【摘要】：Job Shop制造環(huán)境中的不確定因素,如隨機(jī)機(jī)器故障、刀具或物料短缺、工人熟練程度差異等,均會(huì)造成加工時(shí)間隨機(jī)變化,這會(huì)導(dǎo)致調(diào)度實(shí)際執(zhí)行效果偏離最優(yōu)調(diào)度方案,嚴(yán)重情況下可能造成交貨期、工人和原材料的配置等發(fā)生改變,從而影響車間的生產(chǎn)成本、系統(tǒng)穩(wěn)定性和客戶滿意度。為保證加工時(shí)間隨機(jī)變化條件下生產(chǎn)調(diào)度方案的穩(wěn)定、高效執(zhí)行,在優(yōu)化調(diào)度性能的同時(shí)降低潛在擾動(dòng)對(duì)調(diào)度性能的影響,研究加工時(shí)間具有隨機(jī)性的Job Shop調(diào)度問(wèn)題(Stochastic Job Shop Scheduling Problems,SJSSP)具有重要理論及實(shí)踐意義。本文針對(duì)加工時(shí)間具有隨機(jī)性的Job Shop調(diào)度問(wèn)題,采用魯棒調(diào)度的方法,系統(tǒng)研究了不同約束下基于加工時(shí)間場(chǎng)景的SJSSP魯棒調(diào)度問(wèn)題,為調(diào)度決策者快速提供兼顧性能和魯棒性的調(diào)度方案。首先,考慮不確定因素對(duì)加工時(shí)間隨機(jī)性的影響,研究了基于加工時(shí)間隨機(jī)場(chǎng)景的SJSSP魯棒調(diào)度問(wèn)題;進(jìn)而,針對(duì)工人負(fù)面主觀因素導(dǎo)致的工人故意推遲開(kāi)工或拖延而產(chǎn)生資源浪費(fèi)和調(diào)度紊亂,研究了考慮工人負(fù)面主觀因素的SJSSP魯棒調(diào)度問(wèn)題;最后,考慮實(shí)際制造環(huán)境中工人熟練程度對(duì)加工時(shí)間隨機(jī)性的控制作用,研究了機(jī)器-工人雙資源約束的SJSSP魯棒調(diào)度問(wèn)題。主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:1.考慮加工時(shí)間隨機(jī)性的SJSSP魯棒調(diào)度問(wèn)題建模根據(jù)SJSSP魯棒調(diào)度子問(wèn)題特點(diǎn),采用對(duì)應(yīng)的魯棒調(diào)度方法建立了三種魯棒調(diào)度模型。首先,采用期望性能作為魯棒性評(píng)價(jià)指標(biāo)建立基于加工時(shí)間隨機(jī)場(chǎng)景仿真的SJSSP魯棒調(diào)度模型(SJSSP robust scheduling based on stochastic scenarios of processing times,SJSSP-SSP);其次,考慮Job Shop制造系統(tǒng)中工人“學(xué)生綜合癥”和“帕肯森定律”兩種典型負(fù)面主觀因素,采用“軌道執(zhí)行策略”降低工人負(fù)面主觀因素對(duì)調(diào)度過(guò)程的不利影響,建立基于加工時(shí)間期望場(chǎng)景的SJSSP魯棒調(diào)度模型(SJSSP robust scheduling based on expected scenarios of processing times,SJSSP-ESP);最后,考慮工人熟練程度對(duì)加工時(shí)間隨機(jī)性的控制,建立機(jī)器-工人雙資源約束下基于加工時(shí)間期望場(chǎng)景的SJSSP魯棒調(diào)度模型(Dual-Resource Constrained SJSSP-ESP,DR-SJSSP-ESP)。2.基于加工時(shí)間隨機(jī)場(chǎng)景仿真的SJSSP魯棒調(diào)度研究提出了包含評(píng)價(jià)空間縮減策略的混合分布估計(jì)算法求解SJSSP-SSP。首先,為提升算法求解性能,提出一種基于分布估計(jì)算法(Estimation of Distribution Algorithm,EDA)的混合算法(HEDA)。進(jìn)而,為提升SJSSP-SSP的求解效率,提出評(píng)價(jià)空間縮減策略(Reduction Strategy,RS),并嵌入HEDA構(gòu)造改進(jìn)的RS-HEDA。仿真結(jié)果表明HEDA的優(yōu)化性能優(yōu)于五種現(xiàn)有典型算法;RS-HEDA可在不降低優(yōu)化性能的前提下,顯著提升SJSSP-SSP的求解效率;通過(guò)制造企業(yè)調(diào)度案例的仿真,驗(yàn)證了模型和算法用于實(shí)際調(diào)度問(wèn)題的有效性。3.基于加工時(shí)間期望場(chǎng)景的SJSSP魯棒調(diào)度研究提出了基于魯棒性代理指標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化算法求解SJSSP-ESP。首先,針對(duì)魯棒性仿真評(píng)價(jià)效率低下的問(wèn)題,利用加工時(shí)間的隨機(jī)信息及調(diào)度方案的擾動(dòng)吸收能力信息,提出了兩種基于關(guān)鍵和非關(guān)鍵工序集的魯棒性代理指標(biāo)。針對(duì)此模型雙目標(biāo)優(yōu)化的需求,提出了基于改進(jìn)非支配排序的多目標(biāo)HEDA。采用此算法,通過(guò)將所提出的魯棒性代理指標(biāo)與現(xiàn)有三種典型代理指標(biāo)進(jìn)行比較,驗(yàn)證了所提出的代理指標(biāo)用于SJSSP-ESP魯棒性評(píng)價(jià)的有效性。進(jìn)而,采用多目標(biāo)HEDA,將所提出的魯棒性代理指標(biāo)用于SJSSP-ESP魯棒調(diào)度,并與基于仿真的魯棒性指標(biāo)在多個(gè)維度下進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了所提出的魯棒性代理指標(biāo)在顯著提升計(jì)算效率的同時(shí)可得到性能優(yōu)異的Pareto解集。最后,通過(guò)制造企業(yè)調(diào)度案例的仿真,驗(yàn)證了所提魯棒性代理指標(biāo)和算法用于實(shí)際Job Shop魯棒調(diào)度的有效性。4.機(jī)器-工人雙資源約束下基于加工時(shí)間期望場(chǎng)景的SJSSP魯棒調(diào)度研究提出了機(jī)器-工人兩階段指派方法和雙資源約束下的魯棒性代理指標(biāo),并采用多目標(biāo)HEDA求解DR-SJSSP-ESP。首先,建立了工人熟練程度與加工時(shí)間隨機(jī)性的關(guān)系模型;進(jìn)而,提出了基于工人熟練程度和負(fù)載均衡的機(jī)器-工人兩階段指派策略;最后,為提高多目標(biāo)HEDA魯棒性評(píng)價(jià)的效率,在分析工序間加工時(shí)間擾動(dòng)傳播過(guò)程的基礎(chǔ)上,提出基于擾動(dòng)傳播的魯棒性代理指標(biāo)。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的魯棒性代理指標(biāo)的有效性以及兩階段指派策略對(duì)于調(diào)度性能優(yōu)勢(shì);進(jìn)而,采用多目標(biāo)HEDA,通過(guò)對(duì)DR-SJSSP-ESP進(jìn)行Pareto魯棒調(diào)度優(yōu)化結(jié)果的分析,驗(yàn)證了采用所提出的指派策略和基于擾動(dòng)傳播的魯棒性代理指標(biāo)可得到性能優(yōu)異的Pareto解集,且問(wèn)題求解效率顯著提升。最后,通過(guò)從制造系統(tǒng)中抽取的調(diào)度案例仿真,驗(yàn)證了所提指派策略和魯棒性代理指標(biāo)用于解決雙資源約束下實(shí)際Job Shop魯棒調(diào)度問(wèn)題的有效性。
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O224;F273
【圖文】：

圖 4-4 算例 FT10_SPT 在不同 UL 下的魯棒性均值與 Makespan 均值變化圖 4-5 算例 LA21_SPT 在不同 UL 下的魯棒性均值及 Makespan 均值由圖4-4和圖4-5中右圖中曲線可以看出，同等UL下，當(dāng)關(guān)注魯棒性，Makespan指標(biāo)表現(xiàn)出最差魯棒性；由左圖中看出，當(dāng)關(guān)注 Makespan，魯棒性指標(biāo)得到了最差 Makespan。在分析所提出的 SM-CO 的性能之前，先對(duì)圖中 Makespan 隨 UL 增加的趨勢(shì)進(jìn)行討論。隨著 UL 的增加，SM-CO 與 RMsim 優(yōu)化得到的平均 Makespan值有降低的趨勢(shì)。原因是更多的隨機(jī)擾動(dòng)工序帶來(lái)更嚴(yán)重的隨機(jī)擾動(dòng)，調(diào)度結(jié)構(gòu)中的松弛時(shí)間無(wú)法吸收

圖 4-4 算例 FT10_SPT 在不同 UL 下的魯棒性均值與 Makespan 均值變化圖 4-5 算例 LA21_SPT 在不同 UL 下的魯棒性均值及 Makespan 均值由圖4-4和圖4-5中右圖中曲線可以看出，同等UL下，當(dāng)關(guān)注魯棒性，Makespan指標(biāo)表現(xiàn)出最差魯棒性；由左圖中看出，當(dāng)關(guān)注 Makespan，魯棒性指標(biāo)得到了最差 Makespan。在分析所提出的 SM-CO 的性能之前，先對(duì)圖中 Makespan 隨 UL 增加的趨勢(shì)進(jìn)行討論。隨著 UL 的增加，SM-CO 與 RMsim 優(yōu)化得到的平均 Makespan值有降低的趨勢(shì)。原因是更多的隨機(jī)擾動(dòng)工序帶來(lái)更嚴(yán)重的隨機(jī)擾動(dòng)，調(diào)度結(jié)構(gòu)中的松弛時(shí)間無(wú)法吸收

西北工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文據(jù)低于 P-Set 對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，處于 28.57%~100%之間，表明兩種指 Pareto 前沿中互不支配的 Pareto 解的比例更高。 SC (CO1,Sim明顯低于 SC (Sim,CO1)對(duì)應(yīng)的兩組數(shù)據(jù)，例如對(duì)于 FT06_SPT，蓋率分別為 42.21%和 93.75%，說(shuō)明 RMsim 得到了更好的 Pa P-Front 對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分別為 25%和 85.7%，同樣說(shuō)明了 RMsim比 RMsim 與 SM-CO2 的 P-Set 對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，8 組算例中有 6 組 R LA26_SPT 和 LA32_SPT 兩組算例中其數(shù)值為 65.08%和 73的對(duì)應(yīng)值 95.24%和 95.26%，說(shuō)明總體上 RMsim 仍占據(jù)優(yōu)勢(shì)。對(duì)RMsim 同樣占據(jù)優(yōu)勢(shì)。為對(duì)比各支配率指標(biāo)的總體均值，給同 SC 關(guān)系下的總體均值對(duì)比曲線。

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