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基于多目标进化算法的流程工业生产调度问题研究

作　者: 刘烽
导　师: 张湘平
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 流程工业生产调度能耗铝工业多目标优化进化算法混沌优化算法
分类号: TP18
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

在能源供应日益紧张、价格日益高涨的国内外环境下,节能降耗有利于降低企业的生产成本,提高企业市场竞争力。生产调度系统是流程企业组织和管理生产的中心,实现优化调度对于流程企业降低能耗、增加系统柔性、提高设备利用率等方面发挥了重要作用。开展面向节能降耗的多目标生产调度问题研究,对流程工业尤其是冶金这样的高耗能工业具有重大的意义。本文是以国家自然科学基金重点项目《面向节能降耗的有色冶金过程控制若干理论与方法研究》(项目编号:60634020)的一个子项目:《流程工业过程的模式识别能耗寻优与优化调度方法研究》作为背景开展研究的。鉴于这一问题的复杂性,本文将主要针对流程工业中广泛存在的两种典型的多目标调度问题展开研究,运用最优化理论和进化算法,在建模、算法分析、算法改进、仿真验证及实例应用等方面进行较为深入的工作。主要研究内容如下:1、研究了混合流水车间多目标调度问题。以能耗和完工时间为优化目标,建立了混合流水车间多目标调度问题的数学模型;对比和分析了SPEA2、NSGA2和PAES算法求该模型的结果和性能;选择NSGA2这种求解效果较好的算法进行改进,针对NSGA2算法的不足,在算法中引入了冗余个体变异策略。仿真结果表明,改进的NSGA2算法能有效改善求解结果。2、研究了带模糊加工时间和模糊交货期的流水车间多目标调度问题。以等待能耗、模糊完工时间和平均满意度为目标,建立了模糊流水车间多目标调度问题的数学模型;结合非劣排序、拥挤度概念和混沌优化算法,提出了一种多目标Memetic混沌进化算法。仿真结果表明该算法对于求解该问题具有较大优势。3、研究了铝工业生产的多目标调度问题。将铝工业生产流程划分为生产氧化铝和加工氧化铝两个阶段,对这两个阶段的多目标调度问题分别建立了数学模型;提出了有效解决铝土矿工艺约束的编码方法、交叉和变异算子;将氧化铝加工阶段视为一个多产品批处理过程,从而将其转化为混合流水车间调度问题;利用Memetic混沌进化算法对一个铝厂生产实例的调度问题进行了求解计算,得到了较为合理有效的结果。

全文目录

摘要  9-10
ABSTRACT  10-12
第一章绪论  12-25
  1.1 课题研究背景  12-15
    1.1.1 课题来源及研究意义  12
    1.1.2 生产调度问题描述与分类  12-13
    1.1.3 流程工业及特点  13-14
    1.1.4 多目标生产调度问题的研究现状  14-15
  1.2 多目标优化问题的定义、基本概念及求解算法的研究动向  15-17
    1.2.1 多目标优化问题的定义  15
    1.2.2 MOP 的相关概念  15-16
    1.2.3 MOP 求解算法的研究动向  16-17
  1.3 典型多目标进化算法介绍  17-22
    1.3.1 SPEA2(Strength Pareto Evolutionary Algorithm 2)  17-18
    1.3.2 NSGA2(Nondominated Sorting Genetic Algorithm 2)  18-20
    1.3.3 PAES(Pareto Archived Evolution Strategy)  20-21
    1.3.4 MOEA 的性能指标定义  21-22
  1.4 课题主要研究思路  22-23
  1.5 本文的主要工作和内容安排  23-25
第二章混合流水车间多目标调度问题研究  25-39
  2.1 HFMSP 问题描述  25
  2.2 HFMSP 的数学模型  25-28
    2.2.1 相关假设和参数说明  25-26
    2.2.2 HFMSP 的约束条件与目标函数  26-28
  2.3 HFMSP 进化算法设计、仿真及分析  28-33
    2.3.1 进化算法的实现步骤  28-30
    2.3.2 仿真数据的准备  30-31
    2.3.3 SPEA2、NSGA2、PAES 算法的仿真与分析  31-33
  2.4 基于非劣冗余个体变异策略的NSGA2 改进算法  33-37
    2.4.1 NSGA2 算法的不足  33
    2.4.2 非劣冗余个体变异策略  33-34
    2.4.3 NSGA2 改进算法的仿真及对比分析  34-35
    2.4.4 NSGA2 改进算法的收敛性分析  35-37
  2.5 本章小结  37-39
第三章模糊流水车间多目标调度问题  39-53
  3.1 FFMSP 的数学模型  39-43
    3.1.1 相关假设和参数说明  39-40
    3.1.2 约束条件  40-41
    3.1.3 目标函数  41-43
  3.2 求解FFMSP 的Memetic 混沌进化算法  43-47
    3.2.1 引言  43-44
    3.2.2 多目标Memetic 混沌进化算法  44-45
    3.2.3 多目标Memetic 混沌进化算法的实现  45-47
  3.3 仿真结果及分析  47-52
    3.3.1 双目标优化  48-50
    3.3.2 三目标优化  50-52
  3.4 本章小结  52-53
第四章铝工业生产多目标调度问题研究  53-70
  4.1 现代铝工业生产概述  53-54
  4.2 铝工业生产多目标调度问题的描述  54-58
    4.2.1 铝工业生产调度问题描述  54-56
    4.2.2 主要参数  56-57
    4.2.3 相关假设  57-58
  4.3 氧化铝产品的分批方法  58-59
  4.4 铝工业生产多目标调度问题的数学模型  59-62
    4.4.1 约束条件  59-60
    4.4.2 目标函数的表达  60-62
  4.5 铝工业生产多目标调度问题算法设计  62-64
    4.5.1 生产氧化铝阶段调度问题的编码  62-63
    4.5.2 生产氧化铝阶段调度问题的交叉算子  63
    4.5.3 生产氧化铝阶段调度问题的变异算子  63-64
    4.5.4 混沌局部搜索算子  64
  4.6 实例求解及结果分析  64-68
    4.6.1 数据的准备  64-66
    4.6.2 算法参数  66
    4.6.3 计算结果分析  66-68
  4.7 本章小结  68-70
第五章总结与展望  70-72
  5.1 全文总结  70-71
  5.2 展望  71-72
致谢  72-73
参考文献  73-77
作者在学期间取得的学术成果  77

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