一种邻域结构及其在作业车间调度中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种邻域结构及其在作业车间调度中的应用，属于车间调度领域，其中，一种邻域结构为：当满足约束条件C(u)≥C(jp[v])或S(v)≤S(js[u])时，关键路径块中的工序交换加工顺序后不会产生不可行解；另一种邻域结构为：当满足约束条件C(u)≥S(jp[v])或S(v)≤C(js[u])时，关键路径块中的工序交换加工顺序后不会产生不可行解。两种邻域结构不需要消耗较大的计算资源，不会增加整个算法的编写难度。两种邻域结构应用于作业车间调度时，在有效的提高算法的求解速度的同时，也提高了算法的求解质量。

【技术实现步骤摘要】
一种邻域结构及其在作业车间调度中的应用
本专利技术属于车间调度领域，更具体地，涉及一种邻域结构及其在作业车间调度中的应用。
技术介绍
作业车间调度问题(jobshopschedulingproblem，JSP)是一种典型的车间调度问题，在生产实际中有具有广泛的应用。JSP是NP-hard问题，因此为了在有限时间里求得满意解，通常使用智能优化算法对该问题进行求解。智能优化算法主要由全局搜索和局部搜索两部分组成，而邻域结构作为局部搜索的核心部分，对整个算法的求解效率和求解质量起到关键性作用。在现有技术中，对邻域的设计主要有两种类型。第一种类型是从编码的角度设计邻域操作，但由于编码空间与问题解空间的不对等关系，以这种方式设计的邻域的求解质量不高；第二种类型是直接从解空间的角度设计邻域结构，通过分析解空间中存在的知识，设计高效的邻域结构。在解空间中存在的知识有：1、当关键路径中的工序没有变化时，解不会变优；2、关键路径中相同机器加工的相邻工序称为关键路径块，当关键路径块中的首工序和尾工序不发生变化时，解不会变优。在以上两点知识的基础上，学者设计了若干种不同的邻域结构。但以这种方式设计的邻域结构存在邻域变换后得到的解可能为不可行解的情况。为解决这个问题，Balas等人在1998年(BalasE，VazacopoulosA.Guidedlocalsearchwithshiftingbottleneckforjobshopscheduling[J].Managementscience，1998，44(2)：262-275.)提出一种邻域结构，在满足约束条件的情况下进行邻域搜索，不会产生不可行解。其具体内容为：当满足约束条件L(0，u)+pu≥L(0，jp[V])+pjp[v]时，关键路径块的非首工序插入首工序之前不会产生不可行解；当满足约束条件L(v，n)≥L(js[u]，n)时，关键路径块上的非尾工序插入尾工序之后不会产生不可行解。其中，上述约束条件中符号表示的含义如下：u、v表示同一关键路径块上的两个工序，且工序u在工序v之前加工；js[i]：与工序i同工件的下一道工序；jp[i]：与工序i同工件的上一道工序；L(0，i)：从0时刻到工序i开始加工的总时长；L(i，n)：从工序i开始加工到所有工件加工完的总时长；pi：工序i的加工时长。由解空间中已有的知识可知，只有关键路径块中的首、尾工序发生变化时，才有使解变优的可能。因此，除了将关键工序块中内部的工序插入首工序之前或尾工序之后，还可以将首工序或尾工序插入关键路径块的内部。因此ChaoYongZhang等人在2007年(ZhangCY，LiPG，GuanZL，etal.Atabusearchalgorithmwithanewneighborhoodstructureforthejobshopschedulingproblem[J].Computers&OperationsResearch，2007，34(11)：3229-3242.)对Balas等人提出的邻域进行了拓展，其内容为：当满足约束条件L(0，u)+pu≥L(0，jp[v])+pjp[v]时，关键路径块的非首工序插入首工序之前或尾工序插入非尾工序之前不会产生不可行解；当满足约束条件L(v，n)≥L(js[u]，n)时，关键路径块上的首工序插入非首工序之后或非尾工序插入尾工序之后不会产生不可行解。约束条件中符号的含义与上相同。上述两种邻域结构是在基于解空间中存知识的基础上进行的设计，极大的提高了算法在局部搜索时的搜索效率和搜索质量，受到了学者的广泛认同。当然，上述邻域结构也存在一定的缺陷，如在计算约束条件中参数L(0，i)和L(i，n)时需要消耗较大的计算资源。这是由于上述两种邻域是从析取图(解的一种表现形式)的角度出发提出的约束条件，因此在计算上述两个参数时，需要使用动态规划或部分重新解码的方式，而这就会消耗较大的计算资源。同时，在使用析取图编码时，会极大地增加整个算法的编写难度。由此可见，现有技术存在计算资源消耗大、算法的编写难度大的技术问题。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种邻域结构及其在作业车间调度中的应用，由此解决现有技术存在计算资源消耗大、算法的编写难度大的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的第一个方面，提供了一种邻域结构，所述邻域结构中，工序u和工序v在同一个关键路径块中，工序u和工序v之间存在有与其在同一关键路径块中的其他工序，当满足约束条件C(u)≥C(jp[v])或S(v)≤S(js[u])时，关键路径块中的工序交换加工顺序后不会产生不可行解；其中，C(u)表示工序u结束加工的时间，C(jp[v])表示工序jp[v]结束加工的时间，jp[v]表示与工序v同工件的上一道工序，S(v)表示工序v开始加工的时间，S(js[u])表示工序js[u]开始加工的时间，js[u]表示与工序u同工件的下一道工序。进一步地，关键路径块中，当满足约束条件C(u)≥C(jp[v])时，将非首工序插入首工序之前加工或尾工序插入非尾工序之间加工不会产生不可行解。进一步地，关键路径块中，当满足约束条件S(v)≤S(js[u])时，将首工序插入非首工序之后加工或将非尾工序插入尾工序之后加工不会产生不可行解。按照本专利技术的第二方面，提供了一种邻域结构在作业车间调度中的应用，包括：作业车间调度的当前解在解码过程中，保留所有工序的加工开始时间和加工结束时间；以逆序的方式求解当前解的关键路径，得出关键路径中存在的关键路径块；对于其中的一个关键路径块，当满足约束条件C(u)≥C(jp[v])或S(v)≤S(js[u])时，进行局部搜索，得到的最优解作为作业车间调度的最优方案。按照本专利技术的第三方面，提供了一种邻域结构，所述邻域结构中，工序u和工序v在同一个关键路径块中，工序u和工序v之间存在有与其在同一关键路径块中的其他工序，当满足约束条件C(u)≥S(jp[v])或S(v)≤C(js[u])时，关键路径块中的工序交换加工顺序后不会产生不可行解；其中，C(u)表示工序u结束加工的时间，S(jp[v])表示工序jp[v]开始加工的时间，jp[v]表示与工序v同工件的上一道工序，S(v)表示工序v开始加工的时间，C(js[u])表示工序js[u]结束加工的时间，js[u]表示与工序u同工件的下一道工序。进一步地，关键路径块中，当满足约束条件C(u)≥S(jp[v])时，将非首工序插入首工序之前加工或尾工序插入非尾工序之间加工不会产生不可行解。进一步地，关键路径块中，当满足约束条件S(v)≤C(js[u])时，将首工序插入非首工序之后加工或将非尾工序插入尾工序之后加工不会产生不可行解。按照本专利技术的第四方面，提供了一种邻域结构在作业车间调度中的应用，包括：作业车间调度的当前解在解码过程中，保留所有工序的加工开始时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种邻域结构，其特征在于，所述邻域结构中，工序u和工序v在同一个关键路径块中，工序u和工序v之间存在有与其在同一关键路径块中的其他工序，/n当满足约束条件C(u)≥C(jp[v])或S(v)≤S(js[u])时，关键路径块中的工序交换加工顺序后不会产生不可行解；/n其中，C(u)表示工序u结束加工的时间，C(jp[v])表示工序jp[v]结束加工的时间，jp[v]表示与工序v同工件的上一道工序，S(v)表示工序v开始加工的时间，S(js[u])表示工序js[u]开始加工的时间，js[u]表示与工序u同工件的下一道工序。/n

【技术特征摘要】
1.一种邻域结构，其特征在于，所述邻域结构中，工序u和工序v在同一个关键路径块中，工序u和工序v之间存在有与其在同一关键路径块中的其他工序，
当满足约束条件C(u)≥C(jp[v])或S(v)≤S(js[u])时，关键路径块中的工序交换加工顺序后不会产生不可行解；
其中，C(u)表示工序u结束加工的时间，C(jp[v])表示工序jp[v]结束加工的时间，jp[v]表示与工序v同工件的上一道工序，S(v)表示工序v开始加工的时间，S(js[u])表示工序js[u]开始加工的时间，js[u]表示与工序u同工件的下一道工序。


2.如权利要求1所述的一种邻域结构，其特征在于，所述关键路径块中，当满足约束条件C(u)≥C(jp[v])时，将非首工序插入首工序之前加工或尾工序插入非尾工序之间加工不会产生不可行解。


3.如权利要求1或2所述的一种邻域结构，其特征在于，所述关键路径块中，当满足约束条件S(v)≤S(js[u])时，将首工序插入非首工序之后加工或将非尾工序插入尾工序之后加工不会产生不可行解。


4.如权利要求1-3任一所述的一种邻域结构在作业车间调度中的应用，其特征在于，包括：
作业车间调度的当前解在解码过程中，保留所有工序的加工开始时间和加工结束时间；
以逆序的方式求解当前解的关键路径，得出关键路径中存在的关键路径块；
对于其中的一个关键路径块，当满足约束条件C(u)≥C(jp[v])或S(v)≤S(js[u])时，进行局部搜索，得到的最优解作为作业车间调度的最优方案。

【专利技术属性】
技术研发人员：李新宇，桂林，高亮，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42