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具有柔性资源约束的优化调度问题研究

黄敏镁  
【摘要】: 柔性资源客观地存在于企业经营运作的各个环节。产品开发和生产是制造型企业运营的两个关键环节,产品开发项目调度和车间调度问题是这两个关键环节中的核心问题。本文主要对具有柔性资源约束的产品开发项目调度和流水车间调度相关问题展开研究。具有柔性资源约束的调度问题比经典调度问题更为复杂,都是强NP-hard问题。解决问题的核心是模型和算法,有效的调度算法,可以大大提高资源的利用率和生产效益。因此,研究具有柔性资源约束的调度问题不仅具有较大的理论意义,而且具有相当高的实用价值。本文的研究以国内外已有的关于项目调度和车间调度等问题的最新研究成果为基础,采取系统建模方法、优化理论、人工智能和Matlab6.5编程与仿真等手段进行研究,提出问题的数学表示方法、构建有效的求解算法,得出有利于企业生产发展的参考性建议。本文主要围绕下述几个方面展开研究工作并取得了以下成果: (1)分析柔性的基本概念,给出了柔性资源的定义,并提出采用资源—能力矩阵对资源柔性分布进行表示的方法和资源柔性程度的度量方法。 (2)讨论了经典资源约束项目调度问题和流水车间调度问题的基本理论和研究现状,通过对经典调度问题基本假设的分析,提出了突破这些假设的本文所要研究的3个主要问题:具有柔性资源约束的产品开发项目调度问题,具有柔性资源约束的流水车间调度问题和具有学习效应的柔性资源约束流水车间调度问题。 (3)对具有柔性资源约束的产品开发项目调度问题进行深入研究:提出了具有柔性资源约束项目调度问题(FRCPSP)的数学表示方法;设计了问题求解的改进遗传算法,采用基于优先权的自然数编码方法,提出了采用拓扑排序和最大流理论相结合的解码方法,并设计了适用于该问题的遗传算子;通过计算机数据实验验证了算法求解问题的性能,说明了不同资源柔性程度和资源的技能分布对项目总工期的影响,指出合理的柔性资源调度方案对提高产品开发系统效率的作用。 (4)对最小化调度时间表长为目标函数的具有柔性资源约束的流水车间调度(FRCFSS)问题进行了研究:阐述了问题的假设条件,建立了整数规划模型;分析了问题的强NP-hard特性;提出了有机结合启发式算法、遗传算法和禁忌搜索算法的问题求解的改进算法(MA),该算法由3个模块构成,分别用于求解作业排序、柔性资源分配和工序开始时间3个子问题;大量的计算机数据实验说明该算法具有较好的鲁棒性和收敛性;通过比较经典流水车间调度问题和FRCFSS问题的求解结果,说明了对柔性资源合理调度,改进了流水车间的生产绩效。 (5)对具有学习效应的柔性资源约束流水车间调度(FRCFSSLE)问题进行了探讨:对问题进行了描述,分析了问题的复杂性;提出了求解FRCFSSLE问题的启发式算法,该算法由作业排序和资源配置与开工时间计算2个模块组成;经过小规模数据实验和大规模数据实验说明了最优柔性资源配置的原则,证明了该启发式算法的有效性,并说明了考虑柔性资源的学习效应对流水车间进行优化调度可以更有效地利用柔性资源、提高车间的生产效率。


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