考虑设备预维护的特种车辆白车身试制车间绿色调度优化方法

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2023.15.008

摘要/Abstract

摘要： 综合考虑最长完工时间、设备总能耗以及总烟尘排放，构建了典型柔性作业车间多目标绿色调度优化模型，并设计了一种改进人工蜂群算法对其进行求解。首先，根据激光设备功率会发生周期性衰减的特点，提出了一种区分激光设备和普通机械设备的预维护策略，以减小最长完工时间并降低设备故障发生频率。其次，设计了一种基于设备分配和功率选择的变异方式以增强算法局部搜索能力，并在跟随蜂阶段引入基于拥挤距离的选择方法进行种群更新以获得优质个体。最后，扩展现有通用测试集并开展对比实验，同时以某汽车装备制造企业的特种车辆白车身试制车间为实例，进一步验证了模型与算法的有效性和可行性。

关键词: 柔性作业车间, 绿色调度, 设备预维护, 激光加工

Abstract: A typical multi-objective flexible job-shop green scheduling model was established， and the makespan， total energy consumption of equipment and total smoke emission were taken into consideration. And an improved artificial bee colony algorithm was designed to solve this model. Firstly， according to the characteristics of periodic power attenuation of laser equipment， a preventive maintenance strategy that could distinguish laser equipment from ordinary mechanical equipment was proposed to reduce the makespan and the frequency of equipment failure. Then， a mutation method was designed based on equipment allocation and power selection， which could improve the local search ability of the algorithm. A selection method was introduced based on crowded distance in the follow bee search stage for population regeneration to obtain high-quality individuals. Finally， the comparison experiments were carried out based on the expanded common benchmark. Meanwhile， the effectiveness and feasibility of the model and algorithm were verified through the production case of a special vehicle body-in-white prototype workshop in an automotive equipment manufacturing enterprise.

Key words: flexible job shop, green scheduling, equipment preventive maintenance, laser processing

中图分类号:

TH186
TP18

李西兴, 周文龙, 唐红涛, 吴锐, . 考虑设备预维护的特种车辆白车身试制车间绿色调度优化方法[J]. 中国机械工程, 2023, 34(15): 1832-1847.

LI Xixing, ZHOU Wenlong, TANG Hongtao, WU Rui, . Green Scheduling Optimization Method of Special Vehicle Body-in-White Prototype Shops Considering Equipment Preventive Maintenance[J]. China Mechanical Engineering, 2023, 34(15): 1832-1847.

参考文献

［1］GAHM C， DENZ F， DIRR M， et al. Energy-efficient Scheduling in Manufacturing Companies：a Review and Research Framework［J］. European Journal of Operational Research， 2016， 248（3）：744-757.
［2］LI X， GUO X， TANG H， et al. Survey of Integrated Flexible Job Shop Scheduling Problems［J］. Computers & Industrial Engineering， 2022， 174：108786.
［3］赵诗奎. 柔性作业车间调度的改进邻域结构混合算法［J］. 计算机集成制造系统， 2018， 24（12）：3060-3072.
ZHAO Shikui. Improved Hybrid Algorithm Based on Improved Neighborhood Structure for Flexible Job Shop Scheduling［J］. Computer Integrated Manufacturing System， 2018， 24（12）：3060-3072.
［4］杨艳华，姚立纲. 基于时间递推建模及交叉熵算法求解柔性作业车间调度问题［J］. 计算机集成制造系统， 2021， 27（6）：1703-1713.
YANG Yanhua， YAO Ligang. Time Recursive Modeling and Cross Entropy Algorithm for Flexible Job Shop Scheduling Problem［J］. Computer Integrated Manufacturing Systems， 2021， 27（6）：1703-1713.
［5］姜天华. 混合灰狼优化算法求解柔性作业车间调度问题［J］. 控制与决策， 2018， 33（3）：503-508.
JANG Tianhua. Flexible Job Shop Scheduling Problem with Hybrid Grey Wolf Optimization Algorithm［J］. Control and Decision， 2018， 33（3）：503-508.
［6］王凌，王晶晶，吴楚格. 绿色车间调度优化研究进展［J］. 控制与决策， 2018， 33（3）：385-391.
WANG Ling， WANG Jingjing， WU Chuge. Advances in Green Shop Scheduling and Optimization［J］. Control & Decision， 2018， 33（3）：385-391.
［7］CALDEIRA R H， GNANAVELBABU A， VAIDYANATHAN T. An Effective Backtracking Search Algorithm for Multi-objective Flexible Job Shop Scheduling Considering New Job Arrivals and Energy Consumption［J］. Computers & Industrial Engineering， 2020， 149：106863.
［8］LI J Q， DENG J W， LI C Y， et al. An Improved Jaya Algorithm for Solving the Flexible Job Shop Scheduling Problem with Transportation and Setup Times［J］. Knowledge-Based Systems， 2020， 200（3）：106032.
［9］MAO J， PAN Q， MIAO Z， et al. An Effective Multi-start Iterated Greedy Algorithm to Minimize Makespan for the Distributed Permutation Flowshop Scheduling Problem with Preventive Maintenance［J］. Expert Systems with Applications， 2021， 169：114495.
［10］SHEIKHALISHAHI M， ESKANDARI N， MASHAYEKHI A， et al. Multi-objective Open Shop Scheduling by Considering Human Error and Preventive Maintenance［J］. Applied Mathematical Modelling， 2019， 67：573-587.
［11］KHATAMI M， ZEGORDI S H. Coordinative Production and Maintenance Scheduling Problem with Flexible Maintenance Time Intervals［J］. Journal of Intelligent Manufacturing， 2017， 28：857-867.
［12］李聪波，王睿，寇阳，等. 考虑设备预维护的柔性作业车间调度节能优化方法［J］. 机械工程学报， 2021， 57（10）：220-230.
LI Congbo， WANG Rui， KOU Yang， et al. Energy Saving Optimization Method of Flexible Job Shop Scheduling Considering Preventive Maintenance［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2021， 57（10）：220-230.
［13］朱传军，冯诗健，张超勇，等. 考虑设备预防性维护的开放车间调度问题研究［J］. 中国机械工程， 2023， 34（14）：1693-1700.
ZHU Chuanjun， FENG Shijian， ZHANG Chaoyong， et al. Research on Open Shop Scheduling Problem Considering Equipment Preventive Maintenance［J］. China Mechanical Engineering， 2023， 34（14）：1693-1700.
［14］宋文家，张超勇，尹勇，等. 基于多目标混合殖民竞争算法的设备维护与车间调度集成优化［J］. 中国机械工程， 2015， 26（11）：1478-1487.
SONG Wenjia， ZHANG Chaoyong， YIN Yong， et al. Integrated Optimization of Equipment Maintenance and Shop Scheduling Problem Based on Multi-objective Hybrid Imperialist Competitive Algorithm［J］. China Mechanical Engineering， 2015， 26（11）：1478-1487.
［15］LI Y B， HUANG W X， WU R， et al. An Improved Artificial Bee Colony Algorithm for Solving Multi-objective Low-carbon Flexible Job Shop Scheduling Problem［J］. Applied Soft Computing， 2020， 95：106544.
［16］戴敏. 面向节能的工艺规划与车间调度研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2015.
DAI Min. Research on Energy-efficient Process Planning and Scheduling［D］. Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2015.
［17］吴秀丽，孙阳君. 设备多转速的柔性作业车间绿色调度问题［J］. 计算机集成制造系统， 2018， 24（4）：862-875.
WU Xiuli， SUN Yangjun. Flexible Job Shop Green Scheduling Problem with Multi-speed Machine［J］. Computer Integrated Manufacturing System， 2018， 24（4）：862-875.
［18］MA W， SUN Z， LI J， et al. An Improved Artificial Bee Colony Algorithm Based on the Strategy of Global Reconnaissance［J］. Soft Computing， 2016， 20（12）：4825-4857.
［19］汤洪涛，程晓雅，李修琳，等. 跨层跨巷道穿梭车仓储系统复合作业路径优化［J］. 计算机集成制造系统， 2022， 28（6）：1888-1902.
TANG Hongtao， CHENG Xiaoya， LI Xiulin， et al. Compound Operations Path Optimization of Tier-to-tier and Aisle-to-aisle Shuttle Based Storage and Retrieval System［J］. Computer Integrated Manufacturing System， 2022， 28（6）：1888-1902.
［20］BEED R， ROY A， SARKAR S， et al. A Hybrid Multi-objective Tour Route Optimization Algorithm Based on Particle Swarm Optimization and Artificial Bee Colony Optimization［J］. Computational Intelligence， 2020， 36（3）：884-909.
［21］吴锐，郭顺生，李益兵，等. 改进人工蜂群算法求解分布式柔性作业车间调度问题［J］. 控制与决策， 2019， 34（12）：2527-2536.
WU Rui， GUO Shunsheng， LI Yibing， et al. Improved Artificial Bee Colony Algorithm for Distributed and Flexible Job Shop Scheduling Problem［J］. Control and Decision， 2019， 34（12）：2527-2536.
［22］郑小操，龚文引. 改进人工蜂群算法求解模糊柔性作业车间调度问题［J］. 控制理论与应用， 2020， 37（6）：1284-1292.
ZHENG Xiaocao， GONG Wenyin. An Improved Artificial Bee Colony Algorithm for Fuzzy Flexible Job-shop Scheduling Problem［J］. Control Theory & Applications， 2020， 37（6）：1284-1292.
［23］DAO D N， GUO L X. New Hybrid NSGA-III&SPEA/R to Multi-object Optimization in a Half-car Dynamic Model［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part D：Journal of Automobile Engineering， 2020， 234（6）：1660-1671.
［24］仲于江，杨海成，莫蓉，等. 基于小生境粒子群算法的柔性作业车间调度优化方法［J］. 计算机集成制造系统， 2015， 21（12）：3231-3238.
ZHONG Yujiang， YANG Haicheng， MO Rong， et al. Optimization Method of Flexible Job-shop Scheduling Problem Based on Niching and Particle Swarm Optimization Algorithms［J］. Computer Integrated Manufacturing Systems， 2015， 21（12）：3231-3238.
［25］田志强，姜兴宇，杨国哲，等. 一种面向航天复杂构件的柔性作业车间能耗优化调度问题研究［J］. 机械工程学报， 2023， 59（8）：273-287.
TIAN Zhiqiang， JIANG Xingyu， YANG Guozhe， et al. Energy Efficient Scheduling of Flexible Job Shop with Aerospace Complex Components［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2023， 59（8）：273-287.
［26］李瑞，龚文引. 改进的基于分解的多目标进化算法求解双目标模糊柔性作业车间调度问题［J］. 控制理论与应用， 2022， 39（1）：31-40.
LI Rui， GONG Wenyin. An Improved Multi-objective Evolutionary Algorithm Based on Decomposition for Bi-objective Fuzzy Flexible Job-shop Scheduling Problem［J］. Control Theory & Applications， 2022， 39（1）：31-40.
［27］李益兵，黄炜星，吴锐. 基于改进人工蜂群算法的多目标绿色柔性作业车间调度研究［J］. 中国机械工程， 2020， 31（11）：1344-1350.
LI Yibing， HUANG Weixing， WU Rui. Research on Multi-objective Green Flexible Job-shop Scheduling Based on Improved ABC Algorithm［J］. China Mechanical Engineering， 2020， 31（11）：1344-1350.
［28］雷德明. 基于新型教学优化算法的低碳柔性作业车间调度［J］. 控制与决策， 2017， 32（9）：1621-1627.
LEI Deming. NovelTeaching-learning-based Optimization Algorithm for Low Carbon Scheduling of Flexible Job Shop［J］. Control and Decision， 2017， 32（9）：1621-1627.
［29］WU R， LI Y B， GUO S S， et al. Solving the Dual-resource Constrained Flexible Job Shop Scheduling Problem with Learning Effect by a Hybrid Genetic Algorithm［J］. Advances in Mechanical Engineering， 2018， 10（10）：1687814018804096.
［30］WU R， LI Y B， GUO S S， et al. An Efficient Meta-heuristic for Multi-objective Flexible Job Shop Inverse Scheduling Problem［J］. IEEE Access， 2018， 6：59515-59527.
［31］LI J， GAO Y， ZHANG H， et al. Self-adaptive Opposition-based Differential Evolution with Subpopulation Strategy for Numerical and Engineering Optimization Problems［J］. Complex & Intelligent Systems， 2022， 8（3）：2051-2089.

[1]	郑志龙, 赵玉刚, 刘谦, 王珂, 周海安, 宋壮, 代迪, 张夏骏雨. 碳纤维增强复合材料水导激光加工实验研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(03): 344-351.
[2]	张洪亮, 徐公杰, 鲍蔷, 潘瑞林. 考虑运输时间的分布式柔性作业车间绿色调度[J]. 中国机械工程, 2022, 33(21): 2554-2563,2645.
[3]	姜一啸, 吉卫喜, 何鑫, 苏璇. 基于改进非支配排序遗传算法的多目标柔性作业车间低碳调度[J]. 中国机械工程, 2022, 33(21): 2564-2577.
[4]	孙爱红, 宋豫川, 杨云帆, 雷琦. 考虑关键件加工质量的双资源约束车间调度算法[J]. 中国机械工程, 2022, 33(21): 2590-2600.
[5]	王秋莲, 段星皓. 基于高维多目标候鸟优化算法的柔性作业车间调度[J]. 中国机械工程, 2022, 33(21): 2601-2612.
[6]	汪建新, 吴耀文, 张广义, 潮阳, 张文武, . 碳纤维增强复合材料水导激光切割试验研究[J]. 中国机械工程, 2021, 32(13): 1608-1616.
[7]	李西兴, 杨道明, 李鑫, 吴锐, . 基于混合遗传鲸鱼优化算法的柔性作业车间自动导引车融合调度方法[J]. 中国机械工程, 2021, 32(08): 938-950，986.
[8]	耿凯峰1,2;叶春明1;吴绍兴2;刘丽2. 分时电价下多目标绿色可重入混合流水车间调度[J]. 中国机械工程, 2020, 31(12): 1469-1480.
[9]	李益兵1,2;黄炜星1;吴锐1. 基于改进人工蜂群算法的多目标绿色柔性作业车间调度研究[J]. 中国机械工程, 2020, 31(11): 1344-1350,1385.
[10]	刘彩洁;徐志涛;张钦;张力菠;姚坤. 分时电价下基于NSGA-Ⅱ的柔性作业车间绿色调度[J]. 中国机械工程, 2020, 31(05): 576-585.
[11]	钟祾充, 钱斌, 胡蓉, 王凌. [车间调度]混合布谷鸟算法求解绿色流水车间调度问题[J]. 中国机械工程, 2018, 29(22): 2674-2681.
[12]	杨冬婧, 雷德明. [车间调度]新型蛙跳算法求解总能耗约束FJSP[J]. 中国机械工程, 2018, 29(22): 2682-2689.
[13]	杨宇;黄敏;王震宇;朱启兵. 利用有限制稳定配对策略求解双目标柔性作业车间调度问题[J]. 中国机械工程, 2018, 29(14): 1743-1750.
[14]	朱传军, 邱文, 张超勇, 金亮亮. 多目标柔性作业车间稳健性动态调度研究[J]. 中国机械工程, 2017, 28(02): 173-182.
[15]	徐本柱, 吉靖, 费晓璐. 柔性作业车间中基于工序分批的调度问题与求解[J]. 中国机械工程, 2016, 27(23): 3221-3229.