基于MES系统的动态环境自适应调度模型

贾万达　彭艳　石宝东

摘 要：MES 即制造企业生产过程执行系统，是一套面向制造企业车间执行层的生产信息化管理系统。针对MES系统的特点及实际需求，本文研究了在车间复杂动态环境下，建立自适应调度模型的关键技术，建立了由任务集、负载检测器、调度处理器、任务分配器组成的区域块自适应调度模型。研究表明，该模型具有良好的稳定性及容错性。

关键词：MES;自适应调度;知识获取

中图分类号：TB 文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.02.073

0 引言

随着经济全球化和信息全球化趋势的不断加剧，市场对工件个性化生产及生产效率的要求与日俱增。一种能对生产过程做出快速响应、精细规范的制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）可满足多变的市场需求，实现生产过程柔性化。MES制造企业的核心是实现调度车间高效的智能化作业，保证企业均衡生产。

在车间的动态生产环境中，制造系统的状态总是在持续不断地发生变化。为满足动态环境下的生产要求，许多学者提出了自适应调度策略，该策略使用动态多规则的调度算法替代静态单规则的调度算法，从而实现每个决策点都能满足生产过程的要求。

本文首先分析了自适应策略的相关理论及模型，对比了基于模拟技术和智能归纳学习技术的自适应调度模型的特点，选择后者作为实现调度车间柔性化生产的理论技术。之后在分析MES生产特点的基础上，提出了一套能在复杂动态环境下运行的MES自适应调度模型。

1 自适应调度理论及模型

1984年，Baker发现总有一些生产系统在一定状态下的运转性能要高于其他系统，他对此进行了深入的研究并提出了自适应策略。Park在Baker研究的基础上，将自适应理论应用于车间的调度问题中，提出了自适应调度模型。该模型主要由一个五元组{E，F，M，T，G}构成。E表示待调度工件集合;F表示加工方式集合;M表示调度算法集合;T表示启用最佳调度算法;G表示生产系统的所有状态。

自适应调度模型主要由获取调度知识、建立目标函数、描述问题特征，评价运行性能等部分组成，其中获取调度知识是整个自适应模型的核心。目前关于自适应调度模型的研究主要分为两大类：基于模拟技术的调度模型和基于智能归纳学习技术的调度模型。

1.1 基于模拟技术的调度模型

Wysk等人在研究调度候选规则的基础上提出了模拟知识库的仿真调度模型，最终实现根据不同的动态规则选出最优调度算法;Jeong和Kim提出的模拟调度模型也能实现对最优调度规则的筛选，并且还能采集车间的调度数据，评价系统的运行状态。王国新等人基于模拟技术提出了灰关联理论计算方法，通过对各项调度方案的理论计算，得出相应的关联系数，最终实现了对调度方案的评估，选出最优调度规则。

综合分析后发现基于模拟技术调度模型的核心思想是首先建立模拟调度模型，之后根据模拟调度算法模拟整个加工过程，最后记录系统中的数据狀态，评价系统性能。

基于模拟技术的调度模型有以下缺点：（1）如果系统发生瞬态变化，需要对系统做必要的修改才能使系统继续稳定运行;（2）需要时间去分析每个决策点的调度规则，难以实现实时调度。因此，该方法并不适合复杂动态环境下的实时调度和控制。

1.2 基于智能归纳学习技术的调度模型

不少学者将智能归纳学习技术与自适应调度相结合，开发了具有学习能力的自适应调度模型。

GENGE系统是由Pierreval开发的具有智能归纳学习能力的系统，当生产过程约束条件变多时，该系统会依据各条件的约束能力对调度规则进行归纳合并，更易求出最优调度方案;Shaw等人使用智能归纳学习技术提出了PDS（Pattern Directed Scheduling）调度模型，缩短了调度方案的求解时间。

相比于基于模拟技术的调度模型，基于智能归纳学习技术的调度模型将系统的线性组合技术作为解决多约束调度问题的方法，缩短了调度时间，提高了计算精度。

2 基于MES系统的自适应调度模型

建立基于MES系统的自适应调度模型，需要两方面工作：

（1）提出一套具有完善体系架构的区域块自适应调度模型。

（2）将该区域块自适应调度模型嵌入到MES系统中。

2.1 区域块自适应调度模型的建立

区域块自适应调度模型（图1）采用的是智能归纳学习技术调度模型的理论框架，主要包含任务集、负载检测器、调度处理器、任务分配器。整个模型的核心功能是实现生产任务的智能管理初步调度。

（1）任务集：任务集包含所有满足加工任务要求的待加工件。

（2）负载检测器：负载检测器主要用于检测设备的负载情况。当生产任务在某机器上的加工时间超过规定时间时，负载检测器会认为该加工机器设备已损坏，然后回锁死该机器并为当前加工任务重新调度新的加工机器。

（3）调度处理器：主要用于处理加工任务的调度异常情况。当加工任务同时被多次调度时，该调度任务会占用调度处理器大量空间，此时处理器会根据这些调度的重要程度来为加工任务分配调度。

（4）任务分配器：任务分配器的作用是为加工任务分配合适的机器。当该加工任务为单体个性化任务时，分配器会依据其特性选择合适的加工机器;当加工任务为大批量任务时，分配器则采用计算池机制进行处理。为保证所有任务的实时调度，引入弱化因子λ（本文取0.8），作用是对没有进行加工的任务进行弱化处理，从而提高该任务的重要性。

（5）树形调度：读取任务分配器的分配信息，按照树形模糊聚类算法将加工任务分配给机器加工。

2.2 基于MES系统的区域块自适应调度模型

本节根据MES系统架构的特点，将区域块自适应调度理论嵌入其中，具体调度流程如下：

（1）根据MES集成制造的特点，区域块自适应调度模型中的任务集会将加工任务积攒到一定数目后才会对所有任务进行一次映射。

（2）任务分配器会根据加工任务的规模及特性进行逻辑分组，对于单体个性化的加工任务，选择较小的逻辑分组作为调度节点;对于大规模的加工任务，则选择较大的逻辑分组作为调度节点，实现自适应调度。

（3）小规格逻辑分组采用时间差值最大算法（Maximum time difference algorithm，MTD）进行调度。其核心思想是算出最小工件加工时间Timin，算出次小加工时间Tjmin，二者之差即为时间差值Td，找出Td最大时的加工任务优先加工。如此反复直至所有任务都被指派。

（4）大规格逻辑分组也同样采用MTD算法，找出时间差值最大的优先加工，实现自适应调度。

（5）对于没被加工的任务，用该任务对应的时间差值除以弱化因子，以提高新的Td值，优先调度。

（6）负载检测器和调度处理器用于检测和处理身生产过程中的设备工况问题，保证工件的正常加工。

2.3 实例仿真

为验证本文提出的模型计算能力，对22个节点组成的3组逻辑分组进行了计算，最终的执行节点及执行时间如图2所示。

根据图2分析可知：

（1）区域块自适应调度模型具有较好的加工稳定性。其主要原因是负载检测器和调度处理器能及时检测机器的工作状态并重新分配任务，使得系统趋于稳定状态。

（2）无效节点5，6未能进行调度，不影响后续节点的工作，证明了区域块自适应调度模型具有较好的容错性能。

3 结论

本文建立了基于MES系统的区域块自适应调度模型，通过采用MTD算法不但实现了对单体个性化产品和大规格产品的逻辑分组，而且各组都具有自适应调度能力。研究表明，该模型具有良好的运行稳定性及容错性，有望用于实际生产。

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