基于遗传算法的车间调度管理问题研究与应用

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摘 要
车间调度管理是企业根据生产资源对生产任务进行作业排序，并对生产过程
进行有效管理，调度结果的合理与否是企业能否按时完成生产任务的关键。在现
有研究成果的基础上，针对上海精智实业有限公司的生产情况，本文利用VB6.0、
SQL数据库和Access2007数据库作为工具，为企业研究并开发了车间调度管理系
统，该系统主要包括生产调度、车间通信、刀具管理等功能。
车间调度管理是企业管理的重要环节，合理的作业排序、有效的生产管理，
能够保证生产任务的按时完成，提高资源利用率和企业的经济效益。在实际生产
中，刀具是有限的资源，刀具分配是制约生产排序的关键问题。刀具管理是利用
有限的刀具完成最佳的生产分配，辅助完成生产任务调度，即刀具的动态分配。
本文所研究的车间调度和刀具管理功能相互配合，紧密联系。本文所编写的软件
系统主要利用遗传算法作为研究车间调度的核心理论，设计了算法结构，编写了
调度的核心算法程序。
本文根据企业的实际生产情况进行算法设计，所编写的算法使任务调度与刀
具管理相互结合，在生产中得到实际运用。本算法实现了生产任务在设备上的加
工分配，并根据刀具的使用情况，当多台机床争用同一把刀具时，根据实际约束
条件解决刀具分配的问题。在生产过程中还对刀具进行使用计时，记录并保存了
刀具的累积使用时间，为刀具的检修和报废提供了依据。
为了提高生产管理环节与企业管理其他环节联系的实时性，本文研究的车间
调度管理系统设计了车间通信功能，采用了触摸屏设备系统，为其编写了人机交
互界面，使得车间操作人员能够及时将加工完成情况及时反馈给调度管理中心，
便于企业相关部门实时了解生产情况。
最后，本文所设计的车间调度管理系统在上海精智实业有限公司进行了实际
调试运用，对比了企业原有调度方式和本系统调度方式，调度结果的比较结果验
证了本系统的有效性。
关键词：车间调度 遗传算法 刀具管理 车间通信
ABSTRACT
Job shop scheduling is the production task scheduling made by the enterprise
based on the production resources, and production process of effective management,
the scheduling result is reasonable or not is the key to fulfill production task on time
for the enterprise. In the existing research results, this paper used VB6.0, SQL database
and Access2007 database as a tool, research and develop a shop scheduling
management system, including production scheduling, shop floor communication, tool
management functions, etc..
Job shop scheduling is an important part of enterprise management. Reasonable
job shop sequencing, efficient production management, which ensures the production
task would be finished in time, improves the production resource utilization rate and
economic benefits of enterprises. In practical production, the tool is a limited resource;
tool allocation is the key problem of the production scheduling. Tool management is
used limited tools to complete the best distributed issue, which supports the production
scheduling. The production scheduling and management function is close with each
other in this paper; the genetic algorithm is the core theory for the system.
Based on the actual production for algorithm design, the system is used in actual
production. The system could complete the production scheduling and cutting tools
distribution according to the manufacturing task and task rank. In the production
process the system also records and stores the tool's cumulative time which could
provides a basis for the tool repair and scrapped.
Finally, the scheduling management system is used in Shanghai Jing Zhi
Industrial Co., Ltd. for the actual debugging use, Compared the original enterprise
scheduling and the scheduling, scheduling results have verified the effectiveness of this
system.
Key Words: job shop scheduling, genetic algorithm, tool management,
shop floor communication
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ................................................................................................................. 1
§1.1 课题研究的背景及意义 ................................................................................ 1
§1.2 国内外研究现状及存在问题 ........................................................................ 2
§1.2.1 国内外研究现状...................................................................................... 2
§1.2.2 存在问题.................................................................................................. 3
§1.3 车间调度问题发展趋势 ................................................................................ 3
§1.4 本文研究内容及结构 .................................................................................... 4
§1.4.1 本文研究内容.......................................................................................... 4
§1.4.2 本文结构.................................................................................................. 4
§1.5 本章小结 ........................................................................................................ 5
第二章 车间调度问题概述 ......................................................................................... 6
§2.1 车间调度 ........................................................................................................ 6
§2.1.1 车间调度定义.......................................................................................... 6
§2.1.2 车间调度的数学模型.............................................................................. 6
§2.1.3 车间调度的分类...................................................................................... 7
§2.1.4 车间调度的特点...................................................................................... 9
§2.1.5 车间调度问题的研究方法.................................................................... 10
§ 2.2 本文需要解决的调度问题 ........................................................................ 12
§2.2.1 公司生产情况介绍............................................................................... 12
§2.2.2 算法设计问题....................................................................................... 13
§2.2.3 约束条件设定问题................................................................................ 14
§2.2.4 刀具分配和刀具管理问题.................................................................... 14
§2.2.5 任务优先级设定问题........................................................................... 15
§2.2.6 调度结果显示与车间通信问题............................................................ 16
§2.3 本章小结 ...................................................................................................... 16
第三章 基于遗传算法的车间调度问题算法设计 ................................................... 17
§3.1 遗传算法简介 .............................................................................................. 17
§3.1.1 遗传算法基本概念................................................................................ 17
§3.1.2 遗传算法的基本流程............................................................................ 18
§3.1.3 算法参数的选取.................................................................................... 19
§3.1.4 遗传算法的优缺点................................................................................ 20
§3.2 编码设计 ...................................................................................................... 21
§3.2.1 遗传算法编码........................................................................................ 21
§3.2.2 编码过程................................................................................................ 22
§3.3 生成初始种群 .............................................................................................. 23
§3.4 选择操作 ...................................................................................................... 23
§3.5 适应度函数 .................................................................................................. 24
§3.6 交叉 .............................................................................................................. 26
§3.6.1 交叉方法概述........................................................................................ 26
§3.6.2 交叉运算................................................................................................ 27
§3.7 变异 .............................................................................................................. 28
§3.8 本章小结 ...................................................................................................... 29
第四章 调度过程相关问题研究 ............................................................................... 30
§4.1 约束条件的数学描述 ................................................................................. 30
§4.2 刀具管理 ...................................................................................................... 31
§4.2.1 刀具编码................................................................................................ 31
§4.2.2 刀具管理与监控.................................................................................... 33
§4.3 刀具分配 ...................................................................................................... 34
§4.4 调度结果显示 .............................................................................................. 37
§4.5 车间通信 ...................................................................................................... 39
§4.6 本章小结 ...................................................................................................... 40
第五章 软件开发与应用 ........................................................................................... 41
§5.1 车间调度管理系统设计 .............................................................................. 41
§5.1.1 系统设计的目标和关键........................................................................ 41
§5.2 系统框架 ...................................................................................................... 42
§5.3 系统主要功能介绍 ...................................................................................... 43
§5.3.1 任务调度................................................................................................ 44
§5.3.2 刀具管理................................................................................................ 50
§5.4 其他功能 ...................................................................................................... 51
§ 5.5 加工任务介绍 ............................................................................................. 52
§ 5.6 调度结果比较 ............................................................................................. 53
§ 5.6.1 人工调度............................................................................................... 53
§5.6.2 系统调度................................................................................................ 54
§ 5.6.3 结果比较............................................................................................... 57
§ 5.7 其他功能验证 ............................................................................................. 58
§ 5.8 本章小结 ..................................................................................................... 60
第六章 总结与展望 ................................................................................................... 61
§6.1 总结 ............................................................................................................. 61
§6.2 展望 ............................................................................................................. 62
参考文献 ..................................................................................................................... 63
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ......................................... 67
致 谢......................................................................................................................... 68
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题研究的背景及意义
科学技术的发展，尤其是信息技术、自动化技术、网络技术的迅速发展，使
得加工制造行业呈现市场响应快速化、产品多元化的趋势。小批量、多品种的生
产方式日益重要，生产的复杂行越来越高，因此对企业的生产管理提出了更高的
要求。生产有序、管理高效是企业获取最大经济效益的关键途径，以前简单的、
人工排序的作业排序方式以及传统的车间管理方式，已经不能满足现代生产的需
求。加工制造企业的管理者面临以下问题：
1. 如何根据产品需求的变化及时改变生产计划和组织生产，也就是车间生产
如何实时调度的问题。
2. 如何实现各种资源的合理配置，减少固定资产的闲置，提高设备利用率。
随着科技的迅速发展，固定资产尤其是机器设备有加速折旧的趋向，提高
设备利用率就是提升经济效益。
3. 生产部门和其他有关部门缺乏有效沟通，生产完成情况不能实时反馈给管
理者以及相关人员。
制造业是我国国民经济的支柱产业，在产业布局中占有中心地位。中国已成
为世界制造业的中心，如何提高企业的核心竞争力，关键就在于加快企业的信息
化进程。我国制造业信息化的重点普遍放在建设 ERP 管理系统等方面，ERP 管理
软件能有效提高企业运作的规范化，但市场响应越来越快速化对企业生产调度和
组织提出挑战，这是 ERP 系统无法完成的问题，车间生产调度管理的重要性就凸
现出来。
对车间生产作业调度管理问题进行探讨，寻找新的调度算法，具有很大的现
实意义和经济意义，主要有以下几点：
1. 为企业及时提供合理的生产作业排序方案，使企业制定出合适的生产计
划，提高生产的响应速度，保证生产有序进行。
2. 使用先进的调度算法，能够合理配置企业资源，提高设备利用率和生产效
率，最终提高企业经济效益。
3. 合理的车间调度管理，能够有效解决生产与管理等其他环节的沟通问题，
提升企业的管理能力，提高企业的综合竞争力。
摘要：

摘要车间调度管理是企业根据生产资源对生产任务进行作业排序，并对生产过程进行有效管理，调度结果的合理与否是企业能否按时完成生产任务的关键。在现有研究成果的基础上，针对上海精智实业有限公司的生产情况，本文利用VB6.0、SQL数据库和Access2007数据库作为工具，为企业研究并开发了车间调度管理系统，该系统主要包括生产调度、车间通信、刀具管理等功能。车间调度管理是企业管理的重要环节，合理的作业排序、有效的生产管理，能够保证生产任务的按时完成，提高资源利用率和企业的经济效益。在实际生产中，刀具是有限的资源，刀具分配是制约生产排序的关键问题。刀具管理是利用有限的刀具完成最佳的生产分配，辅助完成生产...

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