双工艺约束的MOEA-D钢板下料调度优化方法及装置

本发明涉及钢板下料生产调度，具体涉及一种双工艺约束的moea-d钢板下料调度优化方法及装置。

背景技术：

1、钢板下料是工程机械、汽车钣金和钢结构构件制造的前置加工环节。柔性生产条件下，车间通常同时处理多个订单和多种材质规格的钢板工件，并由多台切割机并行完成加工。切割机加工顺序、横移分拣衔接以及材质规格切换共同影响排产方案的可执行性。

2、对于同一切割机，前序工件完成切割后，需要由横移车执行接取、转运及分拣下料，经过固定延时后才能开始后序工件上料；不同切割机形成相互独立的串行加工单元。同时，材质牌号和板厚规格相同的工件宜连续加工，以减少换料、调机和工艺参数切换。

3、传统基于分解的多目标进化算法（multi-objective evolutionary algorithmbased on decomposition, moea-d）及其他常规车间调度算法通常采用通用工件编码和随机位置交叉、变异操作，难以在初始种群中同时保持上述两类约束，且迭代操作容易拆分材质工件组或打乱同一切割机内的工件先后关系。依赖后置惩罚函数或人工校验会产生较多无效个体，并使输出方案仍需二次调整。因而，需要一种能够在编码、初始化、进化和解码过程中保持双工艺约束的钢板下料调度优化方法。

技术实现思路

1、（一）解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种双工艺约束的moea-d钢板下料调度优化方法及装置，解决了在多切割机并行钢板下料排产中，如何使调度个体在初始化和moea-d迭代过程中保持同一切割机跨工件固定延时时序关系及同材质规格工件连续加工关系，并输出符合前述工艺关系的设备加工序列和工序时序。

3、（二）技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

5、第一方面，本发明提供了一种双工艺约束的moea-d钢板下料调度优化方法，包括：

6、获取待加工钢板工件的材质牌号、板厚规格、三道工序加工时长、可选切割机及横移车固定延时，建立各工件依次完成上料、切割和下料且同一工件的三道工序绑定同一切割机的调度约束；

7、构建包括机器编码层和工序时序编码层的双层染色体；其中，所述机器编码层记录各工序的切割机分配，所述工序时序编码层记录工件加工顺序；

8、按照材质牌号和板厚规格划分材质工件组，使同组工件在所述工序时序编码层中连续排布，并基于所述材质工件组生成初始种群；

9、按照所述机器编码层对工序进行设备聚类，在各切割机内依据所述工序时序编码层确定工件先后关系，并使后序工件的上料开始时间不早于前序工件的切割完成时间与所述横移车固定延时之和，以重构各工序时序；

10、以材质工件组为交叉操作单元，在同组内执行设备分配变异，并对变异后的染色体执行所述工序时序的重构，利用moea-d对总完工时间和工件顺序偏差进行迭代优化；

11、在满足终止条件后，依据所述总完工时间和所述工件顺序偏差的预设偏好权重，从迭代所得的pareto最优解中确定目标调度解，并对所述目标调度解进行解码，输出各切割机的工件加工序列以及各工序的开工时间和完工时间。

12、第二方面，本发明提供了一种双工艺约束的moea-d钢板下料调度优化装置，包括：

13、数据获取与约束建模模块，用于获取待加工钢板工件的材质牌号、板厚规格、三道工序加工时长、可选切割机及横移车固定延时，建立各工件依次完成上料、切割和下料且同一工件的三道工序绑定同一切割机的调度约束；

14、双层编码模块，用于构建包括机器编码层和工序时序编码层的双层染色体；其中，所述机器编码层记录各工序的切割机分配，所述工序时序编码层记录工件加工顺序；

15、种群初始化模块，用于按照材质牌号和板厚规格划分材质工件组，使同组工件在所述工序时序编码层中连续排布，并基于所述材质工件组生成初始种群；

16、时序重构模块，用于按照所述机器编码层对工序进行设备聚类，在各切割机内依据所述工序时序编码层确定工件先后关系，并使后序工件的上料开始时间不早于前序工件的切割完成时间与所述横移车固定延时之和，以重构各工序时序；

17、迭代优化模块，用于以材质工件组为交叉操作单元，在同组内执行设备分配变异，并对变异后的染色体执行所述工序时序的重构，利用moea-d对总完工时间和工件顺序偏差进行迭代优化；

18、解码输出模块，用于在满足终止条件后，依据所述总完工时间和所述工件顺序偏差的预设偏好权重，从迭代所得的pareto最优解中确定目标调度解，并对所述目标调度解进行解码，输出各切割机的工件加工序列以及各工序的开工时间和完工时间。

19、作为上述双工艺约束的moea-d钢板下料调度优化方法或者装置的再一步改进，所述调度约束包括工件内部工序时序约束、设备独占约束、跨工件时序耦合约束和材质聚合约束；

20、其中，所述工件内部工序时序约束限定同一工件依次完成上料工序、切割工序和下料工序；

21、所述设备独占约束限定同一切割机在同一时刻至多执行一道工序；

22、所述跨工件时序耦合约束限定同一切割机上后序工件的上料开始时间不早于前序工件的切割完成时间与横移车固定延时之和；

23、所述材质聚合约束限定同一材质工件组占据连续的加工序列区间。

24、作为上述双工艺约束的moea-d钢板下料调度优化方法或者装置的再一步改进，所述机器编码层和所述工序时序编码层的长度均为待加工工件数量与单个工件工序数量的乘积；同一工件在所述机器编码层中的三道工序对应相同的切割机编号，并在所述工序时序编码层中连续出现三次。

25、作为上述双工艺约束的moea-d钢板下料调度优化方法或者装置的再一步改进，所述按照材质牌号和板厚规格划分材质工件组，使同组工件在所述工序时序编码层中连续排布，并基于所述材质工件组生成初始种群，包括：

26、随机排列各材质工件组，分别随机排列各材质工件组内的工件；按照上料工序、切割工序和下料工序的顺序，将各工件的工件编号连续写入所述工序时序编码层；

27、从各工序的可选切割机中确定对应的机器编码，以形成材质聚合约束合规的初始染色体；

28、重复生成所述初始染色体，直至染色体数量达到预设种群规模，形成所述初始种群。

29、作为上述双工艺约束的moea-d钢板下料调度优化方法或者装置的再一步改进，各工序时序的重构过程包括：

30、依据所述机器编码层记录的切割机分配，将分配至同一切割机的工件及其工序进行聚类，形成各切割机对应的串行加工序列；

31、依据所述工序时序编码层确定各串行加工序列中的工件先后关系；

32、从各串行加工序列中的首个工件开始，按照上料工序、切割工序和下料工序的顺序递推计算各工序的开工时间和完工时间；

33、其中，对于同一切割机上的相邻前序工件和后序工件，所述固定延时从前序工件的切割工序完成时开始，并覆盖横移车接取、转运及分拣下料过程。

34、作为上述双工艺约束的moea-d钢板下料调度优化方法或者装置的再一步改进，所述moea-d的迭代优化过程包括：

35、以完整的材质工件组为交叉操作单元，在父代染色体之间同步交换所述材质工件组对应的工序时序编码段和机器编码段；

36、在选定材质工件组内选择至少一个工件，改变所述工件的切割机分配，并同步更新所述工件三道工序对应的机器编码；

37、对交叉和变异后生成的子代染色体执行所述工序时序的重构，计算所述子代染色体的总完工时间和工件顺序偏差，并基于权重向量、邻域和切比雪夫聚合值更新种群。

38、作为上述双工艺约束的moea-d钢板下料调度优化方法或者装置的再一步改进，所述目标调度解的确定过程包括：

39、当满足以下任一条件时终止迭代：(i)迭代次数达到预设最大迭代次数；(ii)pareto前沿在连续预设代数内的改善量未达到预设改善阈值；

40、终止迭代后，分别对迭代所得的各pareto最优解的总完工时间和工件顺序偏差进行归一化，按照所述预设偏好权重对归一化后的总完工时间和工件顺序偏差进行加权评价，并将加权评价值最小的pareto最优解确定为所述目标调度解。

41、第三方面，本发明提供了一种存储介质，其存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时，实现如第一方面所述的moea-d钢板下料调度优化方法。

42、第四方面，本发明提供了一种电子设备，所述电子设备包括：

43、处理器、存储器以及存储于所述存储器并能够由所述处理器执行的程序指令，所述处理器执行所述程序指令时，实现如第一方面所述的moea-d钢板下料调度优化方法。

44、（三）有益效果

45、本发明提供了一种双工艺约束的moea-d钢板下料调度优化方法及装置。与现有技术相比，具备以下有益效果：

46、本发明中，通过按照材质牌号和板厚规格划分材质工件组，使同一材质工件组在工序时序编码层中连续排布，并以材质工件组为交叉操作单元、在组内执行设备分配变异，能够降低进化操作拆分材质工件组而产生材质聚合违规解的可能性；通过按照设备分配结果对工序进行设备聚类，并依据前序工件切割完成时间和横移车固定延时重构同一切割机内的工序时序，能够降低跨工件时序冲突。由此，本方法可减少初始化及moea-d迭代过程中产生的工艺违规个体，提高输出加工序列和工序时序的工艺可执行性。