本發(fā)明屬于信息與控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及到自動(dòng)化技術(shù)，特別是涉及一種啤酒工業(yè)生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
流程工業(yè)生產(chǎn)調(diào)度問(wèn)題是化工、食品、材料、制藥等領(lǐng)域中的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。生產(chǎn)調(diào)度是企業(yè)管理的重要組成部分，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，生產(chǎn)調(diào)度越來(lái)越受到流程企業(yè)的重視。流程工業(yè)生產(chǎn)調(diào)度是以流程企業(yè)經(jīng)營(yíng)效益為目標(biāo)，協(xié)調(diào)生產(chǎn)、存儲(chǔ)、銷售、運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)環(huán)節(jié)，追求整體平衡，并以市場(chǎng)的需求變化為依據(jù)，及時(shí)的對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，保證流程企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)順利的運(yùn)行。啤酒行業(yè)同樣需要合理的調(diào)度生產(chǎn)，在滿足市場(chǎng)訂單需求的前提下確定設(shè)備生產(chǎn)計(jì)劃，充分利用糖化鍋，糊化鍋，過(guò)濾槽，發(fā)酵罐等設(shè)備的加工能力，使生產(chǎn)效率最大化，同時(shí)不產(chǎn)生過(guò)多的清酒庫(kù)存造成浪費(fèi)。
目前，啤酒生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度仍然依靠人工經(jīng)驗(yàn)的方法來(lái)確定，雖然基本可以滿足生產(chǎn)的要求，但是原料消耗高、設(shè)備利用率低、清酒等中間產(chǎn)品存儲(chǔ)量常常無(wú)法控制。人工安排調(diào)度也存在著計(jì)算難度大耗時(shí)耗力的問(wèn)題，往往調(diào)度方案產(chǎn)生后已經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，調(diào)度的實(shí)時(shí)性十分差。因此對(duì)啤酒生產(chǎn)調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化對(duì)提高企業(yè)生產(chǎn)效率、降低產(chǎn)品成本具有重要意義。啤酒生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化是一個(gè)含多極值點(diǎn)的流程工業(yè)優(yōu)化問(wèn)題。迄今為止，流程工業(yè)生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化問(wèn)題多采用混合整型的離散時(shí)間模型，并以傳統(tǒng)數(shù)學(xué)優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化，如單純形法、共軛梯度法、幾何平均分析法、分枝定界法等。由于這些優(yōu)化方法缺乏對(duì)大規(guī)模模型的求解能力，因而要求解如啤酒工業(yè)這類具有大量離散時(shí)間跨度的復(fù)雜數(shù)學(xué)形式的優(yōu)化問(wèn)題，十分困難。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目標(biāo)是針對(duì)啤酒生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化中的一些難題，提出一種具有應(yīng)對(duì)大規(guī)模離散時(shí)間模型的計(jì)算能力以及全局優(yōu)化能力的調(diào)度優(yōu)化方法，該優(yōu)化方法具有開(kāi)放性、魯棒性、全局收斂性、高效性以及優(yōu)化結(jié)果精確可靠等特點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是將啤酒工業(yè)連續(xù)的流程工業(yè)調(diào)度問(wèn)題轉(zhuǎn)變成基于離散時(shí)間表達(dá)的混合整數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，然后采用自適應(yīng)的協(xié)同優(yōu)化算法改善算法尋優(yōu)性能，縮短計(jì)算時(shí)間，最終確立了一種啤酒生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化方法。
本發(fā)明的具體步驟是：
步驟1：獲取啤酒生產(chǎn)設(shè)備的加工時(shí)間、加工能力上下限、存儲(chǔ)容量上限、以及作業(yè)產(chǎn)出/消耗比例系數(shù)，這些設(shè)備性能指標(biāo)通過(guò)設(shè)備商或者通過(guò)生產(chǎn)過(guò)程中統(tǒng)計(jì)獲?。黄【粕a(chǎn)設(shè)備包括糊化鍋、糖化鍋、過(guò)濾槽、煮沸鍋和發(fā)酵罐；
步驟2：根據(jù)市場(chǎng)需求以及啤酒企業(yè)的生產(chǎn)計(jì)劃確定生產(chǎn)調(diào)度目標(biāo)，即各類型啤酒的成品需求量、以及所需總調(diào)度時(shí)段T。確定生產(chǎn)目標(biāo)的同時(shí)確定當(dāng)前各設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)以及已有存儲(chǔ)量。
步驟3：通過(guò)步驟1與步驟2獲得的設(shè)備性能指標(biāo)以及生產(chǎn)調(diào)度目標(biāo)建立基于離散時(shí)間表達(dá)的啤酒調(diào)度生產(chǎn)模型，確定約束條件與目標(biāo)函數(shù)。
①設(shè)備分配約束條件：
式中：0/1變量Xlit表示在調(diào)度時(shí)段t是否在設(shè)備i上開(kāi)始任務(wù)l，I為加工設(shè)備合集，L為設(shè)備的任務(wù)合集，一種啤酒類型就代表一種任務(wù)，T為調(diào)度時(shí)段的合集，τli為設(shè)備i處理任務(wù)l的所需時(shí)間，M為大于10000的整數(shù)。
②設(shè)備加工能力約束條件：
式中：變量Blit表示在調(diào)度時(shí)段t設(shè)備i對(duì)應(yīng)任務(wù)l的加工量，與依次表示設(shè)備i對(duì)應(yīng)任務(wù)l的最小加工量與最大加工量，為保證啤酒設(shè)備生產(chǎn)效率以及能源使用率，不可低于的80％；
③存儲(chǔ)容量約束條件：
式中：變量SIjt表示調(diào)度時(shí)間段t末物料j的庫(kù)存量，為物料j的存儲(chǔ)容量上限。
④物料平衡約束條件：
式中：θjl為任務(wù)l產(chǎn)出物料j的比例系數(shù)，為任務(wù)l消耗物料j的比例系數(shù)。
⑤優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：
啤酒工業(yè)生產(chǎn)調(diào)度的主要目的是在完成指定各啤酒類型需求生產(chǎn)量的前提下使在制品最少，即各時(shí)間段各物料j的庫(kù)存量最小，以此提高生產(chǎn)效率，減少原料浪費(fèi)。故設(shè)定以下目標(biāo)函數(shù)作為評(píng)估模型：
式中：Wl表示任務(wù)l的需求產(chǎn)量，j'表示各任務(wù)最末工序的物料(即清酒)，i'表示最末工序設(shè)備，t'表示最后一個(gè)時(shí)間段。
步驟4：利用自適應(yīng)協(xié)同優(yōu)化算法的方法對(duì)啤酒生產(chǎn)調(diào)度模型進(jìn)行優(yōu)化，最終求解生產(chǎn)調(diào)度方案。具體步驟如下：
①對(duì)啤酒生產(chǎn)調(diào)度模型進(jìn)行分解生成學(xué)科級(jí)與系統(tǒng)級(jí)模型：
以單日生產(chǎn)調(diào)度為單位劃分為各學(xué)科級(jí)模型，生產(chǎn)調(diào)度總?cè)諗?shù)即為學(xué)科級(jí)個(gè)數(shù)，具體模型如下：
式中：Fk(Xk)表示學(xué)科級(jí)模型目標(biāo)函數(shù)，fk表示子學(xué)科目標(biāo)函數(shù)，即為步驟3-⑤所列出的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。Jk表示一致性約束由系統(tǒng)級(jí)分配。k表示各學(xué)科級(jí)，n由學(xué)科級(jí)個(gè)數(shù)決定。s.t.gk(Xk)≤0表示所有約束，即為步驟3-①、步驟3-②、步驟3-③、步驟3-④所列出的等式與不等式約束。其中ω1k,ω2k為自適應(yīng)加權(quán)因子：
其中c為一常數(shù)，為協(xié)同不一致性因子由步驟4-③求得。
系統(tǒng)級(jí)模型具體如下：
式中：F(Z)表示系統(tǒng)級(jí)目標(biāo)函數(shù)，變量w表示耦合變量的集合、變量z表示非耦合變量的集合。在啤酒工業(yè)生產(chǎn)調(diào)度中，耦合變量即為單日最末時(shí)段加工量Bli't'，其余變量為非耦合變量。sk表示第k個(gè)子學(xué)科耦合設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)，wq表示表示第q個(gè)耦合變量，表示第k個(gè)子學(xué)科的第q個(gè)耦合設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化結(jié)果。εk表示動(dòng)態(tài)松弛因子由步驟4-③求得。
②設(shè)置系統(tǒng)級(jí)初始點(diǎn)，即耦合變量w與非耦合變量z，初始變量設(shè)為零；
③計(jì)算協(xié)同不一致性因子以及動(dòng)態(tài)松弛因子εk：
w*(m-1)表示第m-1次迭代后系統(tǒng)級(jí)最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)，代表第m次迭代后第k個(gè)學(xué)科的最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)；
在第m次迭代，定義學(xué)科間最大不一致性d(m)，代表第m次迭代后第q個(gè)耦合設(shè)計(jì)變量的最優(yōu)點(diǎn)；以作為先驗(yàn)信息得到第m次迭代中的a、b為常數(shù)。
④將步驟4-③中計(jì)算所得的協(xié)同不一致性因子帶入步驟4-①中所得的各學(xué)科級(jí)模型，并進(jìn)行優(yōu)化求解，求解算法使用成熟穩(wěn)定的分枝定界法。
⑤將步驟4-③中計(jì)算所得的動(dòng)態(tài)松弛因子εk帶入步驟4-①所得的系統(tǒng)級(jí)模型，同時(shí)將步驟4-④中所得的學(xué)科級(jí)最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)傳遞至系統(tǒng)級(jí)中。得到系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化方程后進(jìn)行求解，求解算法同樣使用分枝定界法。
⑥求解協(xié)同不一致性因子均值
其中n為學(xué)科級(jí)個(gè)數(shù)。
對(duì)求得的協(xié)同不一致性因子均值進(jìn)行判斷，若則轉(zhuǎn)至步驟4-⑦，否則繼續(xù)循環(huán)進(jìn)行步驟4-③～步驟4-⑥。D為常數(shù)。
⑦修改步驟4-①中的模型為帶松弛因子的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同優(yōu)化算法繼續(xù)優(yōu)化，去除學(xué)科級(jí)目標(biāo)函數(shù)fk以及動(dòng)態(tài)松弛因子εk。修改后的模型如下：
系統(tǒng)級(jí)：
學(xué)科級(jí)：
其中ε為常數(shù)取0.0001。
將修改好的模型迭代求解，求解方法與第步驟4-④⑤步相同。
⑧將兩次迭代間系統(tǒng)級(jí)目標(biāo)函數(shù)的值進(jìn)行對(duì)比，若則滿足收斂條件停止求解，F(xiàn)(Z)m表示第m次迭代后系統(tǒng)級(jí)目標(biāo)函數(shù)值，此時(shí)求得的各學(xué)科級(jí)最優(yōu)解即為啤酒工業(yè)生產(chǎn)調(diào)度方案。其中e為常數(shù)取值為10-6。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是取代了傳統(tǒng)依靠人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行啤酒生產(chǎn)調(diào)度的方法，減少了在調(diào)度計(jì)劃中投入的人力與時(shí)間，同時(shí)產(chǎn)生的調(diào)度方案精確有效，提高了啤酒工業(yè)設(shè)備利用率，降低了原料消耗，減少了中間產(chǎn)品的存儲(chǔ)量。本優(yōu)化方法具有開(kāi)放性、魯棒性、全局收斂性、高效性以及優(yōu)化結(jié)果精確可靠的特點(diǎn)，尤其對(duì)于大規(guī)模離散時(shí)間模型有很強(qiáng)的求解能力。
具體實(shí)施方式
一種啤酒生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化方法，該方法具體包括以下步驟：
步驟1：獲取啤酒生產(chǎn)設(shè)備的加工時(shí)間、加工能力上下限、存儲(chǔ)容量上限、以及作業(yè)產(chǎn)出/消耗比例系數(shù)，這些設(shè)備性能指標(biāo)通過(guò)設(shè)備商或者通過(guò)生產(chǎn)過(guò)程中統(tǒng)計(jì)獲??；啤酒生產(chǎn)設(shè)備包括糊化鍋、糖化鍋、過(guò)濾槽、煮沸鍋和發(fā)酵罐；
步驟2：根據(jù)市場(chǎng)需求以及啤酒企業(yè)的生產(chǎn)計(jì)劃確定生產(chǎn)調(diào)度目標(biāo)，即各類型啤酒的成品需求量、以及所需總調(diào)度時(shí)段T。確定生產(chǎn)目標(biāo)的同時(shí)確定當(dāng)前各設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)以及已有存儲(chǔ)量。
步驟3：通過(guò)步驟1與步驟2獲得的設(shè)備性能指標(biāo)以及生產(chǎn)調(diào)度目標(biāo)建立基于離散時(shí)間表達(dá)的啤酒調(diào)度生產(chǎn)模型，確定約束條件與目標(biāo)函數(shù)。
①設(shè)備分配約束條件：
式中：0/1變量Xlit表示在調(diào)度時(shí)段t是否在設(shè)備i上開(kāi)始任務(wù)l，I為加工設(shè)備合集，L為設(shè)備的任務(wù)合集，一種啤酒類型就代表一種任務(wù)，T為調(diào)度時(shí)段的合集，τli為設(shè)備i處理任務(wù)l的所需時(shí)間，M為大于10000的整數(shù)。
②設(shè)備加工能力約束條件：
式中：變量Blit表示在調(diào)度時(shí)段t設(shè)備i對(duì)應(yīng)任務(wù)l的加工量，與依次表示設(shè)備i對(duì)應(yīng)任務(wù)l的最小加工量與最大加工量，為保證啤酒設(shè)備生產(chǎn)效率以及能源使用率，不可低于的80％；
③存儲(chǔ)容量約束條件：
式中：變量SIjt表示調(diào)度時(shí)間段t末物料j的庫(kù)存量，為物料j的存儲(chǔ)容量上限。
④物料平衡約束條件：
式中：θjl為任務(wù)l產(chǎn)出物料j的比例系數(shù)，為任務(wù)l消耗物料j的比例系數(shù)。
⑤優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：
啤酒工業(yè)生產(chǎn)調(diào)度的主要目的是在完成指定各啤酒類型需求生產(chǎn)量的前提下使在制品最少，即各時(shí)間段各物料j的庫(kù)存量最小，以此提高生產(chǎn)效率，減少原料浪費(fèi)。故設(shè)定以下目標(biāo)函數(shù)作為評(píng)估模型：
式中：Wl表示任務(wù)l的需求產(chǎn)量，j'表示各任務(wù)最末工序的物料(即清酒)，i'表示最末工序設(shè)備，t'表示最后一個(gè)時(shí)間段。
步驟4：利用自適應(yīng)協(xié)同優(yōu)化算法的方法對(duì)啤酒生產(chǎn)調(diào)度模型進(jìn)行優(yōu)化，最終求解生產(chǎn)調(diào)度方案。具體步驟如下：
①對(duì)啤酒生產(chǎn)調(diào)度模型進(jìn)行分解生成學(xué)科級(jí)與系統(tǒng)級(jí)模型：
以單日生產(chǎn)調(diào)度為單位劃分為各學(xué)科級(jí)模型，生產(chǎn)調(diào)度總?cè)諗?shù)即為學(xué)科級(jí)個(gè)數(shù)，具體模型如下：
式中：Fk(Xk)表示學(xué)科級(jí)模型目標(biāo)函數(shù)，fk表示子學(xué)科目標(biāo)函數(shù)，即為步驟3-⑤所列出的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。Jk表示一致性約束由系統(tǒng)級(jí)分配。k表示各學(xué)科級(jí)，n由學(xué)科級(jí)個(gè)數(shù)決定。s.t.gk(Xk)≤0表示所有約束，即為步驟3-①、步驟3-②、步驟3-③、步驟3-④所列出的等式與不等式約束。其中ω1k,ω2k為自適應(yīng)加權(quán)因子：
其中c為一常數(shù)，為協(xié)同不一致性因子由步驟4-③求得。
系統(tǒng)級(jí)模型具體如下：
式中：F(Z)表示系統(tǒng)級(jí)目標(biāo)函數(shù)，變量w表示耦合變量的集合、變量z表示非耦合變量的集合。在啤酒工業(yè)生產(chǎn)調(diào)度中，耦合變量即為單日最末時(shí)段加工量Bli't'，其余變量為非耦合變量。sk表示第k個(gè)子學(xué)科耦合設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)，wq表示表示第q個(gè)耦合變量，表示第k個(gè)子學(xué)科的第q個(gè)耦合設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化結(jié)果。εk表示動(dòng)態(tài)松弛因子由步驟4-③求得。
②設(shè)置系統(tǒng)級(jí)初始點(diǎn)，即耦合變量w與非耦合變量z，初始變量設(shè)為零；
③計(jì)算協(xié)同不一致性因子以及動(dòng)態(tài)松弛因子εk：
w*(m-1)表示第m-1次迭代后系統(tǒng)級(jí)最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)，代表第m次迭代后第k個(gè)學(xué)科的最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)；
在第m次迭代，定義學(xué)科間最大不一致性d(m)，代表第m次迭代后第q個(gè)耦合設(shè)計(jì)變量的最優(yōu)點(diǎn)；以作為先驗(yàn)信息得到第m次迭代中的a、b為常數(shù)。
④將步驟4-③中計(jì)算所得的協(xié)同不一致性因子帶入步驟4-①中所得的各學(xué)科級(jí)模型，并進(jìn)行優(yōu)化求解，求解算法使用成熟穩(wěn)定的分枝定界法。
⑤將步驟4-③中計(jì)算所得的動(dòng)態(tài)松弛因子εk帶入步驟4-①所得的系統(tǒng)級(jí)模型，同時(shí)將步驟4-④中所得的學(xué)科級(jí)最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)傳遞至系統(tǒng)級(jí)中。得到系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化方程后進(jìn)行求解，求解算法同樣使用分枝定界法。
⑥求解協(xié)同不一致性因子均值
其中n為學(xué)科級(jí)個(gè)數(shù)。
對(duì)求得的協(xié)同不一致性因子均值進(jìn)行判斷，若則轉(zhuǎn)至步驟4-⑦，否則繼續(xù)循環(huán)進(jìn)行步驟4-③～步驟4-⑥。D為常數(shù)。
⑦修改步驟4-①中的模型為帶松弛因子的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同優(yōu)化算法繼續(xù)優(yōu)化，去除學(xué)科級(jí)目標(biāo)函數(shù)fk以及動(dòng)態(tài)松弛因子εk。修改后的模型如下：
系統(tǒng)級(jí)：
學(xué)科級(jí)：
其中ε為常數(shù)取0.0001。
將修改好的模型迭代求解，求解方法與第步驟4-④⑤步相同。
⑧將兩次迭代間系統(tǒng)級(jí)目標(biāo)函數(shù)的值進(jìn)行對(duì)比，若則滿足收斂條件停止求解，F(xiàn)(Z)m表示第m次迭代后系統(tǒng)級(jí)目標(biāo)函數(shù)值，此時(shí)求得的各學(xué)科級(jí)最優(yōu)解即為啤酒工業(yè)生產(chǎn)調(diào)度方案。其中e為常數(shù)取值為10-6。