一种基于禁忌搜索遗传算法的车间柔性作业调度方法技术

本发明专利技术涉及结合局部禁忌搜索策略和遗传算法的调度优化领域，具体说是一种基于禁忌搜索遗传算法的车间柔性作业调度方法。以最大完工时间为优化目标，用来生成车间柔性作业调度方案和提高生产效率。本发明专利技术分为两个部分：全局搜索阶段将遗传算法的基本要素分为染色体编码解码、初始化种群、设置迭代遗传算子和种群约束规则，在种群空间快速并行搜索，得到均匀分布的可行解；在局部禁忌搜索阶段建立禁忌表、设置禁忌搜索长度等条件，进行局部优化解的迭代搜索，使算法摆除重复工作，避免过早陷入邻域最优解。本方法结合了遗传算法和禁忌搜索的优点，提高了种群空间的搜索效率，能够在规定迭代次数内优化最大完工时间，可用于指导柔性作业车间生产。柔性作业车间生产。柔性作业车间生产。

【技术实现步骤摘要】
一种基于禁忌搜索遗传算法的车间柔性作业调度方法


[0001]本专利技术涉及结合局部禁忌搜索策略和遗传算法的调度优化领域，具体说是一种基于禁忌搜索遗传算法的车间柔性作业调度方法。

技术介绍

[0002]车间生产调度技术是制造系统的基础，其针对一项可分解的工作，在满足工艺路线、交货期等约束条件的前提下，进行资源分配，下达生产指令并安排生产方案，以获取产品成本最优。目前解决柔性车间作业调度有两种技术方案：一种是最优化方法，枚举遍历解空间，得到精确的全局最优解，耗时长且只适用于小规模调度问题；另一种是近似方法，虽然不能保证是最优解，但在满足对可行解的约束条件下，可以快速地找到调度方法，适合实际调度问题的求解。由于精确枚举存在耗时长的缺点而近似方法却能在合理时间内求得满意解，故通常采用后一种技术方案解决柔性调度问题。在近似方法中，利用迭代求解计算的技术方案应用广泛，迭代算法可分为两类：进化算法和局部搜索算法。进化算法包括遗传算法、粒子群算法、蚁群算法等，局部搜索算法由启发式算法变化而来，包括模拟退火算法和禁忌搜索算法等。

技术实现思路

[0003]为了实现在规定迭代次数内优化最大完工时间，解决传统遗传算法局部搜索能力较差，且容易早熟收敛的缺点，本专利技术按照迭代求解和局部搜索相结合的思路，采用遗传算法和禁忌搜索相结合的方法，以最大完工时间为优化目标，对染色体进行分段编码，经交叉变异操作后对全局空间搜索；然后在局部空间设置禁忌表和禁忌长度，避免在解空间内重复搜索，同时接受次优解，防止算法过早的陷入局部最优解导致早熟，以此提升了算法的搜索能力和鲁棒性。
[0004]本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：
[0005]一种基于禁忌搜索遗传算法的车间柔性作业调度方法，包括以下步骤：
[0006]全局搜索：将任意一种车间柔性作业的调度方案作为一条染色体，对每条染色体分别进行种群编码，并对编码后的染色体进行交叉操作和变异操作，得到最终表示工序排序的变异编码的染色体种群；
[0007]局部禁忌搜索：基于染色体种群中的染色体构建柔性调度方案析取图模型，寻找关键路径，在关键路径上对工序进行删除和插入操作，完成对局部区域的一次搜索，为局部搜索设置禁忌表和禁忌长度，寻找满足禁忌表和禁忌长度的所有染色体，完成车间柔性作业的调度方案的优化。
[0008]所述种群编码为分段编码形式，第一段为机床选择编码，第二段为工序编码；所述机床选择编码给每个工件的每个工序指定机床，所述工序编码在机床选择编码的前提下，指定每一个机床的加工的工序顺序。
[0009]所述机床选择编码具体为：根据柔性工作调度表，得到某一工件的某一工序对应
的可选加工机床的集合，在集合中选择一台机床作为完成该工序使用的机床，对其进行编码a，其编码含义为：某一工序在可选加工机床的集合中选择了第a台机床，机床选择编码的长度为所有工件工序的数目总和。
[0010]所述工序编码具体为：设置一个长度为机床数的时间数组Time[m]，数组初始化为0，每一项对应已经安排在此台机床上加工的所有工序的时间和，随机选择一个工件，从当前工件的第一道工序开始，将可选加工机床的集合中每台机床的加工时间与时间数组Time[m]中的对应时间相加，从中选择最短的加工时间所对应的机床k，更新Time[k]的值为所选的最短加工时间加上机床k的已有加工时间；依次选择工件的每一道工序，选择最短加工时间并迭代更新时间数组，直至为所有工件选定工序加工的机床，根据机床选择编码，按照同一工件之间的先后顺序约束条件，筛选随机生成工序排序的编码，得到工序编码。
[0011]所述染色体交叉操作为：将种群编码中的所有机床选择编码作为初始种群，选择初始种群的两条父代染色体，按照机床选择编码的长度，随机生成元素为0、1的数组序列，在父代染色体parent1中选择与数组序列中元素为0相对应的机床选择编码，并从父代染色体parent2中选择与数组序列中元素为1相对应的机床选择编码，用从两条父代染色体选出的编码，按照在父代染色体中的原相对位置，组成新的子代染色体child1；用两条父代染色体剩下的编码，同样按照原父代染色体相对位置，得到子代染色体child2。
[0012]所述染色体变异操作为：对机床选择编码部分，在迭代过程中按照固定概率随机选出的染色体上，选择两个基因位，分别从可选加工机床的集合上选择加工时间最短的机床编码作为两个基因位上的变异值；对工序编码部分，按照固定的概率随机选出染色体，根据变异操作确定的机床编码，对每台机床所要加工的工件工序随机排序，然后用工件自身的加工顺序对工件排序进行筛选，作为最终工序排序的变异编码。
[0013]所述对染色体种群中的染色体构建柔性调度方案析取图模型，具体为：将每条染色体在其局部邻域内定义邻域结构，并使用局部搜索策略通过移动关键路径上工序的方式改变邻域结构，所述关键路径的长度为调度最大完工时间。
[0014]所述对局部区域的一次搜索，具体为：在柔性调度方案析取图中关键路径上的工序节点进行移动时，第一步删除同一台机床上的待移动工序节点与其他节点间弧连接，然后将对应的权值设置为0；接下来从已删除工序的可选加工机床的集合中选择一台，按照约束条件选择节点插入位置；最后以优化完工时间为目标更新节点权重。
[0015]所述禁忌表的数据结构为：将搜索策略的移动属性作为禁忌对象，每条染色体对应一张禁忌表，将禁忌对象设置为(u,m,t)三元组的形式存储，其中，u表示关键路径上的工序节点，m表示工序u的加工机床，t表示加工时间。
[0016]本专利技术具有以下有益效果及优点：
[0017]1.本专利技术的染色体分为机床选择和工序排序两部分，这样的编码方式简捷明了，可以使调度方法初期能够在复杂空间内进行全局优化搜索。
[0018]2.作为一种有方向性的在概率指导下的启发式算法，不同于穷举暴力搜索，本专利技术具有并行搜索的特性，每条染色体都能表征一种可行解，对整个种群进行迭代操作，以此均匀覆盖整个解空间，能有效提高寻找调度方案的搜索效率，
[0019]3.本专利技术在局部禁忌搜索阶段设立了三元组形式的禁忌表数据结构，以最大完工时间为优化目标，以此避免算法过早陷入早熟收敛，有效提升了算法的局部搜索能力。
[0020]4.本专利技术没有拘泥于穷举所有调度方案得到全局最优解导致浪费大量时间，而是在遗传算法中结合禁忌搜索，得到局部最优解，优化了最大完工时间，能提升实际机床产线的工作效率，减少实际生产时间成本。
附图说明
[0021]图1为本专利技术算法流程图；
[0022]图2为本专利技术种群染色体编码图；
[0023]图3为染色体机床选择部分交叉操作示意图；
[0024]图4为染色体工序排序部分变异操作示意图；
[0025]图5柔性作业调度析取图；
[0026]图6柔性作业调度甘特图。
具体实施方式
[0027]下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步的详细说明。
[0028本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于禁忌搜索遗传算法的车间柔性作业调度方法，其特征在于，包括以下步骤：全局搜索：将任意一种车间柔性作业的调度方案作为一条染色体，对每条染色体分别进行种群编码，并对编码后的染色体进行交叉操作和变异操作，得到最终表示工序排序的变异编码的染色体种群；局部禁忌搜索：基于染色体种群中的染色体构建柔性调度方案析取图模型，寻找关键路径，在关键路径上对工序进行删除和插入操作，完成对局部区域的一次搜索，为局部搜索设置禁忌表和禁忌长度，寻找满足禁忌表和禁忌长度的所有染色体，完成车间柔性作业的调度方案的优化。2.根据权利要求1所述的一种基于禁忌搜索遗传算法的车间柔性作业调度方法，其特征在于，所述种群编码为分段编码形式，第一段为机床选择编码，第二段为工序编码；所述机床选择编码给每个工件的每个工序指定机床，所述工序编码在机床选择编码的前提下，指定每一个机床的加工的工序顺序。3.根据权利要求2所述的一种基于禁忌搜索遗传算法的车间柔性作业调度方法，其特征在于，所述机床选择编码具体为：根据柔性工作调度表，得到某一工件的某一工序对应的可选加工机床的集合，在集合中选择一台机床作为完成该工序使用的机床，对其进行编码a，其编码含义为：某一工序在可选加工机床的集合中选择了第a台机床，机床选择编码的长度为所有工件工序的数目总和。4.根据权利要求2所述的一种基于禁忌搜索遗传算法的车间柔性作业调度方法，其特征在于，所述工序编码具体为：设置一个长度为机床数的时间数组Time[m]，数组初始化为0，每一项对应已经安排在此台机床上加工的所有工序的时间和，随机选择一个工件，从当前工件的第一道工序开始，将可选加工机床的集合中每台机床的加工时间与时间数组Time[m]中的对应时间相加，从中选择最短的加工时间所对应的机床k，更新Time[k]的值为所选的最短加工时间加上机床k的已有加工时间；依次选择工件的每一道工序，选择最短加工时间并迭代更新时间数组，直至为所有工件选定工序加工的机床，根据机床选择编码，按照同一工件之间的先后顺序约束条件，筛选随机生成工序排序的编码，得到工序编码。5.根据权利要求1或2所述的一种基于禁忌搜索遗传算法的车间柔性作业调度方法，其特征在于，所述染色体交叉操作为：将种群编码...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡毅，吴文江，李廉颇，周正，于皓宇，张曦阳，
申请(专利权)人：沈阳中科数控技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：