[发明专利]一种基于数字孪生的车间调度方法

说明书

本发明公开了一种基于数字孪生的车间调度方法，该方法包括数字孪生模型构建步骤、基于数字孪生模型的设备可用性预测步骤、调度方案生成步骤、以及基于数字孪生模型的调度方案评估步骤四个步骤。本发明将数字孪生这一新兴技术引入到传统的车间调度问题中，利用数字孪生提供的多维虚拟模型与仿真数据增强调度过程中的设备可用性预测与调度方案评估。一方面，能够准确预测设备可用性，从而使生成的调度方案与设备实际状态相匹配；另一方面，能够在调度方案执行前对其进行多维度评估，保证调度方案的性能指标(工件拖期、设备利用率、设备能耗)满足预定义的要求。

技术领域

本发明属于计算机集成制造技术领域，具体涉及一种基于数字孪生的车间调度方法。

背景技术

调度是车间日常面临的生产优化问题，它将一批工件分配给有限个设备加工，每个工件有特定的加工工艺，通过安排工件在每台设备上的加工顺序，优化某些指标，如加工时间、设备能耗、设备利用率等。然而在实际生产过程中，各种动态扰动因素会对调度过程产生巨大干扰，甚至导致原有调度方案无法正常执行。其中，由设备磨损、疲劳、破损等引起的设备不可用是主要扰动之一。当前，随着物联网技术的发展，越来越多的车间数据(如设备运行状态数据、环境数据、工件参数)能够被获取，并用于预测设备可用性。然而，这些数据仍不够全面。这是因为它们主要由传感器测量得到，对于难以直接测量的数据缺乏考虑。而数字孪生技术能够在考虑传感器测量数据的同时，基于数字孪生模型仿真得到大量难以直接测量的数据，并通过融合这两种数据提升预测模型的准确性。同时，基于数字孪生的多维模型能够对设备的尺寸形状、物理参数(如温度分布、应力分布、变形)、能耗行为、规则约束等多维属性进行描述，从而在实际执行前，对调度方案的性能指标(如设备利用率、能耗、工件拖期)进行全面评估，使其满足预定义的要求。

因此，本发明提出一种基于数字孪生的车间调度方法，该方法包括数字孪生模型构建、基于数字孪生模型的设备可用性预测、调度方案生成、以及基于数字孪生模型的调度方案评估4个步骤。该方法能够实现对设备可用性的准确预测与调度方案的多维度评估，从而使生成的调度方案与设备实际状态相匹配，并能够提升调度方案的性能指标。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：提供一种基于数字孪生的车间调度方法，一方面能够准确预测设备的可用性，从而使生成的调度方案与设备实际状态相匹配；另一方面，基于多维仿真对调度方案进行评估，保证方案的性能指标(如工件拖期、设备利用率、设备能耗)满足预定义的要求。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：一种基于数字孪生的车间调度方法，包括以下步骤(假设调度涉及n个设备，m个工件)：

步骤(1)：调度涉及n个设备，m个工件，构建设备i的多维数字孪生模型，1≤i≤n；首先，采用CAD工具建立设备i的三维实体模型；然后，使用有限元分析工具对设备i关键零部件的物理参数进行计算模拟，包括温度分布、应力分布、零部件变形；接着，考虑设备工作、空闲及待机三种类型能耗，建立设备的能耗行为模型；最后，设定设备i的利用率U_i最低值为U，能耗E_i最大值为E，加工工件j(1≤j≤m)拖期的最大值为D，将其作为设备运行规则约束设备加工工件的过程；