基于生產擾動分類的二階段遺傳算法求解動態重調度問題

4.1引言

電爐煉鋼-連鑄生產對整個生產的節奏要求較高，各個工序各個工位間配合要比較緊密，但實際的生產過程中總會存在許多不可避免的擾動因素，必須根據實時現場的監控數據來進行動態調度以調整原調度計劃,當鋼種冶煉質量不合格超過指定加工時間時,要調整其后爐次的開工時間以適應;當鋼種的溫度達不到澆鑄條件時, 要進行鋼種回爐補溫；當設備發生故障時，要調夠相應設備上原先分配的爐次，當設備重新啟用時，又要給其分配調度任務。對于實際生產，非常關心生產的有序進行，當出現異常擾動時，如何快速識別擾動態調整生產調度，產生新的調度方案,減少異常擾動對生產的影響。

常見的動態重調度策略有周期性重調度旳、事件驅動式的重調度的以及周期性混合事件驅動的的重調度.但是由于周期性重調度的周期參數很能確定無法有效的快退應對擾動因素；而事件驅動式重調度在應對生產過程中的擾動因素，過于頻繁的啟動重調度，降低了系統的魯棒性；混合的重調度不但沒能解決這些問題，反而増加了重調度頻率。本章提出的基于實時現場監控的事件驅動式重調度，根據不同的生產擾動提出重調度策略，并結合上-章的改進的遺傳算法，既利用了事件驅動式重調度的針對性強的特點，又實時反饋監控數據減少了重調度頻率，提高了系統的穩定性。

4.2電爐煉鋼-連鑄的生產擾動分類

對生產過程中發生的異常擾動很多，對其進行相似特征的分類，有助于找到分類擾動問題的-體化解決方法。根據總結與歸納，電爐煉鋼-連鑄的生產擾動分類如下：

⑴計劃任務擾動：因計劃任務臨時變更或錯誤產生的擾動，會更改當前正在進行的爐次和澆次計劃，見表4-1。

⑷時間因素擾動:由于生產流程的不標準導致的不能按照標準作業時間生產, 出現拖期或者提前的情況。

4.3基于生產擾動分類的二階段遺傳算法的動態重調度方法及過程

4. 3.1基于生產擾動分類的二階段遺傳算法的描述

電爐煉鋼連鑄的動態重調度的難點就在于生產擾動總是出現在調度方案正在執行的過程中，由于要維護調度方案執行的連續性，木文提出個兩階段遺傳算法

第一階段當產生生產擾動進入重調度時，通過擾動分類相對應的調度策略對正在生產爐次進行調度安排，汽出現計劃擾動時，插入緊急的爐次到未生產的爐次中; 當岀現設備擾動時，優先保證連澆，在無法保證連澆的情況下重新對爐次澆次拜序; 當出現品質擾動時，需要對出現擾動的爐次插入新的工序；當出現時間擾動時，通過迭代遞推的方式保證連澆，最后確定正在生產爐次的調度方案。此時更新所有工序機器的最早可加工時間，第二階段再對未生產爐次根據第三章的遺傳算法重新生成調度方案。整個算法的原理如圖4-1所示。

4.3.2基于生產擾動分類的動態重調度策略

基于生產擾動分類的動態重調度策略是實現第階段安撻正在生產爐次的關鍵技術，以下詳細描述他們的動態重調度策略。

⑴計劃擾動動態重調度策略

計劃擾動主要考慮的是當冇緊急爐次插入時，如何不影響現有生產的情況。此時優先完成已經在執行的澆次計劃，以正在執行的澆次計劃結束時刻作為動態重調度的開始時間，將此澆次計劃和新插入的澆次計劃合并重新排序，更新未生產調度的澆次和爐次計劃，利用改進的遺傳算法生成新的生產調度。

⑵設備擾動動態重調度策略

設備擾動主要考慮的是當設備故障后，當前正在加工的爐次及其之后的爐次都無法再執行預定計劃；當設備修復后，施新啟用此設備，加入到生產流程中去。設備故障是嚴重的生產事故，基本無法消解沖突，將此設備從可用設備中除去，重新制定澆次和爐次計劃，設備恢復時，將此設備重新加入W用設備，對未生產的澆次和爐次重新生成生產調度。

(3)品質擾動動態重調度策略

品質擾動主要考慮的是余鋼返回，即爐次即將進入連鑄工序澆筑時，其溫度不滿足連鑄澆筑的最低溫度，必須進入LF工序補溫加熱。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間設為最長加工時間，對于余鋼返回的爐次，在連鑄工序前插入LF工序，更新其工藝路徑，査找當前時刻 LF工序是否存在空閑機器加工該爐次，如存在轉步驟2,如不存在轉步驟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，標準加工肘間設定為最短加工肘間，尋找是否存在可行調度解, 如存在轉步驟4,如不存在轉步驟3。

步驟3：找到余鋼返回爐次導致的連鑄斷澆時間，斷澆爐次，更新因此沒有生 產的爐次，產生新的澆次計劃，轉步驟4。

步驟4：更新各個工序各個機器的自當前時間起最早可開工時間，當前未加工 爐次數澆次數。

(4)時間擾動動態重調度策略

時間擾動主要考慮的是工序機器上爐次加工時間比指定時間延長或者提前,導致原作業計劃產生時間沖突的問題，實際中加工時間提前可以等待直至達到指定的加.時間，不會影響到其他爐次的生產，但是爐次加工時間延長會產生時間沖突， 針對這樣的情況，使用迭代遞推算法，迭代遞推算法步驟如下：

步驟1：將因故時間延長的爐次的結束時間向后順延t分鐘，則該機器上后一盧次升始時間順延t分鐘。

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

步驟3：對后一爐次后面的一機器的爐次依次執行步驟二。 如果后面已沒有爐次，則轉步驟4。

步驟4：找到因加工時間延長的爐次導致的連續斷澆爐次，其斷澆時間，更新因此沒有生產的爐次，產生新的澆次計劃，轉步驟5。

步驟5：更新各個工序各個機器的自當前時間起最早可開工時間，當前未加工爐次數、澆次數。

4.3.3適應動態重調度問題的遺傳算法

本章的遺傳算法基于第三章的遺傳算法基礎之上，針對動態重調度的特殊約束, 在編碼階段將爐次已經經過的工序的基因值設為999,在交叉和變異階段都不參與。其次，解碼時，不再從零時刻開始，而是當前動態重調度時刻開始。其余與第三章相同。

4.4實例驗證

以第三章實例驗證中的工藝路徑、生產數據、澆次爐次信息作為基礎，使用二 階段遺傳算法進行動態重調度，預先生成的生產調度方案如圖42所示。當其執行到4:10時，正在EAF1上加工的爐次4無法按時完工，進行拖期作業，預計20分鐘后完工，系統收到擾動信號后運用時間擾動重調度策略調整時間，進行兩階段遺傳算法，得到圖4-3所示的動態重調度方案。

對比圖4-2和圖4-3可以看出：

①動態重調度方案仍然保持了預先生產調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，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拖期導致的延時問題。

以上實驗結果表明，本章提出的二階段遺傳算法很好的解決了生產過程中的擾動因素，算法是可行有效的。

4.5本章小結

在實際的生產過程中，按照生產計劃生產的調度方案往往遇到生產擾動的影響，無法順利的執行下去，需要進行動態重調度。本章分析了電爐煉鋼-連鑄生產過程中的擾動分類，并且根據動態重調度的特點，將重調度的爐次分為正在生產爐次和未生產爐次，提出先根據擾動分類安排生產爐次，然后對未生產爐次亟新生成調度方案的兩階段方案。釆用實際生產數據進行的實例流證表明，本章的動態無調度方案能可以根據生產擾動的不同,依賴實時監控信息,制定出可行的重調度方案。

5.1論文總結

電爐煉鋼-連鑄的生產調度與動態重調度問題是多工藝路徑、多并行機、 多約束下的受隨機生產擾動影響的NP難題，現有的理論方法在具體的生產過程中存在一定的局限。本文以電爐煉鋼-連鑄的實際生產過程為基礎，以電爐煉鋼-連鑄生產調度方案的制定問題作為研究對象，圍繞著生產調度與動態重調度兩類問題，建立了抽象的數學模型、提出了生產調度的制定方法、動態重 調度的實現思路，研究成果總結如下：

(1)系統總結了生產調度與動態重調度的研究成果，介紹了生產調度問題的研究現狀、不足點以及發展的趨勢，歸納了動態重調度問題的內容與特點, 研究了生產調度問題的主要理論、方法及技術。

(2)詳細分析了電爐煉鋼-連鑄的工藝特點及其約束條件，將電爐煉鋼- 連鑄的生產流程抽象為帶批量約束的并行機job-shop調度問題，在此基礎上建立了以滿足連澆生產等約束條件，以最小化總完成時間為目標函數的電爐煉鋼-連鑄生產調度數學模型。

(3)提出一種求解電爐煉鋼-連鑄生產調度方案制定問題的改進的遺傳算法，基于改進隨機鍵的實數矩陣編碼方法，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調度方案，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的，通過與簡單遺傳算法的數據比較，證明了本算法的優越性。

(4)針對生產擾動產生的動態重調度問題，提出了一種基于擾動分類的二階段遺傳算法，將生產爐次分為正在生產爐次和未生產爐次，對于正在生產爐次，通過針對特定擾動分類的動態重調度策略，安排新的加工順序與時間， 然后更新所有工序的最早可加工時間，利用遺傳算法重新生成調度方案。

總結

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