机器人协同产线公平节拍控制方法、系统、设备及介质

本发明涉及协同产线监测与控制，尤其涉及机器人协同产线公平节拍控制方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、现有智能工厂通常包括制造执行系统、可编程逻辑控制器、机器人控制器、仓储调度系统和输送线控制器。上述控制器能够分别实现设备启停、工位派工、路径搬运、缓存放行或局部节拍优化，但在实际应用中仍存在以下技术缺陷：

2、第一，缺少统一的参考输入机制。现有策略通常直接比较设备负载或总产能，难以量化真实产线瓶颈对单个作业任务节拍能力的结构性退化，无法形成可比较的反馈偏差量。

3、第二，尾部任务保护不足。热点入口、热点目标工位、共享机器人和同步订单批次中的少数任务可能长期处于低服务节拍状态，现有方案缺乏对尾部任务的针对性保护机制。

4、第三，公平与产能之间缺少可调机制。不同订单对公平强度、产能和同步批次完成时间的偏好不同，固定的控制目标无法适配多样化的生产需求。

5、第四，在线场景中的工序路径执行状态变化缺少预算约束。频繁迁移作业任务会增加规则下发、状态迁移、换型和故障恢复风险，而现有方案对此缺乏有效限制。

6、第五，局部搜索失败容易被误判为问题不可行。公平阈值未满足可能是候选工序路径集合、修复轮数或重配置预算不足，而不一定是物理产线本身无解，现有方案缺乏可解释的失败状态输出。

7、综上所述，现有方案通常分别关注设备利用率、总产能或给定工序路径执行状态下的局部调度，缺少将产线设备运行状态监测、参考控制模型、反馈偏差、调节控制量、预算约束执行和在线反馈验证统一到一般控制或调节系统中的闭环控制方案。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明的目的在于提供机器人协同产线公平节拍控制方法、系统、设备及介质，以解决上述问题。

2、为实现上述发明目的，本发明提供了机器人协同产线公平节拍控制方法，应用于一般控制或调节系统，所述一般控制或调节系统包括控制器、状态监测单元、控制指令下发单元和反馈验证单元，包括以下步骤：

3、步骤s1，由所述状态监测单元对工业自动化产线设备群进行监视或测试，采集工位拓扑关系、设备或工位容量、工位状态、缓存状态、机器人姿态、夹具状态、在制品位置和作业任务状态。

4、具体地，控制器或控制代理通过所述状态监测单元，经工业现场管理接口、工业机器人遥测、可编程逻辑控制器状态接口、工业机器人协同作业连接状态、缓存统计、设备或工位利用率统计或预先配置的工位拓扑数据库，对被控工业自动化产线设备群进行状态监视和测试。采集内容包括：工位拓扑关系、设备或工位容量、工位有效节拍容量、设备或工位可用状态和故障状态；作业任务的入口工位、出口工位、剩余加工量、建立时间、持续时间、设备接口类别、订单优先级和同步订单批次；入口工位竞争度、出口工位竞争度、设备或工位利用率、缓存占用、堵塞报警比例和上一控制周期的工序路径控制。对于不能实时获取的字段，可采用配置值、滑动窗口平均值、最近一次有效值或业务侧上报值。采集周期可以是阶段级、毫秒级、秒级或由业务控制器触发的事件级，具体由产线规模和设备采样能力决定。

5、步骤s2，为作业任务生成能够由被控工业设备执行的候选工序路径执行状态集合。

6、具体地，对于每个入口出口对，其中，代表入口工位，t代表出口工位，控制器通过工位拓扑搜索、预计算工序路径库、分段工序路径集合、既有多路径执行策略、下一工位集合或制造执行系统提供的候选工序路径，生成候选执行状态。候选工序路径可以限制为经过不同中间工业机器人、满足设备或工位可靠性约束、满足工序路径长度约束或避开故障设备或工位的工序路径。每个作业任务仅从对应入口出口对的候选集合中选择一条工序路径，形成不可拆分单工序路径执行控制状态，控制器不要求同一作业任务在多个候选工序路径之间进行细粒度拆分。

7、步骤s3，建立用于表征入口侧约束、出口侧约束和关键工艺约束的参考控制模型，并根据所述参考控制模型计算各作业任务的参考公平节拍能力。

8、具体地，控制器建立虚拟均衡产线模型vbl(g)，其中g表示产线拓扑图，包括工位节点和工位之间的连接关系；将入口工位和出口工位的接入容量作为约束，忽略产线中间工位的共享约束，但保留入口侧和出口侧接入容量、关键工艺顺序和安全互锁约束。控制器在该参考可行域上执行最大最小公平计算，得到每个作业任务的参考公平节拍能力，所述参考公平节拍能力是在所述参考控制模型下通过最大最小公平计算得到的各作业任务的节拍能力，记为，并将其作为调节控制的参考值。该参考节拍能力的作用是将内部瓶颈造成的节拍能力损失归一化，使不同工位拓扑规模、不同作业任务量组合和不同控制周期的公平保持比例具有可比性。

9、步骤s4，基于当前控制策略下的单工序路径执行状态和所述设备或工位容量约束，计算各作业任务的实际公平节拍能力。

10、具体地，控制器根据当前控制策略对应的工序路径执行状态r构建工位-任务关联矩阵a，其中表示作业任务使用设备或工位，否则为0。为工位-任务关联矩阵元素，为作业任务的节拍能力变量，为设备或工位的容量，对每个设备或工位施加容量约束，并在该约束下通过水位填充分配、线性规划、分层瓶颈消除或最大最小公平求解器计算，所述为当前控制策略对应的工序路径执行状态r下作业任务f的实际公平节拍能力。

11、步骤s5，根据所述实际公平节拍能力与所述参考公平节拍能力的偏差，确定公平保持比例、违规任务集合和同步批次尾部控制指标，形成反馈偏差量。

12、具体地，公平保持比例定义为

13、

14、其中，为作业任务f的参考公平节拍能力，即参考公平节拍能力。给定公平阈值，公平违规集合为。控制器还计算最小公平保持比例、低分位公平保持比例，其中，为所有作业任务公平保持比例中的最小值，为所有作业任务公平保持比例的低分位值，例如10%分位值，用于避免单个异常作业任务完全支配评价结果。所述同步批次尾部控制指标由同步订单批次中各作业任务的剩余加工量与实际公平节拍能力的比值中的最大值确定，对于同步批次，同步批次尾部控制指标定义为

15、

16、其中为作业任务的剩余加工量，所述同步订单批次是指具有同步完成要求的订单任务集合，该指标作为所述一般控制或调节系统的监视或测试输出量，用于表征被控生产批次的尾部等待风险。

17、步骤s6，根据入口工位竞争度、出口工位竞争度、候选工序路径重叠度、归一化瓶颈负载和订单同步重要性，计算被控任务的风险控制量。

18、具体地，计算每个作业任务的风险控制量。一种实施方式为，其中为入口工位竞争度，为出口工位竞争度，为候选工序路径重叠度，为归一化瓶颈负载，为订单同步重要性，权重可配置。分别对应入口工位竞争度、出口工位竞争度、候选工序路径重叠度、归一化瓶颈负载和订单同步重要性的权重。 所述入口工位竞争度表示作业任务在入口工位处与其他作业任务竞争同一入口工位的程度，例如可基于同一入口工位排队的作业任务数量、等待时间、任务优先级中的至少一项确定；所述出口工位竞争度表示作业任务在出口工位处与其他作业任务竞争同一出口工位的程度，例如可基于同一出口工位排队的作业任务数量、等待时间、任务优先级中的至少一项确定；所述候选工序路径重叠度表示作业任务之间候选工序路径共享中间设备或工位的程度，例如可基于两个作业任务候选工序路径共享的中间工位数量与候选工序路径经过的中间工位总数量的比值确定。所述风险控制量根据入口工位竞争度、出口工位竞争度、候选工序路径重叠度、归一化瓶颈负载、订单同步重要性中的至少两项加权获得，并用于确定作业任务的处理顺序和构建任务间冲突图。在另一种实施方式中，所述风险控制量还可以根据设备健康状态对上述加权结果进行修正，例如当设备健康状态低于设定阈值时，提高对应作业任务的风险控制量。

19、步骤s7，根据所述风险控制量，并按照分层反馈调节目标，生成调节动作，所述调节动作包括工序路径执行状态选择、机器人任务重分配、缓存释放、输送线分流、工件换序或瓶颈工位让路。

20、具体地，按照降序处理作业任务。对当前待分配作业任务，计算各候选工序路径的冲突负载、归一化瓶颈负载、工序路径长度、控制规则变更成本和同步订单批次影响，选择综合得分最低的候选工序路径。所述综合得分由冲突负载、归一化瓶颈负载、工序路径长度、控制规则变更成本和同步订单批次影响加权得到；其中，冲突负载、归一化瓶颈负载、工序路径长度、控制规则变更成本和同步订单批次影响越大，综合得分越高，选择综合得分最低的候选工序路径执行状态。其中，所述冲突负载表示候选工序路径与已分配任务路径之间的冲突程度，例如可基于候选工序路径与已分配任务路径共享的设备或工位数量确定；所述工序路径长度表示候选工序路径经过的工位数量；所述控制规则变更成本表示切换至该候选工序路径所需的控制规则变更代价，例如可基于控制规则变更条数、夹具切换次数或作业程序切换次数中的至少一项确定；所述同步订单批次影响表示该候选工序路径对同步订单批次尾部控制指标的影响，例如可基于该候选工序路径对应的同步批次尾部控制指标变化量确定。 将作业任务之间的候选工序路径重叠关系写入冲突图。若两个作业任务共享超过设定比例的中间工位、共享高负载设备或工位，或会导致其中一个作业任务低于公平阈值，则在中建立冲突边。

21、在一种实施方式中，将作业任务集合划分为保护任务集合和核心任务集合，所述保护任务集合为需要优先保证公平保持比例不低于预设公平阈值的作业任务集合；所述核心任务集合为需要优先提高产线总产能和降低瓶颈负载的作业任务集合；所述保护任务集合采用公平节拍保持目标生成调节动作，所述核心任务集合采用产能提升目标生成调节动作。其中，所述公平节拍保持目标是指使保护任务集合中的作业任务公平保持比例不低于预设公平阈值的目标；所述产能提升目标是指提高核心任务集合对应产线总产能和降低瓶颈负载的目标。根据入口出口二分图、入口出口竞争度、作业任务的同步订单批次和公平保持比例预估值识别保护任务。所述公平保持比例预估值是指根据上一控制周期或当前初始分配结果计算得到的公平保持比例。 保护任务优先选择能够提高公平保持比例的候选工序路径；核心任务优先选择能够提高总产能和降低瓶颈负载的候选工序路径。当存在所述公平违规任务时，按照所述分层反馈调节目标选择局部调节动作。

22、在另一种实施方式中，在动态控制周期内，继承上一控制周期中持续作业任务的路径执行状态。所述持续作业任务为上一控制周期已存在且当前控制周期仍在加工的作业任务；所述新到达作业任务为当前控制周期新加入的作业任务。对于新到达作业任务，根据各作业任务在均衡产线参考模型下的公平参考节拍能力计算设备或工位参考负载，其中求和对象为当前使用设备或工位的作业任务。对于新到达作业任务的候选工序路径，计算归一化瓶颈负载

23、

24、并选择最小的候选工序路径。当检测到所述公平违规任务时，仅对持续作业任务执行预算内控制迁移，且迁移数量不超过预设重配置预算。

25、步骤s8，在预设修复预算或重配置预算内，通过所述控制指令下发单元向所述被控工业设备下发机器人作业程序选择指令、可编程逻辑控制器变量、输送线分流指令、缓存放行指令、夹具切换指令或自动导引运输设备调度指令。

26、具体地，控制器将作业任务到工序路径的映射转换为一种或多种控制配置，包括工件批次匹配规则、工件标签、下一工位组、分段工序路径列表、可编程逻辑控制器缓存绑定、夹具或工位选择策略或等效的作业程序或plc变量。对于需要规则合成的设备，控制器先执行控制资源检查，确认控制表项数量、优先级空间和更新窗口满足约束后再下发。其中，所述原子版本切换是指将工序路径控制表作为一个整体进行切换；所述双表切换是指维护当前表和备用表，在备用表更新完成后切换；所述分阶段下发是指按照作业任务组或控制区域分批下发更新。工序路径执行状态更新可以采用原子版本切换、双表切换、分阶段下发、按作业任务组切换或带回滚标记的增量更新。

27、步骤s9，由所述反馈验证单元根据指令下发后的运行状态反馈更新所述控制策略。

28、若更新失败、设备不可达、控制表项超限或遥测结果异常，控制器恢复上一版本工序路径控制，并将本次动作记入失败日志。当修复轮数达到、没有可改善动作或已满足公平阈值时停止，并输出工序路径控制表、可行标志和修复统计。在l轮内未能完全清空时，其中，为公平违规任务集合，返回访问过的控制状态中违规任务数量最少、尾部公平最高且产能不低于设定下限的工序路径控制，并将可行标志feasible设置为false，同时输出违规比例failurefraction和平均修复轮数。所述修复预算或重配置预算是指允许执行控制迁移的最大次数或最大控制表项变更数量，可根据产线规模和实时性要求设定。

29、本发明还提供机器人协同产线公平节拍控制的一般控制或调节系统，包括控制器、状态监测单元、参考控制模型单元、偏差计算单元、风险控制量计算单元、调节动作生成单元、预算约束执行单元、控制指令下发单元和反馈验证单元；

30、所述状态监测单元用于对工业自动化产线设备群进行监视或测试，采集工位拓扑关系、设备或工位容量、工位状态、缓存状态、机器人姿态、夹具状态、在制品位置和作业任务状态；

31、所述控制器用于为作业任务生成能够由被控工业设备执行的候选工序路径执行状态集合；

32、所述参考控制模型单元用于建立用于表征入口侧约束、出口侧约束和关键工艺约束的参考控制模型，并计算各作业任务的参考公平节拍能力；所述参考公平节拍能力是在所述参考控制模型下通过最大最小公平计算得到的各作业任务的节拍能力；

33、所述偏差计算单元用于基于当前控制策略下的单工序路径执行状态和设备或工位容量约束计算实际公平节拍能力，所述实际公平节拍能力是在当前控制策略下的单工序路径执行状态和设备或工位容量约束下通过最大最小公平计算得到的各作业任务的节拍能力；并根据实际公平节拍能力与参考公平节拍能力的偏差确定公平保持比例、违规任务集合和同步批次尾部控制指标，形成反馈偏差量；所述公平保持比例为所述实际公平节拍能力与所述参考公平节拍能力的比值；当所述公平保持比例低于预设公平阈值时，将对应作业任务确定为公平违规任务，所述违规任务集合由所述公平违规任务组成；所述同步批次尾部控制指标由同步订单批次中各作业任务的剩余加工量与实际公平节拍能力的比值中的最大值确定；

34、所述风险控制量计算单元用于根据入口工位竞争度、出口工位竞争度、候选工序路径重叠度、归一化瓶颈负载、订单同步重要性中的至少两项加权计算被控任务的风险控制量；所述入口工位竞争度表示作业任务在入口工位处与其他作业任务竞争同一入口工位的程度；所述出口工位竞争度表示作业任务在出口工位处与其他作业任务竞争同一出口工位的程度；所述候选工序路径重叠度表示作业任务之间候选工序路径共享中间设备或工位的程度；所述订单同步重要性表示作业任务所属同步订单批次对同步完成要求的程度，或者作业任务对同步订单批次完成时间的影响程度；所述归一化瓶颈负载按照候选工序路径中各设备或工位的参考负载与待分配作业任务的参考公平节拍能力之和与对应设备或工位容量的比值中的最大值确定；其中，所述参考负载为当前使用该设备或工位的各作业任务的参考公平节拍能力之和；

35、所述调节动作生成单元用于根据所述风险控制量，并按照分层反馈调节目标，生成调节动作，所述调节动作包括工序路径执行状态选择、机器人任务重分配、缓存释放、输送线分流、工件换序或瓶颈工位让路；所述分层反馈调节目标是指按照违规任务数量、最小公平保持比例、低分位公平保持比例和同步批次尾部控制指标的优先级顺序选择局部调节动作的目标；所述最小公平保持比例为所有作业任务公平保持比例中的最小值；所述低分位公平保持比例为所有作业任务公平保持比例的低分位值；

36、所述预算约束执行单元用于在预设修复预算或重配置预算内执行控制迁移；

37、所述控制指令下发单元用于向被控工业设备下发机器人作业程序选择指令、可编程逻辑控制器变量、输送线分流指令、缓存放行指令、夹具切换指令或自动导引运输设备调度指令；

38、所述反馈验证单元用于根据运行状态反馈更新控制策略。

39、本发明还提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序在所述处理器上运行时，使所述电子设备执行上述方法。

40、本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在处理器上运行时，使所述处理器执行上述方法。

41、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

42、第一，通过实际公平节拍能力与参考公平节拍能力的比值，将中间工位瓶颈导致的服务退化转化为可计算的公平保持比例，便于控制器进行比较和参数调节，实现了参考输入的归一化。

43、第二，通过风险排序和冲突图构建，将热点入口、热点出口、内部共享工位和同步尾部任务纳入同一条工序路径执行状态选择机制，有效降低了高风险作业任务被产能目标挤压的概率，改善了尾部任务的公平性。

44、第三，通过公平阈值和分层修复目标，在可行时优先减少违规任务，在不可行或搜索不足时输出可解释的失败状态（包括可行标志、违规任务比例和修复轮数），避免了错误的不可行结论，提高了系统的可诊断性。

45、第四，通过在线重配置预算限制作业任务工序路径迁移数量，有效降低了控制指令频繁变化、状态迁移和控制表项更新带来的运行风险，提高了系统在动态场景下的稳定性。

46、第五，通过同步批次尾部控制指标将任务级公平与应用阶段等待相连接，有效改善了同步批次生产中的尾部阻塞问题，减少了工业机器人等待、缓存堵塞和工位空转现象。