基于動(dòng)態(tài)優(yōu)化的動(dòng)態(tài)調(diào)度問題研究.pdf

1、生產(chǎn)調(diào)度是指在滿足一定生產(chǎn)約束條件下，為生產(chǎn)任務(wù)分配可用的生產(chǎn)資源，使得一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)最優(yōu)。以往的研究主要集中在靜態(tài)調(diào)度上，工件、設(shè)備等相關(guān)信息已知且不變。而在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中往往存在大量實(shí)時(shí)擾動(dòng)事件，如工件動(dòng)態(tài)到達(dá)、機(jī)器故障、工件加工時(shí)間改變等，這些擾動(dòng)事件會(huì)導(dǎo)致原調(diào)度變得很差甚至不再可行，需要重新生成新的調(diào)度方案以適應(yīng)變化的生產(chǎn)環(huán)境和條件要求，這類問題可歸結(jié)為動(dòng)態(tài)調(diào)度問題。對(duì)動(dòng)態(tài)調(diào)度的研究相比于靜態(tài)調(diào)度更具實(shí)際意義，是工業(yè)界急需解決的

2、難點(diǎn)。常規(guī)的靜態(tài)調(diào)度方法主要是針對(duì)確定性靜態(tài)調(diào)度問題求解，無法適應(yīng)環(huán)境的變化，不再適合于動(dòng)態(tài)調(diào)度問題。動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法由于能夠適應(yīng)于環(huán)境的變化，尋找的是最優(yōu)解的軌跡，而成為國際前沿?zé)狳c(diǎn)研究方法。
　　本文在動(dòng)態(tài)因素分析的基礎(chǔ)上，首先以單機(jī)生產(chǎn)調(diào)度為背景，對(duì)動(dòng)態(tài)優(yōu)化進(jìn)行基礎(chǔ)研究，提出動(dòng)態(tài)差分進(jìn)化算法;然后以煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度為背景，對(duì)動(dòng)態(tài)優(yōu)化進(jìn)行應(yīng)用研究，提出增量式動(dòng)態(tài)差分進(jìn)化算法，最后以此為核心開發(fā)了相應(yīng)的決策支持系統(tǒng)。具體內(nèi)容概括如

3、下：
　　1)針對(duì)動(dòng)態(tài)調(diào)度中的動(dòng)態(tài)因素進(jìn)行分析。分別以一般生產(chǎn)環(huán)境和鋼鐵生產(chǎn)環(huán)境為背景，分析動(dòng)態(tài)調(diào)度問題中存在的共性動(dòng)態(tài)因素和針對(duì)鋼鐵生產(chǎn)的特殊性動(dòng)態(tài)因素，總結(jié)了動(dòng)態(tài)調(diào)度中的實(shí)時(shí)擾動(dòng)事件及分類，對(duì)其產(chǎn)生原因及來源進(jìn)行探討，然后，根據(jù)擾動(dòng)事件對(duì)問題的影響程度，采取不同的處理策略。
　　2)針對(duì)公共交貨期下工件動(dòng)態(tài)到達(dá)的單機(jī)提前/拖期(E/T)調(diào)度問題進(jìn)行研究。該問題的任務(wù)是在公共交貨期下，將多個(gè)按照不同到達(dá)時(shí)間動(dòng)態(tài)到達(dá)的工件安

4、排在一臺(tái)機(jī)器上加工，目標(biāo)是找到一個(gè)可行調(diào)度方案使工件提前/拖期總懲罰量最小。根據(jù)問題特點(diǎn)建立數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)了基于工件排列的差分進(jìn)化與分布估計(jì)算法(DE&EDA)混合方法。為了加強(qiáng)算法性能，將局部搜索方法應(yīng)用到DE&EDA混合算法中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了算法的有效性。
　　3)針對(duì)準(zhǔn)備時(shí)間與順序相關(guān)的動(dòng)態(tài)單機(jī)調(diào)度問題進(jìn)行研究。該問題中工件隨時(shí)間動(dòng)態(tài)到達(dá)，工件的所有信息提前不可知，直到工件已經(jīng)到達(dá)或者即將到達(dá)，其任務(wù)是將多個(gè)已到達(dá)的工件安

5、排在一臺(tái)機(jī)器上加工，目標(biāo)是最小化最大延遲時(shí)間。根據(jù)問題特點(diǎn)建立了給定時(shí)間窗的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型，并提出動(dòng)態(tài)差分進(jìn)化算法在新工件到達(dá)時(shí)快速調(diào)整原調(diào)度以適應(yīng)環(huán)境的變化。針對(duì)DE算法由于其連續(xù)性而不能直接求解調(diào)度問題的缺點(diǎn)，使用以工件排列為個(gè)體編碼的算法結(jié)構(gòu)。針對(duì)計(jì)算負(fù)擔(dān)隨著問題規(guī)模的增大而呈指數(shù)增長(zhǎng)的問題，提出基于分解的加速方法來改進(jìn)算法的效率。計(jì)算結(jié)果表明所提算法是快速有效的。
　　4)針對(duì)煉鋼-連鑄動(dòng)態(tài)調(diào)度問題進(jìn)行研究。該問題的目標(biāo)是當(dāng)

6、發(fā)生不可預(yù)知的實(shí)時(shí)擾動(dòng)事件時(shí)，快速動(dòng)態(tài)調(diào)度生成新的調(diào)度方案以適應(yīng)變化的生產(chǎn)環(huán)境和條件要求?？紤]實(shí)際工藝約束和實(shí)時(shí)信息，將爐次的加工時(shí)間加入到?jīng)Q策變量中進(jìn)行決策，建立了動(dòng)態(tài)擾動(dòng)下的煉鋼-連鑄動(dòng)態(tài)調(diào)度模型，目標(biāo)是最小化總懲罰費(fèi)用，包含斷澆損失懲罰費(fèi)用、爐次總等待時(shí)間懲罰費(fèi)用、加工時(shí)間偏差懲罰費(fèi)用及最大完工時(shí)間懲罰費(fèi)用四項(xiàng)。
　　5)上述的煉鋼-連鑄動(dòng)態(tài)調(diào)度問題既具有動(dòng)態(tài)調(diào)度問題的復(fù)雜性，又具有實(shí)際問題的工藝約束，非常難于求解。針對(duì)這個(gè)

7、難題，提出增量式動(dòng)態(tài)差分進(jìn)化算法，其特征為:(1)以增量機(jī)制更新種群，將前一環(huán)境中的好解修復(fù)適應(yīng)于新環(huán)境中，繼而使用差分進(jìn)化算法產(chǎn)生新調(diào)度;(2)引入新的記憶策略和外部存檔策略，并且為了保證種群的多樣性，加入隨機(jī)搜索過程，提出一種改進(jìn)的變異策略;(3)提出一種基于實(shí)數(shù)編碼矩陣的個(gè)體表達(dá)。其中，記憶策略用來存儲(chǔ)及使用兩代前的種群信息，而外部存檔策略用來保存最近搜索的優(yōu)勢(shì)解。基于隨機(jī)生成數(shù)據(jù)和實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明所提算法的有效性。