离散车间制造系统高效低碳运行优化理论与关键技术

现代制造业面临全球市场竞争和资源环境压力，对提高制造效率和降低能耗提出迫切需求。本项目围绕离散车间制造系统高效低碳运行优化的基础理论和关键技术开展研究。拟基于适应性、多维度、多层次建立车间制造系统高效低碳体系结构；在基于适应度地形的调度新型混合算法，及动态不确定环境下车间制造系统运行鲁棒性和可适应性进行研究，提高系统运行效率；建立车间制造系统多层次、分布式碳排放模型及其能流模型，揭示能流状态的过程特性，建立能流评估指标体系，研究工艺路线和工艺参数能效提升优化技术；揭示效率和能耗的关联关系和作用规律，建立车间制造系统高效低碳运行优化模型，提出离散车间制造系统高效低碳运行综合优化新理论与新技术；开发基于预测/监控/仿真/管理与控制一体化的车间制造系统高效低碳运行优化软硬件平台。本项目研究成果将丰富和发展制造系统高效低碳运行的基础理论和技术，对于提升我国制造企业竞争和可持续发展能力具有重要意义。

本项目首先深入系统地研究调度问题领域知识，根据问题本质特征，结合群体智能算法和局部搜索各自优势，设计适应问题本质的混合算法，使集中搜索和分散搜索之间达到更合理的平衡，较好解决了调度计算规模大、解空间复杂的难题；提出智能调度算法与多层次建模多尺度仿真相结合的方法，建立了基于智能调度算法的生产运作仿真优化和运行控制系统；基于周期与事件驱动的再调度策略，研究在不同的再调度周期下，先后到达工件进行调度得到的最后的完工时间、总拖期、总效率和总稳定性之间的差异，得出了不同再调度周期对各个性能指标的影响，以指导生产实践。然后，建立了车间制造系统能量效率体系和碳排放量化方法，以及一种基于时段能量模型的机床机电主传动系统服役过程能量效率模型，提出了一种具有应用前景的机械加工过程能量效率在线获取方法，揭示了机械制造系统能效评价的四个特性，建立了面向机械制造系统能效评价特性的能效评估指标体系；提出了数控加工的高效低碳切削参数优化方法，考虑加工过程中的实际约束条件，建立了以最小加工时间和最低碳排放为优化目标的多目标优化模型，并采智能优化法对优化模型进行优化求解，进而揭示了工艺参数与碳排放的关联规律。随后，建立了考虑加工工艺、切削参数的调度模型，设计了流水车间最小生产效率、能量消耗和峰值载荷的调度算法；并将能耗评价指标引入柔性作业车间动态调度问题，建立了综合考虑能耗、效率与调度稳定性的多目标模型，设计了多目标智能优化求解方法，并进行实例验证与分析。最后，研发了基于车间设备能耗知识库和数据库的车间制造系统能效监测和优化支持系统，该系统为车间设备机械加工过程能量消耗与能量效率的状态分析、管理、控制和节能优化提供了一种支持工具。本项目研究成果对提升我国制造企业竞争和可持续发展能力具有重要意义。