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1、摘 要ABSTRACTKey words: Flexible Manufacturing System Activity Planning Static Scheduling Dynamic Scheduling Heuristic Algorithm目 录摘要IABSTRACTII第1章 绪 论11.1 FMS系统生产计划调度的意义11.2 生产调度发展及国内外研究现状21.3 本课题研究的主要内容6第2章 FMS生产计划调度理论研究82.1 生产调度中的基本概念82.2 生产调度的分类82.3 生产调度问题的特点92.4 生产调度的研究方法92.5 生产调度研究存在的问题112.6 生产调
2、度研究的发展趋势12第3章 FMS系统计划调度模型研究133.1 FMS的概念133.2 FMS系统生产计划调度框架133.3 FMS作业计划15第4章 基于启发式算法的FMS作业计划方法174.1启发式算法概述174.2 FMS作业计划算法的优缺点184.3 FMS作业计划的描述模型及约束条件214.4 FMS作业计划启发式算法224.4.1 FMS调度问题的数学描述224.4.2 目标函数234.4.3 FMS调度优先规则234.4.4 启发式算法步骤244.5实验结果与分析264.5.1 FMS作业计划调度实例264.5.2 结果分析28第5章 某企业FMS生产计划调度系统方案设计295
3、.1 某企业需求分析295.2 车间生产计划调度系统组成295.3 车间生产计划调度系统的开发环境与软件结构305.4 车间生产计划调度系统作用32结束语33致谢34参考文献35第1章 绪 论1.1 FMS系统生产计划调度的意义制造业是国民经济的支柱产业。没有发达的制造业，就没有国家的真正繁荣和强大。制造技术1完成制造活动所需一切技术手段的总称，是支持高质量制造业的技术后盾。计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System, CIMS）和智能制造系统等先进制造技术的典型代表，始终把加工制造过程作为重要的研究对象之一。随着电子技术、计算机技术的
4、发展，制造设备自动化水平和加工能力得到了极大的提高，NC、CNC技术得到了普遍采用，柔性生产与制造应运而生，并迅速发展成为被广泛应用的柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，简写FMS）。FMS在提高生产效率和产品质量、保证交货期、提高系统可靠性、加强企业应变能力等方面已取得很大效益2。但是单纯将FMS的硬件设备组成一个系统，并不一定就能取得上述效果。再加上FMS制造过程的自动化水平的提高，指挥生产过程合理、高效运行的生产计划调度问题变得更加复杂，往往超出人的正常决策能力。依靠手工制订作业计划存在以下问题：制订作业计划工作量大、烦琐，效率低；对调度员素质要求高
5、，计划质量难以保证；对生产过程监控实时性差，影响调度的动态品质；依赖人来指挥生产加工过程的传统模式已经远远不能适应FMS制造环境的需要，迫切需要研究有效的生产计划调度方法和建立实现这些生产计划调度方法的计算机生产计划调度管理系统。作业排序问题3有着深刻的实际背景，是工农业生产、国防、科研、交通运输以及各种服务行业中普遍遇到的问题。作业调度问题的研究不仅具有重大的现实意义，而且具有深远的理论意义。作业调度就是根据产品制造需求合理分配产品制造资源，进而达到合理利用产品制造资源、提高企业经济效益的目的。它是产品制造行业中共存的问题，它与FMS中的工厂管理、产品制造层次紧密相关，是FMS领域中研究的重
6、要课题。一般地说，凡是有多个不同项目要完成，就有排序问题的存在3,4。这些问题的共同特征就是要将不同的任务安排一个执行的顺序和时间，将有限的人力、物力资源分配给不同的任务，使预定的目标达到最优。由于同一台设备上可能要加工的零件有多个，一个零件可能有多道工序要到多台设备上去加工，不同零件的加工工艺路线也可能不相同，而每道工艺的加工时间也可能不相同，这就使得排序问题非常复杂。n个任务在m台机器上不同的安排顺序得出的结果差别较大，怎样安排加工顺序，才能得到最优或近似最优的结果，就是调度问题；其中，“机器”可以指工厂里的各种机床、维修工人、轮船要停靠的码头、计算机的中央处理器、存储器、输入和输出单元，
7、即代表“服务者”；而“任务”则是等待机床加工的各种零件、待修理的机器、即将停靠码头的轮船、等待处理的程序，即“服务对象”；对于一般的排序问题，“机器”和“任务”都有多个，调度问题要解决的是确定服务者对服务对象的服务顺序和时间，使目标函数达到最优。大规模、复杂约束、多目标的调度问题是目前的研究热点，是接近实际生产的优化模型。生产调度是其中一类，该问题的研究对实际生产具有重要意义：对一般的生产调度问题，总完工时间（Total Flowtime）最小促使资源稳定有效地利用、任务的快速传递及在制品库存最小5,6；而最大完工时间（makespan）最小能减小总的生产周转时间，这些都是目前现代集成制造系统
8、FMS、计算机系统和其他一些信息系统所关心的一些问题。车间作业调度是FMS领域中研究的重要课题。同时也是在实际中应用最广的运筹学分支之一，研究它对于在现有资源条件下提高工作效率和经济效益有重要作用。调度问题的研究自50年代就受到应用数学、运筹学、工程技术等领域的科学家们的重视，是一门十分古老的学科3,7,8,9。许多调度问题是NP难题，严重阻碍了调度问题研究取得重大进展和突破。象Flow-shop和Job-shop这样的典型加工问题，尽管已经对实际问题作了大量的抽象和简化，但在多数情况下仍为NP难题，更何况FMC、FMS这样的加工系统调度问题，较Flow-shop和Job-shop要复杂的多。
9、因此，仅仅依靠基于解析优化技术方法，试图解决属于NP难题的调度问题，不可避免地遇到了难以逾越的障碍，其它如仿真方法等也同样受到NP问题的困扰。由于一个好的作业调度方案不仅可以降低生产成本，而且可以提高企业产品的准时交货能力，从而增强企业的竞争力。所以，本题研究基于启发式算法的FMS作业计划方法，以满足实际工程应用中对于实时性和优解性需求。1.2 生产调度发展及国内外研究现状到目前为止，研究调度问题的主要理论仍然是产生于五十年代的经典调度理论(Classieal Seheduling Theory)。一般认为，Johnson于1954年对两台机器下作业排序问题的求解是经典调度理论产生的重要理论。
10、他首先提出了n/m/F/Cmax问题的优化算法，并且在此基础上给3/F/Cmax中特殊情况算法。Jacks在他的个研究报告里首先提出了EDD规则；Smith也提出了单机(single Machine)问题的几个优化规则。这段时期的研究成果主要是提出了针对特殊的和规模较小问题的解析优化方法，一般仅适用于单机和简单的流水车间(F1ow-Shop)问题，研究范围较窄，但这些早期的工作为经典调度理论后来的发展奠定了基础。六十年代，人们开始用一些普通的优化方法来解决调度问题，主要是一些数学规划方法(如分枝定界法和动态规划法)，如story、Ignall等的研究，同时也有人开始将启发式算法应用到调度问题的
11、研究中去，如Gere、Gavt提出的方法。P.Mellor系统总结和归纳了调度问题的有关定义和概念，包括研究调度问题的12条假设、27个调度目标和一些解决问题的方法10，他注意到了调度理论同实际生产脱节的问题;conway等(1967)提出了调度问题的描述系统。六十年代末期，一个完整的经典调度理论体系开始初步形成。七十年代，问题复杂性方面的理论工作开始了，人们发现大多数调度问题都是NP-complete问题或NP-hard问题，一般很难找到解决这些问题的快速算法，因此解决调度问题的启发式算法开始成为求解调度问题的重要算法。如Campvell、Gupta、Baker、Danwnbring、Gar
12、ey和Gonzalez等都提出了很多重要的算法。panwalkar等回顾了二十年来调度理论的研究情况，总结和归纳出113条调度规则11，并对其进行了分类;我国学者越民义等开始研究调度问题。八十年代初期，Stephen20等从三个方面对调度问题进行了重新考察，并根据调度理论在实际中的应用情况，对未来发展做了一些分析和预测，认为调度理论与实际的结合已经成为调度研究的首要问题。这个富有挑战性的课题吸引了来自机械制造、自动化技术、计算机科学、企业管理、系统工程和应用数学等多个领域的学者，许多跨学科领域的技术和方法被应用到调度问题研究中，调度成为一种跨学科的研究领域。其中一项最引人注目的工作是以Carn
13、egie-Melfon大学的MFox为代表的学者们开展的基于约束传播的ISIS研究。这项研究标志了人工智能真正应用于调度问题，其后这方面出现了一系列重要的研究成果。八十年代后期，Rodammer等(1988)总结了生产调度的理论和实践方面的最新研究进展12,他们从七个方面论述了有关生产调度的技术和方法，包括传统的调度理论、控制理论、人工智能和离散事件仿真等，同时也讨论了MRP、JIT、和OPT等技术的应用情况，他们认为，生产调度无论在理论还是实践上都已经开始打破传统的界限。九十年代，对调度问题的研究进入了高潮，各种研究手段得到了充分的发挥，同时还不断有新的研究工具被应用到调度研究当中。比较有代
14、表性的技术有:遗传算法、人工神经网络、Petri网、模糊数学和系统仿真等，智能调度已成为调度研究的主流，其中分布式人工智能技术，特别是多代理技术在调度研究中的应用成为该领域的一个新的发展方向。近几年来，随着软件技术及其它相关技术的发展和计算机硬件性能的提高，开发智能化生产计划与控制系统的时机已慢慢成熟。目前，国外许多科研机构和软件公司都研究和开发了针对各种生产实际的生产作业计划和调度系统。在国内，许多高校和科研机构如清华大学、中科院沈阳自动化研究所和东北大学等单位参与了该领域的工作，有些成果已经在国家的CIMS示范工程中得到了一定程度的应用。但多数企业的车间生产作业计划与调度软件都是针对某生产
15、车间定制的，它只能应用于特定的场合，而当前无论是开发者还是使用者，都迫切需要实现通用性好、适用面广、智能化程度高的生产作业计划及资源优化利用智能支撑系统。车间生产过程的规划调度问题是车间控制的核心问题之一。如何采取有效的调度方法和优化技术，提高资源利用率，降低生产成本，成为先进制造技术在车间应用中的基础和关键。Saad等人采用基于合同网的投标机制，提出生产预留的方法来实现工艺规划和调度13。孙志峻，朱剑英(2001)用遗传算法研究了具有柔性加工路径的作业车间的智能优化调度问题，提出了一种将遗传算法和分派规则相结合的调度算法，将加工计划与生产调度同时考虑，避免了加工计划和生产调度相脱节的弊端14。Farhoodi在1990年提出了一个针对动态的车间调度问题的基于知识的优化方法，是基于知识的方法在调度问题中的很好的应用15。赵良辉2006年结合车间调度问题的特点阐述了模拟退火算法在解决车间调度问题上的应用，提出了基于模拟退火算法的车间调度问题模型，并以Matlab为工具进行了仿真实验16。王万良在2002年提出了基于神经网络的作业车间
