生產(chǎn)調度及智能優(yōu)化講義總結(30頁)

1、生產(chǎn)調度及智能優(yōu)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(shù)據(jù)分析研究所24092499（O）/ 136520379397/23/2022生產(chǎn)調度生產(chǎn)調度與運籌學Q：區(qū)別？ 聯(lián)系？生產(chǎn)調度運籌學7/23/2022生產(chǎn)調度什么是生產(chǎn)調度？即按時間分配資源完成任務/作業(yè)的過程或方法。要求：任務/作業(yè)必須是可分割的。生產(chǎn)調度問題Q：現(xiàn)場有哪些？7/23/2022生產(chǎn)調度生產(chǎn)調度與生產(chǎn)計劃都是對生產(chǎn)過程的規(guī)劃與控制（均考慮優(yōu)化的目的），主要區(qū)別是考慮的時間尺度不同，理論上均稱調度問題；生產(chǎn)調度是生產(chǎn)計劃的可行性驗證過程生產(chǎn)計劃側重于經(jīng)營計劃和生產(chǎn)能力的平衡，考慮的時間以月或年計的中長期粗生

2、產(chǎn)調度則在較短的時間內進行，最主要的任務是生產(chǎn)作業(yè)的安排與資源的具體分配，涉及實際生產(chǎn)環(huán)境的各種約束細7/23/2022生產(chǎn)調度生產(chǎn)調度與生產(chǎn)計劃生產(chǎn)計劃的制定以企業(yè)的利潤最大化為目標，而生產(chǎn)調度則以生產(chǎn)過程的平穩(wěn)過渡/順暢接續(xù)為目標。生產(chǎn)計劃的制定，一般是考慮靜態(tài)情況。當生產(chǎn)因素比較穩(wěn)定和比較理想時才能達到優(yōu)化的預期目標生產(chǎn)過程是動態(tài)的，要求生產(chǎn)調度系統(tǒng)有一定的柔性，能適應生產(chǎn)過程中內、外因素的異動，以便準確而靈活地完成生產(chǎn)計劃；生產(chǎn)調度側重于生產(chǎn)裝置的分配利用和物料平衡。7/23/2022生產(chǎn)調度生產(chǎn)計劃優(yōu)化系統(tǒng)優(yōu)化系統(tǒng)可根據(jù)企業(yè)的產(chǎn)、供、銷狀況，以企業(yè)綜合效益為目標，建立合適的數(shù)學模型，

3、依一定方法求解，分別考慮企業(yè)內外約束，進而獲得最優(yōu)計劃；計劃的實施，必須充分利用現(xiàn)有資源，優(yōu)化資源配置，提高生產(chǎn)決策的科學性，實現(xiàn)效益的最大化。7/23/2022生產(chǎn)調度生產(chǎn)調度系統(tǒng)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(tài)監(jiān)控：實時監(jiān)控，包括數(shù)據(jù)的采集、關鍵參數(shù)的歷史趨勢圖分析、圖表及工藝流程的顯示。平衡協(xié)調，包括外部的生產(chǎn)和經(jīng)營兩大系統(tǒng)產(chǎn)供銷，內部生產(chǎn)過程人員工位器具等7/23/2022生產(chǎn)調度生產(chǎn)調度系統(tǒng)的特點復雜性；隨機性；多約束；多目標。Q: 維修作業(yè)調度系統(tǒng)特點的表達?7/23/2022生產(chǎn)調度生產(chǎn)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(shù)學描

4、述調度問題的數(shù)學符號表達。生產(chǎn)調度問題的性能指標能力指標：最大生產(chǎn)率、最短生產(chǎn)周期等；成本指標：最大利潤、最小費用等；客戶滿意度指標：最短交付期（提前拖期懲罰）等7/23/2022生產(chǎn)調度生產(chǎn)調度問題的分類依模型變量分類：1）連續(xù)變量問題；2）離散變量問題/組和優(yōu)化問題（combinatorial optimization problem: COP）依生產(chǎn)過程輸出：1）連續(xù)生產(chǎn)過程（連續(xù)的產(chǎn)品流）；2）間隙生產(chǎn)過程（離散批量）/批處理過程批處理調度問題；3）離散生產(chǎn)過程（離散數(shù)量）車間調度問題按調度目標：總的作業(yè)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7/2

5、3/2022生產(chǎn)調度問題的分類車間調度問題：車間調度加工設備的分配工件的加工時間與加工順序實質生產(chǎn)調度7/23/2022生產(chǎn)調度問題的分類流水車間調度問題：分類（基于加工時間或交付期）：確定型、隨機型和模糊型/滿意型生產(chǎn)調度7/23/2022NP難題工程近似可用解生產(chǎn)調度生產(chǎn)調度問題的分類作業(yè)車間調度問題：JSP問題可以采用整數(shù)線性規(guī)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(zhí)行時間事先已知7/23/2022生產(chǎn)調度生產(chǎn)調度問題的分類間隙生產(chǎn)調度問題：分類：多產(chǎn)品（multi-product）間隙生產(chǎn)過程所有產(chǎn)品生產(chǎn)順序相同，加工路徑相同，整個生產(chǎn)過程分成若干個

6、生產(chǎn)階段，每個階段包含若干并行設備。類似Flow-shop和多用途或多目的（multi-purpose）間隙生產(chǎn)過程可以是不同的生產(chǎn)線、不同的路徑、不同的工序，可通過設備的組織來調整。類似Job-shop排序的問題中間產(chǎn)品存儲策略等待時間切換時間上層組織路經(jīng)與時間分配下層設備與資源分配決策7/23/2022生產(chǎn)調度生產(chǎn)調度問題的分類動態(tài)調度問題：靜態(tài)調度：調度環(huán)境和任務已知的前提下的所謂的事前調度方法例行維修作業(yè)動態(tài)調度：也稱再調度，指在調度環(huán)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(huán)境和任務也與當前狀態(tài)有關例行+非例行維修作業(yè)為適應生產(chǎn)過程的不確定性和隨機性，一般采用周期

7、性調度和再調度相結合的策略7/23/2022生產(chǎn)調度生產(chǎn)調度問題的分類動態(tài)調度問題（續(xù)）：動態(tài)調度形式：滾動調度（rolling scheduling）和被動調度（reactive scheduling）被動調度目標是盡可能維持原靜態(tài)調度水平，既保持原有的性能指標滾動調度：移動時間段內的生產(chǎn)調度；被動調度：隨生產(chǎn)過程變化而不可行的調度的修正動態(tài)調度的實時性要求Q：變化（加工時間、任務、設備故障等）調機作業(yè)7/23/2022生產(chǎn)調度生產(chǎn)調度方法分類：優(yōu)化調度方法和啟發(fā)式調度方法優(yōu)化調度：精確求解解析模型而獲得最優(yōu)解、近似求解得次優(yōu)解；基礎：數(shù)學規(guī)劃；適用：小規(guī)模優(yōu)化問題啟發(fā)式調度：包括基于規(guī)則的

8、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，立足當前，追求局部最優(yōu)而非全局最優(yōu)方向：二者結合啟發(fā)推理7/23/2022生產(chǎn)調度生產(chǎn)調度方法（續(xù)）數(shù)學規(guī)劃等式與不等式約束分支定界法Lagrangian松弛法貝葉斯啟發(fā)方法規(guī)則調度方法簡單規(guī)則復合規(guī)則啟發(fā)式規(guī)則動態(tài)調度依靠機器學習的動態(tài)選擇規(guī)則利用神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)智能選擇規(guī)則基于人工智能方法啟發(fā)式搜索規(guī)則基于規(guī)則與知識的方法智能求解方法ANNsGAFuzzy SetsModel-based and model-free7/23/2022生產(chǎn)調度的啟發(fā)式算法啟發(fā)式算法（heuristics algorithm）語義性描述：一個基于直觀或者經(jīng)

9、驗構造的算法，在可接受的代價下，給出待解決組合優(yōu)化問題的一個可行解未定義可行解與最優(yōu)解的距離7/23/2022生產(chǎn)調度的啟發(fā)式算法啟發(fā)式算法（heuristics algorithm）Johnson問題：以最大流程時間為目標的兩臺機器流水車間調度問題依Johnson規(guī)則確定其最優(yōu)調度問題描述：n 個工件在機器1和機器2上的加工時間分別為ti1和ti2 ，目標是給出最短生產(chǎn)周期的產(chǎn)品序列7/23/2022生產(chǎn)調度的啟發(fā)式算法啟發(fā)式算法（heuristics algorithm）基于Johnson規(guī)則構造最優(yōu)調度，步驟如下：7/23/2022生產(chǎn)調度的啟發(fā)式算法啟發(fā)式算法（heuristics a

10、lgorithm）例：工件123456機器1上加工時間10511379機器2上加工時間47981015問題的關鍵是啟發(fā)式規(guī)則的建立啟發(fā)式算法通常是以犧牲計算時間為代價7/23/2022生產(chǎn)調度的啟發(fā)式算法啟發(fā)式算法（heuristics algorithm）常用啟發(fā)式規(guī)則：用優(yōu)先分配規(guī)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）基于隨機分配規(guī)則的啟發(fā)式算法：每一工序都對應啟發(fā)式規(guī)則集/族中的任意規(guī)則，規(guī)則可重用，全部工序遍歷一遍后即可找到生產(chǎn)活動調度工序順序集7/23/2022遺傳算法遺傳算法：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(guī)則

11、進行逐步迭代產(chǎn)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7/23/2022遺傳算法遺傳算法：借鑒生物界自然選擇和自然遺傳機制的隨機算法算法設計的內容：編碼解空間適應度函數(shù)解的質量的度量/目標函數(shù)選擇策略大適值解對應大存活概率/機會控制參數(shù)種群規(guī)模、算法代數(shù)/終止準則、遺傳操作概率等遺傳算子選擇/遺傳、交叉、變異缺點：沒有利用目標函數(shù)梯度等信息，造成了解的無方向性7/23/2022基于遺傳算法的車間調度問題遺傳算法：把調度問題參數(shù)表達成按一定結構組成的染色體編碼部分算法設計內容：編碼工件加工順序適應度函數(shù)完成加工作業(yè)可能的最大流程時間的倒數(shù)（流程時間越短越好）選擇策略大適值解對應大存活概率/機會控制參數(shù)種群規(guī)模、算法代數(shù)/終止準則、遺傳操作概率等遺傳算子選擇/遺傳、交叉、變異7/23/2022基于遺傳算法的模糊車間調度方法主要解決提前/拖期費用調度問題利用模糊量表示客戶對交貨期的滿意程度Q：航班延誤問題A1：可用隨機規(guī)則調度法A2：也可用模糊調度法7/23/2022基于同一時間離散化生產(chǎn)調度把調度范圍分成許許多多等長度的時間段民航維修作業(yè)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函數(shù)的調度問題一個經(jīng)典的調度問題7/23/2022不確定性生產(chǎn)調度問題生產(chǎn)系統(tǒng)的不確定