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greensim
[专家分：0] 发布于 2011-07-31 17:46:00
流水线型车间作业调度问题可以描述如下：n个任务在流水线上进行m个阶段的加工，每一阶段至少有一台机器且至少有一个阶段存在多台机器，并且同一阶段上各机器的处理性能相同，在每一阶段各任务均要完成一道工序，各任务的每道工序可以在相应阶段上的任意一台机器上加工，已知任务各道工序的处理时间，要求确定所有任务的排序以及每一阶段上机器的分配情况，使得调度指标(一般求Makespan)最小。下面的源码是求解流水线型车间作业调度问题的遗传算法通用MATLAB源码，属于GreenSim团队原创作品，转载请注明。
function [Zp,Y1p,Y2p,Y3p,Xp,LC1,LC2]=JSPGA(M,N,Pm,T,P)
%--------------------------------------------------------------------------
% JSPGA.m
% 流水线型车间作业调度遗传算法
% GreenSim团队原创作品，转载请注明
% Email:greensim@163.com
% GreenSim团队主页：http://blog.sina.com.cn/greensim
% [color=red]欢迎访问GreenSim——算法仿真团队→[url=http://blog.sina.com.cn/greensim]http://blog.sina.com.cn/greensim[/url][/color]
%--------------------------------------------------------------------------
% 输入参数列表
% M 遗传进化迭代次数
% N 种群规模(取偶数)
% Pm 变异概率
% T m×n的矩阵，存储m个工件n个工序的加工时间
% P 1×n的向量，n个工序中，每一个工序所具有的机床数目
% 输出参数列表
% Zp 最优的Makespan值
% Y1p 最优方案中，各工件各工序的开始时刻，可根据它绘出甘特图
% Y2p 最优方案中，各工件各工序的结束时刻，可根据它绘出甘特图
% Y3p 最优方案中，各工件各工序使用的机器编号
% Xp 最优决策变量的值，决策变量是一个实数编码的m×n矩阵
% LC1 收敛曲线1，各代最优个体适应值的记录
% LC2 收敛曲线2，各代群体平均适应值的记录
% 最后，程序还将绘出三副图片：两条收敛曲线图和甘特图（各工件的调度时序图）
%第一步：变量初始化
[m,n]=size(T);%m是总工件数，n是总工序数
Xp=zeros(m,n);%最优决策变量
LC1=zeros(1,M);%收敛曲线1
LC2=zeros(1,N);%收敛曲线2
%第二步：随机产生初始种群
farm=cell(1,N);%采用细胞结构存储种群
for k=1:N
X=zeros(m,n);
for j=1:n
for i=1:m
X(i,j)=1+(P(j)-eps)*rand;
end
end
farm{k}=X;
end
counter=0;%设置迭代计数器
while counter<M%停止条件为达到最大迭代次数
%第三步：交叉
newfarm=cell(1,N);%交叉产生的新种群存在其中
Ser=randperm(N);
for i=1:2:(N-1)
A=farm{Ser(i)};%父代个体
Manner=unidrnd(2);%随机选择交叉方式
if Manner==1
cp=unidrnd(m-1);%随机选择交叉点
%双亲双子单点交叉
a=[A(1:cp,:);B((cp+1):m,:)];%子代个体
b=[B(1:cp,:);A((cp+1):m,:)];
else
cp=unidrnd(n-1);%随机选择交叉点
b=[B(:,1:cp),A(:,(cp+1):n)];
end
newfarm{i}=a;%交叉后的子代存入newfarm
newfarm{i+1}=b;
end
%新旧种群合并
FARM=[farm,newfarm];
%第四步：选择复制
FITNESS=zeros(1,2*N);
fitness=zeros(1,N);
plotif=0;
for i=1:(2*N)
X=FARM{i};
Z=COST(X,T,P,plotif);%调用计算费用的子函数
FITNESS(i)=Z;
end
%选择复制采取两两随机配对竞争的方式，具有保留最优个体的能力
Ser=randperm(2*N);
for i=1:N
f2=FITNESS(Ser(2*i));
if f1<=f2
farm{i}=FARM{Ser(2*i-1)};
fitness(i)=FITNESS(Ser(2*i-1));
else
farm{i}=FARM{Ser(2*i)};
end
end
%记录最佳个体和收敛曲线
minfitness=min(fitness)
meanfitness=mean(fitness)
LC1(counter+1)=minfitness;%收敛曲线1，各代最优个体适应值的记录
LC2(counter+1)=meanfitness;%收敛曲线2，各代群体平均适应值的记录
pos=find(fitness==minfitness);
Xp=farm{pos(1)};
%第五步：变异
for i=1:N
if Pm>rand;%变异概率为Pm
X=farm{i};
I=unidrnd(m);
J=unidrnd(n);
X(I,J)=1+(P(J)-eps)*rand;
farm{i}=X;
end
end
farm{pos(1)}=Xp;
counter=counter+1
end
%输出结果并绘图
figure(1);
plotif=1;
X=Xp;
[Zp,Y1p,Y2p,Y3p]=COST(X,T,P,plotif);
figure(2);
plot(LC1);
figure(3);
plot(LC2);
function [Zp,Y1p,Y2p,Y3p]=COST(X,T,P,plotif)
% JSPGA的内联子函数，用于求调度方案的Makespan值
% 输入参数列表
% X 调度方案的编码矩阵，是一个实数编码的m×n矩阵
% T m×n的矩阵，存储m个工件n个工序的加工时间
% P 1×n的向量，n个工序中，每一个工序所具有的机床数目
% plotif 是否绘甘特图的控制参数
% 输出参数列表
% Zp 最优的Makespan值
% Y1p 最优方案中，各工件各工序的开始时刻
% Y2p 最优方案中，各工件各工序的结束时刻
% Y3p 最优方案中，各工件各工序使用的机器编号
%第一步：变量初始化
[m,n]=size(X);
Y1p=zeros(m,n);
Y2p=zeros(m,n);
Y3p=zeros(m,n);
%第二步：计算第一道工序的安排
Q1=zeros(m,1);
Q2=zeros(m,1);
R=X(:,1);%取出第一道工序
Q3=floor(R);%向下取整即得到各工件在第一道工序使用的机器的编号
%下面计算各工件第一道工序的开始时刻和结束时刻
for i=1:P(1)%取出机器编号
pos=find(Q3==i);%取出使用编号为i的机器为其加工的工件的编号
lenpos=length(pos);
if lenpos>=1
Q1(pos(1))=0;
if lenpos>=2
for j=2:lenpos
Q1(pos(j))=Q2(pos(j-1));
Q2(pos(j))=Q2(pos(j-1))+T(pos(j),1);
end
end
end
end
Y1p(:,1)=Q1;
Y3p(:,1)=Q3;
%第三步：计算剩余工序的安排
for k=2:n
R=X(:,k);%取出第k道工序
Q3=floor(R);%向下取整即得到各工件在第k道工序使用的机器的编号
%下面计算各工件第k道工序的开始时刻和结束时刻
for i=1:P(k)%取出机器编号
pos=find(Q3==i);%取出使用编号为i的机器为其加工的工件的编号
lenpos=length(pos);
if lenpos>=1
EndTime=Y2p(pos,k-1);%取出这些机器在上一个工序中的结束时刻
POS=zeros(1,lenpos);%上一个工序完成时间由早到晚的排序
for jj=1:lenpos
POS(jj)=ppp(1);
EndTime(ppp(1))=Inf;
end
%根据上一个工序完成时刻的早晚，计算各工件第k道工序的开始时刻和结束时刻
Q1(pos(POS(1)))=Y2p(pos(POS(1)),k-1);
Q2(pos(POS(1)))=Q1(pos(POS(1)))+T(pos(POS(1)),k);%前一个工件的结束时刻
if lenpos>=2
for j=2:lenpos
Q1(pos(POS(j)))=Y2p(pos(POS(j)),k-1);%预定的开始时刻为上一个工序的结束时刻
if Q1(pos(POS(j)))<Q2(pos(POS(j-1)))%如果比前面的工件的结束时刻还早
Q1(pos(POS(j)))=Q2(pos(POS(j-1)));
end
end
end
end
end
Y1p(:,k)=Q1;
Y2p(:,k)=Q2;
Y3p(:,k)=Q3;
end
%第四步：计算最优的Makespan值
Y2m=Y2p(:,n);
Zp=max(Y2m);
%第五步：绘甘特图
if plotif
for i=1:m
for j=1:n
mPoint1=Y1p(i,j);
mPoint2=Y2p(i,j);
mText=m+1-i;
PlotRec(mPoint1,mPoint2,mText);
Word=num2str(Y3p(i,j));
%text(0.5*mPoint1+0.5*mPoint2,mText-0.5,Word);
hold on
x1=mPoint1;y1=mText-1;
x2=mPoint2;y2=mText-1;
x4=mPoint1;y4=mText;
%fill([x1,x2,x3,x4],[y1,y2,y3,y4],'r');
fill([x1,x2,x3,x4],[y1,y2,y3,y4],[1,0.5,1]);
text(0.5*mPoint1+0.5*mPoint2,mText-0.5,Word);
end
end
end
function PlotRec(mPoint1,mPoint2,mText)
% 此函数画出小矩形
% 输入:
% mPoint1 输入点1,较小,横坐标
% mPoint2 输入点2,较大,横坐标
% mText 输入的文本,序号,纵坐标
vPoint = zeros(4,2) ;
vPoint(1,:) = [mPoint1,mText-1];
vPoint(2,:) = [mPoint2,mText-1];
vPoint(3,:) = [mPoint1,mText];
vPoint(4,:) = [mPoint2,mText];
plot([vPoint(1,1),vPoint(2,1)],[vPoint(1,2),vPoint(2,2)]);
hold on ;
plot([vPoint(1,1),vPoint(3,1)],[vPoint(1,2),vPoint(3,2)]);
plot([vPoint(2,1),vPoint(4,1)],[vPoint(2,2),vPoint(4,2)]);
plot([vPoint(3,1),vPoint(4,1)],[vPoint(3,2),vPoint(4,2)]);
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function [Zp,Y1p,Y2p,Y3p,Xp,LC1,LC2]=JSPGA(M,N,Pm,T,P)
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% JSPGA.m
% 流水线型车间作业调度遗传算法
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% 输入参数列表
% M 遗传进化迭代次数
% N 种群规模(取偶数)
% Pm 变异概率
% T m×n的矩阵，存储m个工件n个工序的加工时间
% P 1×n的向量，n个工序中，每一个工序所具有的机床数目
% 输出参数列表
% Zp 最优的Makespan值
% Y1p 最优方案中，各工件各工序的开始时刻，可根据它绘出甘特图
% Y2p 最优方案中，各工件各工序的结束时刻，可根据它绘出甘特图
% Y3p 最优方案中，各工件各工序使用的机器编号
% Xp 最优决策变量的值，决策变量是一个实数编码的m×n矩阵
% LC1 收敛曲线1，各代最优个体适应值的记录
% LC2 收敛曲线2，各代群体平均适应值的记录
% 最后，程序还将绘出三副图片：两条收敛曲线图和甘特图（各工件的调度时序图）
%第一步：变量初始化
[m,n]=size(T);%m是总工件数，n是总工序数
Xp=zeros(m,n);%最优决策变量
LC1=zeros(1,M);%收敛曲线1
LC2=zeros(1,N);%收敛曲线2
%第二步：随机产生初始种群
farm=cell(1,N);%采用细胞结构存储种群
for k=1:N
X=zeros(m,n);
for j=1:n
for i=1:m
X(i,j)=1+(P(j)-eps)*rand;
end
end
farm{k}=X;
end
counter=0;%设置迭代计数器
while counter<M%停止条件为达到最大迭代次数
%第三步：交叉
newfarm=cell(1,N);%交叉产生的新种群存在其中
Ser=randperm(N);
for i=1:2:(N-1)
A=farm{Ser(i)};%父代个体
Manner=unidrnd(2);%随机选择交叉方式
if Manner==1
cp=unidrnd(m-1);%随机选择交叉点
%双亲双子单点交叉
a=[A(1:cp,:);B((cp+1):m,:)];%子代个体
b=[B(1:cp,:);A((cp+1):m,:)];
else
cp=unidrnd(n-1);%随机选择交叉点
b=[B(:,1:cp),A(:,(cp+1):n)];
end
newfarm{i}=a;%交叉后的子代存入newfarm
newfarm{i+1}=b;
end
%新旧种群合并
FARM=[farm,newfarm];
%第四步：选择复制
FITNESS=zeros(1,2*N);
fitness=zeros(1,N);
plotif=0;
for i=1:(2*N)
X=FARM{i};
Z=COST(X,T,P,plotif);%调用计算费用的子函数
FITNESS(i)=Z;
end
%选择复制采取两两随机配对竞争的方式，具有保留最优个体的能力
Ser=randperm(2*N);
for i=1:N
f2=FITNESS(Ser(2*i));
if f1<=f2
farm{i}=FARM{Ser(2*i-1)};
fitness(i)=FITNESS(Ser(2*i-1));
else
farm{i}=FARM{Ser(2*i)};
end
end
%记录最佳个体和收敛曲线
minfitness=min(fitness)
meanfitness=mean(fitness)
LC1(counter+1)=minfitness;%收敛曲线1，各代最优个体适应值的记录
LC2(counter+1)=meanfitness;%收敛曲线2，各代群体平均适应值的记录
pos=find(fitness==minfitness);
Xp=farm{pos(1)};
%第五步：变异
for i=1:N
if Pm>rand;%变异概率为Pm
X=farm{i};
I=unidrnd(m);
J=unidrnd(n);
X(I,J)=1+(P(J)-eps)*rand;
farm{i}=X;
end
end
farm{pos(1)}=Xp;
counter=counter+1
end
%输出结果并绘图
figure(1);
plotif=1;
X=Xp;
[Zp,Y1p,Y2p,Y3p]=COST(X,T,P,plotif);
figure(2);
plot(LC1);
figure(3);
plot(LC2);
function [Zp,Y1p,Y2p,Y3p]=COST(X,T,P,plotif)
% JSPGA的内联子函数，用于求调度方案的Makespan值
% 输入参数列表
% X 调度方案的编码矩阵，是一个实数编码的m×n矩阵
% T m×n的矩阵，存储m个工件n个工序的加工时间
% P 1×n的向量，n个工序中，每一个工序所具有的机床数目
% plotif 是否绘甘特图的控制参数
% 输出参数列表
% Zp 最优的Makespan值
% Y1p 最优方案中，各工件各工序的开始时刻
% Y2p 最优方案中，各工件各工序的结束时刻
% Y3p 最优方案中，各工件各工序使用的机器编号
%第一步：变量初始化
[m,n]=size(X);
Y1p=zeros(m,n);
Y2p=zeros(m,n);
Y3p=zeros(m,n);
%第二步：计算第一道工序的安排
Q1=zeros(m,1);
Q2=zeros(m,1);
R=X(:,1);%取出第一道工序
Q3=floor(R);%向下取整即得到各工件在第一道工序使用的机器的编号
%下面计算各工件第一道工序的开始时刻和结束时刻
for i=1:P(1)%取出机器编号
pos=find(Q3==i);%取出使用编号为i的机器为其加工的工件的编号
lenpos=length(pos);
if lenpos>=1
Q1(pos(1))=0;
if lenpos>=2
for j=2:lenpos
Q1(pos(j))=Q2(pos(j-1));
Q2(pos(j))=Q2(pos(j-1))+T(pos(j),1);
end
end
end
end
Y1p(:,1)=Q1;
Y3p(:,1)=Q3;
%第三步：计算剩余工序的安排
for k=2:n
R=X(:,k);%取出第k道工序
Q3=floor(R);%向下取整即得到各工件在第k道工序使用的机器的编号
%下面计算各工件第k道工序的开始时刻和结束时刻
for i=1:P(k)%取出机器编号
pos=find(Q3==i);%取出使用编号为i的机器为其加工的工件的编号
lenpos=length(pos);
if lenpos>=1
EndTime=Y2p(pos,k-1);%取出这些机器在上一个工序中的结束时刻
POS=zeros(1,lenpos);%上一个工序完成时间由早到晚的排序
for jj=1:lenpos
POS(jj)=ppp(1);
EndTime(ppp(1))=Inf;
end
%根据上一个工序完成时刻的早晚，计算各工件第k道工序的开始时刻和结束时刻
Q1(pos(POS(1)))=Y2p(pos(POS(1)),k-1);
Q2(pos(POS(1)))=Q1(pos(POS(1)))+T(pos(POS(1)),k);%前一个工件的结束时刻
if lenpos>=2
for j=2:lenpos
Q1(pos(POS(j)))=Y2p(pos(POS(j)),k-1);%预定的开始时刻为上一个工序的结束时刻
if Q1(pos(POS(j)))<Q2(pos(POS(j-1)))%如果比前面的工件的结束时刻还早
Q1(pos(POS(j)))=Q2(pos(POS(j-1)));
end
end
end
end
end
Y1p(:,k)=Q1;
Y2p(:,k)=Q2;
Y3p(:,k)=Q3;
end
%第四步：计算最优的Makespan值
Y2m=Y2p(:,n);
Zp=max(Y2m);
%第五步：绘甘特图
if plotif
for i=1:m
for j=1:n
mPoint1=Y1p(i,j);
mPoint2=Y2p(i,j);
mText=m+1-i;
PlotRec(mPoint1,mPoint2,mText);
Word=num2str(Y3p(i,j));
%text(0.5*mPoint1+0.5*mPoint2,mText-0.5,Word);
hold on
x1=mPoint1;y1=mText-1;
x2=mPoint2;y2=mText-1;
x4=mPoint1;y4=mText;
%fill([x1,x2,x3,x4],[y1,y2,y3,y4],'r');
fill([x1,x2,x3,x4],[y1,y2,y3,y4],[1,0.5,1]);
text(0.5*mPoint1+0.5*mPoint2,mText-0.5,Word);
end
end
end
function PlotRec(mPoint1,mPoint2,mText)
% 此函数画出小矩形
% 输入:
% mPoint1 输入点1,较小,横坐标
% mPoint2 输入点2,较大,横坐标
% mText 输入的文本,序号,纵坐标
vPoint = zeros(4,2) ;
vPoint(1,:) = [mPoint1,mText-1];
vPoint(2,:) = [mPoint2,mText-1];
vPoint(3,:) = [mPoint1,mText];
vPoint(4,:) = [mPoint2,mText];
plot([vPoint(1,1),vPoint(2,1)],[vPoint(1,2),vPoint(2,2)]);
hold on ;
plot([vPoint(1,1),vPoint(3,1)],[vPoint(1,2),vPoint(3,2)]);
plot([vPoint(2,1),vPoint(4,1)],[vPoint(2,2),vPoint(4,2)]);
plot([vPoint(3,1),vPoint(4,1)],[vPoint(3,2),vPoint(4,2)]);
欢迎访问GreenSim团队主页：http://blog.sina.com.cn/greensim
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