本文是一篇工程论文发表，本文以某生产石英制品的混流作业车间为研究对象，深入分析其车间生产运行时的问题，在静态调度方法基础上，分别建立了考虑机器故障的混流作业车间动态调度模型，考虑物料搬运的混流作业车间返工调度模型，并提出用来有效求解模型的算法，最后使用Plant Simulation对两种模型进行仿真验证。
第1章 绪论
1.1 研究背景
在我国经济快速、高质量发展的驱动下，消费者生活水平不断提高，需求也不仅仅局限于传统的标准化商品，而是转向个性化、多元化产品。在此环境下，各种产品的更新换代频率不断增大，传统的大规模、单一化生产模式已不能满足多样化、个性化的市场需求。同时，先进科学技术在制造企业的广泛应用，在一定程度上缩短了产品的生产周期，对于产品快速响应、快速交货提出更高要求。制造企业为提高产品生产效率、在激烈的竞争环境下占得一隅之地，已将生产模式逐步转向混流生产。混流生产是一种能同时生产多种结构相似、工艺相近的不同产品的柔性生产方式，它既能满足客户的不同需求，又能实现产品大规模生产[1]。
“快速交货”对企业的生产管理以及车间调度提出了越来越严格的要求，由于混流生产涉及到的零部件多、产品批量小、种类变化快等生产特点，极大的增加了混流装配线生产管理的难度，为了满足这些要求，企业需要制定科学有效的混流作业车间调度计划从而提高企业的核心竞争力，从而应对各种随机扰动事件。混流生产的特点决定了混流装配车间的生产管理必然与单品种装配线不同。为了使其稳定、持续且高效的运行，必须对产品的调度、物流等进行合理安排和组织。本文重点对某企业的混流作业车间的动态调度进行研究，尽可能的提高生产效率，降低在制品库存水平、降低车间能耗、减小机器负荷，降低生产成本，提高生产的综合收益[2]。
1.2 研究目的及意义
经济全球化发展，科技信息化推进，使得市场竞争日益激烈，生产制造企业仅按照传统的生产管理模式来保证有限的生产能力无法再适应新形式下的科技产业革命对生产管理的需求。由于目前混流作业生产环境的复杂化，产品的加工方式、产品的结构、工艺路线、生产环境以及过程控制等方面都存在较高的复杂性，因此，对于混流作业车间来说，如何实现科学有效的调度方案不仅是企业的重要关切，也引起国内外学者的广泛关注[3]。
采用科学有效的调度方法，并结合先进合理的优化技术，是制造企业实现连续生产、均衡交付、先进制造的基础和关键，也是保证企业高效运作、提升竞争实力的重要环节，同时更是衡量车间生产管理水平的重要标志。各种不确定性因素（如客户需求改变、制造资源状态变化等）都会引发车间现场工况的变化，尤其是混流作业车间，不确定性因素更为繁多，车间现场工况变化的频次和程度也相应更高。这对调度系统也提出了更高的要求，要求系统能够具有快速响应各种变化的能力，能够迅速、有效地对各个生产过程及时响应并进行有效调整，使加工系统能够持续、优化的完成相应的任务。
企业生产车间作业调度的核心关注点是将车间不同类型的生产资源调度给一定约束条件下的不同作业任务。调度是综合车间各种生产工况进行有效决策的过程，生产调度的最终目标是完成关注对象的优化。生产作业调度在其企业生产系统中扮演着重要的角色，调度系统的作用效率直接影响企业生产效率和成本控制[4]。
第2章 混流生产车间调度与生产概述
2.1 混流作业车间调度分析
混流作业车间运作过程可以描述为：一共n个待加工的工件经过j道工序进行加工，而每一道工序存在Mi台设备（Mi≥1；i=1，2，…），每个工件需要经过每一道工序的加工，每道工序对应所有设备加工时间相同。对于混流作业车间调度的研究通常分为以下两种：
（1）混流作业车间静态调度
混合流水车间调度系统是一个具有多种功能设备的复杂加工系统，混流车间静态调度问题是一种在混流生产环境中对生产任务进行优化安排的问题。“静态”意味着所有的信息（如任务数量、加工时间、机器可用性等）在调度开始时都是已知的，并且在调度过程中不会发生改变。在该系统中，待加工的零件需要经过多道工序，每一道工序都在专门的设备上完成加工，且所有零件遵循相同的加工流程。当流水车间拥有多台并行运作的设备时，它被称为“混合流水车间”。这种车间由一系列加工阶段构成，至少有一个阶段配置有两台或更多的并行处理设备。混合流水车间调度（Hybrid Flow Shop Scheduling，HFSS）问题在众多工业领域都有着广泛的应用，因为它综合了任务分配和任务排序两大问题。相较于一般的流水车间调度问题，HFSS问题更为复杂，属于NP难问题。这种问题的解决，对于优化生产过程和提高工厂效率具有重要的意义。
（2）混流作业车间动态调度
本文主要对动态调度进行研究，混流车间动态调度问题关注的是在实时变化的生产环境中优化和管理生产任务的问题。与静态调度不同，动态调度考虑了在生产过程中可能发生的各种不确定因素，如机器故障、紧急订单、原材料延迟等，动态调度需要根据这些实时变化，灵活调整生产计划以实现生产效率的优化。
2.2 某混流作业车间运行现状分析2.2.1 某石英制品企业概况
本文的研究的案例企业是国内的某外资企业，其在石英制品领域是非常重要的制造商和供应商，在半导体、电信、光纤和光电领域提供一系列创新的高纯度石英产品。该企业的生产车间以石英制品为主，虽然产品种类众多，但订单量不大，所以采用多品种小批量的生产加工模式。
车间采用单元式布局，包括焊接车间：通过焊接技术和设备，以实现石英和其他半导体材料的精准连接，冷加车间：利用高精度的设备进行冷加工，确保产品的精确性和一致性，酸洗车间：经过酸洗过程，去除表面的杂质和进行微观的表面处理，旋盘车间：专用于高精度旋转切割和加工，确保产品在各个制造阶段的精度，组装车间：整合和组装各种半导体器件和产品，以确保其完整性和性能。车间总体布局图如图2.1所示，车间具体布局如图2.2所示。
第3章 机器故障情形下混流作业车间的动态调度问题 ......................... 16
3.1 混流作业车间的动态调度问题描述 ........................ 16
3.2 混流作业车间模型构建 .................................... 17
第4章 考虑物料搬运的混流作业车间随机返工调度 ............................... 38
4.1 混流作业车间模型构建 ............................... 38
4.2 考虑VNS策略的多目标灰狼优化算法 .......................... 40
第5章 混流作业车间动态调度问题仿真分析 ............................... 51
5.1 混流车间生产线仿真概述 ............................... 51
5.2 基于Plant Simulation的生产线建模 ......................... 51
第5章 混流作业车间动态调度问题仿真分析
5.1 混流车间生产线仿真概述
仿真（数值法）作为求解数学模型方法之一，通过运行模型来观测系统的运行情况，通过采集和处理观测数据来分析、评价实际系统的性能指标。本文第3章和第4章提到的混流作业车间数学模型和对应的改进智能优化算法得到的优化调度方案是理论结果，但更接近实际操作中的环境中是否有效还需验证，仿真能够模拟实际工艺过程，帮助进一步验证这些理论结果的实用性和可行性。
生产线仿真可以解决实际生产中企业资源配置全局优化的需求和数据碎片化供给的矛盾，以较低的风险和成本快速设计、可视化、仿真和优化完整的生产布局，轻松使用单一系统将其与制造计划关联起来。在混流作业车间调度中起着非常关键的作用，不仅能够帮助验证和评估理论方案的实用性，还有助于优化和提高调度方案的整体质量和效果，可以模拟各种可能的生产场景和条件，有助于提高调度策略的灵活性和适应性，以应对实际生产中可能出现的各种变化和不确定性。
面向生产系统仿真的软件有很多，包括AnyLogic、Siemens Plant Simulation、Arena、FlexSim、Simul8等，其中Siemens Plant Simulation是一款用于制造过程仿真和优化的软件，可以模拟各种制造过程，包括生产线、物料流、物流和装配等，支持离散事件模拟，能够详细分析每个过程和事件；提供直观的图形用户界面，可以通过拖放等操作简单快捷地创建和编辑模型，支持三维可视化，可以清晰直观地展示仿真结果；更关键的是该软件支持允许用户通过编程扩展模型的功能，满足特殊需求，并且能与第三方软件和系统的接口和集成，提高软件使用的灵活性。
第6章 结论与展望
6.1 结论
随着经济的快速发展，企业面临着满足市场多样化和个性化需求的压力。为了实现稳定、持续和高效的生产，多品种小批量企业需要转向混流作业生产模式来应对挑战。由于涉及到众多类型的零部件，以及产品小批量生产和种类快速变化，需要制定合理且有效的混流作业车间调度计划，确保生产各个环节的协同和流畅。
本文以某生产石英制品的混流作业车间为研究对象，深入分析其车间生产运行时的问题，在静态调度方法基础上，分别建立了考虑机器故障的混流作业车间动态调度模型，考虑物料搬运的混流作业车间返工调度模型，并提出用来有效求解模型的算法，最后使用Plant Simulation对两种模型进行仿真验证，论文主要结论分为以下三个方面：
（1）提出了一种ESA-MPNSGA-Ⅱ算法。考虑混流作业车间设备故障因素对生产产生较大影响的问题，建立最大完工时间最小、机器总负荷最低、车间能耗最低、交货延
