【摘要】：制造系統(tǒng)的生產控制問題與能力規(guī)劃問題往往被分開單獨研究。然而,當生產能力不足時,即使采用最優(yōu)生產控制依然不能滿足需求;另一方面,由于生產控制的目的是將生產能力發(fā)揮到極致,因此如果生產能力規(guī)劃不考慮生產控制,那么規(guī)劃后得到的生產能力往往會偏高,從而浪費設備成本。尤其是在不確定環(huán)境下(例如:機器隨機故障、產品更新迭代引起的工藝路線不確定等),這兩個問題更需要綜合考慮,以使得制造系統(tǒng)能以最小的投資成本獲得最好的生產性能,同時抵御不確定因素帶來的負面影響。因此,本文分別研究了四種典型制造系統(tǒng)在不確定環(huán)境下生產控制與能力規(guī)劃的綜合優(yōu)化問題。一、考慮機器隨機故障時單品種多并行機多階段串行生產線的綜合優(yōu)化問題。這一問題的目標是最小化設備成本,同時保證平均生產成本小于允許值。而分析系統(tǒng)狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率分布是評估平均生產成本的關鍵。首先我們從簡單的單階段多并行機制造系統(tǒng)著手,分析了它的穩(wěn)態(tài)概率分布計算方法。然后基于單階段系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)概率分布,提出了兩階段串行生產線的近似穩(wěn)態(tài)概率分布的計算方法以及兩階段串行生產線的分解方法。進一步地,將兩階段系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)概率分布計算方法以及分解方法推廣至多階段生產線,從而計算多階段生產線各緩沖區(qū)庫存水平的穩(wěn)態(tài)概率分布以及平均生產成本。最后采用基于梯度的算法來優(yōu)化生產控制參數,再采用整數規(guī)劃算法來求解能力規(guī)劃問題。數值仿真實驗表明所提出的穩(wěn)態(tài)概率分布的計算方法是準確的,同時,生產控制和生產能力綜合優(yōu)化所得到的解在投資成本和生產性能上優(yōu)于單獨考慮生產控制與能力規(guī)劃的解。二、考慮機器隨機故障時多品種多并行機多階段制造系統(tǒng)綜合優(yōu)化問題。這一問題的目標是最小化設備成本,同時保證平均生產成本小于允許值。同樣地,獲取它的穩(wěn)態(tài)的概率分布是關鍵。因為兩品種多并行機單階段不考慮欠產情形的制造系統(tǒng)可以被認為是多品種多并行機多階段系統(tǒng)的基本模塊。我們首先分析這個基本模塊在優(yōu)先級安全庫存點控制策略下的穩(wěn)態(tài)概率分布。雖然這個基本模塊的庫存水平所構成的狀態(tài)分布區(qū)域的形狀會影響穩(wěn)態(tài)概率平衡方程,但是我們仍然建立了各種產品的統(tǒng)一邊緣概率平衡方程,通過這個統(tǒng)一邊緣概率平衡方程,我們可以計算出各種產品的邊緣穩(wěn)態(tài)概率分布。我們進一步將這個結果擴展到多品種多并行機單階段系統(tǒng);并基于串行生產線的分解方法計算出多品種多并行機多階段系統(tǒng)狀態(tài)的邊緣穩(wěn)態(tài)概率分布。最后采用基于梯度的算法求解優(yōu)化生產控制參數,再采用整數規(guī)劃算法來求解能力規(guī)劃問題。數值仿真表明所提出的邊緣穩(wěn)態(tài)概率分布的計算方法是準確的,并且綜合優(yōu)化所得到的解在投資成本和生產性能上優(yōu)于單獨考慮生產控制與能力規(guī)劃的解。三、考慮機器隨機故障時多階段裝配型制造系統(tǒng)綜合優(yōu)化問題。這一問題的目標是最小化設備成本,同時保證平均生產成本小于允許值。同樣地,獲取這一系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)概率分布是關鍵。首先我們分析了該類型裝配系統(tǒng)的近似最優(yōu)生產控制策略,以確定系統(tǒng)狀態(tài)的分布域。進一步對分布域中的各個狀態(tài)建立概率平衡方程。隨后我們提出了一種分析方法以獲得該系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)邊緣概率分布,從而進一步獲得平均生產成本。由于最優(yōu)控制參數受到生產能力的約束,我們采用混合整數優(yōu)化來優(yōu)化機器數量,從而解決裝配系統(tǒng)的綜合優(yōu)化問題。數值仿真實驗表明所提出的穩(wěn)態(tài)概率分布的計算方法是準確的,并且綜合優(yōu)化所得到的解在投資成本和生產性能上優(yōu)于單獨考慮生產控制與能力規(guī)劃的解。四、產品品種及工藝路線多變時半導體晶圓制造系統(tǒng)綜合優(yōu)化問題。半導體晶圓制造系統(tǒng)屬于可重入類型的制造系統(tǒng)。由于產品的數量和種類各不相同,當產品不斷更新或者需求量不斷變化時,晶圓的加工工藝路線就有很強的不確定性。為了描述和刻畫這種不確定因素,我們定義了晶圓轉移概率。基于開環(huán)排隊網絡模型,建立了系統(tǒng)在制品水平與晶圓轉移概率的關系。由于存在不確定的晶圓轉移概率影響,平均在制品水平會波動,有時候甚至會超出一個允許的上界。因此我們建立了一個魯棒生產能力規(guī)劃模型,該模型分為兩層:下層是在給定小車數量之下找出最大在制品波動;上層是優(yōu)化小車數量使得在制品最大波動和平均在制品水平超過給定閾值的概率最小。最后通過分析目標函數的單調性來解決這一魯棒生產能力規(guī)劃問題。數值仿真實驗表明,基于所提出的魯棒能力規(guī)劃模型獲得的小車數量對于不確定晶圓轉移概率有很好的魯棒性。本文的主要理論貢獻如下:(1)對單品種多并行機多階段串行生產線提出了綜合優(yōu)化模型,為了解決綜合優(yōu)化中生產成本評估問題,提出了新的分解方法以及系統(tǒng)狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率分布的計算方法;(2)對多品種多并行機多階段制造系統(tǒng)提出了綜合優(yōu)化模型,首先對兩品種多并行機單階段制造系統(tǒng)歸納出統(tǒng)一的穩(wěn)態(tài)邊緣概率分布,并推廣至多品種多并行機多階段制造系統(tǒng)以評估其生產成本;(3)對多階段裝配系統(tǒng)提出了綜合優(yōu)化模型,并通過對狀態(tài)空間的歸并提出了廣義兩維狀態(tài)空間的概念,基于廣義兩維狀態(tài)空間提出了系統(tǒng)狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)邊緣概率分布的計算方法,并應用于評估生產成本;(4)針對半導體制造系統(tǒng),提出了不確定晶圓轉移概率用于刻畫晶圓工藝路線的變化,并提出了基于開環(huán)排隊網絡的魯棒能力規(guī)劃模型用于優(yōu)化小車數量。本文針對四類典型的制造系統(tǒng)的生產控制及能力規(guī)劃的綜合優(yōu)化問題提供了數學模型、分析方法和解決辦法,實現了以較小的設備投資成本發(fā)揮優(yōu)良的生產性能,并能夠抵御不確定因素對系統(tǒng)的影響,本文的研究結果對實際的制造系統(tǒng)節(jié)約設備成本和降低生產成本具有良好的指導意義。
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TP13;TH186
【圖文】：

第二章 單品種多并行機多階段串行生產線的綜合優(yōu)化問題化計算多個 1P/mM/1S 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)概率分布。最后基于 1P/mM/mS 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)概率分出了基于梯度的優(yōu)化算法來優(yōu)化平均生產成本，再通過整數規(guī)劃算法來求解生產能力題。這樣 1P/mM/mS 串行生產線的綜合優(yōu)化問題就得到了解決。 能力規(guī)劃與生產控制綜合優(yōu)化的問題描述1P/mM/mS 串行生產線的結構如圖 2-1 所示，其每個階段包含了 ni個相同的機器以有限緩沖區(qū)，其中每臺機器都是不可靠的，其故障時間間隔和修復時間間隔服從負指。假設該系統(tǒng)只生產一種產品。1P/mM/mS 串行生產線的綜合優(yōu)化問題可以分為兩層是最優(yōu)生產控制問題，其目標是優(yōu)化平均生產成本；上層是能力規(guī)劃與生產控制的綜問題，其目標是優(yōu)化機器數量，同時保證生產成本小于給定水平。

圖 2-2 單階段多并行機制造系統(tǒng)的結構1P/mM/1S 制造系統(tǒng)，首先需要決定控制策略，才可以獲基于穩(wěn)態(tài)概率分布才可以評估其平均生產成本。接下來 系統(tǒng)的價值函數（cost-to-go function，表示從當前時刻 t 起略下產生的最小生產成本）為： ( )( ), ( ), min ( ( ))TstJ x t t t E h s ds u αxt), t)是 t 時刻的價值函數(cost-to-go)。x(t)是 t 時刻的庫存量；u(t)是機器組的生產率； ( ( s )) {u ( t ) 0 u ( s)量 u(t)必須在集合 ( ( t))里，其中 是單臺機器的最大生理，我們有 ( )min ( ( )) ( ), ( ),t tu stE h x s ds J x t t t t t t

1I G x, 1, t c d g x, ,t (2.32)其中 , , ,0, ,, , , 0f x t x ZG x tP x t x Z 或和 , , ,0, ,, , , 0fx t x Zg x txf x t x Z 或1, 01, 0x Zcx ( , , )可以被認為是單階段系統(tǒng)狀態(tài)(x, )在 t 時刻的廣義概率分布，因為這個廣義概率分布包含了內部狀態(tài)的概率密度函數以及邊界狀態(tài)的概率。2.4 1P/mM/mS 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)概率分布為了計算 1P/mM/mS 狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率分布，我們先從兩階段系統(tǒng)開始（其結構圖如圖 2-3所示），然后擴展到多階段的情況。

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本文編號：2793435