一种用于准时制生产的并行设备调度策略的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于企业生产计划与调度技术领域，具体涉及一种以准时制生产为目标的 并行设备调度策略。
【背景技术】
[0002] 现代激烈的市场竞争环境对企业生产满足准时制的要求越来越高。如果企业不能 在交货期内完成计划中的任务，从短期来看，企业经济利益受到损害，从长期来看，企业信 誉亦受到影响。因此，企业生产的所有产品总加权滞后是一个经济效益指标，在国民经济流 程工业和制造业的企业生产环境中显得非常重要。对产品生产工序只有一台设备的情况， 国内和国际上已有很多调度策略的理论成果和实际应用。然而，随着企业生产能力和要求 的提高，并行设备的存在已经较为普遍，现有的考虑并行设备的调度策略不能有效地求解 大规模问题，或实时性较差而不方便实际应用，或不能处理设备故障时的重调度问题。
[0003] 作为一种新型群智能优化算法，组搜索算法（GSO)是He等受动物集体捕猎行为启 发而提出的。在组搜索算法中，种群中的个体按照"发现一参与"的不同分工扮演不同的角 色。在种群中，发现当前最优位置的个体被称为发现者，参与并分享发现者成果的个体被称 为参与者。为了防止算法陷入局部最优，组搜索算法引入了 "游荡"策略，将参与者分成追 随者和巡逻者，一旦发现者发现了猎物踪迹，追随者会快速向发现者靠近，同时巡逻者会在 群体附近进行随机的游荡。组搜索算法将种群分为三种不同角色的机制有利于实现种群多 样化的目的，这三种角色的进化机制充分体现了其在寻优过程中的分工：发现者用于探索 较优位置附近区域，追随者的分享机制体现了种群的开发性，而巡逻者的随机搜索则体现 了算法对未知区域的探索性。近几年来组搜索算法在各个领域中逐步得到推广应用，目前 已被应用于拓扑结构优化、神经网路训练、医学诊断等领域。
[0004] 考虑到实际工业中并行设备调度面临产品众多、生产环境复杂、生产设备不稳定、 有准时化生产限制、有实时调度要求等特点，现有的调度方案往往依靠工作人员经验或固 有的启发式规则，达不到准时制和重调度的高要求。而组搜索算法的进化机制决定了其具 有较好的全局探索性和局部开发性，同时，现有成果亦表明了其在收敛速度上有着自身的 优势，可适用于对实时性要求较高的工业实际。因此，本发明设计离散域下进化的组搜索算 法，将其引入到流水线并行设备的调度求解中，设计了基于组搜索算法的准时制生产的并 行设备调度策略。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对大规模、实时性和设备故障而提出一种基于组搜索算法的并 行设备调度策略。
[0006] 本发明采取如下的技术解决方案： 一种用于准时制生产的并行设备调度策略，包括以下步骤。
[0007] 步骤1 :策略准备阶段：实时载入并行设备的台数和各个产品的处理时间、交货 期、权系数。同时，利用分支定界法的相关结论，对每一产品做以下判断：如果该产品在任意 的调度方案中都属于准时的(滞后为零)，则该产品不影响调度安排，将其放在最后处理即 可。将这样的产品从产品集合中剔除以减小问题规模。所述设备和产品的信息在零时刻都 为已知；所述权系数由效益控制部门根据各产品的重要性程度给定。
[0008] 步骤2 :调度目标和调度方案的确定阶段：若某个产品的完成时间在交货期之前， 则其滞后为零，否则滞后为完成时间减去交货期。所有产品的滞后加权求和则为调度目标。 算法将调度问题的调度解编码为产品的序号排列，排在前面的产品先处理，处理时选择最 先空闲下来的设备，因此每个产品排列可对应一个活跃调度，产生调度方案应符合以下约 束条件： 产品的处理过程不允许中断，一旦在某设备上开始处理，则必须处理结束，中途不能 停止；每个产品任意时刻只允许在一台设备上处理；每个设备任意时刻只允许处理一个产 品；每台设备上处理的所有产品必须不停歇地进行直到全部结束。
[0009] 步骤3 :组搜索算法初始化阶段：算法种群中的一个解由最短处理时间优先（SPT) 规则生成，若该解中所有工件都是滞后的或所有工件都没有滞后，则该调度已是最优方案， 算法终止。否则，通过改进交货期（MDD)规则生成另一个解，若该解的加权滞后和为零，则 该解已是最优方案，算法终止。否则，随机初始化剩下的其他种群个体。
[0010] 步骤4 :组搜索算法的进化阶段：沿用组搜索算法的优化思想，结合调度问题的邻 域概念和智能算法的交叉变异算子，进行发现者、追随者和巡逻者的操作设计。
[0011] 步骤4. 1 :发现者作用在种群最好解上，对个体采用最优插入扰动，从而得到当前 解周围的某个扰动解，然后基于此解，进行插入局部搜索，直到获得局部最优。最优插入扰 动过程在当前解的基础上，选择若干个不重复的产品序号，将对应的产品插入到其他位置 中的最优位置上；插入局部搜索依次将各个产品进行插入邻域搜索，知道解不能再变好为 止。
[0012] 步骤4. 2 :追随者将对应的个体和发现者个体进行交叉，从而得到和发现者个体 相似的解。将当前解和种群最好解进行交叉，可选择的交叉算子有部分匹配交叉、次序交 叉、基于位置的交叉、基于次序的交叉、循环交叉、线性次序交叉等。
[0013] 步骤4. 3 :巡逻者主要起到随机游荡的作用，采用两种方式实现：随机产生符合生 产约束的调度解；或在当前最好解的基础上做一次较大的扰动。巡逻者得到的个体将替换 掉种群中的最差者，即采用"末位淘汰制"。
[0014] 步骤4. 4 :判断终止条件是否满足，若不满足则返回步骤4。
[0015] 步骤5 :在线重调度阶段。若出现设备故障情况，则将当前设备从设备集中删除， 重新载入并行设备的台数和处理产品的处理时间、交货期、权系数等，重新载入产品和并行 设备信息，并利用去除准时产品的方法尽可能地降低问题的规模。然后重复步骤3和步骤 4,得到重调度方案。
[0016] 本发明的有益效果在于： 本发明考虑了效益相关的企业目标，适合准时制生产企业，实用性强；采用了随机和启 发式规则结合的初始化方法，方案多样性好；嵌入了基于插入的局部搜索，确保了调度解搜 寻的高效性；对设备故障等突发事件可以实时响应，短时间内获得重调度方案，可靠性高， 可用于流程工业制造业生产周期紧张、过程复杂、设备不稳定的并行调度场合。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明【具体实施方式】的并行设备调度策略的流程图。
[0018] 图2为本发明【具体实施方式】的组搜索算法编码解码示意图。
[0019] 图3为本发明【具体实施方式】的SPT调度计划甘特图。
[0020] 图4为本发明【具体实施方式】的MDD调度计划甘特图。
[0021] 图5为本发明【具体实施方式】的无故障最优调度计划甘特图。
[0022] 图6为本发明【具体实施方式】的设备故障重调度计划甘特图。
[0023] 图2-图6中，横坐标为时间，纵坐标为设备，矩形方块表示产品的处理过程，矩形 方块正中标示数字为产品序号，右下角标示数字为该产品的完成时间，右上角标示数字为 该产品的滞后，total tardiness为总滞后。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0025] 本实施方式是将该调度策略应用到某间歇化工厂零等待作业过程具有并行设备 的环境中，该间歇过程具有n(n = 20)个产品1至】2。待生产，有m(m = 8)台并行设备M1 至仏可用。对产品^至了；；。，用P = [a, A，···，A。]表示加工时间向量，D= [4，4，···， 4。]表示交货期向量，取值如表1。设备故障为M5在第10分钟停止工作。
[0026] 表1加工时间表
本实施方式的并行1???调反朿嵴，卯? i不，迅炻以卜少骤。
[0027] 步骤1 :策略准备阶段：实时载入并行设备的台数和各个产品的处理时间、交货 期、权系数。同时，利用分支定界法的相关结论，对每一产品做以下判断：如果该产品在任意 的调度方案中都属于准时的(滞后为零)，则该产品不影响调度安排，将其放在最后处理即 可。将这样的产品从产品集合中剔除以减小问题规模。所述设备和产品的信息在零时刻都 为已知；所述权系数由效益控制部门根据各产品的重要性程度给定。本实施方式取所有产 品的权系数为1，根据产品剔除方法，对产品，式（1)
成立，则任意调度方案中，该产品一直滞后，只需要将其放在最后加工即可，因此从产 品集中删除。对考虑的间歇过程生产，所有的产品均不满足该要求，因此问题规模仍然为 20,即该步骤后仍有20个产品需要安排生产。
[0028] 步骤2 :调度目标和调度方案的确定阶段：若某个产品的完成时间在交货期之前， 则其滞后为零，否则滞后为完成时间减去交货期。所有产品的滞后加权求和则为调度目标。 算法将调度问题的调度解编码为产品的序号排列，排在前面的产品先处理，处理时选择最 先空闲下来的设备，因此每个产品排列可对应一个活跃调度，产生调度方案应符合以下约 束条件： 产品的处理过程不允许中断，一旦在某设备上开始处理，则必须处理结束，中途不能 停止；每个产品任意时刻只允许在一台设备上处理；每个设备任意时刻只允许处理一个产 品；每台设备上处理的所有产品必须不停歇地进行直到全部结束。
[0029] 对于产品排列（1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16， 17，18，19，20)，表示首先处理序号为1的产品J 1，然后处理J2，...最后处理J2。，用甘 特图表示为图2。反过来，给定一个图2的调度方案，将产品在各台设备上的开始处理时刻 进行升排序，可以构建一个对应的产品排列（1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12， 13，14，15，16，17，18，19，20)。若出现多个产品开始处理时刻相同，则先选择序号小 的产品，这样可使得每个调度方案甘特图和编码排列是一一对应的。目标函数的计算过程 为：根据产品排列，对每个产品，首先确定当前设备中哪台最先空闲，然后将该产品放入该 设备中处理，计算其完成时间，根据完成时间和交货期计算其加权滞后，所有产品计算完毕 即得到总的准时制目标函数，据此得图2调度计划的总滞后为163