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CPPS的多智能体架构与动态调度机制研究

发布时间:2020-11-19 07:39
   随着市场环境的变化和技术的发展,制造业的加工模式正在由大规模集中控制向分布式增强控制转变。为了适应这种变化,研究人员将信息物理融合技术与制造技术进行深度结合,形成信息物理融合生产系统(CPPS)。目前,关于CPPS的研究主要集中在CPPS设计和生产运营优化等方面,其中系统架构是CPPS设计的重要环节,并且针对选定的架构模式,研究与其匹配的调度机制也是当前CPPS运营优化研究的热点。鉴于此,本文在设计CPPS的体系和分析多智能体系统特点的基础上,提出了基于多智能体的CPPS架构。该架构利用智能体作为基本组件构建了一种动态混合式组织结构,实现了异构集成、泛在连接和虚实映射等功能,具有自治性、交互性和适应性等特点。接着,针对设计的CPPS架构,提出了双层调度机制。上层主要负责任务分配,下层加工单元主要负责工序调度。任务分配需要设计合适的协商机制。通过分析传统合同网协商机制的不足,本文提出内嵌Q-Learning的合同网(QL-CNP)作为上下层的协商机制,实现了任务的合理分配。下层的工序调度以静态调度问题为基础,讨论了动态事件下的重调度机制。对静态调度问题,本文采用了改进遗传算法进行求解。对动态重调度问题,本文考虑了紧急插单、机床故障和作业取消三种主要的扰动,采用改进遗传算法进行求解,并通过实例验证了改进遗传算法对该调度问题的有效性。最后,通过仿真对双层调度机制进行验证。仿真的结果表明双层调度机制能够有效适应CPPS分布式增强控制的需求,并且QL-CNP的调度结果要优于传统合同网的调度结果。
【学位单位】:北京交通大学
【学位级别】:硕士
【学位年份】:2019
【中图分类】:TH186
【文章目录】:
致谢
摘要
ABSTRACT
1 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 相关问题研究现状
        1.2.1 CPPS相关需求的国内外研究现状
        1.2.2 多智能体制造系统的国内外研究现状
        1.2.3 作业车间调度国内外研究现状
        1.2.4 研究现状总结
    1.3 主要研究内容和结构框架
        1.3.1 主要研究内容
        1.3.2 论文结构框架
2 多智能体CPPS的架构
    2.1 引言
    2.2 CPPS特征分析和体系设计
        2.2.1 CPPS的体系结构分析
        2.2.2 CPPS的基本逻辑单元分析
        2.2.3 CPPS的体系设计
    2.3 智能体结构设计
        2.3.1 智能体类型
        2.3.2 智能体内部结构分析与设计
    2.4 CPPS的多智能体架构
        2.4.1 多智能体系统的结构类型分析
        2.4.2 动态混合式组织结构设计
    2.5 本章小结
3 基于QL-CNP的任务动态分配机制
    3.1 引言
    3.2 协商机制设计要求与传统CNP分析
        3.2.1 协商机制设计要求
        3.2.2 基于CNP的多智能体系统的协商机制分析
    3.3 马尔可夫过程和Q-Learning基本原理
        3.3.1 马尔可夫过程
        3.3.2 Q-Learning基本原理
    3.4 基于QL-CNP的任务动态分配机制设计
        3.4.1 基于QL-CNP的任务分配机制
        3.4.2 QL-CNP中Q-Learning算法的各要素设计
    3.5 本章小结
4 基于改进遗传算法的单元内调度
    4.1 引言
    4.2 多目标的FJSSP模型
        4.2.1 多目标的FJSSP描述
        4.2.2 多目标的FJSSP建模
        4.2.3 决策子目标权重确定
    4.3 改进遗传算法设计
        4.3.1 染色体编码规则设计
        4.3.2 交叉操作设计
        4.3.3 变异操作设计
        4.3.4 选择操作设计
    4.4 改进遗传算法的实例验证
    4.5 本章小结
5 基于改进遗传算法的单元动态重调度
    5.1 引言
    5.2 重调度问题描述及策略设计
        5.2.1 重调度问题数学建模
        5.2.2 动态事件处理策略
        5.2.3 重调度驱动机制设计
    5.3 改进遗传算法在重调度问题上的验证
        5.3.1 动态事件在遗传算法中的体现
        5.3.2 重调度实例验证
    5.4 本章小结
6 双层调度机制仿真验证分析
    6.1 引言
    6.2 上下层目标一致的双层调度机制仿真验证分析
    6.3 上下层目标不一致的双层调度机制仿真验证分析
    6.4 本章小结
7 总结与展望
    7.1 工作总结
    7.2 工作展望
参考文献
作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果
学位论文数据集

【参考文献】

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本文编号:2889905

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