劉庭宇, 葉春明, 趙靈瑋, 郭 靜
(上海理工大學(xué) 管理學(xué)院,上海 200093)
隨著社會生產(chǎn)水平的提高,能源消耗加劇,能源問題成為社會面臨的一大問題。《中國制造2025》中指出,全面推行綠色制造,實(shí)施綠色制造工程,并將之列入九大戰(zhàn)略任務(wù)和五大重大工程[1]。據(jù)研究,工業(yè)生產(chǎn)能耗占全球能源消耗總量的一半左右[2]。薄膜晶體管液晶顯示器(thin-film transistorliquid crystal display,TFT-LCD)具有適用范圍廣、環(huán)保特性好、制造成本低、發(fā)展?jié)摿薮蟮忍攸c(diǎn),一般用在監(jiān)視器、顯示器、計算機(jī)屏幕、手機(jī)屏幕等顯示領(lǐng)域。TFT-LCD 產(chǎn)品生產(chǎn)流程復(fù)雜,生產(chǎn)規(guī)模大,加工周期長,制造過程中消耗大量能源。TFT-LCD 工廠中75%的能耗由電力消耗產(chǎn)生,電力消耗中45%~50%的能耗由生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)生[3]。因此,生產(chǎn)調(diào)度作為TFT-LCD 制造過程中的一大環(huán)節(jié),對能耗有著舉足輕重的影響。
目前,TFT-LCD 生產(chǎn)過程的研究方向主要包含生產(chǎn)設(shè)備布局[4]、需求預(yù)測[5]、存貨管理[6]、生產(chǎn)調(diào)度等。在面板成盒(cell)階段,Lin 等[7]考慮了批量釋放時間和調(diào)度規(guī)則的影響,并提出了批量釋放時間和最大時間不匹配的啟發(fā)式算法,使cell 階段生產(chǎn)時間縮短。Tai 等[8]提出了一種混合整數(shù)規(guī)劃模型來求解具有最大等待時間和不等準(zhǔn)備時間的液晶注入調(diào)度問題,該問題被看成并行機(jī)批加工調(diào)度問題,目標(biāo)是最大等待時間限制的條件下使總機(jī)器工作量最小。徐峰等[9]以最大完工時間及拖期為目標(biāo),提出用不同的遺傳策略和解碼算法兩兩組合對cell 階段進(jìn)行求解,實(shí)驗(yàn)表明,精英保留和貪婪解碼相結(jié)合的遺傳算法取得的效果最好。吳思思等[10]以最大完成時間、機(jī)器等待時間和拖期為目標(biāo)函數(shù),運(yùn)用布谷鳥搜索算法,解決同時具有學(xué)習(xí)遺忘效應(yīng)的TFT-LCD 面板成盒多目標(biāo)調(diào)度問題,并研究了不同學(xué)習(xí)率和退化因子對調(diào)度結(jié)果的影響。
車間綠色調(diào)度通過對資源的合理分配和優(yōu)化工件排序,以達(dá)到增效、節(jié)能、減排、降耗的目的,提高經(jīng)濟(jì)效益的同時實(shí)現(xiàn)制造過程的綠色化[11]。在車間綠色調(diào)度方面,對于不同的問題,研究者給出不同的模型和多種指標(biāo)的計算方式。針對流水線調(diào)度問題,F(xiàn)ang 等[12]提出了一種新的數(shù)學(xué)方法,除了考慮作業(yè)的處理順序外,還考慮將運(yùn)行速度作為自變量,通過改變運(yùn)行速度影響峰值負(fù)載和能量消耗??琢盏萚13]提出了一種自適應(yīng)的交叉、變異和優(yōu)勢保留策略的遺傳算法,以最大完工時間、能耗和成本優(yōu)化為目標(biāo),驗(yàn)證了算法的有效性,并提出了高效、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、綜合4 種生產(chǎn)調(diào)度模式。劉清濤等[14]建立了以最大完工時間和生產(chǎn)成本為競爭性指標(biāo)的調(diào)度模型及以資源和環(huán)境為可持續(xù)性指標(biāo)的評價模型,并使用改進(jìn)的遺傳算法求解,該改進(jìn)算法能夠在保證生產(chǎn)效益的前提下,使生產(chǎn)過程的資源消耗和對環(huán)境的影響更小。艾子義等[15]提出了一種結(jié)合記憶和全局交換的新型鄰域搜索(NSMG)算法,用來解決混合流水車間綠色調(diào)度問題。Dai 等[16]以最大完工時間和能耗為目標(biāo),提出一種改進(jìn)的遺傳模擬退火算法,結(jié)果發(fā)現(xiàn),最大完工時間和能耗之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。針對并行機(jī)調(diào)度問題,Li 等[17]提出了一種高效的啟發(fā)式算法,建立了以能源成本和清理成本之和為約束條件,以最小化最大完工時間為目標(biāo)的模型,通過實(shí)驗(yàn)計算表明,該算法在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)良好。Wang 等[18]針對兩階段的并行機(jī)調(diào)度問題,在考慮經(jīng)濟(jì)因素和環(huán)境因素的基礎(chǔ)上,建立了以最大完成時間為目標(biāo)的模型,并使用遺傳算法來解決該問題。
由上可以看出綠色調(diào)度問題有很多學(xué)者研究,但是在TFT-LCD 制造cell 階段調(diào)度問題上,無論是單目標(biāo)調(diào)度還是多目標(biāo)調(diào)度,大多數(shù)研究只考慮了經(jīng)濟(jì)效益,而很少有研究考慮對能耗的影響。因此,本文將構(gòu)建以最大完工時間、能耗、生產(chǎn)成本為指標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型,研究TFT-LCD 制造cell 階段多目標(biāo)綠色調(diào)度問題,并設(shè)計一種改進(jìn)布谷鳥搜索算法對模型進(jìn)行求解,并構(gòu)建Pareto 最優(yōu)解集。
TFT-LCD 主要包括陣列制造(array)、彩色濾光膜(C/F)制造、面板成盒(cell)和模塊組裝(module)這4 個階段的生產(chǎn)流程。array 階段主要負(fù)責(zé)加工TFT 玻璃基板,在實(shí)際生產(chǎn)流程中,彩色濾光膜一般從外部工廠直接購入,cell 階段主要負(fù)責(zé)把加工好的同等規(guī)格TFT 玻璃基板和彩色濾光膜對位粘合,切割成面板后,注入液晶并粘附偏振片,module 階段主要根據(jù)顧客的要求對成品進(jìn)行組裝。
在TFT-LCD 制造cell 階段中,玻璃基板(或盒式)被大量運(yùn)輸,盒式由24 片玻璃基板組成。根據(jù)玻璃基板的大小,每片玻璃基板包括4 個或6 個LCD 面板單元。大量TFT 玻璃基板和彩色濾光膜分別經(jīng)過聚酰亞胺(PI) 涂覆和摩擦等工序,然后粘合在一起,經(jīng)過熱加工,切割成面板,最后密封并進(jìn)行測試。粘合之前屬于第一個階段,粘合及之后屬于第二個階段,cell 階段的最終產(chǎn)品被稱為LCD 面板。TFT-LCD 制造cell 階段可以看成非等效并行機(jī)的混合流水裝配作業(yè)問題,求解難度較大,cell 階段生產(chǎn)流程如圖1 所示。
圖1 TFT-LCD 制造cell 階段生產(chǎn)流程Fig.1 Production process in the cell stage of TFT-LCD manufacturing
cell 階段調(diào)度是在滿足限制條件的基礎(chǔ)上,把不同類型的零件合理地分配給不同加工工序的不同機(jī)器,即在限制條件下安排最佳的生產(chǎn)排序,使得各目標(biāo)達(dá)到滿意的結(jié)果。另外,還需滿足以下假設(shè):
a. 任一時刻,每臺機(jī)器只能加工一批工件(在裝配工序中,零件A 和零件B 合成一批工件C);
b. 任一時刻,一批工件只能在一臺機(jī)器上加工;
c. 各工序一旦開始,生產(chǎn)過程不能被打斷;
d. 每批零件的加工路徑事先確定;
e. 任一工序,每批工件的加工時間由機(jī)器性能和工件類型所決定。
基本變量描述如下:n 代表工件類型總數(shù)(i=1,2,···,n);N 代表零件A,B 及裝配后的工件總批數(shù);Jr和Jr*代表第r 和第r*批零件或工件(r=1,2,···,N),其中,r 代表零件A,r*代表零件B;Oj代表工件第j 道工序(j=1,2,···,a,a+1,···,b,b+1,···,c),其中j=1,2,···,a代表A 零件批的加工工序,j=a+1,···,b代表B 零件批的加工工序,j=b+1,···,c代表裝配后的工序;m 代表當(dāng)前工序下的第m 臺機(jī)器(m=1,2,···,M);trjm代表第r 批工件第j 道工序在第m 臺機(jī)器上的開始加工時間;Prjm代表第r 批工件第j 道工序在第m 臺機(jī)器上的加工時間;Drjm代表第r 批工件第j 道工序在第m 臺機(jī)器上的結(jié)束加工時間;Ujm代表第j 道工序第m 臺機(jī)器上的單位機(jī)床使用成本;Wjm代表第j 道工序第m 臺機(jī)器上的單位加工能耗;ljm代表第j 道工序第m 臺機(jī)器上的單位空載能耗;Sij代表工序Oj不同類產(chǎn)品之間所需轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)備時間。
綠色調(diào)度應(yīng)當(dāng)綜合考慮時間、能耗和成本等多個目標(biāo)。生產(chǎn)時間包括機(jī)器加工時間和等待時間;生產(chǎn)能耗包括機(jī)器加工能耗和空載能耗;生產(chǎn)成本包括生產(chǎn)能耗成本和機(jī)床使用成本[13]。因此,本文設(shè)置了3 個以最小化為優(yōu)化方向的目標(biāo)函數(shù):最大完工時間Tmax、總能耗Etotal和總生產(chǎn)成本Ctotal。以下為多目標(biāo)綠色調(diào)度模型。
目標(biāo)函數(shù)
約束條件
式中,Xrjm與Yjrr'm為決策變量,Z1和Z2為無窮大正數(shù)。式(1)中,Tmax代表最大完工時間;式(2)中,Etotal表示加工能耗和空載能耗之和;式(3)中,根據(jù)我國工業(yè)電價情況取單位能耗成本為0.75 元/(kW·h)[13],總生產(chǎn)成本Ctotal為能耗成本和機(jī)床使用成本之和;式(4)中,當(dāng)Xrjm=1 時,說明第r 批工件第j 道工序在第m 臺機(jī)器上加工,否則為0;式(5)中,當(dāng)Yjrr'm=1 時,說明在第j 道工序上,Jr先于Jr'在第m 臺機(jī)器上加工,否則為0;式(6)表示在任一時間,一批工件至多在一道工序的一臺機(jī)器上加工;式(7)表示在任一時間,一臺機(jī)器最多加工一批工件;式(8)表示任何一批工件在任一工序任一機(jī)器加工時,都具有相對應(yīng)的開始加工時間;式(9)表示必須按照事先確定的加工路徑對工件進(jìn)行加工;式(10)表示第r 批工件第j 道工序在第m 臺機(jī)器上加工完成后不能超過最大完工時間;式(11)表示一臺機(jī)器前后兩批工件的開始加工時間約束;式(12)、(13)、(14)表示一臺機(jī)器加工工序關(guān)系約束;式(15)、(16)表示裝配工序時,零件A 和零件B 合成一批工件C。
布谷鳥搜索算法(cuckoo search,CS)是Yang等[19]在2009 年提出的一種啟發(fā)式搜索算法。該算法的靈感來自布谷鳥的繁殖策略。為了解決多維空間尋優(yōu)問題,在模仿布谷鳥尋找鳥巢的過程中,需要滿足以下3 點(diǎn)規(guī)則:a. 每只布谷鳥隨機(jī)尋找鳥巢,并且一次至多能下一只蛋;b. 每次尋找到的最好的鳥巢保留下來,直至找到更好的鳥巢對其進(jìn)行代替;c. 布谷鳥蛋被宿主察覺的幾率為[0,1],被察覺后,布谷鳥需要尋找新的鳥巢。在上述3 條規(guī)則的假設(shè)下,得到布谷鳥尋巢路徑和位置如下式
但標(biāo)準(zhǔn)CS 算法步長因子為固定數(shù)值,若步長因子設(shè)置較大,雖然收斂速度較快,但易錯過最優(yōu)解;若步長因子設(shè)置較小,會使收斂速度變慢,并且易陷入局部最優(yōu)解?;诖耍疚脑O(shè)計一種改進(jìn)布谷鳥搜索算法(improved cuckoo search,ICS),在步長因子α0前加入動態(tài)系數(shù)β0,如下式
式中:T_max 表示最大迭代次數(shù),Times 表示當(dāng)前迭代次數(shù)。由式(19)可以看出,當(dāng)前迭代次數(shù)較小時,動態(tài)系數(shù)β0較大,有利于在搜索前期更快地找到優(yōu)質(zhì)解所在的區(qū)域,隨著迭代次數(shù)的增加,解的質(zhì)量慢慢提高,動態(tài)系數(shù)β0慢慢減小,有利于縮小搜索范圍,加強(qiáng)對當(dāng)前周邊區(qū)域的搜索。由此,改進(jìn)的布谷鳥尋巢路徑和位置如式(20)所示。
本文建立的多目標(biāo)綠色調(diào)度模型有3 個目標(biāo)需要優(yōu)化,并且各個目標(biāo)之間存在沖突,無法同時達(dá)到最優(yōu)。
解決多目標(biāo)問題的處理方法一般分為兩種。一種是線性加權(quán)法,即給每個目標(biāo)設(shè)置權(quán)重,目標(biāo)的結(jié)果線性相加,把多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)問題求解。該方法雖然降低了多目標(biāo)優(yōu)化問題的求解難度,加快了求解速度,但是人為設(shè)置權(quán)重,無法保證權(quán)重的設(shè)置具有科學(xué)性,而且最終結(jié)果十分依賴于各個目標(biāo)的權(quán)重,無法滿足所有人的要求。另一種是構(gòu)建Pareto 最優(yōu)解集,該方法可以使各個目標(biāo)值盡可能地接近單個目標(biāo)的最優(yōu)解,并且不會遺漏各個目標(biāo)最優(yōu)化的情況。因此,本文選擇構(gòu)建Pareto 最優(yōu)解集來解決多目標(biāo)問題。
Pareto 最優(yōu)解集描述如下:在解集K 中,對于解x、y,若解x 至少存在一個目標(biāo)函數(shù)值優(yōu)于解y,且其余目標(biāo)函數(shù)值不劣于解y,則稱x 支配y,記作x ?y;若解集K 中不存在任一解有一個目標(biāo)函數(shù)值優(yōu)于解x,且其余目標(biāo)函數(shù)值不劣于解x,則稱解x 為Pareto 最優(yōu)解集中的一個解。
本文結(jié)合雙元錦標(biāo)賽和動態(tài)淘汰制兩種方法構(gòu)建Pareto 最優(yōu)解集。實(shí)現(xiàn)過程如下:選擇解集K 中的一個解x,將其與剩余解進(jìn)行比較,若存在解支配x,則直接把解x 從解集K 中刪除;若存在解被x 支配,則把該解從解集K 中刪除;若剩余解皆不支配x,則把解x 加進(jìn)Pareto 最優(yōu)解集中;重復(fù)這一步驟,直至解集K 中不存在任何一個解。如果Pareto 最優(yōu)解集大于規(guī)定值N,那么使用聚集距離篩選Pareto 最優(yōu)解。如果已存在上代Pareto 最優(yōu)解集,則需將兩代Pareto 最優(yōu)解集合并,繼續(xù)進(jìn)行比較。
布谷鳥搜索算法通過不斷跳躍形成隨機(jī)游走過程,該過程服從具有重尾的步長分布。萊維飛行適合于探索性大規(guī)模搜索,而改進(jìn)后的布谷鳥搜索算法在搜索后期加強(qiáng)了搜索深度,使其更易尋得最優(yōu)解。在結(jié)合了雙元錦標(biāo)賽和動態(tài)淘汰制兩種方法之后,算法的求解步驟如下:
a. 參數(shù)初始化。設(shè)置布谷鳥種群規(guī)模n;最大進(jìn)化代數(shù)T_max;被宿主發(fā)現(xiàn)的概率pa;Pareto 解的個數(shù)N。
b. 種群初始化并隨機(jī)選取N 個鳥巢位置。
c. 計算鳥巢位置所對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值,構(gòu)建初始Pareto 最優(yōu)解集。
d. 根據(jù)式(20)得到下一代鳥巢位置,并計算其目標(biāo)函數(shù)值。
e. 每個新鳥巢隨機(jī)產(chǎn)生一個R,如果R 大于被宿主發(fā)現(xiàn)的概率pa,返回步驟d,否則,進(jìn)入步驟f。
f. 比較兩代鳥巢目標(biāo)函數(shù)值,構(gòu)建新Pareto 最優(yōu)解集,如果Pareto 最優(yōu)解集大于N,那么使用聚集距離篩選Pareto 最優(yōu)解。
g. 若達(dá)到最大進(jìn)化代數(shù)T_max,輸出最終的Pareto 最優(yōu)解集,否則,回到步驟d。
改進(jìn)的布谷鳥搜索算法流程如圖2 所示。
圖2 改進(jìn)布谷鳥搜索算法流程圖Fig.2 Flow chart of the improved cuckoo search algorithm
TFT-LCD 制造cell 階段調(diào)度需要考慮當(dāng)前工件工序機(jī)器選擇和工件前后加工順序兩個方面,為此,本文設(shè)計一種同時考慮當(dāng)前工件工序機(jī)器選擇和工件前后加工順序的兩段式編碼方式,如圖3 所示。
圖3 兩段式編碼方式Fig.3 Two-segment coding
在圖3 中,假設(shè)有3 臺機(jī)器:m1,m2,m3,4 個工件:J1,J2,J3,J4,每個工件各有兩道工序。在機(jī)器編碼中,J1 需要先后經(jīng)過{m1,m2},J2 需要先后經(jīng)過{m2,m3},J3 需要先后經(jīng)過{m3,m2},J4 需要先后經(jīng)過{m3,m2},該編碼確定工件工序機(jī)器選擇。在工件編碼中:上行數(shù)字表示工件,排列順序代表工件前后加工順序,出現(xiàn)頻次代表工序;下行代表使用布谷鳥搜索算法尋找的數(shù)字,按升序排列,該編碼確定工件的前后加工順序,兩段編碼確保所求解可行。
機(jī)器加工時間不只與工件類型有關(guān),也與機(jī)器本身性能有關(guān),基于此,選取文獻(xiàn)[10]中的測試實(shí)例,產(chǎn)品類型及批量數(shù)如表1 所示,工序機(jī)器數(shù)如表2 所示,不同類型工件在各工序之間轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)備時間如表3 所示,不同工件工序在機(jī)器上的加工時間如表4 所示。需要增加能耗信息和生產(chǎn)成本信息,第j 道工序第m 臺機(jī)器上的單位加工能耗Wjm∈[9,30]kW/h,第j 道工序第m 臺機(jī)器上的單位空載能耗ljm∈[1,5]kW/h,第j 道工序第m 臺機(jī)器上的單位機(jī)床使用成本Ujm∈ [0.5,3]元/min。
表1 產(chǎn)品類型及批量數(shù)Tab.1 Product type and batch number
表2 工序機(jī)器數(shù)Tab.2 Number of process machines
表3 不同類型工件之間轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)備時間Tab.3 Readiness time for the conversion between different types of work piecesmin
表4 工序?qū)?yīng)機(jī)器加工時間Tab.4 Machine processing time corresponding to operationmin
改進(jìn)布谷鳥搜索算法參數(shù)設(shè)計如下:種群規(guī)模為50,迭代次數(shù)100 次,步長因子為0.1,Pareto解的個數(shù)為10。為了驗(yàn)證改進(jìn)布谷鳥搜索算法在TFT-LCD 制造cell 階段多目標(biāo)綠色調(diào)度問題上的優(yōu)越性,本文使用布谷鳥搜索算法和Deb 等[20]提出的帶精英策略的快速非支配排序遺傳算法(NSGA-II)作為對比算法。布谷鳥搜索算法參數(shù)設(shè)置與改進(jìn)布谷鳥搜索算法一致,NSGA-II 算法設(shè)置初始種群規(guī)模為50,迭代次數(shù)100 次,選擇概率為0.9,交叉率為0.8,變異率為0.1。為了更好地與改進(jìn)布谷鳥搜索算法進(jìn)行比較,構(gòu)建Pareto最優(yōu)解集使用本文提到的方法。
上述3 種算法的運(yùn)行環(huán)境:操作系統(tǒng)為Window10,處理器為Intel(R) Core(TM) i5-3210M,主頻為2.50 GHz,內(nèi)存為6 GB,編程環(huán)境為Matlab R2018a。
首先對比改進(jìn)布谷鳥搜索算法和布谷鳥搜索算法,對兩種算法的收斂過程進(jìn)行觀察,圖4 是兩種算法的收斂過程比較圖。從圖4 可以看出,第1 代種群因?yàn)槭请S機(jī)產(chǎn)生,所以兩者區(qū)別較?。坏?0 代種群,改進(jìn)布谷鳥搜索算法因?yàn)樵谒阉髑捌诩哟罅瞬介L因子,所以收斂速度明顯快于布谷鳥搜索算法;第100 代種群,改進(jìn)布谷鳥搜索算法因?yàn)樵谒阉骱笃诩由盍怂阉魃疃?,所以結(jié)果要好于布谷鳥搜索算法。
圖4 收斂過程比較圖Fig. 4 Convergence process comparison graph
為了更好地觀察改進(jìn)布谷鳥搜索算法,令I(lǐng)CS,CS,NSGA-II 3 種算法分別運(yùn)行10 次,對10次運(yùn)行的結(jié)果分別取平均值和最小值,得到表5,為了方便觀察,所得數(shù)據(jù)全部取整。從表5 可以看出,ICS 算法相比于CS 算法,平均最大完工時間減少0.22%,平均總能耗減少1.87%,平均總生產(chǎn)成本減少2.07%,最小最大完工時間減少1.03%,最小總能耗減少1.58%,最小總生產(chǎn)成本減少1.67%;而ICS 算法相比于NSGA-II 算法,平均最大完工時間增加3.72%,平均總能耗減少4.18%,平均總生產(chǎn)成本減少8.85%,最小最大完工時間減少8.33%,最小總能耗減少5.72%,最小總生產(chǎn)成本減少11.05%??梢钥闯觯琁CS 算法除了在平均最大完工時間上的數(shù)值略大于NSGA-II算法,其他各項(xiàng)均優(yōu)于CS 和NSGA-II 兩種算法。
表5 ICS,CS,NSGA-II 運(yùn)行結(jié)果的平均值和最小值Tab.5 Average and minimum results of ICS, CS, NSGA-II operation
綜上所述,在求解TFT-LCD 制造cell 階段多目標(biāo)綠色調(diào)度問題上,本文提出的ICS 算法相比于CS 算法和NSGA-II 算法更加有效。
本文面向TFT-LCD 制造cell 階段綠色調(diào)度問題,建立了以最大完工時間、總能耗、總生產(chǎn)成本為目標(biāo)的優(yōu)化模型,并設(shè)計了一種改進(jìn)的布谷鳥搜索算法來求解該模型?;跈C(jī)器和工序的兩段式編碼,保證了解的可行性,ICS 算法通過在步長因子前加入動態(tài)系數(shù),使其在搜索前期可以更快速地找到優(yōu)質(zhì)解的區(qū)域。在搜索后期,縮小搜索范圍,加強(qiáng)對優(yōu)質(zhì)解附近區(qū)域進(jìn)行搜索,提高了算法的求解效率。構(gòu)建的Pareto 最優(yōu)解集結(jié)合雙元錦標(biāo)賽和動態(tài)淘汰制兩種方法,保障了所求解的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)分析表明,在求解TFT-LCD 制造cell 階段綠色調(diào)度問題上,ICS 算法要比CS 算法和NSGA-II 算法更加有效。但是,本文所解決的調(diào)度問題比較單一,后續(xù)作者會使用改進(jìn)布谷鳥搜索算法來解決其他調(diào)度問題,如柔性屏制造調(diào)度等,更好地測試和驗(yàn)證該算法。