智能模拟技术在生产计划优化中的应用

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1996.04.010 第18卷第4期 北京科技大学学报 Vol.18 No.4 1996年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.1996 智能模拟技术在生产计划优化中的应用 贺城红)王桂兰)贺毓辛”周仁义) 1)北京科技大学金属塑性加工系，北京1000832)宝山钢铁（集团）公司，上海201900 摘要在延时Petri网的基础上，提出一种更适合生产计划模拟的扩展延时Petri网(E-TPN). 将它与专家系统相结合，设计并建立了生产计划专家模拟系统，借助于该系统对生产计划进行 模拟运行和优化，能得到较优的利于调整的计划 关键词模拟，专家系统Peti网，生产计划 中图分类号F406.2 热送热装一体化生产系统是高效率、高柔性的大型FMS(Flexible Manufacturing System)系统，应用人工智能与系统模拟相结合的专家模拟系统可以模拟此系统的生产计划 运行和实时调度过程，以较少的时间和代价获得满意的计划，) 当然，建立专家模拟系统需要一个能描述实际生产系统的结构和动态特性的建模工具， Petri网正好可以满足这种要求.本文在延时Petri网(Timed Petri-Nets)的基础上，引人计 划规则和调度规则，提出扩展的延时Peti网(E-TPN),以描述生产系统的结构和动态特 性，从而提高它的推理能力和决策能力，实现生产计划优化仿真 1生产系统的E-TPN模拟模型的建立 定义E-TPN为一个8元组：E-TPN={P,T,L,O,M,W,DP,R}.式中： (I)T为变迁集合，P为位置（库所）集合，且P∩T=Φ，PUT≠Φ (2)I,O分别为输人、输出集合，且IUP×T={(p,)peP,tET},OUT×P-{(,P)t∈ T,DEP. (3)M为标识集合，M={m(p),m(p2,…}={mal,ma2,…. (4)W为时间集合，W,定义为两个转换间弧上的持续时间，W,→+R. (5)DP为决策点集合，也称为柔性调整位置集合，是一个非空有限集 (6)R为DP上的计划、调度等规则的集合，r,为有色标识，表示DP()上的规则. 为描述系统的动态行为，还需给出变迁触发的条件和规律，即变迁触发规则.E-TPN的 变迁触发将由标识及标识在弧上的持续时间和调度等规则决定 以宝钢连铸一热轧生产系统为例介绍E-TPN的建模.该系统由2台双流连铸机、1 个板坯库、3台加热炉、粗轧机组、精轧机组和运输辊道组成， 不难建立此系统的TPN模型)，相应的各机组的E一TPN模型如图1所示： 1995-03-27收稿 弟一作者女26岁硕上：

第 1 8卷 第 4期 1 9 9 6年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s i yt o f S e i e n e e a n d T e c h n o l o g y B e i ji n g V o l . 1 8 N O 一 4 A u g . 1 9 9 6 智 能模拟技 术在生产计划优化 中的应用 贺城红 ’ ) 王 桂 兰 ’ ) 贺毓辛 ’ ) 周仁 义 2 ) 1) 北京科技大学金 属 塑 性加 工 系 , 北京 10 00 8 3 2) 宝 山钢铁 ( 集团 )公司 , 上 海 2 01 9 0 摘要 在延 时 eP itr 网的基础上 , 提 出一种 更适合生 产计划模 拟 的扩展 延时 eP itr 网 (E 一 T PN) . 将它 与 专家系统 相结合 , 设计 并建立 了生 产计 划专家模 拟系统 , 借 助于 该系 统对生产计划 进行 模拟运行和优化 , 能得到较优 的利于调 整的计划 . 关键词 模拟 , 专家系统 用e itr 网 , 生产计划 中图 分类号 F 4 06 . 2 热 送 热 装 一 体 化 生 产 系 统 是 高 效 率 、 高 柔 性 的 大 型 F M s ( F l e x ib l e M a n u ar e ut ir n g yS set m ) 系 统 , 应 用 人 工智 能 与系 统模拟 相 结合 的 专家模 拟 系 统可 以 模 拟此 系 统 的生 产计 划 运行和 实 时调 度过 程 , 以 较少 的时 间和代 价获 得 满意 的计划 〔’ ,2] . 当然 , 建 立 专家 模拟 系 统需要 一个 能描 述 实 际生产 系统 的结 构 和动 态特 性 的建模 工 具 , P e tr i 网 正好可 以 满 足 这种 要 求 . 本 文在 延时 P e t r i 网 ( T im e d P e t r i 一 N e t s ) 的基 础 上 , 引 人计 划规则 和 调 度 规则 , 提 出 扩展 的 延 时 P et ir 网 (E 一 T P N ) , 以 描述 生 产 系统 的 结构 和 动 态特 性 , 从而 提高 它 的推 理能 力 和决策 能力 , 实 现生 产计 划优 化 仿真 . 1 生 产 系统 的 E 一 T P N 模拟模型 的建立 定义 E 一 T P N 为 一个 8 元 组 : E 一 T PN 一 { 尸 , T, I, 0 , M, 城 D P , }R . 式 中: (l) T 为 变迁 集合 , 尸 为位置 ( 库所 )集 合 , 且 尸 n =T 巾 , 尸 u T 羊 少 (2) I , 口 分 别为输人 、 输 出集 合 , 且 I u 尸 / 介{勿 , )t 巨6 尸 , 抢 T } , o u T X 介{ (t, )P tI 份 ,T P ` 尸 } . (3 ) M 为标 识集 合 , 材= { m 勿 l ) , m 切2 ) ,… … } 一 { m 。 , , m aZ , … … } . (4) 砰 为 时 间集 合 , 代 定义 为两 个转 换 间弧 上 的持续 时 间 , 砰 。一 + .R ( 5) D P 为决 策 点集 合 , 也称 为柔 性调 整位 置集 合 , 是 一个 非 空有 限集 . (6) R 为 D P 上 的计 划 、 调 度 等规 则 的集合 , : ,为有 色 标识 , 表 示 D (P O上 的规则 . 为 描述 系 统的 动态 行 为 , 还需 给 出变迁 触 发的条 件 和规律 , 即 变迁 触 发规则 . E 一 T P N 的 变 迁触 发将 由标 识及标 识在 弧 上的 持续 时 间和调 度等 规则决 定 . 以 宝 钢连 铸— 热轧 生 产系 统为 例介 绍 E 一 T P N 的建 模 . 该 系统 由 2 台 双流 连铸机 、 l 个 板坯 库 、 3 台加 热 炉 、 粗 轧 机组 、 精 轧机组 和运 输 辊道 组成 . 不 难建 立 此 系统 的 T PN 模 型 3[] , 相 应的 各机 组 的 E 一 T PN 模 型 如 图 1 所 示 : 1 9 9 5 一 0 3 一 2 7 收稿 第 一 作者 女 2 6 岁 硕 土 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1996. 04. 010

·344· 北京科技大学学报 1996年No.4 图中t,~t4为变迁，分别表示机组开始加工、 R R.T4 机组结束加工、机组中断开始、机组中断恢复事 件；P为“工件等待加工”库所，P为“加工库所， P,“中断”库所，P为“机组空闲”库所；R1~R,为 决策点，R~R,中的有色标识表示计划，调度等 w12 规则的集合，即r~r4 0 以上E一TPN形象直观地描述了系统的特 R2 性，它既可用于优化和调度仿真，又可用于用户 图1各机组的E-TPN模型 考察系统的性能 2用于模拟系统的计划优化策略 计划编制的中心任务就是在满足定量和定性约束条件的基础上，恰当地安排各品种的 生产次序并将生产量与各机组生产能力相匹配，使设备得到充分利用.因此，在确立模拟 系统的计划优化策略时，应注意以下几点： (1)各机组生产能力应相互匹配 由于各机组生产能力、生产节奏各不相同，对来料的时序也有不同要求，因而匹配的方 案也是多种的.本文选用的匹配策略是在保证各机组负荷均衡的前提下，尽量使各工序使 用的设备数量最少，从而有利于增大后续生产批对设备的可选择性，利于实时调度. (2)协调各工序间的衔接 由于FMS系统的高效性和连续性，首先要根据Ptri网状态数据和定量约束条件确定生 产的各品种在预计时间到达各机组时，各机组的状态及允许生产量，使生产过程环环相扣， 在最大限度内减少滞留时间，从而缩短整个系统的物流周期. (3)选择合理的工艺路径 对不同的品种，如何选择最适宜的工艺路径，才能使其既满足合同对产品的质量要求， 又利于设备的充分利用，此项工作涉及许多专家经验和工艺要求，因此本文考虑由专家系 统来完成.综上所述，本文采用如图2的计划优化策略. 3生产计划优化专家模拟系统的建立 应用上述E-TPN模型及计划优化策略，设计并建立了生产计划优化专家模拟系统， 如图3，它与生产计划编制系统和实时调度控制系统有着相同的计划规则和调度规则，是 整个一体化生产管理系统的一部分. 知识库是专家模拟的核心，体现了专家系统的功能，它包括规则库和模型库，推理机 采用正向推理方式. 共享数据区包括静态数据库和动态数据库.静态数据库用于存放各机组的作业计划、与 模型库相关的各种产品结构、加工工艺等数据；动态数据库主要用于描述设备当前状态和工 作状态，计划目标的阶段性数据等。 系统启动后，首先在一体化生产计划管理系统给定初步生产计划的前提下，模拟机组

北 京 科 技 大 学 学 报 19 9 6年 N o . 4 图中 t l一 t ;为变 迁 , 分 别表 示机 组开 始加 工 、 机 组 结 束 加 工 、 机 组 中断 开 始 、 机 组 中断 恢 复 事 件; 0P 为 “ 工件 等待加 工 ” 库 所 , 尸, 为 “ 加工 ” 库所 , 几 “ 中断 ” 库 所 , 几 为 “ 机 组空 闲 ” 库所 ; R ; 一 R 4 为 决策 点 , R , 一 R 4 中 的有 色标 识 表示 计划 , 调 度等 规则 的集 合 , 即 r ; 一 ’.r 以 上 E 一 T PN 形 象 直 观 地 描 述 了 系 统 的 特 性 , 它 既 可 用 于优 化 和调 度 仿 真 , 又 可用 于 用 户 考 察 系统 的性 能 . 图 1 各 机组的E 一 T P N 模型 2 用 于模拟系统的计划优化 策略 计 划 编 制 的 中心任 务 就是 在 满足 定 量 和定 性 约束条件 的基 础 上 , 恰 当地 安 排各品 种 的 生 产次 序 并 将 生 产量 与各 机组 生 产 能力 相 匹 配 , 使 设备得 到 充 分 利 用 . 因 此 , 在 确 立 模 拟 系 统的计 划 优化 策 略时 , 应 注意 以 下 几点 : ( l) 各 机 组 生产 能力应 相互 匹 配 由于各 机组 生 产能 力 、 生 产节 奏 各不 相 同 , 对来料 的时序 也 有不 同要求 , 因而 匹 配 的方 案 也是 多 种 的 . 本 文 选用 的 匹 配 策 略是 在 保证 各机 组 负荷 均衡 的前 提 下 , 尽量 使各 工序使 用 的设 备数 量最 少 , 从 而有利 于 增大 后续 生产 批 对设备 的可 选择性 , 利 于 实时调 度 . (2) 协调 各 工序 间的衔 接 由于 F M S 系 统 的高 效性 和连 续性 , 首先 要根 据 P e itr 网状态数据 和定 量 约束条 件 确定 生 产 的各 品 种在 预计 时 间到 达各机 组 时 , 各机 组 的状 态及允 许生 产量 , 使 生产 过程 环环 相 扣 , 在 最大 限度 内减少滞 留时 间 , 从 而缩 短整 个 系统 的物 流周 期 . (3) 选 择合 理 的工艺 路径 对不 同 的 品种 , 如何 选择 最适宜 的工艺 路径 , 才能 使其 既满足 合 同对 产 品的质 量要 求 , 又利 于设备 的充 分利 用 , 此 项 工作 涉及 许多 专家 经 验 和工 艺 要 求 , 因此本 文 考 虑 由专 家 系 统来 完成 . 综上 所述 , 本 文采 用如 图 2 的计 划优 化 策略 . 3 生 产计划优化专家模拟 系统的建 立 应 用 上述 E 一 T PN 模 型 及 计划优 化 策 略 , 设 计 并 建 立 了生 产 计划 优化 专家模 拟 系 统 , 如 图 3 , 它 与生 产 计 划 编制 系 统 和 实 时调 度控 制 系 统 有着 相 同的 计划 规则 和 调度 规则 , 是 整个 一体 化 生产 管理 系 统 的一部分 . 知 识库 是 专 家模 拟 的 核 心 , 体 现 了 专家 系 统 的功 能 , 它 包 括 规则库 和 模 型库 , 推理 机 采用 正 向推理 方 式 . 共 享数 据 区 包括 静 态数 据库 和 动态 数 据库 . 静态 数据库 用 于存 放各机 组 的作业 计划 、 与 模型 库 相 关的 各种 产 品结 构 、 加 工工 艺等 数据 ; 动态 数据 库主要 用 于描 述 设 备当前状态 和工 作状 态 , 计划 目标 的阶段 性 数据 等 . 系统 启 动 后 , 首 先在 一 体化生 产计 划 管理 系统 给定 初 步 生 产计划 的前 提 下 , 模 拟机 组

Vol.18 No.4 贺城红等：智能模拟技术在生产计划优化中的应用 ·345· 布局和计划的执行、调度过程，考察和评估初步生产计划的优劣，如果未能达到用户要求的 水平，则按前面所述的优化策略进行优化，而后再次模拟运行，直至得到用户满意的计划. 这样，系统到一体化管理系统的计划，是经过专家模拟系统优化的、具有良好仿真结果的、 利于调整的计划. 读人初步生产计划 输人设备能力约束上，下限Pn Pni 根据专家经验选择各品种的工艺路径 根据Pt网状态数据和定量约束条件确定各品种到达各工序时， 各机组的生产量P,选择其中最小者为允许生产量P, P 令实际生产量Pmin(P,P) 将P与各工序的设备生产能力匹配 N 计划结束？> 打印各机组作业表和计划优化报告 End 图2计划优化策略 一体化生产计划编制系统 初步的计划 生产批编组 一体化生产计划管理系统门 优化后的计划 初步 优化后的计划 计划 FMS实时调度控制系统」 用户接口 1 控制程序流 推理☐ 共享数据区 生产机组 知识 库 生产计划优化专家模拟系统 图3生产计划优化专家模拟系统与其他系统的关系 4结论 建立生产计划优化专家模拟系统的实践证明，FMS的E-TPN模型能很好地描述系统 的结构、状态和动态行为.基于Peti网的模拟技术和专家系统紧密结合而形成智能化模拟

V ol . 18 N o. 4 贺城红等: 智能模拟技术在 生产计 划优化中的 应用 · 3 45 · 布局 和计划 的 执行 、 调 度过 程 , 考察 和评估 初步 生产 计划 的优劣 , 如果 未能 达到 用 户要 求 的 水平 , 则 按前面 所 述 的优化 策 略进 行 优化 , 而 后再 次模拟 运 行 , 直 至 得到 用户 满 意 的计 划 . 这 样 , 系 统到 一 体化 管 理 系统 的计划 , 是 经 过 专家 模拟 系 统优 化 的 、 具 有 良好仿 真结果 的 、 利 于调 整 的计划 . 输人 设备能力约束上 、 下 限 mP in 、 尸 根据专家经验选择各 品种的工艺路径 根据eP itr 网状态数据和定量约束条件确定各品种到达各工序 时 , 各机组的生产量 P , 选择其中最小者为允许生产量 尸 、 尸户尸画? 令实际生产量介 m in( vP . 尸 将尸 与各工序 的设备生产能力匹 配 计划结束? 打印各机组作 业表和计划优化 报告 E n d 图 2 计划优化策 略 一体化生产计划编 制系统 初步的计划 生产批编组 娇 l 优化后的计划 初 步 计划 优化后的计划 FM S 实时调度 控制系统 控制程序 流 生产机组 生 产计划优化 专家模拟系 统 图 3 生产计划 优化 专家模拟系统与其他系统的关 系 4 结论 建立 生 产计 划优化 专家模 拟 系 统的 实践 证 明 , FM S 的 E 一 T PN 模 型能 很好 地 描述 系统 的结 构 、 状 态 和动 态 行 为 . 基 于 P et ir 网的 模拟 技 术和 专家系 统 紧密 结合 而 形成 智 能化模 拟

·346· 北京科技大学学报 1996年No.4 系统，不仅能评估给定的计划方案，从中选择较优方案，还能对生产计划进行优化，再模 拟直至用户满意.它已成为一体化生产计划管理系统中一个必不可少的部分 参考文献 1邓小琼，李小宁，何沛仁，朱小飞.柔性制造系统建模及仿真.北京：国防工业出版社，1993 2黎志成.企业管理专家模拟系统武汉：华中理工大学出版社，1991 3贺城红，王桂兰，贺毓辛，周仁义.基于延时Pti网的热送热装生产计划模拟模型的建立与分析.钢 铁，1995,30(9)：29~32 Application of Artificial Simulation on Optimizing for Production Plan He Chenghong Wang Guilan He Yuxin Zhou Renyi2 1)Department of Metal Forming,USTB,Beijing 100083,PRC 2)Baoshan Iron and Steel Company,Shanghai 201900,PRC ABSTRACT Based on the Timed Petri-Nets,an extended Timed Petri -Nets(E TPN) was proposed,which is more suitable for modeling production plan.Combining the E-TPN model with expert system,the expert simulation system for production plan was designed and established.By means of the system,the production plans were simulated and optimized.Then the user can get the optimized production plan. KEY WORDS simulation,expert system/Petri-nets,production plan 游带#郑容我华#在3浆年#好尔宪狂郑湖出出出我#我张牌牌将求孩称你形郑粥浮露我我型聚聚理球章套 科技成果 快速油质分析技术 这项技术主要应用于设备状态监测中润滑油的现场快速分析，对润滑进行按质管理提 供了于段 主要技术指标：粘度测试范围为2~145×10ms,水分含量为0.1%~1%，酸值0 ~14pH,直流电流12V,充电电流22V. 所有的机械设备，几乎都有运动付，就需要用润滑油进行润滑，润滑油使用是否恰当 关系到机械传动效率，传动件磨损速度和润滑油消耗量等诸多方面.因此现场设备管理人 员迫切需要一种快速油质分析的技术，以便对使用中的润滑油进行分析，作出科学的判断. 它适用于所有行业的机械设备润滑油分析，使用面宽. 这套技术已取得了一定成果

. 3 4 6 . 北 京 科 技 大 学 学 报 1 9 9 6年 N o . 4 系统 , 不 仅能 评 估 给定 的 计划 方 案 , 从 中选 择较 优方 案 , 还 能 对 生产 计 划 进行 优 化 , 再模 拟 直 至用 户满 意 . 它 已 成 为一 体化 生产 计划 管理 系 统 中一 个必 不 可少 的部 分 . 参考文 献 邓小 琼 , 李小宁 , 何沛仁 , 朱小飞 . 柔性制造系 统建模及仿真 . 北京 : 国 防工业 出版社 , 1 9 93 黎志 成 . 企业管理专家模拟 系 统 . 武汉: 华中 理工大学出 版社 , 1 9 91 贺城 红 , 王 桂兰 , 贺毓 辛 , 周仁义 . 基于 延时 eP itr 网 的热送热装生 产计划 模拟模型 的建 立与 分析 . 钢 铁 , 19 9 5 , 3 0 ( 9 ) : 2 9 一 3 2 A P P l i e a t i o n o f A rt i if e i a l S im u l a t i o n o n O P t im i z i n g of r P r o d u c t i o n P l a n 刀七 C h e n g h o n g 肠 n g G u iz a n l ) 价 uY x i n hZ o u R e 即1 2 ) D e P a rt m e n t o f M e t a l F o rm , n g , U S T B , B e ij i n g 10 0 0 8 3 , P R C B a o s h a n I r o n a n d S t e e l C o m P a n y , S ha n g h a i 2 0 19 0 0 , P R C l)2) A B S T R A C T B a s e d o n th e T 皿 e d P e t r i 一 N e t s , a n e x t e n d e d T im e d P e tr i 一 N e t s ( E 一 T PN ) w a s P r o P o s e d , w h i c h 15 m o r e s u i ta b l e fo r m o d e li n g P r o d u e t i o n P l a n . C o m b i n i n g th e E 一 T p N m o d e l w it h e x p e rt s y s t e m , th e e x p e rt s i l n u l a t i o n s y s te m fo r p r o d u e t i o n Pl a n w a s d e s ig n e d a n d e s t a b l i s h e d . B y m e a n s o f t h e s y s t e m , t h e P r o d u e t i o n Pl a n s w e r e s im u l a t e d a n d o P t im i z e d . T h e n th e u s e r e a n g e t t h e o P t im i z e d P r o d u e t i o n P l a n . K E Y W O R D S s im u l a t i o n , e x P e rt s y s t e m 用e t r i 一 n e t s , P r o d u e t i o n Pl a n 聋 赚;芬拳 拳 李 拳 拳 卿 李 聋 拳 拳 寮 命 幸 势 寮 命 寮 命 够 拳 命 芬 命 幸 邸 幸 命 幸 幸 聋 拳 拳 拳 拳 聋 拳 拳 聋 拳 幸 擎 幸 幸 寮 拳 李 拳 聋 科技 成果 快 速 油 质分析技术 这项 技 术 主要 应 用 于 设备 状 态监 测 中润 滑 油 的现 场快 速 分析 , 对润 滑 进行 按 质管 理 提 供 了 手段 . 主要 技 术 指标 : 粘度 测 试范 围 为 2 一 14 5 K 10 一 8m 2 / S , 水分 含量 为 0 . 1% 一 1% , 酸值 。 一 14 p H , 直流 电流 12 V , 充 电 电流 2 2 v . 所 有 的机 械 设 备 , 几 乎都 有 运 动付 , 就需 要 用润 滑 油进 行 润 滑 , 润 滑油 使 用 是否 恰 当 关系 到 机械 传 动 效 率 , 传 动件 磨损 速 度 和 润 滑 油 消耗 量 等 诸多 方 面 , 因此 现 场 设备管 理 人 员 迫 切需 要 一 种快 速 油 质分 析 的技 术 , 以 便 对 使用 中的润 滑 油进 行分 析 , 作 出科 学 的 判 断 . 它 适 用于 所 有行 业 的机械 设备润 滑油 分析 , 使 用 面 宽 . 这套 技 术 已 取得 了一定 成果