硕士论文-基于多层次建模与柔性化仿真的可适应制造车间设计与优化.doc

摘 要面对全球化、经贸一体化、日新月异的科学技术、市场竞争日益加剧以及消费需求的个性化、多样化及动态快速多变对制造企业、制造系统及制造模式与方法等在灵活性(柔性)、快速性(敏捷性)、适应性等方面所提出的更多需要、更高要求，传统制造模式与制造方法已显得越来越不适应。为此，本文通过构建一种更为灵活和易于重构的具有较大适应能力的新型先进制造模式可适应制造，并对此模式在制造系统和车间层次上开展了相应的建模方法、生产设备布局优化方法和车间生产调度策略搜索方法的研究与应用，以为增强制造企业、制造系统对市场变化的适应性和灵捷性提供新方法、新途径。本文通过分析如敏捷制造、网络化制造等先进制造模式在对因应市场动态多变的（被动/主动）适应能力的不足之处，提出了一种旨在增强制造企业、制造系统应对市场的适应能力的可适应制造模式。为推动该模式在系统层面和车间层面上的应用与实施，本文创新性地将多Agent 理论与Petri 网方法结合，提出一种基于多Agent 的可扩展着色赋时Petri 网（Agent-oriented Extend Colored Timed Petri Net，AOECTPN）的建模方法，从而可以从不同层次上、不同粒度上以及系统相关行为特上对可适应制造系统进行建模，而且还针对可适应制造系统构建了相应的评价指标体系和多级模糊评价方法以对其适应性等多个特性进行评估。同时，将基于AOECTPN 的建模方法应用于可适应制造车间的建模、设计与优化，并分别提出一种基于遗传算法与禁忌搜索算法的可适应制造车间生产设备布局优化方法和基于Petri 网编码的改进遗传算法的可适应制造车间生产调度策略的搜索方法，以为可适应制造车间在其生产设备和生产调度策略与方法上实现灵捷动态重构，应对市场的快速多变，提供新方法、新策略。本文最后将上述的AOECTPN 建模方法、生产加工设备布局优化方法和生产调度策略搜索方法应用到深圳大学机械制造基础中心的柔性制造系中，构建了相应的可适应制造车间试验系统，从原理上验证了上述方法的正确性、可行性；相关仿真与实验结果表明，本文所提出的可适应制造模式及基于AOECTPN 的多层次建模方法、生产加工设备布局优化方法、生产调度策略搜索方法具有一定的可操作性和实用性，可望为制造业提供一种具有较大适应能力的灵捷制造模式，为可适应制造车间的设计、布局与优化提供一种新方法。关键词：多层次建模，柔性仿真，可适应制造，车间布局，Petri 网，遗传算法AbstractThe face of globalization, trade and economic integration, the ever-changing science and technology, market, increased competition and rapidly changing consumer demand for personalized, diversified and dynamic manufacturing companies, manufacturing systems and manufacturing models and methods in the flexibility (flexible)fast (agility), adaptability more, higher demands, the traditional manufacturing model and manufacturing methods have become increasingly inadequate. In this paper, by constructing a more flexible and easy-to-reconstructed with greater ability to adapt to the new advanced manufacturing mode - can be adapted to manufacture, and model manufacturing systems and shop floor level to carry out the modeling method production equipment layout optimization methods and search methods of the workshop production scheduling policy research and applications that enhance the manufacturing enterprise and manufacturing systems on the market changes, the adaptability and agility of the new methods and new ways.This paper analyzes such as agile manufacturing, network manufacturing, and other advanced manufacturing mode changing in response to market dynamics (passive / active), the ability to adapt to the inadequacies of a designed to enhance the manufacturing companies, manufacturing systems to respond to market adaptation the ability to adapt to the manufacturing model. To promote the application of this mode on the system level and shop floor level and the implementation of this innovation to the Multi-Agent theory and Petri nets method is proposed based on Multi-Agent Extended Colored Timed Petri Net (Agent-oriented Extend, on Colored Timed Petri Net, AOECTPN) modeling method, which can be from different levels, different particle size and system-related behavior especially can be adapted to the manufacturing system modeling, but also can be adapted to the manufacturing system to build the evaluation system and multi-level fuzzy evaluation method to assess its adaptability and other characteristics. The same time, will be used in AOECTPN-based modeling method can be adapted to the modeling, design and optimization of the manufacturing plant, were proposed based on genetic algorithms and tabu search algorithm can be adapted to the production equipment of the manufacturing plant layout optimization method based on Petri net encoding improvements in the genetic algorithm search method can be adapted to the manufacturing plant production scheduling policy, In order to be adapted to the manufacturing plant in its production equipment and production scheduling strategies and methods to achieve the dynamic reconfiguration of agile response to rapidly changing market, providing new methods and new strategies.Finally, the above AOECTPN modeling methods, production and processing equipment layout optimization methods and search methods of production scheduling policies in flexible manufacturing systems applied to the center of Shenzhen University, machinery manufacturing base, building can be adapted to manufacturing plant test system, from the principle of verify the correctness of the above methods, feasibility; related simulation and experimental results show that the proposed manufacturing model can be adapted to multi-level modeling approach based on AOECTPN, production and processing equipment layout optimization methods, production scheduling policy search method operability and practicability, the manufacturing industry is expected to provide a greater ability to adapt to agile manufacturing model can be adapted to the manufacturing plant design, layout and optimized to provide a new method.Keywords：Multi-level modeling, Flexible Simulation, Adaptable Manufacturing, Workshop layout, Petri Net, Genetic Algorithms目 录摘 要I目 录IV第1章 绪 论11.1 课题背景及意义11.2 国内外研究现状与发展趋势31.3 论文主要工作与结构6第2章 可适应制造模式研究82.1 可适应制造的成因分析82.2 现代先进制造模式比较分析92.3 可适应制造的提出112.4 可适应制造模式的内涵与特征122.5 本章小结14第3章 可适应制造系统建模与仿真方法研究153.1 定义与特征153.2 基于AOECTPN的建模方法173.2.1 基于多Agent的多层次建模173.2.2 多Agent的可扩展着色赋时Petri网193.2.3 基于AOECTPN的制造系统模型213.3 柔性化仿真方法243.4 评价指标体系与方法273.4.1 评价指标体系273.4.2 评价方法293.4.3 案例分析313.5 本章小结33第4章 可适应制造车间的布局优化方法研究344.1 定义与特征344.2 基于遗传算法的生产设备布局优化方法354.2.1 问题描述354.2.2 生产设备布局建模374.2.3 遗传算法设计394.2.4 仿真结果424.3 基于改进遗传算法的生产调度策略搜索方法464.3.1 问题描述464.3.2 生产调度过程建模464.3.3 遗传算法设计504.3.4 仿真结果544.4 本章小结57第5章 可适应制造车间试验系统585.1系统的组成及体系结构585.2 硬件配置与软件架构605.3 试验运行与结果615.4 本章小结67第6章 总结与展望686.1 总结686.2 展望69参考文献70致 谢73V第1章 绪 论1.1 课题背景及意义制造环境的变化如越来越短的产品生命期、不确定的需求量、以及日益客户化的产品品种需求等，正迫使制造企业不断提高自身运作管理的效率，以积极适应上述需求变化。面对挑战，传统的制造车间布局和生产组织模式已不再胜任对于各种环境变化的处理，制造企业需要新型的、更为灵活和易于重组的工厂布局以及相应的新型生产控制模式，并且尤其需要对于这两者的正确的组合与合理的综合运用。有鉴于此，本课题提出可适应制造车间（Adaptable Manufacturing Shop）和适应性车间生产系统（Adaptive Shop Floor Manufacturing System）的概念，并研究运用多层次建模和柔性化仿真技术与方法，进行上述新型制造系统的设计与优化，其目的在于从不同的层次上综合提高制造系统对于环境变化的可适应性，包括在战术与运作层次上通过运用合适的生产组织与计划控制策略，提高制造车间的灵活性；以及在战略和结构层次上通过精心设计的模块化制造单元及其组合，有效地实现制造车间的可重组性和易重组性；更为重要的，是通过系统化的运筹与部署，整体上提高系统对于环境变化的鲁棒性，即实现系统的柔性优化（Robust Optimization）。（1）现代制造业面临的主要挑战为了适应经济全球化和现代市场竞争的需要，各种新型制造思想和高新技术运用，现代制造业将向柔性化、网络化、敏捷化、智能化、集成化、模块化、虚拟化和全球化方向发展。在日益变化的市场竞争环境下，制造业将面临新的挑战，其主要表现在以下几个方面：全球化浪潮全球化、信息化的制造环境和个性化消费需求正日益改变着制造业的生产观念和运作模式，尤其是柔性制造、绿色制造、精益生产、敏捷制造、智能制造和虚拟制造等新型制造模式的运用，极大促进了传统制造业的生产观念和管理模式的转变。其主要表现在以下几个方面：竞争策略从单纯保证质量向快速响应市场变化方向转变；管理结构由自上而下的金字塔式结构向扁平式网络化结构转变；组织形式由根据公司功能划分的固定部门向以市场订单或者项目的生命周期为生存周期的动态的、在内部具有完全自治的制造单元和项目组转变；人员管理由传统的技术管理向人性化管理转变。在经济全球化的时代背景下，由于产品的生产和服务周期的不断缩减，从而导致了生产者与消费者之间获取信息的不对等状况，传统通过价格机制获取消费者信息的方式在竞争激烈的市场环境下弊端日益突出，迫使需求信息获取方式向消费者直接获取和引导消费者需求方式方向转变。日新月异的科学技术新的科技革命将给世界生产力发展带来巨大推动，对人类生产方式和生活方式产生深刻影响，并将进一步引起全球经济格局的深刻变化和利益格局的重大调整，这场科技革命大潮对每个国家都意味着机遇和挑战。自主创新能力目前已经成为国家核心竞争力的决定性因素。如何抓住时机、采取切实有效措施全面提升本国的竞争力，已成为世界各国面临的战略性课题。以信息技术为中心的现代科学技术的迅猛发展，促使了世界经济从工业经济向知识经济转变，人类社会进入了前所未有的科技大发展时代。竞争日趋激烈的制造市场现代制造环境由传统的“市场导向”转向“需求导向”，即由传统的消费者根据市场产品获取消费信息向企业根据消费者的潜在需求信息设计产品方向转变。与此同时，现代市场变化频繁，产品的生命周期日益缩短，然而新型产品从设计、制造、生产和销售均需要一定的时间，等产品上市时却只能微利销售，一旦错过销售时期将会导致产品积压严重甚至是被市场淘汰，造成大量人力、物力和财力被浪费。因此，要想在激烈竞争的环境中获得生存和发展就必须使企业的关键竞争力向快速响应市场方向转变。只有实时掌握消费者的潜在需求，在现今制造理念和新型制造技术的配合下才能够牢牢把握住市场的发展方向和消费需求，开发具有自主知识产权的新型产品，只有这样才能够促进基于多层次建模与柔性化仿真的可适应制造车间设计与优化3企业的发展并取得较好的经济效益。（2）现代制造业的主要发展趋势现代制造业的发展趋势主要体现在以下几个方面。现代制造业的发展趋势现代制造业的发展趋势主要体现在以下几点：第一，发达国家的劳动密集型制造业逐步向发展中国家转移；第二，处于工业化进程中的发展中国家，制造业在本国GDP中的比重呈上升趋势，在全球GDP中的比重也呈上升趋势1；第三，现代制造业从“以产品为中心”向以“以顾客为中心转变”；第四，现代制造业呈现出以跨国公司为主导，以产业链细分为特征的国际间转移趋势。现代制造模式的发展趋势自从20世纪80年代开始，传统的大批量制造模式已经严重不能适应新的市场环境的变化，从JIT,LP,CIMS,FMS,AM,CAM/CAPP,VM,IM等新的制造模式不断出现，更先进的制造技术的变革也从来都没有停止过，制造模式的变革正在导致制造业在全球范围内的重新调整和组合。总的来说，未来的先进制造模式将呈现出以下发展趋势：第一，以顾客为中心，密切关注顾客需求变化。由于市场竞争日益激烈，企业必须能够取悦顾客，谁能够最大限度地满足顾客的要求，谁就可以占领市场。为了满足顾客的要求，未来的制造模式必须建立与顾客良好的关系，让顾客参与到产品的设计与开发的过程中，使产品设计体现顾客意图，企业也可以向顾客提供产品的全程服务；第二，保持快速响应市场的能力。市场响应能力是进行有效竞争的第一要素，谁能够更快地响应市场需求，谁就能够赢得市场竞争；第三，制造过程和组织结构柔性化。面对市场的多变性和顾客需求的个性化、产品品种的多样化以及生产计划与调度的动态性，迫使人们采用并行工程技术、快速原型法等技术进行产品设计，采用柔性化的加工和装配设备进行生产制造，提高制造企业的柔性和生产率，使之适应制造要求；第四，重视人的作用，特别注重人、技术与管理的有机结合。未来的先进制造模式将实现从以技术为中心向以人为中心的转变，更加强调人的参与和人的主体作用，把员工视为企业系统的重要组成部分，想方设法地充分调动人的积极性，成功企业非常重视员工具有自我激励精神和在制造与经营过程中的主人翁意识。1.2 国内外研究现状与发展趋势随着经济全球化的进一步深入和信息技术的迅猛发展使得现代制造业的发展在深度和广度上得到进一步的拓展和延伸，与此同时，市场竞争的日益激烈和消费者需求的不断变化，使得现代制造业需要应对越来越多的可预期的变化和不可预期的变化。但是传统的制造模式通常采用缺少柔性和可配置性的架构，从而导致制造系统很难适应制造环境和制造过程的变化。为适应这种变化，制造系统和制造装备呈现出敏捷化、柔性化和可重构的发展趋势。灵活的执行系统是可重构制造系统的基石之一2，因此敏捷化和柔性化的发展趋势对现代制造系统的敏捷性和适应性提出了更高的要求。但是，在基于多层次建模和柔性化仿真的可适应制造车间设计优化方面，国内外均缺乏系统的研究，成功的应用报道更未有见。下面分为适应制造、多层次建模方法和柔性化仿真三个方面对国内外研究现状进行综述。（1）适应制造在适应制造方面，国内外学者和科技工作者开展了大量的研究，并取得了一定的研究成果。比较成功的如国外学者OpenMES3 Nil-Smart4等项目为了降低MES的实施成本和难度，采用公共对象请求代理结构（Common Object Request Broker Architecture）等分布技术，在可伸缩、可重构的MES框架下进行了大量研究。Gaxiola和Pascal等学者引入合弄制造思想提高MES的适应能力。LogicaCMG公司2008年对MES的调查报告显示,虽然有很多MES厂商针对不同的行业和生产模式提出了各自的解决方案，但是应用最广泛的MES系统的可适应性大部分体现在非核心业务环节如报表定值等，却很少有支持影响系统适应性和敏捷性的关键环节如工艺流程变化和和生产需求变化等等。在新型的柔性化车间布局的研究方面，在上世纪末美国自然科学基金会资助启动了一项重大研究计划，并成立了相应的联盟组织下一代工厂布局联盟（NGFL，Next Generation Factory Layout）5。文献5综合报道了相关研究成果，同时针对相关领域成果进行了比较分析。但是，上述研究绝大部分局限于车间布局本身，主要致力于运用数值计算和模型优化的方法设计可重组制造单元，尚未考虑到生产运作策略对车间布局的影响。我国的专家学者在适应制造方面也开展了大量研究工作，例如：植俊文6等学者在继承先进制造系统高效、灵活和可靠性高的前提下，设计出一种支持MES系统的服务程序，较大程度缩短了MES系统的开发周期，节约了开发和实施费用。此外，上海交通大学，同济大学，华中科技大学等专家学者对制造车间的生产布局也进行了大量的研究工作。其中同济大学提出面向敏捷制造的车间布局方法，分析了新型制造模式下的车间布局，阐明了在新型制造模式下的车间布局是一个动态的变化过程，提出了基于敏捷制造的加工设备分布式布局的思想。刘晖等9则将精益生产的思想引入到车间平面布局应用中，建立了生产线车间布局的数学模型和结构模型，结合生产线车间布局特点提出了基于设备分类的定序算法和定位算法。综上所述，现有关于车间布局优化的研究主要集中在可重组单元的设计和算法的研究上，尚未见到将两者结合起来加以优化的应用实例，尤其是将生产运作控制策略与车间布局结合到一起的成功案例。（2）多层次建模方法多层次建模方法是研究可适应制造车间设计与优化的基础，因此，为了研究基于多层次建模的可适应制造车间的设计与优化方法，就必须对多层次建模方法的国内外研究现状进行充分调研和理解。本文在总结相关领域的文献资料的基础之上7,8,9，主要从全局建模、层次化建模和多分辨率建模三个领域对多层次建模方法进行阐述。全局建模全局建模方法（Modeling in the large）是由Bernard P. Zeigler提出的一种解决多侧面（Multi-facetted）建模问题的方法10。全局建模方法提供了一种针对不同的系统边界、分解方式以及建模目标进行系统化组织的综合框架。这种方法提出了系统实验框架和系统实体结构的概念，系统实验框架包括输入-输出变量、运行控制变量和运行控制约束等相关变量，它主要是运用实验的形式来描述建模对象，在实验框架空间内，通常使用输入-输出对偶时间序列的方式采集数据；系统实体结构的基本思想是将实验框架、系统模型和对应的实体部分关联起来，是反映系统边界与不同分解方式之间的树状图。改进后的全局建模方法可以应用到可适应制造车间的多层次建模中，但是不可以不加改进就直接应用于车间建模。层次化建模由于可适应制造系统的结构和控制极为复杂，因此可适应制造系统和适应性生产车间的建模通常无法采用某一个单一的建模方法。根据有关资料11，层次化建模方法一直以来都是系统仿真学术界的一个重点研究问题。在1993年国际冬季仿真会议上，就已经提出了层次化建模的三类基本方法12，例如耦合法，元模型法和软件框架法。耦合法的特点就是由一些基本模型耦合在一起从而生成一个较大的组合模型，生产的组合模型也可以作为一个基本单元与其他单元进行组合形成新的组合体；元模型法主要是通过聚结和降阶的方法实现对模型输入-输出进行逼近模拟；软件框架法主要是通过一些可重组的子模块组成，这些子模块之间通过消息的方式彼此进行通信，如高层体系结构（HighLevel Architecture，HLA）方法。此外，国外的系统仿真专家Luna等给出了模型的四大类层次性13，同时对该问题进行了深入的研究和拓展。然而，上述文献中所研究的层次化建模方法基本上都是针对同一仿真层次，只能够解决某个层次内的模型描述与组织问题，并不能直接用来解决可适应制造车间的多层次建模问题。多尺度建模多尺度建模也叫多分辨率建模（Multi-Resolution Modeling），一直以来都是系统仿真界的研究重点和研究难点，同时也是该领域的一个重要基础理论研究问题，主要用来解决多分辨率仿真模型相互之间的同步运行问题。针对不同的应用领域建模方法各不相同，归纳起来主要有聚集-解聚法（Aggregation-Disaggregation），视图选择法（Selective Viewing），变分辨率法（Variable Resolution）和并发表示法（Concurrent Representation）。（3）柔性化仿真方法在柔性化仿真方面，文献14进行了更为明确的探讨，尽管该文献也未能进行深入研究以寻求具体可行的方案。更为重要的是，所有这些研究虽然均在一定程度上考虑了对于系统复杂性的处理（从建模、仿真优化，包括遗传搜索方面），但在对于多变环境下的生产系统的柔性或鲁棒性（Robustness）的处理方面，以文献7所取得研究成果最为直接和实际。虽然文献15是仅仅针对单纯的生产运作控制策的仿真优化（未综合考虑布局因素），但作者运用了柔性及敏感度分析的方法用以提高系统对于环境波动因素的柔性或适应性。1.3 论文主要工作与结构（1）论文的主要工作论文共分为六章，主要工作概括如下：第1章，介绍课题的来源、背景和意义，分析现代制造业面临的挑战与发展趋势，总结国内外专家学者在与本课题相关领域的研究现状与进展，尤其是在适应制造、制造系统与多层次建模方法和柔性化仿真领域的相关研究与进展。此外还介绍了论文的主要工作与特色和创新点，以及论文的主要结构和安排。第2章，分析可适应制造的成因，分析归纳几种典型先进制造模式的特点、内涵与应用场合和各自面临的问题与挑战。分析计算机集成制造、敏捷制造与适应制造、智能制造与合弄制造和网络化制造的内涵、特点和它们之间的异同点等。在比较以上几种典型的先进制造模式的基础之上提出可适应制造的概念。最后详细阐述了可适应制造模式的定义、特征以及与之相关的技术体系结构。第3章，首先归纳总结可适应制造系统的定义、特征。然后提出了面向可适应制造系统的多层次建模方法，面向可适应制造系统的行为特性建模方法。并利用Agent、赋时Petri网等工具建立了可适应制造系统的多层次模型。以实现对可适应制造系统进行不同层次和粒度的嵌入式描述。为构建系统实现方案库进行各功能层次和单元组合方案下的系统功能实现和通过跨层次和变结构搜索仿真模型的建立提供理论基础。此外分析了基于多层次建模的可适应制造系统的柔性化仿真方法。最后提出了可适应制造系统的评价指标和面向可适应制造系统的多级模糊评价方法。第4章，归纳总结了可适应制造车间的定义、特征，给出基于多层次建模的可适应制造车间设计方法。提出了基于遗传算法的可适应制造车间的生产设备布局方法、生产策略调度算法和基于Petri网的可适应制造车间重组与优化方法。最后对可适应制造车间的性能进行了分析。第5章，开展可适应制造车间原型系统与运行试验，提出了原型系统的体系结构、硬件结构和软件结构，并在深圳大学制造基础实验中心的柔性制造系统（FMS）中进行实验和关键技术验证与试验，同时对得到的试验结果进行分析研究。并将其应用于具体的车间系统设计与运作控制优化过程，通过实践对有关研究结果进行验证和完善。第6章，全文总结与展望。总结全文，展望下一阶段的研究工作。（2）主要特色本论文的主要特色与创新之处可概括如下：提出了一种用于增强企业灵捷性和适应性的新型制造模式及其在制造系统层面和车间层面上的应用方法；提出了基于多Agent的可扩展的着色赋时Petri网的多层次建模方法和可适应制造系统的评价指标体系及多级模糊评价方法。通过将Petri网的变迁序列用于改进遗传算法的编码方法，并将其运用到可适应制造车间的生产加工设备的布局优化和生产调度策略的搜索。第2章 可适应制造模式研究2.1 可适应制造的成因分析（1）外部原因随着经济全球化和信息化的不断发展和深入，现代制造业技术已经向集成化、智能化、虚拟化、标准化、柔性化和绿色化发展,制造业生产形态已经向网络化、全球化发展。在日益激烈的市场竞争中要想获得发展，企业就必须要对自身的组织结构、生产经营模式和管理方式进行调整、变革，以适应不断发展变化的企业内外部环境条件。企业外部环境的变化主要体现在以下几个方面。个性化、多样性消费需求制造业从生产为中心转向市场需求为中心，从企业为主导转向客户为主导，以满足客户需求为目标。客户对制造产品的要求逐渐呈现出多品种、变批量、个性化、高性能、高质量、高可靠性、短交货期和优质的售后服务的趋势，并且上述需求是一个动态的变化过程，迫使现代制造业必须面对一个产品寿命期短、更新快、动态快速多变和难以预测的市场。环保意识与可持续发展思想随着社会的发展和人民生活水平的提高，开始由满足功能需求向满足精神需求转变，因此绿色安全的产品和舒适的工作环境正日益成为消费者选择的指标之一，安全环保的制造原料和环境不但可以满足消费者的需求和降低企业的生产运营费用，而且可以显著调动企业员工的积极性和主观创造能力，利于制造企业的长远发展。日新月异的科学技术各种高科技制造装备和信息化手段的运用，传统的制造模式和生产运作方法在现代制造企业中的矛盾日益突出，迫使制造企业必须改变企业的经营生产策略，并充分利用以信息技术为背景的高科技制造装备和建立新型的生产管理模式，以快速、灵活地组织现有的各种制造资源，在日益激烈的市场竞争中谋得生存和发展。综上所述，制造环境的变化如越来越短的产品生命期、不确定的需求量、以及日益客户化的产品品种需求等，正迫使制造企业不断提高自身运作管理的效率，以积极适应上述需求变化。面对挑战，传统的制造系统的布局和生产组织模式已不再胜任对于各种环境变化的处理，制造企业需要新型的、更为灵活和易于重组的工厂布局以及相应的新型生产控制模式，尤其需要对于这两者的正确的组合与合理的综合运用。（2）内部原因目前较为通行的生产布局与运作控制模式均无法恰当地满足上述对于车间生产系统可适应性的要求。其不足主要在于，首先这些模式通常是为特定的生产批量和品种组合而设计的，即使有系统的和长期的规划，往往也仅能考虑到满足一定长时期（如3-5年）的需求；并且一般以长期的物料处理效率为设计准则，而不是针对柔性化、可适应制造工厂中更需要优先考虑的因素（如品种范围比生产规模更重要、响应性重于低成本、可重组性重于高效率等）。其结果是，系统性能往往随产品批量、品种组合及工艺路线的变化而波动甚至恶化。其次，在生产布局设计方面，人们普遍使用物料处理效率之类的静态评价指标，而忽略布局对于在制品库存、工件排队等待时间、以及生产能力吞吐量等动态指标和工序准备、批次处理、以及现场装卸操作等运作指标的系统而全面的把握，其结果往往导致片面改进了物料处理效率而形成较长的提前期和较高的在制品库存。而在另一方面，在分别进行车间布局和生产运作控制策略设计优化的过程中，人们普遍忽略这两大因素在系统行为方面的交互影响。其结果往往是：在进行布局设计时忽略了考虑合适的运作控制策略与有关布局措施进行良好的匹配；在运作控制策略的设计优化过程中常常受制于落后的生产布局，无法有效突破系统性能的瓶颈。这方面的不足在系统环境复杂多变的情况下往往显得尤为突出。为此，我们需要新型的更为灵活机动的车间布局和生产运作控制策略，需要在设计过程中对系统的结构与行为因素进行系统而全面的集成化综合考虑；需要运用更多的设计评估准则，以准确地把握灵活性和响应性并全面提高系统的可适应性。这就决定了需要新型的车间生产系统设计模型和求解方法（包括车间布局和生产运作控制策略），以有效地应付在产品组合、生产批量以及产品生命期等设计参数方面的不确定性和多样性。2.2 现代先进制造模式比较分析（1）计算机集成制造计算机集成制造（CIMS）是以企业的生产经营活动作为一个整体，对企业各种信息进行加工处理，借助于计算机进行集成化制造、生产和管理。计算机集成制造（CIMS）中的计算机（Computer）仅是一个工具，它是信息交换的基础和连接桥梁；制造（Manufacturing）是目的；集成（Integrated）是CIMS区别于其他生产模式的关键所在，这种集成主要是以信息集成为特征的技术集成和功能集成。CIMS注重于系统和模块的集成但缺乏对系统布局设计和运动控制策略的综合优化，强调是集成性高于效率、高于品种的多样性。因此它尤其适用于大批量定制化生产，而不适用于多品种小批量的客户化定制生产。在动态多变的制造环境和高度多样化的市场环境下以及消费者日益个性化、多样化的需求，对制造系统的灵活性、敏捷性和快速响应性提出了更高的要求，然而，CIMS由于自身特点的影响，CIMS主要注重的是集成特点，而忽略了适应性和敏捷性对制造系统的影响，当面临产品批量较小而且产品类型较多时，制造系统的生产能力和生产效率以及成本显著增加。（2）敏捷制造敏捷制造的实质是制造企业采用现代通信手段，通过快速配置各种资源（包括技术、管理和人）以有效和协调的方式响应用户的需求，实现制造的敏捷性16。它的核心思想是建立能够对用户需求做出灵敏反应、市场竞争能力强的制造环境，使组织、管理、制造和销售等活动都具有敏捷特性。但它的信息系统十分庞大，需要采用能支持多学科、多层次、地域上分布的大规模协同工作的鲁棒组件来提高系统的有效性和可靠性。它需要大范围的、完善的通讯基础结构。敏捷制造主要是通过大量采用各种先进制造技术和先进的管理方法，充分利用信息时代下的计算机技术和通讯技术，强调系统对市场和用户的响应能力。虽然在一定程度上提高了制造系统的敏捷性，但是由于其信息系统十分复杂和庞大，只有大型企业才有能力和实力进行应用，而大部分中小企业因无法忍受实施这一方案的巨大成本不得不忍受企业目前低下的生产运作和组织模式，一旦企业无法获利时就退出这一市场。故而，敏捷制造在适应能力和可操作性和实用性方面目前还无法被大部分企业所接受和运用。（3）智能制造智能制造是指系统具有极强的适应性、友好性。综合采用各学科、各种先进技术来解决制造系统的各种问题。它在制造工业的各个环节，以高度柔性、集成的方式，利用计算机强大的数据处理能力来替代人员进行数据分析、判断和推理，为企业的生产活动和决策提供支持。智能制造主要强调高度集成模块和柔性模块的运用