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本书对基于Holonic制造系统的制造单元的重构机制及调度单元典型问题进行了研究；重点实现HMS系统中调度单元与任务的动态调度方法，以及算法求解效率的定量分析；对制造单元中JSP（Job Shop Problem）、FSP（Flow Shop Problem）和混合系统问题进行了深入分析，提出了确定性演化算法求解这类问题的算法框架。

第1 章 绪论 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1
1.1 引言 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1
1.2 HMS 研究现状 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 4
1.3 HMS 调度系统 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 6
1.4 课题研究意义 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 8
1.4.1 问题的提出 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 8
1.4.2 研究内容 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 9
1.4.3 研究意义 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 11
1.5 拟解决的关键科学问题与方法 ???????????????????????????????????????????????????????????? 12
1.5.1 关键科学问题 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 12
1.5.2 研究方案 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 13
1.5.3 可行性分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 17
第2 章 动态Holonic 制造系统建模及重构方法 ?????????????????????????????????????????????? 19
2.1 基于DHMS 参考模型的车间内部工作流程建模技术 ???????????????????????? 19
2.1.1 产品Holon（PH） ???????????????????????????????????????????????????????????????????? 21
2.1.2 任务Holon（TH） ???????????????????????????????????????????????????????????????????? 21
2.1.3 运行Holon（OH） ??????????????????????????????????????????????????????????????????? 22
2.1.4 在线监控Holon（SH） ???????????????????????????????????????????????????????????? 23
2.2 Holon 之间的交互 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 24
2.2.1 企业全局的多Holon 系统交互????????????????????????????????????????????????? 24
2.2.2 成员企业局部的多Holon 系统交互 ????????????????????????????????????????? 25
2.3 Holonic 制造系统参考体系结构研究 ?????????????????????????????????????????????????? 26
2.3.1 Holonic 制造系统的参考体系结构 ??????????????????????????????????????????? 26
2.3.2 Holonic 制造系统的控制策略 ??????????????????????????????????????????????????? 29
2.4 DHVE 参考模型的映射 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????? 33
2.4.1 物理层 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 34
2.4.2 实现层 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 35
2.4.3 应用层 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 37
2.5 基本Holon 的建模 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 38
2.5.1 基本Holon 的结构及工作原理????????????????????????????????????????????????? 39
2.5.2 基于Agent 的基本Holon 模型 ????????????????????????????????????????????????? 40
2.6 DHMS 系统的分布式决策过程及实现研究 ???????????????????????????????????????? 46
2.6.1 DHMS 系统中任务的分布式决策过程 ???????????????????????????????????? 47
2.6.2 订单/任务单元模型 ??????????????????????????????????????????????????????????????????? 47
2.6.3 单元Holon 向DHMS 系统的映射 ??????????????????????????????????????????? 50
2.6.4 Holon/Agent 协调算法 ?????????????????????????????????????????????????????????????? 53
2.6.5 递阶式的投标和重配置 ???????????????????????????????????????????????????????????? 58
2.7 重构选项的识别、模拟及评估 ???????????????????????????????????????????????????????????? 64
2.7.1 通用配置的识别 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????? 64
2.7.2 离散事件的模拟及评估 ???????????????????????????????????????????????????????????? 66
2.7.3 系统层次结构 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 67
2.8 车间调度系统的实现 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 68
2.9 小结 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 72
第3 章 混合流水车间调度模型及其仿真计算方法 ????????????????????????????????????????? 74
3.1 并行机调度模型 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 76
3.1.1 基本定义 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 76
3.1.2 模型描述 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 77
3.1.3 模型假设条件 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 78
3.2 模型稳定性证明 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 78
3.3 带缓冲区的混合流水车间模型及其性能分析 ????????????????????????????????????? 81
3.3.1 带有多个缓冲区的单级并行加工系统 ????????????????????????????????????? 81
3.3.2 带有一个缓冲区的单级并行加工系统 ????????????????????????????????????? 82
3.3.3 数值分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 84
3.3.4 模型性能分析 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 84
3.3.5 仿真实验及结果分析 ???????????????????????????????????????????????????????????????? 88
3.4 可修混合排队调度模型及其性能分析 ???????????????????????????????????????????????? 91
3.4.1 混合排队调度模型 ???????????????????????????????????????????????????????????????????? 91
3.4.2 数值模拟及分析 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????? 96
3.5 小结 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 99
第4 章 典型Job Shop 调度问题求解方法 ???????????????????????????????????????????????????? 100
4.1 Job Shop 调度问题 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 101
4.1.1 问题描述 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 101
4.1.2 Job Shop 调度数学模型 ?????????????????????????????????????????????????????????? 101
4.2 JSP 问题求解算法 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 102
4.2.1 SCE 算法 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 102
4.2.2 改进的SCE 算法 ???????????????????????????????????????????????????????????????????? 105
4.2.3 马尔可夫模型及收敛性分析 ?????????????????????????????????????????????????? 107
4.2.4 实验仿真与结果 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????? 110
4.3 基于改进SCE 算法的Job Shop 调度问题 ???????????????????????????????????????? 113
4.3.1 编码机制 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 113
4.3.2 解码机制 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 114
4.3.3 适应度函数 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 115
4.3.4 SCE 算法参数分析 ?????????????????????????????????????????????????????????????????? 115
4.3.5 基于改进SCE 算法的Job Shop 调度算法 ????????????????????????????? 116
4.4 算法复杂度分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 117
4.5 实验仿真与结果分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 118
4.6 小结 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 121
第5 章 置换Flow Shop 调度算法 ?????????????????????????????????????????????????????????????????? 122
5.1 置换Flow Shop 调度问题 ?????????????????????????????????????????????????????????????????? 122
5.1.1 问题描述 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 122
5.1.2 数学模型 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 123
5.2 基于SCE 算法的置换Flow Shop 调度算法 ?????????????????????????????????????? 123
5.2.1 编码策略 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 123
5.2.2 映射策略 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 124
5.2.3 适应度函数 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 124
5.2.4 算法复杂度分析 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????? 125
5.3 实验仿真与结果 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 125
5.4 小结 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 130
第6 章 动态预测调度模型求解方法 ??????????????????????????????????????????????????????????????? 131
6.1 预测调度模型 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 131
6.2 预测调度方法 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 132
6.3 预测模型和Scatter Search 算法 ????????????????????????????????????????????????????????? 132
6.3.1 预测模型 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 132
6.3.2 Scatter Search 算法 ?????????????????????????????????????????????????????????????????? 133
6.4 实验和仿真 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 138
6.4.1 实验相关参数 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 138
6.4.2 预测结果 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 139
6.5 小结 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 140
第7 章 结论 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 141
7.1 研究总结 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 141
7.2 研究展望 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 143
参考文献 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 144
附录A  发表的学术论文目录 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 152

前    言
Holonic 制造单元的调度策略及实现方法是制造系统调度性能和系统稳定性等方面最重要的基础问题之一，但由于调度计算的复杂性和对干扰的鲁棒性差等原因， 高性能调度方法很少被应用于实际生产中。本书拟引入HolonicManufacturing Systems（HMS）制造哲理的概念，对基于Holonic 制造系统的制造单元的重构机制及调度单元典型问题进行研究；重点实现HMS 系统中调度单元与任务的动态调度方法，以及算法求解效率的定量分析；对制造单元中JSP（JobShop Problem）、FSP（Flow Shop Problem）和混合系统问题进行了深入分析，提出了确定性演化算法求解这类问题的算法框架。本书的主要内容和贡献如下：
（1）通过企业业务流程及HMS 系统的深入分析和研究，提出了动态Holonic制造系统（Dynamic Holonic Manufacturing System，DHMS）重构模型及其实现方法，该模型从整个制造系统价值链，以及企业级运作的对象、过程、资源、信息等方面进行建模，为Holon 体系开发了新的应用领域，将Holonic 制造的研究提升到了一个新的高度；同时也拓展了企业业务流程的范畴，使企业间业务的战略考虑与具体的操作层实施结合起来。在基于PSORA 参考模型的基础上确定了DHMS 中Holon 的种类：虚拟企业Holon、成员企业Holon、产品Holon（PH）、任务Holon（TH）、运行Holon（OH）及在线监控Holon（SH），并对其重构及实现技术进行了定义。
（2）提出了基于排队论的混合流水车间调度模型，将串行与并行排队系统相结合，对其调度规则进行形式化描述，证明了系统的稳定性，并对系统达到稳态工作状态的各目标参量所需条件及其概率特性进行了分析。以最小化工件等待时间为目标函数，通过上述方法对系统模型进行仿真计算，验证了该方法对混合流水车间调度问题是有效的。同时研究了可修排队系统，用概率母函数法对可修排队系统达到稳态工作状态的各目标参量所需条件及其概率特性进行了分析。最后通过数值运算验证了该方法用于这类车间调度问题的分析是有效的。
（3）对JSP问题进行深入分析，以求解JSP 中工件的最小、最大完成时间为目标，通过序列映射方式将连续定义域空间中的变量映射到离散的组合优化问题空间中，采用基于工序编码的方式进行编码，使用顺序插入解码机制对其解码。将改进的SCE 算法用于求解经典Job Shop 调度问题，并将结果与基本SCE 算法进行比较。结果表明，改进的SCE 算法在解决Job Shop 调度问题上相比基本SCE算法更加有效。
（4）研究了典型置换Flow Shop 调度问题，以求解工件的最小、最大完成时间为目标，通过LOV 机制将连续定义域空间中的变量映射到离散的组合优化问题空间中，对工件变量采用基于实数的编码方式编码。将SCE 算法用于求解29个典型置换Flow Shop 调度问题，并将其与已有的智能优化算法PSO、DE、GA、NEH 等进行比较，结果表明，SCE 算法在求解该类调度问题上的整体性能要高于其他智能算法，验证了SCE 算法在置换Flow Shop 调度问题中的有效性。
（5）对HMS 系统预测调度问题进行了研究，针对预测调度模型的动态特性，引入数理统计预测方法来构建预测模型，利用Scatter Search（SS）算法对预测模型中的3 个参数求最优解，优化的参数可以帮助预测模型得到精确的预测结果，预测结果可以提高预测调度的精确性。
本书通过较深入的建模研究、算法设计、分析计算及仿真系统的开发，取得了一些很有价值的结论。
本书是作者在近年来研究工作的基础上撰写完成的，特别是在西安交通大学系统工程研究所、西北工业大学航空宇航科学与技术进行博士后研究工作的经历，提高了作者对这一领域深入的理解，特别感谢西安交通大学的邹建华教授、西北工业大学的王俊彪教授的指导和鼓励。衷心感谢作者单位兰州理工大学计算机与通信学院同事们的大力支持，使本人有更多精力投入科学研究工作中，才使这些不很成熟的见解得以面世。
由于时间仓促，加之作者水平有限，本书难免会有错误和不足，敬请读者不吝指正。

著  者  
2017 年7 月

机械制造

赵付青，教授，工学博士/博士后。主要研究领域为先进制造系统的基础理论，重点研究方向为敏捷制造系统实现方法及重构技术，计算智能理论及其在先进制造系统中的应用等。2008年6月至2009年6月受教育部“出国留学基金”的资助赴英国Exeter大学制造企业研究中心访问学习一年，2014年1月至2015年1月受留学基金委“青年骨干教师计划”的资助赴美国佐治亚理工学院制造研究中心访问学习一年。__eol__主持完成国家自然科学基金项目，国家自然科学基金国际合作项目，中国博士后科学基金（特别资助、一等资助、二等资助）项目，甘肃省自然科学基金项目，甘肃省硕士研究生导师基金项目，甘肃省人事厅留学回国基金项目，2013年陇原青年人才扶持计划项目等各1项；完成或参与国家级、省部级项目13项。获得甘肃省科技进步奖三等奖，兰州市科技进步奖二等奖，甘肃省科技创新活动优秀奖，高校科技进步奖二等奖等共10项；还曾获得甘肃省高等学校青年教师成才奖，兰州理工大学“十一五”“十二五”科技先进个人，青年教师讲课竞赛三等奖，教学优秀奖等。近5年，发表学术论文49篇，其中SCI收录 16篇、EI收录 26篇，被引用69次。目前，担任ESWA、COR、IJPR、IJAMT、IJCIM等制造领域国际核心期刊的审稿人；出版专著1部，主编教材5部。

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