摘 要

一直以来，制造企业在国民经济中一直占据重要地位，国民经济的增长离不开制造业的发展。离散制造系统中的车间作业调度问题一直吸引着许多专家学者去研究，这些调度问题基本都属于复杂、动态和大规模调度问题。

为解决复杂多变的车间调度问题，专家学者们研究了许多算法，其中优先调度规则算法以其较低时间复杂度和对动态车间调度环境良好的应变能力成为解决车间调度问题最好的算法。因此研究常见优先调度规则在实际离散制造系统车间作业调度问题中的调度性能对指导现实车间调度问题有重大意义。

本文基于前人研究的车间调度理论，采用Flexsim三维仿真软件对某实际机械加工车间调度问题进行仿真试验，研究了工件单件陆续到达的Job shop调度问题。具体研究工作如下：

第1章，介绍了本文的研究目的、意义和国内外的研究现状，并给出了本文的研究内容及技术路线。

第2章，介绍了常见车间调度问题的分类和特点，并列出了三种车间作业调度问题研究模型和常见的求解方法。对于这些车间作业调度问题，采用优先级调度规则算法来解决，能够快速有效地求出满足工程要求的近似最优解或满意解。

第3章，基于对已有文献的研究，介绍优先调度规则的发展和分类，并且给出了常见优先调度规则的计算方法和国内外许多学者研究后对调度规则性能的总结。

第4章，本文围绕工件单件陆续到达的Job shop调度问题，选取了9种常见的优先调度规则对某实际离散制造系统案例进行仿真优化，然后对得到的仿真结果数据在工件拖期比率、工件流经时间等7个性能指标方面评价了各个调度规则的性能表现。

第5章，对本文的研究工作及其主要结论进行总结，并对今后的研究工作进行展望。

本文的研究工作对于离散制造系统加工工件单间陆续到达的车间调度问题实际意义。

关键词：调度规则 车间调度 仿真优化 离散制造

Abstract

Manufacturing companies have always occupied an important position in the national economy. The growth of the national economy cannot be separated from the development of the manufacturing industry. The job shop scheduling problem in the discrete manufacturing system has always attracted many experts and scholars to study, these scheduling problems are basically complex, dynamic and large-scale scheduling problems.

To solve the complex and changeable shop scheduling problem, many experts and scholars have studied the algorithm, the rules of priority scheduling algorithm with low time complexity and dynamic shop scheduling environment good strain capacity become one of the best algorithm to solve the workshop scheduling problem. Therefore, it is of great significance to study the scheduling performance of common priority scheduling rules in the practical DMS workshop scheduling problem.

Based on the workshop scheduling theory researched by previous researchers, this paper uses Flexsim three-dimensional simulation software to simulate a real mechanical shop scheduling problem, and studies the job shop scheduling problem that the single workpiece arrives. The specific research work is as follows:

The first chapter introduces the purpose, significance and research status of this article at home and abroad, and gives the research content and technical route of this article.

The second chapter introduces the classification and characteristics of common shop scheduling problems, and lists three types of job shop scheduling problem research models and common solution methods. For these job shop scheduling problems, the priority scheduling rules algorithm is used to solve, and an approximate optimal solution or satisfactory solution that satisfies the engineering requirements can be quickly and efficiently determined.

The third chapter based on the research of the existing literature, introduces the development and classification of priority scheduling rules, and gives the calculation methods of common priority scheduling rules and summarizes the performance of the scheduling rules after research by many scholars at home and abroad.

The forth chapter focuses on the job shop scheduling problem where workpieces arrive one by one, selects nine common priority scheduling rules for simulation optimization of an actual discrete manufacturing system case, and then applies the simulation result data to the workpiece tardiness ratio. The performance of each scheduling rule was evaluated in terms of seven performance indicators such as the elapsed time of the workpiece.

The fifth chapter summarizes the research work and its main conclusions, and looks forward to the future research work.

The research work in this paper is of practical significance to the problem of the shop floor scheduling problem that the discrete manufacturing system processing workpieces arrive one after another.

Key words: scheduling discipline workshop scheduling simulating optimization

discrete manufacturing

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 目的与意义 1

1.2 国内外发展现状 1

1.2.1 国内发展现状 1

1.2.2 国外发展现状 2

1.3 本文主要研究内容 2

1.3.1 研究内容 2

1.3.2 技术路线 3

1.4 章节安排 3

1.5 本章小结 4

第2章 车间作业调度的相关理论 5

2.1 车间作业调度问题特点及分类 5

2.1.1 车间作业调度问题的相关特点 5

2.1.2 车间作业调度问题的分类 5

2.2 车间作业调度问题研究模型 6

2.2.1 One-by-One DJSP模型 6

2.2.2 Batch-by-Batch DJSP模型 7

2.2.3 Machine Breakdown DJSP模型 7

2.3 车间作业调度问题的求解方法 7

2.4 本章小结 8

第3章 优先调度规则 9

3.1 优先调度规则的分类及发展 9

3.2 优先调度规则的选择及评价方法 11

3.2.1 稳态仿真方法 11

3.2.2 人工神经网络 12

3.2.3 专家系统 12

3.3 优先调度规则的计算方法 12

3.4 本章小结 14

第4章 车间调度实例及其仿真优化 15

4.1 车间调度实例设计 15

4.1.1 案例背景 15

4.1.2 工艺流程 15

4.1.3 调度规则选取和调度目标设置 15

4.2 仿真调度参数设置 16

4.2.1 加工时间设置 16

4.2.2 车间利用率设置 17

4.2.3 交货期设置 17

4.3 仿真模型搭建 17

4.3.1 模型设置 18

4.4 优先调度规则性能指标 18

4.5 调度结果统计 19

4.6 调度规则性能分析 26

4.7 本章小结 27

第5章 总结与展望 28

5.1 总结 28

5.2 展望 29

参考文献 30

致 谢 32

第1章 绪论

1.1 目的与意义

制造业作为国民经济的支柱产业，直接影响整体经济的发展。制造业制造系统大多是离散制造系统，而离散制造系统不可忽视的部分就是生产调度问题，生产调度方案制定的好坏直接影响到整体系统的效率。关于调度问题专家学者们研究了许多解决方案和求解算法，其中调度性能表现优异且得到广泛运用的就是优先调度法则算法。

车间作业调度受许多因素影响，求解十分复杂,与其他方法相比，运用优先调度规则算法求解既高效又实用。这种算法虽然在优化调度解决方案中性能仍然不够,但复杂的车间调度问题的第一选择算法仍然是优先调度规则算法,它可以快速获得近似最优解或满意解。所选择的调度规则决定了调度系统的一些性能指标,最常用的调度规则性能评价方法是仿真调度测试及其结果分析。近年来，运用仿真试验代替其他试验建模方法解决调度问题成为研究热点。利用仿真方法研究生产调度问题对于优化生产资源分配,缩短加工时间,降低生产成本,提高企业生产效率具有重要的实用价值。

1.2 国内外发展现状

1.2.1 国内发展现状

近年来，国内许多学者利用各种方法比较分析了不同调度方案下离散制造系统性能指标的差异,评估调度规则的调度效果并尝试选择或创造合适的调度规则。

范华丽，熊禾根等^[1]对调度规则的发展、分类以及特点进行了综合论述，并对调度规则的选取和评价方法进行了总结。

陈秋双，王厦生^[2]采用优先级法对作业车间调度问题中优先级规则的优缺点进行了评价,并讨论了综合性能指标下优先级规则的比较方法。针对车间调度问题(JSP),王成龙^[3]等,提出了一种基于决策树的调度规则挖掘方法,与传统方法相比，可以从最优调度方案中创造出新的调度规则，从而提升调度规则的性能。

栾飞,杨玮^[4]深入制造企业内部进行调研分析，通过对制造系统各环节运行状况分析，找出了制造系统的瓶颈并通过优化方法对模型进行了优化。

林屾^[5]以硫化车间生产作业调度为研究课题。首先对硫化过程的问题进行了分析和建模,然后对标准粒子群优化算法进行了改进和仿真。丁然^[6]基于不确定性优化理论，通过对模型的分析和改进,主要是随机规划和鲁棒优化模型,提出了几种在不确定条件下寻找鲁棒调度策略的新方法,并利用短时t建立了不确定条件下的鲁棒调度模型。以化工间歇过程的ERM调度过程为例。文中还讨论了该调度算法的算法及其实现方法。

龙田，王俊佳^[7]采用动态在线调度方法研究动态环境下的车间调度问题,采用优先级调度规则来解决大量的调度问题。针对7个调度目标,从调度规则中选择调度规则,以选择单个目标下的最优调度规则。 夏迎春^[8]基于经典的综合调度算法设计了一种基于装配表达式的集成调度软件。吴秀丽,孙树栋等^[9]针对多目标柔性作业车间调度问题,提出了一种基于混合遗传算法的优化方法。

彭建刚，刘明周等^[10]介绍了多目标柔性作业车间调度问题的数学模型和有关定义。公茂果，焦李成等^[11]深入研究调度多目标优化这一研究难题。对许多常用算法进行了实验对比并对如何进化多目标研究算法发表了自己的想法。

余晓光，严洪森等^[12]通过研究多品种小批量生产调度优化问题，通过研究实例证明运用Flexsim仿真与调度优化的结合可以有效提高车间生产效率。

1.2.2 国外发展现状

国外学者对作业车间调度问题的调度算法、仿真测试和性能评估方法进行了深入的研究。Aytug 和 Priore 等人^[13]深入研究机器学习，文献中介绍了许多解决动态调度问题的人工智能方法。Randhawa等人^[14]通过提取建立仿真模型得到的训练样本来建立专家系统，以此来进行有效调度。

根据现有的优先调度规则及其性能特点，许多学者基于不同的生产条件设计了新的调度规则，并通过仿真调度得到了新调度规则的性能结论。通过测试和结果比较分析，对于灵活的生产系统，学者们已经研究了不同调度规则在不同层次操作灵活性中的作用。文献^[15] (2009) 研究了考虑工件动态到达的柔性工艺车间系统。 为了尽量减少工件拖动总量和工件成本，建立了系统的0-1混合仿真模型。在不同的实验条件下进行了一些模拟实验，如不同车间的可用性和交货日期的紧密度。 实验结果表明，新的调度方法可以在不同的假设条件下获得更好的性能。文献^[16]中已有的调度规则及其性能特点为选择合适的调度规则提供了依据，人工智能在调度上的应用主要基于如何从一些调度规则候选列表中选取一种规则，并在某些性能指标上达到较优。

1.3 本文主要研究内容

1.3.1 研究内容

(1) 阐述车间作业调度相关理论，界定研究的范畴

阐述常见车间调度问题，介绍车间调度问题模型及其求解方法，总结了优先调度规则的发展，分类和特点，并给出了调度规则的选择和评估方法。

(2) 阐述优先调度法则的计算方法及基本步骤

选取若干常见的优先调度法则，并给出其计算方法。

(3) 选取案例，利用Flexsim仿真软件建立仿真模型，并利用多种不同的优先调度法则对案例进行仿真与优化。

结合实际的离散制造系统案例，利用仿真方法，判断系统在预设的调度目标下采用不同的优先调度规则的效率。

1.3.2 技术路线

本文研究采用的技术路线流程如下：

图1.1 本文的研究技术路线图

1.4 章节安排

本文以某机械加工车间工件单件依次到达的车间作业调度问题为研究对象，系统研究优先调度规则及其性能评价方法。主要研究内容如下：

第一章论述了论文研究目的及意义和车间作业调度问题的国内外研究现状，指出了本文研究内容和技术路线。

第二章分析了作业车间调度问题的特点、分类和模型。在此基础上，为研究和探索作业车间调度的有效算法，并比较现有的解决策略，提出了一种更适合作业车间调度问题的解决方法

第三章进一步研究了作业车间调度问题的求解策略。首先总结了优先级调度规则的分类,然后给出了常见的优先级调度规则计算方法。

第四章在第三章优先级调度规则计算方法的基础上,对不同仿真参数下的调度情况进行了仿真,分析了不同调度参数下不同调度规则的性能指标,并对调度性能进行了分析。获得了不同的调度规则,并对各种调度系统的选择进行了分析。

1.5 本章小结

首先论述了车间作业调度的目的和意义，随后通过研究大量中外文献，整理出国内外学者关于车间作业调度问题的研究现状，研究表明车间作业调度问题是离散制造系统车间作业调度问题的核心。最后提出了本文将研究的内容“基于优先调度规则的离散制造系统仿真与优化”。

第2章 车间作业调度的相关理论

2.1 车间作业调度问题特点及分类

2.1.1 车间作业调度问题的相关特点

车间生产中的一个尤其重要问题就是车间作业计划，它是一个不可忽视的问题。它包括确定工件的生产周期和确定每个工件的生产顺序,也就是说，车间生产计划包括制件从生产到完成所需要的时间。简而言之,车间生产计划就是利用时间来分配资源以达到完成任务的目的。

首先，对于作业车间计划中的某项工作，可以分成不同部分，然后根据它的限制条件来给各部分分配资源、生产时间和开始次序，从而以达到加工周期最短或成本最低的目的。资源分配受生产周期、约定的交货日期、生产次序、加工能力、设备和原材料的加工能力、加工路径、尺寸和成本的影响。这些制约因素的权重是不同的,如生产能力、交货期约束等都是重要的,有的只需要达到一定的程度,比如生产成本。在调度中,这些约束被认为是确定性因素。但是对于机器故障、任务变更、原材料供应变化和其他异常情况,这些情况都是超出预测能力范围的,在资源分配时,将上述因素确认为非确定因素。生产调度是不简单的,它存在目标范围广、生产条件有限、优化不确定等众多问题。而目标范围广、生产条件有限、优化不确定等问题的共同特点如下^［17］：

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