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批处理过程生产调度自组织优化方法

梁涛  
【摘要】:生产调度作为企业综合自动化系统的重要组成部分,是生产管理的核心问题,也是实现现代工业生产优化运行的一个关键问题。合理的生产调度方法对企业生产品质、生产效率、能源效率的提高和经济效益的增长起着至关重要的作用,而对于产品种类多样、生产模式灵活的批处理过程来说,其作用更加突出。批处理过程作为流程工业的一种典型形式,特别适合生产批量小、附加值高的产品,在制药、食品、染料和特种化工等工业生产中占有很大比重。批处理过程固有的灵活性决定了它可以通过合理的生产调度达到增产降耗和节能减排等目的。然而,批处理生产过程是一类典型的复杂过程,其非线性、多约束、多存储策略和多资源相互协调等特点给生产调度优化的实现带来了很大困难,随着规模的增大,其调度复杂性也大大增加,使得现有的调度优化方法在解决此类问题时面临着很大挑战。当前实际工程应用中的批处理过程生产调度仍然停留在主要依靠人工经验的阶段,无法真正满足现代化大生产的需要。因此,寻求一种适用于大规模问题的、能够有效驾驭复杂性和灵活适应批处理过程调度环境的生产调度优化方法,是目前亟待解决的一大问题。针对该问题,研究适合批处理过程生产调度的优化方法,对于调度优化理论的发展和企业效益的提高具有重要的理论价值和现实意义,这也是本文研究的出发点。 自组织理论与方法的发展为批处理过程生产调度优化问题的解决提供了一条新的思路。自组织所具有的驾驭复杂性的能力和自动趋优能力使其在解决复杂优化问题中具有很大优势。本文研究的目标是以现有的自组织理论与方法为指导,结合批处理过程生产调度的特点,构建适合批处理调度的自组织单元个体和自组织机制,针对常见的批处理过程生产调度问题,提出几种灵活高效的自组织优化新方法,研究提高自组织优化收敛速度的改进策略,为复杂批处理过程调度优化问题的解决提供有效的求解思路。 在回顾了批处理过程生产调度方法的研究与发展历史,阐述了现有调度方法的研究现状和不足之后,本文对批处理过程生产调度的自组织优化方法进行了深入、细致的研究,主要的研究工作概括如下: (1)在对多级批处理过程生产调度问题特征进行分析的基础上,提出了适合解决典型多级批处理调度问题的自组织优化方法,构建了多级批处理调度自组织优化模型和优化算法。针对多级批处理过程中的批次、设备、资源等多类个体的特点及其关联,基于自组织的思想与原则,给出了自组织单元与自组织优化模型的构建方法:结合生产调度问题约束,指出了自组织过程中各类自组织单元遵循的行为准则,提出了适合多级批处理调度问题特征的“业务办理”自组织机制;针对静态调度问题和动态调度问题分别设计了自组织优化算法,并讨论了算法参数的合理取值;仿真实验结果表明该方法建模灵活、可扩展性强,能够有效解决多级批处理调度问题,特别是对于大规模调度问题的解决,与现有的数学规划方法相比具有明显优势。 (2)针对带订单分批的多级批处理调度问题的复杂性,提出了基于启发式规则的订单分批优化策略,给出了适合该类调度问题的带启发式分批规则的自组织优化方法。首先建立了带订单分批的多级批处理调度自组织优化模型,基于批处理调度中的订单分批问题,给出了启发式分批规则保证分批方案最优化的相关定理和证明,在此基础上,构建了分批优化算法和带订单分批的批处理调度自组织优化算法,并讨论了算法的收敛性。经过实例求解与验证,本方法可快速获得问题的优化调度方案,求解时间随着问题规模增大呈近似线性增长,可以有效解决大规模调度问题。 (3)考虑批处理调度中批次切换时间、批次切换成本以及批量的分割给调度问题带来的复杂性,结合启发式规则,提出了一种解决带批量分割批处理调度问题的自组织优化方法。一方面,针对批次切换引起的时间和成本消耗对调度结果的影响,基于最小切换规则,提出了基于友好度的自组织选择策略;另一方面,构建了批量分割自组织单元,并将其纳入到自组织优化模型中,为满足各种产品加工需求,提出了基于最小响应的批量分割策略;然后,基于这些策略构建了带批量分割批处理调度问题的自组织优化算法。仿真结果表明了该方法不但具有较快的求解速度,而且具有较好的寻优性能。 (4)鉴于带启发式规则的自组织优化方法在解决批次处理时间随批量变化的订单分批与批次调度优化问题时遇到的困难,提出了一种基于混沌搜索的批处理调度自组织优化方法。该方法采用了混沌优化的思想,应用混沌搜索来实现订单分批中连续批量大小的寻优。在分析订单分批约束的基础上,同时引入变尺度搜索策略和启发式规则指导下的影子变异策略,设计了基于混沌搜索的订单分批策略,构建了相应的自组织优化算法。新算法融合了混沌搜索和原有自组织优化的优势,扩展了自组织优化对连续批量寻优的能力。变尺度搜索策略和启发式规则的引入,有利于减小算法的搜索空间,提高其求解效率。仿真结果表明了该方法特别适合解决批次处理时间随批量变化的多级批处理调度问题,对于较大规模问题的求解性能优于现有的基于混合整数线性规划模型的调度方法。 (5)针对自组织优化方法求解结果的不稳定性和收敛速度不易把握的不足,提出了一种适合多级批处理过程生产调度的监督自组织优化方法。该方法在原有的自组织优化模型的基础上,引入了监督单元,对自组织优化过程进行监视和引导,从而构成了监督自组织优化模型;结合多级批处理过程生产调度的特点,针对自组织优化过程中存在的不足设计了多种监督策略,在此基础上,构建了监督自组织优化算法。监督策略弥补了原有自组织优化方法的不足,能够有效减少自组织过程中劣质解的产生,提高了自组织优化的求解效率。仿真实验结果表明了监督自组织优化方法能够获得更满意的调度结果。监督的引入,能够有效加快自组织优化过程的收敛速度,提高自组织优化求解的稳定性。 本文最后在总结全文工作的基础上,指出了自组织优化方法有待进一步研究的问题和方向。


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