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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
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    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
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    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
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    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
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-05-17
  • 刊出日期:  2023-06-20

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