航空优良制造中心提前/拖期调度算法研究与应用

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航空发动机被誉为工业之花,是现代工业皇冠上最璀璨的明珠,已成为一个国家科技水平和综合国力的重要标志。然而,航空发动机仍是制约我国航空工业跨越发展的软肋,其研制除材料和工艺两大瓶颈外,还存在生产制造过程管控不力的突出问题。近年来,随着型号研制和批产任务的剧增,航空发动机制造企业的产能矛盾日益突出,一种新型的航空零部件生产车间组织管理模式——优良制造中心(Center of Excellence, COE)应运而生。作为一个相对独立、运行高效的生产责任主体,航空COE对零部件交付节点、内部精细化运作和低成本运营提出了更高要求。论文聚焦航空COE的核心问题——计划调度展开系统深入的研究,以期为航空COE的精细化过程管控提供理论支撑与实践指导。论文主要研究内容及成果如下:(1)组合件E/T调度。针对组合件提前/拖期(Earliness/Tardiness, E/T)的计划调度优化问题,以订单的E/T总惩罚成本最小为目标函数,建立了包含BOM结构、零件加工次序、机器能力约束等的APS混合整数规划模型;采用基于0-1规划的组合件拆分方法,解决了BOM中父子项零件的快速识别和判定问题;设计了基于遗传算法的组合件E/T调度算法,仿真算例验证了模型和算法的合理性和有效性。(2)零件E/T调度。针对传统E/T调度忽视零件最晚可接受时间(deadline)问题,建立了带有零件deadline约束的优良制造中心E/T/D调度模型;采用拖期优先的调度策略,将这类调度问题分解为拖期子问题、修复子问题和提前子问题,降低了问题求解难度;在染色体解码过程中分别采用主动解码、染色体修复和逆向重调度三种方法,实现了在满足零件deadline约束条件下尽可能降低E/T总惩罚成本的目的;以调度问题规模、交货期松弛度和deadline松弛度三个可调节参数为主,设计了180组仿真实验,实验结果表明改进型遗传算法(EGA)在解决调度问题规模、寻优能力、调度结果的均衡性等方面具有较好的优势。(3)工序E/T调度。针对航空发动机部分关键零件加工工序多、加工周期长、工序中转环节多等现状,建立了工序级E/T调度模型;提出了一种禁忌搜索/数学规划(TS/MP)混合调度算法,在TS的迭代过程中,通过在Swap和Insertion两类邻域结构内进行搜索获得较优的机器加工序列,从而松弛了工序级E/T调度模型中最难满足的机器析取约束;针对既定的机器加工序列,采用MP方法完成工序开工时间、机器空闲时间等的精确计算;72组调度问题的benchmark算例测试表明,TS/MP混合算法在工序级E/T调度解的优化性能方面具有较好的优势。(4)以某航空发动机制造企业的机匣优良制造中心为例,基于自主研制的COE管控平台—Workshop Manager,将本文提出的调度算法应用于WorkshopManager的调度实践中,验证了本文所提方法的有效性。
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