基于生產(chǎn)擾動(dòng)分類的二階段遺傳算法求解動(dòng)態(tài)重調(diào)度問題

4.1引言

電爐煉鋼-連鑄生產(chǎn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)的節(jié)奏要求較高，各個(gè)工序各個(gè)工位間配合要比較緊密，但實(shí)際的生產(chǎn)過程中總會(huì)存在許多不可避免的擾動(dòng)因素，必須根據(jù)實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)來進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度以調(diào)整原調(diào)度計(jì)劃,當(dāng)鋼種冶煉質(zhì)量不合格超過指定加工時(shí)間時(shí),要調(diào)整其后爐次的開工時(shí)間以適應(yīng);當(dāng)鋼種的溫度達(dá)不到澆鑄條件時(shí), 要進(jìn)行鋼種回爐補(bǔ)溫；當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，要調(diào)夠相應(yīng)設(shè)備上原先分配的爐次，當(dāng)設(shè)備重新啟用時(shí)，又要給其分配調(diào)度任務(wù)。對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)，非常關(guān)心生產(chǎn)的有序進(jìn)行，當(dāng)出現(xiàn)異常擾動(dòng)時(shí)，如何快速識(shí)別擾動(dòng)態(tài)調(diào)整生產(chǎn)調(diào)度，產(chǎn)生新的調(diào)度方案,減少異常擾動(dòng)對(duì)生產(chǎn)的影響。

常見的動(dòng)態(tài)重調(diào)度策略有周期性重調(diào)度旳、事件驅(qū)動(dòng)式的重調(diào)度的以及周期性混合事件驅(qū)動(dòng)的的重調(diào)度.但是由于周期性重調(diào)度的周期參數(shù)很能確定無法有效的快退應(yīng)對(duì)擾動(dòng)因素；而事件驅(qū)動(dòng)式重調(diào)度在應(yīng)對(duì)生產(chǎn)過程中的擾動(dòng)因素，過于頻繁的啟動(dòng)重調(diào)度，降低了系統(tǒng)的魯棒性；混合的重調(diào)度不但沒能解決這些問題，反而増加了重調(diào)度頻率。本章提出的基于實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的事件驅(qū)動(dòng)式重調(diào)度，根據(jù)不同的生產(chǎn)擾動(dòng)提出重調(diào)度策略，并結(jié)合上-章的改進(jìn)的遺傳算法，既利用了事件驅(qū)動(dòng)式重調(diào)度的針對(duì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，又實(shí)時(shí)反饋監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)減少了重調(diào)度頻率，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.2電爐煉鋼-連鑄的生產(chǎn)擾動(dòng)分類

對(duì)生產(chǎn)過程中發(fā)生的異常擾動(dòng)很多，對(duì)其進(jìn)行相似特征的分類，有助于找到分類擾動(dòng)問題的-體化解決方法。根據(jù)總結(jié)與歸納，電爐煉鋼-連鑄的生產(chǎn)擾動(dòng)分類如下：

⑴計(jì)劃任務(wù)擾動(dòng)：因計(jì)劃任務(wù)臨時(shí)變更或錯(cuò)誤產(chǎn)生的擾動(dòng)，會(huì)更改當(dāng)前正在進(jìn)行的爐次和澆次計(jì)劃，見表4-1。

⑷時(shí)間因素?cái)_動(dòng):由于生產(chǎn)流程的不標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致的不能按照標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)時(shí)間生產(chǎn), 出現(xiàn)拖期或者提前的情況。

4.3基于生產(chǎn)擾動(dòng)分類的二階段遺傳算法的動(dòng)態(tài)重調(diào)度方法及過程

4. 3.1基于生產(chǎn)擾動(dòng)分類的二階段遺傳算法的描述

電爐煉鋼連鑄的動(dòng)態(tài)重調(diào)度的難點(diǎn)就在于生產(chǎn)擾動(dòng)總是出現(xiàn)在調(diào)度方案正在執(zhí)行的過程中，由于要維護(hù)調(diào)度方案執(zhí)行的連續(xù)性，木文提出個(gè)兩階段遺傳算法

第一階段當(dāng)產(chǎn)生生產(chǎn)擾動(dòng)進(jìn)入重調(diào)度時(shí)，通過擾動(dòng)分類相對(duì)應(yīng)的調(diào)度策略對(duì)正在生產(chǎn)爐次進(jìn)行調(diào)度安排，汽出現(xiàn)計(jì)劃擾動(dòng)時(shí)，插入緊急的爐次到未生產(chǎn)的爐次中; 當(dāng)岀現(xiàn)設(shè)備擾動(dòng)時(shí)，優(yōu)先保證連澆，在無法保證連澆的情況下重新對(duì)爐次澆次拜序; 當(dāng)出現(xiàn)品質(zhì)擾動(dòng)時(shí)，需要對(duì)出現(xiàn)擾動(dòng)的爐次插入新的工序；當(dāng)出現(xiàn)時(shí)間擾動(dòng)時(shí)，通過迭代遞推的方式保證連澆，最后確定正在生產(chǎn)爐次的調(diào)度方案。此時(shí)更新所有工序機(jī)器的最早可加工時(shí)間，第二階段再對(duì)未生產(chǎn)爐次根據(jù)第三章的遺傳算法重新生成調(diào)度方案。整個(gè)算法的原理如圖4-1所示。

4.3.2基于生產(chǎn)擾動(dòng)分類的動(dòng)態(tài)重調(diào)度策略

基于生產(chǎn)擾動(dòng)分類的動(dòng)態(tài)重調(diào)度策略是實(shí)現(xiàn)第階段安撻正在生產(chǎn)爐次的關(guān)鍵技術(shù)，以下詳細(xì)描述他們的動(dòng)態(tài)重調(diào)度策略。

⑴計(jì)劃擾動(dòng)動(dòng)態(tài)重調(diào)度策略

計(jì)劃擾動(dòng)主要考慮的是當(dāng)冇緊急爐次插入時(shí)，如何不影響現(xiàn)有生產(chǎn)的情況。此時(shí)優(yōu)先完成已經(jīng)在執(zhí)行的澆次計(jì)劃，以正在執(zhí)行的澆次計(jì)劃結(jié)束時(shí)刻作為動(dòng)態(tài)重調(diào)度的開始時(shí)間，將此澆次計(jì)劃和新插入的澆次計(jì)劃合并重新排序，更新未生產(chǎn)調(diào)度的澆次和爐次計(jì)劃，利用改進(jìn)的遺傳算法生成新的生產(chǎn)調(diào)度。

⑵設(shè)備擾動(dòng)動(dòng)態(tài)重調(diào)度策略

設(shè)備擾動(dòng)主要考慮的是當(dāng)設(shè)備故障后，當(dāng)前正在加工的爐次及其之后的爐次都無法再執(zhí)行預(yù)定計(jì)劃；當(dāng)設(shè)備修復(fù)后，施新啟用此設(shè)備，加入到生產(chǎn)流程中去。設(shè)備故障是嚴(yán)重的生產(chǎn)事故，基本無法消解沖突，將此設(shè)備從可用設(shè)備中除去，重新制定澆次和爐次計(jì)劃，設(shè)備恢復(fù)時(shí)，將此設(shè)備重新加入W用設(shè)備，對(duì)未生產(chǎn)的澆次和爐次重新生成生產(chǎn)調(diào)度。

(3)品質(zhì)擾動(dòng)動(dòng)態(tài)重調(diào)度策略

品質(zhì)擾動(dòng)主要考慮的是余鋼返回，即爐次即將進(jìn)入連鑄工序澆筑時(shí)，其溫度不滿足連鑄澆筑的最低溫度，必須進(jìn)入LF工序補(bǔ)溫加熱。此情形下，該爐次插入新的工序LF，更新其工藝路徑,將連鑄工序其后的爐次依次前移。算法步驟如下：

步驟1：連鑄工序上余鋼返回爐次的前爐次加工時(shí)間設(shè)為最長(zhǎng)加工時(shí)間，對(duì)于余鋼返回的爐次，在連鑄工序前插入LF工序，更新其工藝路徑，査找當(dāng)前時(shí)刻 LF工序是否存在空閑機(jī)器加工該爐次，如存在轉(zhuǎn)步驟2,如不存在轉(zhuǎn)步驟3。

步驟2：將連鑄工序余鋼返回爐次之后的爐次依次前移，使用第三章的逆工序 工藝路徑解碼算法，標(biāo)準(zhǔn)加工肘間設(shè)定為最短加工肘間，尋找是否存在可行調(diào)度解, 如存在轉(zhuǎn)步驟4,如不存在轉(zhuǎn)步驟3。

步驟3：找到余鋼返回爐次導(dǎo)致的連鑄斷澆時(shí)間，斷澆爐次，更新因此沒有生 產(chǎn)的爐次，產(chǎn)生新的澆次計(jì)劃，轉(zhuǎn)步驟4。

步驟4：更新各個(gè)工序各個(gè)機(jī)器的自當(dāng)前時(shí)間起最早可開工時(shí)間，當(dāng)前未加工 爐次數(shù)澆次數(shù)。

(4)時(shí)間擾動(dòng)動(dòng)態(tài)重調(diào)度策略

時(shí)間擾動(dòng)主要考慮的是工序機(jī)器上爐次加工時(shí)間比指定時(shí)間延長(zhǎng)或者提前,導(dǎo)致原作業(yè)計(jì)劃產(chǎn)生時(shí)間沖突的問題，實(shí)際中加工時(shí)間提前可以等待直至達(dá)到指定的加.時(shí)間，不會(huì)影響到其他爐次的生產(chǎn)，但是爐次加工時(shí)間延長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生時(shí)間沖突， 針對(duì)這樣的情況，使用迭代遞推算法，迭代遞推算法步驟如下：

步驟1：將因故時(shí)間延長(zhǎng)的爐次的結(jié)束時(shí)間向后順延t分鐘，則該機(jī)器上后一盧次升始時(shí)間順延t分鐘。

步驟2：按照后爐次的工藝路徑，依次取最短加工時(shí)間為指定加工時(shí)間,直至連鑄工序前，判斷是否消解時(shí)間沖突，如2消解轉(zhuǎn)步驟-五，如沒有轉(zhuǎn)步驟3。

步驟3：對(duì)后一爐次后面的一機(jī)器的爐次依次執(zhí)行步驟二。 如果后面已沒有爐次，則轉(zhuǎn)步驟4。

步驟4：找到因加工時(shí)間延長(zhǎng)的爐次導(dǎo)致的連續(xù)斷澆爐次，其斷澆時(shí)間，更新因此沒有生產(chǎn)的爐次，產(chǎn)生新的澆次計(jì)劃，轉(zhuǎn)步驟5。

步驟5：更新各個(gè)工序各個(gè)機(jī)器的自當(dāng)前時(shí)間起最早可開工時(shí)間，當(dāng)前未加工爐次數(shù)、澆次數(shù)。

4.3.3適應(yīng)動(dòng)態(tài)重調(diào)度問題的遺傳算法

本章的遺傳算法基于第三章的遺傳算法基礎(chǔ)之上，針對(duì)動(dòng)態(tài)重調(diào)度的特殊約束, 在編碼階段將爐次已經(jīng)經(jīng)過的工序的基因值設(shè)為999,在交叉和變異階段都不參與。其次，解碼時(shí)，不再從零時(shí)刻開始，而是當(dāng)前動(dòng)態(tài)重調(diào)度時(shí)刻開始。其余與第三章相同。

4.4實(shí)例驗(yàn)證

以第三章實(shí)例驗(yàn)證中的工藝路徑、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、澆次爐次信息作為基礎(chǔ)，使用二 階段遺傳算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)重調(diào)度，預(yù)先生成的生產(chǎn)調(diào)度方案如圖42所示。當(dāng)其執(zhí)行到4:10時(shí)，正在EAF1上加工的爐次4無法按時(shí)完工，進(jìn)行拖期作業(yè)，預(yù)計(jì)20分鐘后完工，系統(tǒng)收到擾動(dòng)信號(hào)后運(yùn)用時(shí)間擾動(dòng)重調(diào)度策略調(diào)整時(shí)間，進(jìn)行兩階段遺傳算法，得到圖4-3所示的動(dòng)態(tài)重調(diào)度方案。

對(duì)比圖4-2和圖4-3可以看出：

①動(dòng)態(tài)重調(diào)度方案仍然保持了預(yù)先生產(chǎn)調(diào)度方案澆次的連澆要求。

②爐次4在EAF1上拖期，影響其后爐次生產(chǎn)，通過迭代遞推算法將爐次4 及其后的爐次順延，解決了因爐次4拖期導(dǎo)致的延時(shí)問題。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本章提出的二階段遺傳算法很好的解決了生產(chǎn)過程中的擾動(dòng)因素，算法是可行有效的。

4.5本章小結(jié)

在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，按照生產(chǎn)計(jì)劃生產(chǎn)的調(diào)度方案往往遇到生產(chǎn)擾動(dòng)的影響，無法順利的執(zhí)行下去，需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)重調(diào)度。本章分析了電爐煉鋼-連鑄生產(chǎn)過程中的擾動(dòng)分類，并且根據(jù)動(dòng)態(tài)重調(diào)度的特點(diǎn)，將重調(diào)度的爐次分為正在生產(chǎn)爐次和未生產(chǎn)爐次，提出先根據(jù)擾動(dòng)分類安排生產(chǎn)爐次，然后對(duì)未生產(chǎn)爐次亟新生成調(diào)度方案的兩階段方案。釆用實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行的實(shí)例流證表明，本章的動(dòng)態(tài)無調(diào)度方案能可以根據(jù)生產(chǎn)擾動(dòng)的不同,依賴實(shí)時(shí)監(jiān)控信息,制定出可行的重調(diào)度方案。

5.1論文總結(jié)

電爐煉鋼-連鑄的生產(chǎn)調(diào)度與動(dòng)態(tài)重調(diào)度問題是多工藝路徑、多并行機(jī)、 多約束下的受隨機(jī)生產(chǎn)擾動(dòng)影響的NP難題，現(xiàn)有的理論方法在具體的生產(chǎn)過程中存在一定的局限。本文以電爐煉鋼-連鑄的實(shí)際生產(chǎn)過程為基礎(chǔ)，以電爐煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度方案的制定問題作為研究對(duì)象，圍繞著生產(chǎn)調(diào)度與動(dòng)態(tài)重調(diào)度兩類問題，建立了抽象的數(shù)學(xué)模型、提出了生產(chǎn)調(diào)度的制定方法、動(dòng)態(tài)重 調(diào)度的實(shí)現(xiàn)思路，研究成果總結(jié)如下：

(1)系統(tǒng)總結(jié)了生產(chǎn)調(diào)度與動(dòng)態(tài)重調(diào)度的研究成果，介紹了生產(chǎn)調(diào)度問題的研究現(xiàn)狀、不足點(diǎn)以及發(fā)展的趨勢(shì)，歸納了動(dòng)態(tài)重調(diào)度問題的內(nèi)容與特點(diǎn), 研究了生產(chǎn)調(diào)度問題的主要理論、方法及技術(shù)。

(2)詳細(xì)分析了電爐煉鋼-連鑄的工藝特點(diǎn)及其約束條件，將電爐煉鋼- 連鑄的生產(chǎn)流程抽象為帶批量約束的并行機(jī)job-shop調(diào)度問題，在此基礎(chǔ)上建立了以滿足連澆生產(chǎn)等約束條件，以最小化總完成時(shí)間為目標(biāo)函數(shù)的電爐煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度數(shù)學(xué)模型。

(3)提出一種求解電爐煉鋼-連鑄生產(chǎn)調(diào)度方案制定問題的改進(jìn)的遺傳算法，基于改進(jìn)隨機(jī)鍵的實(shí)數(shù)矩陣編碼方法，使用順工序工藝路徑和逆工序工藝路徑兩種算法得到最終的生產(chǎn)調(diào)度方案，釆用分段交叉和分段變異的方式，交叉和變異概率是自適應(yīng)的，通過與簡(jiǎn)單遺傳算法的數(shù)據(jù)比較，證明了本算法的優(yōu)越性。

(4)針對(duì)生產(chǎn)擾動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)重調(diào)度問題，提出了一種基于擾動(dòng)分類的二階段遺傳算法，將生產(chǎn)爐次分為正在生產(chǎn)爐次和未生產(chǎn)爐次，對(duì)于正在生產(chǎn)爐次，通過針對(duì)特定擾動(dòng)分類的動(dòng)態(tài)重調(diào)度策略，安排新的加工順序與時(shí)間， 然后更新所有工序的最早可加工時(shí)間，利用遺傳算法重新生成調(diào)度方案。

總結(jié)

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