专利名称：一种带有批处理机的跨作业单元调度方法
技术领域：
本发明涉及一种制造系统的调度方法，特别涉及一种带有批处理机的跨作业单元调度方法，属于先进制造生产控制与调度优化领域。
背景技术：
单兀制造系统(CellularManufacturing System, CMS)是成组技术(Group Technology, GT)在制造领域的典型应用，体现了精益生产的哲理。在CMS中，将机器根据零件工艺的相似性进行分组，形成加工能力相对独立的单元，每个单元能完成一个或多个零件族的生产过程。然而在实际生产中，由于产品日益多样化且单元内生产能力有限，存在某些零件的若干道部分工序需要在其他单元的机器上加工的情况。同时，另一方面，考虑到生产经济学、预算以及空间限制等原因，为每个单元购买额外机器并不可行。因为这类机器通常价格昂贵，启动一次耗费较大，考虑到生产经济学、预算以及空间限制等原因，只能将其放置在某个特定的单元内。这些设备作为稀缺资源，往往可以加工多个零件族的零件(下文中将这种设备称为共用关重设备,Critical Shared Machine, CSM)。在这种情况下，需要跨多个单元才能完成的特殊零件(Exceptional parts, EP),在单元间的转移就形成了跨单元转移问题(inter-cell move)。跨单元转移导致各单元不能独立进行调度,需要单元间协同安排零件的加工顺序。
早在上世纪九十年代初，Garza和Smunt就指出由于跨单元转移难以避免，理想的 CMS将难以实施，须定量分析跨单元转移对生产系统产生的影响，但大部分研究一直集中在如何进行单元构造及如何进行单元内部管理等问题上。直到近年来，随着CMS的实施逐渐深入并遇到困难，跨单元调度这一问题才开始被关注，相关研究可以分为跨流水单元和跨作业单元两种类型。
跨流水单元调度方面，Yang和Liao考虑零件至多在两个单元间移动转移，且只移动转移一次。以flow-time最短为目标，采用分支定界法和启发式算法，解决每个单元内工序的加工顺序。然而，随着工厂布局向单元制造不断转变，跨单元移动转移呈普遍趋势，且越来越复杂，因此零件在两个以上单元之间的移动转移问题更值得关注。Solimanpur等人考虑了特殊零件在两个以上单元间的移动转移问题，以makespan最小为目标，采用启发式算法分两步解决跨单元调度问题。Golmoha_adi等人考虑了单元间移动转移，采用改进的 ElectroMagnetism-Iike (EM-Iike)算法集成解决零件族调度顺序和每个零件族内零件的调度顺序。Mosbah等人以最小化makespan，总完工时间和机器空闲时间为优化目标的采用 Extended Grate Deluge (Effl))算法和启发式算法来解决单元制造系统中具有特殊零件的调度问题。为了解决零件在单元内和单元间的多目标调度问题，Gholipour等人提出一种基于分散搜索的元启发式算法。
跨作业单元方面，Tang等人使用分散搜索方法解决特殊零件跨单元调度问题。 Elmi等人在Tang等人问题模型的基础上，允许可重入零件，即一个零件的不连续工序可以在同一台机器上加工；采用模拟退火的方法，编码方式和Tang等人的方案相同，同时利用邻近结构优化最终解。Xiao等人考虑了零件随机动态到来的情况，采用基于信息素的 Agent协商方法解决了柔性路径下的跨作业单元调度问题。
上述参考文献研究中的对跨单元调度问题的研究考虑的问题模型是都按照基于传统的调度问题模型，生产模式(如流水车间或调度模型、作业车间)进行划分的调度模型。然而在实际生产中，机器类型同样对生产调度产生重要影响，该问题来源于车辆关键零部件的实际生产过程。
零件的加工过程不仅需要车铣刨磨等机械加工工序，还需要进行退火、淬火、回火、渗碳等热处理工序以获得预期的力学性能和物理性能。据调研结果显示，车辆关键零部件的生产过程中有35%的零件既有机加工序也有热处理工序。一般来说，通常将机加阶段和热处理阶段的调度分开考虑，原因是零部件的热处理时间通常远大于机加时间。但我们的调研结果显示从整体上看，机加工序时间虽较短，但是数量较多，因此整个机加阶段的时间占生产全过程的39%左右，而热处理阶段则占42%左右，二者大体相当；另一方面，我们在调研中发现目前已有一部分复杂机加工序的加工时间达到数千分钟，这些现象都使得机加阶段和热处理阶段在最重要的优化指标——时间上得以相提并论。热处理设备作为一类 CSM，仅放置在某一特定单元内。因此不同零件族对热处理设备的访问所引起跨单元转移同时也是单处理机(机加设备)和批处理机(热处理设备)之间的转移。机加工序需要满足机器唯一性约束(一台机器同一时刻只能加工一个零件)和零件唯一性约束(一个零件同一时刻只能被一台机器加工)，属于车间调度问题范畴；热处理工序无须满足机器唯一性约束，属于批量调度问题范畴。经典的作业车间调度问题是一个NP-hard问题，而批量调度问题的引入使其更加复杂。目前从不同设备类型的角度分析跨单元调度问题的研究尚未见成果发表。发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，在跨单元协作模式下，为带有批处理机的作业单元找到高效可行的调度方法，以最小化完工时间、最大化批处理机利用率、以及最小化非批处理工序和批处理工序之间等待时间为目标，来保证单元制造系统整体高效的运作。
本发明考虑的制造系统由多个单元组成，每个单元中有若干台加工能力不同的机器，可以完成工艺相似的零件族的生产；系统中有且只有一台批处理机，放置在其中一个单元中；单处理机一次只能加工一个零件，批处理机则可以同时加工多个零件；制造系统还满足以下条件
I)所有零件在零时刻到达；
2)批处理机有一定的空间限制，零件的尺寸规格已知，在不超过空间限制的条件下，同一零件族的零件可以同时在批处理机上加工；
3)零件的加工过程由多道具有次序约束的工序组成，其中每个零件有且只有一道工序需要在批处理机上完成，且批处理工序不为最后一道工序；
4)由于单元之间机器加工能力部分重叠，导致零件具有柔性路径，但对于某个零件的特定工序，在每个单元内至多有一台可加工机器且加工时间已知；
5)批处理工序的加工时间为当前批次中所有零件批处理时间的最大值；
6)考虑单元间转移时间，而忽略单元内转移时间，不同单元间转移时间因距离和零件类别而不同；
7)考虑不同零件族之间的主要准备时间，而忽略同一零件族内部的次要准备时间，即当同一机器上连续加工同一零件族的零件时，忽略准备时间；其中主要准备时间已知且不随调度次序改变而发生变化；
8)批处理设备之前的缓冲区容量足够大；
9)每台机器加工工件都是非中断非抢占式的；
10)不考虑机器故障、原材料短缺及操作人员空缺的情况。
针对满足以上条件的制造系统，本发明提供了一种带有批处理机的跨作业单元调度方法，包括以下步骤
第I步定义如下表所示的索引和变量
表I索引和变量
权利要求
1. 一种带有批处理机的跨作业单元调度方法，包括以下步骤 第I步定义如下表所示的索引和变量表I索引和变量
2.根据权利要求I所述的一种带有批处理机的跨作业单元调度方法，其特征在于，按照下表所示设置用户参数
全文摘要
本发明涉及一种带有批处理机的跨作业单元调度方法，包括以下步骤1.定义三种不同结构的信息素；2.初始化信息素；3.按照加工顺序，将每个零件的批处理工序之前的每道工序分派至机器；4.按照时间顺序，将每个机器上的每道工序排序；5.将零件组批、调度批处理工序；6.按照加工顺序，将每个零件的批处理工序之后的每道工序分派至机器；7.按照时间顺序，将每个机器上的每道工序排序；8.根据形成的解，更新信息素；9.若循环次数达到上限，或连续若干次最优解无变化，则结束；否则，转第2步。本发明能够解决生产过程中零件跨单元调度问题；能够处理生产过程中的批处理工序和非批处理工序的集成调度，并保证运行效率。
文档编号G06Q10/06GK102938102SQ20121039862
公开日2013年2月20日 申请日期2012年10月19日 优先权日2012年10月19日
发明者李冬妮, 孟宪文, 王妍, 王彤, 王小海, 金铮, 郑伟, 居玉辉, 郝勇, 谢洪涛, 李弘 , 赵凯, 潘树民, 许清波, 段勇, 郑鸿, 马小丽, 闫锦锋, 马开, 赵瑞颖, 邓卫云 申请人:北京理工大学