一种中间存储能力有限的混合流水车间调度方法
【专利摘要】本发明是一种中间存储能力有限的混合流水车间调度方法，混合流水车间调度是一类典型的生产调度问题，属于NP-难问题，传统调度方法大都假设中间存储无限的情况，但是实际生产中，相邻工序之间的存储一般是有限的。针对中间存储能力有限的混合流水车间调度问题，建立了该问题的混合整数规划模型，并提出了一个迭代变邻域下降搜索算法。在算法中，针对混合流水车间调度问题的特点，使用基于工件顺序的编码及解码方法。针对传统邻域类型广域搜索能力不足的问题，提出了基于块删除与插入的大规模邻域搜索。该方法可以有效地保证工序问物流衔接一致，降低中间库存，减少能耗，从而提高企业的竞争力。
【专利说明】一种中间存储能力有限的混合流水车间调度方法
【技术领域】
[0001 ] 在制造型企业中，产品的生产通常都需要多道工序才能完成，而每道工序一般都有多台相同的加工机器。因此，这种生产调度问题都可以归结为混合流水车间调度问题(Hybrid Flowshop Scheduling Problem,HFSP)。在传统的混合流水车间调度问题中，通常假设相邻工序之间的存储能力是无限的。但是，在实际的工业生产过程中，相邻工序之间一般都设有中间库，用来存储中间产品，以保证各工序生产的连续性。因此，在实际调度中还需要考虑中间存储能力有限的情况。
【背景技术】
[0002]现有的流水车间调度问题解决方案的设计，大都不会考虑存储能力的问题，然而，在实际生产过程中，中间库存是不可避免地存在着的。而对中间存储能力有限情况下的调度问题解决方案，目前只有针对流水车间调度问题的设计，而针对混合流水车间调度问题方案的设计仍然处于空白。因此对中间存储能力有限的混合流水车间调度问题(HFSP withfinite buffers,HFSP-FB)的解决具有重要的意义,它能够保证工序间物流衔接一致，降低中间库存，减少能耗，从而提高企业的竞争力。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是，在建立了中间存储能力有限的混合流水车间调度问题的混合整数规划模型的基础上，基于变邻域下降搜索(iterated variableneighborhood descent search,VNDS)算法在生产调度等组合优化问题中所表现出的优异性能，提出了一个迭代变邻域下降搜索(iterated VNDS，I VNDS)算法。在该算法中，提出了基于工件序列的解的编码与解码方法以降低该问题邻域搜索的难度，提出了基于块删除与插入的邻域搜索方法以提高算法的广域搜索能力，并且在算法中引入了精英集以提高算法跳出局部最优的能力。该模型和算法对于调度的时间展望期以及工件的开始加工时间和完成加工时间均没有特殊要求。
[0004]本发明采用的技术方案是:
[0005]1.HFSP-FB问题的混合整数规划模型
[0006](I)问题描述
[0007]HFSP-FB问题如图1所示，包括N个工件，J个连续的工序(阶段)，每个阶段j(j=l，...，J)的同构并行机的数目为Mj，在两个相邻的阶段之间有一个能力有限的中间库。每个工件都要依次在每个阶段的一个机器上进行加工。当工件i在阶段j加工完成后，如果下一个阶段有空闲的机器同时该阶段后面的中间库还有存储能力，那么它既可以通过中间库直接被送到下一个阶段继续进行加工，也可以被送到该阶段后面的中间库中存储起来。当某阶段的一个机器m在加工完一个工件后，如果该阶段后面的中间库没有多余的存储能力，那么这个工件就必须继续停留在机器m上，即机器m就被阻塞了。同样，如果下一阶段没有空闲的机器，那么存储在中间库中的某个位置上的工件也必须继续停留在中间库的该位置上，即中间库中的该位置被阻塞了。此外，还要求所有的工件都必须在最终交货期之前完成，不允许拖期。问题的目标是最小化所有工件的加权完成时间。
[0008](2)建模思想
[0009]在相邻两个阶段之间的中间存储区中都包括i个存储位置，而每个位置都可以看作一个处理时间为O的机器，因此，每个中间存储区郁可以看作是一个带有i个并行机的加工阶段。由于这些并行机对工件的处理时间为0，因而可以假设所有的工件都必须依次通过所有的阶段进行加工。当一个工件在某阶段的一个机器上加工完成后，如果下一个阶段没有空闲的机器，那么这个工件就必须继续停留在该机器上，从而使该机器被阻塞。机器被阻塞的时间不是一个常数，它与下一个阶段中机器的最早可利用时间有关。这样，原问题就变成了一个中间没有存储且工件无等待的HFSP问题。该问题与原问题是等价的。在转化后的问题中，总的阶段数变为2XJ-1，其中中间存储区总是处于偶数阶段。
[0010](3)混合整数规划模型
[0011]①参数
[0012]i工件号，i e I, I = {1,2,...，η}，其中η表示工件的总数。
[0013]j阶段号，j e {1,2, S}, S表示总阶段数，s=2xj-l, J为原问题中的总阶段数。
[0014]k阶段j的机器号。
[0015]Mj阶段j的机器总数。
[0016]Wi工件i的权重。
[0017]pij工件i在阶段j的处理时间，注意在中间存储区阶段j=2，4，...，2xJ_2的
Pij=Oo
[0018]Di工件i的最终交货期(deadline)。
[0019]Q 一个不小于调度展望期的数。
[0020]②决策变量
[0021 ] xi jk如果工件i在阶段j被分配在机器k上进行加工，则Xijk=I，否则xijk=0(i e I: j=l,...，S:k=l,...，Mj)。
[0022]yilj如果在阶段j工件i排在工件I紧前面进行加工，则yilj = 1:否则yilj=0(i,I e 1:j = 1，...，S)。
[0023]Cij工件i在阶段j的完成时间，i e 1:j = 1，...，S。
[0024]rij工件i在阶段j的离开时间，i e I:j=l,...，S。
[0025]上面所定义的参数和决策变量的具体意义如图2所示。
[0026]③混合整数规划模型
【权利要求】
1.一种中间存储能力有限的混合流水车间调度方法，其特征在于:设计了基于工件加工顺序的解的编码与解码方法。
2.权利要求1所述的一种中间存储能力有限的混合流水车间调度方法，其特征还在于:使用基于块删除与插入的大规模邻域搜索。
3.权利要求1所述的一种中间存储能力有限的混合流水车间调度方法，其特征还在于:在权利要求2的基础上，加入了变深度的思想，即基于块删除与插入的邻域规模会随着搜索的进行从小到大变化，搜索的重心逐渐从局域搜索转换到广域搜索。
4.权利要求1所述的一种中间存储能力有限的混合流水车间调度方法，其特征还在于:在权利要求3的基础上，在变邻域下降搜索中引入了精英集，存储搜索过程中得到的较好解，变邻域搜索每次迭代的初始解从该精英集中随机选取。
【文档编号】G05B19/418GK103592920SQ201310594280
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月19日 优先权日:2013年11月19日
【发明者】田慧欣, 李坤 申请人:天津工业大学