CN111610758B - 面向机器故障的装配式建筑预制构件生产再调度优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及装配式建筑供应链和工业工程领域，特别是涉及一种面向机器故障的装配式建筑预制构件生产再调度优化方法。本发明所提供的方法从生产线选择、构件生产优先级确定、构件再调度三个步骤对机器故障干扰下预制构件生产进行再调度动态优化；然后，在最优解基础上综合考虑预制构件不同生产工序特性、多生产线、操作等待、资源限制、共享模具等实际生产因素，进行最优方案模拟评价，以提升再调度方案实际适用性，实现故障干扰下预制构件按时交付与生产成本最少化目标。

Description

面向机器故障的装配式建筑预制构件生产再调度优化方法

技术领域

本发明涉及装配式建筑供应链和工业工程领域，特别是涉及一种面向机器故障的装配式建筑预制构件生产再调度优化方法及系统。

背景技术

装配式建筑是我国建筑产业化的必由之路，是推进供给侧结构性改革和新型城镇化发展的重要举措，但实际推广应用中预制构件常常难以按时交付，导致施工现场工期拖延、效率低下、成本增加等后果，使装配式建筑固有的“低成本、高效率”优势难以充分发挥。并且，预制构件生产系统干扰多源频发，导致原有生产计划失效，按时交付更具有挑战性。

现有生产调度方法主要是静态调度，尚未考虑多源干扰情景下计划失效问题，并且，仅有的少数再调度优化方法也主要采用基于简单假设的数学优化模型求得最优调度方案，而忽略其在实际生产环境的适用性。

本发明内容

针对现有生产调度方法的不足，本发明以机器故障干扰为研究对象，提供一种面向机器故障的装配式建筑预制构件生产再调度优化方法。在机器故障干扰下，综合考虑实际生产环境要素，构建“优化+仿真”混合算法，进行预制构件动态再调度优化；具体综合考虑预制构件不同生产工序特性、多生产线、操作等待、资源限制、共享模具等实际生产因素，进行最优方案模拟评价；既保证了再调度方案的最优化性能，同时又提升其实际适用性，实现了故障干扰下预制构件按时交付与生产成本最少化目标。

本发明采用的技术方案如下：

一种面向机器故障的装配式建筑预制构件生产再调度优化方法，所述方法包括：

(1)获取因机器故障导致生产中断的构件数据，选择新生产线生产被中断构件；

(2)计算被选生产线上构件优先级；

(3)基于优化模型选择可行的优化再调度生产方案；

(4)对步骤(3)中的再调度方案进行实际生产环境下的模拟、评价，计算在排队时长、资源限制实际因素下各调度方案的总费用，选择费用最少的再调度方案最优解。

进一步地，步骤(1)中，所述因机器故障导致生产中断的构件数据包括：所有构件订单信息、工厂资源信息、原始生产计划信息和发生机器故障的生产线信息。

进一步地，步骤(1)中，选择新生产线的方法为：

在能满足额外生产任务条件下最少化被选择生产线数量，生产空闲时间越多的生产线将优先被选择，设定生产线总l空闲时间

其中，k和l分别表示工序和生产线的编号，n_k为预制构件工序的总数量，为正整数；T_l，k为l生产线上k工序的空闲时间；

T_l，k具体计算方法与工序k的操作特征有关，具体如下：

若工序k是串行工序，有

若工序k是并行工序，有

其中，j表示构件编号，最大数量为n_q；S(J_l，1，N_l，k)表示生产线l上第k个工序的第一个构件操作开始时间；

表示生产线l上第k个工序的第n_q个构件操作结束时间；P_l，j，k为构件j在生产线l上第k个工序的操作时长；Max_j{P_l，j，k}表示在生产线l上第k个工序同时并行操作的最大时长。克服了原来生产线机器故障需要选择新线进行生产或生产线选择决策难等问题，在本发明中选择空闲时间最多的生产线，保证最少化占用生产线资源。

进一步地，步骤(2)中，计算被选生产线上构件优先级：

Δ_l，j为构件j在生产线l上生产的优先级，d_j为构件j要求的交付日期，C(J_l，j，N_l，nk)表示构件j在生产线l上第nk个工序操作的完成时间；本发明提供的计算被选生产线上构件优先级的方法可以保证高优先级的构件优先生产，保证构件尽可能按时交付，减少延期交付的可能性和罚款。

进一步地，步骤(3)包括：

S1：设定受模具资源约束下构件j在生产线l上第k个工序操作开始时间，表示为S(J_l，j，N_l，k)；

若构件j采用私有模具，低优先级的构件需要等到所有高优先级的构件都完成第k个工序操作才能开始生产；即采用私有模具的低优先级构件j在生产线l上第k个工序操作开始时间

满足：

若构件j采用共享模具，低优先级的构件需要等到所有共享模具$的高优先级的构件都完成所有工序释放占有的模具后才能开始生产，即采用共享模具的低优先级构件j在生产线l上第k个工序操作开始时间

满足：

其中，y为低优先级构件的优先级，x为高优先级构件的优先级；

表示所有非同类高优先级构件第k道工序完成时间的最大值；

表示共享＄模具的最低的高优先级构件，即共享$模具的优先级为y+1的构件完成最后一道工序的时间；因优先级为y+1的构件有多个，取最小值

表示同类构件中最先完成的时间；

S2：判断构件生产工序种类，对不同工序完成时间进行计算，包括完成时间初步计算和完成时间修正两个步骤，具体为：

按生产车间调度理论进行完成时间初步计算，具体为：如果预制构件j是第一个生产构件的第一道工序，则预制构件j在生产线l上第k个工序操作的完成时间为C(J_l，j，N_l，k)＝P_l，j，k；如果预制构件j是第一个生产构件但非第一道工序，则预制构件j在生产线l上第k个工序操作的完成时间为C(J_l，j，N_l，k)＝C(J_l，j，N_l，k-1)+P_l，j，k；如果预制构件j不是第一个生产构件但是第一道工序，则预制构件j在生产线l上第k个工序操作的完成时间C(J_l，j，N_l，k)＝C(J_l，j-1，N_l，k)+P_l，j，k；如果预制构件j不是第一个生产构件也不是第一道工序，则预制构件j在生产线l上第k个工序操作的完成时间C(J_l，j，N_l，k)＝Max{C(J_l，j，N_l，k-1)，C(J_l，j-1，N_l，k)}+P_l，j，k；其中，C(J_l，j，N_l，k-1)表示预制构件j在生产线l上第k-1个工序操作的完成时间；C(J_l，j-1，N_l，k)表示预制构件j-1在生产线l上第k个工序操作的完成时间；

判断构件生产工序种类，若是可中断工序，进入步骤S2-1；若是不可中断顺序工序，进入步骤S2-2；若是不可中断、平行的自然工序，进入步骤S2-3；若是不可中断、平行的非自然工序，否则进入步骤S2-4；

S2-1.设定工序生产完成时间

S2-2.设定工序生产完成时间

S2-3.设定工序生产完成时间

S2-4.设定工序生产完成时间

其中，T，T^*分别表示顺序、平行工序的累计完成时间，D为完整天数，H_w，H_A分别表示一个工作日中的可工作时间和允许加班时间；

工序生产完成时间是优化目标函数中的参数，

通过优化可以得到最优的调度方案，用于步骤(4)进行仿真评价；

S3:制定构件生产调度方案S，使交付罚款

最少；其中，α_j表示单位延迟交付罚款费用，β_j表示单位提前交付罚款费用，d_j表示构件j的交付日期，C_j表示构件j的生产完成日期，C_j等于构件j的最后一道工序的完工时间

步骤(3)中限定了求解构件完成时间的实际约束条件(包括不同工序完成时间和模具使用模式)，可以保证建立的模型和实际生产更符合，模型更具有适用性。

进一步地，步骤(4)具体为：

将生产总成本表示为：

其中，设定生产总成本仅考虑受调度方案影响的成本，所述受调度方案影响的成本包括模具成本C₁,工人雇佣成本C₂,工作时间成本C₃,库存成本C₄和生产率损失成本C₅，其中工作时间成本包括正常工作时间成本C₃₁和加班时间成本C₃₂；x₁和x₂分别表示模具资源和工人资源的利用率；N₁和N₂分别表示模具资源和工人资源的数量；x₃₁,x₃₂,x₄和x₅分别表示正常工作时间，加班时间，提前期(提前期：表示从下订单到构件交付的整个时间段)和生产等待时间；U₁、U₂、U₃₁、U₃₂、U₄、U₅分别表示模具成本C₁、工人雇佣成本C₂、正常工作时间成本C₃₁、加班时间成本C₃₂、库存成本C₄和生产率损失成本C₅的单位成本系数；

对所有可选的优化调度方案S基于ARENA软件计算实际生产环境下生产总成本和交付罚款费用；

设定调度方案总费用C^T＝C+θ×f＝(C₁+C₂+C₃₁+C₃₂+C₄+C₅)+θ×f，其中，C^T为调度方案总费用，C和C′分别为生产总成本和交付罚款费用，θ为交付罚款费用占调度方案总费用C^T的比例；选择实际环境下总费用最少的方案为最优再调度方案；

输出最优再调度方案、再调度总费用。

本发明技术效果：

本发明提供的一种面向机器故障的装配式建筑预制构件生产再调度优化方法，针对装配式建筑预制构件生产过程中机器故障干扰，采用“优化+仿真”混合算法，从生产线选择、构件生产优先级确定、构件再调度三个步骤对机器故障干扰下预制构件生产进行再调度动态优化，弥补现有静态调度优化不足。

并且，本发明所提供的方法在最优解基础上综合考虑预制构件不同生产工序特性、多生产线、操作等待、资源限制、共享模具等实际生产因素，进行最优方案模拟评价，以提升再调度方案实际适用性，克服了现有技术中单纯依托数学优化模型的调度方案落地难、不适用等问题，为预制构件厂提供了一种机器故障条件下的再调度优化方案，实现机器故障条件下预制构件按时交付与生产成本最少化目标，改变实际中现有的基于经验进行生产调度的现状。

附图说明

图1是本发明实施实例中一种面向机器故障的装配式建筑预制构件生产再调度优化方法的流程图；

图2是本发明实施实例中一种面向机器故障的装配式建筑预制构件生产再调度优化方法的模型框架图；

图3是本发明实施实例中一种面向机器故障的装配式建筑预制构件生产再调度优化方法中完成时间计算流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步详细的说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1为一种面向机器故障的装配式建筑预制构件生产再调度优化方法的流程图，所述具体方法包括：

(1)获取因机器故障导致生产中断的构件数据，选择新生产线生产被中断构件；

(2)计算被选生产线上构件优先级，以确定预制构件在生产调度第一道工序的初始化生产顺序，优先级越高，越先生产；

(3)基于优化模型选择可行的优化再调度生产方案；

(4)对步骤(3)中的再调度方案进行实际生产环境下的模拟、评价，计算在排队时长、资源限制实际因素下各调度方案的总费用，选择费用最少的再调度方案最优解。

图2示出了本发明面向机器故障的装配式建筑预制构件生产再调度优化方法流程框架图，具体步骤为：

Step1.获取因机器故障导致生产中断的构件数据，包括所有构件订单信息(包括订单交付日期，构建种类)、工厂资源信息(包括模具类型，劳动力信息)、原始生产计划信息和发生机器故障的生产线信息；

Step2.选择新生产线继续完成上述中断构件的生产任务；选择新生产线的方法为：

在能满足额外生产任务条件下最少化被选择生产线数量，生产空闲时间越多的生产线将优先被选择，设定生产线总空闲时间

其中，k和l分别表示工序和生产线的编号，n_k为预制构件工序的总数量，为正整数；T_l，k为l生产线上k工序的空闲时间；

T_l，k具体计算方法与工序k的操作特征有关，具体如下：

若工序k是串行工序，有

若工序k是并行工序，有

其中，j表示构件编号，最大数量为n_q；S(J_l，1，N_l，k)表示生产线l上第k个工序的第一个构件操作开始时间；

表示生产线l上第k个工序的第n_q个构件操作结束时间；P_l，j，k为构件j在生产线l上第k个工序的操作时长；Max_j{P_l，j，k}表示在生产线l上第k个工序同时并行操作的最大时长；

Step3.计算被选生产线上构件优先级，即确定被选择构件的生产优先级

Δ_l，j为构件j在生产线l上生产的优先级，d_j为构件j要求的交付日期，

表示构件j在生产线l上第n_k个工序操作的完成时间，Δ_l，j越小优先级越大；

Step4.设定受模具资源约束下构件j在生产线l上第k个工序操作开始时间，表示为S(J_l，j，N_l，k)；

若构件j采用私有模具，低优先级的构件需要等到所有高优先级的构件都完成第k个工序操作才能开始生产；即采用私有模具的低优先级构件j在生产线l上第k个工序操作开始时间

满足：

若构件j采用共享模具，低优先级的构件需要等到所有共享模具$的高优先级的构件都完成所有工序释放占有的模具后才能开始生产，即采用共享模具的低优先级构件j在生产线l上第k个工序操作开始时间

满足：

其中，y为低优先级构件的优先级，x为高优先级构件的优先级；

表示所有非同类高优先级构件第k道工序完成时间的最大值；

表示共享$模具的最低的高优先级构件，即共享$模具的优先级为y+1的构件完成最后一道工序的时间；因优先级为y+1的构件有多个，取最小值

表示同类构件中最先完成的时间；

Step5.判断构件生产工序种类，对不同工序完成时间进行计算。图3为生产再调度优化模型中不同工序完成时间计算流程图，主要包括完成时间初步计算和完成时间修正两大部分，具体步骤为：

Step5-1.按生产车间调度理论进行完成时间初步计算，如果预制构件j是第一个生产构件的第一道工序，则完成时间为C(J_l，j，N_l，k)＝P_l，j，k；如果预制构件j是第一个生产构件但非第一道工序，则C(J_l，j，N_l，k)＝C(J_l，j，N_l，k-1)+P_l，j，k；如果预制构件j不是第一个生产构件但是第一道工序，则C(J_l，j，N_l，k)＝C(J_l，j-1，N_l，k)+P_l，j，k；如果预制构件j不是第一个生产构件也不是第一道工序，则C(J_l，j，N_l，k)＝Max{C(J_l，j，N_l，k-1)，C(J_l，j-1，N_l，k)}+P_l，j，k；

C(J_l，j，N_l，k-1)表示预制构件j在生产线l上第k-1个工序操作的完成时间；

C(J_l，j-1，N_l，k)表示预制构件j-1在生产线l上第k个工序操作的完成时间；

Step5-2.依据生产工序特征对完成时间进行修正，令T＝C(J_l，j，N_l，k)；若是可中断工序(k＝1,2,3,6,7)，进入步骤Step5-3；若是不可中断顺序工序(k＝4)，进入步骤Step5-4；若是不可中断、平行的自然工序(k＝5,8)，进入步骤Step5-5；若是不可中断、平行的非自然工序(k＝9)，进入步骤Step5-6；

Step5-3.设定工序生产完成时间

Step5-4.设定工序生产完成时间

Step5-5.设定工序生产完成时间

Step5-6.设定工序生产完成时间

其中，T，T^*分别表示顺序、平行工序的累计完成时间，D为完整天数，H_w，H_A分别表示一个工作日中的可工作时间和允许加班时间；

Step6.在模具使用模式约束和不同工序完成时间约束下，建立再调度优化模型，得到可行的再调度方案优化解，使交付罚款

最少；

其中，建立的再调度优化模型模型就是上述step5的约束加上step6的目标函数；其中，α_j表示单位延迟交付罚款费用，β_j表示单位提前交付罚款费用，d_j表示构件j的交付日期，C_j表示构件j的生产完成日期，C_j等于构件j的最后一道工序的完工时间

Step7.设定生产总成本

其中，设定生产总成本仅考虑受调度方案影响的成本，所述受调度方案影响的成本包括模具成本C₁,工人雇佣成本C₂,工作时间成本C₃,库存成本C₄和生产率损失成本C₅，其中工作时间成本包括正常工作时间成本C₃₁和加班时间成本C₃₂；x₁和x₂分别表示模具资源和工人资源的利用率；N₁和N₂分别表示模具资源和工人资源的数量；x₃₁,x₃₂,x₄和x₅分别表示正常工作时间，加班时间，提前期和生产等待时间；U₁、U₂、U₃₁、U₃₂、U₄、U₅分别表示模具成本C₁、工人雇佣成本C₂、正常工作时间成本C₃₁、加班时间成本C₃₂、库存成本C₄和生产率损失成本C₅的单位成本系数；

Step8.对所有可选的优化调度方案S基于ARENA软件计算实际生产环境下生产总成本和交付罚款费用；设定调度方案总费用C^T＝C+θ×f＝(C₁+C₂+C₃₁+C₃₂+C₄+C₅)+θ×f，选择实际环境下总费用最少的方案为最优再调度方案；C^T为调度方案总费用，C和f分别为生产总成本和交付罚款费用，θ为交付罚款费用占调度总费用的比例；选择实际环境下总费用最少的方案为最优再调度方案；

Step9.模型输出最优再调度方案(包括生产线选择和各生产线调度方案)、再调度总费用(包括交付罚款和生产成本)。

以上对本发明所提供的一种面向机器故障的装配式建筑预制构件生产再调度优化方法进行了详细介绍，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种面向机器故障的装配式建筑预制构件生产再调度优化方法，其特征在于，所述方法包括：

(1)获取因机器故障导致生产中断的构件数据，选择新生产线生产被中断构件；

(2)计算被选生产线上构件优先级；

(3)基于优化模型选择可行的优化再调度生产方案；

(4)对步骤(3)中的再调度方案进行实际生产环境下的模拟、评价，计算在排队时长、资源限制实际因素下各调度方案的总费用，选择费用最少的为再调度方案最优解；

步骤(1)中，所述因机器故障导致生产中断的构件数据包括：所有构件订单信息、工厂资源信息、原始生产计划信息和发生机器故障的生产线信息；

步骤(1)中，选择新生产线的方法为：

在能满足额外生产任务条件下最少化被选择生产线数量，生产空闲时间越多的生产线将优先被选择，设定生产线l总空闲时间

其中，k和l分别表示工序和生产线的编号，n_k为预制构件工序的总数量，为正整数；T_l，k为生产线l上工序k的空闲时间；

T_l，k具体计算方法与工序k的操作特征有关，具体如下：

若工序k是串行工序，有

若工序k是并行工序，有

其中，j表示构件编号，最大数量为n_q；S(J_l，1，N_l，k)表示生产线l上第k个工序的第一个构件操作开始时间；

表示生产线l上第k个工序的第n_q个构件操作结束时间；P_l，j，k为构件j在生产线l上第k个工序的操作时长；Max_j{P_l，j，k}表示在生产线l上第k个工序同时并行操作的最大时长；

步骤(4)具体为：

将生产总成本表示为：

其中，设定生产总成本仅考虑受调度方案影响的成本，所述受调度方案影响的成本包括模具成本C₁，工人雇佣成本C₂，工作时间成本C₃，库存成本C₄和生产率损失成本C₅，其中工作时间成本包括正常工作时间成本C₃₁和加班时间成本C₃₂；x₁和x₂分别表示模具资源和工人资源的利用率；N₁和N₂分别表示模具资源和工人资源的数量；x₃₁，x₃₂，x₄和x₅分别表示正常工作时间，加班时间，提前期和生产等待时间；U₁、U₂、U₃₁、U₃₂、U₄、U₅分别表示模具成本C₁、工人雇佣成本C₂、正常工作时间成本C₃₁、加班时间成本C₃₂、库存成本C₄和生产率损失成本C₅的单位成本系数；

对所有可选的优化调度方案S基于ARENA软件计算实际生产环境下生产总成本和交付罚款费用；

设定调度方案总费用C^T＝C+θ×f＝(C₁+C₂+C₃₁+C₃₂+C₄+C₅)+θ×f，其中，C^T为调度方案总费用，C和f分别为生产总成本和交付罚款费用，θ为交付罚款费用占调度方案总费用C^T的比例；选择实际环境下总费用最少的方案为最优再调度方案；

输出最优再调度方案、再调度总费用；

步骤(2)中，计算被选生产线上构件优先级：

Δ_l，j为构件j在生产线l上生产的优先级，d_j为构件j要求的交付日期，

表示构件j在生产线l上第n_k个工序操作的完成时间，Δ_l，j越小表示构件的优先级越大；

步骤(3)包括：

S1：设定受模具资源约束下构件j在生产线l上第k个工序操作开始时间，表示为S(J_l，j，N_l，k)；

若构件j采用私有模具，低优先级的构件需要等到所有高优先级的构件都完成第k个工序操作才能开始生产；即采用私有模具的低优先级构件j在生产线l上第k个工序操作开始时间

满足：

若构件j采用共享模具，低优先级的构件需要等到所有共享模具$的高优先级的构件都完成所有工序释放占有的模具后才能开始生产，即采用共享模具的低优先级构件j在生产线l上第k个工序操作开始时间

满足：

其中，y为低优先级构件的优先级，x为高优先级构件的优先级；

表示所有非同类高优先级构件第k道工序完成时间的最大值；

表示共享$模具的最低的高优先级构件，即共享$模具的优先级为y+1的构件完成最后一道工序的时间；因优先级为y+1的构件有多个，取最小值

表示同类构件中最先完成的时间；

S2：判断构件生产工序种类，对不同工序完成时间进行计算，包括完成时间初步计算和完成时间修正两个步骤，具体为：

按生产车间调度理论进行完成时间初步计算：如果预制构件j是第一个生产构件的第一道工序，则预制构件j在生产线l上第k个工序操作的完成时间为C(J_l，j，N_l，k)＝P_l，j，k；如果预制构件j是第一个生产构件但非第一道工序，则预制构件j在生产线l上第k个工序操作的完成时间为C(J_l，j，N_l，k)＝C(J_l，j，N_l，k-1)+P_l，j，k；如果预制构件j不是第一个生产构件但是第一道工序，则预制构件j在生产线l上第k个工序操作的完成时间C(J_l，j，N_l，k)＝C(J_l，j-1，N_l，k)+P_l，j，k；如果预制构件j不是第一个生产构件也不是第一道工序，则预制构件j在生产线l上第k个工序操作的完成时间C(J_l，j，N_l，k)＝Max{C(J_l，j，N_l，k-1)，C(J_l，j-1，N_l，k)}+P_l，j，k；其中，C(J_l，j，N_l，k-1)表示预制构件j在生产线l上第k-1个工序操作的完成时间；C(J_l，j-1，N_l，k)表示预制构件j-1在生产线l上第k个工序操作的完成时间；

判断构件生产工序种类，若是可中断工序，进入步骤S2-1；若是不可中断顺序工序，进入步骤S2-2；若是不可中断、平行的自然工序，进入步骤S2-3；若是不可中断、平行的非自然工序；否则进入步骤S2-4；

S2-1.设定工序生产完成时间

S2-2.设定工序生产完成时间

S2-3.设定工序生产完成时间

S2-4.设定工序生产完成时间

其中，T，T^*分别表示顺序、平行工序的累计完成时间，D为完整天数，H_w，H_A分别表示一个工作日中的可工作时间和允许加班时间；

S3：制定构件生产调度方案S，使交付罚款

最少；其中，α_j表示单位延迟交付罚款费用，β_j表示单位提前交付罚款费用，d_j表示构件j的交付日期，C_j表示构件j的生产完成日期，C_j等于构件j的最后一道工序的完工时间

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