生產(chǎn)調(diào)度及優(yōu)化方法講義綜述21

生產(chǎn)調(diào)度方方法綜述2011.6.8提綱生產(chǎn)調(diào)調(diào)度的的定義調(diào)度理論的的起源源和發(fā)發(fā)展生產(chǎn)計計劃與與生產(chǎn)產(chǎn)調(diào)度度系統(tǒng)生產(chǎn)調(diào)調(diào)度系系統(tǒng)的的功能生產(chǎn)調(diào)調(diào)度問問題特特點：：兩類車車間調(diào)調(diào)度類類型流水車車間調(diào)調(diào)度問問題的簡化模型啟發(fā)式式方法法簡介結合啟啟發(fā)式式算法法的改改進遺遺傳算算法生產(chǎn)調(diào)調(diào)度的的定義義產(chǎn)生背背景：：隨著用戶對對產(chǎn)品品需求求的快快速變變化,以及市市場競競爭的的日趨趨激烈烈,現(xiàn)代制制造企企業(yè)需需要進進行多多品種種、小小批批量生生產(chǎn),這種生生產(chǎn)方方式使使生產(chǎn)產(chǎn)的計計劃、、組組織和和控制制變得得更加加復雜雜,另外要要求企企業(yè)對對生產(chǎn)產(chǎn)過程程中所所出現(xiàn)現(xiàn)的各各種信信息進進行及及時反反饋和和處理理,因此,生產(chǎn)調(diào)調(diào)度問問題作作為生生產(chǎn)管管理系系統(tǒng)的的核心心內(nèi)容容和關關鍵問問題,其研究究具有有重要要的理理論和和實用用價值值。調(diào)度的的定義義：所謂調(diào)調(diào)度,就是為為了實實現(xiàn)某某一目目的而而對共共同使使用的的資源源進行行時間間上的的分配配。從從數(shù)學學規(guī)劃劃的角角度來來說,生產(chǎn)調(diào)調(diào)度問問題可可表述述為在在等式式或不不等式式約束束下,對目標標函數(shù)數(shù)所進進行的的優(yōu)化化。調(diào)度理理論的的起源源和發(fā)發(fā)展從上個個世紀紀50年代起起,調(diào)度問問題的的研究究就受受到應應用數(shù)數(shù)學、、運運籌學學、工工程程技術術等領領域科科學家家的重重視,科學家家們利利用運運籌學學中的的線性性規(guī)劃劃、整整數(shù)數(shù)規(guī)劃劃、目目標標規(guī)劃劃、動動態(tài)態(tài)規(guī)劃劃及決決策分分析方方法,研究并并解決決了一一系列列有代代表意意義的的調(diào)度度和優(yōu)優(yōu)化問題20世紀70年代,人們開開始注注意并并重視視調(diào)度度復雜雜性問問題的的研究究,提出了了用于于研究究算法法有效效性和和問題題難度度的計計算復復雜度度理論論,許多調(diào)調(diào)度問問題被被證明明NP完全問題（非多多項式式確定定問題題），，計算算復雜雜。70年代后后，經(jīng)經(jīng)典調(diào)調(diào)度理理論得得到發(fā)發(fā)展并并作為為了一一門基基本成成熟的的應用用數(shù)學學學科科。但但是實實際調(diào)調(diào)度問問題與與經(jīng)典典調(diào)度度問題題還有有相當當?shù)木嗑嚯x。調(diào)度理理論的的起源源和發(fā)發(fā)展實際調(diào)度問問題往往往都都是非非常復復雜的的,沒有確確定的的物理理和自自然規(guī)規(guī)律可可循,因此是是非常常難解解的,并且大大多是是沒有有精確確解的的。因因此,僅僅依依靠經(jīng)經(jīng)典調(diào)調(diào)度理理論中中基于于解析析優(yōu)化化的技技術和和方法法,試圖解解決屬屬于NP完全問問題的的實際際調(diào)度度問題題,不可避避免地地會遇遇到難難以逾逾越的的障礙礙。從20世紀80年代初初開始始,人們就就一直直在嘗嘗試并并致力力于解解決實實際調(diào)調(diào)度問問題,調(diào)度研研究由由理論論研究究轉(zhuǎn)向向應用用研究究階段段。在在這樣樣的歷歷史背背景下下,應用人人工智智能、、計計算智智能和和實時時智能能研究究成果果,解決實實際調(diào)調(diào)度問問題的的智能能調(diào)度度方法法就走走上了了歷史史的舞舞臺。。智能能調(diào)度度方法法和基基于反反饋控控制的的實時時調(diào)度度理論論和方方法為為解決決實際際調(diào)度度問題題展示示了光光明的的前景景。生產(chǎn)計計劃與與生產(chǎn)產(chǎn)調(diào)度的的區(qū)別和和聯(lián)系系生產(chǎn)計劃（（ProductionPlanning）系統(tǒng)：：是以以企業(yè)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)經(jīng)營營活動動為主主要依依據(jù)，，根據(jù)據(jù)產(chǎn)品品的市市場需需求、、原料料供應應情況況、企企業(yè)的的生產(chǎn)產(chǎn)能力力、裝裝置的的檢修修情況況，綜綜合考考慮企企業(yè)的的管理理成本本以及及生產(chǎn)產(chǎn)過程程中成成品、、半成成品的的成本本，利利用物物料平平衡、、物料料物性性數(shù)據(jù)據(jù)等進進行平平衡分分析，，根據(jù)據(jù)不同同的生生產(chǎn)狀狀態(tài)和和計劃劃類型型模型型，運運用優(yōu)優(yōu)化方方法對對企業(yè)業(yè)的生生產(chǎn)經(jīng)經(jīng)營進進行優(yōu)優(yōu)化設設計，，輔助助計劃劃人員員完年年度、、季度度、月月度計計劃編編制，，為企企業(yè)決決策者者提供供相關關預測測和決決策信信息，，卻把把企業(yè)業(yè)利潤潤最大大。與生產(chǎn)產(chǎn)經(jīng)營營活動動為中中心的的因素素：原原料供供應、、產(chǎn)能能、市市場需需求、、生產(chǎn)產(chǎn)設備備狀態(tài)態(tài)等；；以產(chǎn)銷銷平衡衡為核核心；；以利潤潤企業(yè)業(yè)利潤潤最大大化和和完成成中長長期目目標為為最終終目標標；生產(chǎn)計計劃與與生產(chǎn)產(chǎn)調(diào)度的的區(qū)別和和聯(lián)系系生產(chǎn)調(diào)調(diào)度（（ProductionScheduling）系統(tǒng)統(tǒng)：在在滿足足裝置置設備備和工工藝要要求的的條件件下，，根據(jù)據(jù)市場場的需需求，，合理理的、、最佳佳地安安排與與組織織生產(chǎn)產(chǎn)過程程，以以提高高過程程系統(tǒng)統(tǒng)的操操作最最優(yōu)性性，為為企業(yè)業(yè)帶來來現(xiàn)出出的經(jīng)經(jīng)濟效效益。內(nèi)容包括：：產(chǎn)品的的生產(chǎn)產(chǎn)批次次數(shù)和和每批批的量量；使用的的生產(chǎn)產(chǎn)線；；產(chǎn)品的的生產(chǎn)產(chǎn)順序序和時時間安安排；；原料供供應、、水、、電、、氣、、汽、、冷、、人力力等資資源保保障和和限制制；生產(chǎn)計計劃與與生產(chǎn)產(chǎn)調(diào)度的的區(qū)別和和聯(lián)系系生產(chǎn)調(diào)度系系統(tǒng)的的特點點：時間：：它將將長期期生產(chǎn)產(chǎn)計劃劃分解解為短短期計計劃并并執(zhí)行行，例例如2天、5天，這這可以以大大大降低低問題題的復復雜性性；任務：：生產(chǎn)產(chǎn)安排排和資資源分分配———涉涉及到到實際際生產(chǎn)產(chǎn)環(huán)境境的各各種約約束；核心心：：生生產(chǎn)產(chǎn)裝裝置置的的分分配配利利用用和和物物料料平平衡衡；目標標：：以以最最少少的的消消耗耗保保質(zhì)質(zhì)保保量量地地完完成成生生產(chǎn)產(chǎn)計計劃劃；；生產(chǎn)產(chǎn)計計劃劃與與生生產(chǎn)產(chǎn)調(diào)度度的的區(qū)別別和和聯(lián)聯(lián)系系生產(chǎn)產(chǎn)調(diào)度度的的動態(tài)態(tài)性性原材材料料供供應應延延誤誤；產(chǎn)品品交貨貨期期變變化化；能源源供應應不不足足；設備備出現(xiàn)現(xiàn)異異常常；市場場需求求波波動動；產(chǎn)品品運輸輸因因素素；；economicdecisionenterprisemanagementproductionschedulingprocessoptimizationprocesscontrol 過程控制、過程優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度、企業(yè)管理和經(jīng)濟決策五層結構的綜合自動化系統(tǒng)

(TheodoreJ.Williams,1989) 企業(yè)資源計劃（ERP）/制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）/過程控制系統(tǒng)（PCS）三層結構的自動化系統(tǒng)

(柴天佑,2003)ERP(EnterpriseResourcePlanning)PCS(ProcessControlSystem)MES(ManufacturingExecutionSystem)生產(chǎn)產(chǎn)調(diào)調(diào)度度系系統(tǒng)統(tǒng)的的功功能能生產(chǎn)產(chǎn)計劃劃的的分分解解：：將將生生產(chǎn)產(chǎn)計計劃劃合合理理分分解解，，并并編編制制成成便便于于執(zhí)執(zhí)行行的的短短期期計計劃劃。。靜態(tài)態(tài)計計劃劃分分解解；；在在正正常常的的生生產(chǎn)產(chǎn)條條件件下下（（生生產(chǎn)產(chǎn)設設備備狀狀態(tài)態(tài)正正常常，，生生產(chǎn)產(chǎn)要要素素供供應應正正常常、、產(chǎn)產(chǎn)品品儲儲存存物物流流銷銷售售正正常常）），，可可以以根根據(jù)據(jù)選選定定的的目目標標函函數(shù)數(shù)進進行行分分解解；；動態(tài)態(tài)計計劃劃分分解解：：又又稱稱滾滾動動計計劃劃。。指指在在生生產(chǎn)產(chǎn)要要素素存存在在擾擾動動的的情情況況下下，，遵遵循循月月生生產(chǎn)產(chǎn)計計劃劃，，在在生生產(chǎn)產(chǎn)信信息息在在線線反反饋饋的的基基礎礎上上，，以以生生產(chǎn)產(chǎn)裝裝置置出出力力最最大大、、以以銷銷定定產(chǎn)產(chǎn)、、穩(wěn)穩(wěn)定定滿滿負負荷荷生生產(chǎn)產(chǎn)等等為為分分解解原原則則，，將將計計劃劃分分解解成成2日或或5日不不等等的的滾滾動動作作業(yè)業(yè)計計劃劃。實時時監(jiān)監(jiān)督督：：通通過過數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)采采集集系系統(tǒng)統(tǒng)（（SCADA）、、DSC系統(tǒng)統(tǒng)，，將將生生產(chǎn)產(chǎn)流流程程中中各各個個控控制制變變量量、、操操作作變變量量的的實實時時測測量量值值，，生生產(chǎn)產(chǎn)設設備備的的狀狀態(tài)態(tài)等等信信息息收收集集并并存存儲儲。。以以供供調(diào)調(diào)度度人人員員實實時時查查看看和和調(diào)調(diào)度度系系統(tǒng)統(tǒng)動動態(tài)態(tài)調(diào)調(diào)度度使使用用。。生產(chǎn)產(chǎn)調(diào)調(diào)度度系系統(tǒng)統(tǒng)的的功功能能平衡衡協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)：：平平衡衡協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)好好各各項項生生產(chǎn)產(chǎn)經(jīng)經(jīng)營營活活動動，，保保障障生生產(chǎn)產(chǎn)過過程程的的連連續(xù)續(xù)平平穩(wěn)穩(wěn)和和經(jīng)經(jīng)濟濟性性，，有有效效地地實實現(xiàn)現(xiàn)企企業(yè)業(yè)的的目目標標。。外部部協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)：：重重點點協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)產(chǎn)產(chǎn)、、供供、、銷銷、、運運的的活活動動，，保保障障產(chǎn)產(chǎn)供供銷銷三三者者的的平平衡衡。。內(nèi)部部協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)：：生生產(chǎn)產(chǎn)過過程程內(nèi)內(nèi)部部協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)配配合合，，以以保保證證各各個個生生產(chǎn)產(chǎn)階階段段、、各各個個裝裝置置之之間間的的物物料料平平衡衡，，使使物物料料流流在在流流動動過過程程中中相相互互銜銜接接。。同同時時，，維維持持公公用用工工程程中中水水電電汽汽風風的的供供需需平平衡衡。動態(tài)態(tài)調(diào)調(diào)度度：：在在生生產(chǎn)產(chǎn)發(fā)發(fā)生生為為預預期期事事件件，，使使實實際際進進度度和和調(diào)調(diào)度度進進度度表表不不符符時時，，對對原原調(diào)調(diào)度度進進行行修修改改、、調(diào)調(diào)整整，，以以維維持持生生產(chǎn)產(chǎn)性性能能最最優(yōu)優(yōu)的的任任務務。統(tǒng)計計報報表表生產(chǎn)產(chǎn)調(diào)調(diào)度度系系統(tǒng)統(tǒng)的的功功能能平衡衡協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)：：平平衡衡協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)好好各各項項生生產(chǎn)產(chǎn)經(jīng)經(jīng)營營活活動動，，保保障障生生產(chǎn)產(chǎn)過過程程的的連連續(xù)續(xù)平平穩(wěn)穩(wěn)和和經(jīng)經(jīng)濟濟性性，，有有效效地地實實現(xiàn)現(xiàn)企企業(yè)業(yè)的的目目標標。。外部部協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)：：重重點點協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)產(chǎn)產(chǎn)、、供供、、銷銷、、運運的的活活動動，，保保障障產(chǎn)產(chǎn)供供銷銷三三者者的的平平衡衡。。內(nèi)部部協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)：：生生產(chǎn)產(chǎn)過過程程內(nèi)內(nèi)部部協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)配配合合，，以以保保證證各各個個生生產(chǎn)產(chǎn)階階段段、、各各個個裝裝置置之之間間的的物物料料平平衡衡，，使使物物料料流流在在流流動動過過程程中中相相互互銜銜接接。。同同時時，，維維持持公公用用工工程程中中水水電電汽汽風風的的供供需需平平衡衡。動態(tài)態(tài)調(diào)調(diào)度度：：在在生生產(chǎn)產(chǎn)發(fā)發(fā)生生為為預預期期事事件件，，使使實實際際進進度度和和調(diào)調(diào)度度進進度度表表不不符符時時，，對對原原調(diào)調(diào)度度進進行行修修改改、、調(diào)調(diào)整整，，以以維維持持生生產(chǎn)產(chǎn)性性能能最最優(yōu)優(yōu)的的任任務務。統(tǒng)計計報報表表生產(chǎn)產(chǎn)調(diào)調(diào)度度系系統(tǒng)統(tǒng)的的功功能能流水水車車間間調(diào)調(diào)度度問問題題（（Flow-ShopschedulingproblemFSP）一般般可可以以描描述述為為：：N個工工件件在在m臺機機器器上上加加工工；；一個個工工件件分分為為k道工工序序，，每每道道工工序序要要求求不不同同的的機機器器加加工工。。N個工工件件在在m臺機機器器上上價價格格順順序序相相同同，，工工件件i在機機器器j上的的加加工工時時間間是是給給定定的的，，設設為為Tij。調(diào)度度問問題題的的目目標標函函數(shù)數(shù)是是求求N個工工件件的的最最優(yōu)優(yōu)加加工工順順序序，，使使加加工工時時間間最最小小。簡言之，，不同的的產(chǎn)品在在多臺設設備上加加工流程程固定。。生產(chǎn)調(diào)度度系統(tǒng)的的功能作業(yè)車間間調(diào)度問問題（Job-shopSchedulingProblemJSP）一般可以描述述為：給定一個個工件的的集合和和一個機機器的集集合；一每個工件件包括多多道工序序，每道道工序需需要在一一臺給定定的機器器上非間間斷的加加工一段段時間；；每臺機器器一次最最多只能能加工一一道工序序；調(diào)度就是是把工序序分配給給機器上上某個時時間段。目標函數(shù)數(shù)是找到最最優(yōu)的調(diào)調(diào)度，使使加工時時間最小小。流水車間間調(diào)度問問題的簡化模型建立調(diào)度模型型流水車車間調(diào)度度問題一一般可以以如下描描述:n個工件要要在m臺機器上上加工；每個工件件需要經(jīng)經(jīng)過m道工序，，每道道工序要要求不同同的機器來完成；n個工件在在m臺機器上上加工的的順序相相同；工件i在機器m上的加工工時間是是給定的的，設為為tij(i=1,2……n，j=1,2……m)；問題的目目標是確確定n個工件在在每臺機機器上的