基于教與學(xué)算法的離散制造車間靜態(tài)調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于教與學(xué)算法的離散制造車間靜態(tài)調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)，其包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、運(yùn)算服務(wù)器、終端顯示屏，所述運(yùn)算服務(wù)器中嵌入有調(diào)度優(yōu)化客戶端，調(diào)度優(yōu)化客戶端通過對加工任務(wù)的分析，以及參考數(shù)據(jù)服務(wù)器的各項(xiàng)詳細(xì)信息，對當(dāng)日加工任務(wù)通過優(yōu)化算法做一個(gè)合理的調(diào)度安排，具體優(yōu)化算法采用教與學(xué)優(yōu)化算法；將生成的調(diào)度方案進(jìn)行解碼，根據(jù)編碼時(shí)對學(xué)生雙層的定義，進(jìn)行反編譯，依次將工件的加工機(jī)床和加工順序表示出來；最終將優(yōu)化過的調(diào)度方案顯示到終端顯示屏上，使車間生產(chǎn)人員以及管理人員能夠?qū)崟r(shí)的了解當(dāng)前具體的加工任務(wù)安排情況。本發(fā)明采用的教與學(xué)優(yōu)化算法具有收斂速度快、尋優(yōu)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)；也更加適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)中的復(fù)雜情況。
【專利說明】
基于教與學(xué)算法的離散制造車間靜態(tài)調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及離散制造車間調(diào)度技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于教與學(xué)算法的離散制造 車間靜態(tài)調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 21世紀(jì)制造業(yè)競爭日益激烈，企業(yè)在獲得極大發(fā)展空間的同時(shí)，也承受著威脅和 挑戰(zhàn)。決定企業(yè)核心競爭力的因素體現(xiàn)在企業(yè)所提供的產(chǎn)品上。要求產(chǎn)品高質(zhì)量、低價(jià)格、 短交貨期，且能不斷適應(yīng)多變的市場和個(gè)性化的客戶需求，這對企業(yè)制造車間生產(chǎn)作業(yè)計(jì) 劃和均衡生產(chǎn)都提出了更高的要求。當(dāng)前離散制造車間生產(chǎn)過程中，存在機(jī)床待機(jī)時(shí)間過 長、零件生產(chǎn)安排不合理等問題，因此車間生產(chǎn)前的靜態(tài)調(diào)度安排顯得十分必要，合理的靜 態(tài)調(diào)度安排利于制造過程的能效的提高，符合企業(yè)的核心利益。當(dāng)前學(xué)術(shù)界，對于制造車間 的調(diào)度安排已經(jīng)展開了廣泛的研究，產(chǎn)生了多種理論算法，由于缺乏對實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境的了 解，現(xiàn)階段多數(shù)算法不能直接應(yīng)用于離散制造車間靜態(tài)調(diào)度中，因此，采用合理的算法應(yīng)用 到制造車間，從而達(dá)到減小工時(shí)和生產(chǎn)耗能，是研究的關(guān)鍵點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明結(jié)合教與學(xué)算法的優(yōu)勢，經(jīng)過部分改進(jìn)將其應(yīng) 用到制造車間靜態(tài)調(diào)度中，提出一種離散制造車間靜態(tài)調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)，從而達(dá)到提高能效 的結(jié)果。
[0004] 按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述基于教與學(xué)算法的離散制造車間靜態(tài)調(diào)度優(yōu)化 系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、運(yùn)算服務(wù)器、終端顯示屏;所述數(shù)據(jù)服務(wù)器，收集制造車間機(jī)床的加 工耗能、耗時(shí)和待機(jī)情況，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)車間的加工情況，對車間的機(jī)床的生產(chǎn)耗能數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí) 時(shí)跟蹤，同時(shí)對機(jī)床的加工情況和工人的出勤情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì);所述運(yùn)算服務(wù)器中嵌入有調(diào) 度優(yōu)化客戶端，調(diào)度優(yōu)化客戶端通過對加工任務(wù)的分析，以及參考數(shù)據(jù)服務(wù)器的各項(xiàng)詳細(xì) 信息，對當(dāng)日加工任務(wù)通過優(yōu)化算法做一個(gè)合理的調(diào)度安排，具體優(yōu)化算法采用教與學(xué)優(yōu) 化算法，所述調(diào)度優(yōu)化客戶端的構(gòu)建方法如下：
[0005] 步驟一、確定離散制造車間調(diào)度優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)；
[0006] 以制造車間機(jī)床最大加工時(shí)間最小和總耗能最小為目標(biāo)函數(shù)，采用加權(quán)的方法對 兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行融合，融合的值取最小時(shí)，達(dá)到調(diào)度要求，即
[0007] FM=min(max(FMi))
[0008] (1) η WM - "V wm,
[0009] ' (2)
[0010] min(W) =uiFM+U2WM (3)
[0011] FMi--所有工件在機(jī)床Mi上的完工時(shí)間；
[0012] FM--所有工件的最后完工時(shí)間；
[0013] wnu--所有工件在機(jī)床Mi的耗能量；
[0014] WM--所有機(jī)床的總耗能量；
[0015] i一一為大于0的正整數(shù)變量；
[0016] η--機(jī)床總量；
[0017] min(ff) 兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)的最終加權(quán)值；
[00? 8] Ul、U2--兩個(gè)加權(quán)值，根據(jù)企業(yè)實(shí)際需要取值；
[0019] 進(jìn)行排產(chǎn)時(shí)，調(diào)度優(yōu)化算法需要滿足以下約束條件：
[0020] 1.1、某道工序在某一時(shí)刻只能用同一臺機(jī)器進(jìn)行加工；
[0021 ] 1.2、某個(gè)工件的一道工序一旦開始加工，在該工序完成之前不能隨意終止；
[0022] 1.3、在零時(shí)刻所有工件的加工優(yōu)先級都相同；
[0023] 1.4、不同工件的各工序之間的加工順序優(yōu)先級相同，同一工件的各工序的加工必 須按照之前約定好的加工順序；
[0024] 步驟二、采用改進(jìn)教與學(xué)優(yōu)化算法求解上述目標(biāo)函數(shù)，具體求解過程包括：
[0025] 步驟2.1、編碼:每個(gè)調(diào)度方案代表一個(gè)學(xué)生，學(xué)生的成績采用雙層設(shè)計(jì)的方式進(jìn) 行定義，第一層定義為工序?qū)樱硎镜趇個(gè)零件的各個(gè)工序;第二層Xiw,., w定義為機(jī)器 層，表示第i個(gè)零件的工序加工時(shí)的機(jī)器；
[0026] 步驟2.2、參數(shù)初始化:根據(jù)機(jī)床的數(shù)量和零件的加工任務(wù)對教與學(xué)優(yōu)化算法中的 學(xué)生進(jìn)行初始化；
[0027] 步驟2.3、基于改進(jìn)教與學(xué)算法進(jìn)行求解目標(biāo)函數(shù)，輸出最優(yōu)調(diào)度方案；
[0028] 所述改進(jìn)教與學(xué)算法的運(yùn)行過程包括老師的"教"過程、學(xué)生的"學(xué)"過程以及更新 階段；
[0029] a、老師的"教"過程中，假定學(xué)生為兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)的最終加權(quán)值定義為fXX1)，
[0030] j = l，2,3，. ..，N，ie{1234. . .N}，N為學(xué)生總數(shù)，選取Hiina(Xi))的學(xué)生作為老師 Xteacher,選取最接近/VT)即f (X)的平均值的學(xué)生作為Mean值；"教"過程公式如下:
[0031 ] X1L =Ald+i}UFr Mean) (4)
[0032] 其中，分別表示第j個(gè)調(diào)度方案優(yōu)化前后的參數(shù)，即各個(gè)零件的加工安 排，TFj為教學(xué)因子，^為學(xué)習(xí)步長，這兩個(gè)參數(shù)用于調(diào)整學(xué)習(xí)的速度;此時(shí)經(jīng)過浮點(diǎn)型運(yùn)算 得到的調(diào)度方案會出現(xiàn)小數(shù)或者超過區(qū)間的數(shù)，需要對Xi w進(jìn)行離散化，具體離散過程包 括：
[0033] a. 1、首先將工序?qū)雍蜋C(jī)器層的數(shù)字采用取整法，忽略小數(shù)，然后將超過區(qū)間的數(shù) 字自動置零，與當(dāng)日調(diào)度任務(wù)清單對比，在工序?qū)訕?biāo)記多余工序的工件，取li、I2.....U標(biāo) 記工件號，其中cep，p為待標(biāo)記的工件號集合，最后將標(biāo)記的工件根據(jù)多余工序的數(shù)量，隨 機(jī)的從該工件號中挑出同等多余數(shù)量置為零，同時(shí)機(jī)器層對應(yīng)的部分置零；
[0034] a. 2、對置零的工件號進(jìn)行重安排，再次與調(diào)度任務(wù)清單對比，標(biāo)記工序量不夠的 工件號，按照工件的具體缺失數(shù)，隨機(jī)生成一組調(diào)度方案，將該方案按照次序依次填充到工 序?qū)訛榱愕奈恢?，同時(shí)在機(jī)器層對應(yīng)的位置隨機(jī)填入符合加工要求的機(jī)器號；
[0035] a.3、將第一次生成的調(diào)度方案作為初始方案，進(jìn)行局部迭代，設(shè)置迭代次數(shù)，跳轉(zhuǎn) 至a. 2，若生成的調(diào)度方案優(yōu)于初始方案，則將此次調(diào)度方案設(shè)為初始調(diào)度方案，直至迭代 次數(shù)滿足，則輸出調(diào)度方案；
[0036] b、學(xué)生的"學(xué)"過程中，每個(gè)調(diào)度方案Xh隨機(jī)的從所有的調(diào)度方案中選取一個(gè)學(xué)習(xí) 對象X g，h=l，2,3,. . .，N;g=l，2,3,. . .，N;其中h關(guān)g;Xh通過和XgK較兩者之間的差異，Xh 進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整，"學(xué)"過程采用如下公式表示：
[0037] 當(dāng) f(Xh)<f(Xg)時(shí) JT,(5)
[0038] = ^ + (6)
[0039] 其中，rh表示第h個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)步長，生成的新調(diào)度方案Xl也需要進(jìn)行離散，具體 離散過程同老師的"教"過程中所述離散過程；
[0040] c、更新階段是指經(jīng)過"學(xué)"過程之后，生成的調(diào)度方案需要更新優(yōu)化，更新方法如 下：
[0041] 當(dāng)/(Xfw) </(X二.)時(shí)Z" =X::, (7)
[0042] 當(dāng)/(Xi)>/(XL)時(shí);=X;/tw (8)
[0043] 其中，學(xué)生 de{l，2,3，".，N};
[0044] 所述調(diào)度優(yōu)化客戶端將生成的調(diào)度方案進(jìn)行解碼，根據(jù)編碼時(shí)對學(xué)生雙層的定 義，進(jìn)行反編譯，依次將工件的加工機(jī)床和加工順序表示出來;最終，將優(yōu)化過的調(diào)度方案 顯示到終端顯示屏上，使車間生產(chǎn)人員以及管理人員能夠?qū)崟r(shí)的了解當(dāng)前具體的加工任務(wù) 安排情況。
[0045] 在老師的"教"過程中，所述教學(xué)因子TFj = round[ l+rand(0，I) ]，rand(0，1)表示 從0到1中隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，round表示四舍五入函數(shù)，從而滿足取到的值為整數(shù)，學(xué)習(xí) 步長rj = rand(0，1) 〇
[0046] 在學(xué)生的"學(xué)"過程中，所述第h個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)步長rh = rand(0，l)，rand(0，l)表示 從〇到1中隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)。
[0047] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0048] 1)本發(fā)明搭建數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，將設(shè)備生產(chǎn)耗能數(shù)據(jù)直接整合到系統(tǒng)中，對生產(chǎn)數(shù) 據(jù)進(jìn)行分析，能夠細(xì)化到機(jī)床生產(chǎn)單一工件的單一工序的具體耗能，從而明確相同工件不 同機(jī)床加工的差異性，有助于排產(chǎn)的合理性；同時(shí)，數(shù)據(jù)服務(wù)器能夠統(tǒng)計(jì)離散制造車間的機(jī) 床的正常工作情況，以及了解車間工人加工的工時(shí)情況，有助于車間維持正常的生產(chǎn)秩序， 從而保證加工的快速進(jìn)行。
[0049] 2)本發(fā)明采用的教與學(xué)優(yōu)化算法具有收斂速度快、尋優(yōu)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，相對于其 他群智能算法而言，該算法只需要較少的迭代次數(shù)，且取得效果較好；同時(shí)，該算法不需要 設(shè)置多個(gè)優(yōu)化參數(shù)，更易達(dá)到優(yōu)化目的；另外，該算法在對兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，通過 實(shí)際需要設(shè)置兩個(gè)權(quán)重參數(shù)來確定優(yōu)化的程度，更加符合實(shí)際生產(chǎn)中的復(fù)雜情況。
[0050] 3)本發(fā)明直接將能效作為優(yōu)化目標(biāo)，通過把加工單個(gè)工序的耗能作為單位，能夠 直接達(dá)到節(jié)能的要求，更符合當(dāng)前綠色制造的要求，實(shí)用性較好。
[0051] 4)本發(fā)明將調(diào)度方案顯示到終端顯示器上，方便加工人員和管理人員查看，以及 通過核對，及時(shí)將不合理處進(jìn)行反饋，運(yùn)算服務(wù)器根據(jù)反饋情況對調(diào)度方案進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整， 從而使調(diào)度方案更具有合理性。
【附圖說明】
[0052]圖1調(diào)度算法的編碼形式。
[0053]圖2改進(jìn)教與學(xué)優(yōu)化算法的離散化方塊圖。
[0054] 圖3改進(jìn)教與學(xué)優(yōu)化算法的調(diào)度流程圖。
[0055] 圖4離散制造車間優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行圖。
【具體實(shí)施方式】
[0056] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作詳細(xì)的描述。
[0057]本發(fā)明搭建的調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、運(yùn)算服務(wù)器、終端顯示屏。如圖4所 示，其中，運(yùn)算服務(wù)器中嵌入調(diào)度算法，通過對數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算，將排產(chǎn)調(diào) 度安排顯示到終端顯示屏中。具體實(shí)施步驟如下：
[0058] -:搭建數(shù)據(jù)服務(wù)器，收集制造車間機(jī)床的加工耗能、耗時(shí)和待機(jī)情況，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì) 車間的加工情況，對車間的機(jī)床的生產(chǎn)耗能數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，同時(shí)對機(jī)床的加工情況和 工人的出勤情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。
[0059] 二:搭建運(yùn)算服務(wù)器，在服務(wù)器中編寫調(diào)度優(yōu)化客戶端，調(diào)度優(yōu)化客戶端通過對加 工任務(wù)的分析，以及參考數(shù)據(jù)服務(wù)器的各項(xiàng)詳細(xì)信息，對當(dāng)日加工任務(wù)通過優(yōu)化算法做一 個(gè)合理的調(diào)度安排，具體優(yōu)化算法采用教與學(xué)優(yōu)化算法（teaching-1 earning-based optimization algorithm)，由于該算法是針對于連續(xù)系統(tǒng)提出的，對該離散制造車間的應(yīng) 用需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，調(diào)度優(yōu)化客戶端的具體構(gòu)建方案如下：
[0060] 1)確定離散制造車間調(diào)度優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。
[0061 ]根據(jù)企業(yè)的能耗和效益的綜合考慮，以制造車間機(jī)床最大加工時(shí)間最小和總耗能 最小為目標(biāo)函數(shù)。為了滿足不同的要求，采用加權(quán)的方法對兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行融合，融合的 值取最小時(shí)，達(dá)到調(diào)度要求，即
[0062] FM=min(max(FMi)) (1)
[0063] WM = ^ Wtvi (2) /-I
[0064] min(W) =uiFM+U2WM (3)
[0065] FMi--所有工件在機(jī)床Mi上的完工時(shí)間；
[0066] FM--所有工件的最后完工時(shí)間；
[0067] wnu--所有工件在機(jī)床Mi的耗能量；
[0068] WM一一所有機(jī)床的總好耗能量；
[0069] i一一為大于0的正整數(shù)變量；
[0070] η--機(jī)床總量；
[0071 ] min(ff) 兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)的最終加權(quán)值；
[0072] Ui、U2--兩個(gè)加權(quán)值，實(shí)際取值根據(jù)企業(yè)實(shí)際需要；
[0073] 進(jìn)行排產(chǎn)時(shí)，調(diào)度優(yōu)化算法需要滿足以下約束條件：
[0074] 1)某道工序在某一時(shí)刻只能用同一臺機(jī)器進(jìn)行加工；
[0075] 2)某個(gè)工件的一道工序一旦開始加工，在該工序完成之前不能隨意終止（即不考 慮機(jī)器故障的發(fā)生）；
[0076] 3)在零時(shí)刻所有工件的加工優(yōu)先級都相同；
[0077] 4)不同工件的各工序之間的加工順序優(yōu)先級相同，同一工件的各工序的加工必須 按照之前約定好的加工順序。
[0078] 2)采用改進(jìn)教與學(xué)優(yōu)化算法求解上述目標(biāo)函數(shù)，具體求解過程如下：
[0079] 2.1)編碼:
[0080] 每個(gè)調(diào)度方案代表一個(gè)學(xué)生，學(xué)生的成績采用雙層設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行定義，第一層 定義為工序?qū)?，表示第i個(gè)零件的各個(gè)工序;第二層定義為機(jī)器層，表示第i個(gè) 零件的工序加工時(shí)的機(jī)器。例如，學(xué)生乂1表示一個(gè)3工件5機(jī)器的調(diào)度安排方案，其中第一排 第一列中的"Γ表示工件1的第一道加工工序，第二排的第一列中的"2"表示工件1的第一道 工序在機(jī)器2上加工，第一排共有三個(gè)"Γ，表示工件1共有三道工序，三個(gè)"Γ的位置表示三 道工序被安排加工的順序，具體如圖1所示。
[0081] 2.2)參數(shù)初始化:根據(jù)機(jī)床的數(shù)量和零件的加工任務(wù)對教與學(xué)優(yōu)化算法中的學(xué)生 進(jìn)行初始化；
[0082] 2.3)基于改進(jìn)教與學(xué)算法進(jìn)行求解目標(biāo)函數(shù)，輸出最優(yōu)調(diào)度方案。
[0083]具體改進(jìn)教與學(xué)算法的運(yùn)行過程如下：
[0084] a、老師的"教"過程。
[0085]參照圖3的"教"階段，假定學(xué)生為)(％ = 1，2,3，...』其中~為學(xué)生總數(shù)），兩個(gè)目 標(biāo)函數(shù)的最終加權(quán)值定義為HXiMie {1234. . .N})，選取minaU1))的學(xué)生作為老師 Xteacher,選取最接近/(；T) (f (X)的平均值)的學(xué)生作為Mean值。具體"教"過程公式如下：
[0086] Aw=Xik^(Xteidler-TF rMean) (4)
[0087] 其中，ZidPX1Lw分別表示第j個(gè)調(diào)度方案優(yōu)化前后的參數(shù)，即各個(gè)零件的加工安 排，TFj為教學(xué)因子(TFj = round[ l+rand(0，I) ])，rj為學(xué)習(xí)步長(rj = rand(0，1))，其中 round表示取整函數(shù)，使其值始終為一個(gè)整數(shù)，rand(0，l)表示從0到1之間產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)， 這兩個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)用于調(diào)整學(xué)習(xí)的速度。此時(shí)經(jīng)過浮點(diǎn)型運(yùn)算得到的調(diào)度方案會出現(xiàn)小數(shù) 或者超過區(qū)間的數(shù)，需要對Xi w進(jìn)行離散化，參照圖2，具體離散過程如下：
[0088] Stepl:首先將工序?qū)雍蜋C(jī)器層的數(shù)字采用取整法，忽略小數(shù)，然后將超過區(qū)間的 數(shù)字自動置零，與當(dāng)日調(diào)度任務(wù)清單對比，在工序?qū)訕?biāo)記多余工序的工件，取1ι、12.....Ic (cep，p為待標(biāo)記的工件號集合)標(biāo)記工件號，最后將標(biāo)記的工件根據(jù)多余工序的數(shù)量，隨 機(jī)的從該工件號中挑出同等多余數(shù)量置為零，同時(shí)機(jī)器層也之為零；
[0089] Step2:對置零的工件號進(jìn)行重安排，再次與調(diào)度任務(wù)清單對比，標(biāo)記工序量不夠 的工件號，按照工件的具體缺失數(shù)，隨機(jī)生成一組調(diào)度方案，將該方案按照次序依次填充到 工序?qū)訛榱愕奈恢茫瑫r(shí)在機(jī)器層對應(yīng)的位置隨機(jī)填入符合加工要求的機(jī)器號；
[0090] Step3:將第一次生成的調(diào)度方案作為初始方案，進(jìn)行局部迭代，設(shè)置迭代次數(shù)為 q，跳轉(zhuǎn)step2,若生成的調(diào)度方案優(yōu)于初始方案，則將此次調(diào)度方案設(shè)為初始調(diào)度方案，迭 代次數(shù)滿足q，則輸出調(diào)度方案。
[0091] b、學(xué)生的"學(xué)"過程。
[0092]參照圖3的"學(xué)"階段，學(xué)生的"學(xué)"過程中，每個(gè)調(diào)度方案Xh隨機(jī)的從所有的調(diào)度方 案中選取一個(gè)學(xué)習(xí)對象Xg，h=l，2,3,. . ·，N;g=l，2,3,. . .，N;其中h關(guān)g;Xh通過和Xg比較兩 者之間的差異，Xh進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整，學(xué)過程采用如下公式表示：
[0093] 當(dāng) f(Xh)< f (Xg)時(shí) Zl =XL + rA-P) (5)
[0094] 當(dāng)f(Xh) >f(Xg)時(shí) C. = ·(Ρ - ；TA) (6 )
[0095] 其中，η表示第h個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)步長，生成的新調(diào)度方案 也需要進(jìn)行離散，具體 離散過程同老師的"教"過程中所述離散過程；
[0096] c、更新階段是指經(jīng)過"學(xué)"過程之后，生成的調(diào)度方案需要更新優(yōu)化，具體過程參 照圖3的更新階段，更新方法如下：
[0097] 當(dāng)/(Xi)</(XL)肘浐(7)
[0098] 當(dāng)/(XD > /(XL)時(shí)浐二 IL ( 8 )
[0099] 其中，學(xué)生 de{l，2,3，."，N}。
[0100] 三:將生成的調(diào)度方案進(jìn)行解碼，根據(jù)編碼時(shí)對學(xué)生雙層的定義，進(jìn)行反編譯，依 次將工件的加工機(jī)床和加工順序表示出來
[0101]四：將優(yōu)化過的調(diào)度方案顯示到終端顯示屏上，車間生產(chǎn)人員以及管理人員能夠 實(shí)時(shí)的了解當(dāng)前具體的加工任務(wù)安排情況。
[0102] 參照圖4,本發(fā)明通過對離散制造車間搭建數(shù)據(jù)服務(wù)器和運(yùn)算服務(wù)器，通過對機(jī)床 制造信息和車間加工計(jì)劃進(jìn)行分析，采用一種改進(jìn)的教與學(xué)優(yōu)化算法對車間生產(chǎn)進(jìn)行離線 調(diào)度安排，最后通過顯示屏將具體調(diào)度任務(wù)顯示到車間，方便指導(dǎo)生產(chǎn)。
[0103] 以下為一個(gè)具體實(shí)施案例：
[0104] 步驟一:搭建數(shù)據(jù)服務(wù)器，并將其與車間機(jī)床系統(tǒng)進(jìn)行通訊，獲取機(jī)床加工單個(gè)工 件的單個(gè)工序的加工時(shí)間(包括待機(jī)時(shí)間<、空載時(shí)間O、切削時(shí)間咯)和加工耗能詳情(包 括待機(jī)能耗、_空載能耗<%：_、切削能耗)，其中i表不機(jī)床，j表不工件，k表不具體的工 序，d表示待機(jī)，〇表示空載，q表示切削，故機(jī)床i加工工件j的第k道工序所用的時(shí)間 %=4 +黍+4，以及耗能1% = 感·喙《在數(shù)據(jù)服務(wù)器中將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行
分析處理，對能耗信息進(jìn)行集成： 陶] (9)
[祕] (1〇)
[0107]其中，txy表示機(jī)床編號X加工零件j的第y道工序所用的時(shí)間，矩陣的第一行表示 第一道工序，第一行的所有列表示能夠加工該道工序的機(jī)器所用的加工時(shí)間，第一列表示 機(jī)床編號為1的機(jī)床，當(dāng)機(jī)床不能加工該道工序時(shí)，對應(yīng)的坐標(biāo)值為零，這樣更符合離散制 造車間的制造特點(diǎn)；同理，W xy表示機(jī)床編號X加工零件j的第y道工序的耗能量，矩陣坐標(biāo)值 的含義同上述的相同，這里不做累述。
[0108] 同時(shí)，數(shù)據(jù)服務(wù)器從車間管理系統(tǒng)中定時(shí)接受當(dāng)前的生產(chǎn)任務(wù)清單，另外匯總車 間機(jī)床的現(xiàn)有工作量和機(jī)床的正常運(yùn)行情況，以及統(tǒng)計(jì)車間操作工人的在崗情況，保證調(diào) 度任務(wù)能夠正常執(zhí)行。
[0109] 步驟二:運(yùn)算服務(wù)器向數(shù)據(jù)服務(wù)器請求當(dāng)前生產(chǎn)任務(wù)清單，同時(shí)獲取能耗集成信 息；
[0110] 步驟三:由獲得的信息和要求確定優(yōu)化目標(biāo)，具體如下所示：
[0111] FM=m i n (max (FMi)) (11)
[0112]
(12)
[0113] min(W) =uiFM+U2WM( 13)
[0114] 符號定義如下：
[0115] FMi--所有工件在機(jī)床Mi上的完工時(shí)間；
[0116] FM--所有工件的最后完工時(shí)間；
[0117] wnu--所有工件在機(jī)床Mi的耗能量；
[0118] WM--所有機(jī)床的總好耗能量；
[0119] i一一為大于0的正整數(shù)變量；
[0120] η--機(jī)床總量；
[0121 ] min(ff)一一兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)的最終加權(quán)值；
[01 22] Ul、U2--兩個(gè)加權(quán)值，實(shí)際取值根據(jù)企業(yè)實(shí)際需要；
[0123] 步驟四：改進(jìn)教與學(xué)算法參數(shù)初始化:學(xué)生個(gè)數(shù)z、迭代次數(shù)B和優(yōu)化目標(biāo)權(quán)重Ui、U2 (必須滿足m+u2 = l);學(xué)生個(gè)數(shù)設(shè)z為15,即不影響算法的運(yùn)算速度，同時(shí)也保證了算法優(yōu)化 的精度;迭代次數(shù)B設(shè)為500;優(yōu)化目標(biāo)權(quán)重值根據(jù)加工清單和客戶緊迫度來動態(tài)調(diào)節(jié)；
[0124] 步驟五:編碼；
[0125] 根據(jù)任務(wù)清單和機(jī)床運(yùn)行情況，確定待加工工件個(gè)數(shù)m和可用于加工機(jī)床個(gè)數(shù)η， 將工件按照1，2,…，η進(jìn)行編號，同理將機(jī)床按照1，2,…，m進(jìn)行編號，統(tǒng)計(jì)每個(gè)工件需要的 工序數(shù) (：1(16{1，2,3，一，11})。每個(gè)學(xué)生采用雙層結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)，第一層為工序?qū)?￥；.(_^第 二層為機(jī)器層。第一層的元素個(gè)數(shù)"= ，每個(gè)工件i出現(xiàn)的次數(shù)等于該工件的 工序數(shù)Ci，且所有出現(xiàn)次數(shù)均用i表示，工件i的工序?yàn)閿?shù)字i在工序?qū)映霈F(xiàn)的的次序確定， 若第一次出現(xiàn)則為工件i的第一道工序，根據(jù)工件的工序數(shù)，隨機(jī)插入到第一層中，完成工 序的隨機(jī)安排。第二層根據(jù)第一層對應(yīng)的工件的工序，從滿足加工條件的機(jī)床中，隨機(jī)選取 一臺機(jī)床的編號放入該位置。
[0126] 步驟六:進(jìn)行算法的老師"教"階段；
[0127] 將學(xué)生X\j = l，2,3，...，15)帶入目標(biāo)函數(shù)公式中，分別求解WKWj為時(shí)間優(yōu)化和 能耗優(yōu)化后的綜合值，（j = l，2,3，.. .，15))，當(dāng)學(xué)生為Xi時(shí)，Hiin(W)=Wi，取Xi作為X teacher; 當(dāng)學(xué)生為Xh時(shí)，Wh最接近于mean(W)，取Xh作為平均值Mean。
[0128] 其中：
[0129] Wj = ui(FM)j+U2(WM)j (14) 則
（15)
[0131] 具體"教"過程公式如下：
[0132] XL =^d+^.(Xteacto-TFj-Mean) (16)
[0133] Xih^PXLs.分別表示第j個(gè)調(diào)度方案優(yōu)化前后的參數(shù)，即各個(gè)零件的加工安排，TF j 為教學(xué)因子<^」=1'〇11]1(1[1+抑11(1(0，1)])，；1^為學(xué)習(xí)步長(；1^ =抑11(1(0，1))，這兩個(gè)比較關(guān)鍵 的參數(shù)用于調(diào)整學(xué)習(xí)的速度。
[0134] 分別將經(jīng)過教過程生成的學(xué)生又^進(jìn)行離散化處理，輸出代替。
[0135] 步驟七:進(jìn)行算法的"學(xué)"過程；
[0136] 在學(xué)生的相互之間學(xué)過程中，每個(gè)調(diào)度方案乂11(11=1，2,3，...，15)隨機(jī)的從所有 的調(diào)度方案中選取一個(gè)學(xué)習(xí)對象X g(g=l，2,3, . . .，15其中h關(guān)g)，Xh通過和Xg比較兩者之間 的差異，Xh進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整，具體的學(xué)過程采用如下公式表示：
[0137] 當(dāng) ?·(ΧΗ)< f(Xg)時(shí) 二^" +r, .(ΧΛ -Zs) (17)
[0138] 當(dāng)以父">以父8)時(shí)尤二.二；^+/;_(；^-；^) (18)
[0139] 其中，rh表示第h個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)步長，rh = rand(0，l)，生成的新調(diào)度方案尤^伺樣 需要進(jìn)行離散，具體離散過程同上述教師"教"過程。
[0140] 步驟八:更新算法，若"學(xué)"過程產(chǎn)生的，new小于1_，則，new替換掉1_，同時(shí)將調(diào) 度方案X7替換X。將B進(jìn)行自加1，判斷B是否大于500,若大于500,則算法終止，進(jìn)行步驟九； 否則，跳轉(zhuǎn)至步驟六。
[0141] 步驟九：將生成的調(diào)度方案進(jìn)行解碼，根據(jù)編碼時(shí)對學(xué)生雙層的定義，進(jìn)行反編 譯，依次將工件的加工機(jī)床和加工順序表示出來。
[0142] 步驟十:輸出當(dāng)前靜態(tài)排產(chǎn)調(diào)度方案X，同時(shí)通過內(nèi)網(wǎng)將該方案上傳到車間顯示器 上，車間生產(chǎn)人員和管理人員進(jìn)行核實(shí)，若有問題，則人工轉(zhuǎn)至步驟三進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，重新 生成調(diào)度方案，保證調(diào)度方案的合理性，若無問題，則按此方案進(jìn)行加工。
[0143] 本發(fā)明搭建的離線調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)用于離線排產(chǎn)制造車間機(jī)床加工任務(wù)，可以實(shí)現(xiàn) 制造車間生產(chǎn)的靜態(tài)排產(chǎn)與調(diào)度管理，能夠在較短的規(guī)定時(shí)間內(nèi)，找到滿足要求的最好的 可行的調(diào)度方案。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于教與學(xué)算法的離散制造車間靜態(tài)調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)，其特征是，包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、運(yùn) 算服務(wù)器、終端顯示屏， 所述數(shù)據(jù)服務(wù)器，收集制造車間機(jī)床的加工耗能、耗時(shí)和待機(jī)情況，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)車間的加 工情況，對車間的機(jī)床的生產(chǎn)耗能數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，同時(shí)對機(jī)床的加工情況和工人的出 勤情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)； 所述運(yùn)算服務(wù)器中嵌入有調(diào)度優(yōu)化客戶端，調(diào)度優(yōu)化客戶端通過對加工任務(wù)的分析， W及參考數(shù)據(jù)服務(wù)器的各項(xiàng)詳細(xì)信息，對當(dāng)日加工任務(wù)通過優(yōu)化算法做一個(gè)合理的調(diào)度安 排，具體優(yōu)化算法采用教與學(xué)優(yōu)化算法，所述調(diào)度優(yōu)化客戶端的構(gòu)建方法如下： 步驟一、確定離散制造車間調(diào)度優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)； W制造車間機(jī)床最大加工時(shí)間最小和總耗能最小為目標(biāo)函數(shù)，采用加權(quán)的方法對兩個(gè) 目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行融合，融合的值取最小時(shí)，達(dá)到調(diào)度要求，即 FM=min(max(FMi)) (1)(2) min(W)=uiFM+U2WM (3) FMi--所有工件在機(jī)床Mi上的完工時(shí)間； FM一一所有工件的最后完工時(shí)間； wmi--所有工件在機(jī)床Mi的耗能量； WM一一所有機(jī)床的總耗能量； i一一為大于0的正整數(shù)變量； η--機(jī)床總量； min(W)-一兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)的最終加權(quán)值； U1、U2--兩個(gè)加權(quán)值，根據(jù)企業(yè)實(shí)際需要取值； 進(jìn)行排產(chǎn)時(shí)，調(diào)度優(yōu)化算法需要滿足W下約束條件： 1.1、 某道工序在某一時(shí)刻只能用同一臺機(jī)器進(jìn)行加工； 1.2、 某個(gè)工件的一道工序一旦開始加工，在該工序完成之前不能隨意終止； 1.3、 在零時(shí)刻所有工件的加工優(yōu)先級都相同； 1.4、 不同工件的各工序之間的加工順序優(yōu)先級相同，同一工件的各工序的加工必須按 照之前約定好的加工順序； 步驟二、采用改進(jìn)教與學(xué)優(yōu)化算法求解上述目標(biāo)函數(shù)，具體求解過程包括： 步驟2.1、編碼:每個(gè)調(diào)度方案代表一個(gè)學(xué)生，學(xué)生的成績采用雙層設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行定 義，第一層《定義為工序?qū)樱硎镜趇個(gè)零件的各個(gè)工序;第二層定義為機(jī)器層， 表示第i個(gè)零件的工序加工時(shí)的機(jī)器； 步驟2.2、參數(shù)初始化:根據(jù)機(jī)床的數(shù)量和零件的加工任務(wù)對教與學(xué)優(yōu)化算法中的學(xué)生 進(jìn)行初始化； 步驟2.3、基于改進(jìn)教與學(xué)算法進(jìn)行求解目標(biāo)函數(shù)，輸出最優(yōu)調(diào)度方案； 所述改進(jìn)教與學(xué)算法的運(yùn)行過程包括老師的"教"過程、學(xué)生的"學(xué)"過程W及更新階 段； a、老師的"教"過程中，假定學(xué)生為打，兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)的最終加權(quán)值定義為f(r)， j = l，2,3，...，N，ie{l 2 3 4…N}，N為學(xué)生總數(shù)，選取min(f(Xi))的學(xué)生作為老師 Xteacher，選取最接近萬方]即f(X)的平均值的學(xué)生作為Mean值；"教"過程公式如下：(4) 其中，挪沛巧。、，分別表示第j個(gè)調(diào)度方案優(yōu)化前后的參數(shù)，即各個(gè)零件的加工安排，TFj 為教學(xué)因子，η為學(xué)習(xí)步長，運(yùn)兩個(gè)參數(shù)用于調(diào)整學(xué)習(xí)的速度;此時(shí)經(jīng)過浮點(diǎn)型運(yùn)算得到的 調(diào)度方案會出現(xiàn)小數(shù)或者超過區(qū)間的數(shù)，需要對Xiw進(jìn)行離散化，具體離散過程包括： a. 1、首先將工序?qū)雍蜋C(jī)器層的數(shù)字采用取整法，忽略小數(shù)，然后將超過區(qū)間的數(shù)字自 動置零，與當(dāng)日調(diào)度任務(wù)清單對比，在工序?qū)訕?biāo)記多余工序的工件，取h、b、…、1。標(biāo)記工件 號，其中cep, P為待標(biāo)記的工件號集合，最后將標(biāo)記的工件根據(jù)多余工序的數(shù)量，隨機(jī)的從 該工件號中挑出同等多余數(shù)量置為零，同時(shí)機(jī)器層對應(yīng)的部分置零； a. 2、對置零的工件號進(jìn)行重安排，再次與調(diào)度任務(wù)清單對比，標(biāo)記工序量不夠的工件 號，按照工件的具體缺失數(shù)，隨機(jī)生成一組調(diào)度方案，將該方案按照次序依次填充到工序?qū)?為零的位置，同時(shí)在機(jī)器層對應(yīng)的位置隨機(jī)填入符合加工要求的機(jī)器號； a. 3、將第一次生成的調(diào)度方案作為初始方案，進(jìn)行局部迭代，設(shè)置迭代次數(shù)，跳轉(zhuǎn)至 a. 2，若生成的調(diào)度方案優(yōu)于初始方案，則將此次調(diào)度方案設(shè)為初始調(diào)度方案，直至迭代次 數(shù)滿足，則輸出調(diào)度方案； b、 學(xué)生的"學(xué)"過程中，每個(gè)調(diào)度方案Xh隨機(jī)的從所有的調(diào)度方案中選取一個(gè)學(xué)習(xí)對象 Xg，h = l，2,3, . . .，N;g = l，2,3, . . .，N;其中h辛g;Xh通過和XS比較兩者之間的差異，xh進(jìn)行 相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整，"學(xué)"過程采用如下公式表示：其中，rh表示第h個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)步長，生成的新調(diào)度方案Atw也需要進(jìn)行離散，具體離散 過程同老師的"教"過程中所述離散過程； C、更新階段是指經(jīng)過"學(xué)"過程之后，生成的調(diào)度方案需要更新優(yōu)化，更新方法如下：其中，學(xué)生(1Ε{1，2,3，···，Ν}; 所述調(diào)度優(yōu)化客戶端將生成的調(diào)度方案進(jìn)行解碼，根據(jù)編碼時(shí)對學(xué)生雙層的定義，進(jìn) 行反編譯，依次將工件的加工機(jī)床和加工順序表示出來;最終，將優(yōu)化過的調(diào)度方案顯示到 終端顯示屏上，使車間生產(chǎn)人員W及管理人員能夠?qū)崟r(shí)的了解當(dāng)前具體的加工任務(wù)安排情 況。2. 如權(quán)利要求1所述的基于教與學(xué)算法的離散制造車間靜態(tài)調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)，其特征是， 老師的"教"過程中，所述教學(xué)因子Τ門=round [ 1 +rand (0，1) ]，rand (0，1)表示從0到1中隨 機(jī)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，round表示四舍五入函數(shù)，從而滿足取到的值為整數(shù)，學(xué)習(xí)步長ri = rand(0,1)〇3. 如權(quán)利要求1所述的基于教與學(xué)算法的離散制造車間靜態(tài)調(diào)度優(yōu)化系統(tǒng)，其特征是， 學(xué)生的"學(xué)"過程中，所述第h個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)步長^ = ^11(1(0，1)前11(1(0，1)表示從0到1中隨 機(jī)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)。
【文檔編號】G05B19/418GK105843197SQ201610355967
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月26日
【發(fā)明人】王艷, 徐軍輝, 紀(jì)志成, 陳彥
【申請人】江南大學(xué)