專利名稱：一種基于遺傳算法的曲面分段場地布局調(diào)度方法
技術領域：
本發(fā)明涉及制造技術領域，特別涉及一種基于遺傳算法的曲面分段場地布局調(diào)度方法。
背景技術：
在大型制造行業(yè)(如船舶建造與飛機制造)的制造過程，需要將整體分為一個個大小不一、形狀復雜的分段來進行建造，且很多分段往往十分的沉重并且占用很大的場地面積。因此為了建造體積和質量都很大的分段，其建造場地需投入很多昂貴且重要的設備和材料(如大型吊車，物料托盤，胎架等)。由于場地建造的成本很高，分段占用場地的時間周 期長、面積大，所以場地往往是制約船舶建造效率的瓶頸。在船舶曲面分段調(diào)度的過程中，調(diào)度的核心資源就是場地，而不同于傳統(tǒng)的機加生產(chǎn)調(diào)度主要考慮人員和設備。船舶的建造是大量分段的焊接裝配過程，其中分段按照幾何形狀進行分類包括平直分段和曲面分段。其中曲面分段主要是由船舶艏部和艉部的組件，具有復雜的幾何形狀。復雜的幾何圖形在場地內(nèi)的組合也是多種多樣的，單純的依靠調(diào)度人員的個人經(jīng)驗進行分段場地的空間布局是很難達到比較優(yōu)化的場地布局。但是船舶曲面分段的空間布局又不同于一般套料算法的空間調(diào)度。一方面由于船舶曲面分段的建造過程場地利用是一個隨著時間軸動態(tài)變化的一個過程，套料算法只能實現(xiàn)一個固定空間占用布局。另一方面，船舶曲面分段場地布局中場地是最重要的調(diào)度資源但比不是唯一要考慮的調(diào)度資源，如人力資源，設備資源，重要物資等，都是分段場地布局是不得不考慮的影響因素。同時僅對于空間布局來說，套料算法往往面對的問題是空間資源相對進入空間的幾何圖形是無限的，而分段場地布局的空間調(diào)度問題主要集中在分段相對于場地是無限的。綜上所述，船舶曲面分段空間布局調(diào)度是一個動態(tài)，復雜的過程，其調(diào)度的核心是實現(xiàn)有限的場地在時間軸上進行無限的利用，最重要的優(yōu)化指標就是場地的利用率。對于船舶空間布局調(diào)度問題，雖然已有大量的研究，但往往存在以下不足(I)布局算法與船舶生產(chǎn)實際結合較少，船舶曲面的制造過程具有其自身的特點，單純的套料算法難于適用于船舶曲面分段場地布局分配過程。例如分段的排布順序需要按照實際生產(chǎn)進程進行不斷調(diào)整；場地具有的動態(tài)性特點使得其可用面積會隨時變化；分段在完成生產(chǎn)后必須調(diào)離場地，剩余面積仍然需要進行合理利用，無法進行一次性的布局分配必須進行多次調(diào)度；(2)傳統(tǒng)的曲面分段布局算法對生產(chǎn)實際約束進行了簡化，從而造成布局結果無法實現(xiàn)效率的提升，例如多邊形分段被抽象成矩形，使得曲面分段的布局變?yōu)榫匦味询B；將場地面積劃分為不同的區(qū)域，使得分段的排布只能在固定的區(qū)域內(nèi)進行，從而降低不規(guī)則圖形的拼接難度或者直接忽略不規(guī)則圖形的拼接；(3)傳統(tǒng)的空間布局算法通過簡單的優(yōu)化準(如最大矩形，長邊規(guī)則等)判定分段放置位置是否最佳低估空間布局的復雜性。空間組合的多樣性決定了簡單的優(yōu)化準則約束是無法全面的綜合的考慮所有分段放置場地時哪種布局方式是最佳的。例如滿足優(yōu)化準則并不一定有利于后續(xù)分段的放置反而降低了場地利用率。由于空間組合的復雜性，用簡單的針對單一分段的約束優(yōu)化準則是無法求得空間布局的最優(yōu)解。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種基于遺傳算法的曲面分段場地布局調(diào)度方法，而為調(diào)度人員進行分段布局調(diào)度提供輔助。為解決上述技術問題，本發(fā)明的實施例提供一種基于遺傳算法的曲面分段場地布局調(diào)度方法，包括 步驟I、應用基于有限建造資源的日程計劃平衡制定算法，根據(jù)預設的調(diào)度順序對分段進行分段空間布局調(diào)度和虛擬流水式人力資源調(diào)度，并制定針對分段建造的資源場地和人員安排的日程計劃；步驟2、應用基于優(yōu)化矩陣的多目標遺傳算法完成分段調(diào)度順序的排列編碼和解碼，并從根據(jù)日程計劃建立優(yōu)化的矩陣中選取最優(yōu)的調(diào)度結果。作為上述技術方案的優(yōu)選，其中所述步驟I中所述的進行分段空間布局調(diào)度具體為步驟11、對整個場地的曲面分段的調(diào)度進行初步規(guī)劃，并制定曲面分段的布置順序;步驟12、獲取曲面分段的幾何圖形和場地邊界的幾何圖形，通過確定曲面分段是否在場地內(nèi)與其他曲面分段及場地邊界發(fā)生碰撞，以獲取曲面分段在該場地內(nèi)的可能的布
置方案;步驟13、對所述可能的布置方案進行篩選以最終確定曲面分段在場地內(nèi)的布置位置，生成曲面分段空間布局分配方案。作為上述技術方案的優(yōu)選，其中所述步驟I中所述的虛擬流水式人力資源調(diào)度具體為步驟14、獲取每一分段內(nèi)的加工工序；步驟15、設置初始設置的人員配置方案，并以虛擬流水制造資源分配目標對每一分段內(nèi)每一加工工序的初始設置的人員配置方案進行調(diào)整，并根據(jù)調(diào)整結果為每一加工工序分配加工人員；步驟16、對每一分段中，在前后工序的加工時間存在間隙加工工序進行調(diào)整，以最終生成船舶曲面分段虛擬流水式建造的人員調(diào)度方案。作為上述技術方案的優(yōu)選，所述步驟2包括步驟21、隨機生成初始種群；步驟22、通過預設的編碼/解碼算法將個體基因碼解碼成合理的分段布局調(diào)度順序，制定曲面分段建造的日程計劃；步驟23、對所述日程計劃根據(jù)多目標適應度函數(shù)進行多目標的適應度計算，構建優(yōu)先級矩陣；步驟24、根據(jù)輪賭法適應度較高的個體具有較高的繁殖概率，最后根據(jù)交叉率和變異率選擇再生個體進行交叉和變異，選出其中優(yōu)秀的基因構建優(yōu)秀的種群，對優(yōu)秀種群經(jīng)過若干代進化后或達到優(yōu)化的目標，最終種群中適應度最高的個體就是最優(yōu)曲面分段空間布局方案。作為上述技術方案的優(yōu)選，步驟22中所述的預設的編碼/解碼算法，包括自然數(shù)的編碼方式表現(xiàn)型編碼直接反映曲面分段的調(diào)度循序的表現(xiàn)型編碼和基因型編碼；所述步驟22具體包括步驟221、為每一曲面分段設置唯一的編號Fc^fpf2. . . f^fj ;其中η為調(diào)度的曲面分段的個數(shù)；步驟222、設置表現(xiàn)型編碼P。= (P^P2. . . Pn-^P1J，以及基因型編碼G。= Ig^g2. . . g^、gn};其中，基因型編碼在遺傳算法中是可以與表現(xiàn)型編碼相同的，但是考慮到可能會出現(xiàn)通過遺傳得到的最優(yōu)個體(適應度最高)可能不能滿足最基本的合理性約束，因此本發(fā)明實施例中用Ge=Ig1' g2. . . gn_!> gn}表現(xiàn)基因型編碼；步驟223、根據(jù)已知分段調(diào)度順序的基因碼GcHg1' g2. . . gn_!> gj和原始編號Fc= {fl、f2- · · fn-l> fnl，計算順序的表現(xiàn)型編碼 Pc= (Pi、P2- · · Pn-I > Pnl。其中，其中所述步驟223具體為步驟2231、計算Kr f12· 1 丨其中 il〈i2. · ·〈it，i=0 到 η步驟 2232、計算b=[tXgi/n]+l，其中[]為取整操作符；步驟133、其中 Pi=fib。作為上述技術方案的優(yōu)選，所述步驟23具體包括步驟231、通過以下公式計算場地利用率；
權利要求
1.一種基于遺傳算法的曲面分段場地布局調(diào)度方法，其特征在于，包括 步驟I、應用基于有限建造資源的日程計劃平衡制定算法，根據(jù)預設的調(diào)度順序對分段進行分段空間布局調(diào)度和虛擬流水式人力資源調(diào)度，并制定針對分段建造的資源場地和人員安排的日程計劃； 步驟2、應用基于優(yōu)化矩陣的多目標遺傳算法完成分段調(diào)度順序的排列編碼和解碼，并從根據(jù)日程計劃建立優(yōu)化的矩陣中選取最優(yōu)的調(diào)度結果。
2.根據(jù)權利要求I所述的基于遺傳算法的曲面分段場地布局調(diào)度方法，其特征在于，其中所述步驟I中所述的進行分段空間布局調(diào)度具體為 步驟11、對整個場地的曲面分段的調(diào)度進行初步規(guī)劃，并制定曲面分段的布置順序； 步驟12、獲取曲面分段的幾何圖形和場地邊界的幾何圖形，通過確定曲面分段是否在 場地內(nèi)與其他曲面分段及場地邊界發(fā)生碰撞，以獲取曲面分段在該場地內(nèi)的可能的布置方案； 步驟13、對所述可能的布置方案進行篩選以最終確定曲面分段在場地內(nèi)的布置位置，生成曲面分段空間布局分配方案。
3.根據(jù)權利要求2所述的基于遺傳算法的曲面分段場地布局調(diào)度方法，其特征在于，其中所述步驟I中所述的虛擬流水式人力資源調(diào)度具體為 步驟14、獲取每一分段內(nèi)的加工工序； 步驟15、設置初始設置的人員配置方案，并以虛擬流水制造資源分配目標對每一分段內(nèi)每一加工工序的初始設置的人員配置方案進行調(diào)整，并根據(jù)調(diào)整結果為每一加工工序分配加工人員； 步驟16、對每一分段中，在前后工序的加工時間存在間隙加工工序進行調(diào)整，以最終生成船舶曲面分段虛擬流水式建造的人員調(diào)度方案。
4.根據(jù)權利要求3所述的基于遺傳算法的曲面分段場地布局調(diào)度方法，其特征在于，所述步驟2包括 步驟21、隨機生成初始種群； 步驟22、通過預設的編碼/解碼算法將個體基因碼解碼成合理的分段布局調(diào)度順序，制定曲面分段建造的日程計劃； 步驟23、對所述日程計劃根據(jù)多目標適應度函數(shù)進行多目標的適應度計算，構建優(yōu)先級矩陣； 步驟24、根據(jù)輪賭法適應度較高的個體具有較高的繁殖概率，最后根據(jù)交叉率和變異率選擇再生個體進行交叉和變異，選出其中優(yōu)秀的基因構建優(yōu)秀的種群，對優(yōu)秀種群經(jīng)過若干代進化后或達到優(yōu)化的目標，最終種群中適應度最高的個體就是最優(yōu)曲面分段空間布局方案。
5.根據(jù)權利要求I所述的基于遺傳算法的曲面分段場地布局調(diào)度方法，其特征在于，步驟22中所述的預設的編碼/解碼算法，包括自然數(shù)的編碼方式表現(xiàn)型編碼直接反映曲面分段的調(diào)度循序的表現(xiàn)型編碼和基因型編碼；所述步驟22具體包括 步驟221、為每一曲面分段設置唯一的編號Fc=Ifpf2. . . 4+fJ ;其中η為調(diào)度的曲面分段的個數(shù)； 步驟222、設置表現(xiàn)型編碼Pc^PpP2... Pn-!>PnI,以及基因型編碼Gc^gpg2... gn_!>gn}；其中，基因型編碼在遺傳算法中是可以與表現(xiàn)型編碼相同的，但是考慮到可能會出現(xiàn)通過遺傳得到的最優(yōu)個體(適應度最高)可能不能滿足最基本的合理性約束，因此本發(fā)明實施例中用g2. . . gn_!> gj表現(xiàn)基因型編碼； 步驟223、根據(jù)已知分段調(diào)度順序的基因碼Gc= {gl、g2. . . gn_i、gn}和原始編號FcHfpf2. . . fn_!> fn},計算順序的表現(xiàn)型編碼 P。= {P!>P2. . . Pn-! > pn}。
6.根據(jù)權利要求5所述的基于遺傳算法的曲面分段場地布局調(diào)度方法，其特征在于，其中所述步驟223具體為步驟 2231、計算N:ext = {fu、f12· · t j 其中 il< i2. . .〈it, i=0 到 η 步驟2232、計算b=[tXgi/n]+l，其屮[]為取整操作符； 步驟133、其中Pi=fib。
7.根據(jù)權利要求6所述的基于遺傳算法的曲面分段場地布局調(diào)度方法，其特征在于，所述步驟23具體包括 步驟231、通過以下公式計算場地利用率；其中，Iitnci, trv . . tnmid. . . tnj為當場地中某一時間節(jié)點發(fā)生分段移除或移入時,場地利用率發(fā)生變化，將這些場地利用率發(fā)生變化的時間節(jié)點按時間軸順序排列形成的數(shù)組；其中tn(l表示調(diào)度開始的時間節(jié)點；tnmid表示最后一個移入場地分段的時間節(jié)點；tnn表示最后一個移除場地分段的時間節(jié)點； [S1, S2——Sn] =Si表示時間點tg-ti之間時間段的場地利用率； (tni-l，tni)表示時間段Vfti之間的非工作時間； Ws, in表示時刻tn-之前的場地利用率的加權值； Wsj0ut表示時刻tn-之后的場地利用率的加權值； Sspace表示場地利用率適應度表達式值； 步驟232、通過以下公式計算人員周轉利用率； PWi :表示員工i在工作時的每小時工資； Pri :表示員工i在上班時間沒工作干時的每小時工資； tWj :表示員工i在第j天的實際工作時間； trj :表示員工i在第j天的浪費的工作時間； η :調(diào)度分段總數(shù)量；m :在調(diào)度排產(chǎn)計劃中員工工作總天數(shù)； Sstaff :人員周轉利用率適應度表達式值； 步驟233、通過以下公式計算用戶的滿意度；
8.根據(jù)權利要求7所述的基于遺傳算法的曲面分段場地布局調(diào)度方法，其特征在于，所述步驟24具體為 步驟241、在分段總數(shù)中隨機選擇多個分段，在兩個染色體中分別找出這些分段，不改變這些分段在各自染色體中的順序，并互換位置；或，在分段總數(shù)中隨機選擇兩對不同的數(shù)字，兩個染色體中分別位置互換； 步驟242、將新生成的染色體與原有的染色體進行比較，選出比原有染色體適應度高的染色體,組成優(yōu)秀種群。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于遺傳算法的曲面分段場地布局調(diào)度方法，包括應用基于有限建造資源的日程計劃平衡制定算法，根據(jù)預設的調(diào)度順序對分段進行分段空間布局調(diào)度和虛擬流水式人力資源調(diào)度，并制定針對分段建造的資源場地和人員安排的日程計劃；應用基于優(yōu)化矩陣的多目標遺傳算法完成分段調(diào)度順序的排列編碼和解碼，并從根據(jù)日程計劃建立優(yōu)化的矩陣中選取最優(yōu)的調(diào)度結果。本發(fā)明能夠從而為調(diào)度人員進行分段布局調(diào)度提供輔助。
文檔編號G06Q10/06GK102968702SQ201210552878
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月18日 優(yōu)先權日2012年12月18日
發(fā)明者王愛民, 盧治兵, 唐承統(tǒng), 李京生 申請人:北京理工大學