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《吉林大学》 2018年
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生产线可用性的指标体系及其建模

贾玉辉  
【摘要】:制造业是国民经济和综合国力的基础,在全面实施“制造强国”战略的大背景下,人们已经充分认识到数控装备可用性的重要性。随着“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项的实施,我国数控装备可靠性水平已逐步提升,国产装备在生产线上的应用也越来越多。为满足多品种、变批量、订单化的生产需求,现代化生产线已日益朝着复杂化、柔性化、高效化、数字化的方向发展,其组成设备的种类与数量也迅速增加,再由于生产线宏观趋于串联的结构以及复杂多变的工况环境,从而导致生产线故障频发且整线性能对故障极为敏感。另外,生产线可用性作为生产能力的重要组成部分,是实现可预测生产的依据,所以无论对新设计的拟建线还是已有的在产线,企业都有着需要预测、保障和提高其可用性水平的迫切需求。鉴于以上原因,有必要对生产线可用性问题展开系统性的研究。作为典型的离散事件动态系统,生产线行为复杂多变,其可用性在单机、缓冲区及整线性能中均有体现。而已有的关于生产线可用性的研究主要针对单一指标的建模方法展开,尚未有公认的指标体系形成,仅能反映特定系统某个侧面的可用性水平且理论性较强,常常导致在工程实际中可应用性较差。同时,单一的系统可用度无法描述生产线的薄弱环节,进而难以指导可用性保障和增长的实施。针对现有问题,论文结合国家科技重大专项课题任务和行业需求,以带缓冲区的串并联异步生产线为研究对象,围绕生产线配置参数与可用性评价指标之间的关系展开研究。文中以生产线各单元运行状态为切入点,定义了可用性评价指标,提出了三种指标获取方法及基于代理模型的指标预测方法,并利用敏感性分析得出了关键影响参数,从而完成了生产线可用性的评价指标体系及其模型的建立。论文的主要内容如下:(1)针对生产线可用性研究尚无公认的评价指标体系问题,深入分析了带缓冲区生产线的运行机制,描述了生产线各组成部分(加工单元及缓冲区)之间的动态影响关系,并由此进行了加工单元和整线的状态分析。在此基础上,按照生产线层次结构,将可用性评价指标体系划分为单机、缓冲区及整线三个评价单元,定义了17种类型的可用性评价指标,并初步得到了其指标体系。(2)针对初步构建的指标体系存在大量的冗余信息的问题,提出了采用R型聚类与多策略赋权筛选相结合的方法来进行优化,并给出了一种实用可行的指标体系构建流程。其中R型聚类分析能够按相关性对指标进行分类,而多策略赋权能够结合主观、相关性和信息量三个因素定量地对每个聚类进行指标筛选,并最终得出优化后的指标体系。以曲轴粗加工生产线为例,通过指标的聚类和筛选将该生产线可用性评价指标体系由49个缩减为13个,且各指标能够从不同侧面反映该生产线的可用性水平。(3)针对生产线可用性评价指标的计算问题,给出了三种生产线仿真方法。第一种为采用Plant Simulation软件的生产线仿真,并作为对照组验证其它方法。第二种为根据生产线运行机制在Matlab平台下开发的离散事件实时仿真,该方法能够根据仿真时间扫描系统每个时刻的状态并做记录,可以更深入的了解生产线的动态生产信息。第三种为结合了解析法与Monte Carlo法的半解析仿真。该方法能够根据所提“产量-缓存量”模型将整个运行时间划分为多个故障串联区间来计算各区间内每个单元的产量和缓存量,并在此基础上给出了平均在制品数的计算公式。该方法能够将计算量由时间单元级减少到故障数量级,从而显著提高计算效率,并以6条不同类型的生产线为例对三种方法及两种解析法进行了对比验证。最后针对仿真中出现的初始瞬态问题,采用Welch移动平均法确定了仿真的预热时间。(4)针对仿真方法在高维不确定性空间内进行实验需要大量仿真时间的问题,提出基于代理模型的可用性评价指标预测方法。在采用拉丁超立方抽样进行实验设计的基础上,首次将代理模型技术引入生产线可用性的研究,并分别采用Kriging、随机Kriging和移动最小二乘法作为代理模型建立了生产线配置参数与可用性评价指标之间的数学关系,通过该模型能够实现对可用性评价指标的准确预测。实例结果表明代理模型的精度值R~2均在0.95以上。(5)进行了可用性评价指标模型的敏感性分析。在获取模型样本的基础上,研究生产线配置参数对可用性评价指标的影响,分析了输入不确定性因素存在情况下可用性评价指标的不确定性问题。针对生产线配置参数对系统可用性表现的耦合影响,引入了两种全局敏感性分析方法并确定了关键影响参数,其中以傅立叶振幅敏感性检验法(FAST)作为定性分析法,以Sobol’法作为定量分析法。实例表明两种方法在各因子敏感度上整体趋于一致,但个别因子在主效应和全效应上略有不同。为解决全局敏感性分析在多参数时计算量大的问题,提出了基于代理模型和半解析仿真的敏感性分析方法,且该方法在节约计算量的前提下依然能够保持较好的分析精度。通过本文研究,建立了生产线可用性评价指标体系,研究了指标的获取手段和预测方法,得到了生产线配置参数与可用性评价指标之间的量化关系,并完成了模型的敏感性分析,为后续开展生产线可用性综合评价、可用性分配、可用性增长等研究提供了支撑。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TG659

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