作业车间调度

车间调度问题主要内容一、研究背景和意义二、国内外研究现状三、车间调度问题的概述四、车间调度问题的研究方法五、作业车间调度问题5.1柔性作业车间调度问题5.2不确定性作业车间调度问题5.2.1模糊作业车间调度问题5.2.2随机作业车间调度问题5.3动态作业车间调度问题六、车间调度问题存在的问题七、车间调度问题的发展趋势致谢一、研究的背景和意义背景：企业间的激烈竞争，市场需求和顾客需求的多样化生产规模大型化和生产过程连续化车间调度已成为生产过程的关键瓶颈之一意义：生产作业调度问题的研究对于有效的优化企业生产资源配置，缩短产品加工时间，降低产品生产成本，提高企业生产效率等研究有着重要的实际应用价值。车间作业调度问题的研究对推动企业生产调度管理的发展，提升我国制造业的竞争力具有重大意义。二、国内外研究状况自从1954年Johnson发表了两台机床流水车间调度问题以来，已有2000多篇论文被发表。《工业调度问题》——为以后的研究奠定了坚实的基础。多数研究的是单目标的、静态的调度。目前对动态的、柔性的、不确定性的、多目标的调度研究越来越多。国内外学者采用了很多种算法解决了很多种类型的车辆调度问题。三、车间调度问题的概述3.1车间调度问题的描述3.2车间调度问题的特点3.3车间调度问题的分类3.1车间调度问题的描述车间调度问题就是对一个可用的制造资源集在时间上进行加工任务(加工工件)集的分配，将作业(加工操作)均衡地安排到各机器，并合理地安排作业的加工次序和开始时间，同时优化一些性能指标，在执行这些作业或者任务时需要满足某些限制条件，如作业的到达时间、完工的限定时间、作业的加工顺序、资源对加工时间的影响等。从数学规划的角度看，车间调度问题可表达为在等式或不等式约束下，对一个或多个目标函数的优化。3.2车间调度问题的特点复杂性：NP难题；问题规模大动态随机性：作业时间不准确；工件随机到达；设备问题（突发）；交货期改变等。多目标性：(1)基于作业交货期的目标(2)基于作业完成时间的目标(3)基于生产成本的目标多约束性：资源的数量、缓存的数量、工件的加工时间和加工顺序等。3.3车间调度问题的分类根据加工系统的复杂程度可分为：单机、多台并行机、FlowShop、OpenShop和JobShop。根据性能指标分为：基于调度成本调度问题和基于调度性能调度问题根据生产环境的特点分为：确定性车间调度和不确定性车间调度问题根据作业的加工特点分为：静态车间调度和动态车间调度四、车间调度问题的研究方法4.1精确求解方法4.2近似求解方法4.1精确求解方法1.数学方法整数规划混合整数规划分解方法拉格朗日松弛法2.分支定界法Balas在1969年提出基于析取图的枚举算法是最早应用于求解调度问题的分支定界方法。4.2近似求解方法1.构造性方法优先分配规则法基于瓶颈的启发式方法插入方法2.人工智能方法神经网络专家系统3元启发式算法基于生物启发的群体算法：遗传算法、粒子群优化算法和蚁群算法局部搜索算法：禁忌搜索算法、模拟退火算法和多起点局部搜索五、作业车间调度问题5.1柔性作业车间调度问题5.2不确定性作业车间调度问题5.3动态作业车间调度问题五、作业车间调度问题描述：Jobshop调度问题研究n个工件在m台机器上的加工过程，Oijr表示工件i的第j道工序在机器r上加工，相应的操作时间tij为已知，事先给定各工件在各机器上的加工次序（称为技术约束条件），要求确定与技术约束条件相容的各机器上所有工件的加工次序，使加工性能指标达到最优。约束条件：每个机器在同一时刻只能加工一个工件；每个工件只能在一台机器上加工；每个工件的工序加工先后次序是预先给定的，不同的工序之间没有顺序约束；操作一旦开始就不能中途停止；解的表式方法：甘特图和析取图（1）甘特图（2）析取图调度性能指标：(1)基于完成时间的指标(2)基于交货期的指标(3)基于成本的指标①生产成本②在制品存储成本③拖期惩罚成本④成品存储成本(4)基于设备负荷的指标①最大负荷②设备总负荷5.1柔性作业车间调度问题描述：假定车间有m台机器和n个需加工工件，每个工件包含s道工序，工件的工序顺序是预先确定的，每道工序可以在多台不同的机器上加工，工序的加工时间随机器的性能不同而不同。调度目标是为每道工序选择最合适的机器，以及确定各机器上所有工件的加工次序，得到一种具有最优性能指标的调度方案。特征：FJSP问题区别于经典JSP问题的最大特征就是工序调度前需要首先为工序分配设备。分为机器分配问题和工序调度问题。（1）允许某道工序在多台机器上加工；（2）一台机器可以加工多种类型的工序。柔性的含义：操作柔性：就是同一个操作（工序）可以在不同的机器上运行。顺序柔性：在满足拓扑排序的前提下，在处理过程中操作可以选择不同的处理顺序。处理柔性：要完成某段加工过程，可以选择不同的操作组合及其加工顺序的组合。求解方法：（1）分步法：分步求解FJSP中的机器分配和工序调度两个子问题的方法1993年，Brandimarte首次采用分步法求解多目标FJSP问题，他先用分派规则法求解机器分配问题，然后利用禁忌搜索法求解工序调度问题。2005年，夏蔚军等采用微粒群优化法和模拟退火法集成的思想求解多目标FJSP问题:用效用函数法把多目标问题转化为单目标问题，用微粒群优化法求解机器分配问题，用模拟退火法求解工序调度问题。（2）集成法：是指同时求解FJsP的机器分配问题和工序调度问题的方法。1997年Dauzere-peres等人定义了邻域结构方法不区分分配问题和调度问题并且基于该邻域结构提出了禁忌搜索过程求解FJSP。2000年，赵伟等人研究了JobShop类型柔性制造系统的调度问题，其中每个工件都有多个可替代的工艺计划，并且每个操作均可在多个机器上选择加工，建立了多目标混合整数规划模型，利用遗传算法进行求解。Mati等采用贪婪算法、Loukil和Maqrini等采用模拟退火算法同时求解FJSP的机器分配和工序调度两个子问题。5.2不确定性作业车间调度问题5.2.1模糊作业车间调度问题5.2.2随机作业车间调度问题5.2.1模糊作业车间调度问题描述：n个工件在m台机器上加工，每个工件包含由多道工序组成的一个工序集合，以及一个与客户满意度相关联的模糊交货期，每道工序有一个模糊加工时间；要求在一定的调度目标下，保证工件交货期和满足工艺约束条件下，找出在各机器上工件工序的加工顺序，即找到一种可行的调度方案。约束条件：每个机器在同一时刻只能加工一个工件；每个工件同一时刻只能在体态机器上加工；工件有预先确定的加工顺序，不同的工序之间没有顺序约束；操作一旦开始就不能中途停止。模糊调度的三个阶段：模糊交货期Ishii等人第一次提出交货期的模糊化，并对开环车间中的双机调度和同型机调度两个难题进行了研究模糊加工时间（1）王成尧等人研究了多个工件迭加的联合隶属函数所对应的性质，并根据这些性质研究了一种单机模糊加工时间的调度模型；（2）唐国春等人就模糊加工时间排序问题进行了详尽的研究。综合考虑模糊加工时间与模糊交货期MasatoshiSakawa较早研究了同时考虑模糊加工时间和交货期窗口的JobShop调度，并采用三角模糊数对模糊加工时间、模糊惩罚函数等问题进行了分析。模糊调度的研究方法：经典分派规则的直接模糊化方法基于模糊排序的模糊调度基于启发式近似算法的模糊调度模糊JSP调度研究存在的问题及其发展趋势：在针对模糊JSP建模过程中，大量简化真实实验环境和参数，不能很好解决实际问题。大多数对模糊JSP问题的研究，仅将目标设置为加工时间和交货期上，但是实际上，决策者对比如生产效率、成本、利润等问题更为关心，所以对于多目标车间作业调度问题的研究将会是未来研究的一个重要方向；随着社会需求越来越高，生产过程中不确定因素越来越多，因此动态模糊JSP在未来会越来越重要。5.2.2随机作业车间调度问题特征：加工时间、交货期时间等都是随机变量已有成果：1991年，GhoshWells研究了单机环境下随机加工时间和交货期的调度问题，目标是最小化加权延迟工件的数量、1999年，LuhpeterB等人考虑了加工时间、到达时间,交货期为离散随机变量的JobShop模型,采用Lagrangian松弛法将机器能力约束松弛,问题分解为多个独立的工件层子问题,再将技术约束条件松弛,问题分解为多个独立的工序层子问题,然后利用动态规划的方法进行了求解。2003年，Yoshitomi与Yamaguchi考虑加工时间随机的车间调度问题，并设计适合随机优化的遗传算法进行求解。2005年，Tavakkoli-Moghaddam建立了加工时间为随机变量,机器的作业成本和闲置成本作为目标函数的非线性规划模型,并采用基于神经网络和模拟退火的混合算法进行求解。2007年，朱颢和唐万生求解了加工时间为连续随机变量的加工车间调度问题。5.3动态作业车间调度问题特点：(l)能在线产生实时调度;(2)对随机扰动能在线识别，并快速重新调度。动态调度的需求：（1）在普通订单和急件订单并存条件下，具有常规的动态调度与协调能力。（2）针对车间生产复杂性和动态性的特点，具有处理异常事件和随机事件的动态调度能力动态调度分类：（1）自适应调度（2）实时调度（3）在线调度求解方法：(l)仿真方法(2)人工智能方法(3)滚动窗口再调度方法动态调度策略：(l)事件驱动调度策略(2)周期性驱动调度策略(3)周期性驱动与事件驱动的混合调度策略已有成果：Matsuura提出的重调度算法，首先用分支定界法产生一个调度，当工况发生变化时再用调度规则来分配工件。Abumizar等提出一种重调度算法，当扰动发生时，不是全部重新调度，也不是等扰动解除后再继续原调度，而是仅仅重新调度那些直接或间接受扰动影响的工件，从而减少了由于扰动引起的生产周期的增加。武汉科技大学机械自动化学院的熊禾根等人提出一类考虑工序相关性的、工件批量到达的动态Jobshop调度问题。基于ISIS开发的OPIS是现有的基于知识的车间调度系统中最成熟的系统之一，它根据情况使用而向资源或面向定单的动态调度策略。六、车间调度问题存在的问题(l)调度模型有局限性(2)优化目标单一(3)动态性和实时性的处理不够七、车间调度的发展趋势在车间调度建模方面，应该使用模糊技术、神经网络技术等智能技术来建立更加贴近实际的调度模型；在车间调度算法方面，应该在智能算法、混合算法方面寻求突破，需找一种优化性能指标更好的算法；现实生活中存在很多的不确定性以及社会需求越来越高，对柔性的、多目标的、动态的车间调度已越来越重要。谢谢！