002-2333.2018.01.025
    [2] JAMROUS T, CHIEN C F, GEN M, et al. Hybrid particle swarm optimization combined with genetic operators for flexible job-shop scheduling under uncertain processing time for semiconductor manufacturing[J] . IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing,2018,31(1):32 − 41. doi: 10.1109/TSM.2017.2758380
    [3] 郭映丹, 王贺, 冯翰信, 等. 成组条件下的研制批产混合调度方法[J] . 浙江大学学报(工学版),2016,50(11):2224 − 2230.

    GUO Y T, WANG H, FENG H X, et al. Trial production and batch production mixed scheduling method in group manufacturing[J]. Journal of Zhejiang University, 2016, 50(11): 2224-2230.
    [4] 郭钧, 钟精诚, 杜百岗, 等. 考虑模糊作业时间的再制造加工车间多目标调度方法[J] . 控制与决策,2020(6):1497 − 1504. doi: 10.13195/j.kzyjc.2018.1187
    [5] 朱传军, 邱文, 朱孟周, 等. 随机工时下的多目标柔性作业车间鲁棒调度问题[J] . 中国机械工程,2016,27(12):1667 − 1672. doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2016.12.020
    [6] 常建娥, 李帅, 莫易敏, 等. 基于装配相似性与灰色模型的汽车装配工时预测[J] . 工业工程,2018,21(3):87 − 92. doi: 10.3969/j.issn.1007-7375.2018.03.011
    [7] 刘子文, 刘检华, 程益, 等. 基于文本挖掘与神经网络的复杂产品装配工时估算方法[J] . 机械工程学报,2021,57(15):199 − 210.
    [8] WU C C, GUPTA J N D, CHENG S R, et al. Robust scheduling for a two-stage assembly shop with scenario-dependent processing times[J] . International Journal of Production Research,2021, 59(17):5372 − 16.
    [9] FERONE D, HATAMI S, GONEALZE‐NEIRA E M, et al. A biased‐randomized iterated local search for the distributed assembly permutation flow‐shop problem[J] . International Transactions in Operational Research,2020,27(3):1 − 24.
    [10] SHEIKH S, KOMAKI G M, KAYVANFAR V, et al. Multi-stage assembly flow shop with setup time and release time[J] . Operations Research Perspectives,2019,6:1 − 15.
    [11] FANG Y L, PENG C, LOU P, et al. Digital-twin based job shop scheduling towards smart manufacturing[J] . IEEE Transactions on Industrial Informatics,2019,15(12):6425 − 6435. doi: 10.1109/TII.2019.2938572
    [12] ZHANG J, DENG T M, JIANG H F, et al. Bi-level dynamic scheduling architecture based on service unit digital twin agents[J] . Journal of Manufacturing Systems,2021,60:59 − 79. doi: 10.1016/j.jmsy.2021.05.007
    [13] 曹远冲, 熊辉, 庄存波, 等. 基于数字孪生的复杂产品离散装配车间动态调度[J] . 计算机集成制造系统,2021,27(2):557 − 568.
    [14] VILLALONGA A, NEGRI E, BISCARDO G, et al. A decision-making framework for dynamic scheduling of cyber-physical production systems based on digital twins[J] . Annual Reviews in Control,2021,51:351 − 373.
    [15] 陶飞, 刘蔚然, 张萌, 等. 数字孪生五维模型及十大领域应用[J] . 计算机集成制造系统,2019,25(1):1 − 18. doi: 10.13196/j.cims.2019.01.001
    [16] 曹伟, 江平宇, 江开勇, 等. 基于RFID技术的离散制造车间实时数据采集与可视化监控方法[J] . 计算机集成制造系统,2017,23(2):273 − 284. doi: 10.13196/j.cims.2017.02.006
    [17] 宫敬程, 庄存波, 刘检华, 等. 基于磷虾群−禁忌算法的复杂产品装配调度问题[J] . 现代制造工程,2020(9):32 − 39. doi: 10.16731/j.cnki.1671-3133.2020.09.005
    [18] KAHRAMAN C, ENGIN O, HSAN K, et al. An application of effective genetic algorithms for solving hybrid flow shop scheduling problems[J] . International Journal of Computational Intelligence Systems,2008,1(2):134 − 147. doi: 10.1080/18756891.2008.9727611
    [19] BAHROLOLOUMA A, NEZAMABADI-POUR H, BAHROLOLOUM H, et al. A prototype classifier based on gravitational search algorithm[J] . Applied Soft Computing,2012,12(2):819 − 825. doi: 10.1016/j.asoc.2011.10.008
    [20] 庄存波, 熊辉, 刘检华, 等. 一种改进离散磷虾群的复杂产品装配调度算法[J] . 兵工学报,2018,39(8):1590 − 1600. doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2018.08.016
  • 加载中
图(6) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  114
  • HTML全文浏览量:  55
  • PDF下载量:  47
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2022-05-17
  • 刊出日期:  2023-06-20

目录

    /

    返回文章
    返回