面向节能的流程工业系统动态调度建模及算法研究

【摘要】： 流程工业是国民经济发展的重要支柱,并广泛存在于冶金、制药、化工等行业。用先进的制造、控制和管理技术对流程工业生产系统进行改造,保持关系国计民生的重点工业领域的又好又快发展,对于保障国家安全和增强国家经济竞争力都非常重要。生产调度是流程企业生产过程控制的核心,提高生产调度的质量和效率,实现资源的有效配置和生产设备的合理利用,是优化生产、节能降耗的有效途径,不仅符合经济效益的目标,也符合可持续发展的要求。节约能源是全人类的主题,是每个国家发展经济的一项长远的战略方针。流程工业是诸多工业领域中的能耗巨头,节能降耗是保证流程企业可持续发展的关键。 本文以国家自然科学基金重点项目《面向节能降耗的有色冶金过程控制若干理论与方法研究》(项目编号:60634020)的一个子项目:《流程工业过程的模式识别能耗寻优与优化调度方法研究》作为背景开展研究,以冶金工业中的动态调度问题为主要研究对象,主要做了以下工作: 1、针对经典调度问题中的混合流水车间调度问题(Hybrid Flow-shop Scheduling Problem, HFSP),引入空闲时间窗口机制,分别以最大流程时间最小和以能耗最小为主要目标的综合指标最小为目标,建立了数学规划模型。 2、采用粒子群算法(Particle Swarm Optimization, PSO)求解上述问题;为了克服基本PSO算法的缺陷,引入变异算子增强全局搜索能力,并使惯性权重随着进化代数的变化而变化以增强局部开发能力,构成混合PSO算法(Hybrid PSO, HPSO);仿真结果表明,HPSO算法的求解效果优于基本PSO算法。 3、针对实际生产过程中的实时任务和随机机器故障问题,提出了实时任务动态调度机制和处理机器故障的再调度机制,并采用HPSO算法进行仿真实验,结果表明了所提出的动态调度机制和算法求解动态调度问题的可行性、稳定性和最优性。 4、以铝工业生产系统为背景,将铝工业生产系统构成虚拟企业,并抽象为一个HFSP问题;按照本文介绍的理论与方法建立模型并求解动态调度问题,仿真实验说明了方法的可行性。 最后,对全文进行了总结,并对流程工业生产调度问题建模及其求解算法的下一步研究重点进行了展望。 【关键词】：节能 流程工业系统 动态调度 实时任务 机器故障 混合流水车间 空闲时间窗口 HPSO算法
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TB497
【目录】：

• 摘要10-11
• ABSTRACT11-13
• 第一章 绪论13-24
• 1.1 基于虚拟企业的流程工业系统生产调度问题14-18
• 1.1.1 虚拟企业概述14
• 1.1.2 流程工业系统及其生产调度问题14-16
• 1.1.3 铝工业生产概述16-17
• 1.1.4 以铝工业生产系统为背景构建的虚拟企业17-18
• 1.2 动态调度问题的提出及其研究对象18-19
• 1.2.1 动态调度问题的提出18
• 1.2.2 动态调度问题的研究对象18-19
• 1.3 动态调度的研究方法19-22
• 1.3.1 运筹学的方法19-20
• 1.3.2 仿真的方法20
• 1.3.3 人工智能的方法20-21
• 1.3.4 基于智能优化算法的方法21-22
• 1.4 本文的研究内容和章节安排22-24
• 第二章 基于空闲时间窗口的HFSP 问题模型24-34
• 2.1 空闲时间窗口机制简介24-25
• 2.1.1 空闲时间窗口的概念24-25
• 2.1.2 空闲时间窗口的更新机制25
• 2.2 以最大流程时间最小为目标的HFSP 问题的数学模型25-28
• 2.2.1 相关假设25-26
• 2.2.2 参数说明26-27
• 2.2.3 约束条件27-28
• 2.2.4 目标函数28
• 2.3 以能耗最小为主要目标的多目标HFSP 问题的数学模型28-33
• 2.3.1 相关假设28-29
• 2.3.2 参数说明29
• 2.3.3 求解多目标规划问题的评价函数法29-31
• 2.3.4 以能耗最小为目标的多目标HFSP 问题的目标函数31-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第三章 求解HFSP 问题的HPSO 算法及仿真分析34-52
• 3.1 PSO 算法简介34-35
• 3.2 HPSO 算法的基本思想35-36
• 3.2.1 HPSO 算法简介35
• 3.2.2 基于惯性权重和变异的HPSO 算法35-36
• 3.3 求解HFSP 问题的HPSO 算法设计36-41
• 3.3.1 粒子的编码与解码36-37
• 3.3.2 粒子的计算方法37-38
• 3.3.3 工件加工时间安排的求解算法38-40
• 3.3.4 适应度函数的计算40-41
• 3.3.5 算法流程41
• 3.4 仿真实验及结果分析41-50
• 3.4.1 数据准备41-43
• 3.4.2 仿真实验及结果43-47
• 3.4.3 结果分析47-50
• 3.5 本章小结50-52
• 第四章 面向节能的混合流水车间动态调度机制及仿真分析52-70
• 4.1 面向节能的HFSP 问题实时任务动态调度机制52-55
• 4.1.1 待加工工件集的选取52
• 4.1.2 HFSP 问题实时任务动态调度问题描述52-53
• 4.1.3 空闲时间窗口集随初始时刻变化的更新方法53-54
• 4.1.4 实时任务调度方案最大流程时间和能耗的计算方法54-55
• 4.2 面向节能的HFSP 问题再调度机制55-62
• 4.2.1 随机机器故障的概念55-56
• 4.2.2 机器故障修复及中断作业处理策略56-57
• 4.2.3 再调度工件工序集的选取57-59
• 4.2.4 任务取消及空闲时间窗口集的更新方法59-61
• 4.2.5 再调度算法及空闲时间窗口集的更新方法61
• 4.2.6 再调度方案最大流程时间和能耗的计算方法61-62
• 4.3 仿真实验及结果分析62-69
• 4.3.1 实时任务动态调度机制仿真实验及结果分析62-67
• 4.3.2 再调度机制仿真实验及结果分析67-69
• 4.4 本章小结69-70
• 第五章 面向节能的流程工业系统动态调度问题及算法仿真70-78
• 5.1 以能耗最小为主要目标的多目标铝工业系统生产调度问题70-72
• 5.1.1 铝工业系统生产调度问题70
• 5.1.2 面向节能的铝工业系统生产调度问题实验数据70-72
• 5.2 以能耗最小为主要目标的多目标铝工业系统动态调度仿真与分析72-76
• 5.2.1 仿真实验72-75
• 5.2.2 结果分析75-76
• 5.3 本章小结76-78
• 第六章 总结与展望78-80
• 6.1 总结78-79
• 6.2 展望79-80
• 致谢80-81
• 参考文献81-86
• 作者在学期间取得的学术成果86

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