物联环境下离散制造系统主动节能生产机理和方法研究

High efficiency, low carbon and mutual connection are the new requirements for the future generation discrete production manufacturing system. Based on the new abundant information of discrte manufacturing system under mutual sensing environments, the initiative energy saving production mechanism and methods will be studied focusing on element body model,energy saving time window model and simualtion decision of energy saving behavior, which will proclaim the hidden energy saving opportunities during the real time production process. The energy consumption state model based on multi-granularity state graph will be studied and then included in the machine body model with system state self-sensing ability and self-state initiative adjusting ability.The energy saving event resulted from the transient behavior in operation process of manufacturing system will be analyzed. Based on the discrete time Markov process method, the initiative energy saving time window will be constructed for the system segment models, and so the self-adjusting of machine working energy consumption state will be realized based on the energy saving event. The energy saving mode of the discrete manufacturing system will be formulated and the production clock for the energy saving manufacturing will decided. The influence on the production efficiency and energy consumption of manufacturing system due to the energy saving behavior will be studied based on the data driven simulation method. The project will provide technical support for energy consumption simulation, evaluation and decision of energy saving production, which has important practical significance and wide application prospects.

高效低碳和互联互通是对未来一代离散生产制造系统提出的新要求。本项目针对物联互通条件下信息丰富的离散生产和制造系统，围绕该系统的要素主体模型、节能时间窗模型和节能行为仿真决策，研究该类系统工作过程中的主动节能生产机理和方法，揭示系统实时运行中隐藏的节能时机。研究机器设备的多粒度工作能耗状态图模型，构建物联环境下、具有系统状态自我感知和自身工作能耗状态调节机制的机器主体模型；分析制造系统工作过程中的暂态现象所形成的节能运行事件，采用离散时间马尔科夫过程方法，建立以系统片段为基础的机器主动节能生产时间窗模型，实现节能事件驱动下、机器设备工作能耗状态的自主响应调节；提出离散制造系统的主动节能生产运行模式，研究该类系统节能生产的节拍决策，通过数据驱动的仿真方法分析机器的节能行为对系统生产效率和工作能耗的影响。研究成果能够为未来一代物联制造系统的能耗仿真、评估和节能生产决策提供支持，具有重要的现实意义和广阔的应用前景。

社会可持续发展使量大面广的离散制造业担负巨大的节能减排任务，物联技术发展促使了以感知、计算、控制为特征的新一代物联制造系统的产生。通过制造要素对系统状态的主动感知和响应实现制造系统主动节能生产是物联制造环境下急需解决的问题。本项目以物联互通环境下的离散制造系统为对象，以节能生产为目标，从离散制造系统主动节能生产总体框架、制造系统要素主体模型、机器节能时机/节能时间窗决策方法和节能行为性能仿真等四个方面开展了研究工作。提出了一个事件驱动、基于实时生产数据的三视图（数据、模型、服务）节能生产制造数字孪生框架。分析了机器、缓冲区和产品三类制造要素主体模型及其相互协作关系。利用机器阻塞、饥渴和失效状态，提出了显性定量节能时间窗决策的马尔科夫链预测方法和极大代数决策方法。以系统中缓冲区实时水平为依据，提出了基于模糊逻辑和Petri网推理的隐性节能时机决策方法。利用不同类型的离散制造系统进行了节能行为性能仿真，验证了方法的有效性。采用基于马尔科夫链的显性节能时间窗预测方法进行仿真，可将机器短暂频繁不容易控制的无效待机时间集聚为较长的可控制的节能休眠时间。针对隐性节能时机决策，采用基于模糊逻辑的主动节能决策方法，对串行、串并行、装配拆卸串并行三种类型制造系统的仿真表明，系统总能耗成本有效降低，案例显示整个系统的能耗平均降低了15.62%，而产量损失仅为5.16%，单件产品能耗降低了11.03%。采用基于Petri网的节能决策方法，对串行制造系统进行机器联合节能仿真，系统产量仅有0.1%的损失，总能耗节省了25.6%。采用基于极大代数的主动节能决策方法，相同的案例显示系统总能耗成本下降58.17%，单件产品能耗降低了57.23%，系统产量损失为2.2%。本项目的科学意义在于从高度动态、不确定的离散制造系统实时工作过程中寻找机器的节能时机，通过对系统状态的实时感知，机器主动采取节能运行行为，充分揭示了生产制造系统物联化背景下，以自主智能决策为基础的绿色化发展方向。