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    復(fù)合工藝流程下批量生產(chǎn)車間調(diào)度多目標(biāo)優(yōu)化

    2011-09-07 09:01:08王勇智
    中國機(jī)械工程 2011年2期
    關(guān)鍵詞:批量工藝流程染色體

    曾 強(qiáng) 楊 育 王勇智 程 博

    1.重慶大學(xué)機(jī)械傳動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶,400030 2.河南理工大學(xué),焦作,454000 3.重慶紅江機(jī)械有限責(zé)任公司,重慶,402100

    0 引言

    我國的多品種、中小批量生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)中,部分產(chǎn)品存在復(fù)合工藝流程。復(fù)合工藝流程是指同一種產(chǎn)品存在多個工藝流程,各個工藝流程的工序數(shù)可能相同也可能不同,工藝流程之間可相互替代,但不同的工藝流程所消耗的設(shè)備資源及生產(chǎn)效率存在差異。產(chǎn)生復(fù)合工藝流程的主要原因有兩個:①大多數(shù)車間普遍存在普通設(shè)備與數(shù)控設(shè)備共存、功能不一的數(shù)控設(shè)備共存、數(shù)控設(shè)備與加工中心共存的現(xiàn)狀[1],為充分利用設(shè)備資源,同一產(chǎn)品可能需按不同的工藝流程加工;②企業(yè)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn),某些產(chǎn)品存在新舊工藝流程并存現(xiàn)象。學(xué)者已對傳統(tǒng)的作業(yè)車間調(diào)度問題(Job Shop scheduling problem,JSP)和柔性作業(yè)車間調(diào)度問題(flexible Job Shop scheduling problem,F(xiàn)JSP)進(jìn)行了大量的研究并取得了豐富的成果。但是,傳統(tǒng)JSP和FJSP解決方案已不能解決復(fù)合工藝流程下批量生產(chǎn)車間調(diào)度問題。主要原因有兩個:其一是傳統(tǒng)JSP和 FJSP[2-5]針對的是單工藝流程而非復(fù)合工藝流程,具有復(fù)合工藝流程的車間調(diào)度問題是在傳統(tǒng)的JSP或FJSP基礎(chǔ)上增加了工藝流程合理選取的問題,比傳統(tǒng)的JSP或FJSP更復(fù)雜。其二是傳統(tǒng)的JSP和FJSP針對單件調(diào)度問題[5-8]或近似將批量車間調(diào)度問題視為單件調(diào)度問題,直接采用傳統(tǒng)的JSP或FJSP解決方法對批量車間調(diào)度問題進(jìn)行處理的方式不夠精細(xì),不利于生產(chǎn)效率的提升。文獻(xiàn)[2-4,9-11]的研究表明,對于批量生產(chǎn)車間調(diào)度問題,通過將工序總時間區(qū)分為批量啟動時間和工序加工時間,并將產(chǎn)品進(jìn)行合理分批能取得較好的調(diào)度效果。

    按各工序是否具有可選加工設(shè)備分類,復(fù)合工藝流程下批量生產(chǎn)車間調(diào)度主要有兩個研究方向:復(fù)合工藝流程下作業(yè)車間調(diào)度問題(Job Shop scheduling problem with multiple process flows,MPF-JSP)和復(fù)合工藝流程下柔性作業(yè)車間調(diào)度問題(flexible Job Shop scheduling problem with multiple process flows,MPF-FJSP)。本文針對MPF-JSP,建立了一類復(fù)合工藝流程下批量生產(chǎn)作業(yè)車間多目標(biāo)優(yōu)化模型。在此基礎(chǔ)上,提出并設(shè)計(jì)了一種復(fù)合工藝流程下作業(yè)車間調(diào)度多目標(biāo)優(yōu)化方法。

    1 多目標(biāo)優(yōu)化模型

    1.1 問題描述

    車間需在M臺設(shè)備上對N種按批量方式生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度,同一種產(chǎn)品的工藝流程不唯一,其不同工藝流程的工序數(shù)可不同。假設(shè):①產(chǎn)品按等量分批原則分批;②工序在設(shè)備k上的加工時間確定,加工批次的裝卸時間算在加工時間內(nèi);③批量啟動時間已知;④ 加工批次的搬運(yùn)時間不計(jì);⑤ 加工批次之間具有相同的優(yōu)先級;⑥加工批次一旦開始不可中斷;⑦ 加工是非搶占式的。要求:在以上假設(shè)條件下進(jìn)行工藝流程的合理選擇和加工順序的合理安排,在滿足一定約束條件下同時使多個性能指標(biāo)最優(yōu)。為滿足假設(shè)條件①需保證下式成立:

    其中,Qn、Bn、Ln分別為產(chǎn)品n的生產(chǎn)量、加工批次數(shù)量和加工批量;Ln取Qn的約數(shù)。

    1.2 優(yōu)化模型

    生產(chǎn)車間調(diào)度最關(guān)注的目標(biāo)主要有三類:時間、成本、質(zhì)量。復(fù)合工藝流程下的批量生產(chǎn)作業(yè)車間調(diào)度,因工藝流程可選,故不同工藝流程下各工序所用設(shè)備可能不同,批量啟動時間及批量啟動成本、加工時間及加工成本相應(yīng)發(fā)生變化;同時,不同加工順序會影響完工時間和制造成本。假定采用不同的工藝流程都需保證加工質(zhì)量一致,因此,本文以完工時間、制造成本兩個性能指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo),建立批量生產(chǎn)作業(yè)車間調(diào)度多目標(biāo)優(yōu)化模型。

    式中,te為全部產(chǎn)品完工時刻;Cm為總制造成本;H 為加工批次總數(shù)

    式(2)表示最大完工時間最小化,式(3)表示制造成本最小化。

    約束條件:

    式中,Sirjk、Eirjk分別為Ji工藝流程r的工序j在設(shè)備k上的開始時刻和完成時刻;Rir1jdr2gk為標(biāo)志變量,d=1,2,…,H;g=1,2,…,Nod;若Ji的工藝流程r1的工序j和Jd的工藝流程r2的工序g在同一臺設(shè)備k上加工且工序j先于工序g,則Rir1jdr2gk為1,否則為0;Ld為加工批次Jd的加工批量。

    式(4)表示若Ji上道工序與下道工序所用設(shè)備不同,則上道工序完工后才能開始下道工序加工,但可以提前進(jìn)行準(zhǔn)備使上道工序完工后可立即開始加工;式(5)表示若Ji上道工序與下道工序所用設(shè)備相同,則Ji下道工序必須在Ji完工后才能開始準(zhǔn)備;式(6)表示同一臺設(shè)備k不能同時加工兩個工序;式(7)表示任意工序的完工時間與開始時間之差不能小于其所需時間。

    2 算法設(shè)計(jì)

    2.1 定義對象

    為便于處理復(fù)雜的實(shí)體邏輯關(guān)系,提高程序設(shè)計(jì)的可讀性、計(jì)算效率、可擴(kuò)展性,引入面向?qū)ο蠹夹g(shù)到算法整個設(shè)計(jì)過程中。本文共定義了加工設(shè)備對象、加工批次對象和染色體對象共三類對象,如圖1所示。

    各對象之間的邏輯關(guān)系如下:①各對象從數(shù)據(jù)源獲取原始信息;②染體色對象CHR(f)根據(jù)J(i).Np生成合法的工藝流程編碼賦給PFORDER屬 性;③CHR(f)根 據(jù) J(i).PF(PFORDER(i)).No,生成合法的加工順序編碼賦給JORDER屬性;

    圖1 對象定義

    ④CHR(f)根據(jù)其 PFORDER、JORDER、MACH(k).FREE 及J(i).PF(PFORDER(i)).OPR解碼得調(diào)度矩陣R;⑤CHR(f)根據(jù)調(diào)度矩陣R計(jì)算目標(biāo)向量O。

    2.2 計(jì)算流程

    基于Pareto尋優(yōu)思想,提出并設(shè)計(jì)了改進(jìn)的快速非支配排序遺傳(NSGA-Ⅱ)算法以求解上述多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型。算法總體計(jì)算流程[12-13]如圖2所示。

    圖2 算法流程圖

    2.3 編碼操作

    復(fù)合工藝流程下批量生產(chǎn)作業(yè)車間調(diào)度問題包括兩個子問題:工藝流程的選擇和加工順序的安排。根據(jù)這個特點(diǎn),采用分段編碼,即對各加工批次的工藝流程號和加工順序分別編碼。因引入了面向?qū)ο蠹夹g(shù),可將兩個編碼分別賦予染色體對象CHR(f)的PFORDER和JORDER屬性。

    式(8)所示的PFORDER編碼表示加工批次J1、J2、…、JH-1、JH分別選用工藝流程2、1、…、1、2。

    JORDER采用基于工序的編碼方式,由Not個自然數(shù)組成,Not的值由式(10)計(jì)算。加工批次號i出現(xiàn)J(i).PF(PFORDER(i)).No次。例如,式(9)的JORDER中的3個1分別代表加工批次J1的工序1、2、3,依此類推。這種編碼方式自然保證JORDER編碼可行且其任意排列總能產(chǎn)生可行加工順序??梢?,各工藝流程下工序數(shù)不同可導(dǎo)致JORDER為變長結(jié)構(gòu)。

    2.4 種群初始化

    設(shè)種群規(guī)模為Psize,則按如下步驟產(chǎn)生Psize個染色體,完成種群初始化操作。

    (1)令f=1;

    (2)初始化 CHR(f).PFORDER。 對PFORDER每一基因位i,隨機(jī)產(chǎn)生一個1~J(i).Np的自然數(shù)賦給PFORDER(i);

    (3)按式(10)計(jì)算CHR(f)的工序總數(shù)Not;

    (4)產(chǎn)生一長度為CHR(f).Not的零向量賦給CHR(f).JORDER;

    (5)按如下的偽代碼給CHR(f).JORDER賦值:

    for p=1to H-1

    在 CHR(f).JORDER中隨機(jī)尋找J(i).PF(PFORDER(i)).No個為0的位置,并將此位置的值賦為iNext

    將CHR(f).JORDER中剩余為0的位置賦為H

    (6)令f←f+1;

    (7)若f≤Psize,則轉(zhuǎn)步驟(2),否則種群初始化結(jié)束。

    2.5 非支配排序

    非支配排序的目的是計(jì)算種群中各染色體的前沿值Ra。將所有染色體進(jìn)行分層,具體過程如下:找出當(dāng)前種群中不被任何其他染色體支配的染色體,這些染色體的集合為第1級非支配染色體集,令Ra=1;將第1級非支配集中的染色體從當(dāng)前種群中去除,然后從剩余染色體中找出非支配染色體集,令Ra=2;依此類推,直到種群中所有染色體的前沿值確定為止。

    2.6 擁擠度計(jì)算

    為增強(qiáng)種群的多樣性,引入染色體擁擠度Cd的概念。CHR(f).Cd反映了該染色體周圍(同一級)相似染色體的數(shù)量,其計(jì)算公式為

    式中,m為優(yōu)化目標(biāo)數(shù);fq(f)為CHR(f)的第q個目標(biāo)值;maxfq、minfq分別為某一前沿面上所有染色體第q個目標(biāo)的最大值和最小值。

    從式(11)可見,擁擠度CHR(f).Cd越大,說明CHR(f)周圍的點(diǎn)越稀疏,進(jìn)化過程中應(yīng)給以較大的生存概率以保證種群多樣性。

    2.7 遺傳操作

    2.7.1 選擇操作

    選擇操作采用二元聯(lián)賽機(jī)制,每次從父代種群中隨機(jī)選擇2個染色體,若二者的Ra不相等,則選擇Ra小的染色體,若二者相等,則選擇擁擠度大的染色體,將選中的染色體加入配對池POOLPOP,另一個舍棄,直到達(dá)到規(guī)模Psize/2為止。

    2.7.2 交叉操作

    因PFORDER為定長結(jié)構(gòu),JORDER為變長結(jié)構(gòu),故規(guī)定交叉操作只對PFORDER進(jìn)行。由于PFORDER交叉后,相應(yīng)加工批次Ji的工序數(shù)可能發(fā)生變化,因此需對JORDER進(jìn)行修復(fù)。

    如圖3所示,采用兩點(diǎn)交叉法,隨機(jī)產(chǎn)生1~H 的自然數(shù)C1和C2并使C1≤C2,將PFORDER1與PFORDER2的C1~C2之間對應(yīng)的基因值進(jìn)行對換。根據(jù)PFORDER1的C1~C2之間每一個基因值的變化情況,按如圖4所示的流程對JORDER1進(jìn)行修復(fù)。同理,根據(jù)PFORDER2對JORDER2進(jìn)行修復(fù)。

    圖3 PFORDER交叉操作示意圖

    2.7.3 變異操作

    變異操作采用分段方式進(jìn)行,包括PFORDER的變異和JORDER的變異。變異的原則是兩者分別獨(dú)立變異,即PFORDER變異則JORDER不變異,JORDER變異則PFORDER不變異。

    對PFORDER的變異采用單點(diǎn)變異,隨機(jī)產(chǎn)生一個自然數(shù)i(i=1,2,…,H)代表要變異的基因座,再隨機(jī)產(chǎn)生一個自然數(shù)a(a=1,2,…,J(i).Np)代表變異后的工藝流程號,用a取代PFORDER(i),再利用與圖4相似的原則對JORDER進(jìn)行修復(fù)。

    圖4 JORDER修復(fù)流程

    對JORDER的變異操作設(shè)計(jì)了兩種:逆序變異和兩點(diǎn)交換變異。將兩種變異方式相結(jié)合有利于增強(qiáng)種群多樣性和尋優(yōu)能力。采用這兩種變異方式可保證變異后的JORDER仍然可行,不必進(jìn)行修復(fù)。

    2.8 解碼操作

    為充分提高生產(chǎn)率,在算法中采用3種精細(xì)化調(diào)度技術(shù)來減少設(shè)備空閑時間。第一,將工序總時間區(qū)分為批量啟動時間和工序加工時間,使下道工序可以提前準(zhǔn)備,一旦上道工序加工完畢可立即開始加工下道工序[2,9];第二,若將同一產(chǎn)品不同加工批次的同一工序前后安排在同一臺設(shè)備上,則后一道工序省去批量啟動時間及批量啟動成本;第三,對工序采用“間隙擠壓法”[8]進(jìn)行“插入式”安排以產(chǎn)生活動化調(diào)度。整個調(diào)度算法的原理如圖5所示,其中白色方框代表已安排的時間段,黑色方框、條紋方框分別代表當(dāng)前待安排工序的批量啟動時間段和加工時間段,F(xiàn)yb為設(shè)備k的第y空閑時間段的起始時間,F(xiàn)ye為設(shè)備k的第y空閑時間段的結(jié)束時間,其值需根據(jù)圖6流程進(jìn)行修正。

    圖5 解碼示意圖

    圖6 Fye值修正流程圖

    解碼過程如下:

    (1)從加工順序編碼JORDER中取出下一道待安排工序,設(shè)為Ji的工藝流程r的第j道工序,加工設(shè)備為k。

    (2)對設(shè)備k的每一空閑時間段,按式(12)從左向右依次尋找待安排工序的可插入位置,一旦找到則退出尋找過程。

    ①批量啟動時間Stirjk按如下原則確定。若設(shè)備k第y空閑時間段前面的工序與待安排工序?qū)儆谕划a(chǎn)品不同加工批次的同一個工序,則Stirjk=0;否則Stirjk取待安排工序在設(shè)備k上的批量啟動時間。②工序最早允許開始時間u按如下原則確定。若j=1,則u=Sir1k;若j>1,令j-1工序所用設(shè)備為m,分兩種情況處理:若k=m(圖5b),則令u=Eir(j-1)m;否則(圖5c)令u=Eir(j-1)m-Sirlk。

    (3)將待安排工序安排在所找到的y空閑時間段內(nèi),則其起始時間為 max(u,F(xiàn)yb),結(jié)束時間為 max(u,F(xiàn)yb)+Stirjk+CtirjkLi。

    (4)根據(jù)flag值修正y空閑間段后道工序的批量啟動時間、批量啟動時刻。

    (5)更新設(shè)備k的空閑時間表MACH(k).FREE。

    2.9 目標(biāo)值計(jì)算及終止條件

    根據(jù)解碼得到的調(diào)度矩陣R計(jì)算該調(diào)度方案對應(yīng)的目標(biāo)值,包括最大完工時間te和制造成本Cm。采用基于最大迭代次數(shù)的終止方式,即當(dāng)?shù)螖?shù)超過最大迭代次數(shù)Nmax時退出進(jìn)化過程。

    3 實(shí)例分析

    為驗(yàn)證本文方法的有效性,以MATLAB 2007為編程環(huán)境實(shí)現(xiàn)了上述算法,并將其在某船舶零配件企業(yè)金屬加工車間生產(chǎn)調(diào)度中進(jìn)行應(yīng)用。該車間在某調(diào)度周期內(nèi)要在7臺設(shè)備(車床M1、立式銑床M2、磨床M3、臥式銑床 M4、立式加工中心M5、臥式加工中心M6、搖臂鉆M7)上安排4種產(chǎn)品(P1、P2、P3、P4)的生產(chǎn),各產(chǎn)品均存在2個工藝流程,編號為1、2,生產(chǎn)量均為200件。產(chǎn)品工藝參數(shù)如表1所示,表1中產(chǎn)品P1第一行工序1對應(yīng)的向量(1,8,30,50,40)分別表示P1的工藝流程1的工序1在設(shè)備1上加工,單件加工時間為8min,批量啟動時間為30min,加工費(fèi)率為50元/h,批量啟動費(fèi)率為40元/h,以次類推。取最大迭代次數(shù)Nmax為200,種群規(guī)劃Psize為50。

    表1 工藝參數(shù)

    3.1 復(fù)合工藝流程與單一工藝流程的對比

    固定加工批量向量L=(100,100,100,100),它表示J1~J4對應(yīng)的加工批量均為100件,對工藝流程1、工藝流程2和復(fù)合工藝流程分別進(jìn)行優(yōu)化,得到的Pareto最優(yōu)解集如圖7所示,圖8~圖10是各工藝流程下某調(diào)度方案對應(yīng)的設(shè)備甘特圖。

    圖7 單一工藝流程與復(fù)合工藝流程下的Pareto解集

    圖8 工藝流程1下A方案設(shè)備甘特圖

    圖9 工藝流程2下C方案設(shè)備甘特圖

    實(shí)例分析可知:

    (1)由圖7和圖8可見,工藝流程1下得到了多個Pareto解,但分布過于集中,生產(chǎn)排產(chǎn)柔性不足;在工藝流程1下,4種產(chǎn)品用到了一般數(shù)控設(shè)備1、2、3、4、7,制造成本較低,但因加工時間長,使得完工時間較長。

    圖10 復(fù)合工藝流程下B方案設(shè)備甘特圖

    (2)由圖7和圖9可見,工藝流程2下只得到了一個Pareto解,說明生產(chǎn)排產(chǎn)柔性很差;在工藝流程2下,4種產(chǎn)品用到了設(shè)備1、2、5、6、7,其中設(shè)備5、6為加工中心,制造成本高,但它們能獨(dú)自完成原來由幾臺一般數(shù)控設(shè)備才能完成的多道工序,同時因加工中心加工速度快,使完工時間短于工藝流程1。

    (3)由圖7和圖10可見,復(fù)合工藝流程下得到了多個Pareto解且解的個數(shù)較多、分布較均勻,生產(chǎn)排產(chǎn)柔性很強(qiáng);在復(fù)合工藝流程下,一般數(shù)控設(shè)備與加工中心相結(jié)合,通過將產(chǎn)品分成多個加工批次,在數(shù)控設(shè)備和加工中心之間進(jìn)行負(fù)荷均衡分配,使完工時間較短,制造成本位于單一工藝流程1和工藝流程2的制造成本之間。

    3.2 復(fù)合工藝流程下不同加工批量對比

    取復(fù)合工藝流程,以4種不同的加工批量方案分別進(jìn)行優(yōu)化:①加工批量向量L=(200,200,200,200),②加工批量向量L=(100,100,100,100),③加工批量向量L=(50,50,50,50),④加工批量向量L=(20,20,20,20),得到的 Pareto最優(yōu)解集如圖11所示。

    實(shí)例分析可知:

    (1)在一定的范圍內(nèi),隨著加工批量的減小,Pareto解集向“左下”方向平移,說明調(diào)度解整體優(yōu)化;

    (2)當(dāng)加工批量減小到一定幅度后再繼續(xù)減小加工批量,Pareto解集向“右上”平移,說明調(diào)度解整體發(fā)生了惡化。

    產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因是:加工批量過大時,單個加工批次的加工時間較長,下道工序開工較晚,設(shè)備等待時間較長;進(jìn)行工序插入式安排時可使空閑時間段減少,設(shè)備“時間碎片”增多,延長了完工時間;加工批次過少,生產(chǎn)排產(chǎn)柔性差,設(shè)備難以得到均衡利用。反之,隨著加工批量的減小,加工批次增多,單個加工批次的加工時間縮短、生產(chǎn)排產(chǎn)柔性增強(qiáng),調(diào)度效果逐步得到改善;加工批量減小時,加工批次的增多導(dǎo)致加工批次的批量啟動時間所占比例逐漸增大,批量啟動成本也逐漸增加;加工批量過小時,批量啟動時間所占比例及批量啟動成本均大大增加,整體上表現(xiàn)出調(diào)度解的質(zhì)量發(fā)生惡化。因此,可以推測,理論上存在一個最優(yōu)的加工批量方案使得完工時間和生產(chǎn)成本綜合效果最佳。然而,問題的“組合爆炸”特點(diǎn)使得這個最優(yōu)方案的時間成本相當(dāng)高,甚至缺乏時效性。

    圖11 Pareto解集

    4 結(jié)論

    (1)復(fù)合工藝流程下批量生產(chǎn)車間調(diào)度多目標(biāo)優(yōu)化方法能有效解決復(fù)合工藝流程下的批量生產(chǎn)作業(yè)車間多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度問題,幫助調(diào)度人員尋找滿意調(diào)度方案。

    (2)復(fù)合工藝流程下通過分批將產(chǎn)品不同加工批次按不同的工藝流程進(jìn)行加工,可達(dá)到均衡設(shè)備負(fù)荷的目的,使批量生產(chǎn)作業(yè)車間多目標(biāo)調(diào)度優(yōu)化效果明顯優(yōu)于單一工藝流程下優(yōu)化效果。

    (3)加工批量大小對復(fù)合工藝流程下批量生產(chǎn)作業(yè)車間多目標(biāo)調(diào)度效果具有顯著影響,理論上存在最優(yōu)的加工批量方案使調(diào)度效果最佳,但準(zhǔn)確確定最優(yōu)的加工批量方案的時間成本很高。

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