一种基于可变时间窗的数字孪生柔性车间实时调度方法技术

本发明专利技术属于制造技术领域，具体地涉及一种基于可变时间窗的数字孪生柔性车间实时调度方法。本发明专利技术通过构建数字孪生柔性车间、生成相应时间窗内的预调度、工序的实时调度、对时间窗内异常事件进行判断、判断当前预调度是否可用、对T

【技术实现步骤摘要】
一种基于可变时间窗的数字孪生柔性车间实时调度方法


[0001]本专利技术属于制造业中的车间生产
，具体地涉及一种基于可变时间窗的数字孪生柔性车间实时调度方法。

技术介绍

[0002]随着物联网、云计算、大数据、移动互联网、人工智能等新一代信息通信技术的快速发展，作为国民经济主体的制造业面临着新的机遇与挑战。面对多元化的市场竞争和多样化的客户需求，制造企业必须采取更加先进科学的方式来经营企业，以便提高自身的市场竞争力，其中，车间生产是制造过程中的关键环节。由于实际车间生产过程中存在着许多不可预见的异常扰动，如紧急插单、机器故障、人员缺勤和工件质量缺陷等，使得车间实际生产情况与生产计划不符。如果这些异常扰动不能被及时处理，不但会对生产效率产生影响，而且最终会导致企业竞争力的下降。因此，如何在动态的生产环境中高效地应对各种异常扰动，如何在有限的生产资源条件下最大限度地提升生产效率，已经成为当前制造业关注的重点和难点。
[0003]在实际车间生产中，传统的动态调度方法非常容易受异常扰动的影响而需要频繁求解，造成动态调度系统效率低下、车间在一段时间内陷入停滞等问题。因此，在当前扰动事件频发、不确定因素愈发增多的生产环境下，研究数字孪生柔性车间的实时调度方法，对实际生产具有重要意义。
[0004]近年来，在车间实时调度方面的研究主要有：
[0005]中国专利《面向离散车间的实时调度控制方法》(CN110687875B)提出了一种面向离散车间的实时调度控制方法。该方法包括主控单元、第一控制单元、第二控制单元、第三控制单元、备料区、第一加工区、第二加工区、第三加工区、验收区、主输送系统、第一输送系统、第二输送系统、第三输送系统，通过以上系统实现离散型车间的实时控制。
[0006]中国专利《一种基于孪生智能工件的物联车间实时调度方法》(CN113222224A)公开了一种基于孪生智能工件的物联车间实时调度方法，通过将任务信息输入到孪生智能工件中，实现任务的评定、分析、决策，从而形成实时调度方案。
[0007]上述专利技术都通过实时数据提高车间调度的效率起到了一定的推动作用，但在实时调度过程中应对异常扰动的影响还存在以下缺陷：1)如何在物联网环境下进一步实现物理车间和虚拟车间的实时交互和提高实时数据的处理能力，进而提高柔性车间的调度效率，保证生产的顺利进行；2)如何开发一种基于实时制造数据的柔性车间实时调度策略，以提高实时调度系统的灵活性，减少异常干扰对生产过程的不利影响；3)如何设计一种基于改进匈牙利算法的柔性车间实时调度方法，以提高计算效率，降低计算复杂度，保证实时决策的快速性和可靠性。

技术实现思路

[0008]本专利技术提供了一种基于可变时间窗的数字孪生柔性车间实时调度方法，目的之一
在于提供一种能够实现物理车间和虚拟车间的实时交互和提高实时数据的处理能力，进而提高柔性车间的调度效率，保证生产的顺利进行的方法；目的之二在于提供一种能够提高实时调度系统的灵活性，减少异常干扰对生产过程不利影响的方法；目的之三在于提供一种能够提高计算效率，降低计算复杂度，保证实时决策的快速性和可靠性的方法。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0010]一种基于可变时间窗的数字孪生柔性车间实时调度方法，包括如下步骤，
[0011]步骤一：构建数字孪生柔性车间
[0012]构建基于边缘计算的包括物理车间和虚拟车间的数字孪生柔性车间，通过数字孪生柔性车间的实时交互，实现数字孪生柔性车间的实时调度；
[0013]步骤二：生成相应时间窗内的预调度
[0014]以ΔT为时间跨度，将生产过程分为多个时间窗，并在T
n
的初始时刻生成相应时间窗内的预调度；
[0015]其中，T
n
表示第n个时间窗；
[0016]步骤三：工序的实时调度
[0017]根据物理车间的实时制造数据和T
n
内预调度结果，在T
n
内的每个时刻t进行工序的实时调度，并输出实时调度结果；
[0018]步骤四：对时间窗内异常事件进行判断
[0019]根据步骤三输出的实时调度结果，判断t时刻及t时刻之前是否有异常事件发生，若有异常事件发生，进入步骤五，否则进入步骤六；
[0020]步骤五：判断当前预调度是否可用
[0021]若当前预调度可用，进入步骤六，否则进入步骤七；
[0022]步骤六：对T
n
内的t时刻进行判断
[0023]判断T
n
内的时刻t是否是最后一个时刻t，如果是最后一个时刻t则进入步骤七，否则进入步骤三；
[0024]步骤七：判断是否到达最后一个时间窗
[0025]如果到达最后一个时间窗，则调度结束，否则返回步骤二。
[0026]所述的步骤一中数字孪生柔性车间包括物理车间、虚拟车间和数据管理模块，物理车间和虚拟车间之间通过数据管理模块实现实时交互；物理车间用于根据虚拟车间的优化结果执行调度方案，同时，物理车间的实时数据通过数据管理模块发送到虚拟车间；虚拟车间是物理车间的重构和数字映射，用于根据物理车间的实时数据生成实时调度方案，并反馈给物理车间执行；数据管理模块用于连接物理车间和虚拟车间，它接收物理车间的实时数据和虚拟车间的优化结果。
[0027]所述的物理车间模块包括生产系统单元、智能制造资源单元和智能传感器单元；所述的生产系统单元与数据管理模块及智能制造资源单元电信号连接；所述的智能传感器单元与智能制造资源单元及数据管理模块电信号连接；所述的生产系统单元至少包括企业资源计划模块和制造执行系统，用于收集订单数据、制造资源数据以及生产过程中工序的加工数据；所述的智能制造资源单元包括机器、射频识别模块和边缘设备；机器分别与射频识别模块和边缘设备电信号连接；智能制造资源单元用于通过射频识别模块采集机器的实时制造数据，并在边缘设备中进行预处理；所述的智能传感器单元至少包括压力传感器和
速度传感器，用于获取压力数据和速度数据。
[0028]所述的数据管理模块包括数据存储单元、数据处理单元和数据可视化单元；数据存储单元由结构化数据元素和非结构化数据元素构成；数据处理单元由数据压缩元素、数据分析元素和数据挖掘元素构成；数据可视化单元通过可视化技术对数据进行可视化解释；数据存储单元通过数据处理单元与数据可视化单元电信号连接。
[0029]所述的虚拟车间模块包括实时调度策略单元和实时调度运行单元；实时调度策略单元用于根据获取的数据管理单元中的实时工件数据、实时机器数据和实时加工数据的状态信息进行异常扰动的判断之后得出实施决策，并将实施决策发送给实时调度运行单元，实时调度运行单元依次通过调度优化目标模型、改进匈牙利算法模型、调度求解和调度仿真将优化后的结果通过数据管理模型发送给物理车间模块。
[0030]所述步骤一中的数字孪生柔性车间实现数字孪生柔性车间的实时调度，具体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于可变时间窗的数字孪生柔性车间实时调度方法，其特征在于，包括如下步骤，步骤一：构建数字孪生柔性车间构建基于边缘计算的包括物理车间和虚拟车间的数字孪生柔性车间，通过数字孪生柔性车间的实时交互，实现数字孪生柔性车间的实时调度；步骤二：生成相应时间窗内的预调度以ΔT为时间跨度，将生产过程分为多个时间窗，并在T
n
的初始时刻生成相应时间窗内的预调度；其中，T
n
表示第n个时间窗；步骤三：工序的实时调度根据物理车间的实时制造数据和T
n
内预调度结果，在T
n
内的每个时刻t进行工序的实时调度，并输出实时调度结果；步骤四：对时间窗内异常事件进行判断根据步骤三输出的实时调度结果，判断t时刻及t时刻之前是否有异常事件发生，若有异常事件发生，进入步骤五，否则进入步骤六；步骤五：判断当前预调度是否可用若当前预调度可用，进入步骤六，否则进入步骤七；步骤六：对T
n
内的t时刻进行判断判断T
n
内的时刻t是否是最后一个时刻t，如果是最后一个时刻t则进入步骤七，否则进入步骤三；步骤七：判断是否到达最后一个时间窗如果到达最后一个时间窗，则调度结束，否则返回步骤二。2.如权利要求1所述的一种基于可变时间窗的数字孪生柔性车间实时调度方法，其特征在于，所述的步骤一中数字孪生柔性车间包括物理车间、虚拟车间和数据管理模块，物理车间和虚拟车间之间通过数据管理模块实现实时交互；物理车间用于根据虚拟车间的优化结果执行调度方案，同时，物理车间的实时数据通过数据管理模块发送到虚拟车间；虚拟车间是物理车间的重构和数字映射，用于根据物理车间的实时数据生成实时调度方案，并反馈给物理车间执行；数据管理模块用于连接物理车间和虚拟车间，它接收物理车间的实时数据和虚拟车间的优化结果。3.如权利要求2所述的一种基于可变时间窗的数字孪生柔性车间实时调度方法，其特征在于：所述的物理车间模块包括生产系统单元、智能制造资源单元和智能传感器单元；所述的生产系统单元与数据管理模块及智能制造资源单元电信号连接；所述的智能传感器单元与智能制造资源单元及数据管理模块电信号连接；所述的生产系统单元至少包括企业资源计划模块和制造执行系统，用于收集订单数据、制造资源数据以及生产过程中工序的加工数据；所述的智能制造资源单元包括机器、射频识别模块和边缘设备，机器分别与射频识别模块和边缘设备电信号连接，智能制造资源单元用于通过射频识别模块采集机器的实时制造数据，并在边缘设备中进行预处理；所述的智能传感器单元至少包括压力传感器和速度传感器，用于获取压力数据和速度数据。4.如权利要求2所述的一种基于可变时间窗的数字孪生柔性车间实时调度方法，其特
征在于：所述的数据管理模块包括数据存储单元、数据处理单元和数据可视化单元；数据存储单元由结构化数据元素和非结构化数据元素构成；数据处理单元由数据压缩元素、数据分析元素和数据挖掘元素构成；数据可视化单元通过可视化技术对数据进行可视化解释；数据存储单元通过数据处理单元与数据可视化单元电信号连接。5.如权利要求2所述的一种基于可变时间窗的数字孪生柔性车间实时调度方法，其特征在于：所述的虚拟车间模块包括实时调度策略单元和实时调度运行单元；实时调度策略单元用于根据获取的数据管理单元中的实时工件数据、实时机器数据和实时加工数据的状态信息进行异常扰动的判断之后得出实施决策，并将实施决策发送给实时调度运行单元，实时调度运行单元依次通过调度优化目标模型、改进匈牙利算法模型、调度求解和调度仿真将优化后的结果通过数据管理模型发送给物理车间模块。6.如权利要求1所述的一种基于可变时间窗的数字孪生柔性车间实时调度方法，其特征在于，所述步骤一中的数字孪生柔性车间实现数字孪生柔性车间的实时调度，具体包括如下步骤，步骤1.1：对物理车间中的各种制造资源配置数据采集设备，同时在每台机器旁放置边缘设备，对采集到的实时制造数据进行预处理，去除冗余、误导性和不一致的信息，然后将预处理后的数据发送到数据管理模块；步骤1.2：对采集的实时制造数据，通过数据管理模块进行数据压缩、数据分析、数据挖掘和数据映射，对采集的数据进行简化和分析，为后续实时决策提供信息支持；步骤1.3：在虚拟车间中构建实时调度策略部分和实时调度方法部分；虚拟车间根据物理车间的实时数据生成实时调度，并将其反馈给物理车间执行；从而，通过物理车间和虚拟车间的实时交互，虚拟车间能够及时、快速地响应物理车间的异常干扰。7.如权利要求1所述的一种基于可变时间窗的数字孪生柔性车间实时调度方法，其特征在于，所述的步骤二生成相应时间窗内的预调度的具体方法如下：以ΔT为时间跨度，将生产过程分为多个时间窗，并且在T
n
的初始时刻生成该时间窗内的预调度，即在每个T
n
的初始时刻，根据T
n
‑1的实时调度结果，将每个工件的第一道未分配工序放入预调度工序池；接下来考虑最小化总流经时间、最小化总机器负荷和最小化总能耗三个优化目标，利用改进匈牙利算法将其中一道工序加入到机器的预加工队列中；重复以上过程，将所有能够在T
n
内开始加工的工序都加入到机器的预加工队列中，生产一个T
n
内预调度；此时，预调度；此时，表示第n个时间窗的开始时间；具体包括以下步骤：步骤2.1：根据T
n
‑1的实时调度结果，将每个工件的第一道未分配工序加入预调度工序池，然后对预调度工序池中的工序进行排序；步骤2.2：根据第一步中对工序排序的结果，记预调度工序池中的工序数为p，此外，记车间中的机器数为q；步骤2.3：根据三个优化目标，建立一个p
×
q阶的工序分配成本矩阵L，并运用改进匈牙利算法计算最优解，根据最优解将工序分配到相应的机器上；步骤2.4：将最短加工时间规则、剩余最多工序规则、最早完成加工规则、最小负荷规则和随机分配规则进行组合，将分配到机器上的工序分为确定性工序和不确定性工序，最终将不确定性工序放回预调度工序池；步骤2.5：重复以上步骤2.1至步骤2.4，直到所有能够在T
n
内开始加工的工序都加入到
机器的预加工队列中。8.如权利要求7所述的一种基于可变时间窗的数字孪生柔性车间实时调度方法，其特征在于，所述的步骤2.3的具体过程如下，步骤2.3.1：建立三个优化...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晋，王闯，任杉，马帅印，
申请(专利权)人：西安邮电大学，
类型：发明
国别省市：