制造系统维修优化和生产调度的联合优化

论文总字数：30824字

摘 要

关键词：维修策略；生产调度；联合优化；MATLAB

Joint Optimization of Maintenance and Scheduling

for a Production System

02011316 Zhan Zhuofan

Supervised by Zhou Yifan

Abstract: In this thesis, MATLAB is used to investigate the joint optimization of maintenance and scheduling for a production system. To study the maintenance of a multi-component production system with several intermediate buffers and the production scheduling of multiple products, this thesis focuses on the modeling and simulation of the system by means of MATLAB. Meanwhile, a joint optimization method of maintenance and scheduling is proposed in order to maximize the production revenue. The result shows that when given the parameters of the system, there are a set of optimal threshold values, which makes system’s revenue to the maximun, of preventive maintenance for components. Meanwhile, there also are a set of strategies of scheduling for components accordingly when different strategies are adopted.

Key words: maintenance strategy; production scheduling; joint optimization; MATLAB

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅰ

目录 Ⅱ

1、绪论 1

1.1 背景及意义 1

1.2 维修与调度优化的研究现状 2

1.3 维修与调度优化的常用方法 4

1.3.1 维修决策优化方法 4

1.3.2 调度优化方法 4

1.4 本文的主要研究内容 5

1.5 论文组织结构 5

2、设备系统介绍及条件假定 6

2.1 系统模型 6

2.2 问题描述 6

2.3 条件假定 7

3、维修与调度优化方法 8

3.1 维修优化方法论证 8

3.2 调度优化方法论证 8

3.3 维修与调度联合优化 10

4、优化程序的实现 11

4.1 MATLAB软件介绍 11

4.2 关键程序流程图 12

4.2.1 生成泊松分布的产品数量 12

4.2.2 确定两设备的维修策略 13

4.2.3 生成缓冲库存下一单位时间状态 14

4.2.4 生成设备下一单位时间状态 15

5、数值模拟实验 18

5.1 优化过程模拟 18

5.1.1 参数输入 18

5.1.2 优化模拟 19

5.2 敏感性分析 20

5.2.1 维修成本 20

5.2.2 缓冲库存成本 20

5.2.3 运行成本 21

6、结论 22

致谢 23

参考文献（References） 24

附录：计算收益MATLAB程序 25

制造系统维修优化和生产调度的联合优化

1. 绪论

1.1 背景及意义

一直以来，由于生产设备的复杂性和设备停机的成本，以及尽可能节约生产时间，生产调度和维修优化问题越来越受到学术界研究人员的重视。

生产调度和维修优化是制造系统中需要解决的两个重要问题。维修性作为设备的一个重要的特性，保障了生产设备的可靠性。如今在生产活动中，系统生产线趋向于集成化，生产也趋向于快节奏，这样就要求生产设备必须具有更高的可靠性和维护性。随着系统功能和结构的复杂化，为了满足设备高可用度和低全生命周期成本的要求，一味地提高部件固有可靠性和被动的故障处理显然是不够的。因此，为了减少故障发生率、降低设备维护成本，应该有计划地进行设备维护，在故障发生之前就根据系统状态采取相应的措施，而非简单的实施应急故障处理。近年来人们将制造技术与当代信息技术、自动化技术、现代管理技术及系统工程方法相互融合,提出了柔性制造系统、计算机集成制造系统、敏捷制造系统、精良生产系统、虚拟制造系统、企业资源规划、仿生制造系统等许多先进制造模式，尽管这些先进制造模式的原理和实现技术存在很大差异，然而它们都是通过合理配置和优化内外资源、缩短制造周期、降低生产成本来解决企业普遍面临着的许多共性问题^[1]。

有很多不同的维修优化方法。一般来说，维修是根据车间技术人员依靠经验在纠正的基础上对设备维修进行周期性的安排。设备操作系统或备用安全系统的检测部分可以对系统状态进行监控，在完成对状态数据的分析后，经过优化就可以得到一种最佳的状态维修策略，这种视情维修策略可以在系统状态被观察的基础上进行动态的系统维修。这种方法的优点在于只有在需要时（即系统状态达到某个门限值时）才进行预防性的系统维修，因此在节约资源的同时也可以大大提高系统的可用性。这种视情维修方法在诸如核电站、近海设施和航天组件等工作在极端条件下的系统中展现出巨大的潜力，因为在这些极端条件下，它们的完整性和功能都不同程度地遭到很大的破坏，从而使它们的系统劣化过程更为明显，同时由于安全的考虑它们的各设备状态都必须受到持续的监控。

在研究的初级阶段，确定所要研究的有效的状态维修策略的问题有两个方面。第一方面，必须建立一个适当的能够描述系统劣化以及相应受监控的变量变化过程的预测性模型。另一方面，在针对系统生产收益和成本的优化行为的同时，必须要能够对不同的维修策略进行评估，并得出一个或一组最优的维修策略，而且可以对策略进行必要的敏感性分析。维修建模与优化技术的几个方面如图1.1所示。

随着科学技术的发展，生产规模越来越大，复杂性越来越高，市场竞争也越来越激烈，因此对企业的管理和对生产的监控都提出了更高的要求。近几十年来，各类生产过程都已经发生了显著的变化，其主要特征是生产规模的大型化和生产过程的连续化。在激烈的市场竞争中，为了保证生产的高效稳定运行，以获得最大的经济效益，原来简单的、局部的、常规的控制和仅凭经验的管理已经不能满足现代生产的要求了，企业管理者和控制工程师们面临的问题是：如何根据市场上原料供应和产品需求的变化进行经营决策和组织生产，这就涉及到生产调度的问题^[1]。

图1.1 维修建模及优化技术的几个方面^[2]

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