再制造系统的自适应调度原理*

刘清涛 蔡宗琰 昝 杰 蒋世应

(①长安大学工程机械学院，陕西西安 710064;②宜宾职业技术学院，四川宜宾 644003)

再制造是把达到使用寿命周期的产品通过回收、拆卸、分拣、清洗、喷涂、修复和技术改造使其达到甚至超过原型产品性能，从而以有竞争力的成本获得产品新的生命周期的制造活动［1］。再制造是实现循环经济和可持续发展的必要途径。再制造系统的调度优化在再制造理论研究中占有重要地位。目前，该领域的研究还处于起步阶段。Luh Peter B等以延期/提前惩罚、准时交货和库存成本优化为目标函数，以工序、库存和生产能力为约束条件，将线性规划、拉格朗日松弛法、随机动态规划方法等相结合求解模型［2］;Guide等针对再制造系统的不确定性和复杂性，在仿真模型的基础上，对拆卸执行机制和优先派遣规则进行了研究［3］;Li Yongjian等以批量制造/再制造为研究对象，在有限时间内的确定性时变需求框架下，利用遗传算法结合动态规划的方法确定批量制造/再制造发生的时间点、新品需求量和再制造回收产品的最佳数量［4］。张红宇等针对废旧品再制造工艺路线不确定的特性，提出了一种基于可变长工序编码方法的改进遗传算法［5］。分析发现，现有的各种方法都是假定再制造系统为某种情况下的调度优化，无法满足再制造系统动态多变的特性。短期内提出一种能够突破现有计算条件满足再制造系统各种复杂性调度环境的算法并不现实;但另一方面，基于各种假设的再制造调度理论，特别是传统制造的调度理论已经相当丰富，如果设计出一种能够集成不同调度方法，充分发挥各种调度方法自身优势的调度模式将是不错的选择。基于这一出发点，笔者提出了再制造系统的自适应调度原理。

1 再制造系统自适应调度的流程

再制造系统的自适应调度的基本流程如图1所示。

Step1.根据再制造系统调度问题描述，再制造系统调度方法匹配识别系统判别当前调度方法库中的调度方法与拟解决调度问题的相同匹配性。如匹配，则转Step4;否则，转Step2;

Step2.再制造系统调度方法匹配识别系统判别当前调度方法库中的调度方法与拟解决调度问题的相似匹配性。如匹配，则转Step3;否则，转Step5;

Step3.提取相似调度方法，并根据拟解决调度问题与所提取调度方法的差异，由再制造系统调度专家系统推理生成候选调度方法;

Step4.在当前调度方法库中提取拟解决调度问题的候选调度方法;

Step5.根据再制造系统调度问题描述，建立该调度问题的数学模型，并从调度算法库中提取相应调度算法求解数学模型，形成候选调度方法;

Step6.对所生成的候选调度方法，进行再制造系统调度性能竞争性指标和可持续性指标评价，如符合要求，则转Step7;否则，转Step1;

Step7.输出拟解决调度问题的最佳调度方法，并将新产生的调度方法存入当前的调度方法库中。

从再制造系统的自适应调度流程可以看出:对于一个拟解决的调度问题，可通过3种途径使其得到最佳调度结果:首先在调度方法库中检索是否存在完全相同的调度问题，若存在，直接调用即可，若不存在，将与之相似的调度问题提取出来，通过专家推理来求解。如果拟解决的调度问题在调度方法库中找不到相似的调度问题，则需要从新建立调度模型，提取相应调度算法求解模型。无论哪种方法都需要通过调度方案评价来决定是否采用。

2 再制造系统自适应调度的原型系统框架

根据再制造系统的自适应调度工作流程，其原型调度系统框架可包括4个层次:界面层、功能层、模块层和数据库层，如图2所示。

(1)用户接口界面 提供图形化的人机接口界面，使用人员根据系统提示填写相应内容并点击相关按钮就可完成操作。

(2)功能层 包括调度问题的生成、相同调度方法的提取、相似调度方法推理、新调度方法的生成以及调度方案评价等5部分。系统根据生成的调度问题，选择采用提取、推理或生成机制，最后根据调度方案评价系统，确定最优调度方案。

(3)模块层 和功能层相对应。每个大的模块下面又分解为多个子模块，通过模块间的信息交互实现系统的功能。在评价模块中包括竞争性指标评价和可持续性指标评价，竞争性指标包括生产周期、生产成本和加工质量等因素，可持续性指标包括资源消耗和环境影响两个因素。

(4)数据库层 存储系统运行所需要的各种数据。调度方法库存储对应不同调度问题的调度实例;调度算法库在求解新建立的模型时调用;调度推理知识库用来推理相似的调度问题，再制造工艺方案库存储不同失效形式对应的工艺方案，该库在生成调度问题时调用，此外，还有调度方案评价库等。每一个数据库通过数据库管理模块实现不断的自我完善和更新操作。

3 再制造系统自适应调度的关键技术

再制造系统自适应调度的关键技术如图3所示，结合该图可以看出，实现再制造系统的自适应调度有4大关键技术:

(1)建立体现再制造系统不确定性的模型 利用Petri网对分布、并发过程及对研究对象的系统结构和动态行为进行有效分析的特性，建立再制造系统的赋时随机Petri网模型，来研究再制造系统诸多不确定性之间的相互制约关系。由于废旧零件的可再制造性难以确定，这种不确定性使得到达再制造系统(狭义)的可再制造的废旧零部件的速率不确定，这可借鉴排队系统中顾客到达速率的不确定性来研究，引入随机特性和排队论对影响调度问题的不确定因素进行仿真研究，探寻再制造系统不确定性因素对调度优化的影响规律。这是研究再制造系统自适应调度的前提。

(2)调度方法的匹配识别与提取 此问题的关键是研究再制造系统调度问题描述的表示方法、建立再制造系统调度问题描述的表示模型、研究再制造系统自适应调度方法匹配识别系统的结构等，其结构可由分形神经网络(Fractal neural network，FNN)和模糊逻辑神经网络(Fuzzy Logic neural network，FLNN)组成。FNN用于计算再制造系统调度方法组成库中现有调度方法对应的调度问题与拟求的调度问题的匹配性值，FLNN用于判别二者的相似度。

(3)自适应调度专家系统推理 研究自适应调度推理专家系统的原理，这里的关键点是再制造系统自适应调度方法特征识别方法、调度方法推理知识获取方法、调度方法推理知识表示方法、基于拓扑的调度推理方法和调度方法推理专家系统设计;研究自适应调度推理优化问题，应用动态优化方法建立推理优化的数学模型，鉴于调度问题可有调度目标和约束条件组成，采用分层推理机制，在先保持约束条件不变的情况下，推理相同调度目标的调度优化，然后在目标相同的情况下，根据不确定性间的内在关系及其对调度优化的影响规律，通过约束变化来适应不同的调度问题。

(4)建立再制造系统自适应调度的性能评估体系。

4 结语

本文提出了再制造系统自适应调度的概念，从工作流程、原型系统框架和关键技术3个方面对其原理进行了探讨。尽管建立完善的自适应调度数据库需要较长时间的经验积累，但对于再制造系统动态多变的特性，再制造系统的自适应调度无疑是一种切实可行的方法。

［1］Jovane F，Yoshikawa H，Alting L，et al.The incoming global technological and industrial revolution towards competitive sustainable manufacturing［J］.CIRP Annals － Manufacturing Technology，2008，57:641 －659.

［2］Luh Peter B，Yu Danqing，Soorapanth Sada，et al.Alagrangian relaxation based approach to schedule asset overhaul and repair services［J］.IEEE Transactions on Automation Science and Engineering，2005，2(2):145－156.

［3］Daniel V，Guide R，Jr，Kraus Mark E，et al.Scheduling policies for remanufacturing［J］.International Journal of Production Economics，1997(2):187－204.

［4］Li Yongjian，Chen Jian，Cai Xiaoqiang.Heuristic genetic algorithm for capacitated production planning problems with batch processing and remanufacturing［J］.International Journal of Production Economics，2007(2):301－317.

［5］张红宇，高阳，马华.基于可变长工序编码的再制造生产调度优化方法［J］.计算机应用研究，2010，27(3):871－873.