造船生产中车间作业调度的优化与仿真.pdf

1、图 12 不 同 载 荷 作 用 下 的 纵 骨 接 头 应 力 分 布4. 2 计 算 结 果经 过 计 算 热 点 应 力 系 数 : Kg = 1. 48 , Kl =1. 52 ,用 指 南 计 算 得 到 甲 板 应 力 为 200 MPa ,结 构的 累 计 损 伤 0. 32 ,若 用 热 点 应 力 计 算 ,结 果 为 0. 29 ,说 明 热 点 应 力 方 法 对 结 构 疲 劳 损 伤 的 评 估 更 准 确 。5 总 结1) 应 用 热 点 应 力 计 算 方 法 来 评 估 结 构 的 疲 劳强 度 ,考 虑 到 的 因 素 更 多 ,使 计 算 结 果 更 有 可

2、 比 性 ;2) 本 文 介 绍 的 计 算 方 法 在 船 体 结 构 疲 劳 强度 指 南 的 名 义 应 力 计 算 方 法 配 套 使 用 ,可 以 完 全解 决 船 舶 纵 向 构 件 疲 劳 强 度 计 算 的 热 点 应 力 方 法 。参 考 文 献1 Fatigue Structure of Welded Ship Structures S ,BV ,1995. 2 Guidance for the Fatigue Strength Assessment of ShipStructures S , KR ,1995.3 中 国 船 级 社 . 船 体 结 构 疲 劳 强 度 指

3、 南 M . 北 京 :人 民交 通 出 版 社 ,2001.收 稿 日 期 :2007205214修 回 日 期 :2007206206作 者 简 介 :张 英 (1963 - ) ,女 ,博 士 ,副 教 授 。文 章 编 号 :167127953 (2007) 0420019204造 船 生 产 中 车 间 作 业 调 度 的 优 化 与 仿 真张 英 ,郭 劲 添(武 汉 理 工 大 学 物 流 工 程 学 院 ,武 汉 430063)摘 要 :针 对 造 船 生 产 的 特 点 ,提 出 利 用 EXTEND 仿 真 软 件 及 其 遗 传 算 法 模 块 对 车 间 作 业 调 度

4、 问 题 进行 优 化 和 仿 真 的 方 法 ,为 解 决 这 类 生 产 计 划 与 调 度 问 题 提 供 新 的 方 法 和 途 径 。关 键 词 :车 间 调 度 ;生 产 计 划 ; EXTEND ;仿 真中 图 分 类 号 : F406 文 献 标 识 码 :ASimulation and Optimization of Shop Job Scheduling for ShipbuildingZHANG Ying , GUO Jin2tian(College of Logistics Engineering , Wuhan University of Technology , W

5、uhan 430063 , China)Abstract : According to characteristics of shipbuilding production , this paper puts forward a method tosolve shop job scheduling problem (J SSP) with EXTEND simulation software and its genetic algorithm mod2ule , which provides a new approach to solve J SSP for shipbuilding prod

6、uction.Key words : shop job scheduling ; production plan ; EXTEND ; simulation我 国 部 分 造 船 企 业 早 在 20 世 纪 80 年 代 初 就开 始 陆 续 应 用 CAD、 CA PP、 CAM、 GT 等 技 术 进行 船 舶 设 计 和 建 造 ,90 年 代 后 ,造 船 的 先 进 制 造91第 36 卷 第 4 期2007 年 8 月 船 海 工 程SHIP 是 劳 动 密 集 型 与 技 术密 集 型 并 存 的 、 综 合 性 的 大 型 组 装 工 业 ,工 种 、 专业 繁 多 ,生 产

7、 过 程 复 杂 ,设 备 利 用 率 低 ; 高 空 、 立体 交 叉 作 业 多 ,拼 焊 装 配 的 工 件 大 、 重 ,且 形 状 不一 ,移 动 困 难 ,劳 动 生 产 率 低 ,工 作 环 境 差 ; 配 套企 业 多 ,配 套 产 品 复 杂 。以 上 特 征 带 来 船 舶 主 要 产 品 (如 大 型 柴 油 机 )的 加 工 制 造 具 有 以 下 特 点 : 产 品 品 种 多 、 规 格 多变 ,加 工 设 备 多 、 设 备 柔 性 强 ; 生 产 管 理 难 度 大 、生 产 周 期 长 ; 产 品 各 部 件 之 间 的 时 序 约 束 关 系和 成 套 性

8、要 求 严 格 ,约 束 条 件 复 杂 多 变 ; 受 多 资源 约 束 ,诸 如 紧 急 件 插 入 、 设 备 故 障 、 工 作 日 程 变更 和 组 合 件 加 工 等 问 题 4 。在 现 代 造 船 模 式 下 ,合 理 地 安 排 众 多 的 任 务包 的 生 产 ,满 足 资 源 约 束 要 求 ,并 做 到 资 源 利 用 的均 衡 ,是 生 产 计 划 的 基 本 要 求 。 面 对 复 杂 的 造 船生 产 ,仅 靠 计 划 制 订 者 个 人 的 经 验 很 难 制 订 出 合理 的 生 产 计 划 。根 据 研 究 对 象 的 复 杂 性 ,车 间 调 度 问 题

9、分 为单 机 调 度 、 并 行 机 床 调 度 、 流 水 车 间 调 度 和 作 业 车间 调 度 问 题 J SSP ,其 中 J SSP 是 指 加 工 系 统 中 有一 组 功 能 不 同 的 机 床 ,待 加 工 的 零 件 包 括 多 道 工序 ,每 道 工 序 在 一 台 机 床 上 加 工 ,零 件 的 加 工 路 线互 不 相 同 。 车 间 作 业 调 度 问 题 是 一 个 典 型 的 N P难 题 ,是 最 困 难 的 组 合 优 化 问 题 之 一 。 由 于 调 度问 题 涉 及 的 因 素 很 多 ,目 前 还 没 有 一 个 方 法 能 够对 车 间 调 度

10、问 题 进 行 全 面 而 有 效 的 求 解 5 。 尤 其是 对 于 车 间 调 度 问 题 中 的 高 度 动 态 性 和 复 杂 性 还缺 乏 有 效 的 研 究 方 法 。遗 传 算 法 以 其 内 在 的 隐 并 行 性 和 较 好 的 全 局寻 优 能 力 ,在 J SSP 问 题 求 解 中 得 到 了 较 好 的 应用 ,而 且 随 着 遗 传 结 构 的 不 断 改 进 ,它 的 有 效 性 也在 不 断 提 高 6 。 然 而 ,遗 传 算 法 并 不 能 较 好 地 处理 J SSP 问 题 的 高 度 动 态 性 和 随 机 性 问 题 。 为此 ,对 J SSP 问

11、 题 先 采 用 遗 传 算 法 寻 优 ,然 后 利 用EXTEND 仿 真 软 件 进 行 建 模 和 仿 真 ,有 效 地 弥 补了 遗 传 算 法 的 不 足 。2 J SSP 问 题 的 数 学 模 型 及 特 征2. 1 JSSP 问 题 的 数 学 模 型J SSP 问 题 的 一 种 简 单 情 形 可 描 述 为 ,有 m个 任 务 (产 品 ) 需 要 分 配 给 n 个 工 序 (机 器 ) 去 完成 ,每 个 任 务 只 能 分 配 给 1 个 工 序 处 理 ,并 且 每 个工 序 只 能 处 理 1 个 任 务 ,不 同 的 分 配 将 会 花 费 不同 的 代 价

12、 。 J SSP 问 题 要 求 找 到 1 种 分 配 方 案 使所 花 费 的 总 代 价 最 小 。若 第 i 个 工 序 完 成 第 j 项 任 务 的 代 价 Cij 0 ,则 可 以 构 成 代 价 矩 阵 Cn m 。 在 求 解 如 何 把 任务 分 配 给 各 个 加 工 工 序 的 条 件 下 ,使 得 所 花 费 的总 代 价 为 最 小 。 假 设Rij =1 由 第 i 个 工 序 完 成 第 j 个任 务 i = 1 ,2 , , m0 不 由 第 i 个 工 序 完 成 第 j个 任 务 j = 1 ,2 , , n(1)则 排 产 问 题 可 以 转 化 为 求

13、 解 排 产 矩 阵 Rn m ,其 约 束 条 件 如 下 :mi = 1Rij = 1 i = 1 ,2 , , m (2)nj = 1Rij = 1 i = 1 ,2 , , n (3)因 此 所 求 目 标 函 数 为 :Cmin = mi = 1Cij nj = 1Rij02造 船 生 产 中 车 间 作 业 调 度 的 优 化 与 仿 真 张 英 ,郭 劲 添 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/其 中 , Cij Cn m , Rij Rn

14、 m 。2. 2 JSSP 问 题 的 特 征对 于 实 际 的 J SSP 问 题 ,如 多 个 工 作 中 心 处理 一 系 列 不 同 的 作 业 ,这 种 问 题 属 于 N P2hard 问题 。 其 中 ,如 果 有 m 个 任 务 要 经 过 n 个 加 工 工 序进 行 加 工 ,并 且 所 有 的 任 务 都 要 经 过 所 有 的 加 工工 序 ,那 么 就 有 ( m !) 种 可 选 的 作 业 排 序 。 因 此 ,即 使 是 小 规 模 的 生 产 排 产 也 会 有 大 量 的 排 产 方案 ,如 果 仅 仅 使 用 数 学 方 法 来 进 行 求 解 往 往 是

15、 比较 困 难 的 ,此 时 有 必 要 结 合 其 他 的 优 化 算 法 (如 遗传 算 法 )来 缩 小 解 空 间 并 求 解 出 较 佳 的 排 产 方 案 。在 进 行 排 产 问 题 的 研 究 时 ,对 方 案 的 衡 量 标准 通 常 应 具 有 以 下 四 个 方 面 7 :1) 满 足 顾 客 交 货 日 期 或 者 下 游 操 作 要 求 ;2) 流 程 时 间 (工 件 在 整 个 流 程 中 的 时 间 )最 短 ;3) 在 制 品 库 存 最 小 ;4) 机 器 或 者 劳 动 力 空 闲 时 间 最 小 。3 J SSP 问 题 建 模 与 仿 真 优 化现 实

16、 的 车 间 作 业 调 度 系 统 都 是 离 散 事 件 动 态系 统 (DEDS) ,任 务 的 到 达 具 有 随 机 性 及 不 确 定性 。 EXTEND ,为 了 方 便 用 户 解 决 DEDS 的 优 化问 题 ,专 门 开 发 了 遗 传 算 法 优 化 模 块 。 另 外 , EX2TEND 软 件 中 所 有 模 块 的 源 代 码 都 是 公 开 的 ,用户 只 需 要 熟 悉 C 语 言 ,就 可 以 轻 松 地 嵌 入 自 己 改进 的 遗 传 算 法 程 序 。3. 1 问 题 描 述某 船 厂 加 工 车 间 有 4 个 产 品 要 进 行 生 产 ,而每 个

17、 产 品 必 须 依 次 经 过 4 个 加 工 工 序 进 行 加 工 ,各 个 产 品 在 各 个 工 序 中 消 耗 的 时 间 见 表 1。 现 要求 以 总 生 产 时 间 最 短 为 目 标 ,通 过 EXTEND 软件 建 立 仿 真 模 型 ,然 后 求 出 最 佳 的 排 产 方 案 。表 1 各 产 品 在 各 工 序 间 的 生 产 时 间工 序 编 号 产 品 编 号1 2 3 41 5 4 2 32 3 3 4 53 1 4 2 34 3 2 4 23. 2 EXTEND 建 模建 立 排 产 模 型 的 最 终 目 标 是 求 解 出 产 品 生 产时 间 最 短

18、的 产 品 生 产 顺 序 ,因 此 在 建 模 的 时 候 ,可以 把 各 个 产 品 设 置 一 个 初 始 的 优 先 权 ,然 后 通 过仿 真 模 型 并 结 合 遗 传 算 法 优 化 模 块 求 解 出 各 个 产品 的 最 佳 生 产 优 先 权 ,然 后 再 按 照 所 求 的 优 先 权顺 序 进 行 排 产 生 产 就 可 以 得 到 所 有 产 品 生 产 的 最佳 生 产 时 间 。 根 据 实 际 生 产 布 局 以 及 相 关 的 数据 ,通 过 EXTEND 软 件 建 模 ,见 图 1。图 1 排 产 仿 真 模 型 在 这 个 仿 真 模 型 中 ,首 先

19、给 各 个 产 品 设 定 一个 初 始 的 加 工 优 先 权 ,产 品 1、 产 品 2、 产 品 3 和 产品 4 按 照 优 先 顺 序 在 缓 冲 器 进 行 排 队 ,然 后 再 依次 进 入 各 个 工 序 (工 序 1、 工 序 2、 工 序 3 和 工 序4)进 行 加 工 。 当 4 个 产 品 全 部 加 工 完 毕 后 ,处 理时 间 统 计 模 块 对 这 4 个 产 品 所 需 要 的 总 时 间 进 行汇 总 统 计 。图 1 中 ,标 注 有 产 品 1 4、 工 序 1 4 以 及 处 理时 间 统 计 的 模 块 为 层 级 模 块 ,它 们 都 各 自 包

20、 含 自 己的 层 级 。 使 用 层 级 处 理 是 为 了 使 模 型 看 上 去 更 加简 洁 、 明 了 。 产 品 1、 工 序 1 和 处 理 时 间 统 计 层 级 块及 各 自 的 层 级 结 构 详 见 图 2、 3、 4。 产 品 2、 产 品 3和 产 品 4 的 层 级 块 的 结 构 与 产 品 1 类 似 ,工 序 2、 工序 3 和 工 序 4 的 层 级 结 构 与 工 序 1 类 似 。图 2 产 品 1 层 级 块 在 产 品 1 的 层 级 中 ,它 所 要 实 现 的 功 能 为 :对产 品 1 进 行 输 出 ,并 设 置 其 加 工 优 先 权 以

21、及 在 各个 工 序 的 处 理 时 间 。图 3 工 序 1 层 级 在 工 序 1 的 层 级 中 ,工 序 1 的 加 工 机 器 能 够读 取 前 面 各 个 产 品 在 工 序 1 的 加 工 时 间 。12造 船 生 产 中 车 间 作 业 调 度 的 优 化 与 仿 真 张 英 ,郭 劲 添 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/图 4 处 理 时 间 统 计 模 块 的 层 级 在 处 理 时 间 统 计 模 块 的 层 级 中 ,对 产

22、品 输 出数 量 进 行 统 计 ,当 产 品 输 出 数 量 为 4 时 ,模 型 就 会自 动 停 止 对 产 品 加 工 总 时 间 的 统 计 ,并 输 出 4 个产 品 加 工 所 用 的 总 时 间 。3. 3 仿 真 结 果 分 析首 先 ,将 决 策 的 参 数 变 量 (各 个 产 品 加 工 的 优先 权 )以 及 目 标 函 数 (最 短 的 加 工 总 时 间 ) 在 遗 传算 法 优 化 模 块 中 进 行 设 置 ,然 后 运 行 遗 传 算 法 优化 模 块 。 总 共 进 化 了 51 次 ,并 且 种 群 最 终 100 %收 敛 ,见 图 5。图 5 遗 传

23、 算 法 优 化 图从 图 5 中 可 以 看 到 ,优 化 目 标 (最 短 总 加 工 时间 )很 快 收 敛 到 最 小 值 22 ,而 种 群 也 在 迭 代 17 次后 100 %收 敛 。收 敛 后 的 结 果 见 表 2。表 2 遗 传 算 法 优 化 结 果参 数1 2 3 4 目 标 函 数最 优 值8 2 1 4 228 2 1 4 229 2 1 4 229 2 1 5 228 4 1 7 227 2 1 6 228 2 1 5 229 2 1 5 229 2 1 6 228 2 1 7 22从 表 2 可 以 看 到 ,产 品 1 4 的 优 先 权 从 小 到大 的

24、排 列 顺 序 为 产 品 3、 产 品 2、 产 品 4 和 产 品 1。在 EXTEND 仿 真 软 件 中 ,优 先 权 越 小 ,优 先 级 越大 。 因 此 这 4 种 产 品 在 流 水 线 上 的 加 工 顺 序 应为 :产 品 3、 产 品 2、 产 品 4 和 产 品 1。4 结 论为 了 便 于 证 明 方 法 的 可 行 性 ,本 文 仅 对 一 典型 排 产 过 程 进 行 了 分 析 ,而 且 只 实 现 了 作 业 时 间这 一 种 资 源 的 最 小 化 的 优 化 。 但 是 从 中 可 以 看到 ,应 用 EXTEND 仿 真 软 件 可 以 实 现 J SS

25、P 中 的排 产 优 化 。 在 实 际 应 用 中 ,只 需 对 作 业 对 象 以 及相 应 的 资 源 约 束 作 相 应 的 替 换 ,就 可 以 同 样 应 用EXTEND 软 件 实 现 在 多 种 资 源 约 束 的 条 件 下 ,确定 最 佳 的 作 业 生 产 顺 序 ,制 订 出 合 理 的 生 产 计 划 。当 实 际 生 产 过 程 中 的 情 况 发 生 变 化 时 ,应 用 EX2TEND 仿 真 软 件 ,并 通 过 计 算 机 可 以 对 生 产 作 业及 时 地 调 整 ,使 生 产 计 划 符 合 生 产 实 际 ,保 证 造 船生 产 的 高 效 进 行

26、。参 考 文 献1 朱 汝 敬 . 入 世 对 我 国 船 舶 工 业 的 影 响 及 应 对 J . 船舶 经 济 贸 易 , 2000 (2) :10.2 徐 学 光 . 探 索 船 舶 工 业 的 持 续 发 展 J . 上 海 造 船 ,1999 (1) :15.3 何 霆 , 马 玉 林 , 杨 海 . 车 间 生 产 调 度 问 题 的 研 究J . 机 械 工 程 学 报 , 2000 , 36 (5) :972102.4 周 宏 根 , 蔡 勇 , 景 旭 文 , 朱 文 彬 . 船 舶 柴 油 机 大 规模 动 态 作 业 车 间 调 度 系 统 及 其 关 键 技 术 研

27、究 J . 机械 设 计 与 制 造 , 2006 (4) :1772179.5 Dagli C. H , Sittisathanchai S. Genetic neuro2schedu2ler : A new approach for job2shop schedulingJ . Pro2duction Economics , 1995 (41) :1352145.6 玄 光 男 , 程 润 伟 . 遗 传 算 法 与 工 程 设 计 M . 北 京 :科 学 出 版 社 , 2000.7 李 锦 飞 , 马 汉 武 , 陈 纪 南 . 生 产 管 理 与 调 度 M . 北京 :化 学 工 业 出 版 社 , 2005.22造 船 生 产 中 车 间 作 业 调 度 的 优 化 与 仿 真 张 英 ,郭 劲 添 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/