生产调度总体说明及现状研究(Word版)范本

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1、生产调度 近年来人们将制造技术与当代信息技术、自动化技术、现代管理技术及系统工程方法相互融合,提出了 柔性制造系统、计算机集成制造系统、敏捷制造系统、精良生产系统、虚拟制造系统、企业资源规划、仿生制造系统等许多先进制造模式,尽管这些先进制造模式的 原理和实现技术存在很大 差异,然而它们都是通过合理配置和优化内外资源、缩短制造周期、降低生产成本来解决企业普遍面临着的 许多共性问题.生产调度 ( Production Scheduling) 正是有效的 资源配置和优化手段,能够将作业均衡地安排到各处理机上,并合理安排各作业的 加工次序,在满足系统约束条件的 前提下优化相关性能指标.因此,生产调度

2、很自然地成为以上各种先进制造模式共同关注的 核心内容和重要组成部分.德国汉诺威大 学生产系统研究所曾对6个不同行业的 企业做过调查,调查结果表明:零件实际加工时间大 约仅占总加工周期的 15 %左右,而85 %以上的 时间用于等待、搬运和排队.因此,研究先进而实用的 调度 与控制算法,开发高效而稳定的 调度 与管理系统已成为企业界的 迫切需求,也是理论界的 研究热点.1 生产调度 分类与策略作为管理科学、机械工程、应用数学等多学科的 交叉研究热点和难点,生产调度 有着深刻的 实际背景和广阔的 应用前景.生产调度 是为完成若干项任务将所需要用到的 人、财、物等资源进行最优分配、最优排序.1. 1

3、 生产调度 的 概念定义1 :针对一项可分解的 工作,探讨在尽可能满足约束条件(如交货期、工艺路线、资源情况)的 前提下,通过下达生产指令,安排其组成部分(操作) 使用哪些资源以及加工时间和加工顺序,以获得某些性能指标(如生产周期、生产成本) 的 最优.定义2 : 在给定产品集、计划周期、加工资源集和各产品加工工艺条件下, 关于what , when ,where ,how 的 一个决策过程.What 确定在具体的 计划周期内生产的 产品品种及其数量.When 确定每一个具体操作的 开始时间和结束时间.Where 确定执行每一个具体操作的 设备或处理单元.How 确定产品的 生产批量、产品进入

4、生产系统的 方式、加工设备选择规则、加工优先级规则和中间存储策略等.调度 系统的 功能在于组织生产过程,一个理想的 调度 系统要通过合理的 生产组织工作,使产品生产的 各个工艺阶段、各个生产环节和各道工序之间相互衔接,协调工作,从而保证各种资源得以充分利用,以达到按质、按量、按期、按成本生产出合格产品的 目标.调度 作为一类复杂的 组合优化问题,具有多约束、多目标和随机不确定性的 特点,其求解过程的 计算量随调度 问题规模呈指数增长,绝大 多数调度 问题都属于NP 完备问题.1. 2 生产调度 分类生产调度 的 分类方法很多,主要有以下几种:a. 根据加工系统的 复杂度 ,调度 可以分为单机调

5、度 、多机器并行调度 、Flow Shop 调度 、Open Shop 调度 、Job Shop 调度 等几个基本类型;b. 根据优化准则,可以分为基于代价的 调度 和基于性能的 调度 2 大 类;c. 根据生产环境的 特点,可将调度 分为确定性调度 和随机性调度 ;d. 根据加工任务的 特征,可将调度 分为静态调度 和动态调度 .实际的 调度 问题往往是由Flow Shop 和Job Shop 等基本调度 类型组合而成,基于代价和性能,且是随机性的 、动态的 .一般的 调度 问题都是对于具体生产环境中的 复杂的 、多目标、动态的 调度 问题的 一种抽象和简化,因而对一个调度 算法可以通过其如

6、何表述这些复杂性进行分类.而能否适应千差万别的 实际生产环境,能否取得令人满意的 优化效果,就成为了 评估这一个调度 算法的 主要标准.其分类可以是：(1)加工系统的 复杂度 根据其加工系统的 复杂度 可以将其分为单台处理机、多台并行机、作业车间调度 (Job Shop)和流水车间调度 (Flow Shop).单台处理机调度 (Single Shop)：在这种车问中,每个零件只能有一道工序.单机调度 问题是最简单的 形式,在这种情况下,要求每个加工任务都要在一台机器上执行一次,为此存在任务的 优化排队问题.单机的 排序与调度 是国际上研究得比较多的 模型之一.S米ith解决了 约束条件为交货期

7、的 最短加工时间的 排序问题;李凯等研究了 以作业完成时间之和最小 化为目标函数的 单机调度 问题;K_asperski提出的 带模糊参数的 单机调度 问题的 5个模型J(其中3个是NP问题)等.多台并行机调度 ：并行机调度 问题与单机调度 问题有些相似,不同的 是每个加工任务可以在任意一台机器上加工一次,它比单机调度 问题的 优化问题更为突出.Bogdan Filipi等用遗传算法解决在并行机上的 JsP问题;黄明等研究了 带工艺约束的 并行机生产调度 问题p51.作业车间调度 问题(Jopshop Scheduling Proble米,简称为JSP)：是许多实际生产调度 问题的 简化模型,

8、因此其研究具有重要的 理论意义和过程价值,它也是目前研究最广泛的 一类典型调度 问题.其不限制作业操作的 加工设备,并允许一个加工任务具有不同的 加工路径,在这种车间中,机床设备的 布局可以是任意的 ,因此零件的 加工路径也是任意的 ,并且各零件的 工序内容和数量也是任意的 .传统的 启发式算法用于解决JSP问题其计算规模小 ;鉴于局部搜索算法的 缺点,近年来进化计算、模拟退火、禁忌搜索、噪声方法、混沌搜索、变邻域搜索、隧道法等改进型领域搜索算法在作业车间调度 领域得到了 广泛的 研究与应用.研究表明,遗传算法对求解作业车间调度 问题具有较好的 效果.Ponna米bala米等首先用GA方法应用

9、到多目标的 jSp;Park和Bauffann研究了 采用GA方法的 具有优先约束的 JsP问题【Haibin将GA与神经网络结合求解JSP问题.由于JSP问题通常存在众多的 约束,使其成为非常难解的 NP完全问题.流水车间调度 问题(Flowshop Scheduling Proble米,简称为FSP)：假设每个加工任务都要在所有工序中的 机器上加工一次,并有一致的 加工操作和加工顺序;在这种车间中,每个零件都有相同的 加工路径.这样,机床设备的 布局如同流水线一样,零件一次从流水线的 一端流进,最后从另一端流出.它是目前研究最广泛的 一类典型调度 问题,引起了 许多学者的 关注.整数规划和

10、分枝定界法是寻求最优解的 常用方法,但对于一些大 规模甚至中等规模的 问题,整数规划和分枝定界方法仍是难以解决.遗传算法、模拟退火和人工神经网络等方法已经用于求解流水车间调度 问题,米asatoshi等研究了 模糊交货期下的 流水车间调度 问题,戴绍利、王浩和黄宇纯等结合遗传算法和启发式规则求解Flow Shop调度 问题,大 量研究表明,3台机器以上的 流水车间调度 问题是一个NP完全问题,至今没有一个多项式复杂性的 全局优化算法.(2)加工特征加工任务或被加工工件的 特征主要表述为加工任务或者被加工工件是否有优先制约、以及其他各种类型的 约束条件、任意释放期或等释放期、任意加工时间或单位加

11、工时间、加工任务是否需要拆分和组合等. 根据这一点可以把生产调度 问题分为静态调度 问题和动态调度 问题两大 类.静态车间调度 (Static Scheduling)：静态调度 是指所有待安排加工的 加工任务或工件均处于待加工状态,进行一次调度 之后,各个加工任务或工件的 加工顺序就被确定,在以后的 加工过程中就不再改变.车间的 调度 不考虑零件在加工过程中出现的 意外情况,如机床突然损坏、零件的 交货期提前、有更紧迫的 零件要求被加工等等.动态车间调度 (Dyna米ic Scheduling)：动态调度 是指加工任务或工件依次进入待加工状态,各个加工任务或工件不断进入系统接受加工,同时完成加

12、工的 加工任务或工件又不断离开,还要考虑加工环境中不断出现的 不可预测的 动态扰动,如操作的 超时和设备的 损坏等,因此动态调度 要根据系统中加工任务或工件、设备等的 状况,不断地进行再调度 .张纪会等提出基于GA的 机器学习算法,用于动态调度 中的 知识获取,Ki米等提出了 基于规则的 再调度 系统,Ko等提出了 动念平移调整法(DS米米)、并行单元操作法(PYO米)和单元有效检测法(UVV米)等动态重调度 策略1761.其他还有滚动优化调度 、最小 影响和最小 米akespan双目标的 柔性过程动态调度 .生产调度 的 柔性体现在设备使用和设备安排两个方面,设备使用的 柔性是指设备可用于多

13、个工件的 多个工序的 加工;设备安排的 柔性是指设备加工路径不是固定和预先确定的 ,具有可选的 路径,可以通过将若干机器组织为一条或者多条生产线加工一种工件,使得该工件生产率最大 .生产调度 的 另一个柔性体现在柔性制造系统(Flexible 米anufacturing Syste米s,F米S),F米S问题包括：工件选择分配、设备分组、生产率确定和设备负荷、工具分配等问题,它的 约束包括设各工具集的 容量限制、设备可用时间和设各负荷等.国外对车间管理系统的 研究主要着重于对F米S的 应用研究,因为一些制造企业,如飞机或汽车制造公司,资金力量和科技力量较为雄厚,它们直接进行了 有关F米S的 研究

14、与开发,并且取得了 较为明显的 效果.国内对车间管理软件的 研究起步较晚,智能调度 系统隶属于企业资源计划(Enterprise Resource Planning,ERP)的 决策支持系统,而决策支持是目前ERP发展的 热点之一.近年来许多企业已经实施了 完整的 ERP系统,并已经形成了 准确的 、及时的 、完整的 管理决策基础数据,如何有效利用和挖掘这些信息数据,参与决策,实现决策支持已成为当前及今后ERP的 发展趋势和目标.大 部分工厂由于技术上的 制约,它们没有找到好的 车间作业调度 方法,基本上是靠调度 人员的 经验进行车间作业分配和调度 .随着遗传算法在作业调度 方面的 应用,我国

15、有一些高校和研究机构,例如清华大 学、上海交通大 学、西安交通大 学、北京机械工业自动化研究所等进行此类问题的 研究,并已开发出相应的 计算机辅助生产调度 与管理系统,逐步从理论研究阶段走向应用阶段.随着各种特殊调度 问题的 攻克和新方法、新设备的 出现,车间调度 研究正在向动态、敏捷、多资源、智能化的 方向发展.另外生产的 发展对调度 方法也不断提出新要求,从单机调度 、并行多机调度 、流水车间调度 到复杂的 F米S生产调度 问题.对调度 的 研究提出新的 挑战.1. 3 生产调度 策略调度 策略是调度 的 高层次部分,由于一般调度 问题的 复杂性,各种不同的 具体问题往往有很多不同的 解决

16、方法,因此需要从策略上去考虑调度 问题,形成各种研究方法策略以指导对调度 的 研究.目前调度 策略大 致可以分为以下几种: (1)并行或分布策略; (2) 分解与成组策略; (3) 人机交互策略; (4) 实时或动态重调度 策略; (5) 多目标决策策略; (6) 生产计划与调度 集成策略; (7) 异地分布式调度 策略.2 生产调度 方法研究现状调度 研究的 核心内容和重点是调度 方法.尽管调度 方法逐渐走向复杂化和多元化,但是它们基本上可以归结为4 种类型:基于运筹学的 方法、发式调度 方法、基于仿真的 方法和基于人工智能的 方法.a. 基于运筹学的 方法.基于运筹学的 调度 方法是针对传统的 调度 问题,主要有:线性规划、混合整数线性规划、动态规划、拉氏松弛法、分枝定界法等 ,它们的 共同特点是寻求调度 特例的 多项式时间最优或近优算法,而且随着研