本發(fā)明涉及車間調(diào)度技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種面向流水車間的多目標(biāo)調(diào)度優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

流水車間調(diào)度問題通?？梢悦枋鰹椋阂慌庸さ墓ぜ?，按照一定的順序依次通過特定的加工系統(tǒng)進(jìn)行加工，各工件加工工序相同，且每臺(tái)機(jī)床對(duì)應(yīng)一道工序，在滿足一定約束條件的同時(shí)，通過調(diào)度工件加工順序，合理分配系統(tǒng)資源，使得一些指標(biāo)最優(yōu)。流水車間調(diào)度作為典型的生產(chǎn)作業(yè)模式，在離散制造業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，因此對(duì)流水車間的調(diào)度問題展開研究具有很重要的理論和工程應(yīng)用價(jià)值。

目前，大量學(xué)者從不同的生產(chǎn)角度出發(fā)，建立了相應(yīng)的生產(chǎn)模型進(jìn)而對(duì)車間生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化問題進(jìn)行求解。但這些模型多針對(duì)固定的單個(gè)或多個(gè)優(yōu)化指標(biāo)進(jìn)行調(diào)度，如基于生產(chǎn)效率的車間調(diào)度，基于成本和能耗的車間調(diào)度等，具有較強(qiáng)的專一性與針對(duì)性。隨著社會(huì)進(jìn)步，市場競爭壓力的加劇，車間實(shí)際生產(chǎn)過程中，經(jīng)常面臨企業(yè)生產(chǎn)效率亟待提升、經(jīng)濟(jì)效益需求增大以及環(huán)境問題日益嚴(yán)重等各方面的壓力，車間需要隨時(shí)根據(jù)企業(yè)外部需求選擇相應(yīng)的生產(chǎn)策略。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)于如何增強(qiáng)流水車間生產(chǎn)調(diào)度應(yīng)變能力的問題，尚缺乏有效的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種面向流水車間的多目標(biāo)調(diào)度優(yōu)化方法，具有高效、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的效果，根據(jù)企業(yè)需求，通過層次分析法決策各指標(biāo)權(quán)重，利用遺傳算法對(duì)此問題進(jìn)行尋優(yōu)迭代，獲取調(diào)度優(yōu)化方案。

本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種面向流水車間的多目標(biāo)調(diào)度優(yōu)化方法，包括以下步驟：

步驟1：將流水車間的生產(chǎn)過程劃分為加工、等待、調(diào)整和運(yùn)輸四個(gè)階段；

步驟2：流水車間的運(yùn)作時(shí)間分為加工時(shí)間、等待時(shí)間、調(diào)整時(shí)間和運(yùn)輸時(shí)間，建立流水車間的運(yùn)作時(shí)間模型；

步驟3：將流水車間生產(chǎn)過程中消耗的總成本分為機(jī)床加工成本、機(jī)床等待成本、機(jī)床調(diào)整成本和工件運(yùn)輸成本，建立流水車間的總成本模型；

步驟4：將流水車間能耗分為機(jī)床能耗、運(yùn)輸能耗和公共輔助能耗，建立流水車間的總能耗模型；

步驟5：將時(shí)間、成本、能耗的多目標(biāo)模型轉(zhuǎn)換成單目標(biāo)生產(chǎn)運(yùn)作模型；

步驟6：流水車間的單目標(biāo)生產(chǎn)運(yùn)作模型求解。

進(jìn)一步的，所述的步驟1中將加工、調(diào)整和等待階段對(duì)應(yīng)機(jī)床行為，運(yùn)輸階段對(duì)應(yīng)工件在不同機(jī)床之間的行為。

進(jìn)一步的，所述的步驟2中加工時(shí)間pttotal為從工件到達(dá)后機(jī)床開始加工工件到完成加工需求所占用的時(shí)間；等待時(shí)間wttotal為機(jī)床加工工件時(shí)，由于工件未到達(dá)機(jī)床等待產(chǎn)生的閑置時(shí)間；調(diào)整時(shí)間attotal為上一工件加工結(jié)束后機(jī)床更換刀具、夾具為下一工件加工做準(zhǔn)備占用的時(shí)間；運(yùn)輸時(shí)間tttotal為將工件從上一臺(tái)機(jī)床運(yùn)送到下一臺(tái)機(jī)床的時(shí)間。

進(jìn)一步的，所述的步驟3中所述的生產(chǎn)過程中消耗的總成本還包括機(jī)床運(yùn)行過程中的耗電量，忽略機(jī)床調(diào)整時(shí)間帶來的成本消耗；即所述的流水車間的總成本c為機(jī)床加工成本pcost、機(jī)床等待成本wcost、工件運(yùn)輸成本tcost和車間能耗成本ecost之和。

進(jìn)一步的，所述的步驟4中機(jī)床能耗包括生產(chǎn)運(yùn)作過程中機(jī)床加工能耗、機(jī)床等待能耗和機(jī)床調(diào)整能耗；所述的運(yùn)輸能耗包括車間運(yùn)輸各工件到相應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)生的能耗。

進(jìn)一步的，所述的機(jī)床加工能耗pe為各機(jī)床在對(duì)工件進(jìn)行加工的過程中產(chǎn)生的能量消耗；所述的機(jī)床等待能耗we為機(jī)床由于工件未到達(dá)而產(chǎn)生的閑置能耗；所述的調(diào)整能耗ae為機(jī)床加工上一工件結(jié)束后更換夾具、刀具過程產(chǎn)生的能量消耗；所述的運(yùn)輸能耗te為將工件由上一臺(tái)機(jī)床運(yùn)送到下一臺(tái)機(jī)床進(jìn)行加工的過程中產(chǎn)生的能量消耗；所述的公共輔助能耗pce表示整個(gè)加工過程中車間基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行產(chǎn)生的能量消耗，主要包括看板、照明燈、排風(fēng)扇等基礎(chǔ)設(shè)施的能耗，且多以電量度量。

進(jìn)一步的，所述的步驟5中以α表示時(shí)間權(quán)重，β表示成本權(quán)重，γ表示能耗權(quán)重，以fnorm(x)表示歸一化函數(shù)，單目標(biāo)生產(chǎn)運(yùn)作模型表示為：

minzobject＝α·fnorm(t)+β·fnorm(c)+γ·fnorm(e)

s.t.α+β+γ＝1

t≤t0

e≤e0

c≤c0

其中，t表示車間生產(chǎn)總時(shí)間；c表示車間生產(chǎn)總成本；e表示車間總能耗；t0表示車間加工時(shí)間約束；e0表示車間加工能耗約束；c0表示車間加工成本約束。

進(jìn)一步的，采用層次分析法對(duì)時(shí)間、成本、能耗的權(quán)重進(jìn)行賦值。首先根據(jù)9標(biāo)度法對(duì)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行打分，通過生成的判斷矩陣，根據(jù)幾何平均法計(jì)算各部分權(quán)重，經(jīng)過一致性檢驗(yàn)后，得到合適的權(quán)重系數(shù)。

進(jìn)一步的，所述的步驟6中采用遺傳算法對(duì)生產(chǎn)運(yùn)作模型進(jìn)行尋優(yōu)迭代，得到工件最優(yōu)調(diào)度方案。

進(jìn)一步的，所述的迭代步驟包括：

(1)編碼；(2)染色體種群初始化；(3)適應(yīng)度函數(shù)；(4)判斷條件；(5)選擇算子；(6)交叉算子；(7)變異算子。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明面向流水車間，綜合考慮了車間生產(chǎn)加工過程的時(shí)間、成本、能耗三方面內(nèi)容，基于歸一加權(quán)方法，將多目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)生產(chǎn)運(yùn)作模型，通過層次分析法決策得到各指標(biāo)權(quán)重，運(yùn)用ga算法優(yōu)化獲得最優(yōu)加工方案；

(2)根據(jù)流水車間生產(chǎn)需求，提出綜合、高效、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)四種典型的生產(chǎn)模式，通過專家根據(jù)九標(biāo)度法打分生成的判斷矩陣計(jì)算得到各生產(chǎn)模式的指標(biāo)權(quán)重；企業(yè)可根據(jù)車間生產(chǎn)需求，依據(jù)敏感性分析選擇相應(yīng)模式的權(quán)重進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化，獲取符合實(shí)際情況的調(diào)度方案；

(3)本發(fā)明以流水車間齒輪油泵四個(gè)零件的加工調(diào)度為例，進(jìn)行了模型的應(yīng)用驗(yàn)證；在案例分析中，利用敏感性分析法進(jìn)一步研究了權(quán)重系數(shù)對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響，為企業(yè)對(duì)生產(chǎn)模式的選擇和決策提供依據(jù)；

(4)本發(fā)明的研究對(duì)象是針對(duì)各零件加工工序相同，各工序只能在一臺(tái)機(jī)床上加工的流水車間，可進(jìn)一步向各工件加工過程存在并行設(shè)備的混合流水車間或其他生產(chǎn)車間進(jìn)行拓展。

附圖說明

構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的說明書附圖用來提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，本申請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。

圖1為本發(fā)明的流水車間生產(chǎn)運(yùn)作過程圖；

圖2為本發(fā)明的層次分析法流程圖；

圖3為本發(fā)明的流水車間齒輪油泵主視圖；

圖4為本發(fā)明的流水車間齒輪油泵側(cè)視圖；

圖5為本發(fā)明綜合模式下的生產(chǎn)任務(wù)甘特圖；

圖6為本發(fā)明高效模式下的生產(chǎn)任務(wù)甘特圖；

圖7為本發(fā)明節(jié)能模式下的生產(chǎn)任務(wù)甘特圖；

圖8為本發(fā)明高效與節(jié)能模式各能耗對(duì)比圖；

圖9為本發(fā)明成本模式下的生產(chǎn)任務(wù)甘特圖；

圖10為本發(fā)明節(jié)能與經(jīng)濟(jì)模式各成本對(duì)比圖；

圖11-圖13分別為本發(fā)明的權(quán)重α、β、γ對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響曲線。

具體實(shí)施方式

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對(duì)本申請(qǐng)?zhí)峁┻M(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術(shù)所介紹的，現(xiàn)有技術(shù)中存在建立針對(duì)流水車間的多目標(biāo)生產(chǎn)調(diào)度模型應(yīng)變能力的不足，為了解決如上的技術(shù)問題，本申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N面向流水車間的多目標(biāo)調(diào)度優(yōu)化方法。

本申請(qǐng)的一種典型的實(shí)施方式中，提供了一種面向流水車間的多目標(biāo)調(diào)度優(yōu)化方法，包括以下步驟：

步驟1：將流水車間的生產(chǎn)過程劃分為加工、等待、調(diào)整和運(yùn)輸四個(gè)階段；

步驟2：流水車間的運(yùn)作時(shí)間分為加工時(shí)間、等待時(shí)間、調(diào)整時(shí)間和運(yùn)輸時(shí)間，建立流水車間的運(yùn)作時(shí)間模型；

步驟3：將流水車間生產(chǎn)過程中消耗的總成本分為機(jī)床加工成本、機(jī)床等待成本、機(jī)床調(diào)整成本和工件運(yùn)輸成本，建立流水車間的總成本模型；

步驟4：將流水車間能耗分為機(jī)床能耗、運(yùn)輸能耗和公共輔助能耗，建立流水車間的總能耗模型；

步驟5：將時(shí)間、成本、能耗的多目標(biāo)模型轉(zhuǎn)換成單目標(biāo)生產(chǎn)運(yùn)作模型；

步驟6：流水車間的單目標(biāo)生產(chǎn)運(yùn)作模型求解。

一、流水車間調(diào)度問題建模

加工、等待、調(diào)整和運(yùn)輸四個(gè)階段之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖1所示。其中機(jī)床作為車間生產(chǎn)的關(guān)鍵裝備，在生產(chǎn)調(diào)度中占有重要地位，因此將加工、調(diào)整和等待階段對(duì)應(yīng)機(jī)床行為，運(yùn)輸階段對(duì)應(yīng)工件在不同機(jī)床之間的行為。

1、流水車間生產(chǎn)時(shí)間建模

工件總加工時(shí)間反映生產(chǎn)效率，良好的生產(chǎn)效率為車間按時(shí)完成生產(chǎn)任務(wù)提供保障。根據(jù)流水車間生產(chǎn)特點(diǎn)，假設(shè)工件的加工順序?yàn)閚{j1,j2,j3...ji...jn}，依照傳統(tǒng)的車間調(diào)度方法，建立各時(shí)間的相關(guān)參數(shù)模型。

其中：st(ji,mk)表示機(jī)床上第i個(gè)工件在第k臺(tái)機(jī)床的開始加工時(shí)間；ft(ji,mk)表示機(jī)床上第i個(gè)工件在第k臺(tái)機(jī)床的完成加工時(shí)間；wttotal表示機(jī)床加工工件總的等待時(shí)間。

第1個(gè)工件在第1臺(tái)機(jī)床的開始加工時(shí)間st(j1,m1)和完成加工時(shí)間ft(j1,m1)：

st(j1,m1)＝0(1)

式中：表示第1個(gè)工件在第1臺(tái)機(jī)床的加工時(shí)間。

第1個(gè)工件在第k臺(tái)機(jī)床的開始加工時(shí)間st(j1,mk)和完成加工時(shí)間ft(j1,mk)，其中k＝2,3,4...m

式中：表示第1個(gè)工件由第k-1臺(tái)機(jī)床運(yùn)輸?shù)降趉臺(tái)機(jī)床的運(yùn)輸時(shí)間k＝2,3,4...m；表示第1個(gè)工件在第k臺(tái)機(jī)床的加工時(shí)間。

第i個(gè)工件在第1臺(tái)機(jī)床的開始加工時(shí)間st(ji,m1)和完成加工時(shí)間ft(ji,m1)：

式中：表示第i個(gè)工件在第1臺(tái)機(jī)床的調(diào)整時(shí)間；表示第i個(gè)工件在第1臺(tái)機(jī)床的加工時(shí)間。

第i個(gè)工件在第k臺(tái)機(jī)床的開始加工時(shí)間st(ji,mk)和完成加工時(shí)間ft(ji,mk)，其中

式中：表示第i個(gè)工件在第k臺(tái)機(jī)床的調(diào)整時(shí)間；表示第i個(gè)工件在第k臺(tái)機(jī)床的加工時(shí)間。

根據(jù)圖1對(duì)生產(chǎn)過程各階段的劃分將流水車間的運(yùn)作時(shí)間劃分為加工時(shí)間、等待時(shí)間、調(diào)整時(shí)間、運(yùn)輸時(shí)間四部分。

加工時(shí)間pttotal表示從工件到達(dá)后機(jī)床開始加工工件到完成加工需求所占用的時(shí)間，表示為：

等待時(shí)間wttotal表示機(jī)床加工工件時(shí)，由于工件未到達(dá)，機(jī)床等待產(chǎn)生的閑置時(shí)間，表示為：

調(diào)整時(shí)間attotal表示上一工件結(jié)束加工后機(jī)床更換刀具、夾具為加工下一工件做準(zhǔn)備占用的時(shí)間，表示為：

運(yùn)輸時(shí)間tttotal表示將工件從上一臺(tái)機(jī)床運(yùn)送到下一臺(tái)機(jī)床的時(shí)間，表示為：

2、流水車間成本建模

將流水車間生產(chǎn)過程中消耗的總成本按照車間生產(chǎn)過程劃分的各階段依次表示為機(jī)床加工成本、機(jī)床等待成本、機(jī)床調(diào)整成本、工件運(yùn)輸成本，考慮機(jī)床運(yùn)行過程的耗電量也是成本的重要組成部分加入車間能耗成本。而機(jī)床調(diào)整時(shí)間較短，忽略調(diào)整帶來的成本消耗，因此，總能耗成本表示如下：

c＝pcost+wcost+tcost+ecost(13)

式中：c表示車間總成本；pcost表示車間機(jī)床加工成本；wcost表示車間機(jī)床等待成本；tcost表示車間工件運(yùn)輸成本；ecost表示車間能耗成本。

機(jī)床加工成本pcost是指機(jī)床加工工件過程消耗的材料、人工、加工費(fèi)以及設(shè)備折舊、管理費(fèi)等費(fèi)用。機(jī)床加工成本一般是按照小時(shí)計(jì)算的，不同地域、不同設(shè)備的加工成本各不相同，數(shù)控機(jī)床的加工成本一般比普通機(jī)床的成本每小時(shí)多10-20元。

式中：upc(mk)表示單位時(shí)間第k臺(tái)機(jī)床加工成本。

機(jī)床等待成本wcost表示機(jī)床由于工件未到達(dá)，閑置空轉(zhuǎn)過程產(chǎn)生的成本。機(jī)床等待成本與機(jī)床等待時(shí)間成正比，不同機(jī)床等待不同。

1)第1臺(tái)機(jī)床的等待成本

wcost1＝0(15)

2)第k臺(tái)機(jī)床的等待成本(k＝2,3,4...m)

式中：uwc(mk)表示單位時(shí)間第k臺(tái)機(jī)床等待成本。

工件運(yùn)輸成本tcost表示agv小車將工件由上一臺(tái)機(jī)床運(yùn)送到下一臺(tái)機(jī)床過程中產(chǎn)生的成本。

1)第1臺(tái)機(jī)床工件的運(yùn)輸成本

tc1＝0(17)

2)第k臺(tái)機(jī)床工件的運(yùn)輸成本(k＝2,3,4...m)

式中：utc(mk-1，mk)表示單位時(shí)間將工件由第k-1臺(tái)機(jī)床運(yùn)送到第k臺(tái)機(jī)床的運(yùn)輸成本。

車間能耗成本ecost是指車間內(nèi)整個(gè)生產(chǎn)過程中總能耗產(chǎn)生的成本，由耗電量度量。根據(jù)我國工業(yè)電價(jià)的情況，取單位能耗成本0.725元/kw·h。

ecost＝(e·1000/3600)·(0.725)(19)

式中：e表示車間加工總能耗。

車間總成本表示為：

3、流水車間能耗建模

車根據(jù)車間生產(chǎn)運(yùn)作特點(diǎn)，將能耗依次劃分為：(1)機(jī)床能耗包括生產(chǎn)運(yùn)作過程中機(jī)床的加工能耗、等待能耗以及機(jī)床調(diào)整能耗；(2)運(yùn)輸能耗包括車間運(yùn)輸各工件到相應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)生的能耗；(3)公共輔助能耗包括車間看板、照明等輔助設(shè)施產(chǎn)生的各種公共能耗；

(1)機(jī)床能耗

加工能耗pe表示各機(jī)床在對(duì)工件進(jìn)行加工的過程中產(chǎn)生的能量消耗，主要指工件進(jìn)行生產(chǎn)加工時(shí)各機(jī)床的電量消耗。

式中：peunit(ji,mk)表示單位時(shí)間第i個(gè)工件在第k臺(tái)機(jī)床產(chǎn)生的加工能耗；m表示加工工件的機(jī)床的總臺(tái)數(shù)；n表示工件的總個(gè)數(shù)。

等待能耗we表示機(jī)床由于工件未到達(dá)而產(chǎn)生的閑置能耗，主要指機(jī)床空轉(zhuǎn)和中間某些儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的能量消耗。

式中：weunit(mk)表示單位時(shí)間第k臺(tái)機(jī)床產(chǎn)生的等待能耗。

調(diào)整能耗ae表示機(jī)床加工上一工件結(jié)束后更換夾具、刀具等過程產(chǎn)生的能量消耗。

式中：aeunit(ji,mk)表示單位時(shí)間第i個(gè)工件在第k臺(tái)機(jī)床產(chǎn)生的調(diào)整能耗。

(2)運(yùn)輸能耗

運(yùn)輸能耗te表示將工件由上一臺(tái)機(jī)床運(yùn)送到下一臺(tái)機(jī)床進(jìn)行加工的過程中產(chǎn)生的能量消耗。主要指agv小車、叉車、傳送帶等運(yùn)輸工具執(zhí)行運(yùn)輸功能時(shí)產(chǎn)生的能量消耗，多以用電量度量，取agv小車耗電量作為運(yùn)輸能耗的主要來源。

式中：teunit(mk-1,mk)表示單位時(shí)間將工件由第k-1臺(tái)機(jī)床運(yùn)送到第k臺(tái)機(jī)床產(chǎn)生的運(yùn)輸能耗。

(3)公共輔助能耗

公共輔助能耗pce表示整個(gè)加工過程中車間基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行產(chǎn)生的能量消耗，主要包括看板、照明燈、排風(fēng)扇等基礎(chǔ)設(shè)施的能耗，且多以電量度量。

pce＝pceunit·t(25)

t＝f(jn,mm)-s(j1,m1)(26)

式中：pceunit表示單位時(shí)間車間基礎(chǔ)設(shè)施消耗的公共能耗；t表示車間加工工件總時(shí)間。

因此，流水車間的總能耗e表示為：

二、流水車間生產(chǎn)運(yùn)作模型轉(zhuǎn)換

本發(fā)明綜合時(shí)間、成本、能耗三方面的需求將企業(yè)調(diào)度的多目標(biāo)模型轉(zhuǎn)換成單目標(biāo)生產(chǎn)運(yùn)作模型，如式(28)所示。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)車間隨時(shí)會(huì)面臨工件完工時(shí)間縮短、工件生產(chǎn)成本減少、大力推進(jìn)綠色性生產(chǎn)等突然改變的需求，傳統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度模型無法應(yīng)對(duì)此類情況，本發(fā)明提出的生產(chǎn)運(yùn)作模型可隨時(shí)根據(jù)需求的改變計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，建立符合實(shí)際需求的最優(yōu)調(diào)度方案。

式中：α表示時(shí)間權(quán)重；β表示成本權(quán)重；γ表示能耗權(quán)重；t表示車間生產(chǎn)總時(shí)間；c表示車間生產(chǎn)總成本；e表示車間總能耗；t0表示車間加工時(shí)間約束；e0表示車間加工能耗約束；c0表示車間加工成本約束。

fnorm(x)表示歸一化函數(shù)，指為了消除時(shí)間、成本、能耗三個(gè)指標(biāo)之間量綱的影響，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行的處理方法。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化時(shí)，將各數(shù)據(jù)映射到0～1內(nèi)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換函數(shù)如下：

α、β、γ分別為時(shí)間、成本、能耗的權(quán)重，對(duì)于三種目標(biāo)的權(quán)重問題，本發(fā)明首先采用層次分析法(ahp)進(jìn)行賦值，層次分析法的步驟如圖2所示。

根據(jù)9標(biāo)度法對(duì)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行打分，通過生成的判斷矩陣，根據(jù)幾何平均法計(jì)算各部分權(quán)重，經(jīng)過一致性檢驗(yàn)后，得到合適的權(quán)重系數(shù)。

車間生產(chǎn)運(yùn)作過程中面臨不同的生產(chǎn)需求，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生不同的車間調(diào)度模式。本發(fā)明綜合考慮流水車間的多種生產(chǎn)情況，將車間模式劃分為綜合模式、高效模式、節(jié)能模式、經(jīng)濟(jì)模式四種典型的生產(chǎn)模式，并對(duì)各模式進(jìn)行ahp決策，得到相應(yīng)模式下的權(quán)重，具體如表1所示。

其中，綜合模式將車間的時(shí)間、成本、能耗三方面指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)分，各指標(biāo)權(quán)重差別較小，企業(yè)注重三方面均衡發(fā)展；高效模式是指企業(yè)優(yōu)先偏重生產(chǎn)效率的需求，以獲取工件最短生產(chǎn)時(shí)間作為首要任務(wù)；節(jié)能模式是指能耗對(duì)企業(yè)生產(chǎn)過程約束較大，企業(yè)更注重生產(chǎn)過程對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響，以環(huán)境性問題為主要考量指標(biāo)；經(jīng)濟(jì)模式是指企業(yè)以工件最小生產(chǎn)成本為需求，更注重企業(yè)利益，將經(jīng)濟(jì)性問題作為首要目標(biāo)。

此外，通過對(duì)生產(chǎn)運(yùn)作模型的時(shí)間、成本、能耗三個(gè)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行敏感性分析，可以獲取各權(quán)重對(duì)于決策結(jié)果的偏離程度。權(quán)重系數(shù)敏感性程度越高，車間在該指標(biāo)下的變化幅度越大，生產(chǎn)模式越明顯。企業(yè)可結(jié)合需求，依據(jù)敏感性分析進(jìn)行企業(yè)調(diào)度模式的識(shí)別，進(jìn)而得到符合車間生產(chǎn)特點(diǎn)的最優(yōu)調(diào)度方案。

表1典型生產(chǎn)模式

三、流水車間的單目標(biāo)生產(chǎn)運(yùn)作模型求解

遺傳算法(geneticalgorithm)是以遺傳理論和自然選擇為基礎(chǔ)，將生物進(jìn)化過程中適者生存規(guī)則與群體內(nèi)部染色體信息隨機(jī)交換機(jī)制相結(jié)合的高效尋優(yōu)搜索算法，具有多目標(biāo)優(yōu)化、全局優(yōu)化、較強(qiáng)魯棒性等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明面向流水車間選取遺傳算法對(duì)生產(chǎn)運(yùn)作模型進(jìn)行尋優(yōu)迭代，得到工件最優(yōu)調(diào)度方案。迭代步驟如下：

(1)編碼

目前最常用的編碼方法是二進(jìn)制編碼，但此種編碼方法因高緯時(shí)編碼串長而導(dǎo)致搜索效率降低。整數(shù)編碼很好的解決了此類問題，且編碼表述簡單，清晰易懂，所以本發(fā)明選取整數(shù)編碼方式。

(2)染色體種群初始化

一般初始化的染色體種群個(gè)體的產(chǎn)生是隨機(jī)的，沒有特定的產(chǎn)生方式，采用不同的染色體編碼方式，初始種群不同。

(3)適應(yīng)度函數(shù)

本發(fā)明的優(yōu)化目標(biāo)分別為t、c、e，要求綜合三方面得到最小值，可直接將單目標(biāo)生產(chǎn)運(yùn)作模型z＝α·fnorm(t)+β·fnorm(c)+γ·fnorm(e)定為適應(yīng)度函數(shù)。

(4)判斷條件

常用條件判斷方法為迭代次數(shù)。迭代次數(shù)太小，不容易找到最優(yōu)解，迭代次數(shù)太多則效率低下，且容易混亂。

若在判斷條件范圍內(nèi)，為了維護(hù)遺傳算法遺傳多樣性，采用遺傳算子對(duì)種群進(jìn)行尋優(yōu)。遺傳算子一般分為選擇算子、交叉算子、變異算子。

(5)選擇算子

本發(fā)明采取應(yīng)用輪盤賭方法，其原理為將個(gè)體的適應(yīng)度值等價(jià)為一個(gè)輪盤，每個(gè)個(gè)體的區(qū)域角度由個(gè)體的適應(yīng)度值決定，隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)實(shí)數(shù)，實(shí)數(shù)落在的區(qū)域選擇相應(yīng)個(gè)體放入種群中。適應(yīng)度越大，則輪盤上的區(qū)域角度越大，被選擇的機(jī)率越大。

(6)交叉算子

交叉算子通過將父代染色體的部分基因交叉互換，形成新的子代個(gè)體。但在交叉過程中易產(chǎn)生不符合排序規(guī)則的重復(fù)基因，本發(fā)明采用非法基因互換的方法，將非法基因修正合法化。選用雙點(diǎn)交叉算子，交叉概率控制在0.4-0.99。

(7)變異算子

遺傳算法通過交叉后可能會(huì)出現(xiàn)早熟收斂現(xiàn)象，采用變異操作可以在一定程度上克服上述情況，增加種群的多樣性、提高解的精度。選用位點(diǎn)變異算子，變異的范圍控制在0.0001-0.1，變異后的基因同樣需要經(jīng)過修正合法化。

本申請(qǐng)的另一種實(shí)施方式中，以流水車間齒輪油泵各零件加工為例，對(duì)模型有效性和準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。在流水車間中，齒輪油泵的4個(gè)關(guān)鍵零件按照一定順序依次經(jīng)過流水線上各機(jī)床進(jìn)行加工成型。各零件在每臺(tái)機(jī)床對(duì)應(yīng)各階段的時(shí)間、能耗以及單位時(shí)間機(jī)床加工成本、機(jī)床等待成本、工件運(yùn)輸成本等矩陣如表2所示。

表2活塞生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)

企業(yè)可根據(jù)成車本間工件生產(chǎn)情況對(duì)時(shí)間、成本、能耗的范圍進(jìn)行界定，在各零件生產(chǎn)過程中，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，三個(gè)指標(biāo)的范圍分別取：時(shí)間[46，59]，成本c∈[428，519]，能耗e∈[57730,80560]。

應(yīng)用ahp方法對(duì)各指標(biāo)權(quán)重α、β、γ進(jìn)行決策時(shí)，不同的指標(biāo)權(quán)重對(duì)應(yīng)不同的調(diào)度優(yōu)化方案。本生產(chǎn)車間分別對(duì)綜合模式(均衡各指標(biāo))、高效模式(偏注重時(shí)間)、節(jié)能模式(偏注重能耗)、經(jīng)濟(jì)模式(偏注重成本)進(jìn)行尋優(yōu)迭代，求解此加工車間各模式下的調(diào)度優(yōu)化順序。

本發(fā)明以歸一加權(quán)得到的模型zobject＝α·fnorm(t)+β·fnorm(c)+γ·fnorm(e)作為目標(biāo)函數(shù)，利用遺傳算法，設(shè)定初始種群規(guī)模20個(gè)，迭代次數(shù)設(shè)為50，交叉概率設(shè)為0.7，變異概率設(shè)為0.01，在不同生產(chǎn)模式下運(yùn)行matlab程序?qū)ιa(chǎn)調(diào)度問題進(jìn)行求解。四個(gè)模式經(jīng)過分析后得到的調(diào)度優(yōu)化結(jié)果以及各模式指標(biāo)的具體耗值如表3所示。

表3運(yùn)行結(jié)果分析對(duì)比

由表3可以看出，對(duì)于綜合模式，三方面均衡發(fā)展，其各項(xiàng)指標(biāo)的值在其他模式對(duì)應(yīng)指標(biāo)值之間；對(duì)于高效模式，企業(yè)更能看重生產(chǎn)時(shí)間，以最快時(shí)間完成任務(wù)為首要目標(biāo)，時(shí)間較其他方案最短為49min；對(duì)于節(jié)能模式，企業(yè)關(guān)注節(jié)能降耗，能耗較其他方案最小為63405kj；對(duì)于經(jīng)濟(jì)模式，企業(yè)注重追求利益最大化，成本較其他方案最少為423.6364元。各生產(chǎn)模式可以在不同生產(chǎn)需求的情況下有不同的應(yīng)用。

本發(fā)明生成各模式下的生產(chǎn)任務(wù)甘特圖如圖4、圖5、圖6和圖8所示，清晰的表達(dá)出各工件的時(shí)間關(guān)系，結(jié)合生產(chǎn)工件的各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)一步對(duì)比各模式之間的特點(diǎn)。

綜合模式是企業(yè)在生產(chǎn)過程中，若沒有特殊要求，為平衡、穩(wěn)定的生產(chǎn)，一般綜合考慮各方面指標(biāo)，按照綜合模式進(jìn)行生產(chǎn)，各時(shí)間、成本、能耗的值如表3所示。

高效模式適用于生產(chǎn)任務(wù)緊迫，需要盡快完成加工的情況。對(duì)于時(shí)間，主要變量因素為工件在各機(jī)床等待時(shí)間與調(diào)整時(shí)間。從調(diào)整時(shí)間矩陣可以看出機(jī)床m3上j2→j3，j4→j1的調(diào)整時(shí)間遠(yuǎn)大于其他工件，所以機(jī)床m3加工工件時(shí)避免工件2→3調(diào)整或工件4→1的調(diào)整。對(duì)比高效模式與綜合模式，兩個(gè)模式都避免了機(jī)床m3上工件2→3、4→1的順序加工，調(diào)整時(shí)間相差不大，所以等待時(shí)間成為獲取高效模式的重要因素，通過對(duì)比綜合模式與高效模式的生產(chǎn)任務(wù)甘特圖可以看出高效模式各工件加工緊湊，總等待時(shí)間明顯少于綜合模式，且由優(yōu)化結(jié)果可知等待時(shí)間的減少導(dǎo)致了高效模式的時(shí)間比綜合模式減少近4.08％。

節(jié)能模式主要針對(duì)企業(yè)生產(chǎn)過程的環(huán)境污染問題。對(duì)于能耗，主要變量因素為調(diào)整能耗、等待能耗與公共能耗，從調(diào)整能耗矩陣得出機(jī)床m3上j1→j2，j4→j3，機(jī)床m1上j3→j4的調(diào)整能耗遠(yuǎn)大于其他工件，所以機(jī)床m1上應(yīng)避免3→4的調(diào)整，機(jī)床m3上應(yīng)避免1→2，4→3的調(diào)整。對(duì)比節(jié)能模式與高效模式，兩個(gè)模式都避免了機(jī)床m3上23、14的順序加工，從單位時(shí)間等待能耗矩陣得出機(jī)床m4的單位時(shí)間等待能耗最小，而機(jī)床m2的單位時(shí)間等待能耗最大，約為機(jī)床m2的5.3倍，所以在機(jī)床m2進(jìn)行工作時(shí)，機(jī)床等待時(shí)間最短，相應(yīng)的機(jī)床m4上等待的時(shí)間變長。經(jīng)計(jì)算得知高效模式的調(diào)整能耗約為節(jié)能模式調(diào)整能耗的4.27倍，公共能耗相差不大，綜合各能耗因子，節(jié)能模式的能耗比高效模式能耗減少了25.96％，時(shí)間只增多了6％，能耗變化顯著。

節(jié)能模式與高效模式的各部分能耗對(duì)比如圖7所示，通過分析，可以得到加工能耗、運(yùn)輸能耗是不可變的，因此通過降低等待能耗、調(diào)整能耗和公共能耗是減少生產(chǎn)過程的總能耗有效措施。

經(jīng)濟(jì)模式是企業(yè)以獲取最大利潤為前提進(jìn)行生產(chǎn)的方式。對(duì)于成本，主要影響變量為能耗成本、等待成本。從單位時(shí)間等待成本矩陣可得機(jī)床m4的單位時(shí)間等待成本最大，所以機(jī)床m4的等待時(shí)間應(yīng)該較少。對(duì)比經(jīng)濟(jì)模式與節(jié)能模式，經(jīng)過計(jì)算求得能耗模式的能耗成本為12.7691、等待成本為200，經(jīng)濟(jì)模式的能耗成本為13.1346、等待成本為184，所以綜合各成本因子，經(jīng)濟(jì)模式的成本比節(jié)能模式的成本降低3.69％，節(jié)能模式的能耗比經(jīng)濟(jì)模式降低2.86％。

經(jīng)濟(jì)模式與節(jié)能模式的各部分成本對(duì)比如圖9所示，通過分析，加工成本與運(yùn)輸成本為不可變的，加工成本和等待成本在總成本中占84.34％以上，運(yùn)輸成本次之，能耗成本最少。因此通過控制等待成本是減少加工總成本的有效方法。

為了研究權(quán)重系數(shù)對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響，進(jìn)一步識(shí)別該流水車間的生產(chǎn)調(diào)度特點(diǎn)，本發(fā)明對(duì)各權(quán)重因子進(jìn)行了敏感性分析，分別設(shè)模型權(quán)重系數(shù)α、β、γ取值范圍為[0.1，0.6]，運(yùn)行matlab程序，根據(jù)運(yùn)行結(jié)果計(jì)算得到目標(biāo)函數(shù)取值并繪制如圖10-圖12所示的權(quán)重系數(shù)對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響曲線。

通過對(duì)三次多項(xiàng)式擬合得到的影響曲線公式分析可得本活塞車間權(quán)重敏感性大小依次為即本活塞車間調(diào)度模型對(duì)能耗系數(shù)最為敏感。結(jié)合表3可以看出，不同模式的調(diào)度方案對(duì)比，車間能耗變化幅度最大約為25.96％，證明了本車間節(jié)能潛力巨大，需要特別注意能耗在車間調(diào)度過程中的影響及變化。

以上所述僅為本申請(qǐng)的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本申請(qǐng)，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本申請(qǐng)可以有各種更改和變化。凡在本申請(qǐng)的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。