CN106920036A - 一种作业车间装备全活跃节能排程方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种作业车间装备全活跃节能排程方法，依次包括步骤用启发式算法得到原始排程方案，用基于工序的编码方式进行编码，得到原始编码序列；镜像翻转工艺路线以及原始编码序列，获得镜像工艺路线和镜像编码序列；从镜像编码序列取出工序，根据镜像工艺路线重排；计算每个装备的空闲时间，将空闲时间大于0的装备放入集合；重复从当前集合中取出时刻最大装备，对其工序按工序完成时刻进行降序排序，得到降序序列；从降序序列中第二个工序开始，对每个工序进行重新排列镜像翻转得到最终排程方案。该排程方法获得的方案在效率和能效上均有提升。本发明还公开了包括现场数据采集模块、算法库、排程模块和显示模块的排程系统。

Description

一种作业车间装备全活跃节能排程方法和系统
技术领域
本发明涉及一种作业车间排程方法和系统，特别是涉及一种作业车间装备全活跃节能排程方法和系统，属于离散制造车间智能制造技术领域。
背景技术
现代作业车间装备排程问题可描述为：若干个工件在若干台装备上加工，每个工件的加工路线给定，每个工件使用装备的顺序及每道工序所花的时间给定。排程目标是给出一种每台装备上工件的加工顺序，使得某种指标最优。传统排程问题主要考虑制造期、最大延迟时间、滞后时间等优化指标。近年来，国内外研究人员开始关注该问题的能量消耗状况。经典排程类型可分为三种类型，分别是活跃排程、半活跃排程和无延迟排程。但是以上排程类型均没有考虑排程过程中的能耗指标。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种作业车间装备全活跃节能排程方法，以保证不降低车间生产效率的前提下，降低能量消耗。本发明的另一个目的是提供一种作业车间装备全活跃节能排程系统。
本发明的技术方案是这样的：一种作业车间装备全活跃节能排程方法，依次包括以下步骤，
S01、用启发式算法对n个工件m个装备的作业车间进行求解，得到原始排程方案，并对原始排程方案用基于工序的编码方式进行编码，得到原始编码序列；
S02、沿镜像平面对工艺路线以及编码序列进行翻转，获得镜像工艺路线和镜像编码序列；
S03、按顺序依次从镜像编码序列取出工序，根据镜像工艺路线，将工件安排在对应装备的最早开始时刻加工，直至所有的工序都安排完毕，并计算所有工序的开始加工时刻和结束加工时刻；
S04、计算每个装备的空闲时间，将空闲时间大于0的装备放入一个集合中；
S05、从当前集合中取出时刻最大装备，所述时刻最大装备是当前集合中完成最后一个工序的时刻最大的装备，将所述时刻最大装备的所有工序放在一个序列中，并根据工序的完成时刻进行降序排序，获得降序序列。
S06、对每个装备的降序序列进行如下处理：从降序序列中第二个工序开始，对每个工序进行重新排列；所述重新排列的方式为：设当前装备编号为i’，当前工序用Oi’j表示，序列中的前一个工序用Oi’k表示；如果Oi’j是工件j的最后一个工序，则它的开始加工时刻调整为
Ci′j＝Si′k，Si′j＝Ci′j-ti′j，
Ci’j和Si’j分别是Oi’j的完成加工时刻和开始加工时刻，Si’k是Oi’k的开始加工时刻；
如果Oi’j不是工件j的最后一个工序，则它的开始加工时刻调整为
Ci′j＝min(Si′k,Slj)，Si′j＝Ci′j-ti′j，
Slj是工件j中Oi’j的下一道工序的开始加工时刻，ti’j是Oi’j的加工时间；
S07、将该装备从集合中移出，重复步骤S05、S06直至集合中所有装备都已取出，镜像翻转步骤S05、S06处理后的排程方案可得到最终排程方案。
进一步的，所述基于工序的编码方式为：用n×m元素的整数序列表示。
进一步的，所述原始编码序列是n×m元素的整数序列，序列中的元素取值为[1,n]，并且[1,n]中每个元素的数量是m；序列中第k个j表示第j个工件的第k个工序，k＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n。
进一步的，所述装备的空闲时间为tidle，第i个装备的空闲时间为ti idle，Ci是第i个装备完成最后一个工序的时刻，Si是第i装备开始加工第一个工序的时刻，tij是第j个工件在第i个装备上加工的时间。
优选的，所述启发式算法为转换瓶颈启发式算法、遗传算法和粒子群算法中的一种。
一种作业车间装备全活跃节能排程系统，包括现场数据采集模块：采集装备待机功率数据并打包上传至服务器；算法库：提供原始排程方案算法；排程模块：从服务器读取装备的待机功率，应用算法库得到原始排程方案，应用作业车间装备全活跃节能排程方法得到最终排程方案；显示模块：显示最终排程方案。
进一步的，所述现场数据采集模块包括若干智能电表组成RS-485网络，所述排程模块根据生产管理系统读取排程任务。
进一步的，所述显示模块显示甘特图。
本发明所提供的技术方案的优点在于，在排程过程中考虑能耗特征，获得的最终排程方案相较于现有技术的排程方案在效率和能效上均有提升。
附图说明
图1为作业车间装备全活跃节能排程系统结构示意图。
图2为一个3工件3装备的作业车间的编码解码过程。
图3为作业车间装备全活跃节能排程方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
请参见图1，作业车间装备全活跃节能排程系统包括：现场数据采集模块，多块智能电表组成RS-485网络，采集装备待机功率，通过数据集中器进行数据汇总，打包上传到固定域名的服务器；算法库，包含转换瓶颈启发式算法、遗传算法、粒子群算法等求解排程方案的启发式算法；排程模块，从MES、ERP等生产管理系统读取当天排程任务，从服务器读取装备的待机功率，应用算法库中的启发式算法求解排程方案，应用本发明所提出的作业车间全活跃节能排程方法对得到的排程方案进行节能排程；显示模块，通过显示器、打印机等显示甘特图，包含所有工序的开始加工时刻和完成加工时刻以及对应的装备等信息。
首先说明用基于工序的编码方式进行编码的方法，对一个拥有n个工件m个装备的作业车间的排程方案，用基于工序的编码方式进行编码，即用一个有n×m元素的整数序列来表示。序列中的元素取值为[1,n]，并且[1,n]中每个元素的数量恰好是m个。序列中第k个j表示第j个工件的第k个工序(k＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n)。以一个3工件3装备的作业车间为例，它的工艺路线如表1所示。以编码序列[2 1 1 2 2 3 3 1 3]为例，该序列中的三个“2”分别表示工件2的三个工序，该编码的解码过程如图2所示。
表1、3工件3装备的作业车间的工艺路线
本发明实施方式所述的作业车间装备全活跃节能排程方法是这样的：
S01、用转换瓶颈启发式算法、遗传算法或粒子群算法等启发式算法对n个工件m个装备的作业车间进行求解，得到原始排程方案，并对原始排程方案用基于工序的编码方式进行编码，得到原始编码序列。
S02、引用几何学上镜像概念，翻转所有工件的工艺路线以及原始编码序列，获得镜像编码序列；原始编码序列以c表示，镜像编码序列用c’表示。
以表2中的2工件2装备的作业车间问题为例，它的镜像工艺路线如表3所示。
表2、2工件2装备的作业车间的工艺路线
表3、2工件2装备的作业车间的镜像工艺路线
S03、按顺序依次从镜像编码序列c’取出工序，根据镜像工艺路线，将工件安排在对应装备的最早开始时刻加工，直至所有的工序都安排完毕，并计算所有工序的开始加工时刻和结束加工时刻；
S04、计算每个装备的空闲时间tidle，将空闲时间大于0的装备放入一个集合中；
Ci是第i个装备完成最后一个工序的时刻，Si是第i装备开始加工第一个工序的时刻，tij是第j个工件在第i个装备上加工的时间；
S05、从当前集合中取出时刻最大装备，所述时刻最大装备是完成最后一个工序的时刻最大的装备，即取出Ci最大的装备，将所述时刻最大装备的所有工序放在一个序列中，并根据工序的完成时刻进行降序排序，获得降序序列；
S06、对每个装备的降序序列进行如下处理：从降序序列中第二个工序开始，对每个工序进行重新排列；所述重新排列的方式为：设当前装备编号为i’，当前工序用Oi’j表示，序列中的前一个工序用Oi’k表示；如果Oi’j是工件j的最后一个工序，则它的开始加工时刻调整为
Ci′j＝Si′k，Si′j＝Ci′j-ti′j，
Ci’j和Si’j分别是Oi’j的完成加工时刻和开始加工时刻，Si’k是Oi’k的开始加工时刻；
如果Oi’j不是工件j的最后一个工序，则它的开始加工时刻调整为
Ci′j＝min(Si′k,Slj)，Si′j＝Ci′j-ti′j，
Slj是工件j中Oi’j的下一道工序的开始加工时刻，ti’j是Oi’j的加工时间；
S07、将该装备从集合中移出，重复步骤S05、S06直至集合中所有装备都已取出，镜像翻转步骤S05、S06处理后的排程方案可得到最终排程方案。
为评价应用本发明所提出的作业车间全活跃节能排程方法的效果，设定两个评价指标，分别是最大完工时间Cmax和排程过程的能耗EC。排程过程的能耗由两部分组成，分别工件加工过程的能耗ECw和装备空闲待机的能耗ECnw。由于ECw是固定的，仅需要要考虑ECnw即可。Cmax表征排程的效率，而ECnw表征能量的使用效率。
Cmax＝max{C1,C2,…,Cm}
Ci是装备i完成最后一个工序的时刻，是装备i空闲待机时的功耗，tij是工件j在装备i上加工时间。
下面结合两个具体实施例来说明本发明作业车间装备全活跃节能排程方法的优势，
实施例1为10工件5装备的作业车间的排程，表4给出了其工艺路线，
表4、一个10工件5装备的作业车间工艺路线
转移瓶颈启发式算法得到排程结果后，分别用半活跃排程方法、活跃排程方法、全活跃节能排程方法对排程结果进行重排程，它们评价指标如表5所示。装备在空闲待机时的功耗为6kW。
表5、各种方法的评价指标比较
方法 EC(kJ)
原始排程方案 682 2334
半活跃排程方法 679 2004
活跃排程方法 666 1296
全活跃节能排程方法 666 1150
实施例2为20工件5装备的作业车间的排程，表6给出了其工艺路线，
表6、一个20工件5装备的作业车间工艺路线
转移瓶颈启发式算法得到排程结果后，分别用半活跃排程方法、活跃排程方法、全活跃节能排程方法对排程结果进行重排程，它们评价指标如表7所示。装备在空闲待机时的功耗为6kW。
表7、各种方法的评价指标比较
方法 EC(kJ)
原始排程方案 1068 2784
半活跃排程方法 1064 3318
活跃排程方法 1047 2634
全活跃节能排程方法 1047 2344
从上述两实施例可以看出，本发明作业车间装备全活跃节能排程方法在效率和能效上均要优于其他排程方法。

Claims (8)

1.一种作业车间装备全活跃节能排程方法，其特征在于，依次包括以下步骤，
S01、用启发式算法对n个工件m个装备的作业车间进行求解，得到原始排程方案，并对原始排程方案用基于工序的编码方式进行编码，得到原始编码序列；
S02、镜像翻转所有工件的工艺路线以及原始编码序列，获得镜像和工艺路线镜像编码序列；
S03、按顺序依次从镜像编码序列取出工序，根据镜像工艺路线，将工件安排在对应装备的最早开始时刻加工，直至所有的工序都安排完毕，并计算所有工序的开始加工时刻和结束加工时刻；
S04、计算每个装备的空闲时间，将空闲时间大于0的装备放入一个集合中；
S05、从当前集合中取出时刻最大装备，所述时刻最大装备是当前集合中完成最后一个工序的时刻最大的装备，将所述时刻最大装备的所有工序放在一个序列中，并根据工序的完成时刻进行降序排序，获得降序序列；
S06、对每个装备的降序序列进行如下处理：从降序序列中第二个工序开始，对每个工序进行重新排列；所述重新排列的方式为：设当前装备编号为i’，当前工序用Oi’j表示，序列中的前一个工序用Oi’k表示；如果Oi’j是工件j的最后一个工序，则它的开始加工时刻调整为
Ci'j＝Si'k，Si'j＝Ci'j-ti'j，
Ci’j和Si’j分别是Oi’j的完成加工时刻和开始加工时刻，Si’k是Oi’k的开始加工时刻；
如果Oi’j不是工件j的最后一个工序，则它的开始加工时刻调整为
Ci'j＝min(Si'k,Slj)，Si'j＝Ci'j-ti'j，
Slj是工件j中Oi’j的下一道工序的开始加工时刻，ti’j是Oi’j的加工时间；
S07、将该装备从集合中移出，重复步骤S05、S06直至集合中所有装备都已取出，镜像翻转步骤S05、S06处理后的排程方案得到最终排程方案。
2.根据权利要求1所述的作业车间装备全活跃节能排程方法，其特征在于，所述基于工序的编码方式为：用n×m元素的整数序列表示。
3.根据权利要求1所述的作业车间装备全活跃节能排程方法，其特征在于，所述原始编码序列是n×m元素的整数序列，序列中的元素取值为[1,n]，并且[1,n]中每个元素的数量是m；序列中第k个j表示第j个工件的第k个工序，k＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n。
4.根据权利要求1所述的作业车间装备全活跃节能排程方法，其特征在于，所述装备的空闲时间为tidle，第i个装备的空闲时间为 Ci是第i个装备完成最后一个工序的时刻，Si是第i装备开始加工第一个工序的时刻，tij是第j个工件在第i个装备上加工的时间。
5.根据权利要求1所述的作业车间装备全活跃节能排程方法，其特征在于，所述启发式算法为转换瓶颈启发式算法、遗传算法和粒子群算法中的一种。
6.一种作业车间装备全活跃节能排程系统，其特征在于，包括现场数据采集模块：采集装备待机功率数据并打包上传至服务器；算法库：提供原始排程方案算法；排程模块：从服务器读取装备的待机功率，应用算法库得到原始排程方案，应用权利要求1至4中任意一项所述的作业车间装备全活跃节能排程方法得到最终排程方案；显示模块：显示最终排程方案。
7.根据权利要求6所述的作业车间装备全活跃节能排程系统，其特征在于，所述现场数据采集模块包括若干智能电表组成RS-485网络，所述排程模块根据生产管理系统读取排程任务。
8.根据权利要求6所述的作业车间装备全活跃节能排程系统，其特征在于，所述显示模块显示甘特图。
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