沈陽機床配件本文著重從制造系統的改造方面探討沈陽機床配件如何提高企業的效率和應變能力。
制造系統，尤其是具有相對完整和獨立功能的車間作業系統，傳統的組織結構和控制方式有遞階式和異構式兩種。遞階式結構將控制模塊逐級分層，每層有各自的任務和功能，上下層模塊之間是主- 從關系，采用命令-回答的模式，控制和反饋信息通過相鄰的上下層之間逐層傳遞，優點是降低了控制難度，能掌握系統的全局性能，缺點是不能及時響應和處理干擾。異構式結構是一種高度分布式結構，它把制造系統的各種功能模塊看成是一個個自治的實體，單個實體有很大的自治和決策能力，決策通過實體間相互交流信息、協調意見而達到，優點是有很高的柔性、健壯性和對干擾的良好反應能力，缺點是失去了全局優化特性和對系統性能的預見性。
如何充分利用遞階式和異構式沈陽機床配件控制結構的優點，同時又避免兩者的缺點呢?在探索過程中，我們采用了并行車間作業管理系統模式，通過作業調度和作業控制的并行處理，使車間作業系統具有抗干擾的穩定性、對變化的適應性和柔性、利用資源的高效性和對系統全局性能的預見性。
并行車間作業管理系統整體上采用多層的組織結構形式，沈陽機床配件決策權力在決策層和執行層的適當分配，決策層負責根據歷史信息產生優化的調度方案，執行層在執行調度方案的過程中，有權力根據加工現場的情況適當調整原方案，以達到執行效果的實際更優。下面介紹并行車間管理的體系結構、控制策略和控制算法。
圖1 CSFC體系結構圖
圖2 并行作業調度和作業控制功能模型
1 并行車間作業管理系統的體系結構
并行車間作業管理系統CSFC(Concurrent Shop Floor Control)由資源配置子系統和過程控制子系統組成。資源配置子系統包括生產任務管理單元、資源管沈陽機床配件理單元、調度器、在線控制器、監測器等，它主要負責資源-任務的匹配和系統性能的優化：過程控制子系統包括CAE單元(CAD單元、CAPP單元、CAM單元等)和資源管理中的過程控制部分等，它主要負責產品設計、工藝規劃和過程控制等，將兩個子系統的相關部分適當組合，得出如圖1所示CSFC的體系結構。
CSFC系統的工作流程為:CSFC(生產計劃和工藝管理模塊)從MRPII接收生產任務，從CAX系統獲取零部件設計、工藝和制造信息，(調度器)再根據資源及其配置信息模塊的信息，采用適當的調度算法，生成最優化的作業調度方案，然后通過在線控制器將方案下發到資源模塊(如運輸單元和生產單元)。同時，CAX模塊將相應的 NC程序傳送到DNC管理模塊，由DNC管理模塊依據各項技術資料和在線控制器的指令為沈陽機床配件執行層實施作業方案提供數控程序等。在此過程中，監測器將采集到的現場信息處理后，以恰當的方式傳送到相關的模塊，各模塊再分工對系統的適時狀態和干擾因素作出反應。
2 并行車間作業管理的控制策略
并行車間作業管理中的調度器和在線控制器并行運行，在不同的時間尺度上都對干擾作出響應，生成一前一后的解決方案。
其中，調度器系統性能的全局優化，在較大的時間尺度上調整現有調度方案。它連續地進行優化計算，用靜態調度算法(如遺傳算法、神經網絡等)謀求調度方案的最優化，保證系統的高性能、可預測性，但其掌握的信息過時，且需要大量的計算時間。
在線控制器負責響應干擾，它通過調度執行算法(如PA算法等)對新的最優方案產生之前的一段時間的系統運行進行優化。在線控制器適時監測制造系統狀沈陽機床配件態、控制制造資源，并自主執行調度方案：盡可能遵照調度方案，但必要時打破方案以響應干擾。這樣，就可以根據現有的調度方案和系統實際狀態適時提出適當資源配置方案，而不是讓調度器單獨承擔再調度優化任務，從而大大緩解再調度的時間壓力，縮短了干攏響應時間，也大大增加了調度優化的可用時間。其功能模型如圖2所示。
干擾發生時，在線控制器首先以現存的最優調度方案為基準，根據制造系統當前的狀態，通過一定的算法快速計算出應急作業方案，在新的最優方案計算出來之前保證系統以較高的效率運行：同時，將干擾信息、應急方案反饋給調度器，調度器立即根據最新信息重新進行最優化計算，并將計算結果及時反饋給在線控制器。
由此可見，為解決系統性能優化和系統適時響應干擾的矛盾沈陽機床配件，必須重新配置決策權，必須打破遞階式結構和異構式結構的束縛，在保證調度器的決策權的同時，賦予在線控制器一定的自主決策權。控制器的自主性表現在:在響應干擾過程中，調度器產生的調度計劃是名義計劃 (nominal plan)，只是控制器決策的參考信息之一，其它參考信息還有系統的當前狀態等。控制器的目標是獲取有限時間內能得到的可選方案中的性能最優者。
3 并行車間作業管理的控制算法
圖3 系統運行的調度狀態圖
系統運行過程的再認識
對于一定的任務集，若車間作業系統的能力足夠，作業時間足夠，而且這個條件不被干擾破壞，則任務集總能完成。此時，根據運籌學原理，對于特定沈陽機床配件的全局優化指標，系統在運行期間的任意時刻，理論上都存在一個最優調度方案，而且理想狀態下，系統在干擾侵入的時刻由一種最優調度方案躍遷到另一種最優調度方案。現實系統由于受到調度技術的限制，總有一個延遲，因而也就存在一個過渡狀態。所以，從調度方案的性能角度來考察，現實系統的運行過程由若干最優調度階段、過渡調度階段以及系統的起始點和結束點組成。如圖3所示。
生產任務下達，調度器根據一定的調度指標，經過充分的運算獲得足夠優化的調度方案S1，并下發給在線控制器執行。在t1時刻，系統遭遇干擾，一方面控制系統先在較短時間沈陽機床配件內產生應急方案S2，保證系統在新的優化方案產生前以一定的效率運行，一方面，調度器經過t2～t1時間的最優化運算，得到新方案S3，并下發執行。在t3時刻，由于采取了改善措施(如添加新設備)，系統性能提高，同樣，控制系統也是先在較短時間內產生一個補救方案S4，保證在調度器經過t3～t4時間產生新的最優方案S5之前，系統可以按改進的方案運行。在時刻 t5生產任務完成。
在線控制器處理干擾的方案及算法
按照上一節的理解方式，干擾的響應問題就轉化為如何使過渡過程盡可能短、性能下降盡可能小的問題。在線控制器在最優階段的職責是執行最優調度方案:沈陽機床配件在過渡階段的職責是根據現有方案、現場信息，通過一定的算法迅速獲得使性能指標下降盡量小的過渡調度方案。調度器在過渡階段的職責為根據在線控制器傳遞的現場信息進行再調度。
干擾發生，最優化調度方案從一狀態向另一狀態轉移。在這過渡中，車間作業系統(包括調度器、在線控制器和執行器等)的行為可有多種選擇：
控制器在干擾發生時立即中止系統的運行，并將此時的系統狀態信息反饋給調度器，然后一直等到新的最優化方案產生，才根據新方案重新啟動系統。此方案存在的問題如下：過渡階段系統完全停止運行，造成資源浪費、效率下降，而且使任務的完成嚴重延期。
控制器在干擾發生時，不經優化或根據簡單的規則(例如分派沈陽機床配件規則、優先權規則等)制定控制方案，使系統繼續運行，然后將系統信息反饋給調度器，調度器再進行最優化運算，將結果作為新的調度方案。此方案存在的問題如下：車間作業系統本身具有準混沌特性，過渡過程的惡劣性能極易造成系統整體性能的嚴重下降：并且過渡階段與新的最優階段的銜接困難，新調度方案產生后，又得再次與處在惡劣狀態下的系統運行方案協調，可能會造成系統一直低效運行。
干擾發生后，控制器只負責局部優化沈陽機床配件，制定的執行方案不考慮全局性能指標。現有算法，如仿真算法、基于規則的算法等能快速有效地獲得局部優化方案。此方案存在的問題是：控制器實施的是局部優化，因此無法保證全局性能指標趨于優化。
干擾發生后，控制器負責局部決策，但它考慮全局指標變化的程度，能迅速根據各種信息計算出全局性能下降最小的執行方案。適于此方案的比較好的算法是PA算法。下面就著重介紹PA算法，并簡單證明這種方法向著使系統全局性能優化的確定方向努力。
PA算法
在線控制器如果知道局部決策如何影響全局性能，那么它就可通過局部決策直接表示決策目標，從而根據全局優化來進行局部決策。攝動分析(PA)就是解決這種問題的一項專門沈陽機床配件數學技術。在PA算法中，全局性能指標表示為局部決策參數的函數。首先，計算全局性能指標對局部參數的偏導數，然后利用這些偏導數將全局指標表示為局部參數的線性表達式。這樣，實現了決策目標與局部決策的直接相關。
為減輕在線控制器的負擔，偏導數由調度器離線定義和計算：而在線控制器則根據計算結果和適時的制造信息，迅速作出局部決策。但是，常規的Gantt圖調度方案表示法不能提供計算偏導數的足夠信息，因此通過活動網絡圖來表示調度方案，這樣就可以定義局部決策參沈陽機床配件數ee(如系統中每個操作的最早開始時間)和全局性能函數L(如生產任務的平均延遲時間)，L是ee的函數。然后通過高效的計算方法計算L對ee的偏導數?L/?ee(它表示局部決策參數對系統全局性能的影響程度)和L的變化量?(?L必須實時地計算出來)，?L被表示為?L/?ee的線性表達式。在線調度過程中，以全局的觀點，根據系統的適時信息，確定可選方案，并對每個方案計算偏導數?L/?ee，然后算得全局指標L的變化量為?L。?L最理想的方案即被選為過渡階段的執行方案。
從上面的操作流程可知，PA算法以現存的最優調度方案為基準，將若干全局指標表達為局部參數的方程，通過微分快速計算出與原最優方案偏離最理想的方案，在新的最優方案沈陽機床配件計算出來之前保證系統以較高的效率運行。在線控制器決策的基準不是新的最優方案，因為當時它還不存在。因而在線控制器不以保證系統性能最優為直接目標，而是通過保證系統性能與現存最優方案的偏差最理想來間接保證系統性能在過渡階段的優化。
4 結論
本文分析了并行車間作業管理系統的并行式體系結構，為了解決系統運行過程中遭受干擾時既要快速作出反應，又要保持系統全局性能優化的問題，把決沈陽機床配件策權在調度器和在線控制器之間進行了適當的分配。而通過將系統運行過程劃分為最優調度過程和過渡調度過程，把干擾的響應問題轉化為對過渡過程的處理問題。進一步又介紹了一種高效的、能使系統性能優化的調度執行算法PA算法。
| 
