《最小化能耗成本和拖期成本的非同等并行机调度问题研究》-工学论文，通信论文-论文范文参考-科学狗论文网

标题

最小化能耗成本和拖期成本的非同等并行机调度问题研究

范文

梁鹏郝刚郭建华

摘要：文章针对铝型材挤压车间机器开关能源消耗大，转产频繁的现象，建立基于挤压机开关机、待机、转产的综合能耗成本与拖期成本的调度模型，并提出一种基于转产能耗启发式规则的混合蚁群优化算法，通过仿真实验与同类文献中算法的优化结果进行比较，算法可以减少生产过程的综合能耗成本和拖期成本。

关键词：能耗成本；拖期成本；非等同并行机；蚁群算法

研究发现，在工业制造过程中，因机器开、停、空闲、等待以及产品转产而浪费了大部分能源，如机床、磨床、铣床和注塑机等约有30%能源被辅助系统消耗[1]。如何减少机器待机时间、开关次数以及产品转产次数，提高设备利用率，是生产调度中的重要问题之一。Gutowski等[2-3]曾对丰田汽车公司制造车间能源消耗等的研究发现，不足15%的能源直接用于产品的零件加工。侯彬[4]对考虑机器开关的并行机调度进行研究，通过对工件调度次序和关机的时机和长度实现能耗的优化，文献中假设机器开启时间为0，然而实际生产中机器的预热需要一定的时间。Mmmma等[5]研究了单机环境下以能耗和完成时间为优化目标的情况，通过合理调度机器开关的时间和长度以及工件顺序，可以有效地减少能源消耗。Drake等[6]将机床能耗分解到各个操作过程，分为工件加工能耗、空闲能耗，以及辅助能耗几方面，并提出机床能耗优化模型，但是没有考虑产品差异导致的转产能耗。目前大部分的能耗调度主要是以降低能耗成本为目标，以降低能耗成本和拖期成本为目标的并不多。

1 问题描述与数学模型

最小化拖期成本和能耗成本的非等同并行机调度问题可用数学模型描述如下：

m：机器的数量；

n：工件的总数量；

Mj：第j台机器；

ci：第i个工件的完工时间；

ri：第i个个工件的到达时间；

si：第i个工件的到达时间；

di：第i个工件的交货时间；

Pj1：机器Mj从停机状态到开机状态的单位时间能耗成本；

Pij2：工件i在机器Mj运行时的单位时间能耗成本；

Pilj3：在机器Mj上工件i转换到工件l所需的单位时间能耗成本；

Pj4：机器Mj的待机单位时间能耗成本：

ai：第i个工件的单位时间拖期惩罚能耗成本；

qil：工件i转换到工件l所需的时间：

tij：工件i在机器Mj的加工时间；

决策标量：

2 求解算法

用基于转产能耗规则的蚁群优化算法解决本文问题描述如下。

3.2 仿真结果及分析

根据表1影响因子生成16种影响因子组合，每种组合随机产生1个算例，总16个算例；为了验证本文方法的有效性，本文与传统蚁群优化算法（Ant Colony Optimization，ACO）进行对比，每个算例进行10次仿真实验取其平均值来评价算法的有效性。以上所有算法采用Matlab R2012b仿真软件，并在CPU为Intel Core i5 2.30 GHz，内存4G的计算机上进行仿真试验，仿真结果如表2所示，可以得到以下结论。

（1）当数据规模较小时，ACO与本文提出的算法不大，随着数据规模的增大，本文方法要优于ACO。一定程度上是因为工件之间转产频繁，产生了大量的转产能耗，而本文方法通过优化可以有效减少工件生产的转产，从而降低了能耗损失。

（2）交货系数更为宽松时对本文算法提升性能更大，这是因为交货系数宽松可以使得调度更倾向于减少工件生产的转产，从而提高整体生产效率。

（3）能耗比系数更大时本文算法的性能更好，这是因为能耗比更大时，调度更倾向于机器待机而减少机器开关机次数，减少了总体能耗。

4 结语

針对铝型材挤压生产中机器开关能源消耗大、转产频繁等问题，本文建立了以综合能耗成本和拖期惩罚成本最小化为目标的非同等并行机优化调度模型，提出了基于转产能耗优化规则的混合蚁群优化算法，针对该类问题设计了仿真算例，对算例的仿真及结果分析表明算法的有效性。本文提出的基于转产能耗优化规则的混合蚁群优化算法可以拓展到求解其他类型车间节能调度问题。

[参考文献]

[1]KORDONOWY D N.A power assessment of machining tools[M].Massachusetts：Massachusetts Institute of Technology， 2002.

[2]GUTOWSKI T， MURPHY C， ALLEN D， et al.Environmentally benign manufacturing：observations from Japan， Europe and theUnited States[J]. Journal of Cleaner Production， 2005（13）：1-17.

[3]DAHMUS J B，GUTOWSKI T C.An environmental analysis of machining[C].Houston：ASME International Mechanical Engine^^Congress & Exposition， 2004.

[4]侯彬.考虑机器开关的并行机调度研究[J].工业工程与管理，2011（2）：60-64.

[5]MOUZONA G， MEHMET B， YILDIRIMA.A framework to minimise total energy consumption and total tardiness on a singlemachine [J]. International Journal of Sustainable Engineering， 2007（2）：105-116.

[6]DRAKE R M， YILDIRIM B， TWOMEY J， et al.Data collection framework on energy consumption in manufacturing[R].Canade：TheInteraction and Entertainment Research Centre， 2006.

随便看

科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。