面向能耗的多工艺路线柔性作业车间分批优化调度模型丨i推荐

发表于讨论求助 2023-05-10 14:56:27

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在全球碳排放量激增、全球气候加速变暖的背景下，发展“绿色经济”已成为全球热点。我国也明确将发展绿色低碳经济列为国家战略。在这样的大背景下，通过技术创新、制度创新促使经济结构调整，从而减少高碳能源消耗，尽快实现环境保护和经济发展并进的目标已经成为国家共识。制造业是国民经济的支柱产业，它的发展直接关系到国家命脉，制造业是否具有“绿色基因”对整个国民经济的持续健康发展意义重大。“十三五”规划纲要将“绿色”作为必须贯彻落实的五大发展理念之一，并明确提出：实现绿色发展，需要推进传统制造业绿色改造，推动建立绿色低碳循环发展产业体系。

机械加工车间能量消耗大，车间能耗优化调度作为一种降低车间总能耗的有效手段受到广泛关注。在生产调度过程中，调度方案的合理选择对车间总能耗产生显著影响，综合考虑车间总能耗与传统目标(完工时间、延期交货成本)的调度问题较为复杂，是一个亟需深入研究的问题。

目前，针对调度过程中的车间能耗问题国内外已有众多学者对其进行了深入研究，并取得了一系列成果。而具有多工艺路线工件的各子批量的批量大小、选择的工艺路线、工序加工机床以及各子批量在机床上的加工顺序对柔性作业车间调度总能耗的影响还未见报道，亟需深入研究。

为此，小编在这里为大家推荐一篇好文，该文刊登于《机械工程学报》2017年第5期出版的“绿色制造技术专栏”，来自重庆大学机械传动国家重点实验室的李聪波教授团队提出了一种以具有多工艺路线的待加工工件为对象，以车间总能耗和完工时间最小为优化目标的柔性作业车间分批优化调度模型。他们在该文中首先分析了柔性作业车间中工件加工过程能耗特性，然后以车间总能耗和完工时间最小为优化目标建立了多工艺路线柔性作业车间分批优化调度模型，并采用多目标模拟退火算法对模型进行优化求解。

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‍主创作者简介‍‍

李聪波，重庆大学机械工程学院博士、教授、博士研究生导师，主要研究方向为绿色制造与再制造等。2004年以来一直从事绿色制造与再制造相关的研究工作，承担了国家自然科学基金、国家863计划课题、国家科技支撑计划课题、高等学校博士学科点专项科研基金、重庆市自然科学基金等国家和省部级项目，研究成果获得2009年度重庆市科技进步一等奖；在Journal of Cleaner Production、International Journal ofProduction Research、机械工程学报等国内外知名期刊上发表学术论文50余篇，获2011年度中国机械工程学会优秀论文奖；学术专著《绿色制造运行模式及其实施方法》（科学出版社，2011.4）获得国家科学技术学术著作出版基金资助。同时担任SCI源期刊International Journal ofProduction Research、IEEE Transactions onAutomation Science and Engineering、Journalof Cleaner Production同行审稿专家、IEEE机器人与自动化学会年会CASE2012分会主席等学术职务。

沈欢，2014年获武汉科技大学学士学位，现于重庆大学机械工程学院攻读硕士学位，主要研究方向为绿色制造。

李玲玲，2014年获重庆大学硕士学位，现于重庆大学机械工程学院攻读博士学位，主要研究方向为绿色制造。

易茜，2015年获重庆大学博士学位，现就职于重庆大学机械工程学院，主要研究方向为绿色制造。

课题组在研项目和所获研究成果
1、在研项目
（1）国家高技术研究发展计划（863计划）课题“机床产品机械加工制造系统能效优化提升技术及应用”（2014AA041506），起止年限：2014.1.1-2016.12.31。

（2）国家自然科学基金项目 “面向广义能量效率的数控加工工艺规划理论与方法研究”（51475059），起止年限：2015.1.1-2018.12.31。

图1国家863计划课题

图2 国家自然科学基金项目

2、研究成果
围绕国家863计划课题和国家自然科学基金项目相关研究内容，开展了机械加工制造系统的能效监控和优化提升技术研究，具体研究成果如下：

（1）开发了机床能效监控系统
通过分析机床服役过程能耗特性以及建立机械加工过程能耗模型，开发了机床能效监控系统。该系统突破了基于实时获取的机床主传动系统功率和机床总功率信号辨识和分离技术，准确地获取了机床输入能量、有效加工能量、瞬态能量效率、能量利用率和比能效率等能效指标；并根据机床实时功率和能耗信息判断机床运行状态（停机、待机、空转、加工），实现机床节能管控。

机床能效监控系统采用软硬件一体化结构，能量传感器获取机床实时总功率和主轴功率，软件系统对采集的信息进行运算处理，智能终端显示机床实时功率、能量效率及运行状态等信息。
图3 机床能效监控系统硬件组成

图4机床能效监控系统软件界面

（2）开发了机械加工车间能效监控管理与提升系统
通过研究机械加工制造系统能量效率动态获取技术、能量效率深度评价技术、能耗与能效预测技术、能耗定额科学制定技术、工艺参数节能优化技术、工艺路线节能优化调度技术等核心技术，形成了一套机械加工制造系统能效监控及优化提升关键共性技术。

基于以上关键技术，开发了软硬件一体化的机械加工车间能效监控管理与提升系统，实现了机床层、工件层和车间系统层能效监控及优化提升。

该系统硬件结构采用“加工设备网卡—工业级路由器(无线、有线)—服务器”架构，具体如图5所示；软件功能结构采用“Client-Server-Browser”架构，具体如图6所示。

图5机械加工车间能效监控管理与提升系统硬件结构

图6机械加工车间能效监控管理与提升系统软件结构

其中，机械加工车间能量效率动态获取子系统界面如图7所示。该子系统可实现车间设备能效信息和运行状态信息实时监测，能效信息包括车间实时总功率、输入总能量、有效加工能量、能量利用率等；运行状态信息包括车间机床开启数量、机床开机时间、加工时间、实时运行状态（停机、待机、空载、加工）等。

图7机械加工车间能量效率动态获取子系统

（3）发表论文
[1]     CongboLi,LinglingLi·Ying Tang, et al. A comprehensive approach to parameters optimization ofenergy-aware CNC milling [J]. Journal of Intelligent Manufacturing, 2016:1-16.

[2]     CongboLi, Qinge Xiao, Ying Tang, et al. A method integrating Taguchi, RSM and MOPSOto CNC machining parameters optimization for energy saving [J]. Journal ofCleaner Production, 2016, 135:263-275.

[3]     CongboLi, Xingzheng Chen, Ying Tang, Li Li. Selection of optimum parameters inmulti-pass face milling for maximum energy efficiency and minimum productioncost. Journal of Cleaner Production. DOI: 10.1016/j.jclepro.2016.07.086(Online

[4]     CongboLi, Ying Tang, Longguo Cui, Pengyu Li. A Quantitative Approach to AnalyzeCarbon Emissions of CNC-based Machining Systems [J]. Journal of IntelligentManufacturing, 2015, 26(5):911-922.

[5]     QianYi, Congbo Li, Ying Tang, Xingzheng Chen. Multi-objective Parameter Optimizationof CNC Machining for Low Carbon Manufacturing. Journal of Cleaner Production,2015, 95: 256-264

[6]     QianYi, Congbo Li, Xiaolong Zhang, Fei Liu, Ying Tang. An optimization model ofmachining process route for low carbon manufacturing [J]. International Journalof Advanced Manufacturing Technology, 2015:1-16.

[7]     李聪波,,刘飞,崔龙国,税虹.面向高效低碳的机械加工工艺路线多目标优化模型.机械工程学报,2014, 50(17): 133-141