基于学习指导的混合遗传算法在柔性作业车间调度问题中的应用研究

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随着全球市场竞争的加剧和信息技术的不断发展,中国逐渐开启工业4.0之路,制造业随之不断发展。对于制造型企业,能否合理调度生产,将直接影响各大生产指标,进而影响企业的效率和效益。柔性作业车间调度问题是经典作业车间调度问题的一种扩展,也是一个NP难题。实际生产中往往需要同时优化多个目标,故多目标柔性作业车间调度问题逐渐成为研究重点。柔性作业车间调度问题要同时考虑工序排序问题和机器分配问题,当前广泛采用进化算法和群体智能来求解该问题,其中,遗传算法和粒子群优化算法是这两类算法的典型代表。粒子群优化算法原理简单,具有一定记忆功能,适合对解空间进行粗粒度搜索,但是其搜索精度不高。在遗传算法中,染色体具有多元化的变异和交叉算子,更可能遍历所有解,进行精细搜索,但是其性能易受到参数的影响而陷入局部最优解。由于它们的优化机理和共享机制不同,遗传算法为并行搜索,粒子群则为串行单点搜索,故本文将两者结合提出了基于学习指导的混合遗传—粒子群优化算法(TL-HGAPSO)来求解多目标柔性作业车间调度问题。该算法包含三大模块:遗传算法模块(GA)、双存储器学习模块(BL)和粒子群优化模块(PSO)。首先,BL模块将学习机制引入遗传算法,使染色体具有自学习特性。同时,本文设计了按照最小等待时间进行机器分配的初始化方法,然后改进了传统遗传算法中的交叉和变异算子,引入两个阈值来动态控制变异过程,定义了海明相似度来比较个体之间的相似性,设计了多父代交叉机制来提高子代产生优良解的速度。在遗传进化的过程中,GA模块中的子代不断学习BL模块中优良染色体的性状以提高其适值,同时采用精英选择策略来完成BL模块的更新。随后,在PSO模块中提出适合离散域的粒子群位置更新公式,并行迭代遗传种群和粒子群,在协同进化的过程中交换种群信息,实现两大种群优势互补,提高算法效率。本文采用13组基准实例,每组连续运行20次,共260个试验结果与其他算法的结果进行对比。实验表明,无论是测试结果还是运行时间,本文提出的TL-HGAPSO算法在大多数问题中均取得较优的Pareto解,充分验证了本文设计的算法能够有效解决柔性作业车间调度问题。
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