生產(chǎn)系統(tǒng)在現(xiàn)代制造業(yè)中占有重要的地位。在“中國制造2025”的部署下,制造業(yè)的生產(chǎn)方式和產(chǎn)業(yè)形態(tài)均發(fā)生了轉(zhuǎn)變。為了估計和保持其在行業(yè)內(nèi)的競爭力,企業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)性能設(shè)計和控制方式變得越來越靈活,且需要較全面的系統(tǒng)性能評價指標(biāo),以對自身生產(chǎn)系統(tǒng)的系統(tǒng)性能和響應(yīng)市場需求的能力做出科學(xué)的分析和合理的評價。實際中的生產(chǎn)系統(tǒng)存在有限緩存和工件的到達、生產(chǎn)準(zhǔn)備時間、設(shè)備的可靠性、不同生產(chǎn)階段機器的服務(wù)速率等諸多隨機特性,從而增加了性能分析和控制的復(fù)雜性。而現(xiàn)有研究對很多特點和需求條件下的系統(tǒng)性能還沒有深入研究,且性能指標(biāo)的求解相對比較單一。因此,本文從具有隨機特性的生產(chǎn)系統(tǒng)的性能分析和優(yōu)化控制出發(fā),對系統(tǒng)性能建立理論分析模型,多方面的拓展系統(tǒng)性能指標(biāo)并進行科學(xué)的性能分析,以期為企業(yè)管理者的決策提供理論支持。本文研究的對象是一個具有隨機特性的單機器生產(chǎn)系統(tǒng),這臺機器在生產(chǎn)某種產(chǎn)品之前有生產(chǎn)準(zhǔn)備時間。同時,產(chǎn)品有屬于自己的有限緩存區(qū),機器采用先來先服務(wù)的調(diào)度策略來協(xié)調(diào)產(chǎn)品的生產(chǎn)。從這臺機器是否具有柔性著手,將此生產(chǎn)系統(tǒng)分為多產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)和單產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)。在多產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)中,分別考慮了帶有狀態(tài)相關(guān)生產(chǎn)準(zhǔn)備時間、機器在生產(chǎn)準(zhǔn)備期有服務(wù)速率和緩存區(qū)可故障三種生產(chǎn)環(huán)境下系統(tǒng)的性能評價;在單產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)中,針對機器的可變服務(wù)速率,分別考慮了機器在待機休眠期和故障期有服務(wù)速率的可修復(fù)生產(chǎn)環(huán)境下的系統(tǒng)性能特征。主要研究工作包括:(1)針對采用一維馬爾科夫模型引起的狀態(tài)空間呈指數(shù)級增長的問題,提出了一種有限狀態(tài)擬生滅過程模型,對帶狀態(tài)相關(guān)生產(chǎn)準(zhǔn)備時間和有限緩存的多產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)進行性能分析。首先分析機器輪流加工生產(chǎn)的過程,將多產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)分解為單產(chǎn)品子系統(tǒng)模型,并定義機器不加工當(dāng)前產(chǎn)品類型時,則對于當(dāng)前產(chǎn)品類型而言,機器處于休假期;然后對機器休假期的長度、機器生產(chǎn)完當(dāng)前產(chǎn)品類型進入空閑期及和其他類型產(chǎn)品的生產(chǎn)準(zhǔn)備期的概率進行估計,以緩存區(qū)中產(chǎn)品個數(shù)和機器狀態(tài)兩個維度定義系統(tǒng)的二維連續(xù)時間Markov鏈;之后,通過分析二維Markov鏈的平穩(wěn)方程,將最小生成元進行分塊三角化表示,構(gòu)建出系統(tǒng)的有限狀態(tài)擬生滅過程模型。最后,運用矩陣幾何方法求解有限狀態(tài)擬生滅過程模型,并推導(dǎo)出生產(chǎn)方差、區(qū)間估計、穩(wěn)態(tài)可用度、系統(tǒng)生產(chǎn)率及其系統(tǒng)滿足顧客訂單的概率等多項性能指標(biāo)的解析式,并給出詳細(xì)的求解步驟。所提有限狀態(tài)擬生滅過程模型有效地拓展了多產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)的性能指標(biāo),改善了一維馬爾科夫模型在處理機器可生產(chǎn)產(chǎn)品類型較多或緩存區(qū)容量較大時狀態(tài)空間過大和建模分析復(fù)雜等方面的不足,具有較為廣闊的應(yīng)用前景。(2)考慮到生產(chǎn)準(zhǔn)備過程中的外部生產(chǎn)準(zhǔn)備是在不停機的情況下完成的,提出了一種有限狀態(tài)擬生滅過程模型,對機器在生產(chǎn)準(zhǔn)備階段有服務(wù)速率的多產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)進行性能分析。根據(jù)機器在生產(chǎn)準(zhǔn)備是否需要停機,將生產(chǎn)準(zhǔn)備分為內(nèi)部生產(chǎn)準(zhǔn)備和外部生產(chǎn)準(zhǔn)備,鑒于外部生產(chǎn)準(zhǔn)備的特殊性,在多產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)中,引入可變服務(wù)速率隨機特性。通過以緩存區(qū)中產(chǎn)品個數(shù)和機器狀態(tài)兩個維度定義系統(tǒng)的二維連續(xù)時間Markov鏈并將其最小生成元進行分塊三角化表示,構(gòu)建出系統(tǒng)的有限狀態(tài)擬生滅過程模型。利用矩陣幾何解方法對模型進行求解,給出系統(tǒng)生產(chǎn)率的計算過程,并在兩種產(chǎn)品的簡化情況下求出系統(tǒng)生產(chǎn)率的解析解。同時,通過求導(dǎo)計算精確地呈現(xiàn)了系統(tǒng)生產(chǎn)率關(guān)于各系統(tǒng)參數(shù)的漸近線和單調(diào)性等系統(tǒng)性質(zhì),為提高生產(chǎn)效率給出理論支撐,為系統(tǒng)的最優(yōu)化控制提供參考。(3)考慮到緩存區(qū)在生產(chǎn)過程中的可靠性及對機器的影響,提出了一種離散時間Markov鏈模型,對緩存區(qū)可故障、機器加工時間服從一般分布的多產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)進行性能分析。通過構(gòu)建系統(tǒng)的離散時間Markov鏈,求解每個狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率,并依據(jù)系統(tǒng)中機器加工的產(chǎn)品類型、緩存區(qū)有無故障、各緩存區(qū)中產(chǎn)品的個數(shù)對系統(tǒng)狀態(tài)分四種情況計算每個狀態(tài)對系統(tǒng)生產(chǎn)周期的貢獻,得到系統(tǒng)的平均生產(chǎn)周期,求解出系統(tǒng)生產(chǎn)率的解析式,并給出參數(shù)相同的埃爾朗-2產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣和系統(tǒng)生產(chǎn)率的詳細(xì)求解過程。通過數(shù)值分析討論各系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)生產(chǎn)率的影響及其各系統(tǒng)參數(shù)之間的相互影響情況,為企業(yè)在實際生產(chǎn)過程中各參數(shù)的選擇提供理論依據(jù)。(4)針對機器在待機休眠階段可帶有服務(wù)速率的情況,首次將工作休假引入單產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng),提出了一種有限狀態(tài)擬生滅過程模型,對帶有生產(chǎn)準(zhǔn)備時間和工作休假的可修復(fù)生產(chǎn)系統(tǒng)進行性能分析。從緩存區(qū)中產(chǎn)品個數(shù)、機器的工作狀態(tài)及機器有無故障三個維度出發(fā),建立了系統(tǒng)的三維Markov鏈并將其最小生成元進行分塊三角化表示,得到系統(tǒng)的有限狀態(tài)擬生滅過程模型。之后,運用矩陣幾何方法求解有限狀態(tài)擬生滅過程模型,并得到系統(tǒng)生產(chǎn)率、生產(chǎn)方差、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)可用度、系統(tǒng)在時間區(qū)間內(nèi)的區(qū)間估計及各項穩(wěn)態(tài)概率等性能指標(biāo)的解析式,然后通過數(shù)值實驗總結(jié)出各項系統(tǒng)性能指標(biāo)受系統(tǒng)參數(shù)的影響情況,為企業(yè)提高生產(chǎn)效率,增加系統(tǒng)可靠性提供依據(jù)。所提出的有限狀態(tài)擬生滅過程模型對關(guān)于工作休假的排隊理論的定性研究也很有啟發(fā)性。(5)針對機器在故障階段可帶有服務(wù)速率的情況,首次將工作故障引入單產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng),提出了一種有限狀態(tài)擬生滅過程模型,對帶有生產(chǎn)準(zhǔn)備時間和工作故障的可修復(fù)生產(chǎn)系統(tǒng)進行性能分析。從緩存區(qū)中產(chǎn)品個數(shù)、機器的工作狀態(tài)兩個維度出發(fā),建立了系統(tǒng)的二維Markov鏈并將其最小生成元進行分塊三角化表示,得到系統(tǒng)的有限狀態(tài)擬生滅過程模型。運用矩陣幾何方法求解有限狀態(tài)擬生滅過程模型,得到系統(tǒng)生產(chǎn)率、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)可用度、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)等待加工產(chǎn)品個數(shù)及各項穩(wěn)態(tài)概率等性能指標(biāo)的解析式。然后通過數(shù)值實驗歸納各系統(tǒng)參數(shù)對各項系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響及帶工作故障的生產(chǎn)系統(tǒng)模型的穩(wěn)定性情況,為企業(yè)在生產(chǎn)系統(tǒng)的改善方面給出優(yōu)化建議。所提出的有限狀態(tài)擬生滅過程模型對關(guān)于工作故障的排隊理論的定性研究也很有啟發(fā)性。
【學(xué)位單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TH186
【部分圖文】：

博士學(xué)位論文3顧客的需求并不能被按時完全滿足，這與生產(chǎn)系統(tǒng)能力及系統(tǒng)狀態(tài)關(guān)系密切。所以，從理論研究上來說，研究生產(chǎn)方差是十分必要的。眾所周知，生產(chǎn)系統(tǒng)性能直接影響制造企業(yè)的市場競爭力大校預(yù)對帶有隨機特性的生產(chǎn)系統(tǒng)進行準(zhǔn)確的性能預(yù)測分析，需要合理的假設(shè)，建立合適的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)具體生產(chǎn)環(huán)境的特點，在一個具有隨機特性的環(huán)境下，從系統(tǒng)的角度看待生產(chǎn)過程，建立生產(chǎn)系統(tǒng)的輸入(生產(chǎn)準(zhǔn)備時間、緩存區(qū)容量大孝設(shè)備故障、可變服務(wù)率等各種參數(shù))和輸出(系統(tǒng)性能)之間的聯(lián)系，如圖1.1所示。圖1.1生產(chǎn)系統(tǒng)性能分析的輸入和輸出雖然國內(nèi)外已有大量文獻針對生產(chǎn)系統(tǒng)性能和敏感性進行了研究，但是綜合考慮有限緩存、生產(chǎn)準(zhǔn)備時間、設(shè)備故障及其機器在不同生產(chǎn)階段帶有不同的服務(wù)速率等隨機因素對生產(chǎn)系統(tǒng)性能的影響而進行分析和建模，特別是對生產(chǎn)方差等性能指標(biāo)進行求解的研究成果尚少，需做更進一步的改進和拓展才能更好的滿足實際生產(chǎn)需要。因此，本文運用隨機過程方法、排隊理論及其擬生滅過程理論，重點從生產(chǎn)系統(tǒng)中諸多隨機特性的角度對復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)性能預(yù)測分析的若干關(guān)鍵技術(shù)進行研究。通過本論文的研究，一方面可為解決帶有生產(chǎn)準(zhǔn)備時間的多產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)、機器在生產(chǎn)準(zhǔn)備期有服務(wù)速率的多產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)、緩存區(qū)可故障的多產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)及其及機器在待機休眠階段帶有服務(wù)速率的可修復(fù)生產(chǎn)系統(tǒng)、機器在故障階段帶有服務(wù)速率的可修復(fù)生產(chǎn)系統(tǒng)的性能分析問題提供新的方法和探索途徑，對企業(yè)分析和管理生產(chǎn)線具有實用參考價值；另一方面在理論研究上，本論文可擴展隨機過程和排隊理論在制造系統(tǒng)中的研究深度，對豐富和完善排隊理論具有重要意義，同時也為目前的制造系統(tǒng)性能分析提供嶄新思路。1.2帶隨機特性的生產(chǎn)系統(tǒng)及本文研究

帶隨機特性和有限緩存的生產(chǎn)系統(tǒng)性能建模研究6圖1.2綜合化生產(chǎn)系統(tǒng)換到另一種產(chǎn)品類型時，快速換模等技術(shù)的應(yīng)用雖然能夠降低生產(chǎn)準(zhǔn)備時間，但是仍舊需要消耗一定的時間用于生產(chǎn)準(zhǔn)備�？梢钥闯觯N類型產(chǎn)品的生產(chǎn)準(zhǔn)備過程僅進行一次。(3)機器對產(chǎn)品類型的加工：機器對各種產(chǎn)品類型的加工過程是相互獨立的，加工完畢后，即認(rèn)為其為加工合格的產(chǎn)品，計入當(dāng)前機器的產(chǎn)出，而通過物料運輸設(shè)備進入下一臺機器的緩存區(qū)。(4)機器加工次序遵循的生產(chǎn)策略：待加工產(chǎn)品類型選擇、各種產(chǎn)品類型的工藝路徑選擇、不同產(chǎn)品類型之間的切換條件等。(5)機器出現(xiàn)故障：如果機器出現(xiàn)故障，則立即進行修復(fù)。修復(fù)過程可以是停機修復(fù)，或是不停機修復(fù)。無論何種狀態(tài)，修復(fù)后，進入生產(chǎn)狀態(tài)。在這樣的生產(chǎn)系統(tǒng)中，上游產(chǎn)品的到達過程、生產(chǎn)準(zhǔn)備過程、機器生產(chǎn)加工過程、機器故障情況等都具有隨機性，嚴(yán)重影響著生產(chǎn)系統(tǒng)的整個生產(chǎn)過程，因此，考慮帶有隨機特性的生產(chǎn)線性能是有效實施生產(chǎn)計劃和控制的關(guān)鍵。而為了使生產(chǎn)系統(tǒng)能夠高效生產(chǎn)，需要減小機器之間的相互影響，使其能夠相對獨立地發(fā)揮自身最大的生產(chǎn)能力以消除生產(chǎn)損失[20]，從而生產(chǎn)線中生產(chǎn)單元性能模型是有效實施生產(chǎn)系統(tǒng)性能預(yù)測和控制的前提。因此，本文以圖1.2中描述的帶有生產(chǎn)準(zhǔn)備時間的單機器和其上游的有限緩存為研究對象，其中機器的加工策略采用先來先服務(wù)原則。根據(jù)上述的定義，機器加工過程的動作主要有上游產(chǎn)品的到達、產(chǎn)品的加工、設(shè)備故障及生產(chǎn)準(zhǔn)備等所定義，其生產(chǎn)加工過程如圖1.3所示。在多產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)過程中，雖然有限緩存和生產(chǎn)機器都具備柔性，可以臨時存放和生產(chǎn)多種類型的產(chǎn)品，但是對于每種類型產(chǎn)品的存放和生產(chǎn)加工能力是不相同的，因此我們可以認(rèn)為不同的產(chǎn)品類型具有?

單機器生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)加工過程
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本文編號：2865878