柔性流水车间能耗优化调度方法技术

本发明专利技术公开了一种具有两类调整时间与顺序相关的柔性流水车间能耗优化调度方法，包括步骤：(1)针对具有两类调整时间与顺序相关的柔性流水车间调度问题建立关于最小化总能耗的数学模型，所述两类调整时间包括与顺序相关的第一类调整时间以及与工件顺序和工件所安排到机器相关的第二类调整时间；(2)根据所建立的数学模型，生成一种基于工件调整时间和加工时间的能耗成本排序策略以对工件进行调度，从而得到使所述总能耗最少的调度结果。

【技术实现步骤摘要】
柔性流水车间能耗优化调度方法
本专利技术涉及柔性流水车间能耗优化调度方法，尤其涉及一种具有两类调整时间与顺序相关的柔性流水车间能耗优化调度方法。
技术介绍
经典柔性流水车间调度(FFS)(或混合流水车间调度(HFS))问题已经有大量的研究成果。该问题具有以下特点：每个工件必须先后经过一系列由并行机组成的机器组加工；所有工件在零时刻准备开始加工；调整时间与工件顺序不相关并包括在工件的加工时间里。经典的FFS调度问题对实际问题做了较大的简化，然而在实际生产环境中调度环境要复杂多，出于理论研究和工程实际的需要，研究者提出了各种FFS调度问题模型进行研究。之前大多数的研究成果以优化生产效率指标为目标，例如，最小化最大完工时间，总完工时间，总延迟时间等。然而，生产效率并不一定是管理者认为的唯一的因素。近几年来，由于一系列严重的环境影响和能源成本上升，使得节能生产越来越受到人们的关注。另外，FFS问题存在的另外一个特点是：调整时间与工件顺序相关，这更加贴近实际生产情况。Pinedo(2008)指出如果处理不好，调整时间可以占用机器加工时间的20％。近几年来，关于与调整时间相关的调度问题已经有许多的研究成果。Cheng等人(2000)，PottsandKovalyov(2000)等人和Allahverdi等人(2008)对与调整时间相关的调度问题进行了综述。在这些文献中，把调整时间分为两类：调整时间与顺序相独立，即调整时间只与工件自身的相关；调整时间与顺序相关，即调整时间与工件之间的顺序相关。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的是提供一种具有两类调整时间与顺序相关的柔性流水车间能耗优化调度方法，能有效优化能耗，从而节约成本。本专利技术实施例提供了一种具有两类调整时间与顺序相关的柔性流水车间能耗优化调度方法，包括步骤：(1)针对具有两类调整时间与顺序相关的柔性流水车间调度问题建立关于最小化总能耗的数学模型，所述两类调整时间包括与顺序相关的第一类调整时间以及与工件顺序和工件所安排到机器相关的第二类调整时间；(2)根据所建立的数学模型，生成一种基于工件调整时间和加工时间的能耗成本排序策略以对工件进行调度，从而得到使所述总能耗最少的调度结果。作为上述方案的改进，所述数学模型如下：其中，上述公式(1)满足以下约束条件：Cj(s-1)≤Bjs,j＝1,2,…,n,s＝1,2,…k,(2)Bj1≥rj,j＝1,2,…,n,(3)Bjs＝max{Cjh(s-1)，C(j-1)hs},j＝1,2,…,n,h＝1,2,…,ms,s＝1,2,…k,(7)Yijhs＝0,i＝j,(9)Xjhs，YijhsandUwhs∈{1，0}(10)在上述公式(1)～(10)中，存在以下决策标量：Emin为最小化总能耗；n为工件数量；k为阶段数；rj为工件的投放时间,j＝1,2,…,n；ms为阶段s的机器数量,s＝1,2,…,k；pjhs为工件j在第s阶段的机器h上的加工时间,h＝1,2,…,ms；Bjs为工件j在第s阶段开始加工时间；Cjs为工件j在第s阶段完工时间；ST1为第一类调整时间的阶段集；ST2为第二类调整时间的阶段集；Qhs为安排在阶段s的机器h上加工的工件集；ths为在阶段s机器h从停止状态到可以开始加工状态需要的时间；Δths为在阶段s机器h上存在着空闲时间段的集合；Δtwhs为在阶段s机器h上第w个空闲时间段，w∈Δths；为在阶段g里面工件i到工件j的调整时间，其中g∈ST1和为在阶段e机器h上工件i到工件j的调整时间，其中e∈ST2和为阶段s机器h的单位时间运行能耗成本；为阶段s机器h的单位时间待机能耗成本；为在阶段s机器h从停止状态到可以开始加工状态的单位时间预热能耗成本；M为一个足够大的整数；在上述公式(1)～(10)中，存在以下决策变量：作为上述方案的改进，所述步骤(2)中的能耗成本排序策略具体包括步骤：(21)根据工件基于调整时间的总空闲能耗成本进行升序排序，得到工件加工队列；(22)通过公式(11)计算每个虚拟工件在每阶段的加工时间：其中，FJis为每个虚拟工件中两个工件的基于工件加工时间的平均运行能耗成本，p(n+1)hs＝0；每个所述虚拟工件是由两个基于调整时间的最少能耗的工件组成；(23)根据每个虚拟工件在每阶段的加工时间减序对虚拟工件进行排序，得到虚拟工件加工队列；(24)读取所述虚拟工件队列前两个工件进行最优调度，进而依次将剩余的工件逐个插入到已经调度的工件排列中的某个位置，使得总能耗成本最少，直到所有工件调度完毕，从而得到调度结果。本专利技术实施例还提供了一种基于NEH算法的混合遗传算法，包括步骤：根据上述能耗成本排序策略得到最小化总能耗；可行解的染色体表达如下：设置编码的长度n等于被加工工件的数目，n是工件集合的一个全排列，其构成了各台机器的加工序列；各基因值代表相应工件所在的机器编号；其中编码分别表达了工件间加工顺序信息和工件与机器间分派信息；通过公式(12)得到适应值：f(i)＝1/Emin(12)，其中，f(i)表示在进化过程中个体的适应值，Emin为最小化总能耗；对染色体实行分段变异操作，选择合适的变异概率，随机交换分段染色体中两个不同基因的位置。本专利技术实施例还提供了一种通过仿真试验的验证分析方法，包括步骤：利用仿真软件对如上所述的基于NEH算法的混合遗传算法的有效性进行验证分析，从而得到仿真结果；将所述仿真结果与预先设置的针对具有两类调整时间与顺序相关的柔性流水车间调度问题的两个下界进行对比，从而得到验证分析结果；其中，所述两个下界如公式(13)和(14)所示：其中，当g∈ST1并且满足公式(8)约束，Δtwhs由代替，如果Lg＝1表示在工件调整时间内消耗着预热成本，如果Lg＝0则表示在工件调整时间内消耗着待机能耗成本；当e∈ST1并且满足公式(8)约束，Δtwhs由代替，如果Le＝1表示在工件调整时间内消耗着预热成本，如果Le＝0则表示在工件调整时间内消耗着待机能耗成本。与现有技术相比，本专利技术公开的具有两类调整时间与顺序相关的柔性流水车间能耗优化调度方法以能耗为目标，对调整时间与顺序相关的柔性流水车间调度中的工件分配与排序进行决策，提出了该问题的数学规划模型，同时考虑工件间的调整时间和加工时间提出一种基于NEH算法的基于调整时间和加工时间的能耗排序策略以对工件进行调度，从而获得使总能耗成本最少的调度结果，优化能耗，并节约了成本。附图说明图1是本专利技术实施例中一种具有两类调整时间与顺序相关的柔性流水车间能耗优化调度方法的流程示意图。图2是本专利技术实施例中一种具有两类调整时间与顺序相关的柔性流水车间能耗优化调度方法的能耗成本排序策略的流程示意图。图3是本专利技术实施例中一种基于NEH算法的混合遗传算法的流程示意图。图4是本专利技术实施例中一种通过仿真试验的验证分析方法的流程示意图。图5是利用图4所示的通过仿真试验的验证分析方法所得到的计算目标值同下届背离程度变化曲线示意图。图6是利用图4所示的通过仿真试验的验证分析方法所得到的遗传算法运行时间变化曲线示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有两类调整时间与顺序相关的柔性流水车间能耗优化调度方法，其特征在于，包括步骤：(1)针对具有两类调整时间与顺序相关的柔性流水车间调度问题建立关于最小化总能耗的数学模型，所述两类调整时间包括与顺序相关的第一类调整时间以及与工件顺序和工件所安排到机器相关的第二类调整时间；(2)根据所建立的数学模型，生成一种基于工件调整时间和加工时间的能耗成本排序策略以对工件进行调度，从而得到使所述总能耗最少的调度结果。

【技术特征摘要】
1.一种具有两类调整时间与顺序相关的柔性流水车间能耗优化调度方法，其特征在于，包括步骤：(1)针对具有两类调整时间与顺序相关的柔性流水车间调度问题建立关于最小化总能耗的数学模型，所述两类调整时间包括与顺序相关的第一类调整时间以及与工件顺序和工件所安排到机器相关的第二类调整时间；(2)根据所建立的数学模型，生成一种基于工件调整时间和加工时间的能耗成本排序策略以对工件进行调度，从而得到使所述总能耗最少的调度结果；所述数学模型如下：其中，上述公式(1)满足以下约束条件：Cj(s-1)≤Bjs,j＝1,2,…,n,s＝1,2,…k,(2)Bj1≥rj,j＝1,2,…,n,(3)Bjs＝max{Cjh(s-1)，C(j-1)hs},j＝1,2,…,n,h＝1,2,…,ms,s＝1,2,…k,(7)Yijhs＝0,i＝j,(9)Xjhs，YijhsandUwhs∈{1，0}(10)在上述公式(1)～(10)中，存在以下决策标量：Emin为最小化总能耗；n为工件数量；k为阶段数；rj为工件的投放时间,j＝1,2,…,n；ms为阶段s的机器数量,s＝1,2,…,k；pjhs为工件j在第s阶段的机器h上的加工时间,h＝1,2,…,ms；Bjs为工件j在第s阶段开始加工时间；Cjs为工件j在第s阶段完工时间；ST1为第一类调整时间的阶段集；ST2为第二类调整时间的阶段集；Qhs为安排在阶段s的机器h上加工的工件集；ths为在阶段s机器h从停止状态到可以开始加工状态需要的时间；Δths为在阶段s机器h上存在着空闲时间段的集合；Δtwhs为在阶段s机器h上第w个空闲时间段，w∈Δths；为在阶段g里面工件i到工件j的调整时间，其中g∈ST1和为在阶段e机器h上工件i到工件j的调整时间，其中e∈ST2和为阶段s机器h的单位时间运行能耗成本；为阶段s机器h的单位时间待机能耗成本；为在阶段s机器h从停止状态到可以开始加工状态的单位时间预热能耗成本；M为一个足够大的整数；在上述公式(1)～(10)中，存在以下决策变量：2.如权利要求1所述的具有两类调整时间与顺序相关的柔性流水车间能耗优化调度方法，其特征在于，所述步骤(2)中的能耗成本排序策略具体包括步骤：(21)根据工件基于调整时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨海东，李冰，黎展滔，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44