基于任意时间A*启发式搜索的制造企业车间调度优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于任意时间A*启发式搜索的制造企业车间调度优化方法，包括：构建车间制造系统的Petri网模型；将Petri网模型转化为输入文件；构建标识向量、关联矩阵等相关变量用于Petri网演化和启发函数构建；构建任意时间A*算法的启发函数；采用系统初始状态标识作为任意时间A*算法的起始状态，向终止状态开展搜索，搜索从Petri网系统起始状态到终止状态的变迁发射序列即获得制造企业车间调度方案。相比于普通A*搜索算法，本发明专利技术的任意时间A*启发式搜索允许在搜索时间和解决方案质量之间进行灵活的权衡，且能在有限时间内减少节点扩展的数量，快速查找出模型变迁发射序列，进而快速获得企业车间作业调度方案。

【技术实现步骤摘要】
基于任意时间A*启发式搜索的制造企业车间调度优化方法
本专利技术涉及车间作业调度
，特别涉及一种基于任意时间A*启发式搜索的制造企业车间调度优化方法。
技术介绍
制造企业车间调度是一个包含多个生产任务和多个可用资源(机器)的调度制造系统。制造企业车间调度问题是指给定一组作业，要求在一组机器上完成，每台机器在任何时刻最多只能加工一个作业，一个作业在一台机器上的加工称为一道工序，工序加工的时间是固定的，目标是找到所有作业加工时间最短的调度方案。高效的调度优化方法可以方便、快捷、有效地实施制造系统的调度；可以缩短作业调度计划所需的时间；遇到干扰时，可迅速且可靠地做出反应，及时改变计划、增加生产的柔性，应对快速变化的市场需求，提高企业的竞争力。为了获得车间作业优化调度方案，传统的基于A*搜索算法的调度优化策略，是在系统Petri网模型可达图上从起始节点采用普通A*搜索算法，找到从系统起始状态到终止状态的最优变迁发射序列，即系统的最优加工序列，最后再按照作业任务排列表的内容进行任务执行。然而，普通A*搜索算法随着搜索深度的增加，需要扩展的节点数越来越多，其计算过程需要耗费大量的时间。在实际调度问题中，最优搜索通常是不可行的，因为用户的分配时间有限，并期望在给定的时间内找到调度方案，而普通A*搜索算法花费大部分时间在次优解之间进行鉴别以确定哪个是最优解。在这种情况下，由于调度问题的时间限制，获得最优调度非常困难。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能减少搜索过程中的扩展节点数，提高计算速度，且能在搜索的时间有限或不确定时，允许在搜索时间和解决方案质量之间进行灵活权衡的制造企业车间调度优化方法，以解决已有A*调度方法收敛速度慢、扩展节点多等问题。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于任意时间A*启发式搜索的制造企业车间调度优化方法，包括以下步骤：步骤1、利用Petri网对车间制造系统进行建模，构建Petri网模型；步骤2、将步骤1构建的Petri网模型转化为输入文件；步骤3、根据步骤2的输入文件，构建用于Petri网模型演化的关联矩阵；步骤4、构建两个堆栈结构的表：OPEN表、CLOSED表，分别用于存放任意时间A*启发式搜索过程中待扩展节点和已扩展节点，并初始化一个中间结果节点记为incumbent节点；步骤5、构造任意时间A*启发式搜索算法的具有可采纳性的启发函数h；步骤6、从Petri网系统初始状态运行任意时间A*启发式搜索算法，搜索从Petri网系统初始状态到终止状态的变迁发射序列即获得制造企业车间调度方案。进一步地，步骤5所述构造任意时间A*启发式搜索算法的具有可采纳性的启发函数h具体为：式中，pi表示活动库所，r表示某种资源，M(pi)表示活动库所pi的当前状态，WRT(pi,r)表示pi中令牌在资源r下到达终点库所的最小时间，M(pi)·WRT(pi,r)表示pi中可用令牌在当前状态下到达其终点库所的总时间，Upi(r)表示pi需要的r的单位，∑R(pi,x)·[Upi(r)/M0(r)]表示pi中所有令牌在当前状态下可用的剩余时间。进一步地，步骤6所述从Petri网系统初始状态运行任意时间A*搜索算法，搜索从Petri网系统初始状态到终止状态的变迁发射序列，具体包括：步骤6-1、定义搜索中的使能和发射；步骤6-2、将Petri网系统初始状态节点M0加入OPEN表中；步骤6-3、判断OPEN表是否为空或搜索时间是否达到用户的规定时间，若为空或达到用户的规定时间，则输出从Petri网系统初始状态到终止状态的变迁发射序列，否则执行下一步；步骤6-4、将OPEN表中f’值最小的状态节点M删除并将其加入CLOSED表中；其中f’值的计算公式为：f’(n)＝g(n)+h'(n)式中，h'(n)＝ω×h(n)，ω≥1，ω为用户自定义设置的权重参数，g(n)为Petri网系统从初始状态节点M0到节点M所用的加工操作时间，h(n)为从节点M到终止状态节点Mg估计的剩余操作时间；步骤6-5、判断f(M)是否小于f(incumbent)，若是，则执行步骤6-6；否则返回步骤6-4；其中f值的计算公式为：f(n)＝g(n)+h(n)；步骤6-6、获取状态节点M的使能变迁集合{tj}，其中j＝1…et(M)，et(M)表示节点M中使能变迁的数目；步骤6-7、发射每个使能变迁tj获得相对应的新子节点M’j，并计算g(M’j)，h’(M’j)和f’(M’j)，计算方法与步骤6-4相同；步骤6-8、对每一个新产生的子节点M’j进行判断：判断M’j是否为终止状态节点Mg，若是，则执行步骤6-10；否则执行下一步；步骤6-9、针对每一个新产生的子节点M’j，进行以下判断：(a)判断M’j是否等于OPEN表中的某一节点MO，若是，则检验两节点g值的关系，若g(M’j)小于g(MO)，则用M’j替换incumbent节点，否则直接将M’j插入OPEN表中；(b)判断M’j是否等于CLOSED表中的某一节点MC，若是，则检验两节点g值的关系，若g(M’j)小于g(MC)，则将MC从CLOSED表中删除同时将M’j插入OPEN表中；否则直接将M’j插入OPEN表中；(c)若M’j不等于OPEN表和CLOSED表中的任何节点，则将M’j插入OPEN表中；步骤6-10、返回执行步骤6-3。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：1)提出了任意时间A*启发式搜索算法，相对于普通A*搜索算法，在有限时间内减少了扩展节点的数量，计算速度更快；2)任意时间A*搜索技术允许在搜索时间和解决方案质量之间进行灵活的权衡，搜索进程在找到解决方案后继续搜索，不断地找到改进的解决方案，直到得到最优的解决方案或者分配时间结束；3)对于有限或不确定时间约束下的车间作业调度系统，采用本专利技术任意时间A*搜索算法可以快速地查找出模型变迁发射序列，通过生成任务的录入、调度优化方法的搜索和调度结果的输出，实现制造企业车间作业调度的自动化和优化。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1为本专利技术基于任意时间A*启发式搜索的制造企业车间调度优化方法的流程图。图2为本专利技术实施例中车间制造系统对应的Petri网模型示意图。具体实施方式结合图1，本专利技术提出的一种基于任意时间A*启发式搜索的制造企业车间调度优化方法，包括以下步骤：步骤1、利用Petri网对车间制造系统进行建模，构建Petri网模型；步骤2、将步骤1构建的Petri网模型转化为输入文件；步骤3、根据步骤2的输入文件，构建用于Petri网模型演化的关联矩阵；步骤4、构建两个堆栈结构的表：OPEN表、CLOSED表，分别用于存放任意时间A*启发式搜索过程中待扩展节点和已扩展节点，并初始化一个中间结果节点记为incum本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于任意时间A*启发式搜索的制造企业车间调度优化方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、利用Petri网对车间制造系统进行建模，构建Petri网模型；/n步骤2、将步骤1构建的Petri网模型转化为输入文件；/n步骤3、根据步骤2的输入文件，构建用于Petri网模型演化的关联矩阵；/n步骤4、构建两个堆栈结构的表：OPEN表、CLOSED表，分别用于存放任意时间A*启发式搜索过程中待扩展节点和已扩展节点，并初始化一个中间结果节点记为incumbent节点；/n步骤5、构造任意时间A*启发式搜索算法的具有可采纳性的启发函数h；/n步骤6、从Petri网系统初始状态运行任意时间A*启发式搜索算法，搜索从Petri网系统初始状态到终止状态的变迁发射序列即获得制造企业车间调度方案。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于任意时间A*启发式搜索的制造企业车间调度优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、利用Petri网对车间制造系统进行建模，构建Petri网模型；
步骤2、将步骤1构建的Petri网模型转化为输入文件；
步骤3、根据步骤2的输入文件，构建用于Petri网模型演化的关联矩阵；
步骤4、构建两个堆栈结构的表：OPEN表、CLOSED表，分别用于存放任意时间A*启发式搜索过程中待扩展节点和已扩展节点，并初始化一个中间结果节点记为incumbent节点；
步骤5、构造任意时间A*启发式搜索算法的具有可采纳性的启发函数h；
步骤6、从Petri网系统初始状态运行任意时间A*启发式搜索算法，搜索从Petri网系统初始状态到终止状态的变迁发射序列即获得制造企业车间调度方案。


2.根据权利要求1所述的基于任意时间A*启发式搜索的制造企业车间调度优化方法，其特征在于，步骤1所述利用Petri网对车间制造系统进行建模，构建Petri网模型，具体采用自顶向下的方法。


3.根据权利要求1或2所述的基于任意时间A*启发式搜索的制造企业车间调度优化方法，其特征在于，步骤1所述利用Petri网对车间制造系统进行建模，具体包括：使用Petri网库所中的托肯数表示资源数，使用Petri网的变迁表示工作部件，使用Petri网中库所与变迁间的关系弧表示生产系统中的规则。


4.根据权利要求1所述的基于任意时间A*启发式搜索的制造企业车间调度优化方法，其特征在于，步骤2所述输入文件具体为：
输入文件为txt格式，文件中包括三行内容：第一行包括Petri网的初始标识，且初始标识下各个库所里有几个托肯，对应数字即为几；第二行包括各库所的操作时间或代价，且只有操作库所才可能有操作时间，而闲置库所和资源库所没有操作时间，即时间为0；第三行为Petri网的目标标识，即车间制造系统所要求到达的最终状态。


5.根据权利要求1所述的基于任意时间A*启发式搜索的制造企业车间调度优化方法，其特征在于，步骤3所述用于Petri网模型演化的关联矩阵包括前置关联矩阵L+和后置关联矩阵L-，分别为：






其中，表示由变迁j指向库所i的关系弧，表示由库所i指向变迁j的关系弧，1≤i≤n，1≤j≤m，n为库所数，m为变迁数。


6.根据权利要求1所述的基于任意时间A*启发式搜索的制造企业车间调度优化方法，其特征在于，步骤5所述构造任意时间A*启发式搜索算法的具有可采纳性的启发函数h具体为：



式中，pi表示活动库所，r表示某种资源，M(pi)表示活动库所pi的当前状态，WRT(pi,r)表示pi中令牌在资源r下到达终点库所的最小时间，M(pi)·WRT(pi,r)表示pi中可用令牌在当前状态下到达其终点库所的总时间，Upi(r)表示pi需要的r的单位，∑R(pi,x)·[Upi(r)/M0(r)]表示pi中所有令牌在当前状态下可用的剩余时间。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄波，戴晨谧，赵志霞，蔡志成，袁凤连，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32