[發明專利]一種考慮集中熱處理的分布式鍛造流水車間節能調度方法

有效

• 申請號: 202011419797.0
• 申請日: 2020-12-06
• 公開（公告）號: CN112859761B
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發明（設計）人: 程強;劉宸菲;劉志峰;初紅艷;楊聰彬;張彩霞
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G05B19/418
• 分類號: G05B19/418
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

1.一種考慮集中熱處理的分布式鍛造流水車間節能調度方法，其特征在于，包括：

步驟1：提出考慮集中熱處理的分布式鍛造流水車間調度問題

所述考慮集中熱處理的分布式鍛造流水車間調度問題，描述為鍛坯經過統一加熱后被分配到不同的鍛造流水線中進行鍛壓、沖孔、碾環、漲型操作，在鍛造完成后需要被運送至熱處理車間進行熱處理，熱處理結束后得到成品鍛件；與調度問題相關的時間參數和能耗參數需要被收集和記錄；

步驟2：建立考慮集中熱處理的分布式鍛造流水車間中目標的計算模型

所述考慮集中熱處理的分布式鍛造流水車間調度問題中，在完工時間的計算中需要考慮多種時間因素的影響，包括加工時間、運輸時間、等待時間和調整時間，其中調整時間將根據在同一機器上相鄰加工鍛件的尺寸不同而導致需要調整機器參數及模具所消耗的時間決定；以最大完工時間為目標的計算模型如下：

T_max＝max(Q_I,1,Q_I,2…Q_I,N) (1)

其中，公式(1)是以最大完工時間為目標的數學模型；公式(2)給出了任意流水車間中第一個位置上的工件在第一道工序上的完工時間；公式(3)給出了任意流水車間中在第一個加工位置上的工件在機器上的完工時間；公式(4)給出了任意流水車間中位置上鍛件在第一臺機器上的完工時間；公式(5)給出了任意流水車間中位置上鍛件在機器上的完工時間；公式(6)給出了任意熱處理機器上處理的第一個鍛件的完工時間；公式(7)給出了任意熱處理機器上處理的第i個鍛件的完工時間；公式(8)為在任意流水車間中任意機器在加工工件前的調整時間；公式(9)～(10)為任意流水車間中任意機器在任意相鄰任務間的空閑時間；

在生產總能耗的計算中，需要考慮各機器的加工能耗和待機能耗以及工序間的運輸能耗，以總生產能耗為目標的計算模型如下：

其中，公式(11)是以最大生產能耗為目標的計算模型；公式(12)是任意工廠的任意機器在生產過程中的總能耗；公式(13)為工序間運輸所消耗的總能耗；公式(14)是熱處理階段任意機器所消耗的總能耗；

步驟3：建立考慮集中熱處理的分布式鍛造流水車間的優化目標與約束模型

所述考慮集中熱處理的分布式鍛造流水車間調度問題中，在優化的過程中，需要對于步驟2中兩個目標的計算模型進行約束；優化目標及約束模型如下：

Minimize{T_max,E_total} (15)

其中，公式(15)為優化的目標；公式(16)～(18)為鍛造流水車間中的約束，公式(16)確保每一個鍛件都被安排到某一流水車間的某一位置；公式(17)確保任意流水車間的任意位置至多安排一個鍛件；公式(18)確保每個鍛件都被安排到其可用的流水車間中；公式(19)～(20)為熱處理車間中的約束，公式(19)確保每一個鍛件都被安排到某一熱處理爐中；公式(20)確保任意熱處理爐的任意加工位置至多安排一個鍛件；公式(21)是相鄰機器間完工時間的約束；公式(22)是任意機器上相鄰鍛件間完工時間的約束；公式(23)確保特殊工序的零等待約束；公式(24)～(25)確?？勺儏档娜≈捣秶?；

步驟4：提出節能策略并建立相關計算與約束模型

在所述考慮集中熱處理的分布式鍛造流水車間調度問題中，由于各工序間加工時間不同、鍛件尺寸各異，使某些機器在加工過程中有較長的空閑時間，導致能耗的增大；采用以降低機器加工速率為代價降低機器生產能耗的節能策略，其相關計算和約束的模型為：

其中，公式(26)給出了采用節能策略后機器能耗的計算方法；公式(27)給出了采用節能策略后的機器的總能耗；公式(28)給出了采用節能策略后節約的總能耗；公式(29)確保了機器降速的限制；公式(30)確保了可變參數的取值范圍；

步驟5：設計適用于分布式調度問題的智能優化算法

所述考慮集中熱處理的分布式鍛造流水車間調度問題，由于復雜工況和多資源約束的影響，提出一種精英協同非支配排序遺傳算法結合步驟2～4中所提數學模型進行調度優化；

步驟6：結合調度模型與智能算法求解問題并進行數值分析

首先進行算法參數的設定，采用控制變量的方法計算出每個參數對于算法性能的影響，所述算法的主要參數包含迭代次數、種群數量、交叉率和變異率；其次，進行實際問題的求解并繪制甘特圖；

相關符號定義如下表所示：

2.根據權利要求1所述的一種考慮集中熱處理的分布式鍛造流水車間節能調度方法，其特征在于，所述精英協同非支配排序遺傳算法的流程為：

S1：根據分布式特點進行編碼規則的制定，每個編碼為一個行矩陣，其中矩陣中元素的由整數和小數組成，整數部分表示鍛件號，小數部分表示其所被分配到的流水車間；

S2：進行種群初始化，由于所提算法為協同進化算法，所以進行兩個種群初始化，其中兩個種群分別加入以LCT規則和LEC規則進行初始化的個體；所述LCT初始化規則為最小完成時間規則，首先根據加工時間升序排列所有鍛件，再依次將鍛件分配到可用流水車間中，每次分配計算當前完工時間并選取最小完工時間的流水車間；LEC初始化規則為最低能耗規則，同理每次分配計算當前總能耗并選擇最小總能耗的流水車間；

S3：兩個種群進行迭代搜索生成新一代子種群，其中迭代過程包含計算目標函數、非支配排序、選擇操作、交叉與變異操作；其中交叉與變異操作分別采用基于工序和基于流水線分配規則的操作方式以加強搜索能力；

S4：進行兩種群間的精英互助操作；所述精英互助操作中精英為每個種群中的第一層Pareto解，互助方式為精英解與另一種群隨機個體進行交叉與變異操作生成新子代并加入種群；

S5：合并父代與子代種群，若沒有達到終點條件則返回S3，若達到終止條件進行鄰域搜索；所述鄰域搜索操作包含基于工件排序和基于車間分配的鄰域搜索策略；所述基于工件排序的鄰域搜索策略將每個車間中的每個工件在當前車間內插入一個新的位置；所述基于車間分配的鄰域搜索策略將每個車間的每個工件重新插入到其他可用車間的每一各位置；

S6：合并所有種群并進行非支配排序并輸出結果。