于艷輝 侯東亮
[摘要] 首先介紹了具有緩沖區(qū)約束的流水車間調(diào)度問題的一般框架、算法及其分類,主要針對啟發(fā)式算法進(jìn)行分析和總結(jié),并進(jìn)一步介紹了如何合理設(shè)置緩沖區(qū)以及存儲時間有限的情況,最后,探討了在此研究領(lǐng)域中的未來發(fā)展趨勢。
[關(guān)鍵詞] 流水車間; 緩沖區(qū)限制; 啟發(fā)式; 存儲時間有限
doi : 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2012 . 06. 029
[中圖分類號]F273;F406.2[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]1673 - 0194(2012)06- 0061- 03
常規(guī)的流水車間調(diào)度問題研究是在假設(shè)機器間緩沖區(qū)的存儲能力是無限的前提下進(jìn)行的,而在大量的實際生產(chǎn)加工環(huán)境中,由于存儲設(shè)備(如存儲罐、中間庫存等)以及生產(chǎn)工藝在空間、時間等方面的限制,緩沖區(qū)的存儲能力往往是有限的,例如化工、鋼鐵和制藥等實際生產(chǎn)系統(tǒng)。因而,具有緩沖區(qū)限制的流水車間調(diào)度問題(Limited-Buffer Flowshop Scheduling Problem, LBFSSP)更加符合實際應(yīng)用背景,對該問題的研究具有重要的理論和實用價值。本文給出了LBFSSP問題的一般框架,依據(jù)大量的文獻(xiàn)總結(jié)了該領(lǐng)域的研究理論和方法并進(jìn)行了分類,進(jìn)一步討論了今后的研究方向。
1LBFSSP問題的一般框架
1.1問題描述
LBFSSP問題可以描述如下:設(shè)存在n個工件(1,2,…,n)及m臺機器(1,2,…,m),該n個工件將依次在機器1至m上進(jìn)行加工;在任一時刻,每個工件最多在一臺機器上加工,且每臺機器最多同時加工一個工件;在每兩臺相鄰的機器j和j - 1之間,存在大小為Bj的緩沖區(qū);工件在每臺機器上的加工順序相同,即所有工件在緩沖區(qū)中均服從先入先出規(guī)則( First In First Out , FIFO),工序不允許中斷。LBFSSP調(diào)度問題存在兩種特殊情況:(1) 當(dāng)緩沖區(qū)為零時,該問題轉(zhuǎn)化成阻塞流水車間問題(BFSS);(2) 當(dāng)緩沖區(qū)為無窮時,該問題轉(zhuǎn)化成一般流水車間調(diào)度問題(FSS)。
1.2LBFSSP調(diào)度問題的模型
1.2.1一般數(shù)學(xué)模型
該調(diào)度問題通常以加工完成時間最小化為目標(biāo),即makespan Cmax,則數(shù)學(xué)模型可表示為如下形式:
pij —— 工件Ji在機器Mj上的加工時間;Sij —— 工件Ji在機器Mj上的開工時間;Cij —— 工件Ji在機器Mj上的完工時間;Bi —— 工件Ji在兩階段間的緩沖區(qū)的大??;
min{Sn,m + pn,m}
≠ k),j∈J
2LBFSSP問題的研究方法
對有緩沖區(qū)約束的流水車間調(diào)度問題的研究最早可以追溯到20世紀(jì)70年代,分別由Prabhakar在1974年,Dutta和Cuningham在1975年提出。Dutta和Cunningham以及Reddi詳細(xì)地描述了有緩沖區(qū)約束的兩臺機器的流水車間調(diào)度問題的解法,但這一解法只能用于解決規(guī)模較小的問題。通過對大量文獻(xiàn)的分析,現(xiàn)有的調(diào)度算法以啟發(fā)式算法為主,與最優(yōu)化方法相比較,啟發(fā)式算法在調(diào)度效果和計算時間之間折中,能夠在較短的時間獲得近優(yōu)解或最優(yōu)解。近年來,禁忌搜索算法(TS)、遺傳算法(GA)等都得到了廣泛的應(yīng)用。
Papadimitriou和Kanellakis在1980年證明了有緩沖區(qū)限制的兩階段流水車間調(diào)度問題是NP完全問題,并給出了有緩沖區(qū)限制的兩階段流水車間調(diào)度與兩階段無等待流水車間調(diào)度makespan之間的關(guān)系: = 2b + 1 / b + 1。通過進(jìn)一步研究當(dāng)buffer = 1的情況,證明了與無緩沖區(qū)流水車間相比,完工時間可以減少1/3;同時證明了當(dāng)m ≥ 4且緩沖區(qū)為零時,該問題是NP完全的。Gupta在1988年針對多階段的混合流水車間得到了相似的結(jié)論。在20世紀(jì)90年代,Inder Khosla研究了兩階段混合流水車間問題,其中第一階段多機并行,第二階段只有一臺機器,兩階段間存在一個有限緩沖區(qū)。作者針對該問題建立了一個混合整數(shù)線性規(guī)劃模型,以最小化加權(quán)完工時間為目標(biāo)函數(shù),利用拉格朗日及拉格朗日松弛算法給出了問題的下界,并提出了基于優(yōu)先準(zhǔn)則的啟發(fā)式算法。
Leisten研究了目標(biāo)函數(shù)為最小化makespan的流水車間,將NEH等啟發(fā)式算法分別應(yīng)用在無緩沖區(qū)、無限緩沖區(qū)及有限緩沖區(qū)3種不同的情況,并進(jìn)行了系統(tǒng)地分析。實驗結(jié)果表明:對于有限緩沖區(qū)的置換流水車間,Nawaz,et al.提出的NEH算法是最好的啟發(fā)式算法之一。A.Benlogab則基于對平均工作流和調(diào)度過程甘特圖的分析,提出了一種新的啟發(fā)式算法。Pacciarelli等在1997年研究了有緩沖區(qū)限制的兩階段批處理流水車間調(diào)度問題,證明了該問題是NP難的,并提出當(dāng)批生產(chǎn)數(shù)量大于緩沖區(qū)限制時,目標(biāo)函數(shù)為最小化makespan的該問題將轉(zhuǎn)化為可用多項式時間解決的TSP問題。
2.1鄰域搜索算法
鄰域搜索算法在LBFSSP問題中得到了廣泛的應(yīng)用,主要集中在禁忌搜索算法、遺傳算法等。
2.1.1禁忌搜索算法
TS 是Glover提出的模擬智能過程的一種具有記憶功能的全局逐步優(yōu)化算法,對變動的排序在其可行解的所有空間中進(jìn)行搜尋,通過設(shè)置禁忌表,避免陷入局部最優(yōu)或重復(fù)過去的搜索,利用中、長期的存儲機制進(jìn)行強化和多樣化搜索。
CzesIaw在文獻(xiàn)[15]中針對兩階段的具有緩沖區(qū)限制的置換流水車間調(diào)度問題,提出了一種近似算法,該算法在禁忌搜索算法的基礎(chǔ)上減少了被搜索的鄰域,增加了在搜索軌跡上回跳的技術(shù),提高了搜索的速度。對LBFSS問題,Nowicki利用了問題中的結(jié)構(gòu)性質(zhì),結(jié)合了局部搜索和禁忌搜索策略,提出了一種在流水車間中常用的消除阻塞的方法,這些性質(zhì)應(yīng)用在分支限界算法以及以局部搜索為基礎(chǔ)的近似算法中,尤其是在禁忌搜索算法中得到應(yīng)用。Brucker,et al. 擴(kuò)展了Nowicki的想法,研究了不同加工順序的情況,并在禁忌搜索算法的鄰域構(gòu)造中結(jié)合了塊搜索方法。Norman提出了一種禁忌搜索算法,用以解決帶有啟動時間和有限緩沖區(qū)的置換流水車間。由于禁忌搜索算法在計算緩沖區(qū)的大小與給定的作業(yè)排序是否相適應(yīng)時所需要的時間較長,因此Wardono和 Fathi在研究多階段并行置換流水車間時,在第l階段利用矩陣( I X)來表示解,這樣可以覆蓋整個解空間,并加快搜索速度。
2.1.2遺傳算法
文獻(xiàn)[20]提出了一種多搜索模式遺傳算法,算法使用多個交叉和變異操作進(jìn)行解空間的探索和改良,并采用基于有向圖的鄰域結(jié)構(gòu)來增強局部搜索。文獻(xiàn)[21]提出了一種混合遺傳算法,同時考慮了多階段的遺傳操作和基于模型的鄰域結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[22]針對多級并行機問題設(shè)計了一種基于遺傳算法和模擬退火算法的混合求解算法,該算法采用混合交叉算子和變異算子的策略對選擇算子進(jìn)行了設(shè)計。
2.2其他理論和技術(shù)
近年來,一些新的算法被應(yīng)用在這一研究領(lǐng)域。文獻(xiàn)[23]針對隨機有限緩沖區(qū)流水線調(diào)度問題提出了混合差分進(jìn)化算法,其中差分進(jìn)化用于執(zhí)行全局搜索和局部搜索,最優(yōu)計算量分配用于對有限計算量進(jìn)行合理分配,從而保證優(yōu)質(zhì)解得到較多仿真計算量,并提高了在噪聲環(huán)境下獲得優(yōu)質(zhì)解的置信度。文獻(xiàn)[24]針對有限緩沖區(qū)流水線問題建立了數(shù)學(xué)模型,并利用文化算法和免疫算法相結(jié)合的混合進(jìn)化算法對其進(jìn)行求解,算法中將免疫算法納入文化算法的框架,組成基于免疫算法的群體空間和信念空間,兩空間具有各自群體并獨立并行演化。文獻(xiàn)[25]提出了一種混合蟻群算法用以解決有緩沖區(qū)限制的置換流水車間調(diào)度問題。
部分學(xué)者還研究了混合存儲策略。文獻(xiàn)[26]研究了含有混合中間存儲策略的模糊流水車間調(diào)度方法,考慮了無限中間產(chǎn)品存儲、有限中間產(chǎn)品存儲、無中間產(chǎn)品存儲3種策略同時存在的情況下對調(diào)度問題的影響,提出了一種基于模糊時間的含有混合中間存儲策略的流水車間調(diào)度模型,應(yīng)用雙倍體遺傳算法對該問題進(jìn)行優(yōu)化求解。文獻(xiàn)[27]將緩沖區(qū)的4種情況(無等待、無緩沖區(qū)、有限緩沖區(qū)、無限緩沖區(qū))在一個流水車間中進(jìn)行考慮,分析這4種情況共存的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢,通過借鑒NEH算法,提出了一種用以解決CBFSS問題的名為Liu–Kozan–BIH的兩階段混合啟發(fā)式算法。
3對合理設(shè)置緩沖區(qū)的研究
在生產(chǎn)過程中,添加緩沖區(qū)是為了避免因工件無處暫放而滯留在設(shè)備上,造成加工過程的阻塞。但是,緩沖區(qū)域過大會浪費企業(yè)的資源,增大加工成本。鄭大鐘等[28]對串行生產(chǎn)線提出了比較完善的緩沖器的設(shè)置理論和方法,討論了有限緩沖器容量的串行生產(chǎn)線的狀態(tài)變化的數(shù)學(xué)依據(jù)。這種理論和方法是在消除阻塞的前提下調(diào)節(jié)緩沖器的大小,使加工過程不停機同時占用的緩沖器資源最少。但是,加工車間的緩沖器就是設(shè)備旁邊的區(qū)域,其面積不能隨意更改,即使自動化的生產(chǎn)線也不能隨便增減緩沖器的大小。因此,國內(nèi)外的研究方向大都集中在如何合理設(shè)置緩沖區(qū)的大小上。文獻(xiàn)[29-31]研究了有限緩沖區(qū)的流水車間調(diào)度問題,并進(jìn)一步指出,緩沖區(qū)的大小影響著生產(chǎn)車間的績效,但是績效會隨著緩沖區(qū)規(guī)模的增加而迅速的下降。文獻(xiàn)[32]指出最小化緩沖區(qū)是NP完全問題。文獻(xiàn)[33]研究了每階段之間具有相同大小緩沖區(qū)的流水車間調(diào)度問題,并用NEH算法得到初始調(diào)度,再利用禁忌搜索進(jìn)行改進(jìn)。文獻(xiàn)[17]針對流水車間給出了與緩沖區(qū)大小相適應(yīng)的可行調(diào)度的個數(shù),并在此基礎(chǔ)上提出了一種禁忌搜索算法,且通過實驗證明了緩沖區(qū)的大小對算法的影響。
4存儲時間有限型緩沖區(qū)
與緩沖區(qū)空間受限相對應(yīng)的是存儲時間受限的緩沖區(qū)。實際上,在化工生產(chǎn)過程中,每一道生產(chǎn)工序產(chǎn)品的處理時間、設(shè)備清洗時間、原材料或者中間產(chǎn)品的裝載時間等會使得處理時間不確定或產(chǎn)品存儲時間有限。由于某些產(chǎn)品在加工過程中存在不穩(wěn)定性,所以在儲罐內(nèi)進(jìn)行存儲的時間達(dá)到某一有限值時,必須進(jìn)入下一單元進(jìn)行加工;如果下一單元正在加工產(chǎn)品,則必須考慮到延遲產(chǎn)品的開始加工時間。文獻(xiàn)[34]研究了具有優(yōu)先約束及緩沖區(qū)約束的兩臺機器流水車間調(diào)度問題。區(qū)別于以往對緩沖區(qū)的研究,文獻(xiàn)中緩沖區(qū)的約束是指對處理時間的限制。該文獻(xiàn)證明了此問題是強NP難的,并進(jìn)一步利用改進(jìn)的分支限界算法和NEH算法,給出了問題的4個下界和1個上界。文獻(xiàn)[35]基于模糊規(guī)劃理論,建立了有限型存儲時間的Flow Shop 調(diào)度模型,并結(jié)合改進(jìn)模擬退火方法進(jìn)行優(yōu)化求解。文獻(xiàn)[25]針對該問題提出了一種混合粒子群算法,首先在一種新編碼方案的基礎(chǔ)上開發(fā)了隨機密鑰,然后以NEH算法為基礎(chǔ)獲得具有一定質(zhì)量和多樣性的初始種群,并設(shè)計了消除阻塞的局部搜索策略。
5問題討論與展望
具有緩沖區(qū)限制的流水車間廣泛存在,對其調(diào)度問題的研究具有重要的理論和實際意義,從上面的綜述可以看出:
(1) 現(xiàn)有算法中較少應(yīng)用最優(yōu)化算法,盡管啟發(fā)式算法存在著計算時間方面的優(yōu)勢,但也存在著缺點:有時近優(yōu)解不能令人滿意,與實際應(yīng)用還相距較遠(yuǎn)。因此,對混合算法的研究成為了一種趨勢。
(2) 緩沖區(qū)的大小對目標(biāo)函數(shù)及算法的設(shè)計存在著很大的影響,目前大部分結(jié)論都是通過實驗數(shù)據(jù)得到的,缺乏更多的理論基礎(chǔ),如何合理設(shè)置緩沖區(qū)需要進(jìn)一步的研究。
(3) 在實際生產(chǎn)中,由于機器故障、緊急訂單等原因,使得生產(chǎn)處于動態(tài)環(huán)境中。因此,如何在系統(tǒng)受到擾動后,盡快重新安排生產(chǎn),顯得尤為重要。
主要參考文獻(xiàn)
[1] Smutnicki C. Block Approach for Flow-Shop Scheduling with Storage Constraints[J]. Zeszyty Naukowe Politechniki Slaskiej Ser Automatyka,1986,84(2):23-33.
[2] Smutnicki C.A Two-Machine Permutation Flow-Shop Scheduling with Buffers[J]. OR Spectrum,1998,20(4):229-235.
[3] Nowicki E. The Permutation FlowShop with Buffers:A Tabu Search Approach[J]. European Journal of Operational Research,1999,116(20):5-19.
[4] Shaohua LI, Lixin TANG. A Tabu Search Algorithm Based on New Block Properties and Speed-up Method for Permutation Flow-Shop with Finite Intermediate Storage[J]. Journal of Intelligent Manufacturing,2005,16(4/5):463-477.
[5] Dutta S K, Cunningham A A. Sequencing Two-Machine Flow-Shops with Finite Intermediate Storage[J]. Management Science, 1975, 21(9):989-996.
[6] Reddi S S. Note——Sequencing with Finite Intermediate Storage[J]. Management Science,1976, 23(2):216-217.
[7] Papadimitriou C H, Kanellakis P C. Flow Shop Scheduling with Limited Temporary Storage[J]. Journal of Association of Computing Machinery, 1980, 27(3).
[8] Gupta J N D. Two-Stage, Hybrid Flowshop Scheduling Problem[J]. Journal of the Operational Research Society, 1988,39(4):359-364.
[9] Inder Kholsa. The Scheduling Problem Where Multiple Machines Compete for a Common Local Buffer[J]. European Journal of Operational Research, 1995,84(2):330-342.
[10] Leisten R. Flow Shop Sequencing Problems with Limited Buffer Storage[J]. International Journal of Production Research,1990,28(11): 2085-2100.
[11] Nawaz M,Enscore E,Ham I. A Heuristic Algorithm for the m-Machine,n-Job Flow-shop Sequencing Problem[J].Omega, 1983,11(1):91-95.
[12] A Benlogab, B Descotes. Sequencing Flow Shops with Arbitrary Intermediate Storage[C]. Proceedings of IEEE Inter-national Symposlum on Intelligent Control,1994,196-200.
[13] A Agnetis, D Pacciarelli, F Rossi. Batch Scheduling in a Two-Machine Flow Shop with Limited Buffer[J]. Discrete Applied Mathematics, 1997,72(3):243-260.
[14] Glover F. Tabu Search Part Ⅰ[J]. ORSA Journal on Computing,1989, 1(3):190-206 .
[15] CzesIaw Smutnicki. A Two-Machine Permutation Flow Shop Scheduling Problem with Buffers[J]. OR Spektrum,1998,20(4):229-235.
[16] Nowicki E. The Permutation Flow Shop with Buffers: A Tabu Search Approach[J]. European Journal of Operational Research, 1999,116(1):205-219.
[17] Brucker P, Heitmann S, Hurink J. Flow-Shop Problems with Intermediate Buffers[J]. OR Spectrum,2003,25(4):549-574.
[18] Norman B A. Scheduling Flow Shops with Finite Buffers and Sequence-Dependent Setup Times[J]. Computers and Industrial Engineering, 1999,36(1):163-177.
[19] Wardono B, Fathi Y. A Tabu Search Algorithm for the Multi-Stage Parallel Machine Problem with Limited Buffer Capacities[J]. European Journal of Operational Research, 2004;155(2):380-401.
[20] 王凌,張亮. 有限緩沖區(qū)流水線調(diào)度的多搜索模式遺傳算法[J]. 計算機集成制造系統(tǒng),2005,11(7):1041- 1046.
[21] Wang L, Zhang L, Zheng D Z. An Effective Hybrid Genetical Gorithm For Flow Shop Scheduling with Limited Buffers[J]. Computer and Operations Research, 2006,33(10):2960-2971.
[22] 王炳剛,饒運清,等. 帶有限中間緩沖區(qū)的多級并行機問題的求解[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2009,37(5):86-89.
[23] 胡蓉,錢斌. 一種求解隨機有限緩沖區(qū)流水線調(diào)度的混合差分進(jìn)化算法[J]. 自動化學(xué)報, 2009,35(12):1580-1586.
[24] 曹俊杰,侍洪波. 基于混合進(jìn)化算法的有限緩沖區(qū)流水線調(diào)度[J]. 中南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2009(z1).
[25] Bo Liu, Ling Wang, Yi-Hui Jin. An Effective Hybrid PSO-Based Algorithm for Flow Shop Scheduling with Limited Buffers[J]. Computers and Operations Research, 2008,35(9):2791-2806.
[26] 王萬良,宋璐,等. 含有混合中間存儲策略的模糊流水車間調(diào)度方法[J]. 計算機集成制造系統(tǒng), 2006(12):2067-2073.
[27] ShiQiang Liu, Erhan Kozan. Scheduling a Flow Shop with Combined Buffer Conditions[J]. International Journal of Production Economics, 2009, 117(2):371-380.
[28] 鄭大鐘, 趙千川. 離散事件動態(tài)系統(tǒng)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社, 2001:168-188.
[29] R Conway, W Maxwell,et al. The Role of Work-In-Press Inventory in Serial Production Lines[J]. Operations Research,1988,36(2):229-241.
[30] F S Hillier, K C So. On the Simultaneous Optimization of Server and Work Allocations in Production Line Systems with Variable Processing Times. Operations Research, 1996,44(3): 435-443.
[31] G A Vouros, H T Papadopoulos. Buffer Allocation in Unreliable Production Lines Using a Knowledge Based System[J].Computers and Operations Research, 1998,25(12):1055-1067.
[32] Li Ming. Determination of Optimal Buffer Sizes in Static Buffer Management[C]. Proceedings of IEEE Region 10 Conference on Computer,Communication,Control and Power,1993:479-486.
[33] Michael X Weng. Simulation in Production Scheduling : Scheduling Flow-Shops with Limited Buffer Spaces[C]. Procedings of the 2000 Winter Simulation Conference,2000,Vol.2:1359-1363.
[34] Feng-Cheng Lina, Jen-Shin Hong, Bertrand M T Lin. A Two-Machine Flow Shop Problem with Processing Time-Dependent Buffer Constraints-An Application in Multimedia Presentations[J]. Computers and Operations Research, 2009, 36(4):1158–1175.
[35] 鄭璐, 顧幸生.不確定條件下的含存儲時間有限的Flow Shop生產(chǎn)調(diào)度[J]. 系統(tǒng)工程理論方法應(yīng)用, 2003, 12(1):91-96.