一种基于邻域结构的混合流水车间调度方法及系统技术方案

本发明专利技术属于车间生产调度相关技术领域，其公开了一种基于邻域结构的混合流水车间调度方法及系统，包括以下步骤：(1)将待优化的混合流水车间调度解作为当前解和历史最优解，并选定一种邻域结构；(2)求解各工序的头尾长度；(3)递归计算关键路径；(4)将关键路径划分为关键块；(5)依次在关键块上使用邻域结构以得到邻域解；(6)利用头尾长度估计所有邻域解的最大完工时间；(7)从邻域解中选择最大完工时间最小的作为新的当前解，如果当前解的最大完工时间小于历史最优解，则用当前解更新历史最优解；(8)判断是否满足终止条件，如满足，则输出历史最优解，如未满足终止条件则转至步骤(2)。本发明专利技术提高了搜索效率。本发明专利技术提高了搜索效率。本发明专利技术提高了搜索效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于邻域结构的混合流水车间调度方法及系统


[0001]本专利技术属于车间生产调度相关
，更具体地，涉及一种基于邻域结构的混合流水车间调度方法及系统。

技术介绍

[0002]车间调度是指通过对生产车间内各项资源的合理配置，包括调整物料、人员、设备等资源的使用方式和顺序，达到某些目标或优化某些指标。最常见的车间调度目标是减少最大完工时间，即一批产品中最后一个的完工时间。因为最大完工时间往往和人工成本、设备成本正相关，降低最大完工时间，可以直接降低生产成本。
[0003]混合流水车间是最常见的车间类型之一。它是指在一个生产车间中，所有工件的工艺路径都相同，但每道工序的加工时长有差异。基于流水线的多品种、较大批量生产模式一般都属于混合流水车间。
[0004]目标为最小化最大完工时间的混合流水车间调度问题一般可以描述为：
[0005]1.基本假设：每个工件同时只能加工一道工序，且加工一旦开始不能中断；每台加工设备同时只能加工一个工件的一道工序。
[0006]2.已知条件：车间有n个工件待加工，每个工件有m道工序(加工阶段)，且不同工件的同一道工序所需的加工设备相同，加工时间不完全相同但已知。至少有1道工序有2台及以上相同的加工设备，可供工件选择。
[0007]3.问题：安排每台加工设备上的工件加工顺序并确定各工件各工序的开工时刻和完工时刻，使得最后一个完工工序的完工时刻最小。
[0008]混合流水车间调度问题是NP难问题，无法得到一个多项式算法在有限时间内取得最优解。因此，实际应用中多采用近似算法求近优解。智能优化算法是一类常用的近似算法，适用范围广泛、求解能力强。如何使用智能优化算法在较短时间内求得一个能够满足生产需求的近优解，成为了一个研究热点。常用的智能优化算法有遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法、禁忌搜索算法等。
[0009]局部搜索能够实现对解的精细化搜索，常常被嵌入其他算法框架中使算法整体性能得到极大提升。局部搜索算法中最关键的是邻域结构的设计。邻域结构是指对一个已知解的微小扰动。经过这种扰动，可以获取一个或一组与已知解相似的新解。这些新解被称为邻域解。如果已知解的质量已经很高，那么其邻域解集的质量往往也很高，其中很可能出现更优解。然而，现有研究中局部搜索算法在混合流水车间调度问题中的应用较少、研究不充分，且多采用柔性作业车间调度问题的邻域结构直接套用，没有考虑混合流水车间本身的特点，造成了大量的算力浪费。如何利用混合流水车间本身的性质设计邻域结构，减少不必要的计算并提高获取更优解的概率，是进一步增强局部搜索算法性能的关键。

技术实现思路

[0010]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基于邻域结构的混合流
水车间调度方法及系统，其针对现有混合流水车间调度问题的邻域结构不成体系，忽略了自身车间特点，既造成了不必要的计算量，也不利于进一步研究的问题，对混合流水车间调度问题的邻域结构进行了设计，具体包括四个邻域结构。这些邻域结构之间具有递进关系，且各有不同的适用范围，可以根据实际需要加以选择，使用了这些邻域结构的局部搜索算法求解混合流水车间调度问题时可以省去多余计算，更大概率地获取更优解，提高了求解效率。
[0011]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于邻域结构的混合流水车间调度方法，该方法包括以下步骤：
[0012](1)将待优化的混合流水车间调度解作为当前解和历史最优解，并选定一种邻域结构，邻域结构包括NF1邻域结构、NF2邻域结构、NF3邻域结构、NF4邻域结构；
[0013](2)求解各工序的头尾长度；
[0014](3)从当前解中最后一个完工的工序开始，前向递归计算关键路径；
[0015](4)将关键路径划分为关键块；
[0016](5)依次在关键块上使用邻域结构以得到邻域解；其中，
[0017]NF1邻域结构：对第一个关键块，交换块尾两个工序的加工顺序；对最后一个关键块，交换块首两个工序的加工顺序；对其余关键块，交换块首两个工序的加工顺序或块尾两个工序的加工顺序；
[0018]NF2邻域结构：对第一个关键块，将某个非块尾工序移动至块尾工序之后加工；对最后一个关键块，将某个非块首工序移动至块首工序之前加工；对其余关键块，将某个非块尾工序移动至块尾工序之后加工或将某个非块首工序移动至块首工序之前加工；
[0019]NF3邻域结构：对第一个关键块，将块尾工序移动至某个非块尾工序之前加工，或将某个非块尾工序移动至块尾工序之后加工；对最后一个关键块，将块首工序移动至某个非块首工序之后加工，或将某个非块首工序移动至块首工序之前加工；对其余关键块，将块首工序移动至某个非块首工序之后加工，或将块尾工序移动至某个非块尾工序之前加工，或将中间工序移动至块首工序之前加工，或将中间工序移动至块尾工序之后加工；
[0020]NF4邻域结构：对第一个关键块，将块尾工序移动至某个非块尾工序之前加工，或将某个非块尾工序移动至块尾工序或其后任意工序之后加工；对最后一个关键块，将块首工序移动至某个非块首工序之后加工，或将某个非块首工序移动至块首工序或其前任意工序之前加工；对其余关键块，将块首工序向后移动至任意工序之后加工，或将块尾工序向前移动至任意工序之前加工，或将中间工序移动至块首工序或其前任意工序之前加工，或将中间工序移动至块尾工序或其后任意工序之后加工；
[0021](6)利用头尾长度估计所有邻域解的最大完工时间；
[0022](7)从邻域解中选择最大完工时间最小的作为新的当前解，如果当前解的最大完工时间小于历史最优解，则用当前解更新历史最优解；
[0023](8)判断是否满足终止条件，如满足，则输出历史最优解，如未满足终止条件则转至步骤(2)。
[0024]进一步地，步骤(2)中，当前解中所有工序的开工时刻即为该工序的头长度；然后对当前解以最大完工时间为右侧基准线，在满足各工件工序先后约束且不改变同一机器上加工顺序的前提下，将所有工序向基准线右靠，得到各工件各工序的最晚开完工时刻。
[0025]进一步地，最大完工时间减去最晚开工时刻即为各工序的尾长度。
[0026]进一步地，步骤(3)中，首先获取最后一个完工工序作为当前工序，若存在多个则随机任选其一，将当前工序放入关键路径；然后查找当前工序的机器前导工序和工件前导工序，判断这两者的完工时刻和当前工序的开工时刻是否相同，如2个完工时刻和当前工序的开工时刻都相同，则从机器前导工序和工件前导工序中任选其一作为当前工序；如只有1个相同，则对应的工序作为当前工序；之后，把新的当前工序放入关键路径，然后重复上述过程直到当前工序的开工时刻为0。
[0027]进一步地，步骤(4)中，从首个工序开始，后向递归计算关键块：首个工序被放入当前关键块；对关键路径上的后续工序逐个检查所用加工设备，如该工序所用加工设备与前一工序所用加工设备相同，则该工序被放入当前关键块；反之，则当前关键块已经结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于邻域结构的混合流水车间调度方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)将待优化的混合流水车间调度解作为当前解和历史最优解，并选定一种邻域结构，邻域结构包括NF1邻域结构、NF2邻域结构、NF3邻域结构、NF4邻域结构；(2)求解各工序的头尾长度；(3)从当前解中最后一个完工的工序开始，前向递归计算关键路径；(4)将关键路径划分为关键块；(5)依次在关键块上使用邻域结构以得到邻域解；其中，NF1邻域结构：对第一个关键块，交换块尾两个工序的加工顺序；对最后一个关键块，交换块首两个工序的加工顺序；对其余关键块，交换块首两个工序的加工顺序或块尾两个工序的加工顺序；NF2邻域结构：对第一个关键块，将某个非块尾工序移动至块尾工序之后加工；对最后一个关键块，将某个非块首工序移动至块首工序之前加工；对其余关键块，将某个非块尾工序移动至块尾工序之后加工或将某个非块首工序移动至块首工序之前加工；NF3邻域结构：对第一个关键块，将块尾工序移动至某个非块尾工序之前加工，或将某个非块尾工序移动至块尾工序之后加工；对最后一个关键块，将块首工序移动至某个非块首工序之后加工，或将某个非块首工序移动至块首工序之前加工；对其余关键块，将块首工序移动至某个非块首工序之后加工，或将块尾工序移动至某个非块尾工序之前加工，或将中间工序移动至块首工序之前加工，或将中间工序移动至块尾工序之后加工；NF4邻域结构：对第一个关键块，将块尾工序移动至某个非块尾工序之前加工，或将某个非块尾工序移动至块尾工序或其后任意工序之后加工；对最后一个关键块，将块首工序移动至某个非块首工序之后加工，或将某个非块首工序移动至块首工序或其前任意工序之前加工；对其余关键块，将块首工序向后移动至任意工序之后加工，或将块尾工序向前移动至任意工序之前加工，或将中间工序移动至块首工序或其前任意工序之前加工，或将中间工序移动至块尾工序或其后任意工序之后加工；(6)利用头尾长度估计所有邻域解的最大完工时间；(7)从邻域解中选择最大完工时间最小的作为新的当前解，如果当前解的最大完工时间小于历史最优解，则用当前解更新历史最优解；(8)判断是否满足终止条件，如满足，则输出历史最优解，如未满足终止条件则转至步骤(2)。2.如权利要求1所述的基于邻域结构的混合流水车间调度方法，其特征在于：步骤(2)中，当前解中所有工序的开工时刻即为该工序的头长度；然后对当前解以最大完工时间为右侧基准线，在满足各工件工序先后约束且不改变同一机器上加工顺序的前提下，将所有工序向基准线右靠，得到各工件各工序的最晚开完工时刻。3.如权利要求2所述的基于邻域结构的混合流水车间调度方法，其特征在于：最大完...

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