基于成组技术和改进CS算法的虚拟单元调度方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了基于成组技术和改进CS算法的虚拟单元调度方法和系统，属于虚拟单元调度领域。包括：接收工件组、机器组和制造单元的划分，所述工件组中所有组件工艺相似，所述机器组中所有机器加工相同工件组，所述制造单元与机器组一一对应；构建虚拟单元调度的目标函数为所有工件加工过程的最大完工时间最小化；对不同机器上的工件加工顺序、AGV分配和单元内机器配置进行编码；对编码后的虚拟单元调度问题采用改进CS算法进行求解，所述改进CS算法引入自适应飞行步长的莱维飞行与带自适应鸟巢发现概率的变邻域搜索；对最优解进行解码，输出虚拟单元调度结果。本发明专利技术能够有效求解虚拟单元调度问题，并能获取以最短完工时间为目标的生产方案。的生产方案。的生产方案。

【技术实现步骤摘要】
基于成组技术和改进CS算法的虚拟单元调度方法和系统


[0001]本专利技术属于虚拟单元调度领域，更具体地，涉及基于成组技术和改进CS算法的虚拟单元调度方法和系统。

技术介绍

[0002]随着国内外市场订单种类趋向于多样，大规模生产的需求逐渐减少，因此为了满足多种类，小批量产品的需求，成组技术广泛应用于制造业领域，最为明显的是单元制造，但每个产品订单间的切换必定会使得单元进行重构，生产效率以及重构成本会影响到实际生产的有序进行。因此此处提出了虚拟单元调度的混合整数数学规划模型，其能够在单元重构时提升生产效率、提高设备利用率和降低重构成本等。
[0003]相比传统虚拟单元调度，此处借鉴了单元化制造的三个环节：单元构建、单元布局和单元调度。在单元化制造过程中，大多研究者仅对其中单个问题进行优化。白朝阳等针对流水线向单元转变问题，以员工数和完工时间最小化为目标，考虑工件与单元的关系进行单元构建；丁祥海等针对U形单元重构问题，考虑到物流、构建和时间成本等多个目标；连永伟等研究了考虑单元间移动物流成本以及系统总完工时间的单元调度问题；赵梓安等将机器故障考虑进单元调度，以机器故障造成的综合成本与完工时间最小化为目标。在实际制造系统中，将虚拟单元调度集成优化相比独立决策可以得到更好的解集，且能够有效快速地应对多品种小批量的市场需求变化。此处将虚拟单元调度进行动态集成优化，摒弃了单元布局带来的重构成本，提出了新的虚拟单元调度模型。
[0004]虚拟单元调度问题是NP难问题。精确算法存在局限性，常用于求解小规模案例。启发式算法、智能优化算法等方法在该领域已取得了丰硕成果，但随着问题复杂度增加，提升其求解性能仍旧是目前研究的重点。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供基于成组技术和改进CS算法的虚拟单元调度方法和系统，旨在解决现有方法求解该问题时获得的解并非最优解的问题。
[0006]为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种基于成组技术和改进CS算法的虚拟单元调度方法，包括：
[0007]获取工件的数量、机器的数量、AGV的数量、制造单元的数量、各工件的工序数、各工序在不同机器上的加工时间和工序加工顺序；
[0008]接收工件组、机器组和制造单元的划分，所述工件组中所有组件工艺相似，所述机器组中所有机器加工相同工件组，所述制造单元与机器组一一对应，所述AGV负责运输需要跨单元加工的工件；
[0009]构建虚拟单元调度的目标函数为所有工件加工过程的最大完工时间最小化；
[0010]对不同机器上的工件加工顺序、AGV分配和单元内机器配置进行编码；
[0011]对编码后的虚拟单元调度问题采用改进CS算法进行求解，所述改进CS算法引入自
适应飞行步长的莱维飞行与带自适应鸟巢发现概率的变邻域搜索；
[0012]对最优解进行解码，输出虚拟单元调度结果。
[0013]优选地，所述目标函数为：
[0014][0015]所述目标函数需满足约束条件：
[0016]a.工件前后工序约束：
[0017][0018]b.每台机器都被分配到指定一单元内：
[0019][0020]c.同一工件在同一时刻只能在一台机器上加工：
[0021][0022]d.AGV在运输指定工件时的时间约束：
[0023][0024]e.任意单元的总机器数之差不能超过2台：
[0025][0026]其中，ME
pkm
表示工件p的第k工序在机器m上的结束加工时间，PE
pkm
表示工件p的第k工序在机器m上的结束时间，D
mc
表示机器m是否分配到单元c，c表示制造单元序号，C表示制造单元数量，p表示工件序号，N表示工件数量，k表示工件p的工序序号，OP
p
表示工件p的工序数量，V
pkm
表示工件p的第k道工序是否在机器m上加工，AS
pka
表示工件p的第k道工序用a号AGV的开始时间，AT
pka
表示工件p的第k道工序用a号AGV的运行时间，AE
pka
表示工件p的第k道工序用a号AGV的结束时间，m表示加工机器序号，M表示机器数量。
[0027]优选地，所述对不同机器上的工件加工顺序、AGV分配和单元内机器配置进行编码，包括：
[0028]采用四段编码，即工序段、机器段、AGV段和单元段；
[0029]根据鸟巢转工序段参照序列，将鸟巢段转化为工序段，所述鸟巢段的长度为工序总数，其取值范围为0
‑
1的小数；
[0030]对于机器段，在对应工序能选机器群中随机选择一台；
[0031]对于AGV段，随机生成范围为[1
‑
V]的整数，其中，V表示AGV总数；
[0032]对于单元段，根据工序对应的机器以及机器
‑
单元分配方案共同决定，取值范围为[1
‑
C]的整数，其中，C表示单元数。
[0033]优选地，所述自适应飞行步长的计算公式如下：
[0034][0035]其中，L表示实际飞行步长，step表示Mantegna提出的随机步长，s表示当前鸟巢，best表示当前迭代次数最优的鸟巢，α表示控制步长，Q表示总的迭代次数，j表示当前迭代次数。
[0036]优选地，所述自适应鸟巢发现概率的计算公式如下：
[0037][0038]其中，FP表示发现概率，P
s
表示最小发现概率，P
c
表示变换概率幅值，Q表示总的迭代次数，j表示当前迭代次数。
[0039]优选地，所述变邻域搜索为交换、转置或者前插。
[0040]为实现上述目的，第二方面，本专利技术提供了一种基于成组技术和改进CS算法的虚拟单元调度系统，包括：处理器和存储器；所述存储器，用于存储计算机执行指令；所述处理器，用于执行所述计算机执行指令，使得如第一方面所述的方法被执行。
[0041]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0042]本专利技术针对多品种小批量环境下的虚拟单元调度问题，以最小化最大完工时间为目标，构建了混合整数数学规划模型，可以在不改变生产设备物理布局的前提下，实现小批量、多品种订单的快速、低成本生产。在布谷鸟算法的基础上进行改进，首先，编码为四段式，解码过程进行鸟巢修复策略，保证解码方案的可行性；其次，设计了自适应飞行步长和发现概率以提高整体搜索性能，设计了三种邻域对解进行更新，采用单元构建规则进行构建方案的扰动；随后，采用改进的布谷鸟算法求解，能得到更优性能的解，其相比于其他智能优化算法能够更为有效地求解虚拟单元调度问题，并能获取以最短完工时间为目标的生产方案，有效地解决了某生产装配车间实际问题。
附图说明
[0043]图1是本专利技术提供的改进CS算法流程图。
[004本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于成组技术和改进CS算法的虚拟单元调度方法，其特征在于，包括：获取工件的数量、机器的数量、AGV的数量、制造单元的数量、各工件的工序数、各工序在不同机器上的加工时间和工序加工顺序；接收工件组、机器组和制造单元的划分，所述工件组中所有组件工艺相似，所述机器组中所有机器加工相同工件组，所述制造单元与机器组一一对应，所述AGV负责运输需要跨单元加工的工件；构建虚拟单元调度的目标函数为所有工件加工过程的最大完工时间最小化；对不同机器上的工件加工顺序、AGV分配和单元内机器配置进行编码；对编码后的虚拟单元调度问题采用改进CS算法进行求解，所述改进CS算法引入自适应飞行步长的莱维飞行与带自适应鸟巢发现概率的变邻域搜索；对最优解进行解码，输出虚拟单元调度结果。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标函数为：所述目标函数需满足约束条件：a.工件前后工序约束：b.每台机器都被分配到指定一单元内：c.同一工件在同一时刻只能在一台机器上加工：d.AGV在运输指定工件时的时间约束：e.任意单元的总机器数之差不能超过2台：其中，ME
pkm
表示工件p的第k工序在机器m上时机器的结束加工时间，PE
pkm
表示工件p的第k工序在机器m上的结束时间，D
mc
表示机器m是否分配到单元c，c表示制造单元序号，C表示制造单元数量，p表示工件序号，N表示工件数量，k表示工件p的工序序号，OP
p
表示工件p的工序数量，V
pkm
表示工件p的第k道工序是否在机器m上加工，AS
pka
表示工件p的第k道工序用a号AGV的开始时间，AT
pka
表示工件p的第k道工序用a号A...

【专利技术属性】
技术研发人员：张利平，孙睿，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：