工业生产优化调度调研报告

jobs
start
Machine,1
Machine,n
stop
所有产品依次通过1,…,m台设备才能完成加工 任务，在某一时刻一台设备只能加工某一种产 品，每一工件在每台设备上的非零加工时间是 固定的。（若加工时间可以为零，则为广义 flow shop问题）。
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调度问题描述——分类

作业车间问题（ job shop ）
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工业生产中的优化调度——目的
通过生产调度，解决日常生产中的不平衡和矛盾， 克服生产中断脱节现象，使各生产单位和各环节的 工作保持相互协调。 检查设备的准备情况，了解和掌握设备的负荷和运 转情况，调整设备的加工对象和任务，督促设备的 维护和修理。 调配劳动力，调整劳动组织，使各生产环节、各工 序之间按作业计划协调生产。 检查原材料、燃料、动力的准备工作和供应情况， 检查厂内运输情况，与有关部门相配合，保证原材 料供应、在制品和半成品转移以及产品入库的正常 进行。
问题的一个研究热点。
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现代工业生产中的优化调度——研究现状 混合流程型生产调度
混合流程生产是现代化生产中具有普遍意义的一种加工 方式。混合流程生产系统自1986年在美国控制高峰会议 上提出以来，不久便成为研究及其应用的热点。 国内外在混合流程企业生产计划与调度建模方面已经做 了初步研究，主要采用的方法有Petri网建模、大系统 协调理论、非线性规划模型、启发式组合方法和利用知 识模型与数学模型相结合的方法建立混合流程生产过程 多段控制结构的广义模型等。
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调度问题描述——参数



任务（job）数为n,机器数(machine)为m,下标j为任务的标号； Pj(Processing time):任务j在机器上加工完成需要的时间； Cj(Completion time):任务j在机器上加工完成的时间； rj(Release date):任务j到达加工系统（准备加工）的时间； dj(Due date):交货日期；Sj(Starting time):任务j开始加工的时间； Fj(Flow time):任务j待在加工系统中的时间； Wj(waiting time):任务j在开始加工前所等待的时间； Lj(Lateness of job):={Cj-dj}; Tj(Tardiness of job):=max{0,Cj-Dj} Ej(Earliness of job):=max{0,dj-Cj}，Uj(Unit penalty):1(if Cj>dj) or 0;
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调度问题描述——目标


Makespan(Cmax):Cmax=max(C1,…,Cn)，即最后一个零件 离开加工系统的完成时间(所有任务加工的时间跨度)； 与机器的利用率相关。 Lmax，Lmax=max(L1,…,Ln),即最大延迟时间。 Min(avg(Fj))，平均流动时间最小； ∑wjCj，Total weighted completion time(总的有效完成时 间)，用于衡量任务的持有或库存代价； ∑Uj,Number of tardy jobs,延迟完成的任务数； ∑Ej+∑Tj,Sum of earliness and tardiness,提前和延迟完 工的任务数；
现代工业生产中的优化调度——分类
混合流程型生产(hybrid system)调度
M2
IN
M1 M3
M4
M5
OUT
M1为单机加工机床;M2,M3为并行可替换加工机床;M4 为单机加工机床;M5为流程型加工设备。 Hybrid system属于HS调度问题,其中的flexible manufacture system（柔性制造系统：产品的加工路径可 以是变化的），属于FMS调度问题。
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现代工业生产中的优化调度——方法
(11)组合调度方法 由于各种调度算法都不同程度地存在着这样或那样的缺 点，除了传统组合的启发式规则外，近来人们开始把各 种近似算法的组合应用研究作为热点，以弥补各自的缺 点，发挥各自的优势，达到高度次优化的目标。
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国内外文献综述——国外（1）
Lot-sizing and scheduling problem with earliness and tradiness penalties(具有提前与延迟惩罚的批划分与调 度问题研究) dissertation for PH.D; Texas Tech University;2004,5.
job1 job2
job3
job4
start
stop
Machine,1
Machine,2
Machine,3
所有产品的加工路径确定（或可预知），但不 要求一致。
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工业生产中的优化调度——意义
交货期、质量、成本、服务、环境清洁是影响企业 竞争力的重要因素； 现代企业面对客户对交货期的苛刻要求，面对更多 产品的改型和订单的不断调整，生产计划的制订要 依赖于市场和实际的作业执行状态，而不能完全以 物料和库存回报来控制生产。 企业都面临着生产批量小，产品生命周期短和最低 成本等问题。 在正确的时间用最低的成本生产出正确的产品仍然 是企业成功的关键。生产计划和调度是使企业达到 这样目标的重要因素。
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现代工业生产中的优化调度——分类
Hale Waihona Puke 混合流程型 既有流程型生产特征，又有离散型生产特 征，如冶金、食品、玻璃纺织。 高炉炼铁或转(电)炉炼钢、连续铸造、热 带连轧或冷带连轧等每道工序本身都可以看作 是一个连续生产过程，但在各个工序间的衔接 是靠分离的铁(钢)水罐、铸坯、铸锭、钢卷等 实现的。
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现代工业生产中的优化调度——方法
(3)控制理论方法 模型描述能力有限，建模时不得不对真实环境进行大量 简化，求得最优解的时间随着问题规模增大而呈指数规 律增长。因此也只适合对小规模问题的求解。 (4)基于人工智能(AI)的方法 利用启发式规则来引导搜索并提供有效的搜索程序去寻 求复杂问题的较优解，主要包括：启发式搜索规则(宽度 优先、深度优先、Beam搜索法、Filtered Beam搜索法及 A*算法等)和基于规则和基于知识的方法。 由于AI技术本身发展水平的限制，它有三个明显缺陷: 执行速度慢;对异步发生的外来事件不敏感:系统不通用。
工业生产优化调度调研报告
博士生：熊永华 导 师：吴 敏 教授
主要内容
调度问题描述 现代工业生产中的优化调度 国内外文献综述 优化调度在钢铁企业中的应用 今后的研究方向和任务

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调度问题描述——定义


调度：如何分配多个任务给有限的资源，是一 个单目标或者多目标优化的决策处理过程。 完整定义：调度是一个在给定产品集、计划周 期、加工资源集和各产品的加工工艺条件下关 于what, when, where和how的一个决策过程。 What：生产的产品品种及其数量？ When：操作的开始时间和结束时间？ Where：操作的设备或处理单元？ How：生产批量、进入生产系统的方式、加工 设备选择规则、加工优先级规则、中间存储策 略？
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现代工业生产中的优化调度——方法 数学工具及方法
(I)基于运筹学(OR)方法 一般研究如何在m台机器上安排n个仟务的加工顺序和开 工时间，存在搜索效率低，不能解决较大规模调度问题 的缺点。 (2)基于启发式规则的方法 启发式算法因其简单实用、计算复杂度低等原因，在实 际中得到了比较广泛的应用，但它们一般不具有全局优 化的特点。

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调度问题描述——分类

单机调度问题（single machine）
start machine stop
jobs

并行多机问题（ parallel machine ）
machine1
jobs
start
machine2 machine3
stop
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调度问题描述——分类

流水车间问题（ flow shop ）
JIT(just-in-time)交货原则已经逐渐为企业和消费者所认可。文章 研究了批划分与调度的基本原理；在JIT原则下，提出了划分批大小 和决定决定每批生产地点的方法，以保证目标函数：总安装费用、 总持有费用和总延迟费用最小。
文章针对不考虑安装费用的提前、延迟、批划分和调度问题， 提出了一种簇分配算法（Clustering and Assigning Algorithm）；针对 具有安装费用的提前、延迟、批划分和调度问题，利用Back ward搜 索算法解决小规模的问题，利用Sequence Optimal Timing算法和遗传 算法(GA)解决大规模的问题;Kruskal-Wallis测试结果表明了算法的有 效性，并通过仿真试验，分析比较了三种算法的特点。
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现代工业生产中的优化调度——方法
(9)拉格朗日 (LR)松弛算法
(10)具有计算智能的局域搜索法
①遗传算法(GA在生产调度中的应用也己很多，但这些 大都以传统的Job shop或Flow shop为背景。GA的主要缺 陷是早熟和搜索效率低的问题。 ②演化规划(EP) ③禁忌搜索(TS) ④模拟退火(SA可求得组合优化问题的最优或次优解,能 较好地避免局部最优，但算法的收敛速度很慢。
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现代工业生产中的优化调度——方法
(7)神经网络(NN)优化法 NN用于生产调度主要有三类方式: ①利用其并行计算能力，求解优化调度，以克服调度的 NP困难问题;
②利用其学习能力，从优化轨迹中提取调度知识;
③用NN来描述调度约束或调度策略，以实现对生产过 程的可行或次优调度。
(8)基于模糊数学理论的方法
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工业生产中的优化调度——分类

工业生产过程的分类
离散型 产品可数，物理加工，加工过程非连续， 如电子设备、汽车、机床等。 属于单机、多台并行机、flow shop型和job shop型生产调度问题。