CN109031948A - 一种板式家具产品生产过程的优化调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种板式家具产品生产过程的优化调度方法，属于生产车间智能优化调度技术领域。本发明通过确定待加工成型的一批板式家具产品毛坯原料在加工过程中的调度模型和优化目标，并用一种基于改进的帝国主义竞争算法的优化调度方法对目标进行优化；其中，调度模型依据板式家具产品生产过程中，各批原材料在各台加工机器上的加工时间来建立，优化目标为最小化最大完成时间。本发明可在较短时间内获得板式家具产品生产过程调度问题的优良解，从而可节约生产时间，能降低由于排序不当可能导致的工厂生产成本浪费，提高工厂的生产效率和经济效益。

Description

一种板式家具产品生产过程的优化调度方法

技术领域

本发明涉及一种板式家具产品生产过程的优化调度方法，属于生产车间智能优化调度技术领域。

背景技术

随着经济全球化和信息技术的快速发展，激烈的竞争使时间、成本、质量已经成为家具企业提高竞争力的要素，从而使家具产品的生命周期越来越短，不断地向多品种、小批量的生产方式发展，顾客对家具产品的交货期、价格、质量的要求也日益增高，因此以快速、低成本生产出高质量的满足客户个性化需求的产品成为家具企业的核心目标。这就要求家具企业必须加强生产运作管理，尤其是对板式家具生产过程的优化，不仅可以提高生产运作管理能力和管理效率，同时有助于合理确定作业能力，尽可能减少投资获得最大的效益。

在板式家具的实际生产中，员工必须严格按照作业指导书和质量标准进行生产操作和质量控制，严格控制缺陷和错误的加工零件传递。如果在生产过程中发现质量问题，就需要返修或返工，这样增加了无效的加工时间，降低了生产效率和生产力，同时也会延误生产计划和生产进度。有些板式家具企业质量意识差，为了降低生产成本，使用的原辅材料质量低劣，生产过程质量控制不严，将不合格产品流通到消费者手里，产品质量没有得到保证，面临越来越突出的问题是客户的投诉。所以，板式家具企业加强生产质量管理显得尤为重要，对板式家具产品生产车间进行合理调度安排，可明显提高板式家具产品生产过程的生产效率，减少生产成本，节约生产时间，提高经济效益。

结合我国板式家具企业的生产运作管理现状和生产工艺特点，板式家具产品的生产主要包括开料、封边、钻孔三个主要工序。目前，开料—封边—钻孔—安装—包装，是板式家具生产最常见的工艺流程形式。多数家具生产企业一般以订单为驱动，每个生产工艺过程都有多台加工设备，且每个设备设定的流程路线基本都相同，这与流水线生产调度问题非常类同，因此，板式家具产品生产过程可以归类为流水车间调度问题(Flow-shopScheduling Problem，FSP)。

本发明基于板式家具生产过程的工艺特点，建立基于板式家具产品生产过程中的家具生产排序调度模型，设计一种改进的帝国主义竞争优化调度算法，可在较短时间内获得板式家具生产过程优化调度问题的近似最优解，从而降低工厂的生产成本，提高工厂的生产效率和经济效益。

发明内容

本发明的目的是针对现有板式家具生产过程的调度问题，提出一种改进的帝国主义竞争优化算法的优化调度方法，以解决板式家具生产过程由于加工排序不当导致的工厂成本浪费、时间损耗过长和经济效益不高等问题。

本发明的技术方案是：一种板式家具产品生产过程的优化调度方法，通过确定待加工成型的一批板式家具产品毛坯原料在加工过程中的调度模型和优化目标，并用一种基于改进的帝国主义竞争算法的优化调度方法对目标进行优化；其中，调度模型依据板式家具产品生产过程中，各批原材料在各台加工机器上的加工时间来建立，优化目标为最小化最大完成时间C_max(π)：

C_max(π)＝C(π_n,m)

式中，n表示板式家具毛坯料总数，m表示加工机器数，π＝[π₁,π₂,…,π_i]表示家具毛坯料在加工机器上的排序，π_k表示π中第k件家具毛坯料，表示第π_i件家具毛坯料在第j台加工机器上的加工时间，C(π_i,j)是第π_i件家具毛坯料在第j台机器上的完工时间；该模型的优化目标为在所有待加工的家具毛坯料的加工排序集合Π中找到一个最优排序π^*，使得所有待加工家具毛坯料的最大完成时间C_max(π)最小。

所述一种改进的帝国主义竞争优化调度算法具体为：

Step1、参数初始化：设定国家总数即种群规模NP，同化概率ρ₁，革命概率ρ₂，帝国竞争权系数λ和算法开始运行时间T_s；

Step2、初始帝国的建立：

①采用随机初始化方法产生NP个初始国家(个体)，并计算每个国家(个体)的权利值即目标函数值f_n，将其作为各个国家的初始权力值；

②根据①中各个国家的目标函数值从小到大排列，选取前IMP个国家作为殖民国家，其余CP个国家作为殖民地，其中CP＝NP-IMP；

③对殖民国家的国家权利进行标准化处理，即将殖民国家权利进行归一化：

设计如下分配方式，可得第n个殖民国家拥有的殖民地数量为：

NCP_n＝round(p_n·CP)

其中，f_n和p_n分别表示第n个国家的权利和其标准化权利，NCP_n表示第n个殖民国家的殖民地数量，round()函数表示四舍五入取整数；

Step3、殖民地同化：同化作用是帝国内部殖民地逐渐趋向殖民国家的过程，采取如下替换重建方式生成新的同化殖民地：

①从所有殖民地国家中任选一个殖民地(个体)，在其各个编码位置上随机生成一个[0,1]范围内的随机数作为其各个位置的概率；

②替换过程：设定同化概率ρ₁，在殖民地内所有概率大于等于同化概率ρ₁的编码位置处，用所属殖民国家在该位置处对应的编码作为同化殖民地编码；对于殖民地内概率比ρ₁小的编码位置，若该位置处的编码在同化殖民地其余位置处没有出现，则以该位置殖民地的编码作为新的同化殖民地编码；

③重建过程：若由产生的新同化殖民地的国家权力即目标函数值优于原殖民的国家权力，则以新同化殖民地替换原殖民地，否则，不改变原殖民地；

Step4、殖民地革命：

为了在Step3的基础上扩大算法的搜索区域，避免算法陷入局部最优，设计如下殖民地革命操作，即殖民地可以以一定的革命概率进行革命，该操作类似遗传算法中的变异操作；首先设定革命概率ρ₂，从殖民地中随机产生一个殖民地，并产生一个[0,1]内的随机数ρ_r作为该殖民地的革命概率，若ρ_r＞ρ₂，则对该殖民地实行“插入(Insert)”邻域操作，产生革命后的新殖民地，并计算该新殖民的国家权力(目标函数值)；将新殖民地国家权力与殖民国家的国家权力进行对比，若新殖民地国家权力更优，则以新殖民地替换原殖民国家，否则，不作修改。

Step5、帝国竞争：

帝国竞争是殖民地再分配的过程，帝国的权力PC由组成该帝国的殖民国家的权力与殖民地平均权力加权和构成，具体表示为：

其中，PC_n为第n个帝国的权利，p_nk为第n个帝国中第k个殖民地的权利，NCP_n为当前该帝国所含殖民地的个数；为更好的模拟帝国竞争过程即种群的淘汰过程，将帝国权利进行标准化，则第n个帝国的标准化权利TP_n如下：

其中，TP_n为第n个帝国的标准化权利，IMP个帝国的标准化权利和为1；帝国间由于竞争使得弱小帝国的殖民地会被强大帝国所剥夺，直至弱小帝国消失，帝国间的竞争是根据帝国的权利来分配较弱帝国的殖民地，在此，建立帝国权利向量P＝[PC₁,PC₂,…,PC_IMP]和一个维数与帝国数量相同的、由服从均匀分布的随机数r_i(i≤IMP)构成的随机向量R＝[r₁,r₂,…,r_IMP]，由此可得概率向量为D＝P-R＝[PC₁-r₁,PC₂-r₂,…,PC_IMP-r_IMP]，假设d_i(i≤IMP)为D中所有元素的最大值，则把最弱帝国的最弱殖民地分配给第i个帝国，通过殖民竞争的作用，权力越弱的帝国将丢失越多的殖民地，直至该帝国内没有任何国家作为殖民地，该帝国消失，最后留下的帝国即作为当前条件下寻得的最优解；

Step6、终止条件：设定终止条件为算法运行时间T_e＝100×n，如果算法满足所设置的终止运行时间T_e，则输出当前所得“最优解”；否则转至步骤Step3，反复迭代，直至满足终止条件为止。

本发明的有益效果是：本发明基于板式家具产品生产过程的工艺特点，建立了基于板式家具产品生产过程的排序调度模型和优化目标，并设计一种改进的帝国主义竞争优化调度算法，可在较短时间内获得板式家具产品生产过程调度问题的优良解，从而可节约生产时间，能降低由于排序不当可能导致的工厂生产成本浪费，提高工厂的生产效率和经济效益。

附图说明

图1为本发明的整体设计流程图；

图2为本发明的整体算法流程图；

图3为本发明中问题解的表达示意图；

图4为本发明的“殖民地同化”过程具体示例图；

图5为本发明的“殖民地革命”过程中“插入(Insert)”邻域操作示意图。

具体实施方式

实施例1：如图1-5所示，一种板式家具产品生产过程的优化调度方法，通过确定待加工成型的一批板式家具产品毛坯原料在加工过程中的调度模型和优化目标，并用一种基于改进的帝国主义竞争算法的优化调度方法对目标进行优化；其中，调度模型依据板式家具产品生产过程中，各批原材料在各台加工机器上的加工时间来建立，优化目标为最小化最大完成时间C_max(π)：

C_max(π)＝C(π_n,m)

式中，n表示板式家具毛坯料总数，m表示加工机器数，π＝[π₁,π₂,…,π_i]表示家具毛坯料在加工机器上的排序，π_k表示π中第k件家具毛坯料，表示第π_i件家具毛坯料在第j台加工机器上的加工时间，C(π_i,j)是第π_i件家具毛坯料在第j台机器上的完工时间；该模型的优化目标为在所有待加工的家具毛坯料的加工排序集合Π中找到一个最优排序π^*，使得所有待加工家具毛坯料的最大完成时间C_max(π)最小。

所述一种改进的帝国主义竞争优化调度算法具体为：

Step1、参数初始化：设定国家总数即种群规模NP，同化概率ρ₁，革命概率ρ₂，帝国竞争权系数λ和算法开始运行时间T_s；

Step2、初始帝国的建立：

①采用随机初始化方法产生NP个初始国家(个体)，并计算每个国家(个体)的权利值即目标函数值f_n，将其作为各个国家的初始权力值；

②根据①中各个国家的目标函数值从小到大排列，选取前IMP个国家作为殖民国家，其余CP个国家作为殖民地，其中CP＝NP-IMP；

③对殖民国家的国家权利进行标准化处理，即将殖民国家权利进行归一化：

设计如下分配方式，可得第n个殖民国家拥有的殖民地数量为：

NCP_n＝round(p_n·CP)

其中，f_n和p_n分别表示第n个国家的权利和其标准化权利，NCP_n表示第n个殖民国家的殖民地数量，round()函数表示四舍五入取整数；

Step3、殖民地同化：同化作用是帝国内部殖民地逐渐趋向殖民国家的过程，采取如下替换重建方式生成新的同化殖民地：

①从所有殖民地国家中任选一个殖民地(个体)，在其各个编码位置上随机生成一个[0,1]范围内的随机数作为其各个位置的概率；

②替换过程：设定同化概率ρ₁，在殖民地内所有概率大于等于同化概率ρ₁的编码位置处，用所属殖民国家在该位置处对应的编码作为同化殖民地编码；对于殖民地内概率比ρ₁小的编码位置，若该位置处的编码在同化殖民地其余位置处没有出现，则以该位置殖民地的编码作为新的同化殖民地编码；

③重建过程：若由产生的新同化殖民地的国家权力即目标函数值优于原殖民的国家权力，则以新同化殖民地替换原殖民地，否则，不改变原殖民地；

Step4、殖民地革命：

为了在Step3的基础上扩大算法的搜索区域，避免算法陷入局部最优，设计如下殖民地革命操作，即殖民地可以以一定的革命概率进行革命，该操作类似遗传算法中的变异操作；首先设定革命概率ρ₂，从殖民地中随机产生一个殖民地，并产生一个[0,1]内的随机数ρ_r作为该殖民地的革命概率，若ρ_r＞ρ₂，则对该殖民地实行“插入(Insert)”邻域操作，产生革命后的新殖民地，并计算该新殖民的国家权力(目标函数值)；将新殖民地国家权力与殖民国家的国家权力进行对比，若新殖民地国家权力更优，则以新殖民地替换原殖民国家，否则，不作修改。

Step5、帝国竞争：

帝国竞争是殖民地再分配的过程，帝国的权力PC由组成该帝国的殖民国家的权力与殖民地平均权力加权和构成，具体表示为：

其中，PC_n为第n个帝国的权利，p_nk为第n个帝国中第k个殖民地的权利，NCP_n为当前该帝国所含殖民地的个数；为更好的模拟帝国竞争过程即种群的淘汰过程，将帝国权利进行标准化，则第n个帝国的标准化权利TP_n如下：

其中，TP_n为第n个帝国的标准化权利，IMP个帝国的标准化权利和为1；帝国间由于竞争使得弱小帝国的殖民地会被强大帝国所剥夺，直至弱小帝国消失，帝国间的竞争是根据帝国的权利来分配较弱帝国的殖民地，在此，建立帝国权利向量P＝[PC₁,PC₂,…,PC_IMP]和一个维数与帝国数量相同的、由服从均匀分布的随机数r_i(i≤IMP)构成的随机向量R＝[r₁,r₂,…,r_IMP]，由此可得概率向量为D＝P-R＝[PC₁-r₁,PC₂-r₂,…,PC_IMP-r_IMP]，假设d_i(i≤IMP)为D中所有元素的最大值，则把最弱帝国的最弱殖民地分配给第i个帝国，通过殖民竞争的作用，权力越弱的帝国将丢失越多的殖民地，直至该帝国内没有任何国家作为殖民地，该帝国消失，最后留下的帝国即作为当前条件下寻得的最优解；

Step6、终止条件：设定终止条件为算法运行时间T_e＝100×n，如果算法满足所设置的终止运行时间T_e，则输出当前所得“最优解”；否则转至步骤Step3，反复迭代，直至满足终止条件为止。

在所设计的一种基于改进的帝国主义竞争算法的优化调度方法中，设置国家总数即种群规模NP为200，同化概率ρ₁＝0.5，革命概率ρ₂＝0.8，帝国竞争权系数λ＝0.1，令待加工的板式家具毛坯料总数为n，可用加工机器数目为m，算法总运行时间T_e＝150×n，则表1给出了在不同问题规模下所述算法求得的目标函数值，表1中C_max(π)值为算法运行20次之后求得目标函数平均值。

表1不同问题规模下所求得的目标函数值

n×m	30×5	40×5	50×10	75×20	80×10	100×10
							Cmax(π)	1542.3	2549.1	3567	5764.1	7668	8755.4

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (1)

1.一种板式家具产品生产过程的优化调度方法，其特征在于：通过确定待加工成型的一批板式家具产品毛坯原料在加工过程中的调度模型和优化目标，并用一种基于改进的帝国主义竞争算法的优化调度方法对目标进行优化；其中，调度模型依据板式家具产品生产过程中，各批原材料在各台加工机器上的加工时间来建立，优化目标为最小化最大完成时间C_max(π)：

C_max(π)＝C(π_n,m)

式中，n表示板式家具毛坯料总数，m表示加工机器数，π＝[π₁,π₂,…,π_i]表示家具毛坯料在加工机器上的排序，π_k表示π中第k件家具毛坯料，表示第π_i件家具毛坯料在第j台加工机器上的加工时间，C(π_i,j)是第π_i件家具毛坯料在第j台机器上的完工时间；该模型的优化目标为在所有待加工的家具毛坯料的加工排序集合Π中找到一个最优排序π*，使得所有待加工家具毛坯料的最大完成时间C_max(π)最小‘

所述一种改进的帝国主义竞争优化调度算法具体为：

Step1、参数初始化：设定国家总数即种群规模NP，同化概率ρ₁，革命概率ρ₂，帝国竞争权系数λ和算法开始运行时间T_s；

Step2、初始帝国的建立：

①采用随机初始化方法产生NP个初始国家(个体)，并计算每个国家(个体)的权利值即目标函数值f_n，将其作为各个国家的初始权力值；

②根据①中各个国家的目标函数值从小到大排列，选取前IMP个国家作为殖民国家，其余CP个国家作为殖民地，其中CP＝NP-IMP；

③对殖民国家的国家权利进行标准化处理，即将殖民国家权利进行归一化：

设计如下分配方式，可得第n个殖民国家拥有的殖民地数量为：

NCP_n＝round(p_n·CP)

其中，f_n和p_n分别表示第n个国家的权利和其标准化权利，NCP_n表示第n个殖民国家的殖民地数量，round()函数表示四舍五入取整数；

Step3、殖民地同化：同化作用是帝国内部殖民地逐渐趋向殖民国家的过程，采取如下替换重建方式生成新的同化殖民地：

①从所有殖民地国家中任选一个殖民地(个体)，在其各个编码位置上随机生成一个[0,1]范围内的随机数作为其各个位置的概率；

②替换过程：设定同化概率ρ₁，在殖民地内所有概率大于等于同化概率ρ₁的编码位置处，用所属殖民国家在该位置处对应的编码作为同化殖民地编码；对于殖民地内概率比ρ₁小的编码位置，若该位置处的编码在同化殖民地其余位置处没有出现，则以该位置殖民地的编码作为新的同化殖民地编码；

③重建过程：若由产生的新同化殖民地的国家权力即目标函数值优于原殖民的国家权力，则以新同化殖民地替换原殖民地，否则，不改变原殖民地；

Step4、殖民地革命：

为了在Step3的基础上扩大算法的搜索区域，避免算法陷入局部最优，设计如下殖民地革命操作，即殖民地可以以一定的革命概率进行革命，该操作类似遗传算法中的变异操作；首先设定革命概率ρ₂，从殖民地中随机产生一个殖民地，并产生一个[0,1]内的随机数ρ_r作为该殖民地的革命概率，若ρ_r＞ρ₂，则对该殖民地实行“插入(Insert)”邻域操作，产生革命后的新殖民地，并计算该新殖民的国家权力(目标函数值)；将新殖民地国家权力与殖民国家的国家权力进行对比，若新殖民地国家权力更优，则以新殖民地替换原殖民国家，否则，不作修改。

Step5、帝国竞争：

帝国竞争是殖民地再分配的过程，帝国的权力PC由组成该帝国的殖民国家的权力与殖民地平均权力加权和构成，具体表示为：

其中，PC_n为第n个帝国的权利，p_nk为第n个帝国中第k个殖民地的权利，NCP_n为当前该帝国所含殖民地的个数；为更好的模拟帝国竞争过程即种群的淘汰过程，将帝国权利进行标准化，则第n个帝国的标准化权利TP_n如下：

其中，TP_n为第n个帝国的标准化权利，IMP个帝国的标准化权利和为1；帝国间由于竞争使得弱小帝国的殖民地会被强大帝国所剥夺，直至弱小帝国消失，帝国间的竞争是根据帝国的权利来分配较弱帝国的殖民地，在此，建立帝国权利向量P＝[PC₁,PC₂,…,PC_IMP]和一个维数与帝国数量相同的、由服从均匀分布的随机数r_i(i≤IMP)构成的随机向量R＝[r₁,r₂,…,r_IMP]，由此可得概率向量为D＝P-R＝[PC₁-r₁,PC₂-r₂,…,PC_IMP-r_IMP]，假设d_i(i≤IMP)为D中所有元素的最大值，则把最弱帝国的最弱殖民地分配给第i个帝国，通过殖民竞争的作用，权力越弱的帝国将丢失越多的殖民地，直至该帝国内没有任何国家作为殖民地，该帝国消失，最后留下的帝国即作为当前条件下寻得的最优解；

Step6、终止条件：设定终止条件为算法运行时间T_e＝100×n，如果算法满足所设置的终止运行时间T_e，则输出当前所得“最优解”；否则转至步骤Step3，反复迭代，直至满足终止条件为止。