离散制造业涉及航空航天、汽车、电子器件、装备制造等行业,数量巨大,其总体能耗及排放不容忽视.离散制造系统能耗与设备运行状态及其传动结构、工艺参数、工艺特征排序、产品结构、生产调度和启停控制等因素具有密切关联性.特别是柔性制造和混流制造等复杂离散制造过程受加工任务多变、设备状态和工艺动态多变等工艺过程特征的影响,能耗机理复杂.加工参数/热力学能耗模型中大量参数的事先未知性、设备能耗过程的高度非线性特点,以及复杂工作流中不可避免存在的随机性、动态性,对系统能耗过程的建模、分析和优化提出了挑战.现有的研究成果聚焦在基于静态机理模型的能效指标优化运行上.在系统建模和优化时,未充分考虑生产运行过程中动态不确定因素的影响,对于离散制造环境所提供的海量信息利用也不充分.本文从知识自动化的角度出发,提出了面向离散制造系统的能耗知识表示与更新方法,并在能量流分析的基础上基于能耗层次性和关联因素分析分别提出工艺参数节能优化方法、工艺路线节能优化方法和动态柔性调度节能优化方法,以实际车间为例开发了离散制造系统能效优化软件平台.本文的主要研究内容如下:(1)基于离散制造系统能量流分析,提出了基于本体的能耗知识表示与更新方法.能流分析表明,离散制造系统能耗由工步层、工序层、零件层和产品层四个层次构成,且与设备状态、工艺路线、计划排产等生产要素动态关联,难以用数学模型进行统一描述.针对此多源多层次动态系统建模问题,本文采用自顶向下的方法搭建了基于本体的能耗知识模块化多粒度层次表示模型.该模型通过本体对各类知识进行语义标注,并根据能耗层次性和异构耗能要素分析将本体和知识互相关联,最终形成反映能耗流动和耗能要素相互影响的能耗知识网络.此外,针对现有知识更新方法难以保证知识时效性的问题,提出了基于记忆与遗忘机制的知识更新机制,通过强调能耗知识的使用频率来保证知识的有效性.(2)基于能耗数据和知识,提出了融合实例推理与多目标竞争粒子群算法的工艺参数节能优化方法.考虑到工步能耗受设备类型、加工参数等多种异构要素影响,传统静态机理建模方法技术要求高且难以描述设备老化导致的工步能耗特性动态变化.本文依据上述知识建模方法搭建了能耗知识实例库,基于输入功率波动程度量化异构耗能要素的重要性,并通过层次检索技术和实例推理技术来检索相似工步以预测能耗.在该预测模型的基础上,采用多目标竞争粒子群算法以工步能效和加工时间为目标对工艺参数进行优化求解.实验结果表明,所提预测方法相比已有方法具有更高的预测精度,且工艺参数优化可以提高有效能耗,降低空载能耗,从而提高工步的能效.(3)考虑工艺路线与零件能效的相关性,提出了面向能效的典型工艺路线知识自动发现与推送方法.针对已有工艺路线相似度指标工艺信息考虑不全面的问题,提出了一种新的基于改进伪最长公共子序列和Jaccard相似度的工艺相似度指标.此外,通过熵权法将能耗信息与工艺相似度信息融合,提出了综合相似度指标.为保证聚类有效性,本文在聚类部分引入了数量软约束和半径软约束.考虑聚类个数可知和不可知两种情况,对K中心点算法、近邻传播算法以及混合算法进行改进,以产生符合软约束要求的有效聚类结果,并进一步提出了基于综合相似度的典型工艺路线知识自动推送方法.实验表明所提算法可以发现更加合理的典型工艺路线,避免生产瓶颈,从而降低待机能耗,提高零件生产能效.(4)考虑生产调度对离散制造系统能效的影响,提出了一种基于GPHH的节能调度规则自动发现方法.GPHH中传统的元算法以一种非延迟的方式来处理路径决策和排序决策,难以保证调度决策的时效性.本文提出一种基于路径决策延迟策略的元算法,将路径决策推迟至排序决策之前,以保证所有的调度决策都考虑到最新的系统信息,从而做出最为合理的决策.基于该思想,设计三种队列选择策略,并运用GPHH来自动产生元算法中运用到的调度规则.基于所提算法,以系统能效和平均延迟时间为优化目标,对动态柔性离散制造系统调度问题进行求解,结果表明所提算法相较于已有算法可以得到更高的生产能效.(5)以无锡某机床制造企业大件车间为示范车间,将本文所提能效优化方法应用到机床大件零部件的生产过程中.在Windows系统下,设计开发了离散制造系统能效优化软件平台.该平台搭建了制造过程监管模块、工艺参数优化模块、典型工艺路线查询模块和调度规则模型,实现了示范车间制造过程能耗监控与能效优化.从工序、设备、零件、产品四个层面分析了本文所提优化方法的有效性,结果表明所建软件平台能有效提升离散制造车间的能效.