CN110825056B - 一种具有可变参数连续加工与间歇加工的混合流水车间调度方法 - Google Patents

一种具有可变参数连续加工与间歇加工的混合流水车间调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有可变参数连续加工与间歇加工的混合流水车间调度方法，分析了车间调度模型的加工阶段类型，构建了两种类型的加工阶段：具有可变参数连续加工阶段和间歇加工阶段，建立了由不同种类的加工阶段组成的混合流水车间调度模型。该模型通过以下步骤建立：建立调度模型的假设与要求；分析并建立工件/制造设备/运输设备的时间关系网；建立混合流水车间的完工时间数学模型与质量模型；构建该混合流水车间调度模型的多目标函数。本发明为混合流水车间建立了完工时间和质量的多目标模型，通过运用该模型解决由连续加工与间歇加工组成的混合流水车间调度问题。

Description

一种具有可变参数连续加工与间歇加工的混合流水车间调度 方法
技术领域
本发明涉及混合流水车间的调度技术，尤其是针对具有可变参数连续加工与间歇式加工的混合流水车间调度模型的一种建模方法，属于先进制造控制与调度技术领域。
背景技术
混合流水车间调度问题广泛存在于实际生产车间中，然而目前大多数的生产流程都是间歇式的机加工生产，前后两个加工阶段通过设定等待时间实现加工任务的合理安排。除了机加工等冷加工过程以外，热加工过程普遍存在于各种冷加工过程之间，不同于间歇式的冷加工过程，热加工过程具有强制连续性加工的特点，如加热炉与热处理的两阶段加工问题，工件必须在加热之后快速、无间歇地进入热处理环节，保证工件能够在要求的高温下进行热处理。目前。在混合生产过程中，这种连续性的加工过程只能单独批量处理，导致加工效率低下。
此外，除了热处理等连续性加工导致的生产调度困难以外，单独批量处理的方式更重要的是解决热处理等连续性加工过程中，质量难以控制的问题，尤其是工件在加热炉等设备中，加热保温时间直接影响工件的加工质量。因此，为了能够实现高效、高质的混合流水车间加工，从完工时间与加工质量的角度，研究具有可变参数连续加工与间歇加工的混合流水车间调度模型是非常有价值的。
发明内容
本发明以实际生产中要求的高效、高质为目标，考虑了众多不同制造阶段工件、制造设备、运输设备的状态，设计了可变参数连续加工阶段与可变参数的间歇加工阶段，分别解决热处理等连续性加工与冷加工过程，建立了以完工时间、制造质量为目标的生产调度模型。
本发明采用的技术方案为一种具有可变参数连续加工与间歇加工的混合流水车间调度方法，调度方法的基本要求如下：
1)组成：原料储存区、成品储存区、m个加工阶段，m≥2；(m+1)个运输阶段；
2)每个加工阶段具有一个或多个相同的制造设备；
3)每个运输阶段具有一个或多个相同的运输设备(由于运输空间限制，每个运输阶段通常具有一个运输设备)；
4)制造过程考虑n个作业和在m个加工阶段处理，在(m+1)个运输阶段运输；
5)每台制造设备一次只能处理一个作业；
6)每台运输设备一次只能运输一个作业；
7)每个工件每次只能有一台制造设备或一台运输设备处理；
8)加工阶段主要由两种类型组成：具有可变参数的连续加工、具有可变参数间歇式加工；
9)在具有可变参数的连续加工阶段中，要求在该阶段即将完成加工时，存在一个在定义域[c,d]内的可变参数，可以在调度计划中调整该参数，以保证多种混合加工零件能够合理安排。
10)在具有可变参数间歇式加工阶段中，要求在该阶段完成加工时，通过调整下一阶段的运输前等待时间和加工前等待时间，以保证合理高效的排产调度，等待时间在定域内[0,+∞]可调整。
该方法的实现过程如下：
S1.工件/制造设备/运输设备的时间关系网
工件、制造设备、运输设备在生产过程中会处于多种不同的状态，采用多种不同的时间因素来表示工件、制造设备、运输设备的生产过程状态。工件、制造设备、运输设备的时间关系如图2所示。工件的多种时间因素组成为：运输前等待时间Twt、运输时间Tt、加工前等待时间Twp、准备时间Tr、加工时间Tp、调整时间Ts，当加工阶段是可变参数连续加工时，后一阶段的运输前等待时间和加工前等待时间都为零，可变参数为该阶段的调整时间，当加工阶段是间歇加工时，可调整等待时间合理安排调度计划；加工设备的多种时间因素组成为：加工设备间隔时间Tg、准备时间Tr、加工时间Tp、调整时间Ts；运输设备的多种时间因素组成：运输设备间隔时间Ttg、准备时间Tr。当工件在制造设备上加工时，则工件的准备时间、加工时间、调整时间与制造设备的准备时间、加工时间、调整时间相同；当工件在运输设备上运输时，则工件的运输时间与运输设备的运输时间相同。
S2.混合流水车间的完工时间模型
建立混合流水车间的完工时间数学模型，单个工件的完工时间是从工件开始加工时刻到最后一个共工序加工完成为止花费的所有时间，假设所有工件的加工时间都是从t＝0时刻开始，则整批工件的完工时间就是该批工件中所有单个工件的完工时间中的最大值。考虑到该混合流水车间的加工阶段有两种类型：具有可变参数连续加工和间歇加工，构建的完工时间数学模型如下：
Figure GDA0002743545900000031
s.t.
Tij wt＝ttij-stij (2)
Tij wp＝rtij-ttij (3)
ttyj＜wtyj≤ttij (4)
etxj≤rtij (5)
etij＝sti(j+1) (6)
etij＝sti(j+1)＝tti(j+1)(Dj＝0) (7)
wtij＝rtij(Dj-1＝0) (8)
Figure GDA0002743545900000032
Figure GDA0002743545900000033
其中，公式(1)是以完工时间为目标的数学模型，公式(2)～(10)是约束条件。公式(2)是可变运输前等待时间的约束，公式(3)是可变加工前等待时间约束，公式(4)是同一台运输设备上前后两个工件之间的先后关系约束，公式(5)是同一加工设备上前后两个工件之间的先后关系约束，公式(6)是同一工件的两个加工阶段之间的关系，公式(7)是当前一阶段是连续性加工时同一工件的两个阶段运输之前的关系，公式(8)是当前一阶段是连续性加工时同一工件的两个阶段运输之后的关系，公式(9)是对于不同加工阶段类型的调整时间定义，公式(10)是可变调整时间参数在最大与最小值之间的约束。
S3.混合流水车间的加工质量模型
对于该混合流水车间模型中具有可变参数的连续加工阶段，设定调整时间为可变参数来实现连续性的加工，在实际生产中，热处理等连续加工过程以加热炉设备为主，该可变参数调整时间即为加热保温时间，该加热保温时间直接反应出了工件的加工质量，根据实际加工过程保温时间是一个在工艺要求范围内的数值，而最佳保温时间是在最小保温时间和最大保温时间之间的一个值，为保证加热后工件的质量最佳，在工艺要求的保温时间范围内设定最佳保温时间间隔值，优化保温时间间隔从而提高锻件的加热质量，最佳保温时间间隔值表示为：
hgTij＝|(hTij-hTij B)·(1-Dj)| (11)
通过计算实际调度保温时间与最佳保温时间的均方误差，来反映工件实际保温时间和最佳保温时间之间差异程度，构建所有工件的最佳保温时间间隔的均方误差和，即该混合生产中的质量模型如下：
Figure GDA0002743545900000041
S4.构建混合流水车间调度模型的多目标函数
针对具有可变参数连续加工与间歇加工的混合流水车间调度模型的完工时间、质量模型，建立其多目标优化调度模型，从效率、质量两个方面进行调度优化。效率通过完工时间体现，质量通过最佳保温之间间隔来体现，建立的多目标优化方程如下：
f＝min(T,Q)(13)
Figure GDA0002743545900000042
s.t.
Figure GDA0002743545900000043
Figure GDA0002743545900000044
ttyj＜wtyj≤ttij (17)
etxj≤rtij (18)
etij＝sti(j+1) (19)
etij＝sti(j+1)＝tti(j+1)(Dj＝0) (20)
wtij＝rtij(Dj-1＝0) (21)
Figure GDA0002743545900000052
Figure GDA0002743545900000053
在模型中采用的符号具体如下：
Figure GDA0002743545900000051
Figure GDA0002743545900000061
本发明专利基于基本的混合流水车间模型，分析车间调度模型的加工阶段类型，构建了两种类型的加工阶段：具有可变参数连续加工阶段和间歇加工阶段，分析了两种加工阶段的两阶段调度处理方法，建立了由不同种类的加工阶段组成的混合流水车间调度模型，针对该调度模型建立了以完工时间、质量为目标的标优化函数，为排产调度优化算法提供了车间调度问题模型。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
图1是具有可变参数连续加工与间歇加工的混合生产模式示意图。
图2是工件/制造设备/运输设备的多种时间关系图。
具体实施方式
本发明以实际生产中要求的高效、高质为目标，考虑了众多不同制造阶段工件、加工设备、运输设备的状态，设计了可变参数连续加工阶段与可变参数的间歇加工阶段，分别解决热处理等连续性加工与冷加工过程，建立了以完工时间、制造质量为目标的生产调度模型。下面结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
步骤1：建立调度模型的假设与要求
如图所示1，描述了，描述了构建的两种阶段模式下的混合车间调度模型。物料从原材料存放区开始，依次经过各个加工阶段，最后到完成品存放区。该调度模型的假设与要求如下：
1)组成：原料储存区、成品储存区、m个加工阶段(m≥2)，(m+1)个运输阶段；
2)每个加工阶段具有一个或多个相同的制造设备；
3)每个运输阶段具有一个或多个相同的运输设备(由于运输空间限制，每个运输阶段通常具有一个运输设备)；
4)制造过程考虑n个作业和在m个加工阶段处理，在(m+1)个运输阶段运输；
5)每台制造设备一次只能处理一个作业；
6)每台运输设备一次只能运输一个作业；
7)每个工件每次只能有一台制造设备或一台运输设备处理；
8)加工阶段主要由两种类型组成：具有可变参数的连续加工、具有可变参数间歇式加工；
9)在具有可变参数的连续加工阶段中，要求在该阶段即将完成加工时，存在一个在定义域[c,d]内的可变参数，可以在调度计划中调整该参数，以保证多种混合加工零件能够合理安排。
10)在具有可变参数间歇式加工阶段中，要求在该阶段完成加工时，通过调整下一阶段的运输前等待时间和加工前等待时间，以保证合理高效的排产调度，等待时间在定域内[0,+∞]可调整。
步骤2：建立工件/制造设备/运输设备的时间关系网
工件、制造设备、运输设备在生产过程中会处于多种不同的状态，采用多种不同的时间因素来表示工件、制造设备、运输设备的生产过程状态。
如图2所示，描述了工件、制造设备、运输设备的多种时间关系。工件的多种时间因素组成为：运输前等待时间(Twt),运输时间(Tt),加工前等待时间(Twp),准备时间(Tr),加工时间(Tp),调整时间(Ts)，当加工阶段是可变参数连续加工时，后一阶段的运输前等待时间和加工前等待时间都为零，可变参数为该阶段的调整时间，当加工阶段是间歇加工时，可调整等待时间合理安排调度计划；加工设备的多种时间因素组成为：加工设备间隔时间(Tg),准备时间(Tr),加工时间(Tp),调整时间(Ts)；运输设备的多种时间因素组成：运输设备间隔时间(Ttg),准备时间(Tr)。当工件在制造设备上加工时，则工件的准备时间,加工时间,调整时间与制造设备的准备时间,加工时间,调整时间相同；当工件在运输设备上运输时，则工件的运输时间与运输设备的运输时间相同。
步骤3：建立混合流水车间的完工时间数学模型
建立混合流水车间的完工时间数学模型，单个工件的完工时间是从工件开始加工时刻到最后一个共工序加工完成为止花费的所有时间，假设所有工件的加工时间都是从t＝0时刻开始，则整批工件的完工时间就是该批工件中所有单个工件的完工时间中的最大值。考虑到该混合流水车间的加工阶段有两种类型：具有可变参数连续加工和间歇加工，构建的完工时间数学模型如下：
Figure GDA0002743545900000081
s.t.
Figure GDA0002743545900000082
Figure GDA0002743545900000083
ttyj＜wtyj≤ttij (4)
etxj≤rtij (5)
etij＝sti(j+1) (6)
etij＝sti(j+1)＝tti(j+1)(Dj＝0) (7)
wtij＝rtij(Dj-1＝0) (8)
Figure GDA0002743545900000084
Figure GDA0002743545900000085
其中，公式(1)是以完工时间为目标的数学模型，公式(2)～(10)是约束条件。公式(2)是可变运输前等待时间的约束，公式(3)是可变加工前等待时间约束，公式(4)是同一台运输设备上前后两个工件之间的先后关系约束，公式(5)是同一加工设备上前后两个工件之间的先后关系约束，公式(6)是同一工件的两个加工阶段之间的关系，公式(7)是当前一阶段是连续性加工时同一工件的两个阶段运输之前的关系，公式(8)是当前一阶段是连续性加工时同一工件的两个阶段运输之后的关系，公式(9)是对于不同加工阶段类型的调整时间定义，公式(10)是可变调整时间参数在最大与最小值之间的约束。
步骤4：建立混合流水车间的加工质量数学模型
对于该混合流水车间模型中具有可变参数的连续加工阶段，设定调整时间为可变参数来实现连续性的加工，在实际生产中，热处理等连续加工过程以加热炉设备为主，该可变参数调整时间即为加热保温时间，该加热保温时间直接反应出了工件的加工质量，根据实际加工过程保温时间是一个在工艺要求范围内的数值，而最佳保温时间是在最小保温时间和最大保温时间之间的一个值，为了保证加热后工件的质量最佳，在工艺要求的保温时间范围内设定最佳保温时间间隔值，优化保温时间间隔从而提高锻件的加热质量，最佳保温时间间隔值表示为：
hgTij＝|(hTij-hTijB)·(1-Dj)| (11)
通过计算实际调度保温时间与最佳保温时间的均方误差，来反映工件实际保温时间和最佳保温时间之间差异程度，构建所有工件的最佳保温时间间隔的均方误差和，即该混合生产中的质量模型如下：
Figure GDA0002743545900000091
步骤5：构建混合流水车间调度模型的多目标函数
针对具有可变参数连续加工与间歇加工的混合流水车间调度模型的完工时间、质量模型，建立其多目标优化调度模型，从效率、质量两个方面进行调度优化。效率通过完工时间体现，质量通过最佳保温之间间隔来体现，建立的多目标优化方程如下：
f＝min(T,Q) (13)
Figure GDA0002743545900000092
s.t.
Figure GDA0002743545900000093
Figure GDA0002743545900000094
ttyj＜wtyj≤ttij (17)
etxj≤rtij (18)
etij＝sti(j+1) (19)
etij＝sti(j+1)＝tti(j+1)(Dj＝0) (20)
wtij＝rtij(Dj-1＝0) (21)
Figure GDA0002743545900000095
Figure GDA0002743545900000102
在所述数学模型中采用的符号具体如下：
Figure GDA0002743545900000101

Claims (1)

1.一种具有可变参数连续加工与间歇加工的混合流水车间调度方法，其特征在于：该方法的实现过程如下，
S1.工件/制造设备/运输设备的时间关系网
工件的多种时间因素组成为：运输前等待时间Twt、运输时间Tt、加工前等待时间Twp、准备时间Tr、加工时间Tp、调整时间Ts，当加工阶段是可变参数连续加工时，后一阶段的运输前等待时间和加工前等待时间都为零，可变参数为该阶段的调整时间，当加工阶段是间歇加工时，可调整等待时间合理安排调度计划；加工设备的多种时间因素组成为：加工设备间隔时间Tg、准备时间Tr、加工时间Tp、调整时间Ts；运输设备的多种时间因素组成：运输设备间隔时间Ttg、准备时间Tr；
S2.混合流水车间的完工时间模型
考虑到该混合流水车间的加工阶段有两种类型：具有可变参数连续加工和间歇加工，构建的完工时间数学模型如下：
Figure FDA0002743545890000011
s.t.
Figure FDA0002743545890000012
Figure FDA0002743545890000013
ttyj＜wtyj≤ttij (4)
etxj≤rtij (5)
etij＝sti(j+1) (6)
etij＝sti(j+1)＝tti(j+1)(Dj＝0) (7)
wtij＝rtij(Dj-1＝0) (8)
Figure FDA0002743545890000014
Figure FDA0002743545890000015
其中，公式(1)是以完工时间为目标的数学模型，公式(2)～(10)是约束条件；公式(2)是可变运输前等待时间的约束，公式(3)是可变加工前等待时间约束，公式(4)是同一台运输设备上前后两个工件之间的先后关系约束，公式(5)是同一加工设备上前后两个工件之间的先后关系约束，公式(6)是同一工件的两个加工阶段之间的关系，公式(7)是当前一阶段是连续性加工时同一工件的两个阶段运输之前的关系，公式(8)是当前一阶段是连续性加工时同一工件的两个阶段运输之后的关系，公式(9)是对于不同加工阶段类型的调整时间定义，公式(10)是可变调整时间参数在最大与最小值之间的约束；
S3.混合流水车间的加工质量模型
对于该混合流水车间模型中具有可变参数的连续加工阶段，设定调整时间为可变参数来实现连续性的加工，在实际生产中，热处理连续加工过程以加热炉设备为主，该可变参数调整时间即为加热保温时间，该加热保温时间直接反应出了工件的加工质量，根据实际加工过程保温时间是一个在工艺要求范围内的数值，而最佳保温时间是在最小保温时间和最大保温时间之间的一个值，为保证加热后工件的质量最佳，在工艺要求的保温时间范围内设定最佳保温时间间隔值，优化保温时间间隔从而提高锻件的加热质量，最佳保温时间间隔值表示为：
Figure FDA0002743545890000021
通过计算实际调度保温时间与最佳保温时间的均方误差，来反映工件实际保温时间和最佳保温时间之间差异程度，构建所有工件的最佳保温时间间隔的均方误差和，即该混合生产中的质量模型如下：
Figure FDA0002743545890000022
S4.构建混合流水车间调度模型的多目标函数
针对具有可变参数连续加工与间歇加工的混合流水车间调度模型的完工时间、质量模型，建立其多目标优化调度模型，从效率、质量两个方面进行调度优化；效率通过完工时间体现，质量通过最佳保温之间间隔来体现，建立的多目标优化方程如下：
f＝min(T,Q) (13)
Figure FDA0002743545890000031
s.t.
Figure FDA0002743545890000032
Figure FDA0002743545890000033
ttyj＜wtyj≤ttij (17)
etxj≤rtij (18)
etij＝sti(j+1) (19)
etij＝sti(j+1)＝tti(j+1)(Dj＝0) (20)
wtij＝rtij(Dj-1＝0) (21)
Figure FDA0002743545890000034
Figure FDA0002743545890000035
在模型中采用的符号具体如下：
Figure FDA0002743545890000036
Figure FDA0002743545890000041
调度方法的基本要求如下，
1)组成：原料储存区、成品储存区、m个加工阶段，m≥2；(m+1)个运输阶段；
2)每个加工阶段具有一个或多个相同的制造设备；
3)每个运输阶段具有一个或多个相同的运输设备，由于运输空间限制，每个运输阶段具有一个运输设备；
4)制造过程考虑n个工件和在m个加工阶段处理，在(m+1)个运输阶段运输；
5)每台制造设备一次只能处理一个工件；
6)每台运输设备一次只能运输一个工件；
7)每个工件每次只能有一台制造设备或一台运输设备处理；
8)加工阶段主要由两种类型组成：具有可变参数的连续加工、具有可变参数间歇式加工；
9)在具有可变参数的连续加工阶段中，要求在该阶段即将完成加工时，存在一个在定义域[c,d]内的可变参数，在调度计划中调整该参数，以保证多种混合加工零件能够合理安排；
10)在具有可变参数间歇式加工阶段中，要求在该阶段完成加工时，通过调整下一阶段的运输前等待时间和加工前等待时间，以保证排产调度，等待时间在定域内[0,+∞]调整。
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