一种预测驱动的轮胎生产多车间协同批调度方法及系统

本发明涉及智能制造及生产调度，尤其涉及一种预测驱动的轮胎生产多车间协同批调度方法及系统。

背景技术：

1、随着智能制造技术的发展，制造企业逐渐采用生产数据采集、需求预测以及智能优化算法提升生产计划制定和资源配置能力。轮胎制造过程涉及胶料制备、半制品加工、成型、硫化等多个生产环节，不同工序之间存在复杂的物料流转和设备资源约束，因此针对轮胎生产过程的智能调度优化逐渐成为研究重点。现有技术通常通过建立生产调度模型，并结合启发式算法、多目标优化算法等方法，对订单分配、设备选择、加工顺序以及批次安排进行优化，以提高生产效率和设备利用水平。

2、然而，现有轮胎生产调度方案在实际多车间协同生产过程中仍存在一定不足。一方面，现有调度方法通常基于已有订单信息或固定生产需求进行任务安排，需求预测与生产调度过程之间关联不足，难以根据未来轮胎类型需求变化提前调整胶包生产安排，容易导致胶包库存积压或下游生产过程中出现物料供应不匹配的问题。另一方面，现有方案多针对单一车间或者单一生产环节进行优化，主要关注设备排序、工序安排或批次划分等局部调度问题，而轮胎生产过程中密炼车间负责胶包供应，下游车间负责轮胎加工，两个生产阶段之间存在物料供应和加工节拍的耦合关系，仅针对局部环节进行优化难以保证整体生产过程的协调性。此外，轮胎生产调度过程中同时受到加工时间、设备资源、库存状态、硫化加工能力以及车间负荷等多种因素影响，现有方法在多目标、多约束条件共同作用下的综合优化能力仍有不足，难以在保证生产连续性的同时兼顾生产效率、资源利用以及成本控制等多个方面的调度需求。

3、如何解决上述技术问题为本发明面临的课题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种实现了轮胎生产过程中密炼车间与下游车间之间的物料协同与节拍匹配，显著提升了多车间、多约束条件下轮胎生产调度的综合优化效果的预测驱动的轮胎生产多车间协同批调度方法及系统。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明提供一种预测驱动的轮胎生产多车间协同批调度方法，包括以下步骤：

3、步骤s1、获取轮胎生产系统的生产相关数据，并对生产相关数据进行预处理，得到预处理后的生产相关数据；

4、步骤s2、从预处理后的生产相关数据中获取需求预测输入数据，并将需求预测输入数据输入预设的需求预测模型，得到轮胎类型需求预测量；根据轮胎类型需求预测量确定胶包预生产计划与车间负荷分配目标；所述需求预测输入数据包括历史订单数据、各级库存数据、在制品数据、外部市场数据和日历数据；

5、步骤s3、定义调度决策变量，并设置调度优化目标与协同调度约束条件，结合胶包预生产计划与车间负荷分配目标构建多车间协同批调度模型；

6、步骤s4、从预处理后的生产相关数据中获取调度输入数据，根据调度决策变量构建协同调度编码结构，并结合调度输入数据对协同调度编码结构进行初始化，得到初始候选解集合；所述协同调度编码结构包括密炼车间子结构以及下游车间子结构；

7、步骤s5、对初始候选解集合进行协同迭代优化，在每次迭代过程中对候选解进行解码，得到候选调度方案并对候选调度方案进行评价，根据调度方案的评价结果对候选解进行更新，直至满足预设终止条件，输出最优多车间协同批调度方案。

8、优选地，所述预设的需求预测模型采用多尺度混合预测模型；

9、所述步骤s2中，得到轮胎类型需求预测量，包括：

10、按照统一时间基准对需求预测输入数据进行时序排列，得到多变量时序输入数据；

11、对多变量时序输入数据沿时间维进行逐级平均下采样，形成若干个由细至粗的时间尺度序列；

12、对各时间尺度序列采用滑动平均方式提取趋势分量，并根据对应时间尺度序列与趋势分量之间的差值确定季节分量；

13、对各时间尺度对应的季节分量按照由细尺度向粗尺度的方向依次进行跨尺度映射，并将跨尺度映射结果与对应时间尺度的季节分量按对应位置相加，得到各时间尺度对应的混合季节特征；

14、对各时间尺度对应的趋势分量按照由粗尺度向细尺度的方向依次进行跨尺度映射，并将跨尺度映射结果与对应时间尺度的趋势分量按对应位置相加，得到各时间尺度对应的混合趋势特征；

15、将同一时间尺度对应的混合季节特征和混合趋势特征按对应位置相加，得到各时间尺度对应的尺度混合特征，并将尺度混合特征分别输入对应的尺度预测器，得到各时间尺度对应的尺度预测结果；

16、对各时间尺度对应的尺度预测结果进行线性加权融合，得到轮胎类型需求预测量。

17、优选地，所述步骤s2中，根据轮胎类型需求预测量确定胶包预生产计划与车间负荷分配目标，包括：

18、根据轮胎类型需求预测量及轮胎类型与胶包类型之间的消耗映射关系，确定各胶包类型对应的胶包需求预测量，并根据各胶包类型对应的胶包需求预测量及胶包基础生产单位确定胶包基准预生产量；

19、根据轮胎类型需求预测量及胶包基准预生产量，按照各功能车间预设的标准负荷换算关系，分别确定各功能车间的初始目标加工负荷，并根据各功能车间预设的负荷下限和负荷上限对初始目标加工负荷进行边界限制，得到各功能车间的负荷分配目标。

20、优选地，所述步骤s3中，所述协同调度约束条件包括工序顺序约束、车间实体选择约束、机器分配与机器池一致性约束、机器互斥与换模约束、跨车间运输约束、胶包齐套约束、多级库存动态约束、硫化并行批处理约束以及车间负荷均衡约束；

21、其中，所述胶包齐套约束包括：根据各胶包类型对应的账面库存以及已分配至半制品加工任务但尚未完成成型投入核销的胶包预留数量，确定对应胶包类型的实际可用库存；在半制品加工任务开始执行前，根据当前任务对应的胶包需求判断实际可用库存是否满足领取需求；当满足领取需求时，增加对应胶包类型的预留数量；在成型工序投入对应半成品胶片时，根据实际投入数量同步更新对应胶包类型的账面库存和预留数量；

22、所述多级库存动态约束包括：根据胶包预生产任务的入库状态更新胶包库存状态，并根据胶包加工、半制品加工、成型加工以及硫化加工之间的物料流转关系，动态更新各加工阶段对应的在制品库存状态以及成品库存状态；

23、所述硫化并行批处理约束包括：根据轮胎型号以及硫化设备容量形成硫化组，并使同一硫化组内的轮胎生产批次具有相同轮胎型号并分配至同一硫化车间实体；根据硫化设备匹配关系确定各硫化组对应的硫化设备，并约束同一硫化组内轮胎生产批次的加工数量不超过对应硫化设备的腔体容量，以及同一硫化设备在同一时间仅执行一个硫化组；

24、所述车间负荷均衡约束包括：根据各功能车间的负荷分配目标以及对应功能车间内车间实体数量确定各车间实体对应的目标负荷；根据候选调度方案中分配至各车间实体的加工任务对应的固定标准加工时间确定各车间实体的实际生产负荷，并约束各车间实体的实际生产负荷与对应目标负荷之间的偏差处于预设允许范围内。

25、优选地，所述密炼车间子结构包括胶包类型优先级序列、预生产缩放因子向量和密炼车间实体分派向量；所述胶包类型优先级序列用于表征各胶包类型对应预生产任务的加工优先级；所述预生产缩放因子向量用于调整各胶包类型对应的胶包预生产量；所述密炼车间实体分派向量用于确定各胶包预生产任务对应的密炼车间实体；

26、所述下游车间子结构包括轮胎类型批次数、批次划分信息、下游车间实体分派矩阵和工序块排序序列；所述轮胎类型批次数为可变编码变量，用于确定各轮胎类型对应的生产批次数量；所述批次划分信息根据轮胎类型批次数以及对应订单需求数量确定，用于确定各轮胎生产批次对应的加工数量，并随轮胎类型批次数的变化重新生成；所述下游车间实体分派矩阵用于确定各轮胎生产批次在各下游功能车间中对应的车间实体；所述工序块排序序列用于确定不同轮胎生产批次对应工序的处理优先级，并满足同一轮胎生产批次内部前序工序先于后序工序的工艺先后关系。

27、优选地，所述对候选调度方案进行评价，包括：

28、根据候选调度方案确定机器约束违背度、物料约束违背度、硫化约束违背度以及负荷均衡约束违背度；并基于机器约束违背度、物料约束违背度、硫化约束违背度以及负荷均衡约束违背度确定综合约束违背度；

29、计算候选调度方案的调度优化目标评价值，并根据综合约束违背度对候选调度方案对应的调度优化目标评价值进行惩罚修正，得到修正目标向量；

30、根据修正目标向量对候选解执行非支配排序和拥挤度评价，并根据非支配等级以及拥挤度评价结果选择进入下一轮迭代的候选解。

31、优选地，所述对候选解进行更新，包括：

32、分别对密炼车间子解和下游车间子解执行与对应编码类型相适配的交叉和变异操作；

33、对交叉和变异后的子解进行编码可行性修复，使更新后的子解满足对应编码取值范围、批次完整性、车间实体可加工条件以及工艺先后关系；

34、根据修复后的密炼车间子解和下游车间子解重新进行协作者配对，形成下一轮迭代过程中的完整候选解。

35、本发明还提供一种预测驱动的轮胎生产多车间协同批调度系统，包括：

36、生产数据获取与预处理模块，用于获取轮胎生产系统的生产相关数据，并对生产相关数据进行预处理，得到预处理后的生产相关数据；

37、需求预测与调度目标确定模块，用于从预处理后的生产相关数据中获取需求预测输入数据，并将需求预测输入数据输入预设的需求预测模型，得到轮胎类型需求预测量；根据轮胎类型需求预测量确定胶包预生产计划与车间负荷分配目标；

38、协同调度模型构建模块，用于定义调度决策变量，并设置调度优化目标与协同调度约束条件，结合胶包预生产计划与车间负荷分配目标构建多车间协同批调度模型；

39、协同调度编码初始化模块，用于从预处理后的生产相关数据中获取调度输入数据，根据调度决策变量构建协同调度编码结构，并结合调度输入数据对协同调度编码结构进行初始化，得到初始候选解集合；

40、协同迭代优化模块，用于对初始候选解集合进行协同迭代优化，在每次迭代过程中对候选解进行解码，得到候选调度方案并对候选调度方案进行评价，根据调度方案的评价结果对候选解进行更新，直至满足预设终止条件，输出最优多车间协同批调度方案。

41、本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述预测驱动的轮胎生产多车间协同批调度方法的步骤。

42、本发明还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述预测驱动的轮胎生产多车间协同批调度方法的步骤。

43、本发明的有益效果为：实现了轮胎生产过程中密炼车间与下游车间之间的物料协同与节拍匹配，显著提升了多车间、多约束条件下轮胎生产调度的综合优化效果。通过根据生产相关数据获取需求预测输入数据，并基于需求预测结果确定胶包预生产计划与车间负荷分配目标，使生产调度过程能够结合未来轮胎类型需求变化进行调整，提高生产计划与实际需求之间的匹配程度，减少因需求变化导致的胶包库存积压或物料供应不足问题。通过构建包括密炼车间子结构和下游车间子结构的协同调度编码结构，使胶包预生产决策与轮胎生产批次调度决策共同参与优化过程，并通过对候选解进行联合解码生成对应候选调度方案，使密炼车间与下游车间之间的物料供应关系和加工节拍关系得到协同考虑，提高多车间生产过程的协调性。通过在候选调度方案评价过程中综合考虑调度优化目标以及机器约束、物料约束、硫化约束和负荷均衡约束等协同调度约束条件，对候选解进行迭代优化，使生成的调度方案能够在满足生产连续性和资源约束的基础上，兼顾加工效率、库存运输成本、能源消耗以及车间负荷均衡，提高轮胎生产系统整体运行效率和资源利用水平。