matlab生产调度问题及其优化算法

生产调度问题及其优化算法（采用遗传算法与MATLAB编程）

信息014 孙卓明

二零零三年八月十四日

生产调度问题及其优化算法

背景及摘要

这是一个典型的Job-Shop动态排序问题。目前调度问题的理论研究成果主要集中在以Job-Shop问题为代表的基于最小化完工时间的调度问题上。一个复杂的制造系统不仅可能涉及到成千上万道车间调度工序，而且工序的变更又可能导致相当大的调度规模。解空间容量巨大，N个工件、M台机器的问题包含M

(

N)!

种排列。由于问题的连环嵌套性，使得用图解方法也变得不切实际。传统的运筹学方法，即便在单目标优化的静态调度问题中也难以有效应用。

本文给出三个模型。首先通过贪婪法手工求得本问题最优解，既而通过编解码程序随机模拟优化方案得出最优解。最后采用现代进化算法中有代表性发展优势的遗传算法。文章有针对性地选取遗传算法关键环节的适宜方法，采用MATLAB 软件实现算法模拟，得出优化方案，并与计算机随机模拟结果加以比较显示出遗传算法之优化效果。对车间调度系列问题的有效解决具有一定参考和借鉴价值。

一．问题重述

某重型机械厂产品都是单件性的，其中有一车间共有A，B，C，D四种不同设备，现接受6件产品的加工任务，每件产品接受的程序在指定的设备上加工，

条件：1、每件产品必须按规定的工序加工，不得颠倒；

2、每台设备在同一时间只能担任一项任务。

（每件产品的每个工序为一个任务）

问题：做出生产安排，希望在尽可能短的时间里，完成所接受的全部任务。

要求：给出每台设备承担任务的时间表。

注：在上面，机器 A，B，C，D 即为机器 1，2，3，4，程序中以数字1，2，3，4表示，说明时则用A，B，C，D

二．模型假设

1．每一时刻，每台机器只能加工一个工件，且每个工件只能被一台机器所加工 ，同时加工过程为不间断； 2．所有机器均同时开工，且工件从机器I 到机器J 的转移过程时间损耗不计； 3．各工件必须按工艺路线以指定的次序在机器上加工多次； 4．操作允许等待，即前一操作未完成，则后面的操作需要等待，可用资源有限。

三．符号说明及初始数据表达分析

i J - 第i 个工件 （i=1…6）

M J - 机器顺序阵 ）（j i J M ,表示i 工件的第 j 个操作的机器号

j M - 第j 台机器 （j=1…4）

J M - 工件排列阵 ),(j i M J 表示i 机器上第j 次加工的工件号 T - 加工时间阵 ),(j i T 为i 工件的第 j 个操作的时间周期 C - 整个任务完成时间

整理数据后得到：

M J =[ C A B C D 0 0 0 ] T = [ 8 2 4 24 6 0 0 0 ]

[ A D B C 0 0 0 0 ] [ 4 5 3 4 0 0 0 0 ] [ C D A B A 0 0 0 ] [ 3 7 15 20 8 0 0 0 ] [ B C D A D C 0 0 ] [ 7 6 21 1 16 3 0 0 ] [ D B C D A C D 0 ] [ 10 4 8 4 12 6 1 0 ] [ A B A C D A C A ] [ 1 4 7 3 5 2 5 8 ] 上述二阵直接从题目得出，而J M 则是我们要求的。

关于工件的加工时间表：(表二)

分析：

由于各产品总净加工时间和各机器总净加工时间之中最大值为 75，而总计为247，那么 总时间 C 介于[75，247]。同时各工件加工繁杂程度不一，各机器的任务量也有轻重之别。合理的调度排序是对于节省时间和资源是必要的。

希望最优化答案是75，这样达到最小值，如果答案是75，那么意味着机器D 不间断工作,直至全部加工任务完成。

四．贪婪法快速求解

如果按照一定规则排序，当多个工件出现“抢占”同一机器的局面的时候,我们可以制定如下的工序安排规则:

1. 优先选择总剩余时间或总剩余操作较多的工件。（如果出现总剩余加工时间多者总剩余操作数反而较少的情况时,按照程度具体情况具体分析）。

2. 机器方面来说,尽量避免等待空闲时间，优先考虑剩余净加工时间或者剩余加工总次数较多的机器,尤其是机器 D ,即倘若能够使机器D 不间断工作且其他机器完工时间均不多余75时,那么就可以得到最优解 。

首先按照最优化时间为75的设想避免D 出现等待，排序后得到升以下具体排列顺序。

10

37

17

84421

6464

8

4

25

31675242015162

3166

6

1

5124238

8

1

010203040

50

60

70

80

D 机器

C 机器B 机器A 机器 (图一)

上图为加工周期图（甘特图），标注数字为相应操作的周期，完工时间为第75周期。

五．计算机随机模拟（编程）

1．编码：

随机产生生产的工序操作优先顺序，进行编码，如：K=[ 4 3 5 6 6 2 3 1 4

1 6 3 5 4 5 3 6 6 4 1 5 5 1 3

2 6 2 2 4 4 1 5 6 6 5 ] （注：同时作为下文的染色

体之用）意思为：工件4优先被考虑进行第一次操作，然后3进行其第一步操作，然后5操作，6操作，再6操作其第二步工序，依次进行。如果前后互相不冲突，则可同时在不同机器上操作。

通过排列组合得出，总共有类似K的排列序列223

多种！

10

当然，这其中只对应解[75，247]，意味着有大量排列序列对应同一加工方案，而大量加工方案又对应同一时间解。

2．解码：

即对编码进行翻译，产生具体可操作工序安排方案，这里采用活动化解码算法。例如工件2第i步操作（记为

J（2，i），且在机器A上进行）

M

被安排在工件3第j步操作（记为JM（3,j））后面进行，那么如果安排好

J

M （3,j）后，只要

J（2，i）在工件2已经排序好的操作之后进行，那么操

M

J（2，i）可插入到机器A处最前可安置的时间段进行。

作

M

在这里，一个编码序列对应一个加工方案，而一个加工方案可对应一个或多个编码序列，这就是二者之关系。

3．编程：

通过一组随机编码产生一生产加工优先序列，通过解码过程产生相应加工方案及其总耗费时间C . N次模拟后即可得出解C的概率密度分布情况以及相对最优解（N个C的最小值，如80，77等，甚至出现75）。

4．计算机模拟所得数据分析

a. 进行100次模拟得出最优解情况：(共运行10次)

82，83，82，84，78，80，81，83，87，82 平均值82.2，每回耗时约3秒b. 进行1000次模拟得出最优解情况：(共运行10次)

80，79，78，78，79，79，76，80，77，78 平均值78.4 , 每回耗时25秒c. 进行10000次模拟得出最优解情况：(共运行10次)

76，77，77，75，76，76，77，76，76，77 平均值76.3, 每回耗时4分钟d. 模拟1000000次得到的解C的概率密度分布情况为：（如图二所示）