批處理過(guò)程生產(chǎn)調(diào)度自組織優(yōu)化諒.pdf

1、生產(chǎn)調(diào)度作為企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分，是生產(chǎn)管理的核心問(wèn)題，也是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)優(yōu)化運(yùn)行的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。合理的生產(chǎn)調(diào)度方法對(duì)企業(yè)生產(chǎn)品質(zhì)、生產(chǎn)效率、能源效率的提高和經(jīng)濟(jì)效益的增長(zhǎng)起著至關(guān)重要的作用，而對(duì)于產(chǎn)品種類(lèi)多樣、生產(chǎn)模式靈活的批處理過(guò)程來(lái)說(shuō)，其作用更加突出。批處理過(guò)程作為流程工業(yè)的一種典型形式，特別適合生產(chǎn)批量小、附加值高的產(chǎn)品，在制藥、食品、染料和特種化工等工業(yè)生產(chǎn)中占有很大比重。批處理過(guò)程固有的靈活性決定了它可以通過(guò)合

2、理的生產(chǎn)調(diào)度達(dá)到增產(chǎn)降耗和節(jié)能減排等目的。然而，批處理生產(chǎn)過(guò)程是一類(lèi)典型的復(fù)雜過(guò)程，其非線性、多約束、多存儲(chǔ)策略和多資源相互協(xié)調(diào)等特點(diǎn)給生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了很大困難，隨著規(guī)模的增大，其調(diào)度復(fù)雜性也大大增加，使得現(xiàn)有的調(diào)度優(yōu)化方法在解決此類(lèi)問(wèn)題時(shí)面臨著很大挑戰(zhàn)。當(dāng)前實(shí)際工程應(yīng)用中的批處理過(guò)程生產(chǎn)調(diào)度仍然停留在主要依靠人工經(jīng)驗(yàn)的階段，無(wú)法真正滿足現(xiàn)代化大生產(chǎn)的需要。因此，尋求一種適用于大規(guī)模問(wèn)題的、能夠有效駕馭復(fù)雜性和靈活適應(yīng)批處理過(guò)程

3、調(diào)度環(huán)境的生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化方法，是目前亟待解決的一大問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，研究適合批處理過(guò)程生產(chǎn)調(diào)度的優(yōu)化方法，對(duì)于調(diào)度優(yōu)化理論的發(fā)展和企業(yè)效益的提高具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義，這也是本文研究的出發(fā)點(diǎn)。
　　 自組織理論與方法的發(fā)展為批處理過(guò)程生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題的解決提供了一條新的思路。自組織所具有的駕馭復(fù)雜性的能力和自動(dòng)趨優(yōu)能力使其在解決復(fù)雜優(yōu)化問(wèn)題中具有很大優(yōu)勢(shì)。本文研究的目標(biāo)是以現(xiàn)有的自組織理論與方法為指導(dǎo)，結(jié)合批處理過(guò)程生產(chǎn)調(diào)度

4、的特點(diǎn)，構(gòu)建適合批處理調(diào)度的自組織單元個(gè)體和自組織機(jī)制，針對(duì)常見(jiàn)的批處理過(guò)程生產(chǎn)調(diào)度問(wèn)題，提出幾種靈活高效的自組織優(yōu)化新方法，研究提高自組織優(yōu)化收斂速度的改進(jìn)策略，為復(fù)雜批處理過(guò)程調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題的解決提供有效的求解思路。
　　 在回顧了批處理過(guò)程生產(chǎn)調(diào)度方法的研究與發(fā)展歷史，闡述了現(xiàn)有調(diào)度方法的研究現(xiàn)狀和不足之后，本文對(duì)批處理過(guò)程生產(chǎn)調(diào)度的自組織優(yōu)化方法進(jìn)行了深入、細(xì)致的研究，主要的研究工作概括如下：
　　 (1)在對(duì)多級(jí)

5、批處理過(guò)程生產(chǎn)調(diào)度問(wèn)題特征進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了適合解決典型多級(jí)批處理調(diào)度問(wèn)題的自組織優(yōu)化方法，構(gòu)建了多級(jí)批處理調(diào)度自組織優(yōu)化模型和優(yōu)化算法。針對(duì)多級(jí)批處理過(guò)程中的批次、設(shè)備、資源等多類(lèi)個(gè)體的特點(diǎn)及其關(guān)聯(lián)，基于自組織的思想與原則，給出了自組織單元與自組織優(yōu)化模型的構(gòu)建方法；結(jié)合生產(chǎn)調(diào)度問(wèn)題約束，指出了自組織過(guò)程中各類(lèi)自組織單元遵循的行為準(zhǔn)則，提出了適合多級(jí)批處理調(diào)度問(wèn)題特征的“業(yè)務(wù)辦理”自組織機(jī)制；針對(duì)靜態(tài)調(diào)度問(wèn)題和動(dòng)態(tài)調(diào)度問(wèn)題分別設(shè)

6、計(jì)了自組織優(yōu)化算法，并討論了算法參數(shù)的合理取值；仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法建模靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng)，能夠有效解決多級(jí)批處理調(diào)度問(wèn)題，特別是對(duì)于大規(guī)模調(diào)度問(wèn)題的解決，與現(xiàn)有的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。
　　 (2)針對(duì)帶訂單分批的多級(jí)批處理調(diào)度問(wèn)題的復(fù)雜性，提出了基于啟發(fā)式規(guī)則的訂單分批優(yōu)化策略，給出了適合該類(lèi)調(diào)度問(wèn)題的帶啟發(fā)式分批規(guī)則的自組織優(yōu)化方法。首先建立了帶訂單分批的多級(jí)批處理調(diào)度自組織優(yōu)化模型，基于批處理調(diào)度中的訂單分批問(wèn)題

7、，給出了啟發(fā)式分批規(guī)則保證分批方案最優(yōu)化的相關(guān)定理和證明，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了分批優(yōu)化算法和帶訂單分批的批處理調(diào)度自組織優(yōu)化算法，并討論了算法的收斂性。經(jīng)過(guò)實(shí)例求解與驗(yàn)證，本方法可快速獲得問(wèn)題的優(yōu)化調(diào)度方案，求解時(shí)間隨著問(wèn)題規(guī)模增大呈近似線性增長(zhǎng)，可以有效解決大規(guī)模調(diào)度問(wèn)題。
　　 (3)考慮批處理調(diào)度中批次切換時(shí)間、批次切換成本以及批量的分割給調(diào)度問(wèn)題帶來(lái)的復(fù)雜性，結(jié)合啟發(fā)式規(guī)則，提出了一種解決帶批量分割批處理調(diào)度問(wèn)題的自組織優(yōu)

8、化方法。一方面，針對(duì)批次切換引起的時(shí)間和成本消耗對(duì)調(diào)度結(jié)果的影響，基于最小切換規(guī)則，提出了基于友好度的自組織選擇策略；另一方面，構(gòu)建了批量分割自組織單元，并將其納入到自組織優(yōu)化模型中，為滿足各種產(chǎn)品加工需求，提出了基于最小響應(yīng)的批量分割策略；然后，基于這些策略構(gòu)建了帶批量分割批處理調(diào)度問(wèn)題的自組織優(yōu)化算法。仿真結(jié)果表明了該方法不但具有較快的求解速度，而且具有較好的尋優(yōu)性能。
　　 (4)鑒于帶啟發(fā)式規(guī)則的自組織優(yōu)化方法在解決批次

9、處理時(shí)間隨批量變化的訂單分批與批次調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題時(shí)遇到的困難，提出了一種基于混沌搜索的批處理調(diào)度自組織優(yōu)化方法。該方法采用了混沌優(yōu)化的思想，應(yīng)用混沌搜索來(lái)實(shí)現(xiàn)訂單分批中連續(xù)批量大小的尋優(yōu)。在分析訂單分批約束的基礎(chǔ)上，同時(shí)引入變尺度搜索策略和啟發(fā)式規(guī)則指導(dǎo)下的影子變異策略，設(shè)計(jì)了基于混沌搜索的訂單分批策略，構(gòu)建了相應(yīng)的自組織優(yōu)化算法。新算法融合了混沌搜索和原有自組織優(yōu)化的優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)展了自組織優(yōu)化對(duì)連續(xù)批量尋優(yōu)的能力。變尺度搜索策略和啟發(fā)式規(guī)則

10、的引入，有利于減小算法的搜索空間，提高其求解效率。仿真結(jié)果表明了該方法特別適合解決批次處理時(shí)間隨批量變化的多級(jí)批處理調(diào)度問(wèn)題，對(duì)于較大規(guī)模問(wèn)題的求解性能優(yōu)于現(xiàn)有的基于混合整數(shù)線性規(guī)劃模型的調(diào)度方法。
　　 (5)針對(duì)自組織優(yōu)化方法求解結(jié)果的不穩(wěn)定性和收斂速度不易把握的不足，提出了一種適合多級(jí)批處理過(guò)程生產(chǎn)調(diào)度的監(jiān)督自組織優(yōu)化方法。該方法在原有的自組織優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上，引入了監(jiān)督單元，對(duì)自組織優(yōu)化過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視和引導(dǎo)，從而構(gòu)成了監(jiān)督

11、自組織優(yōu)化模型；結(jié)合多級(jí)批處理過(guò)程生產(chǎn)調(diào)度的特點(diǎn)，針對(duì)自組織優(yōu)化過(guò)程中存在的不足設(shè)計(jì)了多種監(jiān)督策略，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了監(jiān)督自組織優(yōu)化算法。監(jiān)督策略彌補(bǔ)了原有自組織優(yōu)化方法的不足，能夠有效減少自組織過(guò)程中劣質(zhì)解的產(chǎn)生，提高了自組織優(yōu)化的求解效率。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了監(jiān)督自組織優(yōu)化方法能夠獲得更滿意的調(diào)度結(jié)果。監(jiān)督的引入，能夠有效加快自組織優(yōu)化過(guò)程的收斂速度，提高自組織優(yōu)化求解的穩(wěn)定性。
　　 本文最后在總結(jié)全文工作的基礎(chǔ)上，指出了自