1、生嚴調度及智育皂優化陳靜杰博士教授航空自動化學院航空電子系中國 民航大學數據分析研究所jjchen24092499 (O) /產調度A什么是生產調度？即按時間分配資源完成任務/作業的過程或方法。要求：任務/作業必須是可分割的。2013-5-2生產調度A生產調度與生產計劃都是對生產過程的規劃與控制（均考慮優化 的目的），主要區別是考慮的時間尺度不同, 理論上均稱調度問題；生產調度是生產計劃 的可行性驗證過程生產計劃側重于經營計劃和生產能力的平衡，考慮的 時間以月或年計的中長期粗生產調度則在較短的時間內進行，最主要的任務是生 產作業的安排與資源的具體分配，涉及實際生產環境

2、 的各種約束細A生產調度與生產計劃生產計劃的制定以企業的利潤最大化為目標, 而生產調度則以生產過程的平穩過渡/順暢接 續為目標。生產計劃的制定，一般是考慮靜態情況。當生產因素 比較穩定和比較理想時才能達到優化的預期目標生產過程是動態的，要求生產調度系統有一定的柔性， 能適應生產過程中內、外因素的異動，以便準確而靈 活地完成生產計劃；生產調度側重于生產裝置的分配 利用和物料平衡。A生產計劃優化系統優化系統可才艮據企業的產、供、銷狀況， 以企業綜合效益為目標，建立合適的數學 模型，依一定方法求解，分別考慮企業內 外約束，進而獲得最優計劃；計劃的實施, 必須充分利用現有資源，優化資源配置， 提高生產

3、決策的科學性，實現效益的最大 化。2013-5-2生產調度A生產調度系統的功能計劃的分解：一般采用時間分配方法，即 滾動計劃；動態監控：實時監控，包括數據的采集、 關鍵參數的歷史趨勢圖分析、圖表及工藝 流程的顯示。平衡協調，包括外部的一 生產和經營兩大系統一產供銷,內部一生 產過程一人員工位器具等2013-5-2生產調度A生產調度系統的特點 復雜性； 隨機性；/多約束； 多目標。V2013-5-2生產調度生產調度問題的一般描述語義描述：目標-任務集合-資源集合-約束 條件；數學描述一調度問題的數學符號表達。A生產調度問題的性能指標1. 能力指標：最大生產率、最短生產周期等；2. 成本指標：最大

4、利潤、最小費用等；3. 客戶滿意度指標：最短交付期（提前拖期懲罰）等A生產調度問題的分類1. 依模型變量分類：1）連續變量問題；2）離散變量問題/ 組和優化問題 （combinatorial optimization problem: COP）2. 依生產過程輸出：1 ）連續生產過程（連續的產品流）； 2）間隙生產過程（離散批量）/批處理過程一批處理調 度問題；3）離散生產過程（離散數量）一車間調度問題3. 按調度目標：總的作業時間最短、總的延遲時間最小等其他：依人物特點：可否終端、加工時限、順序約束等2013-5-2生產調度A生產調度問題的分類1.車間調度問題：個工件在 加臺機器上加工需P道

5、工序，每一臺機器在任一時刻只能加工某個工件的某道工序，同時需考慮工序的先后順序約束M3生產調度A生產調度問題的分類2.流水車間調度問題:簡記:n/m/F/cmax個工件在 加臺機器上加工需 k道工序，每一臺機器 在任一時刻只能加工某個工件的某道工序， n個工件在m臺機器上加工順序相同,工件i在機器j上的加工時間tjj （i = 1, 2，；丿=1, 2 ,，加）是給定的，目標 是求工件的最優加工順序，使最大流程時間最 小分類（基于加工時間或交付期）：確定型、隨機型和模糊型/滿意型2013-5-2生產調度3. 作業車間調度問題:n個工件在 m臺機器上加工需 在人一時刻只能加工某 考慮工序的先后順

6、序約 度的調度，即對作業進A生產調度問題的分類(job - shop scheduling problem : JSP )NP難題工程近似可用解k道工序，每一臺機器 個工件的某道工序，同時需束，目標是找到最小時間長 行有效的排序。JSP問題可以采用整數線性規劃模型描述。前 提假設：所有的任務在零時刻都可用，且無 設備故障，任務在機器上執行時間事先已知A生產調度問題的分類4.間隙生產調度問題：等待時間 中間產品切換時間 存儲策略分類：多產品(multiproduct)間隙生產過程所有 產品生產順序相同，加工路徑相同，整個生產過程分 成若干個生產階段，每個階段包含若干并行設備。類 似Flow-sh

7、op和多用途或多目的(multi-purpose) 間隙生產過程可以是不同的生產線.不同的路徑.不上層組織路經與時間分配 下層設備與資源分配決策問題排序的L同的工序，可蠢過設備的組織乗調整。類似Job-shopA生產調度問題的分類5.動態調度問題：鼬例行維修作業動態調度：也稱再調度，指在調度環境和 任務存在不可預見的擾動情況下的調度方 案，即依賴于事前調度環境和任務也與當 祈狀態有關一為適應生產過程的不確定性和隨機性，一 般采用周期性調度和再調度相結合的策略2013-5-2生產調度A生產調度問題的分類5.動態調度問題(續)：動態調度的r 實時性要求丄動態調度形式：滾動調度(rolling sc

8、heduling)和 被動調度(reactive scheduling )滾動調度：移動時間段內的生產調度； 被動調度：隨生產過程變化而不可行的調度的修正Q:變化(加工時間、 任務、設備故障 等)一調機作業被動調度目標是盡可能 維持原靜態調度水平， 既保持原有的性能指標2013-5-2生產調度生產調度A生產調度方法方向：二者結合2013-5-2生產調度2013-5-2生產調度分類：優化調度方法和啟發式調度方法優化調度：精確求解解析模型而獲得最優解、近似求解 得次優解；基礎：數學規劃；適用：小規模優化問題啟發推理啟發式調度：包括基于規則的方法、基于人工智能的方 法、隨機搜索方法、基于仿真的方法等

9、，立足當前，追 求局部最優而非全局最優2013-5-2生產調度A生產調度方法（續）2013-5-2生產調度2013-5-2生產調度等式與 不數學規劃ANNS GA Fuzzy f基于人工 看能方法三分支定界法簡單規則 復合規則 啟發式規則依靠機器學習的 -鄉態選擇規則利用神經網絡實 現智能選擇規則° 一2013-5-2生產調度的啟發式算法啟發式算法(heuristics algorithm)語義性描述：一個基于直觀或者經驗構造的算法，在可接受的代價下，給出待解決組合優化問題的一個可未定義可行解與最優解的距離生產調度的啟發式算法A啟發式算法(heuristics algorithm)J

10、ohnson問題：以最大流程時間為目標的兩臺機器流 阿題描述：門個工件在機器1和機器2上的加工時間分 協為如和目標是給出最短生產周期的產品序列卜二 1. 2 .門 IJohnson 規則：min f訂，ti2 < min tj2 , t門,則工件 2在 丿前生產調度的啟發式算法A啟發式算法(heuristics algorithm)將 N個工件分成 戶和0兩組，分組的原則是: 組的工件在機器2上比在機器1上加工時間長余的工件歸 Q組；戶組工件按機器1加工時間遞増順序排列、0組工件按機器2加工時 間地間順序排列0組工件順序連接在一起 便構成生產周期最短的最優工件順序2013-5-22013

11、-生產調度的啟發式算法啟發式算法(heuristics algorithm)例:工件15機器1上加工時間機器2上加工時間123105114799 A s 人】1 r) JH a i、0 1“F 序)：P = 4,2,5,6、2 = 3,1 r>啟發式算法 通常是以犧 牲計算時間 為代價期疋37'優加工順序是4,2,5,6,3,1,最短生產2013-生產調度的啟發式算法啟發式算法(heuristics algorithm)常用啟發式規則：1 用優先分配規則來解決工序中可能的加工沖突（要求算法有識別所有加工沖突的能力）2基于隨機分配規則的啟發式算法：每一工序都対應啟發式規則集/族申的

12、任意規則,規則可重用，全部工序遍歷一遍后即可找到生產 活動調度一工序順序集遺傳算法A遺傳算法：借鑒生物界自然選擇和自然遺 傳機制的隨機算法原理：始于多個初始解，然后通過一定規則 進行逐步迭代產生新的解，合成解集，通過 對解集中解的性質的判斷，篩出需要的解A遺傳算法：借鑒生物界自然遠勺 傳機制的隨機算法、丄Y A遺傳算法算法設計的內容：編碼 解空間M彎 “適應度函數一解的質量白庚量/Il標函數選擇策略一大適值解對應大存活概率/機會 控制參數一種群規模、算法代數/終止準則、遺傳操作概率等遺傳算子一選擇/遺傳、交叉、變異基于遺傳算法的車間調度問題A遺傳算法：把調度問題參數表達成按一定 結構組成的染色

13、體編碼部分算法設計內容：編碼一工件加工順序適應度函數一完成加工作業可能的最大流程 時間的倒數（流程時間越短越好）選擇策略一大適值解對應大存活概率/機會控制參數一種群規模、算法代數/終止準則、 遺傳操作概率等遺傳算子一選擇/遺傳、交叉、變異基于遺傳算法的模糊車間調度方法主要解決提前/拖期費用調度問題一利用模 糊量表示客戶對交貨期的滿意程度2013-5-22013-5-22013-5-2基于同一時間離散化生產調度A把調度范圍分成許許多多等長度的時間 段一民航維修作業標準工時下的派工問題，然后明確約束條件（分配約束、容量約束、物料平衡、公共及人力資源限 制）,最終可表達為以利潤最大為目標2013-5-2函數的調度問題2013-5-2不確定性生產調