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基于目标增量的无等待流水调度算法研究

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第1章绪论

1.1研究背景与意义

1.2组合优化的相关概念

1.3相关问题研究现状

1.3.1调度问题概述

1.3.2基本调度算法

1.3.3无等待流水调度算法

1.3.4研究现状总结

1.4研究内容

1.5论文结构安排

第2章无等待流水调度模型

2.1传统目标函数计算方法

2.2优化目标Flowtime的等价转化

2.2.1最大左移长度

2.2.2机器m上完工时间距离及目标函数

2.2.3通用机器完工时间距离及目标函数

2.3优化目标Makespan的等价转化

2.4 Makespan与Flowtime舣优化目标等价转化

2.5本章小节

第3章最小化Makespan无等待调度混合遗传算法

3.1最大完工时间增量性质与方法

3.1.1基本操作目标增量性质

3.1.2扩展目标增量性质

3.1.3基本目标增量方法

3.2算法混合策略

3.2.1混合算法结构与优化策略

3.2.2混合遗传算法

3.3最小化Makespan无等待调度问题混合遗传算法IIHG

3.3.1个体编码

3.3.2初始种群生成

3.3.3进化算子

3.3.4算子概率动态更新策略

3.3.5局部搜索

3.3.6收敛判断与再生机制

3.3.7 IIHG算法描述

3.4模拟实验结果

3.5本章小结

第4章基于目标增量的最小化Flowtime无等待调度启发式算法

4.1总完工时间增量性质与方法

4.1.1机器m上目标增量性质与方法

4.1.2目标增量性质与方法的推广

4.2基于总完工时间增量的复合启发式算法OICF1

4.2.1生成初始解

4.2.2迭代构造解

4.2.3 OICH1算法描述

4.2.4实例说明

4.2.5模拟实验结果

4.3基于总完工时间增量的复合启发式算法OICH2

4.3.1 LGS算法

4.3.2 OICH算法描述

4.3.3模拟实验结果

4.4本章小结

第5章最小化Flowtime无等待调度智能优化算法

5.1基本智能局部搜索策略

5.2基于最小化总完工时间增量的快速迭代贪婪算法FIG

5.2.1初始解生成

5.2.2分段式重构策略

5.2.3迭代全局搜索

5.2.4个体接收准则

5.2.5 FIG算法描述

5.2.6模拟实验结果

5.3基于动态选择机制的混合遗传算法DSHG

5.3.1初始种群生成

5.3.2动态选择策略

5.3.3进化策略

5.3.4改进变邻域局部搜索

5.3.5 DSHG算法描述

5.3.6模拟实验结果

5.4基于轮转扰动的微型进化算法MEA

5.4.1初始种群生成

5.4.2进化策略

5.4.3局部搜索

5.4.4 MEA算法描述

5.4.5模拟实验结果

5.5本章小结

第6章多目标优化的无等待流水调度问题

6.1基本概念

6.2基本操作目标增量性质

6.3基于目标增量的多目标混合遗传算法OlMoGA

6.3.1初始种群生成

6.3.2适应度分配

6.3.3个体选择机制

6.3.4进化算子

6.3.5精英保留机制

6.3.6局部/全局搜索

6.3.7 OIMOGA算法描述

6.4.模拟实验结果

6.5本章小结

第7章总结与展望

7.1主要研究工作

7.2进一步研究方向

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间参加的科研项目

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摘要

无等待流水调度(NWFS)是一类重要的约束流水调度问题,它要求任务的加工从开始到结束必须连续进行,不能出现等待,即任务在给定机器上的开始时间必须延迟以满足该工序的完成时间与下一个工序在下一台机器上的开始时间相符合。该问题广泛存在于冶金、塑料、化工和食品加工等行业,高级制造环境如JIT、FMS以及机器之间具有高度协作的加工环境,通常也被模型化为无等待调度。无等待调度的优化目标可模型化为相邻任务间“距离”或“总空闲时间”的加权和,通过分析发现这些“距离”或“总空闲时间”只与相关任务的加工时间有关,独立于调度序列中的其他任务,故可事先确定,算法搜索过程中产生的调度是否更优可以通过计算所有变化点的目标增量和来评价,而不需要计算整个调度中所有任务的时间参数,可大大降低算法的时间复杂度。基于该无等待流水调度特性,通过对该问题国内外研究现状的分析,论文重点围绕最小化最大完工时间(Makespan)、最小化总完工时间(Flowtime)以及最小化二者的双目标无等待调度问题进行深入研究,主要工作和创新点如下: (1)构建最大完工时间和总完工时间最小化的无等待调度模型:根据最大左移长度(Tri-L)将一个任务的最大完工时间等价转化为其前面任务间距离和,从而将目标函数Flowtime等价转化为相邻任务距离加权和的形式;根据最大左移长度,将最小化Makespan问题等价转化为求解所有机器上总空闲时间和最小的问题:而Flowtime与Makespan双目标则转化为相邻任务的距离加权和。分析出目标函数值的独立性。 (2)提出基于增量的最大完工时间最小化无等待调度混合遗传算法:根据问题特点分析并推导启发式算法插入、删除、移位和对换等基本操作的基本最大完工时间增量性质及其扩展性质;构造MBJI、MBJT和MBJS三种基本目标增量法;分析了混合算法的基本结构与优化策略,设计混合遗传算法IIHG,并将其与求解该问题的最有效算法在120个Benchmark实例上进行了比较,验证了IIHG在性能和效率上的优势。 (3)提出基于增量的总完工时间最小化无等待调度复合启发式算法:根据问题特点分析并推导启发式算法插入、删除、移位和对换等基本操作的总完工时间增量性质:构造FBJI、FBJT年IIFBJS基本目标增量法;将该性质推广到任意一台机器,并构造FGBI、FGBT和FGBS通用总完工时间增量法;设计复合启发式算法OICH1和OICH2;实验结果表明,OICH1在性能和效率方面均优于当前最好的启发式算法PHlp: OICH2在性能上比OICH1好,但其时间开销较大。 (4)提出基于增量的总完工时间最小化无等待调度智能优化算法:设计基于分段重构策略和迭代全局搜索的快速迭代贪婪算法FIG、基于动态选择策略和唯一性稳态繁殖策略的混合遗传算法DSHG、以及基于高概率轮转扰动的微型进化算法MEA等三种智能优化方法;实验结果表明,FIG在性能上优于PHlp和SRTS,略逊于DPSOvnd,在效率上优于SRTS和DPSOvnd,比PHlp略差;DSHG在性能上远好于PHlp、SRTS和TGA,在效率上优于TGA,逊于PHlp和SRTS: MEA算法与目前求解该问题最好的算法DPSOvnd相比,在计算效率相近的情况下其性能更优。 (5)提出基于增量的最大完工时间与总完工时间双目标最小化无等待调度智能优化算法:根据问题特点分析并推导启发式算法插入、删除、移位和对换等基本操作的加权和目标增量性质;设计混合遗传算法OIMOGA,并将其与求解该问题的最有效算法在30个Benchmark实例上进行了比较,结果表明OIMOGA在不同情况下所获得的最优解都充满可行目标空间域,特别是对于较大规模问题其性能优势明显,可取得较多、分布均匀、高质量的Pareto最优解。

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