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网络化制造环境下以人为中心的制造执行系统关键技术研究

王纯贤  
【摘要】:制造执行系统是面向制造过程的新型车间生产管理与控制信息系统,强调了以时间为关键的现代制造思想,填补了计划管理层与控制层之间的信息断层,是实现企业全面信息集成的关键,也是实施敏捷制造的重要基础。目前,对制造执行系统的研究和开发更多关注的是生产管理与控制的自动化和制造过程的自动化,阻碍了在生产过程复杂、人员密集、自动化程度低的离散制造业中的应用。针对这一问题,本文在分析和总结制造执行系统的功能、特点、发展历程、研究现状和制造系统发展趋势的基础上,结合“以人为中心的生产”的思想和国家自然科学基金资助项目“人机协同的车间数字化制造模式研究”的立项方案,提出了以人为中心的制造执行系统(HcMES)的概念,研究了关键技术,对适合我国国情的制造执行系统技术进行了有益的探讨。 论文分析了网络化制造环境下,离散制造业车间生产管理与控制系统的需求和面临的挑战,阐述了HcMES的思想、内涵和功能,给出了定义,建立了功能模型。针对敏捷制造对生产控制结构的可重构、可重用和可伸缩要求,在详细分析和总结车间控制结构和制造资源组织形式的基础上,提出了面向订单的虚拟制造单元和由车间层、虚拟单元层、资源层组成的三层混合控制结构。 论文探讨了基于多Agent的HcMES软件开发技术,给出了Agent的通用结构、HcMES的多Agent功能模型和混合控制结构的多Agent层次结构,描述了主要Agent的功能、交互行为和行为内容;针对设备单一Agent建模所带来的网络通信量过大、响应速度慢的问题,在功能分解的基础上,提出由设备任务Agent和设备监控Agent组成的设备双代理机制;为了缩小Agent的交互范围,提高响应速度,提出基于可用资源集的虚拟单元组织结构;在综合分析Agent之间各种通信方式优缺点的基础上,对HcMES的不同层次设计了不同的通信策略;根据HcMES中多Agent的应用要求和KQML语言与XML技术的特点,给出了由KQML保留述行语和车间制造扩展述行语组成的外部语言、基于XML的车间制造标记语言的内部语言和基于XML文档类型/模式的本体组成的通信消息格式和通信模型。探讨了HcMES中Agent的组织管理机制和软件体系结构,给出了层次化软件结构模型。 论文对HcMES生产调度问题进行了形式化描述,在分析人机协同调度的思想和方式、JIT生产方式下人工调度的一般过程、HcMES调度问题的多目标优化特征的基础上,给出了基于虚拟单元的任务级、基于设备任务Agent招投标的设备级和基于遗传算法的车间级的三级人机协同优化调度结构;提出了以柔性工艺


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