基于特定單元事件點(diǎn)的改進(jìn)間歇生產(chǎn)調(diào)度模型

韓豫鑫，顧幸生（華東理工大學(xué)化工過程先進(jìn)控制與優(yōu)化技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237）

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基于特定單元事件點(diǎn)的改進(jìn)間歇生產(chǎn)調(diào)度模型

韓豫鑫，顧幸生
（華東理工大學(xué)化工過程先進(jìn)控制與優(yōu)化技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237）

摘要：建立有效的間歇調(diào)度模型一直是生產(chǎn)調(diào)度問題調(diào)度研究的熱點(diǎn)，而連續(xù)時間模型是優(yōu)化短期間歇生產(chǎn)調(diào)度問題的有效工具。基于特定單元事件點(diǎn)的概念，建立一種改進(jìn)的間歇調(diào)度連續(xù)時間混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）模型。該調(diào)度模型引入了新變量，使模型處理物料在不同設(shè)備間的傳輸過程更加靈活。結(jié)果表明，提出的改進(jìn)模型只需要較少的事件點(diǎn)，就可以快速有效處理無限中間存儲（UIS）間歇調(diào)度問題。

關(guān)鍵詞：間歇調(diào)度問題；生產(chǎn)；優(yōu)化；特定單元事件點(diǎn)；模型

DIO: 10.11949/j.issn.0438-1157.20151860

2015-12-08收到初稿，2015-12-22收到修改稿。

聯(lián)系人：顧幸生。第一作者：韓豫鑫（1990—），男，博士研究生。

引 言

在流程工業(yè)生產(chǎn)過程中，間歇生產(chǎn)過程占有重要位置，其在食品、藥品、染料生產(chǎn)過程中廣泛應(yīng)用。間歇生產(chǎn)過程具有小批量、生產(chǎn)設(shè)備功能冗余、生產(chǎn)路線靈活等特點(diǎn)，從而表現(xiàn)出良好的靈活性和適應(yīng)性[1-3]。間歇生產(chǎn)的結(jié)果非常依賴生產(chǎn)調(diào)度，通過實(shí)施合理的生產(chǎn)調(diào)度方案，可以有效提高間歇過程生產(chǎn)能力。

在過去的30年間，間歇調(diào)度研究取得很多的研究成果，多種間歇調(diào)度建模方法被提出并用于解決間歇調(diào)度問題。以時間的表達(dá)方式來劃分，這些調(diào)度模型主要分為離散時間[4-6]和連續(xù)時間建模方法。其中連續(xù)時間表達(dá)方式可以進(jìn)一步分為全局事件點(diǎn)[7]、基于時間槽[8]、基于特定單元事件點(diǎn)[9-11]和基于順序[12-13]的連續(xù)時間建模方法，而所有的模型都?xì)w結(jié)為混合整數(shù)線性規(guī)劃模型（mix integer linear programming，MILP）。經(jīng)過大量研究表明，基于特定單元事件點(diǎn)建模方法可以有效降低間歇調(diào)度模型中出現(xiàn)的變量數(shù)量和所需事件點(diǎn)數(shù)量，是非常有效的間歇調(diào)度建模方法。

事件點(diǎn)的概念最早由Ierapetritou等[14]提出，主要針對間歇過程短期調(diào)度，在生產(chǎn)設(shè)備時間軸上采用一系列離散點(diǎn)來表示任務(wù)的開始和結(jié)束。最初的調(diào)度模型存在很大的局限性，之后有很多的研究者針對模型存在的問題進(jìn)行了改進(jìn)和研究。Janak等[15]提出了特定單元事件點(diǎn)模型在處理不同存儲策略和資源約束的方法，并首先提出了跨越多個事件點(diǎn)任務(wù)的模型表達(dá)方式。Shaik等[16]提出了基于資源任務(wù)網(wǎng)（RTN）的模型（S&F），用于解決無資源約束的間歇調(diào)度問題。之后，他們又提出了含有三參數(shù)變量的模型[17]，結(jié)果顯示這種新的概念可以有效解決間歇調(diào)度問題。Shaik等[18-19]將這種含有三參數(shù)變量的模型推廣到更加復(fù)雜的情況（S&V），提出局部條件順序和嚴(yán)格條件順序的概念，使模型使用更少的事件點(diǎn)就可以解決標(biāo)準(zhǔn)算例。

本文主要解決無限中間存儲（UIS）策略的間歇調(diào)度問題。以特定單元事件點(diǎn)概念為基礎(chǔ)，主要針對傳統(tǒng)模型存在的缺點(diǎn)，提出新的變量和約束，使模型在不影響調(diào)度結(jié)果的情況下，能以較快的速度以及較少的事件點(diǎn)得到最優(yōu)解。

1 間歇生產(chǎn)過程調(diào)度模型

1.1 問題描述

本文建立的模型以狀態(tài)任務(wù)網(wǎng)（STN）為基礎(chǔ)，以Shaik等[16]提出的模型（S&F）和Vooradi等[19]提出的模型為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)。

多目的短期調(diào)度間歇生產(chǎn)過程調(diào)度問題已知條件如下：①生產(chǎn)配方，即不同任務(wù)在生產(chǎn)設(shè)備上的加工時間和所需原料；②生產(chǎn)設(shè)備及其生產(chǎn)能力；③中間存儲容量和存儲策略；④必要的生產(chǎn)資源及其可用性；⑤初始原料和產(chǎn)品訂單；⑥生產(chǎn)周期。調(diào)度需要確定的內(nèi)容如下：①生產(chǎn)設(shè)備中生產(chǎn)任務(wù)的加工順序；②每個加工任務(wù)的批量大小；③每個加工任務(wù)的加工時間；④合適的目標(biāo)函數(shù)，包括最小加工時間和最大加工利潤。

模型假設(shè)：①除了設(shè)備以外，沒有其他資源限制；②忽略設(shè)備之間的轉(zhuǎn)移時間；③無限中間存儲（UIS）。

2.2 間歇調(diào)度數(shù)學(xué)模型

（1）分配約束 式（1）表示在每臺生產(chǎn)設(shè)備中，在同一事件點(diǎn)至多有一項(xiàng)加工任務(wù)發(fā)生。其中，i表示加工任務(wù)，n表示事件點(diǎn)，w(i,n)表示任務(wù)i在事件點(diǎn)n是否存在的二進(jìn)制變量。

（2）批量約束 式（2）表示每次加工批量大小B(i,n)保持在最大和最小限制之內(nèi)。

（3）物料平衡約束 式（3）與式（4）表示每個事件點(diǎn)產(chǎn)生的物料平衡約束。其中，ST(s,n)表示事件點(diǎn)n存儲量

式（3）適用于首個事件點(diǎn)的物料平衡，式（4）適用于其他事件點(diǎn)。在式（4）中，等號右側(cè)包含每個事件點(diǎn)加工任務(wù)產(chǎn)生的中間物料以及加工任務(wù)消耗的物料。

（4）加工時間約束 式（5）表示在每個加工任務(wù)開始時間Ts(i,n)、結(jié)束時間Tf(i,n)以及加工時間之間的約束。加工時間包含了加工時間的常量αi和變量βi。

如果設(shè)備限制加工后設(shè)備等待時間，則采用式（6）來進(jìn)行約束。其中，UWi表示等待時間的限制。

（5）加工順序約束

① 同一任務(wù)在同一設(shè)備上 在相同設(shè)備上的相同任務(wù)，采用式（7）來約束加工任務(wù)的先后順序。

② 不同任務(wù)在相同設(shè)備上 在同一設(shè)備上的不同任務(wù)，采用式（8）來約束加工任務(wù)的先后順序。

③ 不同任務(wù)在不同設(shè)備上 不同任務(wù)在不同設(shè)備上的順序約束，表示使用相同中間存儲的加工任務(wù)之間加工順序約束。一般確定物料傳輸時間主要的處理方法是統(tǒng)一進(jìn)行規(guī)范，即在事件點(diǎn)統(tǒng)一進(jìn)行，如式（9）所示。

其中，M是足夠大正數(shù)，即大M約束。式（9）用于限制加工過程中物料傳輸過程中時間約束。

如果中間儲罐存儲適量的加工原料，消耗中間存儲的加工任務(wù)可是適當(dāng)改變開始時間，使調(diào)度需要事件點(diǎn)數(shù)量減少。針對使用中間存儲和物料傳輸過程中存在限制，在V&S模型[19]的基礎(chǔ)上，本文對原變量進(jìn)行修改并提出新變量對模型進(jìn)行改進(jìn)：be(i,i′,n)表示生產(chǎn)物料任務(wù)i向消耗物料任務(wù)i′在事件點(diǎn)n提供的批量；ze(i,i′,n)是二進(jìn)制變量，表示生產(chǎn)物料任務(wù)i向消耗物料任務(wù)i′在事件點(diǎn)n是否提供物料，0和1分別表示提供和不提供；新變量ST(s,i′,n)表示中間儲罐s向任務(wù)i提供的批量大小。根據(jù)對變量的定義，式（10）～式（16）表示使用相同中間存儲的加工任務(wù)之間加工順序約束。

其中，式（10）～式（12）表示物料傳輸?shù)奈锪掀胶饧s束；式（13）表示傳輸批量約束，與式（2）相似；式（14）、式（15）是對二進(jìn)制變量ze(i,i′,n)進(jìn)行約束，若加工任務(wù)w(i′,n)與w(i,n?1)都為1，則ze(i,i′,n)才為1，否則為0；式（16）是時間順序約束，是一個大M約束，當(dāng)w(i,n?1)與ze(i,i′,n)同時為1時，此約束才生效。式（10）～式（16）表示只有當(dāng)消耗原料任務(wù)i使用前一事件點(diǎn)的物料時，時間約束式（16）才生效。

同時，由于物料是否能傳遞，取決于是否加工和生產(chǎn)任務(wù)的存在，因此式（17）、式（18）用于對物料傳遞的約束。

由于模型以事件點(diǎn)單位進(jìn)行時間上和物料上的約束，而且二進(jìn)制變量用來表示任務(wù)發(fā)生的先后順序，與連續(xù)變量時間并無直接關(guān)系，式（19）用來防止出現(xiàn)實(shí)時沖突。

在式（19）中，當(dāng)前事件點(diǎn)消耗任務(wù)應(yīng)當(dāng)比兩個事件點(diǎn)前生產(chǎn)物料任務(wù)的結(jié)束時間晚。但是，上一個事件點(diǎn)的是以消耗任務(wù)的結(jié)束為止，因此本文提出式（20）用以防止出時間沖突。

式（21）同式（19）、式（20）相同，為防止出現(xiàn)實(shí)時沖突，及同一事件點(diǎn)加工任務(wù)和消耗任務(wù)之間的時間約束。

（6）生產(chǎn)期限約束 同一臺設(shè)備上所有加工任務(wù)的加工時間之和不能超過生產(chǎn)期限H。

（7）變量限定 變量限定主要對二進(jìn)制變量和連續(xù)變量進(jìn)行限制，用式（23）、式（24）表示。在實(shí)際計算過程中，某些變量也可以通過經(jīng)驗(yàn)來確定其具體值[14]。

（8）目標(biāo)函數(shù)

①以利潤最大為目標(biāo)

式（25）表示最終產(chǎn)品利潤最大的目標(biāo)函數(shù)。對于所有的含有大M的約束，其M均可由生產(chǎn)期限H替換。

② 最小加工時間

式（26）與式（27）為最小加工時間的目標(biāo)函數(shù)，包括最終產(chǎn)品的需求量和加工時間的要求。在以最小加工時間為目標(biāo)時，以上模型中的H變量全部替換為加工時間MS。

2 實(shí)例仿真及分析

2.1 仿真算例

為驗(yàn)證模型的有效性，本文采用3個算例進(jìn)行仿真計算，STN圖如圖1所示。

圖1 算例的STN圖Fig.1 State-task network representation for examples

算例1采用Vooradi等[19]提出的算例，該算例只參與計算利潤最大的無限中間存儲目標(biāo)，生產(chǎn)期限H=4。算例2采用Shaik等[17,19]提出的算例，包含加工過程并且含有循環(huán)加工過程。算例3采用Sundaramoorthy等[19-20]提出的算例，其中S6和S7的初始存料分別為50。

算例在CPU 2.33GHz、內(nèi)存4GB的計算機(jī)上，使用GAMS/CPLEX軟件進(jìn)行仿真，全部計算結(jié)果如表1～表3所示。

2.2 最大利潤仿真結(jié)果

以利潤最大為目標(biāo)進(jìn)行計算，算例1的生產(chǎn)周期H=4，算例2與算例3的生產(chǎn)周期分別為H=8、H=10、H=12、H=16。本文提出的模型的計算結(jié)果將與S&F[16]、V&S1[18]以及V&S2[19]模型的計算結(jié)果對比。V&S1和V&S2模型允許加工任務(wù)跨越多個事件點(diǎn)，在求取最優(yōu)值的基礎(chǔ)上默認(rèn)跨越事件點(diǎn)數(shù)量為0。計算結(jié)果對比內(nèi)容包括事件點(diǎn)數(shù)量(events)、松弛規(guī)劃(RMILP)、0-1混合規(guī)劃(MILP)、二進(jìn)制變量數(shù)量(binary variables)、連續(xù)變量數(shù)量(continuous variables)、約束數(shù)量(constraints)以及計算節(jié)點(diǎn)數(shù)(nodes)和計算時間(CPU time)。

算例1、2的計算結(jié)果見表1。從算例1的計算結(jié)果看到，本文提出的模型僅需要2個事件點(diǎn)就可以得到最優(yōu)值，而S&F與V&S1模型至少需要3個事件點(diǎn)才可得到最優(yōu)解，與V&S2模型相同，都可以有效減少時間點(diǎn)數(shù)量。圖（2）為算例1 的甘特圖。從圖2（a）中可以看出，由于使用約束式（9），使任務(wù)3與任務(wù)5的在事件點(diǎn)N2開始時間必須比任務(wù)1開始時間晚，因此任務(wù)3或5不能在事件點(diǎn)N2使用s2。只有當(dāng)任務(wù)3與任務(wù)1同在事件點(diǎn)N2時，任務(wù)3或5才能使用初始存料。而使用本文提出的模型，與V&S2模型相同，消耗物料任務(wù)的開始時間更加靈活，因此任務(wù)3開始時間可以比任務(wù)1的開始時間早，只需要2個事件點(diǎn)就可以取得最優(yōu)解。

圖2 算例1甘特圖Fig.2 Gantt chart for example 1

如表1所示不同生產(chǎn)期限算例2計算結(jié)果中，H=10的情況下，相比于模型S&F和V&S1調(diào)度模型，本文的模型改進(jìn)在不需要跨越事件點(diǎn)的情況下就可得到最優(yōu)解，并且松弛規(guī)劃（RMILP）的結(jié)果更好。相比V&S2模型，本文模型求解所需的計算節(jié)點(diǎn)數(shù)量（nodes）和計算時間都相對較少，而且所需的二進(jìn)制變量數(shù)量并未增加。由于需要更多的0-1變量和連續(xù)變量來表示物料傳輸過程中出現(xiàn)的情況，因此本文所需的變量和約束數(shù)目相比于S&F和V&S1模型，需要的變量和約束更多。在其他條件下，本文模型也可有效計算出調(diào)度結(jié)果。

表1 算例1、2最大利潤仿真結(jié)果Table 1 Computational results for examples 1, 2 under maximization of profit with UIS

算例3的計算結(jié)果見表2。在H=10情況下，S&F和V&S1模型需要8個事件點(diǎn)，且加工任務(wù)需要跨越一個事件點(diǎn)（Δn=1）才可以得到最優(yōu)解，本文提出的改進(jìn)模型僅需7個事件點(diǎn)即可，且需要的二進(jìn)制變量數(shù)量更少。相比于V&S2模型，本文的調(diào)度模型計算時間和計算節(jié)點(diǎn)數(shù)量更少，即計算速度更快。圖3為算例3（H=10）使用本文模型的甘特圖。

圖3 算例3甘特圖Fig.3 Gantt chart for example 3

2.3 生產(chǎn)周期最短仿真結(jié)果

算例2、3生產(chǎn)周期最短的計算結(jié)果見表3。算例2采用兩種不同產(chǎn)品需求量計算。從表中可以看出，在第2種情況下（D8=500，D9=400），V&S1模型需要跨越兩個事件點(diǎn)得到最優(yōu)解。而本文在無需跨越事件點(diǎn)的情況下就可得到最優(yōu)解。而且相比于V&S2模型，本文提出的模型計算速度更快，結(jié)算所需要的計算節(jié)點(diǎn)數(shù)量更少。

算例3也采用兩種情況進(jìn)行計算，3種模型結(jié)果相同。在不考慮跨越多個事件點(diǎn)的情況下，本文的改進(jìn)模型相比于V&S2模型，計算效率更高。

表2 算例3最大利潤仿真結(jié)果Table 2 Computational results for example 3 under maximization of profit with UIS

表3 算例2、3生產(chǎn)周期最短仿真結(jié)果Table 3 Computational results for examples 2, 3 under minimization of production cycle with UIS

3 結(jié) 論

本文研究的是間歇生產(chǎn)過程調(diào)度建模問題，建立的改進(jìn)間歇生產(chǎn)調(diào)度模型，針對設(shè)備之間物料傳輸約束進(jìn)行修改，提出了連續(xù)變量以及相應(yīng)的約束條件，對于物料傳輸和時間約束可能存在的多種情況進(jìn)行定義。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在處理無限中間存儲（UIS）間歇調(diào)度問題中，相比于Vooradi等[19]所提出的調(diào)度模型，本文建立的模型可以有效提升模型求解速度，并且不影響調(diào)度結(jié)果。但是由于新變量的引入，模型復(fù)雜度也相應(yīng)提高。針對間歇生產(chǎn)調(diào)度建模問題仍需要進(jìn)一步研究，如模型需要更適應(yīng)多種存儲策略以及設(shè)備等待策略等。

符 號 說 明

I ——加工任務(wù)集合

Ij——可在設(shè)備j中加工任務(wù)

J ——加工設(shè)備集合

N ——事件點(diǎn)集合

S ——存儲設(shè)備集合

SI——與任務(wù)I相關(guān)存儲

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研究論文

Received date: 2015-12-08.

Foundation item：supported by the National Natural Science Foundation of China (61174040, 61573144) and the Shanghai Commission of Science and Technology(12JC1403400).

Improved unit-specific event based model for scheduling of batch plants

HAN Yuxin, GU Xingsheng
(Key Laboratory of Advanced Control and Optimization for Chemical Processes (Ministry of Education), East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

Abstract:Establishing effective model of scheduling for batch processes is the hot spot of the batch processes scheduling research. Continuous-time models are evolved as a promising tool for optimizing problems related to short-term scheduling of batch plants. Short-term scheduling of batch operations is an important part of scheduling problems. Based on the concept of unit-specific event, an improved mixed integer linear programming model for scheduling of batch plants is proposed. Several new variables and constraints are introduced to make stock transfer between units more flexible. The result shows that the new model can deal with scheduling problems of unlimited intermediate storage effectively and faster with less number of events.

Key words:batch plants scheduling; production; optimization; unit-specific event; model

中圖分類號：TP 278

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：0438—1157（2016）03—0758—07

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61174040，61573144)；上海市科委基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（12JC1403400）。

Corresponding author：Prof. GU Xingsheng, xsgu@ecust.edu.cn