CN112101820B - 一种两阶段流水加工调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于产品加工技术领域，具体公开一种两阶段流水加工调度方法，包括如下步骤：S1：根据实际加工需求，建立两阶段流水加工调度模型；S2：获取需加工产品的产品信息；S3：将需加工产品的产品信息输入两阶段流水加工调度模型，得到加工调度结果。本发明解决了现有技术存在的生产率不能满足要求和无法适应实际应用场景的问题。

Description

一种两阶段流水加工调度方法
技术领域
本发明属于产品加工技术领域，具体涉及一种两阶段流水加工调度方法。
背景技术
经济全球化的进展过程中，不难发现，根据客户的需求制造系统中的产品趋于多样化和小批量生产。在如此严峻的市场环境中，为了提高竞争力，制造商应柔性和高效地降低成本和提高生产效率。其中，一种重要的柔性生产类型是在单一的制造系统中生产多品种产品。当多种产品加工时，系统从加工一种产品切换成加工另一种产品，需要重新调试机器。然而，小批量生产，机器调试较频繁。通常机器调试活动包含相关工具获取和调试，设备清洗，材料检查等任务。这些活动需要时间，并且会影响系统的生产效率。因此，寻找高效的调度算法应对流水车间调度问题生产小批量多品种产品是具有重要意义的。
尽管流水车间包含多个工作单元，但是许多流水车间可以视为两阶段流水车间，并且其中的一阶段应该不间断生产，现有技术的研究目标是最大程度地提高生产率，并使第二阶段保持不间断地运行。
现有技术存在以下问题：
1)对于两阶段流水车间系统，如果每个阶段都没有并行机，则调度两阶段流水车间类似于两机流水车间。现有技术中，对于开发两机的流水车间已经进行了广泛的研究，通过开发不同的数学模型和求解方法考虑各种约束，提出有效的方法获得生产时间下界，最小化两机流水车间的总完成时间。但是，这些研究均未考虑从加工一种产品切换成加工另一种产品的机器调试时间，导致生产率不能满足要求。实际上，对于某些实际的调度问题，例如工业应用(金属处理，制动器制造，电子等)，金融，信息处理，医疗保健，化妆品和卫星成像，应将调试时间与加工时间分开处理。
2)待加工的产品装载到两机流水车间，然后该产品被加工。产品装载到系统后，制造商迫切希望其可以按时交货，否则，延期交货将接受惩罚，从而导致生产成本增加。因此，产品总延时已被广泛视为实际生产环境中的调度性能标准。考虑到产品的装载时间，许多研究关注于最小化两机流水车间调度的产品吞吐量，提出了高效的调度算法。但上述现有技术的研究报告均未考虑到实际加工需求，无法适应实际应用场景。
发明内容
本发明旨在于至少在一定程度上解决上述技术问题之一。
为此，本发明目的在于提供一种两阶段流水加工调度方法，用于解决现有技术存在的生产率不能满足要求和无法适应实际应用场景的问题。
本发明所采用的技术方案为：
一种两阶段流水加工调度方法，包括如下步骤：
S1：根据实际加工需求，建立两阶段流水加工调度模型；
S2：获取需加工产品的产品信息；
S3：将需加工产品的产品信息输入两阶段流水加工调度模型，得到加工调度结果。
进一步地，步骤S1的具体步骤为：
S1-1：根据实际加工需求，建立整数线性规划模型；
S1-2：在整数线性规划模型中加入产品加工顺序获取方法，得到初始的两阶段流水加工调度模型；
S1-3：在初始两阶段流水加工调度模型中加入启发式调度方法，得到并输出最优的两阶段流水加工调度模型。
进一步地，步骤S1-1中，整数线性规划模型的公式为：
Figure BDA0002747803290000031
式中，Γ为所有批次的产品在第一阶段加工完成所需时间；minimize为最小化函数；xij为第一轮需加工产品中第j产品批次在第一阶段的第i台机器进行加工的指示量；Νn为第一轮需加工产品的产品批次集合；yij为第二轮需加工产品中第j产品批次在第一阶段的第i台机器进行加工的指示量；zij为当前需加工产品中第j产品批次在第一阶段的第i台机器进行加工的指示量；Νm为第二轮需加工产品的产品批次集合；Νg为第一阶段的机器集合；g、n、m分别为第一阶段的机器总数、第一轮需加工产品的产品批次总数以及第二轮需加工产品的产品批次总数；Oj为第一轮需加工产品中第j产品批次的产品数量，其中Oj≥θ；Φj为第二轮需加工产品中第j产品批次的产品数量，其中Φj＜θ；ζi为满足产品两阶段连续加工额为增加趋势的产品数量；α为第一轮需加工产品的机器加工时间；δ为加工一种产品切换成加工另一种产品的设置时间；θ为满足平均生产率要求的产品数量阈值。
进一步地，步骤S2中，需加工产品的产品信息包括需加工产品的产品种类信息和产品批次信息。
进一步地，步骤S3的具体步骤为：
S3-1：根据需加工产品的产品信息，判断是否为大规模加工调度，若是则进入步骤S3-4，否则进入步骤S3-2；
S3-2：根据需加工产品的产品信息，使用整数线性规划模型得到产品批次分配结果；
S3-3：根据产品批次分配结果，使用产品加工顺序获取方法得到对应的产品加工排序结果，将产品加工排序结果作为加工调度结果进行输出，并结束加工调度方法；
3-4：根据需加工产品的产品信息，使用启发式调度方法得到加工调度结果并进行输出。
进一步地，步骤S3-1中，当需加工产品的产品种类数量大于产品种类数量阈值或需加工产品的产品批次数量大于产品批次数量阈值时，当前加工调度为大规模加工调度。
进一步地，步骤S3-3中，产品加工顺序获取方法的具体步骤为：
A1：根据整数线性规划模型得到的产品批次分配结果，建立产品分配批次集和产品分配序列集；
A2：从产品分配批次集中任意提取一个产品批次，并根据提取的产品批次更新产品分配批次集和产品分配序列集；
A3：重复步骤A2，直到迭代次数达到次数阈值，得到排序完成的产品分配序列集；
A4：判断产品分配批次集中是否存在剩余的产品批次，若是则将剩余的产品批次加入排序完成的产品分配序列集的末尾，并进入步骤A5，否则直接进入步骤A5；
A5：将排序完成的产品分配序列集作为产品加工排序结果进行输出。
进一步地，步骤S3-4中，启发式调度方法的具体步骤为：
B-1：根据需加工产品的产品信息，建立产品总批次集，并获取产品总批次集中所有产品批次的产品数量；
B-2：从产品总批次集提取产品数量最大的产品批次并分配至第一阶段的当前机器，获取当前机器的加工时间，并更新产品总批次集和机器，重复步骤B-2，直至所有并行的机器均分配有产品批次；
B-3：从更新后的产品总批次集中任意提取一个产品批次并分配至第一阶段的加工时间最短的机器，并更新产品总批次集和当前机器的加工时间，重复步骤B-3，直至产品总批次集无剩余产品批次；
B-4：将所有并行的机器的产品批次的排序结果作为加工调度结果进行输出。
进一步地，步骤S3中，加工调度结果实现了第一阶段的每台并行的机器上加工的产品数量不小于产品数量阈值，并且实现了第二阶段的机器不间断生产。
进一步地，步骤S3中，加工调度结果实现了第一阶段的所有并行的机器的平均生产率不低于1/gβ，式中，g为第一阶段的机器总数，β为第二阶段的机器加工时间。
本发明的有益效果为：
本发明考虑到机器调试时间和实际加工需求，针对两阶段流水加工进行调度，能够快速地获得最优的产品调度方案，适应实际应用场景，保证产品在两阶段流水车间中不间断的生产，减少了生产过程中的半成品，提高了产品的生产率，即减少生产成本和不必要的资源浪费。
本发明的其他有益效果将在具体实施方式中进行详细说明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是两阶段流水加工调度方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例来对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明虽然是用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本发明公开的功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本发明阐述的实施例中。
应当理解，本发明使用的术语仅用于描述特定实施例，并不意在限制本发明的示例实施例。若术语“包括”、“包括了”、“包含”和/或“包含了”在本发明中被使用时，指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性，并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。
应当理解，还应当注意到在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如，取决于所涉及的功能/动作，实际上可以实质上并发地执行，或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。
应当理解，在下面的描述中提供了特定的细节，以便于对示例实施例的完全理解。然而，本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实例中，可以不以不必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种两阶段流水加工调度方法，包括如下步骤：
S1：根据实际加工需求，建立两阶段流水加工调度模型，具体步骤为：
S1-1：根据实际加工需求，建立整数线性规划模型；
实际加工需求包括五种情况：
1)每阶段存在并行的机器；2)每台机器同一时间只能加工一个产品；3)第一阶段存在调试时间，第二阶段机器调试时间忽略不计；4)第二阶段是两阶段流水加工系统的瓶颈；5)同一批次的产品类型相同，不同批次产品类型不同；
整数线性规划模型的公式为：
Figure BDA0002747803290000071
式中，Γ为所有批次的产品在第一阶段加工完成所需时间；minimize为最小化函数；xij为第一轮需加工产品中第j产品批次在第一阶段的第i台机器进行加工的指示量；Νn为第一轮需加工产品的产品批次集合；yij为第二轮需加工产品中第j产品批次在第一阶段的第i台机器进行加工的指示量；zij为当前需加工产品中第j产品批次在第一阶段的第i台机器进行加工的指示量；Νm为第二轮需加工产品的产品批次集合；Νg为第一阶段的机器集合；g、n、m分别为第一阶段的机器总数、第一轮需加工产品的产品批次总数以及第二轮需加工产品的产品批次总数；Oj为第一轮需加工产品中第j产品批次的产品数量，其中Oj≥θ；Φj为第二轮需加工产品中第j产品批次的产品数量，其中Φj＜θ；ζi为满足产品两阶段连续加工额为增加趋势的产品数量；α为第一轮需加工产品的机器加工时间；δ为加工一种产品切换成加工另一种产品的设置时间；θ为满足平均生产率要求的产品数量阈值，θ＝δ/(gβ-α)，其中g为第一阶段的机器总数，β为第二阶段的机器加工时间；
Figure BDA0002747803290000072
表示第一轮需加工产品BT1中第j产品批次的产品在第一阶段的机器上进行加工，因此其之和为1；
Figure BDA0002747803290000073
表示第二轮需加工产品BT2中第j产品批次的产品在第一阶段的机器上进行加工，因此其之和为1；
Figure BDA0002747803290000081
表示在机器在加工第一轮需加工产品BT1中的产品时需同时加工第二轮需加工产品BT2中的产品，则将第二轮需加工产品BT2中的产品分配至当前机器的加工序列的末尾；
Figure BDA0002747803290000082
表示分配给第一阶段的机器的所有批次的总加工时间应不超过Γ；
Figure BDA0002747803290000083
存在两种情况：1)
Figure BDA0002747803290000084
根据约束条件
Figure BDA0002747803290000085
yij＝0成立，表示在第一阶段的机器上加工的所有产品都属于BT1，不属于BT2；2)
Figure BDA0002747803290000086
用于确保第一阶段的所有并行的机器的平均生产率不低于1/gβ，式中，g为第一阶段的机器总数，β为第二阶段的机器加工时间，其中β＝μ/h，μ为第一轮需加工产品的机器加工时间，h为第二阶段的机器总数，由于第二阶段无机器调试时间，可以将h台机器视为一台机器；
S1-2：在整数线性规划模型中加入产品加工顺序获取方法，得到初始的两阶段流水加工调度模型；
S1-3：在初始两阶段流水加工调度模型中加入启发式调度方法，得到并输出最优的两阶段流水加工调度模型；
S2：获取需加工产品的产品信息，需加工产品的产品信息包括需加工产品的产品种类信息和产品批次信息；
S3：将需加工产品的产品信息输入两阶段流水加工调度模型，得到加工调度结果，具体步骤为：
S3-1：根据需加工产品的产品信息，判断是否为大规模加工调度，若是则进入步骤S3-4，否则进入步骤S3-2；
当需加工产品的产品种类数量大于产品种类数量阈值或需加工产品的产品批次数量大于产品批次数量阈值时，当前加工调度为大规模加工调度；
S3-2：根据需加工产品的产品信息，使用整数线性规划模型得到产品批次分配结果；
S3-3：根据产品批次分配结果，使用产品加工顺序获取方法得到对应的产品加工排序结果，将产品加工排序结果作为加工调度结果进行输出，并结束加工调度方法；
产品加工顺序获取方法的具体步骤为：
A1：根据整数线性规划模型得到的产品批次分配结果，建立产品分配批次集Λi和产品分配序列集Λi′；
A2：从产品分配批次集中任意提取一个产品批次BHi1，使其满足加工需求条件ξi+bi1≥θ，bi1为第1产品批次中在第i台机器上加工的产品数量，ζi为满足产品两阶段连续加工额为增加趋势的产品数量，并根据提取的产品批次更新产品分配批次集Λi′←Λi′∪{BHi1}和产品分配序列集Λi←Λi\{BHi1}；
A3：重复步骤A2，直到迭代次数达到次数阈值，确定产品分配序列集第2个位置到第η(i)-1个位置的产品加工顺序，得到排序完成的产品分配序列集，使得
Figure BDA0002747803290000091
s为迭代次数；bij表示第j产品批次中在第i台机器上加工的产品数量；
A4：判断产品分配批次集中是否存在剩余的产品批次，若是则原始的Λi包含η(i)个产品批次，产品将剩余的产品批次加入排序完成的产品分配序列集的末尾，并进入步骤A5，否则原始的Λi包含η(i)-1个批次，并直接进入步骤A5；
A5：将排序完成的产品分配序列集作为产品加工排序结果进行输出；
3-4：根据需加工产品的产品信息，使用启发式调度方法得到加工调度结果并进行输出；
由于整数线性规划模型的计算复杂度与离散变量的数量呈指数关系，因此对于大规模的生产调度问题，步骤S3-2至S3-3并不能高效地找到最优解，因此，,启发式调度方法去寻找最优或者近似最优解是非常有意义；
启发式调度方法的具体步骤为：
B-1：根据需加工产品的产品信息，建立产品总批次集Φ＝{φ1,φ2,…,φn}，并获取产品总批次集中所有产品批次的产品数量BS(φk)，k为产品批次指示量；
B-2：从产品总批次集提取产品数量最大的产品批次并分配至第一阶段的当前机器，获取当前机器的加工时间，并更新产品总批次集Φ←Φ\{φk}和机器M1i←M1i+1，重复步骤B-2，直至所有并行的机器均分配有产品批次；
B-3：此时更新后的产品总批次集中剩余n–g个产品批次，g为第一阶段的机器总数，从更新后的产品总批次集中任意提取一个产品批次并分配至第一阶段的加工时间最短的机器，并更新产品总批次集和当前机器的加工时间，重复步骤B-3，直至产品总批次集无剩余产品批次
Figure BDA0002747803290000101
B-4：将所有并行的机器的产品批次的排序结果作为加工调度结果进行输出；
加工调度结果实现了第一阶段的每台并行的机器上加工的产品数量不小于产品数量阈值，并且实现了第二阶段的机器不间断生产；
加工调度结果实现了第一阶段的所有并行的机器的平均生产率不低于1/gβ，式中，g为第一阶段的机器总数，β为第二阶段的机器加工时间。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所描述的实施例仅仅是示意性的，若涉及到作为分离部件说明的单元，其可以是或者也可以不是物理上分开的；若涉及到作为单元显示的部件，其可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (8)

1.一种两阶段流水加工调度方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：根据实际加工需求，建立两阶段流水加工调度模型；
具体步骤为：
S1-1：根据实际加工需求，建立整数线性规划模型；
整数线性规划模型的公式为：
min imize Γ
Figure FDA0002987650010000011
式中，Γ为所有批次的产品在第一阶段加工完成所需时间；minimize为最小化函数；xij为第一轮需加工产品中第j产品批次在第一阶段的第i台机器进行加工的指示量；Νn为第一轮需加工产品的产品批次集合；yij为第二轮需加工产品中第j产品批次在第一阶段的第i台机器进行加工的指示量；zij为当前需加工产品中第j产品批次在第一阶段的第i台机器进行加工的指示量；Νm为第二轮需加工产品的产品批次集合；Νg为第一阶段的机器集合；g、n、m分别为第一阶段的机器总数、第一轮需加工产品的产品批次总数以及第二轮需加工产品的产品批次总数；Oj为第一轮需加工产品中第j产品批次的产品数量，其中Oj≥θ；Φj为第二轮需加工产品中第j产品批次的产品数量，其中Φj＜θ；ζi为满足产品两阶段连续加工额为增加趋势的产品数量；α为第一轮需加工产品的机器加工时间；δ为加工一种产品切换成加工另一种产品的设置时间；θ为满足平均生产率要求的产品数量阈值；
S1-2：在整数线性规划模型中加入产品加工顺序获取方法，得到初始的两阶段流水加工调度模型；
S1-3：在初始两阶段流水加工调度模型中加入启发式调度方法，得到并输出最优的两阶段流水加工调度模型；
S2：获取需加工产品的产品信息；
S3：将需加工产品的产品信息输入两阶段流水加工调度模型，得到加工调度结果。
2.根据权利要求1所述的一种两阶段流水加工调度方法，其特征在于：所述的步骤S2中，需加工产品的产品信息包括需加工产品的产品种类信息和产品批次信息。
3.根据权利要求2所述的一种两阶段流水加工调度方法，其特征在于：所述的步骤S3的具体步骤为：
S3-1：根据需加工产品的产品信息，判断是否为大规模加工调度，若是则进入步骤S3-4，否则进入步骤S3-2；
S3-2：根据需加工产品的产品信息，使用整数线性规划模型得到产品批次分配结果；
S3-3：根据产品批次分配结果，使用产品加工顺序获取方法得到对应的产品加工排序结果，将产品加工排序结果作为加工调度结果进行输出，并结束加工调度方法；
3-4：根据需加工产品的产品信息，使用启发式调度方法得到加工调度结果并进行输出。
4.根据权利要求3所述的一种两阶段流水加工调度方法，其特征在于：所述的步骤S3-1中，当需加工产品的产品种类数量大于产品种类数量阈值或需加工产品的产品批次数量大于产品批次数量阈值时，当前加工调度为大规模加工调度。
5.根据权利要求3所述的一种两阶段流水加工调度方法，其特征在于：所述的步骤S3-3中，产品加工顺序获取方法的具体步骤为：
A1：根据整数线性规划模型得到的产品批次分配结果，建立产品分配批次集和产品分配序列集；
A2：从产品分配批次集中任意提取一个产品批次，并根据提取的产品批次更新产品分配批次集和产品分配序列集；
A3：重复步骤A2，直到迭代次数达到次数阈值，得到排序完成的产品分配序列集；
A4：判断产品分配批次集中是否存在剩余的产品批次，若是则将剩余的产品批次加入排序完成的产品分配序列集的末尾，并进入步骤A5，否则直接进入步骤A5；
A5：将排序完成的产品分配序列集作为产品加工排序结果进行输出。
6.根据权利要求3所述的一种两阶段流水加工调度方法，其特征在于：所述的步骤S3-4中，启发式调度方法的具体步骤为：
B-1：根据需加工产品的产品信息，建立产品总批次集，并获取产品总批次集中所有产品批次的产品数量；
B-2：从产品总批次集提取产品数量最大的产品批次并分配至第一阶段的当前机器，获取当前机器的加工时间，并更新产品总批次集和机器，重复步骤B-2，直至所有并行的机器均分配有产品批次；
B-3：从更新后的产品总批次集中任意提取一个产品批次并分配至第一阶段的加工时间最短的机器，并更新产品总批次集和当前机器的加工时间，重复步骤B-3，直至产品总批次集无剩余产品批次；
B-4：将所有并行的机器的产品批次的排序结果作为加工调度结果进行输出。
7.根据权利要求1所述的一种两阶段流水加工调度方法，其特征在于：所述的步骤S3中，加工调度结果实现了第一阶段的每台并行的机器上加工的产品数量不小于产品数量阈值，并且实现了第二阶段的机器不间断生产。
8.根据权利要求1所述的一种两阶段流水加工调度方法，其特征在于：所述的步骤S3中，加工调度结果实现了第一阶段的所有并行的机器的平均生产率不低于1/gβ，式中，g为第一阶段的机器总数，β为第二阶段的机器加工时间。
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