一种柔性作业车间多资源调度方法、系统、设备及介质

本发明涉及车间调度，具体涉及一种柔性作业车间多资源调度方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、车间优化调度是实现制造企业生产高效率、高柔性和高可靠性的关键技术之一，研究重点在于“如何把有限的资源在合理的时间内分配给若干个任务，以满足或优化一个或多个目标”，对实际生产有重要的理论与应用价值。随着工厂制造柔性的不断提高，经典的作业车间调度问题(job shop scheduling problem，jsp)不能完全适应制造系统的需求，柔性作业车间调度问题(flexible job shop scheduling problem，fjsp)作为jsp的拓展问题，工件的每道工序有多台可选机器，大大增加了柔性和适用范围，同时也使得问题更加复杂。目前，针对fjsp国内外学者进行了大量的研究与工作，并在各类实际问题中得以应用。

2、传统的fjsp研究大多将研究重点放在工序约束和设备资源的约束上，而在实际生产过程中，工人和其他加工资源也存在约束，这类问题在同时考虑机器和一种辅助加工资源时被归为双资源柔性作业车间调度问题(dual-resource constrained flexible jobshop scheduling problem,drc-fjsp)，若考虑一种以上的加工资源约束被称作柔性作业车间多资源调度问题(multi-resource constrained flexible job shop schedulingproblem,mrc-fjsp)。柔性作业车间多资源调度问题广泛存在于各种类型的制造业企业中。以某模具厂的生产过程为例，不同种类模具的加工组装工序所需要的特种夹具存在区别，加工不同种类模具的零件时，加工机器必须装夹相应的夹具并具备对应技能的工人才可以进行加工。在生产过程中，工人的调换、夹具的装夹和拆卸、加工刀具的更换需要时间。在实际生产中，资源的装卸时间会对调度操作产生较大影响，因此考虑装卸的柔性作业车间多资源调度问题的研究相比于已有的研究更贴近生产实际，但问题的规模也进一步扩大，求解难度显著上升。

技术实现思路

1、针对现有技术未考虑辅助资源装卸时间，增加了在工序机器选择、加工顺序以及辅助资源的分配上的复杂程度的不足，本发明提出一种柔性作业车间多资源调度方法、系统、设备及介质，通过构建出以最小化最大完工时间为目标的mrc-fjsp生产调度模型，对生产调度模型进行迭代求解，得到各工序机器选择、加工顺序以及辅助资源分配的调度解，从而解决了现有技术存在的问题。

2、一种柔性作业车间多资源调度方法，包括以下步骤：

3、获取车间待加工工件的多个工序、多个加工机器以及每道工序的加工时间；

4、基于柔性作业车间调度fjsp添加辅助资源的约束，构建出以最小化最大完工时间为目标的mrc-fjsp生产调度模型；

5、将待加工工件的多个工序、多个加工机器以及每道工序的加工时间输入生产调度模型中进行迭代求解，得到各工序最优的调度方案；所述调度方案包括每道工序加工机器的选择、每道工序的加工顺序以及辅助资源的分配；

6、根据各工序最优的调度方案进行车间调度，具体包括以下步骤：

7、采用工序编码和机器编码双层编码方式确定每道工序的加工机器和机器上工序的加工顺序；

8、通过在解码过程中采取启发式规则确定辅助资源的分配，完成车间调度；所述采取启发式规则确定辅助资源的分配具体包括：确定各工序在机器上的开始加工时间sij；若机器空闲，根据每种辅助资源的配置均存在至少一件单件的要求，选择辅助资源中最早能够使用时间小于sij的单件；若存在多个能够使用的辅助资源单件，则选择辅助资源中最早能够使用时间最大的单件；若辅助资源的配置存在没有能够使用单件的情形时，则加工无法立即开始，当sij与辅助资源用于能够加工使用的时间相等时，则开始加工。

9、进一步地，所述以最小化最大完工时间为目标的mrc-fjsp生产调度模型，表示为：

10、

11、其中，cmax表示最大完工时间；cij表示工序oij的加工结束时间；i、i’均表示工件序号；i表示工件集合；j、j’均表示工件的工序序号；ji表示工件i的工序总数。

12、进一步地，所述mrc-fjsp生产调度模型的约束条件包括：

13、工序在同一工件上的前置工序加工完成后再进行加工，其表示为其中，k表示机器序号；kij表示工序oij能够选择的加工机器集合；sij表示工序oij的开始加工时间；xijk表示0～1决策变量，若工序oij选择在机器k上加工则为1，否则为0；pijk表示工序oij在机器k上的加工时间；

14、各工序在机器上按照给定优先级的顺序进行加工，其表示为sij+pijk≤si’j’+l(3-xijk-xi’j’k-yiji’j’k)；其中，l表示一个正数；yiji’j’k表示0～1决策变量，若工序oij在机器k优先于oi’j’加工则为1，否则为0；

15、一台机器同一时刻只能处理一道工序，其表示为si’j’+pi’j’k≤sij+l(2+yiji’j’k-xijk-xi’j’k)；

16、工件占用辅助资源进行加工的优先级顺序约束，其表示为其中，表示0～1决策变量，若工序oij加工配置了第l种辅助资源的第hl个单件则为1，否则为0；表示0～1决策变量，若第l种辅助资源的第hl个单件配置在工序oij的优先级大于oi’j’则为1，否则为0，l表示辅助资源种类序号；

17、一件辅助资源单件同时只能配置在一个工序的加工过程中，其表示为

18、同一时刻工序只能选择在一台机器上完成加工，且工序不能中断，其表示为

19、所有工序完成时的配置至少使用一种辅助资源，其表示为其中，f表示辅助资源种类数；rl表示第l种辅助资源集合；hl表示第l种辅助资源序号；

20、加工过程中不能同时配置多件相同种类的辅助资源，其表示为

21、工序的开始加工时间和加工时间不能为负，其表示为sij≥0,pijk≥0。

22、进一步地，所述采用工序编码和机器编码双层编码方式确定每道工序的加工机器和机器上工序的加工顺序，具体包括：

23、工序编码向量os表示工序加工的优先级，编码值表示工件号，编码值在编码向量中第几次出现则表示对应工件的第几道工序；

24、机器编码向量ms表示工序的加工机器选择，编码值表示对应工序选用的机器编号。

25、进一步地，所述确定各工序在机器上的开始加工时间sij，具体包括以下步骤：

26、工序oij对应工件的前置工序完成时间记为aj，对应加工机器k的最早能用时间记为ak，加工时辅助资源全部能用的时间记为ar，则工序oij的开始加工时间sij计算公式为：

27、sij＝max{aj,ak,ar}

28、若工序oij为工件i的第一道工序，即j＝1，则aj＝0，若不为第一道工序，则有：

29、aj＝cij-1

30、若工序oij为机器k上加工的第一道工序，则ak＝0，否则，ak取决于在机器k上与工序oij前进行加工的工序oi’j’的完工时间，即：

31、ak＝ci’j’

32、所述ar表示为：

33、

34、其中，表示第l类辅助资源的第hl个单件的最早能用时间，若工序oij为第一道配置该辅助资源进行加工的工序，否则为配置该辅助资源的前一道工序的加工完成时间，即：

35、

36、其中，i*表示前一道工序的工件序号，j*表示前一道工序序号。

37、进一步地，所述将待加工工件的多个工序、多个加工机器以及每道工序的加工时间输入生产调度模型中进行迭代求解过程中，选取目标函数的最优解作为精英解，对精英解执行局部搜索策略，得到工序在机器上最优的加工序列，具体包括以下步骤：

38、生成初始化种群；所述种群表示生产调度方案的集合；

39、计算种群个体适应度值；并将种群中适应度优秀的前20％个体直接复制到子种群中，对种群剩余的个体采用锦标赛选择策略，每次从原来的种群中抽取若干个体，选择其中适应度最优的一个个体放入子种群；重复锦标赛选择操作，直到子种群规模达到给定的种群规模；所述个体表示一个生产调度方案；

40、对选择的最优个体依次进行交叉、变异操作；

41、对种群中适应度优秀的前10％个体执行基于关键路径的变邻域搜索操作，得到工序在机器上最优的加工序列。

42、进一步地，所述对种群中适应度优秀的前10％个体执行基于关键路径的变邻域搜索操作，得到工序在机器上最优的加工序列，具体包括以下步骤：

43、对需要执行变邻域搜索的个体进行解码操作，得到对应调度方案的工序、机器、辅助资源加工信息；

44、检索各机器上最后一道工序的结束时间，若结束时间等于最大完工时间，则创建一条关键路径newpath；

45、依次判断当前工序的机器紧前工序和工件紧前工序是否为关键工序，若是则移动到下一工序再次进行判断，若不是则继续进行操作；同时判断当前工序的开始时间是否为0，若为0则停止搜索，将newpath加入关键路径的集合；

46、检索结束时间等于当前工序开始加工时间的工序，判断是否为辅助资源紧前工序；若存在相同辅助资源占用，将对应工序加入关键路径并再次判断当前工序的机器紧前工序和工件紧前工序是否为关键工序。

47、本发明还包括一种柔性作业车间多资源调度系统，包括：

48、获取模块，用于获取车间待加工工件的多个工序、多个加工机器以及每道工序的加工时间；

49、调度模型构建模块，用于基于柔性作业车间调度fjsp添加辅助资源的约束，构建出以最小化最大完工时间为目标的mrc-fjsp生产调度模型；

50、计算模块，用于将待加工工件的多个工序、多个加工机器以及每道工序的加工时间输入生产调度模型中进行迭代求解，得到各工序最优的调度方案；所述调度方案包括每道工序加工机器的选择、每道工序的加工顺序以及辅助资源的分配；

51、调度模块，用于根据各工序最优的调度方案进行车间调度；具体包括：

52、编码单元，用于采用工序编码和机器编码双层编码方式确定每道工序的加工机器和机器上工序的加工顺序；

53、解码单元，用于通过在解码过程中设计启发式规则确定辅助资源的分配；所述启发式规则具体包括：确定各工序在机器上的开始加工时间sij；若机器空闲，根据每种辅助资源的配置均存在至少一件单件的要求，选择辅助资源中最早能够使用时间小于sij的单件；若存在多个能够使用的辅助资源单件，则选择辅助资源中最早能够使用时间最大的单件；若辅助资源的配置存在没有能够使用单件的情形时，则加工无法立即开始，当sij与辅助资源用于能够加工使用的时间相等时，则开始加工。

54、本发明还包括一种柔性作业车间多资源调度计算机设备，包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器内的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的柔性作业车间多资源调度方法的步骤。

55、本发明还包括一种可读存储介质，所述可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令被处理器执行时，用于执行所述的柔性作业车间多资源调度方法的步骤。

56、本发明提供了一种柔性作业车间多资源调度方法、系统、设备及介质，具备以下有益效果：

57、本发明通过考虑辅助资源约束，构建考虑装卸的多资源柔性作业车间的生产调度模型，对生产调度模型进行迭代求解，得到最优的各工序的机器选择、加工顺序和辅助资源的配置方案；采用工序编码和机器编码双层编码的方式决策加工机器选择和工序排序两个子问题，辅助资源的分配通过设计的启发式规则在解码过程中确定，从而建立编码空间到问题解空间的映射关系；具体为选择最早可用时间靠近加工开始时间sij可以压缩辅助资源的空闲时间，提高辅助资源利用效率，同时使该类辅助资源的最早可用时间提前，将后续配置该类资源进行加工的工序受到资源占用的影响降到最小，在保证调度解可行的同时，减少辅助资源装卸时间；本发明可以高效求解考虑装卸的柔性作业车间多资源调度问题，合理安排机器和辅助资源配置，减少资源装卸，提高生产效率。

技术特征：

1.一种柔性作业车间多资源调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种柔性作业车间多资源调度方法，其特征在于，所述以最小化最大完工时间为目标的mrc-fjsp生产调度模型表示为：

3.根据权利要求2所述的一种柔性作业车间多资源调度方法，其特征在于，所述mrc-fjsp生产调度模型的约束条件包括：

4.根据权利要求1所述的一种柔性作业车间多资源调度方法，其特征在于，所述采用工序编码和机器编码双层编码方式确定每道工序的加工机器和机器上工序的加工顺序，具体包括：

5.根据权利要求2所述的一种柔性作业车间多资源调度方法，其特征在于，所述确定各工序在机器上的开始加工时间sij，具体包括以下步骤：

6.根据权利要求1所述的一种柔性作业车间多资源调度方法，其特征在于，所述将待加工工件的多个工序、多个加工机器以及每道工序的加工时间输入生产调度模型中进行迭代求解过程中，选取目标函数的最优解作为精英解，对精英解执行局部搜索策略，得到工序在机器上最优的加工序列，具体包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种柔性作业车间多资源调度方法，其特征在于，所述对种群中适应度优秀的前10％个体执行基于关键路径的变邻域搜索操作，得到工序在机器上最优的加工序列，具体包括以下步骤：

8.一种柔性作业车间多资源调度系统，其特征在于，包括：

9.一种柔性作业车间多资源调度计算机设备，其特征在于，包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器内的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-7任一项所述的柔性作业车间多资源调度方法的步骤。

10.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令被处理器执行时，用于执行权利要求1-7任一项所述的柔性作业车间多资源调度方法的步骤。

技术总结
本发明公开一种柔性作业车间多资源调度方法、系统、设备及介质，车间调度技术领域，该方法包括：基于FJSP添加辅助资源的约束，构建出以最小化最大完工时间为目标的MRC‑FJSP生产调度模型；对生产调度模型进行迭代求解，得到各工序机器选择、加工顺序以及辅助资源分配的调度解，根据调度解进行车间调度，具体包括采用工序编码和机器编码双层编码方式确定每道工序的加工机器和机器上工序的加工顺序；通过在解码过程中设计启发式规则确定辅助资源的分配；本发明可以高效求解考虑装卸的柔性作业车间多资源调度问题，合理安排机器和辅助资源配置，减少资源装卸，提高生产效率。

技术研发人员：张春江,张玮,李新宇,高亮
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5