一種求解作業(yè)車間調(diào)度問(wèn)題的改進(jìn)擾動(dòng)方式的迭代局部搜索算法制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開(kāi)了一種求解作業(yè)車間調(diào)度問(wèn)題的改進(jìn)擾動(dòng)方式的迭代局部搜索算法，該算法將兩種鄰域結(jié)構(gòu)、精英池策略引進(jìn)，并對(duì)迭代局部搜索的擾動(dòng)方式進(jìn)行改進(jìn)，從而提高算法的局部搜索性能，避免搜索時(shí)陷入局部最優(yōu)以及搜索時(shí)僅對(duì)當(dāng)前最優(yōu)解進(jìn)行擾動(dòng)造成搜索范圍縮小的問(wèn)題。該算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程包括產(chǎn)生初始解，設(shè)置精英池容量，執(zhí)行鄰域搜索隨機(jī)產(chǎn)生兩種鄰域結(jié)構(gòu)，執(zhí)行精英池策略的擾動(dòng)等步驟。本發(fā)明專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比能更好的解決實(shí)際的作業(yè)車間調(diào)度問(wèn)題，具有實(shí)用性高，可執(zhí)行能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

An improved iterative local search algorithm for solving job shop scheduling problem

The invention discloses an improved iteration for solving job shop scheduling problem disturbing form of local search algorithm, the algorithm of two kinds of neighborhood structure, elite pool strategy introduction, and the disturbance of iterated local search is improved, so as to improve the local search performance of the algorithm, to avoid the search into local optimum and the search for the current optimal solution of disturbance caused by a reduced search range problem. The implementation of the algorithm includes the following steps: generating the initial solution, setting up the capacity of the elite pool, executing the neighborhood search randomly generating two neighborhood structures, and executing the disturbance of the elite pool strategy. Compared with the prior art, the invention can solve the actual job shop scheduling problem, and has the advantages of high practicability and strong execution ability.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
所屬
本專利技術(shù)涉及計(jì)算機(jī)執(zhí)行制造系統(tǒng)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)就是通過(guò)算法解決作業(yè)車間調(diào)度的組合優(yōu)化問(wèn)題。
技術(shù)介紹
作業(yè)車間調(diào)度問(wèn)題(Job-ShopSchedulingProblem)是制造執(zhí)行系統(tǒng)研究的核心和重點(diǎn)之一，它的研究不僅具有重大的現(xiàn)實(shí)意義，而且具有深遠(yuǎn)的理論意義。作業(yè)車間調(diào)度問(wèn)題，(簡(jiǎn)稱JSP)，就是根據(jù)產(chǎn)品制造需求合理分配產(chǎn)品制造資源，進(jìn)而達(dá)到合理利用產(chǎn)品制造資源、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的目的。JSP是產(chǎn)品制造行業(yè)中共存的問(wèn)題，它與計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(ComputerIntegratedManufacturingSystems，簡(jiǎn)稱CIMS)的工廠管理、產(chǎn)品制造層次緊密相關(guān)，是CIMS領(lǐng)域中研究的重要課題。JSP是一個(gè)典型的NP-hard問(wèn)題,它的研究必然會(huì)對(duì)NP問(wèn)題的研究起到有意義的影響。在過(guò)去的幾十年，各種算法被應(yīng)用來(lái)解決作業(yè)車間調(diào)度問(wèn)題。傳統(tǒng)的，一般都采用最優(yōu)化方法和近似方法來(lái)解決作業(yè)車間調(diào)度方案的自動(dòng)生成問(wèn)題。最優(yōu)化方法包括枚舉法和數(shù)學(xué)規(guī)劃技術(shù)。近似法通常使用分支定界法、優(yōu)先規(guī)則、啟發(fā)式方法、迭代局部搜索算法和進(jìn)化算法。迭代局部搜索算法是一種單點(diǎn)出發(fā)的元啟發(fā)式算法,它包括構(gòu)造初始解、局部搜索、接受條件和擾動(dòng)方法4個(gè)組成部分，它能在較短的計(jì)算時(shí)間內(nèi)獲得不錯(cuò)的解，近年來(lái)的研究表明該算法對(duì)許多NP難題的求解具有良好的效果。因此，各種版本的迭代局部搜索被專門設(shè)計(jì)來(lái)解決作業(yè)車間調(diào)度問(wèn)題。但是他們易受陷入局部最優(yōu)的影響，由此很多改進(jìn)的迭代局部搜索算法相繼提出來(lái)，比如：進(jìn)化算法與局部搜索結(jié)合，多鄰域結(jié)構(gòu)的局部搜索，模擬退火算法等。但是依然存在計(jì)算復(fù)雜，有時(shí)不能逃離局部最優(yōu)等問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足之處，本專利技術(shù)要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種新的擾動(dòng)方式來(lái)提高迭代局部搜索求解性能。本專利技術(shù)的目的則是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的：迭代局部搜索容易陷入局部最優(yōu)；一些已有的擾動(dòng)方式不能幫助解逃離局部最優(yōu)；迭代局部搜索僅對(duì)當(dāng)前最優(yōu)解進(jìn)行擾動(dòng)，縮小了搜索范圍的問(wèn)題。本專利技術(shù)為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種求解作業(yè)車間調(diào)度問(wèn)題的改進(jìn)擾動(dòng)方式的迭代局部搜索算法，該算法包括以下步驟：步驟1：產(chǎn)生初始解，令當(dāng)前最優(yōu)解Δbest＝Δ，計(jì)算該解所產(chǎn)生的總完工時(shí)間。步驟2：設(shè)置精英池容量。步驟3：判斷是否到達(dá)停止條件，是則返回最優(yōu)解，否則執(zhí)行下一步。步驟4：對(duì)Δ執(zhí)行鄰域搜索，隨機(jī)選擇兩種鄰域結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生鄰域解Δ′。步驟5：如果Δ′優(yōu)于Δ，即該解下的調(diào)度方案使得總完工時(shí)間更小，則令Δ＝Δ′；否則返回步驟4。步驟6：如果Δ優(yōu)于Δbest，即該解下的調(diào)度方案使得總完工時(shí)間更小，則令Δbest＝Δ，flag＝true；否則令flag＝false。步驟7：執(zhí)行精英池策略的擾動(dòng)方法。步驟8：返回執(zhí)行步驟3，重復(fù)以上步驟。所述的產(chǎn)生初始解的方式是：采用優(yōu)先調(diào)度規(guī)則安排每一臺(tái)設(shè)備上的加工工序，以得到一個(gè)初始解。步驟如下：步驟1.1：按照每個(gè)工序的工藝順序由小到大排序。步驟1.2：如果加工工藝順序相同，按照加工時(shí)間由小到大排序。步驟1.3：如果加工時(shí)間依然相同，按照工件編號(hào)由小到大排序。所述的精英池相當(dāng)于一個(gè)存儲(chǔ)空間，將上一步驟產(chǎn)生的最優(yōu)解存儲(chǔ)，能夠避免迭代局部搜索僅對(duì)當(dāng)前最優(yōu)解進(jìn)行擾動(dòng)從而縮小搜索范圍的問(wèn)題。本算法中我們?cè)O(shè)置精英池容量poolsize，令其中pool用來(lái)存放精英解；poolsize表示其容量大小，本算法設(shè)定容量大小為5。所述的領(lǐng)域結(jié)構(gòu)，目前有三種：插入型鄰域結(jié)構(gòu)，交換型鄰域結(jié)構(gòu)，破壞-構(gòu)造型鄰域結(jié)構(gòu)，本算法我們采用插入型和交換型兩種鄰域結(jié)構(gòu)對(duì)初始解進(jìn)行迭代鄰域搜索。插入型鄰域結(jié)構(gòu)是根據(jù)已知調(diào)度方案的有向圖，隨機(jī)選擇一道工序，并隨機(jī)插入到同一設(shè)備加工序列中的任意位置；交換型鄰域結(jié)構(gòu)是根據(jù)已知調(diào)度方案的有向圖，任意選擇相同設(shè)備中的兩道工序，進(jìn)行互換。所述的執(zhí)行精英池策略的擾動(dòng)方法，有以下幾個(gè)步驟：步驟7.1：如果flag為true，則清空pool。步驟7.2：如果Δ在pool中不存在，則將Δ插入到pool中。步驟7.3：如果pool中的解多于poolsize，則刪除pool中最差的解。步驟7.4：如果pool中的解少于poolsize，則令Δ*＝Δbest；反之，從pool中隨機(jī)選擇一個(gè)解記作Δ*。步驟7.5：對(duì)Δ*執(zhí)行擾動(dòng)，得到Δ，返回步驟3。其中，對(duì)Δ*執(zhí)行擾動(dòng)的步驟如下：步驟7.5.1：是Δ*相關(guān)的有向圖。步驟7.5.2：中最長(zhǎng)路徑中選擇一個(gè)隨機(jī)連接弧(Oik，Ojk)。步驟7.5.3：交換Oik和Ojk。步驟7.5.4:令Ou＝Oik。步驟7.5.5：當(dāng)Ou不是工件Ji的第一道工序：獲得工件Ji的工序Ou的前一道工序，記作：Ofu；如果Ofu不是設(shè)備Mu上第一個(gè)加工的工序，獲得設(shè)備Mu上在Ofu前面緊鄰加工的工序，如果不會(huì)創(chuàng)造一個(gè)環(huán)，則交換這兩道工序。步驟7.5.6：令Ov＝Ojk。步驟7.5.7：當(dāng)Ov不是工件Jv的第一道工序：獲得工件Jv的工序Ov前一道工序，記作：Ofv；如果Ofv不是設(shè)備Mv上第一個(gè)加工的工序，獲得設(shè)備Mv上在Ofv前面緊鄰加工的工序，如果不會(huì)創(chuàng)造一個(gè)環(huán)則交換這兩道工序，讓Ov＝Ofv。步驟7.5.8：返回Δ。本專利技術(shù)的有益效果是：1.兩種鄰域結(jié)構(gòu)拓寬了鄰域搜索方向和范圍，限制了搜索時(shí)陷入局部最優(yōu)的情況；2.增強(qiáng)的擾動(dòng)方式使搜索避免局部最優(yōu)；3.精英池策略保留了之前幾代搜索得到的好的結(jié)果，提高了搜索的開(kāi)發(fā)性和穩(wěn)定性。附圖說(shuō)明圖1為本專利技術(shù)的算法流程圖。圖2為精英池策略的擾動(dòng)流程圖。圖3為改進(jìn)的擾動(dòng)方式流程圖圖4為4個(gè)工件3個(gè)設(shè)備的作業(yè)車間調(diào)度問(wèn)題實(shí)例。圖5為圖4所示問(wèn)題的析取圖。圖6為圖4所示問(wèn)題的一個(gè)可行解甘特圖。圖7為圖6所示可行解的有向析取圖。圖8為圖4所示問(wèn)題初始解生成方式說(shuō)明。具體實(shí)施方式為了使本專利技術(shù)的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本專利技術(shù)進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本專利技術(shù)并不用于限定本專利技術(shù)。為了克服傳統(tǒng)迭代局部搜索在求解作業(yè)車間調(diào)度問(wèn)題的不足之處，本專利技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新的擾動(dòng)方式與精英池策略，提出了一種求解作業(yè)車間調(diào)度問(wèn)題的改進(jìn)擾動(dòng)方式的迭代局部搜索算法。傳統(tǒng)的迭代局部搜索雖能在較短的計(jì)算時(shí)間內(nèi)獲得不錯(cuò)的解，但是容易陷入局部最優(yōu)的問(wèn)題。所以本算法將兩種鄰域結(jié)構(gòu)、精英池策略引進(jìn)，并對(duì)傳統(tǒng)迭代局部搜索的擾動(dòng)方式進(jìn)行改進(jìn)，從而拓寬了鄰域搜索方向和范圍，限制了搜索時(shí)陷入局部最優(yōu)的問(wèn)題，提高了搜索的開(kāi)發(fā)性和穩(wěn)定性。結(jié)合圖4一個(gè)4*3的JSP實(shí)例，作業(yè)車間問(wèn)題(JSP)可以描述為n個(gè)工件{Ji|(i＝1，2，…，n)本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種求解作業(yè)車間調(diào)度問(wèn)題的改進(jìn)擾動(dòng)方式的迭代局部搜索算法，該算法適用于計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)領(lǐng)域，其特征是，包括以下步驟：步驟1：產(chǎn)生初始解，令當(dāng)前最優(yōu)解，計(jì)算該解所產(chǎn)生的總完工時(shí)間；步驟2：設(shè)置精英池容量；步驟3：判斷是否到達(dá)停止條件，是則返回最優(yōu)解，否則執(zhí)行下一步；步驟4：對(duì)執(zhí)行鄰域搜索，隨機(jī)選擇兩種鄰域結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生鄰域解；步驟5：如果Δ′優(yōu)于Δ，即該解下的調(diào)度方案使得總完工時(shí)間更小，則令；否則返回步驟4；步驟6：如果優(yōu)于，即該解下的調(diào)度方案使得總完工時(shí)間更小，則令，flag=true；否則令flag=false；步驟7：執(zhí)行精英池策略的擾動(dòng)方法；步驟8：返回執(zhí)行步驟3，重復(fù)以上步驟。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種求解作業(yè)車間調(diào)度問(wèn)題的改進(jìn)擾動(dòng)方式的迭代局部搜索算法，該算法適用于計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)領(lǐng)域，其特征是，包括以下步驟：步驟1：產(chǎn)生初始解，令當(dāng)前最優(yōu)解，計(jì)算該解所產(chǎn)生的總完工時(shí)間；步驟2：設(shè)置精英池容量；步驟3：判斷是否到達(dá)停止條件，是則返回最優(yōu)解，否則執(zhí)行下一步；步驟4：對(duì)執(zhí)行鄰域搜索，隨機(jī)選擇兩種鄰域結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生鄰域解；步驟5：如果Δ′優(yōu)于Δ，即該解下的調(diào)度方案使得總完工時(shí)間更小，則令；否則返回步驟4；步驟6：如果優(yōu)于，即該解下的調(diào)度方案使得總完工時(shí)間更小，則令，flag=true；否則令flag=false；步驟7：執(zhí)行精英池策略的擾動(dòng)方法；步驟8：返回執(zhí)行步驟3，重復(fù)以上步驟。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種求解作業(yè)車間調(diào)度問(wèn)題的改進(jìn)擾動(dòng)方式的迭代局部搜索算法，其特征是：產(chǎn)生初始解的方式是采用優(yōu)先調(diào)度規(guī)則安排每一臺(tái)設(shè)備上的加工工序，以得到一個(gè)初始解，步驟如下：步驟1.1：按照每個(gè)工序的工藝順序由小到大排序；步驟1.2：如果加工工藝順序相同，按照加工時(shí)間由小到大排序；步驟1.3：如果加工時(shí)間依然相同，按照工件編號(hào)由小到大排序。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種求解作業(yè)車間調(diào)度問(wèn)題的改進(jìn)擾動(dòng)方式的迭代局部搜索算法，其特征是：設(shè)置精英池容量poolsize，令pool=；其中pool用來(lái)存放精英解；poolsize表示其容量大小，本算法設(shè)定容量大小為5，采用精英池能夠避免迭代局部搜索僅對(duì)當(dāng)前最優(yōu)解進(jìn)行擾動(dòng)從而縮小搜索范圍的問(wèn)題。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種求解作業(yè)車間調(diào)度問(wèn)題的改進(jìn)擾動(dòng)方式的迭代局部搜索算法，其特征是：執(zhí)行鄰域搜索時(shí)，隨機(jī)產(chǎn)生兩種鄰...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：龔曉慧，胡成華，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：四川用聯(lián)信息技術(shù)有限公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：四川;51