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智能制造关键使能技术：动态HOLONIC制造系统建模技术、重构方法及优化理论
作者：赵付青 著
出版社：电子工业出版社
出版时间：2017-11-01
ISBN：9787121327858
定价：¥45.00
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内容简介
本书对基于Holonic制造系统的制造单元的重构机制及调度单元典型问题进行了研究；重点实现HMS系统中调度单元与任务的动态调度方法，以及算法求解效率的定量分析；对制造单元中JSP（Job Shop Problem）、FSP（Flow Shop Problem）和混合系统问题进行了深入分析，提出了确定性演化算法求解这类问题的算法框架。
作者简介
赵付青，兰州理工大学，计算机与通信学院，教授，工学博士，博士后。主要研究领域为先进制造系统的基础理论，重点研究方向为敏捷制造系统实现方法及重构技术，计算智能理论及其在先进制造系统中的应用等方面，内容涉及制造系统建模，模型的动力学分析及仿真，模型的优化计算，仿生计算算法及其对Holonic制造模型的优化计算等方面。2014年1月至2015年1月受留学基金委青年骨干教师计划”的资助赴美国佐治亚理工学院制造研究中心访问学习一年。2008年6月至2009年6月受教育部出国留学基金”的资助赴英国Exeter大学制造企业研究中心访问学习一年。主持完成国家自然基金，国家自然基金国际合作项目，中国博士后特别资助，博士后基金一等，省自然基金，硕导基金，财政厅高校业务费，人事厅留学回国基金各1项；完成，参与国家，省部级项目13项；近5年来，发表论文49篇，SCI 16篇，EI 26篇，被引用69次；目前为制造领域国际核心期刊International Journal of Production Research，International Journal of Advanced Manufacturing Technology，International Journal of Computer Integrated Manufacturing的审稿人；获得甘肃省科技进步三等奖，兰州市科技进步二等奖，省科技创新活动，高校科技进步三等奖等共10项，获2013陇原青年人才扶持计划，甘肃省高等学校青年教师成才奖，李政道奖学金”，学校十一.五” 科技先进个人，青年教师讲课竞赛，教学优秀奖等荣誉称号。出版专著1部，主编教材5部（71万字）。
目录
第1 章 绪论 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1
1．1 引言 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1
1．2 HMS 研究现状 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 4
1．3 HMS 调度系统 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 6
1．4 课题研究意义 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 8
1．4．1 问题的提出 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 8
1．4．2 研究内容 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 9
1．4．3 研究意义 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 11
1．5 拟解决的关键科学问题与方法 ???????????????????????????????????????????????????????????? 12
1．5．1 关键科学问题 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 12
1．5．2 研究方案 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 13
1．5．3 可行性分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 17
第2 章 动态Holonic 制造系统建模及重构方法 ?????????????????????????????????????????????? 19
2．1 基于DHMS 参考模型的车间内部工作流程建模技术 ???????????????????????? 19
2．1．1 产品Holon（PH） ???????????????????????????????????????????????????????????????????? 21
2．1．2 任务Holon（TH） ???????????????????????????????????????????????????????????????????? 21
2．1．3 运行Holon（OH） ??????????????????????????????????????????????????????????????????? 22
2．1．4 在线监控Holon（SH） ???????????????????????????????????????????????????????????? 23
2．2 Holon 之间的交互 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 24
2．2．1 企业全局的多Holon 系统交互????????????????????????????????????????????????? 24
2．2．2 成员企业局部的多Holon 系统交互 ????????????????????????????????????????? 25
2．3 Holonic 制造系统参考体系结构研究 ?????????????????????????????????????????????????? 26
2．3．1 Holonic 制造系统的参考体系结构 ??????????????????????????????????????????? 26
2．3．2 Holonic 制造系统的控制策略 ??????????????????????????????????????????????????? 29
2．4 DHVE 参考模型的映射 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????? 33
2．4．1 物理层 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 34
2．4．2 实现层 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 35
2．4．3 应用层 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 37
2．5 基本Holon 的建模 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 38
2．5．1 基本Holon 的结构及工作原理????????????????????????????????????????????????? 39
2．5．2 基于Agent 的基本Holon 模型 ????????????????????????????????????????????????? 40
2．6 DHMS 系统的分布式决策过程及实现研究 ???????????????????????????????????????? 46
2．6．1 DHMS 系统中任务的分布式决策过程 ???????????????????????????????????? 47
2．6．2 订单/任务单元模型 ??????????????????????????????????????????????????????????????????? 47
2．6．3 单元Holon 向DHMS 系统的映射 ??????????????????????????????????????????? 50
2．6．4 Holon/Agent 协调算法 ?????????????????????????????????????????????????????????????? 53
2．6．5 递阶式的投标和重配置 ???????????????????????????????????????????????????????????? 58
2．7 重构选项的识别、模拟及评估 ???????????????????????????????????????????????????????????? 64
2．7．1 通用配置的识别 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????? 64
2．7．2 离散事件的模拟及评估 ???????????????????????????????????????????????????????????? 66
2．7．3 系统层次结构 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 67
2．8 车间调度系统的实现 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 68
2．9 小结 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 72
第3 章 混合流水车间调度模型及其仿真计算方法 ????????????????????????????????????????? 74
3．1 并行机调度模型 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 76
3．1．1 基本定义 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 76
3．1．2 模型描述 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 77
3．1．3 模型假设条件 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 78
3．2 模型稳定性证明 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 78
3．3 带缓冲区的混合流水车间模型及其性能分析 ????????????????????????????????????? 81
3．3．1 带有多个缓冲区的单级并行加工系统 ????????????????????????????????????? 81
3．3．2 带有一个缓冲区的单级并行加工系统 ????????????????????????????????????? 82
3．3．3 数值分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 84
3．3．4 模型性能分析 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 84
3．3．5 仿真实验及结果分析 ???????????????????????????????????????????????????????????????? 88
3．4 可修混合排队调度模型及其性能分析 ???????????????????????????????????????????????? 91
3．4．1 混合排队调度模型 ???????????????????????????????????????????????????????????????????? 91
3．4．2 数值模拟及分析 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????? 96
3．5 小结 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 99
第4 章 典型Job Shop 调度问题求解方法 ???????????????????????????????????????????????????? 100
4．1 Job Shop 调度问题 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 101
4．1．1 问题描述 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 101
4．1．2 Job Shop 调度数学模型 ?????????????????????????????????????????????????????????? 101
4．2 JSP 问题求解算法 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 102
4．2．1 SCE 算法 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 102
4．2．2 改进的SCE 算法 ???????????????????????????????????????????????????????????????????? 105
4．2．3 马尔可夫模型及收敛性分析 ?????????????????????????????????????????????????? 107
4．2．4 实验仿真与结果 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????? 110
4．3 基于改进SCE 算法的Job Shop 调度问题 ???????????????????????????????????????? 113
4．3．1 编码机制 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 113
4．3．2 解码机制 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 114
4．3．3 适应度函数 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 115
4．3．4 SCE 算法参数分析 ?????????????????????????????????????????????????????????????????? 115
4．3．5 基于改进SCE 算法的Job Shop 调度算法 ????????????????????????????? 116
4．4 算法复杂度分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 117
4．5 实验仿真与结果分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 118
4．6 小结 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 121
第5 章 置换Flow Shop 调度算法 ?????????????????????????????????????????????????????????????????? 122
5．1 置换Flow Shop 调度问题 ?????????????????????????????????????????????????????????????????? 122
5．1．1 问题描述 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 122
5．1．2 数学模型 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 123
5．2 基于SCE 算法的置换Flow Shop 调度算法 ?????????????????????????????????????? 123
5．2．1 编码策略 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 123
5．2．2 映射策略 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 124
5．2．3 适应度函数 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 124
5．2．4 算法复杂度分析 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????? 125
5．3 实验仿真与结果 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 125
5．4 小结 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 130
第6 章 动态预测调度模型求解方法 ??????????????????????????????????????????????????????????????? 131
6．1 预测调度模型 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 131
6．2 预测调度方法 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 132
6．3 预测模型和Scatter Search 算法 ????????????????????????????????????????????????????????? 132
6．3．1 预测模型 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 132
6．3．2 Scatter Search 算法 ?????????????????????????????????????????????????????????????????? 133
6．4 实验和仿真 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 138
6．4．1 实验相关参数 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 138
6．4．2 预测结果 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 139
6．5 小结 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 140
第7 章 结论 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 141
7．1 研究总结 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 141
7．2 研究展望 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 143
参考文献 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 144
附录A 发表的学术论文目录 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 152
1．1 引言 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1
1．2 HMS 研究现状 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 4
1．3 HMS 调度系统 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 6
1．4 课题研究意义 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 8
1．4．1 问题的提出 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 8
1．4．2 研究内容 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 9
1．4．3 研究意义 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 11
1．5 拟解决的关键科学问题与方法 ???????????????????????????????????????????????????????????? 12
1．5．1 关键科学问题 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 12
1．5．2 研究方案 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 13
1．5．3 可行性分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 17
第2 章 动态Holonic 制造系统建模及重构方法 ?????????????????????????????????????????????? 19
2．1 基于DHMS 参考模型的车间内部工作流程建模技术 ???????????????????????? 19
2．1．1 产品Holon（PH） ???????????????????????????????????????????????????????????????????? 21
2．1．2 任务Holon（TH） ???????????????????????????????????????????????????????????????????? 21
2．1．3 运行Holon（OH） ??????????????????????????????????????????????????????????????????? 22
2．1．4 在线监控Holon（SH） ???????????????????????????????????????????????????????????? 23
2．2 Holon 之间的交互 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 24
2．2．1 企业全局的多Holon 系统交互????????????????????????????????????????????????? 24
2．2．2 成员企业局部的多Holon 系统交互 ????????????????????????????????????????? 25
2．3 Holonic 制造系统参考体系结构研究 ?????????????????????????????????????????????????? 26
2．3．1 Holonic 制造系统的参考体系结构 ??????????????????????????????????????????? 26
2．3．2 Holonic 制造系统的控制策略 ??????????????????????????????????????????????????? 29
2．4 DHVE 参考模型的映射 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????? 33
2．4．1 物理层 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 34
2．4．2 实现层 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 35
2．4．3 应用层 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 37
2．5 基本Holon 的建模 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 38
2．5．1 基本Holon 的结构及工作原理????????????????????????????????????????????????? 39
2．5．2 基于Agent 的基本Holon 模型 ????????????????????????????????????????????????? 40
2．6 DHMS 系统的分布式决策过程及实现研究 ???????????????????????????????????????? 46
2．6．1 DHMS 系统中任务的分布式决策过程 ???????????????????????????????????? 47
2．6．2 订单/任务单元模型 ??????????????????????????????????????????????????????????????????? 47
2．6．3 单元Holon 向DHMS 系统的映射 ??????????????????????????????????????????? 50
2．6．4 Holon/Agent 协调算法 ?????????????????????????????????????????????????????????????? 53
2．6．5 递阶式的投标和重配置 ???????????????????????????????????????????????????????????? 58
2．7 重构选项的识别、模拟及评估 ???????????????????????????????????????????????????????????? 64
2．7．1 通用配置的识别 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????? 64
2．7．2 离散事件的模拟及评估 ???????????????????????????????????????????????????????????? 66
2．7．3 系统层次结构 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 67
2．8 车间调度系统的实现 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 68
2．9 小结 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 72
第3 章 混合流水车间调度模型及其仿真计算方法 ????????????????????????????????????????? 74
3．1 并行机调度模型 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 76
3．1．1 基本定义 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 76
3．1．2 模型描述 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 77
3．1．3 模型假设条件 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 78
3．2 模型稳定性证明 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 78
3．3 带缓冲区的混合流水车间模型及其性能分析 ????????????????????????????????????? 81
3．3．1 带有多个缓冲区的单级并行加工系统 ????????????????????????????????????? 81
3．3．2 带有一个缓冲区的单级并行加工系统 ????????????????????????????????????? 82
3．3．3 数值分析 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 84
3．3．4 模型性能分析 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 84
3．3．5 仿真实验及结果分析 ???????????????????????????????????????????????????????????????? 88
3．4 可修混合排队调度模型及其性能分析 ???????????????????????????????????????????????? 91
3．4．1 混合排队调度模型 ???????????????????????????????????????????????????????????????????? 91
3．4．2 数值模拟及分析 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????? 96
3．5 小结 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 99
第4 章 典型Job Shop 调度问题求解方法 ???????????????????????????????????????????????????? 100
4．1 Job Shop 调度问题 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 101
4．1．1 问题描述 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 101
4．1．2 Job Shop 调度数学模型 ?????????????????????????????????????????????????????????? 101
4．2 JSP 问题求解算法 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 102
4．2．1 SCE 算法 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 102
4．2．2 改进的SCE 算法 ???????????????????????????????????????????????????????????????????? 105
4．2．3 马尔可夫模型及收敛性分析 ?????????????????????????????????????????????????? 107
4．2．4 实验仿真与结果 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????? 110
4．3 基于改进SCE 算法的Job Shop 调度问题 ???????????????????????????????????????? 113
4．3．1 编码机制 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 113
4．3．2 解码机制 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 114
4．3．3 适应度函数 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 115
4．3．4 SCE 算法参数分析 ?????????????????????????????????????????????????????????????????? 115
4．3．5 基于改进SCE 算法的Job Shop 调度算法 ????????????????????????????? 116
4．4 算法复杂度分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 117
4．5 实验仿真与结果分析 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 118
4．6 小结 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 121
第5 章 置换Flow Shop 调度算法 ?????????????????????????????????????????????????????????????????? 122
5．1 置换Flow Shop 调度问题 ?????????????????????????????????????????????????????????????????? 122
5．1．1 问题描述 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 122
5．1．2 数学模型 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 123
5．2 基于SCE 算法的置换Flow Shop 调度算法 ?????????????????????????????????????? 123
5．2．1 编码策略 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 123
5．2．2 映射策略 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 124
5．2．3 适应度函数 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 124
5．2．4 算法复杂度分析 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????? 125
5．3 实验仿真与结果 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 125
5．4 小结 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 130
第6 章 动态预测调度模型求解方法 ??????????????????????????????????????????????????????????????? 131
6．1 预测调度模型 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 131
6．2 预测调度方法 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 132
6．3 预测模型和Scatter Search 算法 ????????????????????????????????????????????????????????? 132
6．3．1 预测模型 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 132
6．3．2 Scatter Search 算法 ?????????????????????????????????????????????????????????????????? 133
6．4 实验和仿真 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 138
6．4．1 实验相关参数 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 138
6．4．2 预测结果 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 139
6．5 小结 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 140
第7 章 结论 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 141
7．1 研究总结 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 141
7．2 研究展望 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 143
参考文献 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 144
附录A 发表的学术论文目录 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 152
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