CN112465451A - 一种支持项目并行及多资源方案的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种支持项目并行及多资源方案的优化方法，首先明确项目中的每个任务及各任务可设置的所有资源方案；然后确定研发流程计划安排的目标，再对研发流程计划安排的优化问题进行数学建模；最后采用差分进化算法求解目标函数；因此，本发明能够支持任务单资源方案、任务多资源方案、单项目优化和多项目优化的研发流程计划安排情况，能够快速得到科学高效的计划安排，可以提高研发流程计划安排的自动化、智能化水平。

Description

一种支持项目并行及多资源方案的优化方法

技术领域

本发明属于企业信息化领域，尤其涉及一种支持项目并行及多资源方案的优化方法。

背景技术

大型复杂产品的研发流程可以分解为多个项目的研发流程，每个项目可以继续分解为多个任务，每个任务的执行要满足相应的资源需求。研发流程计划安排是统筹任务安排、资源分配的指导性环节，优秀的研发流程计划可以为项目进度保证、生产质量提高、资源成本节约等目标提供支持。

在实际的研发流程计划安排中，任务的数量大、每个任务可配置的资源方案多、任务之间存在紧前/紧后关系约束，特别是多项目并行时，常常出现资源冲突的情况。研发流程的计划安排是一个复杂的NP问题，解决该问题的关键是任务的执行次序和资源方案的设置。

传统研发流程的计划安排，多为设计人员依靠经验来安排任务次序及资源配置，需要频繁通过会议交流来同步进度、了解当前资源占用情况。这种方式的实时性差、流程计划安排的效率低，容易出现资源冲突和项目超期的情况。因此，应该有一种支持项目并行及多资源方案的研发流程计划安排方法，解决以上问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种支持项目并行及多资源方案的优化方法，能够解决多项目并行与多资源方案的研发流程计划安排问题，提高研发流程计划安排的智能化、自动化水平。

一种支持项目并行及多资源方案的优化方法，包括以下步骤：

S1：获取待优化项目集合P＝{P₁,P₂,P₃…P_n}中各项目包含的子任务以及完成各子任务所需要的资源，其中，项目P_k中包含的子任务的集合为A_k＝{A_k,1,A_k,2,A_k,3,…,A_k,j,A_k,j+1,…,A_k,J}，且k＝1,2,…,n，n为待优化的项目总数，j＝1,2,…,J，J为项目P_k中包含的子任务数量；同时，各项目包括0个、1个或多个任务组，对于存在一个或多个任务组的项目，任务组中的子任务之间的逻辑顺序与执行顺序可调，而任务组在整个子任务序列中的逻辑顺序与执行顺序、任务组以外的子任务之间的逻辑顺序与执行顺序固定不变；

S2：根据设定指标，确定所有项目的各子任务的优先级，其中，所述设定指标包括后续任务数量、后续任务工期、最晚完成时间以及重要性，且四个指标对应不同的权重；同时，若当前确定优先级的任务为任务组中的子任务时，当前确定优先级的任务的第一个后续任务为排在当前确定优先级的任务所属任务组后的第一个子任务；

S3：在满足各项目的子任务的逻辑顺序条件下，根据各子任务的优先级，确定各项目包含的所有子任务的执行顺序，进而确定各项目在当前执行顺序下的计划，所述计划包括各子任务的开始时间、结束时间以及选定的资源方案；

S4：构建如下目标函数：

其中，T′_k为项目P_k在当前执行顺序下的工期，T_k项目P_k设定的理想工期；

S5：按照设定的约束条件，采用差分进化算法迭代求解所述目标函数，其中，在差分进化算法的每一次迭代中，采用设定规则更新所述后续任务数量、后续任务工期、最晚完成时间以及重要性对应的权重，进而更新各项目包含的所有子任务的执行顺序，直到达到设定的迭代次数，得到各项目包含的所有子任务的最终执行顺序，对应得到最优的计划；

所述设定的约束条件为：

任意一个项目P_k的子任务A_k,j的开始时间与工期和值，不能大于子任务A_k,j的紧后任务的开始时间；

同一时刻t，资源被各子任务占用的数量不能大于该资源的总量；

各项目在当前执行顺序下的结束时间不晚于各项目对应的最晚完成时间。

进一步地，各子任务的优先级的计算方法为：

其中，f(k,j)为子任务A_k,j的优先级函数，SN_k,j为子任务A_k,j的后续任务数量，SN_k,1为子任务A_k,1的后续任务数量，ω₁为后续任务数量对应的权重，SD_k,j为子任务A_k,j的后续任务工期，SD_k,1为子任务A_k,1的后续任务工期，ω₂为后续任务工期对应的权重，LF_k,j为子任务A_k,j的最晚完成时间，LF为各项目中所有子任务的最晚完成时间，ω₃为最晚完成时间对应的权重，H_k,j为子任务A_k,j的重要性等级，H_max为重要性等级最大值，ω₄为重要性对应的权重。

进一步地，子任务A_k,j的重要性等级分为普通、重要和关键三级，对应的重要性值分别为1、2、4，同时，所述重要性等级最大值H_max为4。

进一步地，所述完成各子任务所需要的资源包括人员、设备、场地以及知识。

进一步地，子任务的后续任务数量越多，该子任务的优先级越高；子任务的后续任务工期越大，该子任务的优先级越高；子任务的最晚完成时间越小，该子任务的优先级越高；子任务的重要性越强，该子任务的优先级越高。

有益效果：

本发明提供一种支持项目并行及多资源方案的优化方法，首先明确项目中的每个任务及各任务可设置的所有资源方案；然后确定研发流程计划安排的目标，再对研发流程计划安排的优化问题进行数学建模；最后采用差分进化算法求解目标函数；因此，本发明能够支持任务单资源方案、任务多资源方案、单项目优化和多项目优化的研发流程计划安排情况，能够快速得到科学高效的计划安排，可以提高研发流程计划安排的自动化、智能化水平；

此外，本发明通过差分进化算法求解目标函数，可以帮助流程编制人员确定较优的任务执行次序和资源方案，在保证流程计划安排满足任务的紧前/紧后关系、资源不冲突和项目不超期的前提下，使项目综合工期最短；并且，多个项目流程同时优化时，每个项目的计划都不超过其各自的完成期限，每个项目计划的工期都趋向于最短。

附图说明

图1为本发明支持项目并行及多资源方案的优化方法的流程图；

图2为本发明提供的单机1和单机2两个项目的研发流程示意图；

图3为本发明输出的流程计划仿真动画截图；

图4为本发明输出的项目计划表。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供一种支持项目并行及多资源方案的研发流程计划安排方法，下面以单机一与单机二两个项目的计划安排为例，说明支持项目并行及多资源方案的研发流程计划安排方法的流程计划安排过程。如图1所示，一种支持项目并行及多资源方案的优化方法，包括以下步骤：

S1：获取待优化项目集合P＝{P₁,P₂,P₃…P_n}中各项目包含的子任务以及完成各子任务所需要的资源，其中，项目P_k中包含的子任务的集合为A_k＝{A_k,1,A_k,2,A_k,3,…,A_k,j,A_k,j+1,…,A_k,J}，且k＝1,2,…,n，n为待优化的项目总数，j＝1,2,…,J，J为项目P_k中包含的子任务数量；同时，各项目包括0个、1个或多个任务组，对于存在一个或多个任务组的项目，任务组中的子任务之间的逻辑顺序与执行顺序可调，而任务组在整个子任务序列中的逻辑顺序与执行顺序、任务组以外的子任务之间的逻辑顺序与执行顺序固定不变。

进一步的，所述步骤S1中的子任务执行所需要占用的资源可为人员、设备、场地、知识四种典型资源。根据资源本身属性将资源分为独占资源与非独占资源，并作为解决资源冲突时的一个标志。其中人员和设备资源属于独占性资源，场地与知识资源属于非独占性资源。

如图2所示为单机1和单机2两个项目的研发流程，其中虚线部分是串行可调顺序的任务。

如表1所示，为单机1研发流程的任务与资源方案设置。如表2所示，为单机2研发流程任务与资源方案设置。

表1单机1研发流程的任务与资源方案设置

表2单机2研发流程的任务与资源方案设置

在本实施例中是单机1和单机2两个项目同时通过研发流程计划安排优化模块进行计划安排的优化。如图3所示，为研发流程计划安排优化模块输出的流程计划仿真动画截图，其中右边的深灰色的任务表示未开始的任务，中间的浅灰色的任务表示进行中的任务，左边的深灰色的任务表示已完成的任务。

S2：根据设定指标，确定所有项目的各子任务的优先级，其中，所述设定指标包括后续任务数量、后续任务工期、最晚完成时间以及重要性，且四个指标对应不同的权重；同时，若当前确定优先级的任务为任务组中的子任务时，当前确定优先级的任务的第一个后续任务为排在当前确定优先级的任务所属任务组后的第一个子任务。

例如，以项目P_k为例，各子任务的优先级的计算方法为：

其中，f(k,j)为子任务A_k,j的优先级函数，SN_k,j为子任务A_k,j的后续任务数量，SN_k,1为子任务A_k,1的后续任务数量，ω₁为后续任务数量对应的权重，SD_k,j为子任务A_k,j的后续任务工期，SD_k,1为子任务A_k,1的后续任务工期，ω₂为后续任务工期对应的权重，LF_k,j为子任务A_k,j的最晚完成时间，LF为各项目中所有子任务的最晚完成时间，ω₃为最晚完成时间对应的权重，H_k,j为子任务A_k,j的重要性等级，H_max为重要性等级最大值，ω₄为重要性对应的权重。

也就是说，对各子任务进行其中的任务优先级计算时，考虑如下4个因素：

1.后续最长任务数量链：

其中SN_k,j表示项目P_k中，以第j个任务为起点，以最后一个任务为终点的所有路径中，任务数量最多的那条路径上的任务个数，后续最长任务数量链越大，任务优先级越高；

2.后续最长任务工期链：

其中SD_k,j表示项目P_k中，以第j个任务为起点，以最后一个任务为终点的所有路径中，任务预计工期和最大的那条路径上的任务工期和，后续最长任务工期链越大，任务优先级越高；

3.最晚完成时间：

LF_k,j表示项目P_k的第j个任务的最晚完成时间，LF表示所有待优化项目的最晚完成时间，任务最晚完成时间越小，优先级越高；

4.重要性：

任务的重要性分为普通、重要和关键三级，对应的重要性值分别为1、2、4，H_k,j表示任务j的重要性值，H_max表示最大值4。

S3：在满足各项目的子任务的逻辑顺序条件下，根据各子任务的优先级，确定各项目包含的所有子任务的执行顺序，进而确定各项目在当前执行顺序下的计划，所述计划包括各子任务的开始时间、结束时间以及选定的资源方案。

S4：构建如下目标函数：

其中，T′_k为项目P_k在当前执行顺序下的工期，T_k项目P_k设定的理想工期。

需要说明的是，T′_k＝PF_k-PS_k，其中，PS_k表示项目P_k在当前执行顺序下的开始时间，并与项目P_k中第一个任务的开始时间相等，PF_k表示项目P_k在当前执行顺序下的结束时间，并与项目P_k中最后一个任务的结束时间相等。

需要说明的是，本发明以项目综合工期最短为流程计划安排的目标，对产品研发流程的优化问题的建模构建如上目标函数时，基于如下假设：

(1)同一时刻同一独占性资源只能处理某一个项目的某一任务；

(2)一个任务可以设置多种资源方案，每种资源方案均可满足该任务的资源需求；

(3)流程中任务的次序需要满足任务间的紧前/紧后关系；

(4)流程中部分任务存在串行可调顺序的关系，即存在一组连续的任务，这组任务必须串行执行，构成一个任务组，在优化过程中组内任务的前后顺序可以调换；

(5)不同项目的任务间不存在资源冲突以外的约束关系；

(6)任务一旦开始就不能中断；

(7)任务的持续时间已知且确定不变；

(8)项目的计划结束时间不晚于其最晚完成时间。

确定优化问题的三要素如下：

(1)优化对象：任务次序、任务资源方案选择；

(2)优化目标：项目综合工期最短；

(3)约束条件：任务的紧前/紧后关系、可用资源有限、项目最晚完成时间。

S5：按照设定的约束条件，采用差分进化算法迭代求解所述目标函数，其中，在差分进化算法的每一次迭代中，采用设定规则更新所述后续任务数量、后续任务工期、最晚完成时间以及重要性对应的权重，进而更新各项目包含的所有子任务的执行顺序，直到达到设定的迭代次数，得到各项目包含的所有子任务的最终执行顺序，对应得到最优的计划；

所述设定的约束条件为：

任意一个项目P_k的子任务A_k,j的开始时间与工期和值，不能大于子任务A_k,j的紧后任务的开始时间；

同一时刻t，资源被各子任务占用的数量不能大于该资源的总量；

各项目在当前执行顺序下的结束时间不晚于各项目对应的最晚完成时间。

需要说明的是，设定的约束条件用公式表示如下：

PF_k≤LF_k (5)

其中，S_k,j为项目P_k的子任务A_k,j的开始时间，d_k,j为项目P_k的子任务A_k,j的工期，PRE_k,i为项目P_k的子任务A_k,i的紧前任务集合，S_k,i为子任务A_k,i的开始时间，i＝1,2,…,J，且i≠j，re_m,t.k,j为项目P_k的子任务A_k,j在t时刻占用的第m种资源的数量，RE_m为第m种资源的总量，M为完成所有项目所需要的资源种类数，PF_k为项目P_k在当前执行顺序下的结束时间，LF_k为项目P_k设定的最晚完成时间。

需要说明的是，公式(3)表示第j个任务的开始时间加上它的工期(即第j个任务的结束时间)要小于第i个任务的开始时间，也即i任务要在j任务完成后才能开始，即j任务是i任务的紧前任务，j任务应在i任务的紧前任务集合中，则有

需要说明的是，根据优化问题的数学模型，本发明可以使用java语言编写差分进化算法并开发了研发流程计划安排优化模块。该算法内使用基于规则的优先级评价函数确定任务次序，算法会对每个任务都进行优先级评价，评价值越高则优先级越高，该任务就可以优先被安排，占用资源。

其中，串行可调顺序的任务组内任务次序的确定步骤为：

1.将串行可调顺序任务组的组内子任务视为并行任务，参与任务优先级评价；

2.根据优先级评价函数，确定组内各子任务的优先级评价值；

3.将组内子任务视为串行任务，根据各子任务的优先级评价值进行降序排序，依次确定子任务的开始时间、结束时间以及资源分配方案，至此完成任务组内子任务次序的安排。

开发的研发流程计划安排优化模块支持任务单资源方案、任务多资源方案、单项目优化和多项目优化，无需配置参数即可对选取的流程进行优化，输出计划方案。该模块还提供了对优化输出的流程计划进行仿真的功能，可供流程编制人员分析使用。

其中算法的输入信息包括：

(1)项目最早开始、最晚结束时间，预计工期；

(2)任务前后关系及执行模式，其中执行模式分为普通和连续；

(3)任务最早开始和最晚结束时间，任务预计工期；

(4)任务的资源方案，包括所需资源实例和需要占用的工时，资源的执行模式，一个任务可编制多个资源方案；

(5)相关资源实例的占用情况，包括该资源的UUID及占用时段和数量。

经过算法优化的输出信息包括：

(1)各任务的开始时间、结束时间，以及所选定的资源方案；

(2)各任务选定的资源方案中，资源实例占用的开始时间、结束时间。

也就是说，本发明首先明确项目中的每个任务及各任务可设置的所有资源方案；然后确定研发流程计划安排的目标，再对研发流程计划安排的优化问题进行数学建模；最后采用差分进化算法求解目标函数；其中，研发流程计划安排的优化是对任务次序、资源方案设置的优化；对研发流程计划安排的优化问题进行数学建模的过程包括：对优化问题作出假设，确定优化问题的三要素，建立数学模型。其中优化问题的三要素包括：优化对象、优化目标、约束条件。

因此，本发明能够支持任务单资源方案、任务多资源方案、单项目优化和多项目优化的研发流程计划安排情况，能够快速得到科学高效的计划安排，可以提高研发流程计划安排的自动化、智能化水平；此外，本发明通过差分进化算法求解目标函数，可以帮助流程编制人员确定较优的任务执行次序和资源方案，在保证流程计划安排满足任务的紧前/紧后关系、资源不冲突和项目不超期的前提下，使项目综合工期最短。并且，多个项目流程同时优化时，每个项目的计划都不超过其各自的完成期限，每个项目计划的工期都趋向于最短。

如图4所示，为研发流程计划安排优化模块输出的项目计划表，展示了任务编号、任务名称、计划开始时间、计划结束时间、计划工期、紧前任务编号、任务组。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种支持项目并行及多资源方案的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取待优化项目集合P＝{P₁,P₂,P₃…P_n}中各项目包含的子任务以及完成各子任务所需要的资源，其中，项目P_k中包含的子任务的集合为A_k＝{A_k,1,A_k,2,A_k,3,…,A_k,j,A_k,j+1,…,A_k,J}，且k＝1,2,…,n，n为待优化的项目总数，j＝1,2,…,J，J为项目P_k中包含的子任务数量；同时，各项目包括0个、1个或多个任务组，对于存在一个或多个任务组的项目，任务组中的子任务之间的逻辑顺序与执行顺序可调，而任务组在整个子任务序列中的逻辑顺序与执行顺序、任务组以外的子任务之间的逻辑顺序与执行顺序固定不变；

S2：根据设定指标，确定所有项目的各子任务的优先级，其中，所述设定指标包括后续任务数量、后续任务工期、最晚完成时间以及重要性，且四个指标对应不同的权重；同时，若当前确定优先级的任务为任务组中的子任务时，当前确定优先级的任务的第一个后续任务为排在当前确定优先级的任务所属任务组后的第一个子任务；

S3：在满足各项目的子任务的逻辑顺序条件下，根据各子任务的优先级，确定各项目包含的所有子任务的执行顺序，进而确定各项目在当前执行顺序下的计划，所述计划包括各子任务的开始时间、结束时间以及选定的资源方案；

S4：构建如下目标函数：

其中，T′_k为项目P_k在当前执行顺序下的工期，T_k项目P_k设定的理想工期；

S5：按照设定的约束条件，采用差分进化算法迭代求解所述目标函数，其中，在差分进化算法的每一次迭代中，采用设定规则更新所述后续任务数量、后续任务工期、最晚完成时间以及重要性对应的权重，进而更新各项目包含的所有子任务的执行顺序，直到达到设定的迭代次数，得到各项目包含的所有子任务的最终执行顺序，对应得到最优的计划；

所述设定的约束条件为：

任意一个项目P_k的子任务A_k,j的开始时间与工期和值，不能大于子任务A_k,j的紧后任务的开始时间；

同一时刻t，资源被各子任务占用的数量不能大于该资源的总量；

各项目在当前执行顺序下的结束时间不晚于各项目对应的最晚完成时间。

2.如权利要求1所述的一种支持项目并行及多资源方案的优化方法，其特征在于，各子任务的优先级的计算方法为：

其中，f(k,j)为子任务A_k,j的优先级函数，SN_k,j为子任务A_k,j的后续任务数量，SN_k,1为子任务A_k,1的后续任务数量，ω₁为后续任务数量对应的权重，SD_k,j为子任务A_k,j的后续任务工期，SD_k,1为子任务A_k,1的后续任务工期，ω₂为后续任务工期对应的权重，LF_k,j为子任务A_k,j的最晚完成时间，LF为各项目中所有子任务的最晚完成时间，ω₃为最晚完成时间对应的权重，H_k,j为子任务A_k,j的重要性等级，H_max为重要性等级最大值，ω₄为重要性对应的权重。

3.如权利要求2所述的一种支持项目并行及多资源方案的优化方法，其特征在于，子任务A_k,j的重要性等级分为普通、重要和关键三级，对应的重要性值分别为1、2、4，同时，所述重要性等级最大值H_max为4。

4.如权利要求1所述的一种支持项目并行及多资源方案的优化方法，其特征在于，所述完成各子任务所需要的资源包括人员、设备、场地以及知识。

5.如权利要求1所述的一种支持项目并行及多资源方案的优化方法，其特征在于，子任务的后续任务数量越多，该子任务的优先级越高；子任务的后续任务工期越大，该子任务的优先级越高；子任务的最晚完成时间越小，该子任务的优先级越高；子任务的重要性越强，该子任务的优先级越高。

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