工业4.0环境下的智慧精益引擎：模型与方法研究

The evolution process from lean production supported industry 3.0 to industry 4.0 is a kind of sublation and integration. Based on the core characteristics of industry 4.0: interconnection, decentralization and individualization, this research proposes a production mode that integrates lean continuous improvement method and decentralized enhanced control mechanism. Focusing on the optimization control issues of this production mode, some intensive studies will be conducted in this research on the production mode and the fusion mechanism, the knowledge expression and modeling methods, the intensive decentralized control strategies, the system performance evaluation and continuous improvement methods, and the use case analysis, and based on this, a set of system operation mechanism, model and method will be formed based on intelligent lean engine. This research is to explore the integration mode between lean production and new information technologies. It is hoped to provide a new research idea and reference for the promotion and application of industry 4.0.

以精益生产为核心的工业3.0向工业4.0演变的过程，是一种扬弃和融合，基于这样一个理念，本研究从工业4.0的核心特征：互联化、分散化与个性化的趋势出发，提出一种融合精益持续改善方法与分散化增强型控制机制的生产模式，并以其运行优化控制为研究对象，拟从生产模式与融合机理、知识表达及模型化、分散化增强型控制、系统性能评估及持续改进优化、工程案例分析与验证等方面进行研究，在此基础上，形成一套以智慧精益引擎为载体的系统运行机制、模型和方法，尝试探索工业4.0环境下精益生产与新兴信息技术的融合模式，为工业4.0的推广和应用提供一种新的研究思路和参考依据。

随着以智能制造为主导的第四次工业革命的提出，工厂的生产结构已从单工厂生产转移到多工厂的网络生产。面对当今快速变化的市场需求，工厂的生产模式开始从集中式向分散化、互联化和个性化的方向转变。伴随而来的是新兴技术在制造业的应用与融合，如何有效低风险地实施新技术驱动下的智能制造模式成为工业4.0推广与应用的核心问题。因此，本项目提出一种基于精益理念的赛博物理生产系统（Lean Philosophy-Based Cyber-Physical Production System, LP-CPPS）及其构架，通过研究LP-CPPS混合建模方法和实时工况驱动的分布式动态资源调度方法，实现分布式车间资源的协同管控与优化运行，并通过构建生产系统绩效评价体系，实现生产系统的持续改进优化，为工业4.0的推广和应用提供一种新的研究思路和参考依据。.1）针对LP-CPPS的建模问题，本项目提出了一个基于着色petri网的的建模框架，研究了CPPS-网关，CPPS-模型库和CPPS-语义处理器三种核心组件的建模机制。并设计了用于支持CPPS建模的原型系统，从而简化CPPS的设计、建模与分析过程。.2）针对分布式车间资源的协同管控问题，本项目首先建立了一个混合整数规划模型，并设计了一个拉格朗日松弛分解算法进行求解。为了提高算法的求解效率，本项目还设计了一些增强技术，包括初始解、近似求解和并行计算。最后，通过设计数值实验，对算法性能和增强技术性能进行了验证，同时，分析信息资源共享对整体调度系统的影响。.3）针对生产系统性能评估与优化问题，本项目利用马尔可夫链方法建立了理论分析模型，对系统性能建立起解析表达式，并结合实际应用提出高精确度的简化近似解法。此外，本项目构建了生产系统绩效评价体系，从 KPI 的定义出发，寻找其内在联系。实际案例应用表明，该研究中提出的系统绩效评价体系框架可以有效指导企业进行持续改善。.4）研究并开发了一套LP-CPPS生产管控系统，构建了一种精益化、服务化、可配置、可拓展和集成化的支持车间制造系统协同运作及支持底层制造资源透明使用，支持信息实时双向互通与共享的生产协同管控系统，支持多车间协同运作，提升了企业车间制造资源的利用率和企业间协同运作水平。