不确定环境下自动化制造单元前摄式/反应式调度研究

As a kind of advanced automated manufacturing systems, robotic cells have widespread applications in semiconductor and printed circuit board (PCB) manufacturing industries. A proactive/reactive scheduling approach for robotic cells under uncertainties is proposed in this project, which handles uncertain events from pre-event and post-event perspectives. Firstly, the uncertain events in robotic cells are identified and categorized, along with an analysis of their impact. Secondly, a framework of proactive/reactive scheduling approach for robotic cells under uncertainties is proposed, as well as a rescheduling mode integrating the event-driven partial rescheduling with the periodic complete rescheduling. Thirdly, a fast repair algorithm for partial rescheduling and a proactive scheduling method, based on multi-population memetic algorithms, for complete rescheduling are developed. Finally, the proposed scheduling approaches are tested and applied using cases from cluster tools in semiconductor manufacturing and PCB electroplating production lines. The research results of this project will not only provide a solution to scheduling problems in robotic cells under uncertainties, but also have important practical value in semiconductor and PCB manufacturing industries.

作为一类先进自动化制造系统，自动化制造单元（Robotic cell）在半导体和印刷电路板制造等行业有着广泛的应用。本项目从事前和事后两个角度来应对自动化制造单元所面临的不确定事件，提出不确定环境下自动化制造单元前摄式/反应式（Proactive/reactive）调度方法。首先，对自动化制造单元所面临的不确定事件进行识别和分类，并分析其影响机理和程度；其次，提出自动化制造单元前摄式/反应式调度框架以及事件驱动式局部重调度与周期性完全重调度相结合的重调度模式。在此基础上，研究局部重调度中快速修复算法以及完全重调度中基于多种群文化基因算法（Memetic algorithm）的前摄式调度方法。最后，以集束型半导体制程设备和印刷电路板电镀生产线为对象，对提出的调度方法进行验证和应用。研究成果将为不确定环境下自动化制造单元调度问题提供解决思路，并在半导体和印刷电路板制造等行业具有重要的应用价值。

作为一类先进自动化制造系统，自动化制造单元（Robotic cell）在半导体和印刷电路板制造等行业有着广泛的应用。本项目研究了不确定环境下自动化制造单元调度问题，采用事前和事后两个角度来应对自动化制造单元所面临的不确定事件，提出不确定环境下自动化制造单元前摄式/反应式（Proactive/reactive）调度方法。首先通过对不确定环境下自动化制造单元调度问题和相关调度方法的研究现状进行了系统的文献综述，并对相关企业自动化制造单元的运作与管理现状进行了调研。针对前摄式调度方法，重点研究了有限等待的典型自动化制造单元单/多目标调度问题的数学建模，并对所建立数学模型的特性进行了分析，探索了鲁棒性目标和生产效率目标间的内在影响机理，证明了帕累托最优解满足的基本性质，在此基础上开发了有效的自动化制造单元调度方法。此外，当机器人搬运作业顺序为给定时，探索了此类的自动化制造单元双目标调度优化问题的特殊结构，并据此开发了有效的多项式算法以获得其帕累托前沿。针对反应式调度方法，主要研究了应用完全重调度和局部重调度两种方式进行应对不确定性的调度方法，在对单/多产品类型、简单/复杂构造等各种典型的自动化制造单元单/多目标调度问题进行数学建模的基础上，着重研究了不同方式下问题的特点以及相应数学模型的结构特征，进一步探索了通过应用有效不等式、动态更新问题约束以及计算最优解上下界等方式来提高问题求解效率的技术。对于需要减少重调度影响和对新调度方案生成速度比较敏感的情况，重点研究了不改变已调度搬运作业顺序等方式来提高重调度的反应效率。在上述理论研究的基础上，以集束型半导体制造系统和印刷电路板自动化电镀生产线为例，应用文献中的经典基准案例以及大量随机案例对所提出的调度理论与方法进行了验证。本项目的研究为自动化制造单元调度问题提供了新的解决思路，并在半导体和印刷电路板制造、钢铁冶炼等行业具有重要的应用前景。