一种数字化车间的拥堵联合重构自愈控制方法及其相关设备

本发明属于数字化车间领域，涉及一种数字化车间的拥堵联合重构自愈控制方法及其相关设备。

背景技术：

1、随着工业智能化和柔性制造的发展，数字化车间被广泛应用于多品种、小批量以及节拍动态变化的生产场景。在数字化车间运行过程中，设备短时停滞、物料供应不均衡、缓存区域积压和输送节拍波动等因素，可能导致局部工位出现输送等待、缓存饱和或运行停滞等拥堵状态。由于连续生产线中各工位之间存在节拍耦合关系，局部拥堵若不能被及时识别和控制，容易向相邻工位扩散，进而影响生产线整体运行稳定性。

2、现有相关技术通常涉及固定缓冲段控制、整线节拍修正以及事前排产调度等方式。其中，固定缓冲段控制主要依据预设缓冲区域内的物料存量调节上下游设备运行速度，难以根据拥堵扩散方向动态改变控制区域；整线节拍修正主要面向生产线整体产能协调，难以及时对局部突发拥堵区域进行隔离和联合重构；事前排产调度主要用于生产开始前的任务排序和资源分配，难以处理生产线运行过程中已经发生的多点拥堵耦合问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种数字化车间的拥堵联合重构自愈控制方法及其相关设备，能够提前识别双向拥堵影响、对相邻局部控制区域进行联合重构，并在恢复阶段进行逐级拆分和负载渐进恢复。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种数字化车间的拥堵联合重构自愈控制方法，包括：

4、s1，获取生产线上各个工位的状态数据；

5、s2，根据状态数据识别出拥堵工位，并在拥堵工位及其相邻工位处建立第一初始隔离控制区和第二初始隔离控制区；

6、s3，提取位于第一初始隔离控制区与第二初始隔离控制区之间且未达到拥堵触发条件的工位，生成中间工位集合；

7、s4，利用第一初始隔离控制区对中间工位集合内各个中间工位产生的第一侧拥堵压力值以及第二初始隔离控制区对各个中间工位产生的第二侧拥堵压力值，计算各个中间工位的双向拥堵耦合指数；

8、s5，在双向拥堵耦合指数满足联合重构条件时，将第一初始隔离控制区、第二初始隔离控制区以及中间工位集合合并，构建出联合动态隔离控制区；

9、s6，根据联合动态隔离控制区内异常工位的异常处置恢复预估时间计算出降级运行策略下的解耦代价；

10、s7，根据解耦代价修正联合动态隔离控制区内各个工位的生产运行节拍并生成协同调节指令；

11、s8，在生产线按照协同调节指令运行且异常处置完成后，解除联合动态隔离控制区内各个工位的联合控制状态。

12、可选的，s2中，在建立第一初始隔离控制区和第二初始隔离控制区后，根据拥堵扩散方向对第一初始隔离控制区和第二初始隔离控制区的边界执行弹性调整操作；在连续多个上游工位的输送等待时间超过预设时间阈值时，将至少一个上游相邻工位并入第一初始隔离控制区或第二初始隔离控制区的控制范围；在拥堵工位恢复正常运行且下游工位连续稳定运行时间达到预设稳定时间阈值时，将边界工位逐级移出第一初始隔离控制区或第二初始隔离控制区的控制范围。

13、可选的，s4中，利用第一初始隔离控制区内缓存占用量相对于缓存上限的正偏差结合单调递增归一化函数计算出第一侧拥堵压力值；利用第二初始隔离控制区内排料等待时间或缺料持续时间相对于预设排料阈值的正偏差结合单调递增归一化函数计算出第二侧拥堵压力值。

14、可选的，s5中，在任意一个中间工位的双向拥堵耦合指数在连续多个采样周期内大于或等于联合重构阈值且双向拥堵耦合指数的一阶时间变化率大于预设增长阈值时，判定满足联合重构条件；在构建联合动态隔离控制区的过程中，为联合动态隔离控制区分配统一的联合控制区标识。

15、可选的，s6中，根据中间工位集合内各个中间工位的缓存上限和当前缓存占用量计算出中间缓冲总容量和瓶颈缓冲容量；根据异常处置恢复预估时间、当前生产节拍和缓存变化率得出物料流量波动需求；在物料流量波动需求超过中间缓冲总容量或瓶颈缓冲容量的消纳能力时，按照待消纳物料流量波动需求与瓶颈缓冲容量之间的差值得到瓶颈缓冲容量不足量；将瓶颈缓冲容量不足量、异常处置恢复预估时间、联合动态隔离控制区内的累计节拍偏差以及调速幅度加权计算得到解耦代价。

16、可选的，在计算解耦代价之前，将瓶颈缓冲容量不足量、异常处置恢复预估时间以及累计节拍偏差归一化至同一数值区间；在解耦代价增大时，提高联合动态隔离控制区上游侧工位的降速幅度并降低中间工位集合中各个中间工位的节拍波动率目标值；在解耦代价减小时，逐步减小降速幅度并按照正常生产运行节拍调整联合动态隔离控制区内各个工位。

17、可选的，s8中，退化条件为中间工位集合中各中间工位的双向拥堵耦合指数的最大值在连续多个采样周期内小于或等于退化阈值，且联合动态隔离控制区内各工位的缓存占用量均回落至预设稳定缓存区间；按照预设顺序逐步解除联合动态隔离控制区内部分工位与联合控制任务队列之间的映射关系；将工位移出联合控制任务队列并确定为被释放工位，按照逐步递增的频率给定值或速度给定值将各个被释放工位的运行负载调整至正常运行负载；在全部被释放工位完成运行负载调整后撤销联合控制区标识。

18、一种数字化车间的拥堵联合重构自愈控制系统，包括：

19、数据获取模块，用于获取生产线上各个工位的状态数据；

20、隔离区建立模块，用于根据状态数据识别出拥堵工位，并在拥堵工位及其相邻工位处建立第一初始隔离控制区和第二初始隔离控制区；

21、集合划分模块，用于提取位于第一初始隔离控制区与第二初始隔离控制区之间且未达到拥堵触发条件的工位，生成中间工位集合；

22、指数计算模块，用于利用第一初始隔离控制区对中间工位集合内各个中间工位产生的第一侧拥堵压力值以及第二初始隔离控制区对各个中间工位产生的第二侧拥堵压力值，计算各个中间工位的双向拥堵耦合指数；

23、控制区重构模块，用于在双向拥堵耦合指数满足联合重构条件时，将第一初始隔离控制区、第二初始隔离控制区以及中间工位集合合并，构建出联合动态隔离控制区；

24、代价计算模块，用于根据联合动态隔离控制区内异常工位的异常处置恢复预估时间计算出降级运行策略下的解耦代价；

25、节拍修正模块，用于根据解耦代价修正联合动态隔离控制区内各个工位的生产运行节拍并生成协同调节指令；

26、状态解除模块，用于在生产线按照协同调节指令运行且异常处置完成后，解除联合动态隔离控制区内各个工位的联合控制状态。

27、一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述数字化车间的拥堵联合重构自愈控制方法的步骤。

28、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述数字化车间的拥堵联合重构自愈控制方法的步骤。

29、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

30、本发明通过引入双向拥堵耦合指数，量化了相邻隔离区对中间工位的双向压迫程度。当多点局部拥堵产生耦合风险时，打破传统固定缓冲段的局限，将独立的初始隔离区与中间工位逻辑合并为统一的联合动态隔离控制区，消除了各局部控制区独立运作引发的调节滞后与干涉干涉问题。在此基础上，结合异常处置恢复预估时间计算解耦代价来修正生产运行节拍，实现了异常工况下的负载平滑过渡，并在恢复后解除控制，从而有效遏制了拥堵的恶性扩散，显著提升了数字化车间连续生产线的整体运行稳定性与自愈控制能力。

31、进一步地，根据拥堵扩散的动态时空演变规律来实时重塑控制边界，通过设定时间阈值与稳定时间阈值作为扩缩边界的判断依据，使得系统能够获知上游物料积压或下游运行恢复的真实状况，避免了控制范围固定造成的过度干预或干预不足，在有效包容突发物料流量波动的同时，最大程度地保障了非受波及工位的正常生产节拍，进而提高了整条产线的生产效率和管控精度。

32、进一步地，利用缓存占用量、排料等待时间或缺料持续时间的正偏差，来表征物料堆积与断供压迫状态。结合单调递增归一化函数进行处理，有效消除了不同量纲、不同设备工况以及多源异构数据带来的计算误差，将原本难以统一度量的缓冲余量与节拍异常转化为标准化的压力指标。该量化方式准确揭示了上下游工位异常状态对中间工位的实际耦合映射关系，为联合重构的触发提供了严密的数据支撑。

33、进一步地，通过限定双向拥堵耦合指数的连续采样周期和一阶时间变化率，构建具备趋势预判能力的重构触发机制，过滤因设备短时停滞或微小节拍波动引起的瞬态数据噪声，准确锁定真正处于恶化趋势的拥堵耦合状态，从而避免了系统频繁进行无效的拓扑重构。同时，在构建过程中为联合动态隔离控制区分配统一的联合控制区标识，确保了各工位状态数据与执行指令在控制系统中的唯一性与同步性，消除了协同控制中的指令错乱风险。

34、进一步地，将抽象的系统解耦目标转化为多维度的成本量化模型，通过计算中间缓冲总容量与瓶颈缓冲容量的消纳极限，确定瓶颈缓冲容量不足量，并综合异常恢复时间、累计节拍偏差和调速幅度进行加权计算。多维加权机制权衡了物料堆积导致停机的风险成本与频繁大幅度调速带来的设备磨损成本，使得系统在降级运行状态下能够精准评估当前的缓冲消纳能力，从而为产线输出兼顾时间效率与设备健康度的最优协同调节策略。

35、进一步地，基于归一化处理后的解耦代价变化趋势，实施差异化的上下游节拍修正策略。当代价增大时，通过提高上游降速幅度以从源头截断物料输入，并压低中间工位的节拍波动率目标值以强制消纳堆积物料；当代价减小时，则通过逐步减小降速幅度以引导产线平稳过渡至常态节拍。这种基于实时代价反馈的控制机制，形成了上游限流、中间缓冲和下游排料的协同效应，将物料流量波动严格封锁在联合动态隔离控制区内部，防止局部扰动向整线恶性传导。

36、进一步地，引入双向拥堵耦合指数回落与缓存占用量达标的双重判断标准，确保产线在脱离拥堵危险后才启动解绑程序。通过预设顺序解除映射关系，并向被释放工位发送逐步递增的频率给定值或速度给定值，避免了异常排除后物料瞬间集中提速引发的机械刚性冲击与二次拥堵。这一渐进式恢复机制大幅降低了电气负载突变对执行器的破坏，保障了车间自愈阶段向常态化生产的平稳过渡。