基于运筹学的RMS系统级设计理论与方法
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摘要
随着社会经济的加速发展，市场需求日趋呈现出动态多变的特征。为了使制造企业能够适应迅速变化的市场环境，及时把握市场机遇，出现了可重构制造这一全新概念的制造模式。本论文结合国家高技术研究发展计划(863计划)课题——可重构制造系统技术的研究(课题编号2001AA412160)，以运筹学为主要数学工具，对可重构制造系统的系统级设计理论与方法展开研究。
第一章：阐述了制造业的重要地位及其面临的机遇与挑战，论述了可重构制造系统的产生及其重要意义，总结了国内外关于可重构制造系统的理论研究和实践的现状。最后，给出了本论文的主要研究内容和总体结构。
第二章：首先介绍了可重构制造系统的主要相关概念和术语，阐述了RMS的特征、内涵和关键技术，并重点探讨了层次分析法在制造模式选择中的应用，最后简要说明了RMS的系统级设计过程。
第三章：提出了适合于可重构制造系统的产品评价指标体系，运用模糊数学的理论和方法，对市场上同时出现的多种新产品进行评价，以选出适合于制造系统新构形的生产对象。在此基础上，建立了可重构制造系统生产计划的目标规划模型，采用序贯式算法对模型进行求解，从而制订可重构制造系统的最优生产计划。
第四章：基于图论构建了可重构制造系统工艺路线的有向网络模型。然后采用Dijkstra算法和双向扫视算法，进行了最优工艺路线和备选工艺路线的选择策略研究。
第五章：基于排队论建立了可重构制造系统布局的排队网络模型，并依据所建立的模型，对系统的生产能力和每道工序上并行加工的机床台数进行优化设计，从而获得了可重构制造系统新构形的最优混联式布局。此外，论文还在最优混联式布局的基础上，对最新的点阵式布局进行了探索性研究，以使制造系统的新构形具有更强柔性。
第六章：对全文进行总结，并对今后的研究工作作出展望。
With the development of global economy, today's markets are characterized by high fluctuations in demand. RMS (Reconfigurable Manufacturing Systems), a new type of manufacturing system, was proposed to ensure that the manufacturing enterprises can accommodate to changing markets and grasp opportunites easily. In the thesis, theories and methodologies of RMS' system level design are studied by means of Operational Research, supported by Nation's 863 Project (2001AA412160). The main contents are as follows.
In chapter 1, the importance and challenge of manufacturing industry are presented. The generation and significance of RMS are discussed and the sate of arts in RMS are summarized. The main contents and general structure of the thesis are given.
In chapter 2, concepts and terminologies related to RMS are explained. Characters, connotations and enabling technologies of RMS are discussed. The application of AHP method in choosing the suitable manufacturing mode for a certain enterprise is studied.
In chapter 3, a product evaluating system suitable for RMS is proposed. Methodologies of fuzzy mathematics are used to evaluate various new products on the markets to choose some new products adapted to system's new configuration. After that, a goal planning mode of production schedule for RMS is constructed and the optimized production schedule is finally attained.
In chapter 4, a network mode of process planning for RMS is constructed based on graph theory. Dijkstra algorithm and double-oriented scanning algorithm are used to select optimized and standby process planning.
In chapter 5, a network mode of RMS' layout is designed based on queueing theory. Manufacturing system's productivity and the number of machine tools used in every working procedure are optimized. Therefore, an optimized system layout is obtained. Furthermore, to make the manufacturing system more flexible, the latest lattice mode layout is discussed.
In chapter 6, the main results and conclusions of the thesis are summarized and the future work is prospected.
第一章：阐述了制造业的重要地位及其面临的机遇与挑战，论述了可重构制造系统的产生及其重要意义，总结了国内外关于可重构制造系统的理论研究和实践的现状。最后，给出了本论文的主要研究内容和总体结构。
第二章：首先介绍了可重构制造系统的主要相关概念和术语，阐述了RMS的特征、内涵和关键技术，并重点探讨了层次分析法在制造模式选择中的应用，最后简要说明了RMS的系统级设计过程。
第三章：提出了适合于可重构制造系统的产品评价指标体系，运用模糊数学的理论和方法，对市场上同时出现的多种新产品进行评价，以选出适合于制造系统新构形的生产对象。在此基础上，建立了可重构制造系统生产计划的目标规划模型，采用序贯式算法对模型进行求解，从而制订可重构制造系统的最优生产计划。
第四章：基于图论构建了可重构制造系统工艺路线的有向网络模型。然后采用Dijkstra算法和双向扫视算法，进行了最优工艺路线和备选工艺路线的选择策略研究。
第五章：基于排队论建立了可重构制造系统布局的排队网络模型，并依据所建立的模型，对系统的生产能力和每道工序上并行加工的机床台数进行优化设计，从而获得了可重构制造系统新构形的最优混联式布局。此外，论文还在最优混联式布局的基础上，对最新的点阵式布局进行了探索性研究，以使制造系统的新构形具有更强柔性。
第六章：对全文进行总结，并对今后的研究工作作出展望。
With the development of global economy, today's markets are characterized by high fluctuations in demand. RMS (Reconfigurable Manufacturing Systems), a new type of manufacturing system, was proposed to ensure that the manufacturing enterprises can accommodate to changing markets and grasp opportunites easily. In the thesis, theories and methodologies of RMS' system level design are studied by means of Operational Research, supported by Nation's 863 Project (2001AA412160). The main contents are as follows.
In chapter 1, the importance and challenge of manufacturing industry are presented. The generation and significance of RMS are discussed and the sate of arts in RMS are summarized. The main contents and general structure of the thesis are given.
In chapter 2, concepts and terminologies related to RMS are explained. Characters, connotations and enabling technologies of RMS are discussed. The application of AHP method in choosing the suitable manufacturing mode for a certain enterprise is studied.
In chapter 3, a product evaluating system suitable for RMS is proposed. Methodologies of fuzzy mathematics are used to evaluate various new products on the markets to choose some new products adapted to system's new configuration. After that, a goal planning mode of production schedule for RMS is constructed and the optimized production schedule is finally attained.
In chapter 4, a network mode of process planning for RMS is constructed based on graph theory. Dijkstra algorithm and double-oriented scanning algorithm are used to select optimized and standby process planning.
In chapter 5, a network mode of RMS' layout is designed based on queueing theory. Manufacturing system's productivity and the number of machine tools used in every working procedure are optimized. Therefore, an optimized system layout is obtained. Furthermore, to make the manufacturing system more flexible, the latest lattice mode layout is discussed.
In chapter 6, the main results and conclusions of the thesis are summarized and the future work is prospected.
引文
[1] 张峥嵘，袁清珂．21世纪制造业的特点及其关键技术．机械工程，1999年3月
[2] 张根保等．先进制造技术．重庆大学出版社，1996年第1版
[3] 朱高峰．要现代化就要大力发展制造业．2001年“两会”上的发言
[4] 张晓峰．可重构智能制造系统的基础研究．南京航空航天大学博士学位论文，2000年5月
[5] 顾新建，祁国宁，谭建荣，陈芨熙．机械制造系统工程学．浙江大学出版社，1996年第1版
[6] 顾元勋，孙林岩，吕坚．生产力主导性要素变迁与制造模式发展研究．陕西工学院学报，2000年6月
[7] Ming Lin. Patterning Algorithms for Operation Clustering for Reconfigurable Machining Systems. A dissertation of the University of Michigan, 2001
[8] M.G.Mehrabi, A.G. Ulsoy and Y.Koren. Reconfigurable Manufacturing Systems:Key to Future Manufacturing. Journal of Intelligent Manufacturing (2000) 11, from page 403 to page419
[9] 罗振璧，赵晓波，盛伯浩等．快速重组制造系统．中国机械工程，2000年第11期
[10] John J.Cristiano. NSF Engineering Research Center for Reconfigurable Manufacturing Systems
[11] Sung-Yong Son. Design Principles and Methodologies for Reconfigurable Machining Systems. A dissertation of the University of Michigan, 2000
[12] Sang-Ku Moon. Error Prediction and Compensation of Reconfigurabie Machine Tool Using Screw Kinematics. A dissertation of the University of Michigan, 2002
[13] Dhrubajyoti Kalita. Formal Verification for Analysis and Design of Logic Controllers for Reconfigurable Manufacturing Systems. A dissertation of the University of Michigan, 2001
[14] Yong-Mo Moon. Reconfigurable Machine Tool Design:Theory and Application. A dissertation of the University of Michigan, 2000
[15] M.R.Lucas, E.W.Endsley, D.M.Tilbury. Coordinated Logic Control for Reconfigurable Machining Systems. Proceedings of American Control Conference June, 1999
[16] Kazushi Ohashi, Kang G.Shin. Model-based Control for Reconfigurable Manufacturing Systems
[17] Chung-Hsien Kuo. Resource Allocation and Performance Evaluation of the Reconfigurable Manufacturing Systems. 2001 IEEE from page 2451 to page 2456
[18] Manfredi Bruccoleri. Operational Issues in Reconfigurable ManufacturingSystems: Excepti-on Handling
[19] 罗建民．可重组制造系统相关设计技术的研究．浙江大学硕士学位论文，2003年
[20] 刘阶萍，罗振璧，陈恳．快速可重组制造系统的可诊断性设计原理．清华大学学报(自然科学版)，2000年第40卷第8期
[21] 赵晓波，张鸣，罗振壁，盛伯浩．可重组FMS中缓冲区容量的优化配置问题．系统工程学报，2000年6月第15卷第2期
[22] 张鸣，赵晓波，罗振璧，盛伯浩．可重组柔性制造系统中的最优工件运送策略．清华大学学报(自然科学版)，1999年第39卷第8期
[23] 刘阶萍，陈禹六，罗振璧，盛伯浩．敏捷化可重组制造系统及其布局原则和方法研究．
制造业自动化，2002年第24卷第12期
[24] 蔡宗琰，严新民．可重构制造系统重构算法的实例研究．计算机辅助设计与图形学学报，2003年2月第15卷第2期
[25] 顾农，谭民，范英俐，郁文生．制造系统的可重构布局设计．信息与控制，2001年7月第30卷第7期
[26] 幸研，易红，汤文成．敏捷化可重组制造质量保证系统的研究．中国机械工程，2002年1月上半月第13卷第1期
[27] 吴智跃，沈晓，黄国庆，刘士良．可重组的制造系统．江南大学学报(自然科学版)，2003年6月第2卷第2期
[28] 盛伯浩，罗振璧等．快速重组制造系统的构建原理及其应用．工业工程与管理，2001年第1期
[29] Yoram Koren, Zbigniew Pasek, Steve Segall. Agile, Reconfigurable Manufacturing
[30] 吴建华，姚振强．敏捷可重组制造系统的研究．淮阴工学院学报，2003年6月第12卷第3期
[31] 吴育华，何雁群．运筹学在工业工程中的应用．工业工程，1999年12月第2卷第4期
[32] 孟维柱．运筹学在企业中的应用．机械设计与制造，2001年8月
[33] 北京机床研究所．国家高技术研究发展计划(863计划)课题任务合同书
[34] 梁福军，宁汝新．可重构制造系统理论研究．机械工程学报，2003年6月第39卷第6期
[35] 盛伯浩．快速重组制造系统理论与方法研究．国家自然科学基金重点项目研究报告，2000年12
[36] 吴忠．制造单元重组优化研究．西北工业大学博士学位论文，2000年7月
[37] M.G.mehrabi, A.G.Ulsoy, Y.Koren. Reconfigurable Manufacturing Systems and Their Enabling Technologies
[38] M.G.mehrabi, A.G.Ulsoy, Y.Koren, P.heytler. Trends and Perspectives in Flexible and Reconfigurable Manufacturing Systems
[39] 贾振元，金岩．基于成组技术的可重构制造系统CAPP的研究．机械设计与制造，2003 年2月
[40] Yong-Mo Moon, Sridhar Kota. Generalized Kinematic Modeling of Reconfigurable Machine Tools. Journal of Mechanical Design, March 2002
[41] D.M.Tilbury, S.Kota. Integrated Machine and Control Design for Reconfigurable Machine Tools. Proceedings of the International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics 1999
[42] Weiping Zhong, Valerie Maier-Speredelozzi, Anne Bratzel. Performance Analysis of Machining with Different Configurations
[43] Sivaram Balasuberamanian, Robert W.Brennan, Douglas H.Norrie. An architecture for metamorphic control of holonic manufacturing systems
[44] 骆秦丽．层次分析法在风险投资项目选择中的应用．技术经济，2000年第4期
[45] 郭瑞军，王晚香，朱国宝．层次分析法(AHP)在虚拟企业合作伙伴选择中的应用．机械，2003年第30卷第3期
[46] 《运筹学》教材编写组．运筹学．清华大学出版社，1990年1月第2版
[47] M.Cakmakci, M.Mehrabi, A.G.Ulsoy. State-of-the-Art in Thechnologies Related to RMS ERC/RMS Report #17. October 10, 1998
[48] Nick Brehmer, Chengen Wang. Reconfigurable Manufacturing Systems and Environment
Consciousness
[49] 张俊．面向多种生产类型的生产管理系统的研究与开发．浙江大学硕士学位论文，2001年2月
[50] L.A.Zadeh. Fuzzy Sets. Information and Control. 1965
[51] 董玉革．机械模糊可靠性设计．机械工业出版社，2000年12月第1版
[52] Stephen E.Chick, Tava Lennon Olsen. A Descriptive Multi-Attribute for Reconfigurable Maching System
[53] 王成恩．制造系统的可重构性．计算机集成制造系统，2000年8月第6卷第4期
[54] 吕坚，孙林岩，肖忠东，顾元勋．中国制造企业核心能力分析与评价．科研管理2002年5月第23卷第3期
[55] 刘子先，生静，冯志辉，许双禄．基于AHP与模糊多目标规划的新产品组合研究．机械设计，2002年第12期
[56] 宣家骥，李斌．非线性目标规划的近似规划法及其改进．湖南大学学报，1997年12月第24卷第6期
[57] 周汉良，范玉妹．数学规划及其应用．冶金工业出版社，1995年第1版
[58] 何坚勇．运筹学基础．清华大学出版社，2000年7月第1版
[59] 傅水根．机械制造工艺基础(金属工艺学冷加工部分)．清华大学出版社 1998年
[60] 衷裕水，范生祥．CAPP系统中工艺路线生成研究．航空精密制造技术，1994年第4期
[61] Morrison R.Lucas, Eric W.Endsley, Dawn M.Tilbury. Modular Control for Reconfigurable Machine Tools:Integrating Servo and Logic Control
[62] 胡运权，钱颂迪等．运筹学．清华大学出版社，1988年
[63] 杜端甫．运筹图论(图、网络理论中的运筹问题)．北京航空航天大学出版社，1990年
[64] 王细洋，姜俊华，杨卫平．零件工艺路线决策的GA方法．南昌航空工业学院学报，2000年3月第14卷第1期
[65] 杨青，胡树华，王丽燕，章晋文．机械加工工艺成本优化研究．武汉汽车工业大学学报1996年8月第18卷第4期
[66] 王立明，王东伟，刘晓刚，李寅年．工艺路线综合决策算法初探．计算机工程1995年9月，第21卷第5期
[67] 李小俚，朱银周．应用模糊图论制订机械加工工艺路线．云南工业大学学报，1995年第11卷第1期
[68] 邹庆化．金工工艺的优化设计．机械设计，1996年第7期
[69] Yashuhiro Yamada, Kazuhiro Ookodo, Yoshiaki Komura. Layout Optimization of Manufacturing Cells and Allocation Optimization of Transport Robots in RMS Using Particle Swarm Optimization. Proceedings of Conference on Intelligent Robots and Systems 2003
[70] 盛伯浩，罗振璧，赵宏林．快速重组制造系统(RRMS)——新一代制造系统的原理及应用．制造技术与机床，2001年第8期
[71] 陆凤山．排队论及其应用．湖南科学技术出版社
[72] 陆伟赉．排队论．北京邮电学院出版社，1994年第1版
[73] 孟玉轲．排队论基础及应用．同济大学出版社，1989年10月第1版
[74] 刘满凤，傅波，聂高辉．运筹学模型与方法教程．清华大学出版社，2001年2月第1版
[75] 田乃硕．随机服务系统．北京大学出版社，2001年
[76] Farshid Maghami Asl, A. Galip Ulsoy. Capacity Management in Reconfigurable Manufactur-ing Systems with Stochastic Market Demand. Proceedings of IMECE 2002
[77] Farshid Maghami Asl, A. Galip Ulsoy. Capacity Management via Feedback Control in Reconfigurable Manufacturing Systems
[78] Ahmets S.Yigit, A. Galip Ulsoy. Optimizing Modular Product Design for Reconfigurable Manufacturing. Journal of Intelligent Manufacturing, 13, 309-316, 2002
[79] 李火生，李志华，钟毅芳，戴同．生产车间设备布局线性模型及算法研究．计算机工程与应用，2002年第11期
[2] 张根保等．先进制造技术．重庆大学出版社，1996年第1版
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[5] 顾新建，祁国宁，谭建荣，陈芨熙．机械制造系统工程学．浙江大学出版社，1996年第1版
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[37] M.G.mehrabi, A.G.Ulsoy, Y.Koren. Reconfigurable Manufacturing Systems and Their Enabling Technologies
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[69] Yashuhiro Yamada, Kazuhiro Ookodo, Yoshiaki Komura. Layout Optimization of Manufacturing Cells and Allocation Optimization of Transport Robots in RMS Using Particle Swarm Optimization. Proceedings of Conference on Intelligent Robots and Systems 2003
[70] 盛伯浩，罗振璧，赵宏林．快速重组制造系统(RRMS)——新一代制造系统的原理及应用．制造技术与机床，2001年第8期
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[76] Farshid Maghami Asl, A. Galip Ulsoy. Capacity Management in Reconfigurable Manufactur-ing Systems with Stochastic Market Demand. Proceedings of IMECE 2002
[77] Farshid Maghami Asl, A. Galip Ulsoy. Capacity Management via Feedback Control in Reconfigurable Manufacturing Systems
[78] Ahmets S.Yigit, A. Galip Ulsoy. Optimizing Modular Product Design for Reconfigurable Manufacturing. Journal of Intelligent Manufacturing, 13, 309-316, 2002
[79] 李火生，李志华，钟毅芳，戴同．生产车间设备布局线性模型及算法研究．计算机工程与应用，2002年第11期