考虑超低待机的流水车间能耗调度方法、系统及终端设备与流程

本公开涉及一种考虑超低待机的流水车间能耗调度方法、系统及终端设备。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着能源短缺和环境问题的日益突出，低碳节能的生产运作方式引起了学术界的高度关注。流水车间作为典型的机械加工系统，其基础耗能设备机床运行过程耗能巨大并间接产生大量二氧化碳。研究表明，机床在运行过程中，具有多源动态的功率特性，根据加工任务切换机床功率状态，是实现流水车间节能的重要方法。

流水车间能耗主要由机床加工状态和待机状态能耗组成，机床的功率的变化与其内部系统性能、部件运行情况和加工参数变化有关。目前一部分文献研究集中于降低机床加工状态的功率，忽略了待机状态功率对机床能耗的影响。研究表明，机床的能源利用效率普遍较低，以加工中心为例，用于切削的能耗仅占总能耗的14.8％，而数控磨床也只有65.8％。现有文献指出数控机床待机能耗主要由基础单元、伺服装置和辅助单元产生，基础单元用于保证机床正常运行，而伺服装置和辅助单元在待机状态下是不必要的；同时，待机状态辅助单元耗能比伺服装置要多，实现机床待机状态辅助单元优化控制能够降低待机功率；也有文献指出依据加工间隔时长将待机状态切换至停机状态，能够降低机床8％到30％的能耗，但频繁启停会对机床寿命产生一定影响。

综上可见，目前流水车间能耗调度主要通过将待机状态切换为停机状态，实现机床加工、待机和停机不同功率状态的优化配置。但是，采取的停机策略会导致机床频繁启停，影响机床寿命和加工精度，且机床在待机状态下仍存在辅助单元能量过量供给问题。

技术实现要素：

本公开为了解决上述问题，提出了一种考虑超低状态的流水车间能耗调度方法、系统及终端设备，本公开基于机床超低待机状态，以流水车间节能为目的，通过关闭待机状态下不必要的辅助部件，实现不完全关闭机床情况下降低待机功率，避免机床频繁启停；另外，本公开还通过基于工序平移的节能策略控制工序间的时间间隔，实现考虑超低状态的流水车间待机状态向超低待机状态和停机状态的转化，并将基于工序平移的节能策略与遗传算法结合，求解考虑超低状态的流水车间能耗调度问题。

首先为方便本领域技术人员理解技术方案，进行名词解释如下：

流水车间：具体包括机床集，机床集内包括多个数控机床部件，每个数控机床部件分为加工单元、辅助单元、机床控制单元和基础单元四部分，其中：

加工单元，指在整个加工过程中，直接执行加工动作的设备；

辅助单元，指在加工过程中，起到辅助加工的设备，如照明、给料排料、排屑回收等设备；

机床控制单元，指在加工过程中，对其他单元进行控制指令生成、传输和控制的元件；

基础单元，是指在数控机床部件处于非停止状态时，必须存在并运转的设备，如散热系统、电柜设备等。

超低待机状态：是在待机状态基础上，通过关闭机床系统中的可编程逻辑控制器和位置控制装置，进而完全关闭主轴单元和进给轴单元的驱动装置、主轴单元和进给轴单元的电机和辅助单元，仅开启基础单元和部分数控系统，以避免待机状态出现辅助单元过量供给的现象。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种考虑超低待机的流水车间能耗调度方法，包括以下步骤：

(1)在同时考虑机床加工状态、待机状态和超低待机状态的流水车间中，以最小化能耗为目标，求解工件集在机床集上的加工顺序，形成考虑超低待机的流水车间调度问题模型；

(2)将基于工序平移的节能策略与遗传算法结合，形成考虑超低待机的流水车间调度问题优化模型，通过编码确定解空间，随机产生初始代种群，通过选择、交叉和变异操作产生新的个体，即调度方案，确定调度方案中各工序所用机床、开工时间和完工时间，通过基于工序平移的节能策略对新个体进行局部优化，形成再优化个体，对再优化个体进行适应度值的评估，当种群满足终止条件时，输出最优调度方案。

作为进一步的限定，在构建考虑超低待机的流水车间调度问题模型时，需要满足以下约束条件：

(1)考虑超低待机的流水车间任意工件完成加工均需要经过相同的工序，且每道工序能且仅能在一台机床上加工。

(2)车间机床均为数控机床且均考虑加工状态、待机状态和超低待机状态；

(3)各机床任意时刻最多加工一个零件；

(4)各工序加工过程不能中断。

作为进一步的限定，所述能耗为加工能耗、待机能耗和超低待机能耗之和。

作为进一步的限定，基于工序平移的节能策略利用确定工序平移顺序和平移工序两个步骤对新个体进行局部优化。

作为更进一步的限定，确定工序平移顺序利用缝针式排序法：将工序按照最晚完工时间受约束程度由小到大的顺序进行排列，给予各工序最大的平移空间，将调度方案前n-1个工件按照加工顺序由后向前进行排列，将工件的所有工序按照由后向前的顺序进行排列，形成工序平移序列。

作为更进一步的限定，基于工序平移的节能策略确定调度方案工序平移序列后，依次选取序列中的工序进行平移，每一道工序完工时间至多平移至其最晚完工时间，且该最晚完工时间为以下两者中的最小值：该工件在下一道工序的开工时间与下一工件在该道工序的开工时间。

一种考虑超低待机状态的流水车间能耗调度系统，运行于处理器或存储器上，被配置为执行以下指令：

在同时考虑机床加工状态、待机状态和超低待机状态的流水车间中，以最小化能耗为目标，求解工件集的各道工序在机床集上的加工顺序，形成考虑超低待机的流水车间调度问题模型；

将基于工序平移的节能策略与遗传算法结合，形成考虑超低待机的流水车间调度问题优化模型，首先通过编码确定解空间，然后随机产生初始代种群，通过选择、交叉和变异操作产生新的个体，即调度方案，确定调度方案各工序所用机床、开工时间和完工时间，再通过基于工序平移的节能策略对新个体进行局部优化，形成再优化个体，最后再对再优化个体进行适应度值的评估，当种群满足终止条件时，输出最优解。

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种考虑超低待机状态的流水车间能耗调度方法。

一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种考虑超低待机状态的流水车间能耗调度方法。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开建立考虑超低待机状态的流水车间能耗调度问题模型，通过启用数控机床超低待机状态，关闭待机状态下不必要的辅助部件，实现在不停机情况下降低机床待机功率，降低流水车间能耗的同时，避免了机床频繁启停；并针对考虑超低待机的流水车间能耗调度问题设计了一种基于工序平移的节能策略，能够明显降低流水车间能耗，且基于工序平移的节能策略，在不停机情况下，能够实现待机状态向超低待机状态和停机状态的转化；

本公开将基于工序平移的节能策略与遗传算法结合，求解考虑超低待机状态的流水车间能耗调度问题，进一步降低流水车间能耗，对工程实际有较强的指导意义。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是mxr-460v加工过程功率-时间曲线图；

图2(a)是不考虑超低待机的调度方案；

图2(b)是考虑超低待机的调度方案；

图2(c)是考虑超低待机的平移后的调度方案；

图3是混合遗传算法流程图；

图4是缝针式排序法工件排序示意图；

图5是工序平移方法流程图；

图6(a)-(h)是平移选定工序方法说明图；

图7(a)是ga+2states最优调度方案甘特图；

图7(b)是ga+3states最优调度方案甘特图；

图7(c)是hybridga+3states最优调度方案甘特图；

图8是机床运行状态时长堆积图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本实施例使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本实施例基于一种超低待机状态，通过可编程逻辑控制器关闭待机状态下不必要的辅助部件，实现不完全关闭机床情况下降低待机功率，避免机床频繁启停；超低待机状态恢复至加工状态需要一定切换时间，为此提出一种基于工序平移的节能策略，通过控制工序间的时间间隔，实现流水车间待机状态向超低待机状态和停机状态的转化，并将基于工序平移的节能策略与遗传算法混合，求解考虑超低状态的流水车间能耗调度问题。最后通过实例分析验证上述方法的节能潜力和有效性。

首先，为方便本领域技术人员的理解，先进行必要知识介绍如下：

(1)超低待机状态的产生

从功能的角度来说，数控机床部件分为加工单元、辅助单元、机床控制单元和基础单元四部分，如表1所示。传统的流水车间调度将数控机床运行状态分为加工状态和待机状态，其加工特性如表2所示。数控机床处于加工状态时所有单元全部上电运行，可实现加工所需的各种功能，处于待机状态时切屑排屑装置和照明装置关闭，主轴单元和进给轴单元的驱动装置正常运行，但主轴电机和进给轴电机仅处于上电状态，即主轴单元和进给轴单元处于hold状态。当机床处于长时间待机状态时，可以在待机状态基础上进一步关闭机床部分辅助功能，基于此本实施例提出一种数控机床的超低待机状态，超低待机状态是在待机状态基础上，通过关闭机床cnc系统中的可编程逻辑控制器和位置控制装置，进而完全关闭主轴单元和进给轴单元的驱动装置、主轴单元和进给轴单元的电机和辅助单元，仅开启基础单元和部分数控系统，以避免待机阶段出现辅助单元过量供给的现象。待机状态下未关闭的数控系统重新启动需要一定时间，因此在车间能耗调度中需要根据加工间隔时长匹配数控机床进入待机状态还是超低待机状态。

表1数控机床运行状态与部件运行情况对照表

表2数控机床运行状态与部件运行情况对照表

(2)考虑超低待机的机床功率和时间特性

图1展示了数控机床mxr-460v加工状态、待机状态和超低待机状态的功率及时间特性，处于加工状态时其功率约为2.3kw，处于待机状态时其功率约为1.9kw(1.5)，处于超低待机状态时其功率约为0.4kw。图1中机床由加工状态切换至超低待机状态时，关闭数控系统的plc和位置检测装置使主轴单元和进给轴单元的驱动装置等完全关闭，这个状态切换过程时间很短一般在几秒钟左右。但当机床从超低待机状态切换到加工状态时重新启动plc和位置检测装置需要一定时间，在这段时间内数控系统需要完成各项检测工作，例如坐标轴定位等，检测工作完成后辅助单元和加工单元用很短时间启动运行。我们将超低待机状态切换到加工状态所需要的时间定义为状态切换阈值t^*，只有加工间隔时长twait(twait≥0)大于t^*时才能启用超低待机状态。

之后，构建考虑超低待机的流水车间调度问题模型。

超低待机状态的提出使车间层次节能问题复杂化，传统流水车间能耗调度问题仅考虑机床加工状态和待机状态已不能满足需求。因此本实施例建立考虑超低待机状态的流水车间能耗调度问题模型，该模型可以描述为：以最小化能耗为目标，求解工件集n＝{nⁱ|i＝1,2,…,n}的各道工序在机床集m＝{m^j|j＝1,2,…,m}上的加工顺序问题。其中，任意工件nⁱ完成加工均需要经过m道工序，且任意工件的第j道工序能且仅能在机床m^j上加工，机床m^j均为数控机床且均考虑加工状态、待机状态和超低待机状态。此外，考虑超低待机的流水车间调度还需满足以下几个约束条件：

(1)各机床任意时刻最多加工一个零件；

(2)各工序加工过程不能中断；

进而，考虑超低待机的流水车间能耗建模。

考虑超低待机状态的机床运行过程中会出现加工状态、待机状态和超低待机状态3种状态。当机床m^j第i个加工间隔时长达到机床m^j的状态切换阈值时，进入超低待机状态，xij等于1；否则进入待机状态，xij等于0。传统调度方案图2(a)考虑超低待机状态后如图2(b)所示，部分待机状态转化为超低待机状态，待机功率降低，o^ij示工件nⁱ的第j道工序，tmakespan为最大流程时间。考虑超低待机的调度方案图2(b)经过平移后如图2(c)所示，待机状态均转化为超低待机状态和停机状态，能耗降低，当然，具体的平移方法在下面详细介绍。

考虑超低待机状态的流水车间的加工能耗pe、待机能耗we和超低待机能耗swe计算公式如公式(1)、(2)和(3)所示。

其中，和分别表示机床m^j的加工功率、待机功率和超低待机功率；tij表示工件n^j第j道工序的加工时间。

考虑超低待机能耗的流水车间能耗调度问题目标函数为机床集m总能耗最小，即mine。

mine＝pe+we+swe(4)

s.t.

ftij-stij＝tij(5)

stij-st(i-1)j≥t(i-1)j(6)

stij-sti(j-1)≥ti(j-1)(7)

其中，ftij表示工件nⁱ第j道工序的完工时间；stij表示工件nⁱ第j道工序的开工时间。公式(5)表示工序开工时间与完工时间的间隔等于工序的加工时间，保证工序加工不会中断；公式(6)表示工序需等到机床前一道工序完成后才能加工，约束机床任意时刻最多加工一个工件；公式(7)表示工序需等到工件前一道工序完成后才能加工，约束工件相邻工序的加工顺序。

本实施例中，将遗传算法与基于工序平移的节能策略混合，形成基于工序平移的混合遗传算法求解考虑超低待机状态的流水车间调度问题，该混合算法具体流程如图3所示。在考虑超低待机状态的流水车间能耗调度问题中，加工间隔能否启用超低待机状态是车间能耗的重要决定因素，但遗传算法生成的可行解中忽略了加工间隔时长对机床启用超低待机状态的影响。本实施例针对求解问题特征设计一种基于工序平移的节能策略，对遗传算法生成的新个体做进一步能耗优化处理，实现待机状态向超低待机状态和停机状态的转化。

基于工序平移的混合遗传算法首先通过编码确定解空间，然后随机产生初始代种群，通过选择、交叉和变异操作产生新的个体，再通过基于工序平移的节能策略对新个体进行局部优化，形成再优化个体，最后对再优化个体进行适应度值的评估，当种群满足终止条件时，输出最优解。

基于工序平移的节能策略以不延长机床现有完工时间为前提，通过平移工序调整工序前后加工间隔时长，将待机状态转化为超低待机状态和停机状态，降低考虑超低待机状态的流水车间调度方案能耗。如图3所示，此算法包括两个步骤：确定工序平移顺序；平移工序。

(1)确定工序平移顺序

图2(b)是问题规模为4×4的考虑超低待机状态的流水车间调度问题经染色体parent2解码后形成的调度方案。从图2(b)中可以看出工序o^ij的平移空间受工件下一道工序o^i(j+1)和机床下一道工序o^(i+1)j的约束。基于此本实施例提出一种缝针式排序法，如图6所示，将工序按照受约束程度由小到大的顺序进行排列，给予各工序最大的平移空间。由于不能延长机床现有完工时间，机床最后一道工序不能移动，即调度方案最后一个工件所有工序都不能移动。确定工序平移顺序具体步骤：首先将调度方案前n-1个工件按照加工顺序由后向前进行排列，然后将工件的所有工序按照由后向前的顺序进行排列，形成工序平移序列。图6所示的调度方案工序平移序列为[o³³；o³²；o³¹；o²³；o²²；o²¹；o¹³；o¹²；o¹¹]。

(2)平移工序

确定调度方案工序平移序列后，依次选取序列中的工序进行平移。为不影响机床现有流程时间，工序o^ij完工时间至多平移至其最晚完工时间lftij，

lftij＝min(st(i+1)j,sti(j+1))(8)

工序平移过程可能出现的情况和具体平移方法图5所示。

情况一：当选定工序o^ij的lftij＝st(i+1)j时，如图6(a)所示，将选定工序平移至st(i+1)j，工序的开工时间和完工时间更新如公式(9)和(10)所示：

ftij＝st(i+1)j(9)

stij＝ftij-tij(10)

平移操作后工序前后的加工间隔合并为如图6(b)所示。当达到时进入超低待机状态(工序属于调度方案第一个工件时，进入停机状态)，进而降低调度方案能耗。

情况二：当选定工序o^ij的lftij<st(i+1)j且时，如图6(c)所示，将选定工序平移至st(i+1)j，工序的开工时间和完工时间更新如公式(11)和(12)所示：

ftij＝sti(j+1)(11)

stij＝ftij-tij(12)

平移操作后与的一部分合并为如图6(d)所示。当达到时进入超低待机状态(工序属于调度方案第一个工件时，进入停机状态)，被合并部分由待机状态转化为超低待机状态或停机状态，调度方案能耗降低。

情况三：当选定工序o^ij的lftij<st(i+1)j且时，如图6(e)和(g)所示，暂时将选定工序平移至sti(j+1)和状态切换时间节点二者较小处，即

stij＝ftij-tij(14)

平移操作后加工间隔和如图6(f)和(h)所示。仍处于超低待机状态不变，若处于超低待机状态或停机状态，则保留平移结果；否则，进入部分会转化为待机状态，调度方案能耗增加，如图6(h)所示，因此取消此平移操作，恢复至原来的状态。

情况一和情况二的平移操作能够增加和转化为超低待机状态或停机状态的可能；情况三的平移操作能够增加转化为超低待机状态或停机状态的可能，此三种平移操作都能为工序o^(i-1)j和o^i(j-1)提供更大的平移空间。图2(b)所示的调度方案经基于工序平移的节能策略优化后如图2(c)所示，与图2(b)调度方案相比优化后调度方案各机床现有完工时间不变，但机床待机状态全部转化为超低待机状态和停机状态，调度方案能耗降低。

相应的，提供一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述过程。

一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述过程。

以某法兰盘加工车间为研究对象，该车间有5种类型法兰盘工件，每个工件需要经过5道工序，各工序加工数据及加工设备的功率状态数据如表3所示。案例选择每种类型法兰盘工件加工2个，共10个工件，每个工件5道工序，以车间能耗最小为目标，形成10×5的流水车间能耗调度问题。

表3流水车间加工参数表(时间/min功率/kw)

针对该案例设计3组仿真实验，分别是：

(1)实验一(ga+2states)：基于遗传算法(ga)求解传统的流水车间能耗调度问题(加工和待机2种设备运行状态)；

(2)实验二(ga+3states)：基于遗传算法(ga)求解考虑超低待机状态的流水车间能耗调度问题(加工、待机和超低待机3种设备运行状态)；

(3)实验三(hybridga+3states)：基于工序平移的混合遗传算法(hybridga)求解考虑超低待机状态的流水车间能耗调度问题(加工、待机和超低待机3种设备运行状态)。

仿真实验遗传算法各项参数选取：(1)种群规模：100个；(2)最大迭代次数：120次；(3)竞赛规模：4个；(4)交叉概率：0.5；(5)变异概率：0.1。仿真实验在matlabr2014a环境下进行，电脑配置如下：16gbram/intel(r)core(tm)i7-7500ucpu@2.70ghz2.90ghz/windows10操作系统。

3组仿真实验的最终优化结果如表4所示：

表43组仿真实验优化结果表(能耗/kw*min时间/min)

对比ga+2states实验和ga+3states实验总能耗e可知，基于传统ga算法，启用超低待机状态能够降低车间约16.43％的能耗。对比ga+3states实验和hybridga+3states实验总能耗e可知，基于工序平移的混合ga算法能够进一步降低能耗7.62％，本实施例提出的基于工序平移的节能策略有效。

由表4可知流水车间的加工能耗恒定不变，加工间隔能耗是影响调度方案总能耗的重要因素。图7(a)-(c)是3组仿真实验最优调度方案甘特图，其中两个工件1的编号为n¹和n⁶、两个工件2的编号为n²和n⁷、两个工件3的编号为n³和n⁸、两个工件4的编号为n⁴和n⁹、两个工件5的编号为n⁵和n¹⁰。图7(b)启用超低待机状态使加工间隔能耗降低；图7(c)加工间隔状态全部进入超低待机状态和停机状态，能耗进一步降低。

图8显示了ga+3states实验和hybridga+3states实验机床各运行状态时长，与传统ga算法求解相比，基于工序平移的混合ga算法使得待机状态时长降低、超低待机状态和停机状态时长增加，本实施例提出的基于工序平移的节能策略实现了待机状态向超低待机状态和停机状态的转化，有效降低了车间运行总能耗。

综上，通过调节数控系统关闭不必要的辅助设备寻找到一种机床超低待机状态，并针对考虑超低待机的流水车间能耗调度问题设计了一种基于工序平移的节能策略。案例分析表明，启用超低待机状态降低流水车间能耗效果明显，且基于工序平移的节能策略，能够实现待机状态向超低待机状态和停机状态的转化，进一步降低流水车间能耗，对工程实际有较强的指导意义。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。