柔性制造系统负荷分配混合遗传算法研究_柔性制造_先进制造技术_79

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1、柔性制造系统负荷分配混合遗传算法研究_柔性制造_先进制造技术1概述   在多数生产状况中，尤其是在柔性制造系统(FMS)加工条件下，加工设备具有多种加工能力。这样，一个零件可以有多个制造工艺方案，而每一个方案都对应零件的不同加工路径，从而不同的加工路径将导致设备具有不同的负荷分配，以致系统的生产率会不一样。这里所谓的“负荷”是指一个加工系统内各加工设备所承担的加工工作量。设备负荷分配是柔性制造系统静态作业调度中主要研究的问题之一。该问题可描述为：假定FMS由m台加工设备M1，M2，…，Mn构成，一个工件有N道工序P1，P2，…，Pn，每

2、道工序可由系统中的至少一台设备加工完成，但一道工序只能分配给可加工该道工序的设备中的某一台加工完成。需要找出一个负荷分配方案，使系统对于某一或某几个目标达到最优。常见的几个优化目标是：①使各机床工作负荷平衡，从而系统总的加工时间最小；②使加工费用极小；③使工件移动次数极小化。   文献[1]和[2]指出：要使系统设备的利用率为最大，系统中的各加工单元的负荷应该相等，当一部分加工单元的负荷大于另一部分时，必然导致一部分加工单元的工作时间大于另一部分，从而使系统的设备利用率降低。因此，这些文献又将系统的最优分配问题称为系统负荷平衡问题。关于

3、系统的负荷平衡问题，文献[2]和[3]分别用非线性整数规划和0~1整数线性规划模型来进行研究，它们都以系统的负荷平衡为优化目标。从工程的实用角度来讲，其结果只能用于小规模的问题，这一方面由于FMS的负荷分配问题本身的复杂性，使得根据实际问题构造的数学模型变量太多，引起所谓“维数灾难”；另一方面，在运筹学的组合优化领域中尚缺乏求解大规模问题的有效方法，使得建立的FMS负荷分配模型大都难以使用现有的算法在合理的时间内求得问题的最优解。据Henry．C．C．等的分析，当应用混合整数规划对一个有20台设备，200把刀具，20个以上的加工工件，1

4、00道工序的FMS建立工件分组，负荷分配和刀具配置的数学模型时，其变量的个数为184080个、约束条件为176840个。如此规模的问题，其求解的复杂性和困难程度可想而知。所以在工程中，多以追求近优解为目标，构造负荷分配的启发式算法。2传统优化算法存在的问题   以往对柔性制造系统负荷分配问题的研究基于以下的假设：①同一工序在任1台设备上加工时，加工时问不变；②各工序相互独立；③不考虑设备的历史加工情况；④不考虑设备的被选权重；⑤优化的目标是使系统中各台设备的负荷尽可能相等。   设系统共有m台设备，Vi，Vj分别是第i，j台设备的负荷(

5、i，j=1，2，…，m)，则系统的优化目标函数为：      建立在这些假设基础上的一些传统优化算法，如胡立德的Leaf-Root-Weight图算法等，在一定范围内有效，但并不能很好地与实际工况相适应。   由于在实际的柔性制造系统中，构成系统的各加工设备通常不同，因此同一工序在不同设备上加工所用的时间也不同；况且加工辅助时间往往也不同，所以一般的FMS并不满足假设条件1。这样，单纯用假设5作为优化目标评价系统的设备负荷分配情况，就没有实际意义。由于不考虑设备的历史加工情况，而只考虑其当前加工负荷，传统的算法不能够在整体上满足设备均衡

6、。另外，在实际生产过程中零件交货期往往是首先要满足的指标，但以往的算法都没有考虑系统的流通时间(makespan)。   黄德才等在leaf-Root-Weight图算法的基础上，考虑了工件在车间的makespan问题，提出了极大消去法，并引入矩阵进行运算，虽然这样提高了算法的实用性和可行性，但没有考虑设备的历史加工情况和设备被选择的优先级因素，使算法存在很大误差，难于适用于大规模系统问题求解。3负荷分配问题模型的建立   设备负荷分配要求设备的实际加工能力与定额加工能力相匹配，同时也应该考虑该制造系统的历史加工负荷情况，使设备负荷在整

7、体上均衡。从技术上考虑，精度高、加工效率高的设备会被优先选择；从经济角度讲，需要把零件均衡地分配到FMS的各机床上，不能让机床空置，必须将各加工设备的负荷均衡，使各机床都能大体上同时完成一批零件的加工任务，并能立即开始加工新的一批零件。   综合上述考虑，需要引入设备被选权重这一概念，即是设备的加工效率越高、精度越高，权重就越小，在相同情况下，其被选择的机会越大。FMS负荷分配问题的求解，应建立在考虑设备的加工历史情况和不同设备的不同选择权重这一基础之上。   设FMS系统由m台设备M1，M2，…，Mm构成，设备被选权重相应为(w1，w

8、2，…，wm)，(wi∈[0，1]，i=1，2，…，m)，这些设备的历史加工负荷为(b1，b2，…，bm)；并设加工一组零件共有n道工序，工序集为P={P1，P2：…，Pn}，每个工序可由FMS中至少1台加