离散制造系统生产与维护的计划及调度耦合建模与优化研究

本项目针对当前生产计划与调度以及设备维护决策理论方法研究中存在的不足，提出了生产与维护决策耦合建模思想。以典型Flow shop型离散制造系统为对象，依据生产计划期内的变动需求，在给定系统维护原则的条件下，分析和引入生产计划与设备预防性维护计划决策的互为制约因素，研究批量生产计划和系统设备预防性维护计划的耦合建模方法与优化算法；在设备具有一定失效分布的条件下，研究调度计划期内生产与维护作业的联合调度计划及设备失效响应决策的耦合建模方法与优化算法。项目的研究以现有的生产计划与调度理论、维护决策理论和运筹学优化理论为基础，重点研究生产与维护决策要素的关联关系，把二者集成在一个统一的二维建模框架内，并最终形成典型离散制造系统生产与维护的计划及调度耦合建模与优化方法，更能反映实际生产过程，具有必要性和理论创新意义。

制造系统中生产与维护活动紧密关联，设备的可靠性状态及其维护活动极大制约及影响生产计划与调度决策的有效性与科学性，从而影响系统的运营成本、效率及交货水平。因此，有效集成设备因素与生产计划/调度决策过程已成为企业的现实需求，从理论研究上，也必然要求发展生产与设备维护协同决策建模机制与方法。. 本项目从上述实际与理论需求出发，围绕不同配置形式的典型离散制造系统，从计划与调度两个层次分别研究了生产批量与维护计划、生产与维护运作调度的耦合建模与优化方法。在计划层，针对动态需求应用环境，提出了基于设备运行的集成建模策略，构建了生产负荷与设备可靠性、设备可靠性与生产能力的定量化关联关系，并以此建立了基于可靠性约束及基于设备失效影响的两类集成计划模型与相应求解算法；针对静态需求应用环境，提出了故障条件下生产最优批量的动态求解方法。在调度层，根据实际维护策略的不同，分别提出了基于周期预防性维护约束的确定性问题集成建模方法，以及在考虑设备失效条件下的基于前摄－反应框架的不确定性问题集成建模方法，并以此建立了两类集成调度模型及求解算法。. 项目研究提出的基于设备运行的计划层集成建模策略，避免了传统上基于时间间隔建模策略所导致的过度维护现象，可准确评估设备的故障预期，能更真实地反映实际生产过程，有关实验结果也表明这种建模策略可显著降低系统运营的综合成本。同时，提出的基于设备故障抽样的多阶段系统批量生产时间评估方法，突破了传统研究的限制，并由此构建了非稳态具有中间缓存流水线的耦合计划模型。在调度层，扩展了现有研究中多针对单阶段系统或设备仅具有一次预防性维护的问题域，向多机多阶段多次维护决策的复杂问题集成建模发展。所提出的基于前摄－反应的鲁棒性集成调度模型，不仅考虑了设备的失效故障，而且集成了设备的预防性维护决策，从解的质量与稳定性角度综合权衡优化，相比现有模型更加有利于提高系统绩效。同时，研究了有效代理指标以解决算法中蒙特卡洛抽样模拟耗时太长的难题，在算法运行时间上也更加符合实际应用需求。数据实验也验证了模型决策结果的优越性。. 综上所述，项目研究在计划与调度两个层次上分别提出了相应的集成建模策略，从整体上构建了比较完整的耦合建模框架与优化方法，将生产与维护活动的计划与调度决策统一在一个建模框架中，达到了协同优化生产与维护活动的目的，具有重要的理论意义。