线缆生产分批调度优化模型及算法研究

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线缆生产分批调度问题(Wire and Cable Production Scheduling with Lot Streaming Problem,WCPSLP)广泛存在于线缆行业的实际生产过程中。随着线缆行业市场竞争日趋激烈,提升调度效率成为企业降低成本和提高利润的关键因素之一,因此有关线缆生产调度优化方面的研究受到了学术界和工业界的广泛关注。WCPSLP是一类特殊的柔性作业分批调度问题(Flexible Job Shop Scheduling with Lot Streaming Problem,FJSLP),涉及模具资源约束和设备启动时间约束,并要求合理划分生产批次,优化生产排序和设备分配问题,使订单完工时间满足交货期要求。然而现有线缆企业仍采用以人工经验管理为主的调度方式,其主观随意性容易导致生产计划编制不合理、管理效率低等问题。超启发式算法作为一种跨领域的求解模式,因其复杂度低和可移植性强的特点成为了当下智能计算技术领域研究的热点之一。本文以准时生产为准则,采用超启发式算法对WCPSLP进行研究,研究内容如下:首先,线缆产品种类繁多、工艺复杂,通过对线缆产品和工艺流程进行分析,建立了一类带模具资源约束和设备启动时间约束的混合整数线性规划模型。其次,综合客户需求及企业管理指标,将订单提前和延期的二次函数作为准时调度方法。再次,为适应大批量生产需求,减少在制品库存,从均等子批和一致子批调度策略对WCPSLP进行优化,提出了一种基于改进序列的选择超启发式(Improved Sequence-based Selection Hyper-heuristic,IS-HH)算法,以最小化订单完工时间和截止期差距。IS-HH算法主要包含高层次启发式(High-level Heuristic,HLH)策略和低层次启发式(Low-level Heuristic,LLH)规则两个部分,通过自适应选择并组合成启发式序列以实现问题优化。最后,根据企业提供的实际生产数据,构建了两类具有不同生产规模的实例集。在此基础上,采用IS-HH算法对线缆生产均等子批和一致子批调度问题进行优化,通过对比现有线缆生产调度方法及其他智能优化算法,验证了所提算法的良好性能,并证明了一致子批相较于均等子批的批量调度策略更能适应线缆生产行业的“多品种”、“大批量”需求。目前关于线缆生产调度问题的研究仍处于起始阶段,本文提出了一种IS-HH算法解决WCPSLP,旨在为企业管理者提供良好的调度方案,进一步丰富和深化了线缆生产调度理论与方法。本文创新性可归纳如下:(1)提出了一种线缆生产调度优化的混合整数线性规划数学模型,并构建了一类面向WCPSLP的标准实例集。模型中涉及模具制造资源约束和机器启动时间约束,包含批量调度问题和生产排序优化问题。WCPSLP要求通过有效划分订单批数和子批批量,合理安排子批生产顺序和生产机器,使订单完工时间满足客户的交货期要求。根据企业提供的真实数据,对生产参数进行组合,构建了两类具有不同生产规模的实例集。(2)提出一种基于改进序列的选择超启发式算法。具体而言,IS-HH算法改进了LLH序列的执行方式,增强了序列优势,同时提出一种动态奖励机制对LLH进行反馈调节,并利用Metropolis准则保持优化过程中解的多样性。本文设计了多个面向批量调度的LLH规则以构建分批调度LLH集合。此外,本文设计了一种多层向量结构的编码方案以表示问题可行解,并提出基于问题约束的解码策略以生成可行调度方案。
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