考虑关机重启策略的混合流水车间节能调度的建模方法技术

本发明专利技术公开了考虑关机重启策略的混合流水车间节能调度的建模方法，引入加工位置结束时间、加工位置开始时间变量以及关机重启策略变量，建立了基于空闲时间的模型，进一步引入机床上两相邻位置间的待机能耗变量，建立基于空闲能耗的模型。共建立了5个考虑关机重启策略的混合整数线性规划模型。接着，从建模过程、模型尺寸复杂度、计算复杂度等方面对这些数学模型进行了详细的对比分析。使用CPLEX求解器对HFSP调度实例进行求解，证明了MILP模型的正确性与有效性。试验表明基于不同建模思路的MILP模型尺寸复杂度、计算复杂度差别很大，基于空闲能耗的MILP模型求解效果好于基于空闲时间的MILP模型。

Modeling method of energy-saving scheduling in mixed flow shop with Shutdown restart strategy

The invention discloses a hybrid flow shop scheduling modeling method of energy-saving shutdown restart strategy into consideration, position of processing end time, processing position start time variable and shutdown restart strategy variables, established free time model based on the further introduction of machine tool two adjacent positions between the standby energy consumption variables, establish the model based on free energy. A total of 5 mixed integer linear programming models, which consider shutdown restart strategy, are established. Then, the mathematical models are compared and analyzed in detail from the modeling process, the complexity of the model size, and the computational complexity. The CPLEX solver is used to solve the HFSP scheduling example, and the correctness and effectiveness of the MILP model are proved. Experiments show that the MILP model based on different modeling ideas has great difference in size complexity and computational complexity. The MILP model based on idle energy consumption is better than MILP model based on idle time.

【技术实现步骤摘要】
考虑关机重启策略的混合流水车间节能调度的建模方法
本专利技术属于计算机集成制造
，更具体地，涉及考虑关机重启策略的不相关并行机流水车间调度的建模方法。
技术介绍
混合流水车间调度问题(Hybridflowshopschedulingproblem,HFSP)是应用最为广泛的一类调度问题，如化工、冶金、纺织、机械、半导体、物流、造纸、建筑等很多领域问题都可归结为HFSP问题。由于其不同加工阶段并行机的存在，解空间变得很大，与流水车间调度问题相比，是更为复杂的NP-hard问题。HFSP按照并行机类型分为3类:相同并行机HFSP(HFSPwithidenticalparallelmachines，HFSP-IPM)、均匀并行机HFSP(HFSPwithuniformmachines，HFSP-UM)以及不相关并行机HFSP(HFSPwithunrelatedparallelmachines，HFSP-UPM)。其中，HFSP-UM是HFSP-UPM的一个特例，HFSP-IPM是HFSP-UM的一个特例，HFSP-UPM最为复杂。之前，对HFSP的研究主要集中在基于加工时间的性能指标本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑关机重启策略的混合流水车间节能调度的建模方法，其特征在于，包括如下步骤：根据加工机床占用变量、关机重启策略变量、加工位置结束时间变量以及加工位置开始时间变量建立能耗非线性目标函数，根据加工机床占用变量、加工位置占用变量、关机重启策略变量、加工位置结束时间变量以及加工位置开始时间变量建立非线性模型约束集，完成非线性模型建立；通过用中间变量替换能耗非线性目标函数的机床空闲等待能耗中关机重启策略变量、加工位置结束时间变量以及加工位置开始时间变量，将能耗非线性目标函数转化为线性目标函数；并构建辅助约束集，将辅助约束集和非线性模型约束集合并构成线性模型约束集，建立线性模型；其中，关机重启策略变量...

【技术特征摘要】
1.一种考虑关机重启策略的混合流水车间节能调度的建模方法，其特征在于，包括如下步骤：根据加工机床占用变量、关机重启策略变量、加工位置结束时间变量以及加工位置开始时间变量建立能耗非线性目标函数，根据加工机床占用变量、加工位置占用变量、关机重启策略变量、加工位置结束时间变量以及加工位置开始时间变量建立非线性模型约束集，完成非线性模型建立；通过用中间变量替换能耗非线性目标函数的机床空闲等待能耗中关机重启策略变量、加工位置结束时间变量以及加工位置开始时间变量，将能耗非线性目标函数转化为线性目标函数；并构建辅助约束集，将辅助约束集和非线性模型约束集合并构成线性模型约束集，建立线性模型；其中，关机重启策略变量用于表示机床上前一个位置到紧后一个位置间是否实施关机重启策略，加工位置结束时间变量用于表示某个机床上某个位置的结束时间，加工机床占用变量表示某个工件在某个加工阶段是否在某个机床上加工，加工机床占用变量为与工件序号、机床序号相关的二维决策变量；加工位置占用变量表示某个工件在某个加工阶段是否在某个机床的某个位置加工，加工位置占用变量为与工件序号、机床序号和位置序号相关的三维决策变量；加工位置开始时间变量用于表示某个机床上某个位置的开始时间；所述能耗非线性目标函数包含机床空闲等待能耗、机床关机重启能耗、加工能耗以及公共能耗，所述机床空闲等待能耗用包含关机重启策略变量、加工位置结束时间变量以及加工位置开始时间变量的表达式表示，所述机床关机重启能耗用包含关机重启策略变量的表达式表示，所述加工能耗为包含加工机床占用变量的表达式；非线性模型约束集包括如下约束：对任意工件在任意阶段只能在一台机床加工的约束，对加工机床占用变量和加工位置占用变量之间关系的约束，对任何一个机床的任意位置最多安排一个工件的约束，对任意机床的位置按照先后顺序安排工件加工的约束，对加工位置结束时间变量与加工位置开始时间变量之间关系的约束，所述对机床空载时间和实施关机重启策略所需最短时间关系的约束，对任何机床加工位置开始时间不小于所述机床紧前位置的结束时间的约束，对最大关机重启次数的约束，对任意工件阶段的结束时间不大于所述工件紧后阶段的开始时间的约束以及对最大完工时间的约束；对任意工件在任意阶段只能在一台机床加工的约束根据加工机床占用变量获得；对任何一个机床的任意位置最多安排一个工件的约束和对任意机床的位置按照先后顺序安排工件加工的约束根据加工位置占用变量获得，对加工位置结束时间变量与加工位置开始时间变量之间关系的约束根据加工位置占用变量、加工位置结束时间变量以及加工位置开始时间变量获得，所述对机床空载时间和实施关机重启策略所需最短时间关系的约束根据所述关机重启策略变量、所述加工位置结束时间变量以及加工位置开始时间变量获得，对任何机床加工位置开始时间不小于所述机床紧前位置的结束时间的约束根据加工位置结束时间变量和加工位置开始时间变量获得，对最大关机重启次数的约束根据关机重启策略变量获得；辅助约束为中间变量、关机重启策略变量、加工位置结束时间变量以及加工位置开始时间变量之间的约束。2.如权利要求1所述的建模方法，其特征在于，若决策变量还包括工件阶段结束时间变量和工件阶段开始时间变量，则：根据工件阶段结束时间变量和工件阶段开始时间变量获得对任意工件阶段的结束时间不大于所述工件紧后阶段的开始时间的约束，根据工件阶段结束时间变量获得对最大完工时间的约束；非线性模型约束集还包括：根据工件阶段结束时间变量、工件阶段开始时间变量以及加工机床占用变量获得对工件阶段开始时间变量与工件阶段结束时间变量之间关系的约束；根据加工位置占用变量、工件阶段开始时间变量以及加工位置开始时间变量获得对工件在某个机床某个位置的开始时间与该工件加工阶段的开始时间之间关系的约束；否则：根据加工位置占用变量、加工位置结束时间变量以及加工位置开始时间变量获得对任意工件阶段的结束时间不大于所述工件紧后阶段的开始时间的约束，根据加工位置结束时间变量获得对最大完工时间的约束；其中，工件阶段结束时间变量表示某个工件在某个加工阶段的结束时间，工件阶段开始时间变量表示某个工件在某个加工阶段的开始时间。3.如权利要求2所述的建模方法，其特征在于，根据公式构建线性目标函数；其中，Uk,t+1＝(1-Zk,t)Sk,t+1，Wk,t＝(1-Zk,t)Fk,t，Zk,t表示第k个机床上第t位置到第t+1位置间是否实施关机重启策略，Sk,t表示第k个机床上第t个位置的开始时间，Fk,t表示第k个机床上第t个位置的结束时间，表示第k个机床的待机功率，Energyk表示第k个机床关机同时重启一次所需要的能耗，Xi,k表示第i个工件是否在第k个机床上加工，Pi,k表示第i个工件在第k个机床上的加工功率，pti,k表示第i个工件在第k个机床上的加工时间，P0表示公共功率，Cmax表示最大完工时间，i为工件序号，k为机床序号，n表示工件总数，t为位置序号，I表示工件集合{1,2,···,n}，K表示所有机床集合{1,2,···,m}，m表示机床总数。4.如权利要求3所述的建模方法，其特征在于，根据如下公式获得如下约束：根据公式获得对任意工件在任意阶段只能在一台机床加工的约束；根据公式获得对加工机床占用变量和加工位置占用变量之间关系的约束；根据公式获得对任何一个机床的任意位置最多安排一个工件的约束；根据公式获得对任一机床的位置按照先后顺序安排工件加工的约束；根据公式获得对加工位置结束时间变量与加工位置开始时间变量之间关系的约束；根据公式和公式获得对机床空载时间和实施关机重启策略所需最短时间关系的约束；根据公式获得对任何机床加工位置开始时间不小于所述机床紧前位置的结束时间的约束；根据公式获得对最大关机重启次数的约束；其中，Yi,k,t表示第i个工件是否在第k个机床上第t个位置加工，PP为机床位置集合，PP＝{1,2,···,n}，且t∈PP，j为阶段序号，S为加工阶段总数，J为加工阶段集合{1,2,···,S}，Kj为加工第j个阶段的机床集合，Kj＝{1,2,…,mj}，mj为加工第j个阶段的机床数量，TBk表示第k个机床的空载平衡时间，N表示在每次加工任务中每个机床所允许中途关机重启的次数，ii同为工件序号。5.如权利要求2至4任一项所述的建模方法，其特征在于，若决策变量还包括工件阶段结束时间变量以及工件阶段开始时间变量，则：根据公式获得对工件阶段结束时间变量与工件阶段开始时间变量之间关系的约束；根据公式和公式获得对工件在某个机床某个位置的开始时间与该工件加工阶段的开始时间之间关系的约束；根据公式获得对任意工件阶段的结束时间不大于所述工件紧后阶段的开始时间的约束；根据公式获得对最大完工时间的约束；否则；根据公式获得对任意工件阶段的结束时间不大于所述工件紧后阶段的开始时间的约束；根据公式获得对最大完工时间的约束；其中，Bi,j表示第i个工件第j个加工阶段的开始时间，Ei,j表示第i个工件第j个加工阶段的结束时间，kk为机床序号，tt为位置序号。6.一种考虑关机重启策略的混合流水车间节能调度的建模方法，其特征在于，包括如下步骤：根据机床上两相邻位置间的待机能耗变量建立能耗线性目标函数；根据加工位置占用变量、关机重启策略变量以及机床上两相邻位置间的待机能耗变量建立线性模型约束集，完成线性模型建立；其中，所述机床上两相邻位置间的待机能耗变量用于表示机床上两个相邻位置之间的待机能耗，所述加工位置占用变量表示某个工件某个加工阶段是否在某个机床的某个位置加工，加工位置占用变量为与工件序号、机床序号和位置序号相关的三维决策变量；能耗线性目标函数包含机床空闲关机重启能耗、加工能耗以及公共能耗，所述机床空闲关机重启能耗用于表示机床空闲等待能耗与机床关机重启能耗的总和，机床空闲关机重启能耗用包含机床上两相邻位置间的待机能耗变量的表达式表示；线性模型约束集包括如下约束：对任何一个机床的任意位置最多安排一个工件的约束，对任意机床的位置按照先后顺序安排工件加工的约束，对最大关机重启次数的约束，对任意工件在任意阶段只能在一台机床加工的约束，对任意工件阶段的结束时间不大于所述工件紧后阶段的开始时间的约束，对任何机床加工位置开始时间不小于所述机床紧前位置的结束时间的约束，对最大完工时间的约束，对机床空载时间和实施关机重启策略所需最短时间关系的约束以及对关机重启能耗的约束；对任何一个机床的任意位置最多安排一个工件的约束和对任意机床的位置按照先后顺序安排工件加工的约束根据加工位置占用变量获得，对最大关机重启次数的约束根据关机重启策略变量获得。7.如权利要求6所述的建模方法，其特征在于，当决策变量还...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟磊磊，邵新宇，张超勇，任亚平，罗敏，戴稳，任彩乐，肖鹏飞，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42