基于混合TLBO算法的车间调度与设备维护集成优化

摘要

柔性作业车间调度问题（Flexible job shop scheduling problem，FJSP）是在实际制造生产中广泛存在的一类问题。合理的生产调度计划可有效提高车间的生产效率，缩短制造周期，降低生产总成本。然而，在现在许多柔性作业车间调度问题的研究中，车间的设备的役龄被看作是无穷大，设备不存在故障，被看作一直可用，没有考虑设备维护和维修的环节。
　　设备预防性维护（Preventive maintenance，PM）是确保高生产效率、降低设备重大故障风险的必要方法。为保证生产计划的顺利实施，综合考虑设备预防性维护对生产周期和生产任务等的重大影响，实施科学、有效的预防性维护策略对生产调度尤为必要。因此，本文对设备预防性维护与柔性作业车间调度集成优化进行研究。
　　首先，针对实际制造车间生产环境下，每台机器在调度过程中均有固定的一个或者多个维护时间窗，所有机器均要在时间窗内进行预防性维护，建立了考虑维护时间窗的柔性作业车间调度优化模型，以最小化最大完工时间为目标，将“教与学”优化算法（teaching-learning-based optimization,TLBO）与模拟退火算法（Simulated Annealing，SA）有机混合，使混合算法在分散搜索和集中搜索之间达到合理的平衡。通过对基准实例以及本文具体实例的测试，并与其他算法的结果进行比较，显示提出的混合TLBO算法针对本文模型求解性能的优越性。
　　然后，根据实际制造车间生产环境，建立了基于维护时间窗的柔性作业车间设备预防性维护与调度集成优化的数学模型，以减少最大完工时间、设备总工作量和调度总成本为目标；提出一种多目标混合“教与学”优化算法进行该模型的求解，设计了相应的编码、解码以及多目标混合“教与学”优化算法的流程，并采用改进加权TOPSIS方法在获得的Pareto解集中选择满意解，以达到提高设备的可靠性、按期交货和节省成本的目的。最后通过具体实例验证提出策略的可行性和有效性。
　　最后，研究基于可靠度约束的柔性作业车间调度和设备预防性维护集成优化的多目标优化问题，加入可靠度的约束，建立了柔性作业车间调度和预防性维护的集成优化模型。根据机器在调度过程中的可靠度的变化情况，动态地安排预防性维护，来保证机器的可靠度，降低故障发生率。以最大完工时间、生产能耗以及设备平均总维护能耗最小化为目标。运用提前-延后平衡法处理 PM和工序加工出现冲突的情况，来最大限度地降低PM过程的平均能耗。针对具体实例进行测试，获得满意解的甘特图。
　　在最后一章，本文给出研究工作总结和下一步的工作展望。

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英文摘要

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1 绪论

1.1课题概述

1.2车间调度与预防性维护集成优化的研究现状

1.3 “教与学”优化算法研究现状及综述

1.4论文主要工作与框架

2 基于维护时间窗的柔性作业车间调度优化

2.1考虑维护时间窗的柔性作业车间调度优化模型

2.2混合“TLBO”算法求解考虑维护时间窗的柔性作业车间调度问题

2.3实验结果与分析

2.4本章小结

3 柔性作业车间调度与预防性维护集成优化

3.1设备维护综述

3.2问题描述

3.3多目标TLBO算法

3.4实例结果与分析

3.5本章小结

4 考虑可靠度约束的柔性作业车间调度和预防性维护集

4.1多单元提前-延后平衡的方法安排PM

4.2问题描述

4.3实例测试与分析

4.4本章小结

5 总结与展望

5.1全文总结

5.2工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文目录