基于蝙蝠算法的生产调度干扰管理应用研究

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3.0 牛悦 2025-01-09 10 4 3.18MB 73 页 15积分

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摘要

在当今全球经济飞速发展的时代，制造企业生产系统的核心是生产调度，对

于生产调度的研究和发展将会对整个制造业的长远发展产生重大的影响，同时由

于其广泛的工程应用背景和高难度的优化处理技术，受到了工程领域和学术界长

期的高度重视。生产调度系统作为一个复杂的生产调度过程，将会面临众多突发

事件的干扰，使整个系统处于动态的不确定之中。那么，如何处理这些动态的干

扰事件给生产调度系统带来的不确定性已然成为一个非常重要的研究领域。

近些年来，有学者提出了一种较新的处理突发事件的思想和方法，我们称之

为干扰管理。干扰管理已在物流管理、供应链管理、航空领域等某些特定领域的

调度方面有所涉及。干扰管理在生产调度中的应用也引起了相关学者的关注，本

文将在现有文献的基础上，继续对干扰管理在生产调度系统中的应用进行探索，

以应对干扰事件给生产调度系统带来的影响。

本文以流水车间调度问题和作业车间调度问题及其干扰管理问题为例进行研

究，目标函数为最大完工时间和干扰时间差相混合。首先将改进的智能算法对置

换流水车间调度问题和作业车间调度问题进行测试，并对相关参数进行测试。然

后对其干扰管理问题进行测试。通过一系列的实验计算结果表明，新型蝙蝠算法

可以作为流水车间调度问题及其干扰管理的解决方案。

关键字：生产调度干扰管理智能算法蝙蝠算法粒子群算法

ABSTRACT

Nowadays, the world is becoming an age with the High-speed development of the

global economy. As the core of the manufacturing production system, the research and

development for the production scheduling will have a significant impact on the whole

manufacturing industry in a long-term development. At the same time, it’s more highly

valued by the Industrial engineering field and academic circles in a long time, owing to

its extensive engineering background and difficult optimization technology. As a

complex process of production scheduling, production scheduling system will face so

many interference incidents that the whole system will be in dynamic uncertainty

circumstance. Therefore, it has become a very important research area about how to

deal with the uncertainty of these dynamic interference events which brought to

production scheduling system.

In recent years, some scholars have proposed a new ideas and methods to handle

emergencies and we call Interference Management or Disruption Management. The

disruption management have been involved in certain areas of logistics management,

supply chain management, aviation scheduling, etc. it has also raised a high attention of

scholars in production scheduling. This thesis will continue explore to interference

management in production scheduling system on the basis of the existing literature and

the purpose is to deal with the effect on the production scheduling system by

interference incident .

Taking flow shop scheduling problem and job shop scheduling problem and its

interference management issues as examples and taking the makespan and interference

time difference phase mixed as the objective function, we found that the experimental

results are not bad. Firstly, the improved intelligent algorithm is used to test the

permutation flow shop scheduling problem and job shop scheduling problem, also bout

the related parameters. With that we test their interference management issues. Through

a series of the experimental results show that the new bats algorithm can be used as

solution for the flow shop scheduling problem and its interference management.

Key Words: Production Scheduling, Disruption Management,

Intelligent Algorithm, Bat Algorithm, Particle Swarm Algorithm

摘要

ABSTRACT

第一章绪论（课题来源、意义） ................................................................................ 1

1.1 论文背景及意义 ................................................................................................ 1

1.1.1 论文背景 .................................................................................................. 1

1.1.2 论文目的与意义 ...................................................................................... 2

1.2 国内外研究现状及评价 .................................................................................... 2

1.2.1 生产调度干扰管理应用的国内外研究现状 .......................................... 4

1.2.2 现有文献评述 .......................................................................................... 5

1.3 本文研究思路、内容及框架 ............................................................................. 6

第二章生产调度研究现状分析 .................................................................................... 8

2.1 生产调度定义及类别 ......................................................................................... 8

2.2 生产调度表述方式及表现形式 ......................................................................... 9

2.3 生产调度的特色之处 ........................................................................................ 11

2.4 生产调度主要的研究方法 ................................................................................ 11

§2.4.1 精确方法 ............................................................................................... 12

§2.4.2 近似方法 ............................................................................................... 13

2.5 本章小结 ........................................................................................................... 19

第三章干扰管理研究现状分析 .................................................................................. 20

3.1 干扰管理综述 .................................................................................................. 20

3.1.1 干扰管理的概念及思想 ......................................................................... 20

3.1.2 干扰的一般性描述 ................................................................................. 21

3.1.3 不确定性的处理方法 ............................................................................. 21

3.1.4 干扰管理的技术特色 ............................................................................. 24

3.2 干扰管理在生产调度中的应用理论 .............................................................. 25

3.2.1 生产调度理论与实践 ............................................................................. 25

3.2.2 生产调度的干扰源及其分类 ................................................................. 26

3.2.3 生产调度干扰管理的相关策略 ............................................................. 27

3.2.4 生产调度干扰管理的性能测量 ............................................................. 29

3.3 本章小结 ........................................................................................................... 29

第四章仿生智能蝙蝠算法 .......................................................................................... 30

4.1 蝙蝠的回声定位 ............................................................................................... 30

4.2 蝙蝠算法（Bat Algorithm） ............................................................................ 30

4.2.1 蝙蝠的运动方式 ..................................................................................... 32

4.2.2 脉冲的发射及其响度 ............................................................................. 32

4.3 测试函数测试 .................................................................................................. 33

4.4 本章小结 ........................................................................................................... 38

第五章基于蝙蝠算法的置换流水车间调度研究 ........................................................ 39

5.1 置换流水车间调度模型 ................................................................................... 39

5.2 ROV 编码 .......................................................................................................... 40

5.3 NEH 初始化 ...................................................................................................... 40

5.4 蝙蝠算法流程框架 .......................................................................................... 41

5.5 仿真实例测试 ................................................................................................... 42

5.6 算法参数实验分析 ........................................................................................... 43

5.6.1 α的影响 ................................................................................................ 43

5.6.2 γ的影响 ................................................................................................ 43

5.7 结束语 ............................................................................................................... 44

第六章基于蝙蝠算法的置换流水车间调度干扰管理研究 ...................................... 45

6.1 问题模型 .......................................................................................................... 45

6.2 仿真测试 .......................................................................................................... 46

6.2.1 干扰管理测试 ........................................................................................ 47

6.2.2 不同加权系数干扰管理测试分析 ........................................................ 49

6.3 结束语： ........................................................................................................... 52

第七章蝙蝠算法在作业车间调度中的应用研究 .................................................... 53

7.1 作业车间调度问题描述 .................................................................................. 53

7.2 编码与解码 ....................................................................................................... 54

7.2.1 ROV 规则 ................................................................................................ 54

7.2.2 析取图 .................................................................................................... 54

7.3 邻域选择 ........................................................................................................... 56

7.4 算法循环流程以及框架 ................................................................................... 56

7.5 仿真测试 ........................................................................................................... 57

7.5.1 仿真测试 ................................................................................................. 57

7.5.2 测试结果及分析 ..................................................................................... 58

7.6 本章小结 ........................................................................................................... 58

第八章蝙蝠算法在 JSP 干扰管理中的应用研究 ...................................................... 59

8.1 问题描述 ........................................................................................................... 59

8.2 仿真测试 ........................................................................................................... 60

8.2.1 仿真测试 ................................................................................................. 60

8.2.2 测试结果 ................................................................................................. 60

8.3 不同加权系数干扰管理测试分析 ................................................................... 62

8.4 本章小结 ........................................................................................................... 62

第九章展望 .................................................................................................................. 63

参考文献 ........................................................................................................................ 64

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 69

致谢 ........................................................................................................................ 70

第一章绪论（课题来源、意义）

第一章绪论

1.1 论文背景及意义

1.1.1 论文背景

《易传•系辞》说：“日新之谓盛德，生生之谓易”。达尔文说：“在物种进化

过程中能幸存下来的，不是最强的，也不是最聪明的，而是能适应改变的”其中

蕴含的变的哲学无处不在，更说明了适应改变的重要性。

在信息技术飞速发展的今天，经济全球化给企业带来了新的机遇和挑战。我

们的生产制造企业更是处在一个不断变化的世界，产能过剩和经济危机的全球性

蔓延，中美贸易战的愈演愈烈，人民币对美元汇率的持续攀升，无不极大的削弱

了生产制造型企业的竞争优势，同时也预示着消费者需求多样化时期的到来。传

统生产制造型企业在经营过程中很自然的要面对不确定性干扰因素带来的潜在风

险，企业要想在激烈的竞争中生存下去，必须以最快的速度、最好的质量、最低

的成本及最优秀的服务来响应市场。

生产调度是影响企业生产能力发挥的重要因素，生产调度是指在一定的时间

内，对可用共享资源进行分配以及对加工任务进行排序，以满足某个或某些特定

的生产指标。共享的生产资源有：原料、人力、资源、加工设备、存贮设备等。

加工任务是指在指定时间内生产的产品。生产指标指的是为了尽可能获得最大的

经济效益和较好的社会效益。所以生产指标一般定为总成本最低、库存费用最少、

生产周期最短、生产切换最少、设备利用率最高等等。

生产调度整个过程中充满了各种不确定性，实际的生产过程中可以把不确定

性因素分为系统固有的不确定性、生产过程产生的不确定性、外部环境的不确定

性和离散不确定性。一旦发生上述干扰事件，需要及时反馈到调度系统中，调度

系统对原有的调度方案进行局部优化调整，快速生成对系统扰动最小的调度方案。

新方案既要考虑原来的优化目标，又要使干扰带来的副作用最小化。所以，组织

如何对这些不确定性干扰因素进行管理，对企业建立现代化企业制度，提高客户

的个性化定制服务水平，提高竞争力具有至关重要的作用。

生产调度的核心问题是模型和算法，其中有效的调度算法是生产调度领域的

重要研究内容。蝙蝠算法作为一种新型的仿生智能算法我们将在文章中做出详细

的介绍。微粒群算法是一种基于群智能的进化类算法，也是一种模拟鸟群觅食的

仿生算法，具有显式的计算模型，操作和实施简单。我们将围绕蝙蝠算法以及微

粒群优化算法在生产调度干扰管理中的应用展开研究。论文的研究意义在理论上

基于蝙蝠算法的生产调度干扰管理应用研究

是对生产调度干扰管理的一种探索。实践上，提高了企业生产调度干扰管理水平，

增强了企业的核心竞争力。

生产调度理论丛诞生至今，经过几十年的探索和研究，已经逐渐发展并形成

了一个比较完整的科学理论体系，在企业的实际生产中得到了较为广泛应用，而

且其研究成果的应用也不仅仅局限于制造业的车间，同时也扩展到了物流、能源、

交通运输和航空等等诸多社会服务行业。目前生产调度理论是国际上发展最迅速、

研究最活跃、成果最丰硕、前景最诱人的科研领域之一。

1.1.2 论文目的与意义

本文将主要从两个方面探讨干扰管理在企业生产调度及其干扰管理中的应用

研究：

一、理论角度，研究新型智能算法以及干扰管理在生产调度中的应用将丰富

生产调度理论，增强生产调度系统面对干扰事件的应变处理能力，并能很好地在

实际生产中应对企业生产调度系统遇到不确定事件的影响，避免造成不必要的损

失。

二、实践角度，新型智能算法的引入以及干扰管理的应用完善了生产调度系

统模型，更加符合现实生产中的生产调度系统，弥补了生产调度理论与生产调度

实践之间的巨大差距，从而能够相对较容易的将模型中的研究成果推广到现实的

调度系统中，为生产系统地高效运转提供了保障，同时能获得更好的经济效益；

论文主要意义：

（1）通过采用算法解决生产调度问题以及其干扰管理问题，对新型智能算法

在生产调度中的应用的运行机理进一步了解。

（2）构建起干扰管理应用于的生产调度的框架，不仅为以后的干扰管理在生

产调度中应用研究提供必要的理论参考，同时采用新型智能算法蝙蝠算法解决生

产调度干扰管理问题，增加了应对干扰事件的处理方法，更好地满足企业生产的

需要。

1.2 国内外研究现状及评价

干扰管理（Disruption management）作为管理科学领域所研究的热点问题。于

2001 年由丹麦学者 Clausen[1]等首先提出，干扰管理[2]是指在计划开始阶段，用求

解算法求解优化模型并得出一个较好的运行计划；在计划实施过程中，由于人们

所处的生产环境不断变化，会产生各种各样的随机事件，这些随机事件会对生产

系统产生不同程度的影响和干扰，使系统无法正常运行，人们无法按照事先制定

好的计划来进行日常生产，这些随机事件被称为干扰事件。根据干扰事件发生的

第一章绪论（课题来源、意义）

频率大小、产生的影响、处理事件的及时性和紧迫性可以分为突发性的干扰事件

和经常性的干扰事件。干扰管理将用于解决在经常性的干扰事件发生后，如何及

时正确的处理这些干扰事件，以尽量小的扰动使系统尽快恢复正常运行。

目前，干扰管理在国内外的研究多集中于供应链管理、信息系统、物流技术

以及航空调度等方面。在航空调度领域，Jarrah[3]等学者研究了航空领域里当航班

遭遇到干扰事件影响其正常运行时，如何将干扰管理的方法有效地应用于此类问

题，及时化解这些影响，保证航班的正常运行。Larsen 等学者[4]采用干扰管理的思

想产生启发式算法，处理某个由干扰事件破坏航班任务，导致整个航班被迫调整，

重新对航班的运行进行调度，取消航班以及变更航班的问题。Simth[5]等研究把飞

机及机组人员视为有限资源，同时出现干扰的条件下，如何能保证维持持续有效

的航空调度能力，从而保障有效的运力供给和最好的经济性能。Clause[6]等学者总

结了在航空领域中对资源的干扰管理研究成果，包括乘客调整、机组人员安排、

航班调度以及以上三者的混合对象的研究成果，并概述了航班及机组人员的调度

模型，用以找到在干扰情况下的解决和恢复的方法。

在供应链、信息系统以及项目管理等方面的干扰管理研究成果有 Qi 等学者[7]

研究了一对一的供应链在遭遇需求变化干扰时，应用干扰管理对供应链的原生产

计划进行修改，并力求修改后的生产计划既能适应需求变化的干扰又能使修改的

费用最少，从而提出了类似于数量折扣的契约来协调干扰事件发生时的供应链，

并能应用于分散式和集中式供应链决策体系中。Kouvelis[8]研究了特殊的突发干扰

事件对供应链造成的影响，主要从供应链系统的风险防范机制提出了供应链管理

理论框架。Vonder[9]等学者研究了在项目管理中遇到不确定干扰事件的情况下采用

鲁棒项目基准调度方法，同时权衡品质的鲁棒性（即项目过程中的测量）和解的

鲁棒性（稳定性），分析模拟实验结果，查看是否要向基准项目中加入时间缓冲用

以增加基准项目调度的稳定性能。Abdi 等[10]把干扰管理应用于航空领域信息系统

中，利用信息系统提出了对干扰事件的解决方法，并通过了实例验证。

在国内，干扰管理的应用研究还处于初始阶段，研究成果也主要集中在物流

领域中的应用。杨文超[11] 运用干扰管理方法，针对物流配送过程中某路段行驶时

间延迟而导致物流配送计划无法实现的难题，从三个方面衡量了物流配送系统的

扰动过程。王旭坪[12] 提出了基于干扰管理思想构建扰动恢复策略与方案，解决了

由顾客需求变化所引起的物流配送干扰问题，保证了物流配送的正常运行。胡祥

培等[13]详细的系统的对干扰管理在物流配送领域作了总结，并对物流配送系统干

扰管理领域相关难点问题进行了综述，针对物流配送系统的扰动度量、快速处理

与决策的方法以及在线实时生成的方法和手段进行了相关思考，提出了一些可供

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