【技术实现步骤摘要】
考虑协作机器人的多工序作业调度问题的解决方法和装置
[0001]本专利技术涉及管理科学
，尤其涉及一种考虑协作机器人的多工序作业调度问题的解决方法和装置
。
技术介绍
[0002]众多智能制造发展方向中，协作机器人是重点研发领域之一
。
协作机器人作为新型工业机器人，充分发挥机器人的效率以及人类的智慧
。
[0003]传统的车间调度问题在上世纪
50
年代被提出并逐渐受到广泛关注
。
在传统车间调度问题中，通过建立数学模型以及设计算法对机器的分配与作业生产顺序的优化来降低生产成本，提高生产效率
。
随着协作机器人引入生产车间中，协作机器人作为一种新的生产资源加入到生产系统中，同样需要合理分配以提升生产效率
。
[0004]配备了具有生产功能的协作机器人的机器在加工一道工序时至多有三种模式可供选择：机器加工
(
传统模式
)、
协作机器人加工
、
协同加工；而没有协作机器...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.
一种考虑协作机器人的多工序作业调度问题的解决方法，其特征在于，包括：
S1、
求解考虑协作机器人的多工序作业调度问题原问题的松弛模型，获得协作机器人分配方案；
S2、
使用考虑协作机器人的最短加工时间优先规则，获得首台机器上的作业加工顺序的初始解；
S3、
基于改进禁忌搜索算法框架，结合一种将多工序作业调度分解为一系列单机调度问题的启发式策略，确定作业在每台机器上的加工模式以及除首台机器外的作业加工顺序，并获得首台机器上的作业加工顺序的最优方案
。2.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述
S1
中求解考虑协作机器人的多工序作业调度问题原问题的松弛模型，获得协作机器人分配方案，具体包括：将原问题的数学表达中作业加工顺序的相关变量与约束松弛掉，只保留与协作机器人分配相关的变量与约束，得到所述松弛模型，使用商业求解器求解所述松弛模型，获得协作机器人分配方案，为方便表述，记作所述原问题中的参数与变量说明如下：索引：
i∈M 机器索引
j
，
k∈J 作业索引
p∈P 加工模式索引参数：
M
＝
{1
，
...
，
m} 机器集合
J
＝
{1
，
...
，
n} 作业集合
R
＝
{1
，
...q} 协作机器人集合
P
＝
{p
m
，
p
r
，
p
c
} 加工模式集合，其中
p
m
表示仅由机器加工，
p
r
表示仅由协作机器人加工，表示协同加工
p
c
作业
j
在机器
i
由模式
p
操作的时间作业
j
在机器
i
仅由机器加工的操作时间作业
j
在机器
i
仅由协作机器人加工的操作时间作业
j
在机器
i
协同加工的操作时间
H
一个足够大的正数变量：
x
ijp 如果作业
j
在机器
i
上以模式
p
加工则为1；否则为
0y
i 如果有协作机器人分配到机器
i
则为1；否则为
0v
ijk 如果作业
j
和
k
在机器
i
上都需要使用机器或都需要使用协作机器人则为1；否则为
0z
ijk 如果
v
ijk
＝1并且作业
j
比
k
在机器
i
上优先生产则为1；否则为
0S
ij
作业
j
在机器
i
上的开始时间
C
ij
作业
j
在机器
i
上的结束时间
C
max
最大完工时间
所述松弛模型如下：
min C
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)s.t.∑
i∈M
y
i
＝
q
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)(2)(2)(2)(2)x
ijp
，
y
i
∈{0
，
1}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
其中目标函数
(1)
表示最小化最大完工时间，约束
(2)
左侧为得到协作机器人分配的机器数量，右侧为协作机器人数量，表示所有协作机器人都要分配到机器上，约束
(3)
表示机器上若无协作机器人分配，则不考虑协作机器人单独加工与协同加工两种加工模式，约束
(4)
表示每台机器上的每个作业能且只能选择一种加工模式，约束
(5)
右侧通过计算采用
p
c
与
p
m
两种模式的作业加工总时长表示表示每台机器资源的使用总时长，约束
(5)
整体表示最大完工时间大于每台机器资源使用总时长的最大值，约束
(6)
右侧通过计算采用
p
c
与
p
r
两种模式的作业加工总时长表示每个协作机器人的使用总时长，约束
(6)
整体表示最大完工时间大于每个协作机器人使用总时长的最大值，约束
(7)
右侧表示每个工作所需要的加工总时长，整体表示最大完工时间大于每个工作所需要加工总时长的最大值，所述松弛模型的优化目标是让约束
(5)
‑
(7)
右侧所表示的时间最小化，其本质是使协作机器人被分配到提速效果更明显的机器上，约束
(8)
表示变量的取值范围
。3.
根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述
S2
中使用考虑协作机器人的最短加工时间优先规则，获得首台机器上的作业加工顺序的初始解，具体包括：如果首台机器分配了协作机器人，则取每个作业三种加工模式中加工时间最小值为每个作业的加工时间，再将加工时间越短的作业越靠前排列，得到所述初始解，记作
Π
，所述三种加工模式包括：机器加工
、
协作机器人加工
、
协同加工；否则直接使用传统的最短加工时间优先规则得到所述初始解
。4.
根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述
S3
中的改进禁忌搜索算法框架，具体包括：
S31、
对于前面生成的初始解，计算目标值；
S32、
将所述初始解赋予当前解
Ω
curent
，设置初始迭代数
a
＝0，禁忌表
φ
为空，并把当前解
Ω
current
赋值给全局最优解
Ω
best
；
S33、
通过邻域操作不断寻找所述当前解
Ω
current
的邻域解，并计算所述邻域解的目标值，所述邻域解的集合构成所述当前解
Ω
current
的邻域
Ω
candidate
；
S34、
从所述邻域
Ω
candidate
中找出最优目标值的局部最优解
Ω
new
，将所述局部最优解
Ω
new
赋值给所述当前解
Ω
current
，并将所述局部最优解
Ω
new
对应的邻域操作放入禁忌表中，更新
φ
；
S35、
若所述当前解
Ω
current
的目标值优于所述全局最优解
Ω
best
对应的目标值，则将当
前解
Ω
current
赋值给全局最优解
Ω
best
，否则不接受所述当前解
Ω
current
，且令
a+1
，继续进行下次迭代
。5.
根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述目标值的计算采用结合一种将多工序作业调度分解为一系列单机调度问题的启发式策略，确定作业在每台机器上的加工模式以及除首台机器外的作业加工顺序，以及所述目标值，具体包括：将进行了协作机器人分配后的问题分解为若干子问题，若加工环境中包含
m
台机器，则分解为
m
个子问题，子问题集合记为
M
是机器索引集合，机器
i∈M
，每台机器
i
对应一个子问题
SP
i
；对于前
m
‑1台机器，以最小化所有作业的总完成时刻为目标，使用商业求解器求解子问题
SP
i
，得到对应机器
i
上的作业加工模式，混合整数规划表达如下：
min∑
j∈J
C
ij
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)(9)(9)(9)(9)(9)(9)(9)(9)(9)(9)(9)S
ij
，
C
ij
≥0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)x
ijp
，
z
ijk
，
v
ijk
∈{0
，
1}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(22)
其中变量表示作业
j
是否在机器
i
上由模式
p
c
加工，变量表示作业
k
是否在机器
i
上由模式
p
c
加工，变量表示作业
j
是否在机器
i
上由模式
p
m
加工，变量表示作业
k
是否在机器
i
上由模式
p
m
加工，变量表示作业
j
是否在机器
i
上由模式
p
r
加工，变量表示作业
k
是否在机器
i
上由模式
p
r
加工，表示协作机器人分配方案中第
i
台机器是否有协作机器人分配，如果有则为1，否则为0；对于最后一台机器来说，子问题
SP
n
的优化目标应与原问题一致，混合整数规划表达如下：
min C
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)(1)
S
ij
，
C
ij
≥0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)x
ijp
，
z
ijk
，
v
ijk
∈{0
，
1}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(22)
其中，目标函数
(1)
表示最小化最大完工时间，约束
(4)
表示每台机器上的每个工作能且只能选择一种加工模式，目标函数
(9)
表示最小化所有工作的完成时刻总和，约束
(10)
表示机器上若无协作机器人分配，则不考虑协作机器人单独加工与协同加工两种加工模式，约束
(11)
表示作业的完成时间等于开始时间加操作时间，约束
(12)
表示工作在上一台机器结束后才能在当前机器上开始，约束
(13)
‑
(17)
两侧均为0‑1变量，通过这组约束确定右侧不同
x
的不同取值下的
v
ijk
取值，具体来说，约束
(13)
表示若同一机器上的两个作业都选择了
p
c
模式进行加工，则两个工作间可能产生资源冲突，约束
(14)
‑
(15)
表示若同一机器上的两个作业都选择了
p
m
或都选择了
p
r
模式加工，则两个工作间可能产生资源冲突，约束
(16)
‑
(17)
表示若同一机器上的两个作业分别选择了
p
m
和
p
r
加工模式，则不会产生资源冲突，约束
(18)
‑
(21)
用于确定作业之间的加工顺序与开始
、
结束时间，约束
(22)
表示变量的取值范围，约束
(23)
用于计算最大完工时间；此时已知首台机器上的作业加工顺序
Π
，则子问题
SP1中的变量
z
1jk
变为已知参数，此处使用参数替换
z
1jk
，并用商业求解器求解子问题
SP1，获得首台机器上各作业的加工模式选择以及各作业的完成时间；使用先到达先服务策略，根据当前各作业完成的先后顺序，确定下一台机器上的作业加工顺序...
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