基于遗传算法的作业调度优化研究Word文档格式.docx

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作业车间调度问题是一个典型的NP—hard问题，是最困难的组合优化问题之一。

本文主要研究了制造车间作业调度问题。

本文系统地介绍了车间作业调度理论及其发展状况、用于作业车间调度理论的优化算法及其特点；

针对生产过程的作业调度，描述了调度的分类以及常规调度方法；

建立了制造车间调度模型；

利用染色体编码方法和遗传算子，用遗传算法解决该调度问题。

此外，用Matlab强大的数值计算能力和众多库函数来编写算法，通过仿真实例对算法的求解效果进行了测试。

实例证明，该程序算法结果较好，能充分利用设备资源组织生产，对于车间的实际生产具有较强的指导意义。

关键词：

作业调度，遗传算法，MATLAB

JobSchedulingOptimizationBasedonGeneticAlgorithm

ABSTRACT

Inthemanufacturingeraofeconomicglobalization,demandforourproductsofcustomerrequiresshorterproductlifecycle.Modernmanufacturingandservicerenderedtothestateofintegration.Thejob-shopschedulingtechnologyisthecoretechnologyoftheproductionandmanagementtechnology,isdirectlyrelatedtothequalityofenterpriseproductsandservices.Effectivejobshopschedulingtechniquescanenhancetheworkshopresources,optimalallocationofcapacity,improveproductionefficiency,reduceproductionlosses,sothatenterprisescanlocateinthecentralpositioninthecompetitionofeconomicglobalization.

Thefeatureofmodernmanufacturingsectorisvariety,smallbatch（orevenasinglepieceproduction）.Thelimitedresourcesoftheworkshoprestrictingtheeffectiveuseofexistingworkshopresourcestocompletethetasktomeetmarketdemandinthefastestpace.Theschedulingtaskistodeterminethespecificprocessingroute,time,machineryandoperationaccordingtoproductiongoalsandconstraintsforeachprocessingobject.Goodschedulingstrategyhasagreatrolefortheoptimalproductionsystem,improveeconomicefficiency.ThejobshopschedulingproblemisatypicalNP-hardproblem,andisthemostdifficultcombinatorialoptimizationproblems.

Inthispaper,westudymanufacturingjobshopschedulingproblem.Thepapersystematicallyintroducesthejobshopschedulingtheoryanditsdevelopment,optimizationalgorithmforjobshopschedulingtheoryanditscharacteristics;

contrarytojobschedulingoftheproductionprocess,wedescribestheclassificationofschedulingandconventionalschedulingmethods;

wehaveestablishedamanufacturingshopschedulingmodel;

weusechromosomecoding,geneticoperatorsandgeneticalgorithmtosolvetheschedulingproblem.Inaddition,usingtheMatlabnumericalcomputingpowerandnumberoflibraryfunctionstowritethealgorithmtotesttheeffectsofalgorithmbysimulationexamples.ExamplesshowthatTheprogramalgorithmisbetter,equipmentoforganizingproductionresourceutilization,Thealgorithmhasastrongguidingsignificancefortheactualproductionoftheworkshop.

Keywords:

JobScheduling,GeneticAlgorithm,MATLAB

目录

1绪论1

1.1课题研究背景及意义1

1.1.1问题的提出1

1.1.2课题的现实与理论意义1

1.2国内外研究现状综述3

1.3本文的研究内容4

2车间作业调度算法5

2.1调度问题特点与分类5

2.2车间作业调度问题描述5

2.3调度问题优化算法6

3求解调度问题的遗传算法10

3.1遗传算法求解调度问题的优越性10

3.2遗传算法简介11

3.2.1遗传算法概述11

3.2.2遗传算法基本过程12

3.2.3遗传算法执行策略15

4车间作业调度的建模17

4.1车间作业调度问题描述17

4.2遗传算法设计思想18

4.2.1编码18

4.2.2生成初始种群19

4.2.3适应度函数19

4.2.4选择算子19

4.2.5交叉算子19

4.2.6变异算子19

4.3遗传算法流程19

5用Matlab实现模拟作业调度22

5.1程序设计思想及伪代码22

5.2分析结果的可行性、运行时间以及目标函数值26

5.2.1仿真输出结果26

5.2.2分析结果27

6结论与展望30

参考文献32

致谢34

1绪论

1.1课题研究背景及意义

1.1.1问题的提出

随着科学技术、经济全球化和信息技术的迅猛发展，生产企业面临着多变的商业环境［1］。

现代科学技术的快速发展和客户对产品的个性化需求越来越高，这给传统制造加工业带来了巨大的挑战和机遇。

原来简单的、局部的、常规的计划和仅凭经验的管理已经不能满足现代化的要求。

当前的机械制造企业采用多元化、多品种、小批量、高柔性生产方式来适应激烈的市场竞争。

制造业的经营重心已从企业规模和产品成本转移到用户需求和上市时间、产品质量、制造成本和售后服务。

制造过程中的生产管理与调度是保证生产质量和生产效率的关键，先进的生产管理与调度技术能够快速响应顾客需求变化的多样性。

为了保证生产的高效稳定运行，以获得最大的经济效益，企业管理者必须能根据市场上原料供应和产品需求的变化进行经营决策和组织生产，能利用现有的资源做出最有效的调度方案，使企业生产获得最大的综合经济效益。

21世纪企业的先进制造模式是完全面向顾客，敏捷制造是综合了JIT（JustInTime）、并行工程、精益生产的先进制造模式的哲理，其目的是要以最低成本制造出顾客满意的产品。

对于中小型企业来敏捷制造就是先进的生产模式，生产调度方案的优劣是敏捷制造的标志。

在这种生产模式下如何进行组织管理，包括如何组织动态联盟、如何重构车间和单元、如何安排生产计划、如何进行调度是企业面临的主要问题。

其中车间调度与控制技术是实现生产高效、高柔性和高可靠性的关键。

有关资料表明，在制造过程中95％的时间消耗在非切削过程中。

因此，有效的调度方法和优化技术的研究和应用，是实现产品高质、低耗，进而使企业赢得市场竞争的有力武器[2]。

1.1.2课题的现实与理论意义

车间作业调度问题（Job-ShopSchedulingProblem，JSP）的求解目标是寻求某种最优策略，找到的调度方案能将加工作业安排到车间制造机器上，并且使加工作业能够最高效的完成。

每个作业都由一些工序组成，而每个工序则必须由指定的机器加工处理。

一个调度方案就是按照作业内在逻辑的先后顺序条件将所有工序安排到机器上的一种方案。

以前大部分企业主要依靠经验丰富的工人手工安排调度计划，在调度问题比较简单的情况下还是可行的。

然而，当前的产品的加工工艺复杂度相当高，在调度任务规模较大且动态多变的环境中，手工调度表现的非常低效甚至无法实现调度。

1973年harrington博士提出计算机制造集成制造CIM的概念，CIM是一种组织、管理与运行企业生产的新哲理，它借助计算机软件、硬件，综合运用现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，将企业生产过程中有关人、技术、经营管理三要素及其信息流与物质流有机地集成并优化运行[3][4]。

计算机集成制造系统（CIMS）能给企业带来巨大的综合经济效益，因此国内、外各大中型企业都研究与实施计算机集成制造系统。

作为实施CIMS工程中的一个重要组成部分，生产计划与调度系统是计算机集成制造系统功能结构模型中不可缺少的一个层次。

当前在自动化程度较高的生产系统中，使生产过程合理、高效运行的调度问题变得非常复杂，需要建立有效的计算机调度控制策略、因此调度问题的研究具有重要的现实意义。

由于大量的调度问题是NP完全问题[13]，近几年各种智能计算方法逐渐被引入到调度问题中，如遗传算法、模拟退火算法等，但是目前尚无有效的求解策略，因此调度问题的研究也具有重要的理论意义[5]。

车间作业调度是一个交叉的研究领域，以数学为基础，涉及运筹学、计算机、控制工程和工业设计等