楊宏安 孫啟峰 郭 杰
西北工業(yè)大學(xué),西安,710072
作業(yè)車間調(diào)度問題(job shop scheduling pr oblems,JSSP)實質(zhì)是調(diào)度優(yōu)化問題,而調(diào)度優(yōu)化問題又屬于一類典型的約束優(yōu)化問題。近年來,近似調(diào)度方法(如遺傳算法、禁忌搜索、模擬退火和免疫算法等)是國內(nèi)JSSP研究領(lǐng)域的主流方法,其調(diào)度模型基本上都可以視為在滿足工藝路線、機床能力和交貨期等約束條件下的單/多目標(biāo)優(yōu)化問題,而求解方法均屬于啟發(fā)式搜索。由于JSSP屬于典型的NP困難問題,且實際生產(chǎn)車間具有大規(guī)模、多任務(wù)、多資源、多約束和動態(tài)隨機性等特點,近似調(diào)度方法真正應(yīng)用于指導(dǎo)企業(yè)生產(chǎn)實踐的成功案例較少。
約束優(yōu)化問題(constrained opti mization problems,COP)是在約束滿足問題(constraint satisfaction proble ms,CSP)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。CSP方法以滿足實際問題的所有約束條件為出發(fā)點,在其模型中不包含目標(biāo)函數(shù);而COP和CSP的本質(zhì)區(qū)別是在模型中引入了目標(biāo)函數(shù),從而使之更貼近調(diào)度優(yōu)化問題,同時也使得該類問題的求解復(fù)雜度顯著提高。作為人工智能中相當(dāng)活躍的研究領(lǐng)域,CSP/COP能很好地描述智能領(lǐng)域的組合、調(diào)度和規(guī)劃等復(fù)雜問題,尤其適合于描述和求解大規(guī)模的組合優(yōu)化問題。
確定型JSSP和COP都是在事先已知變量和約束的前提下,尋求變量的合理取值,并在滿足所有約束的前提下優(yōu)化特定的目標(biāo)函數(shù),因此,作業(yè)車間調(diào)度問題和約束優(yōu)化問題的相似性和吻合度較高。Fox[1]首次將CSP方法引入車間調(diào)度問題研究之中,并在此基礎(chǔ)上開發(fā)出基于啟發(fā)搜索技術(shù)的ISIS調(diào)度系統(tǒng)[2]。Smith等[3]于20世紀(jì)90年代初開發(fā)完成基于Macro-Opport unistic的OPIS調(diào)度系統(tǒng)。Sadeh在變量/值排序啟發(fā)算法[4]和 回 溯 處 理[5]等 方 面 進 行 了 深 入 研 究。Barták等[6]近年來在基于約束規(guī)劃的計劃和調(diào)度方面開展了大量研究工作。
國內(nèi)將CSP方法應(yīng)用于求解JSSP的相關(guān)文獻較少。文獻[7-9]對基于約束滿足的車間調(diào)度進行了綜述。文獻[10]針對Job Shop調(diào)度問題,采用形式化的約束一致性實施、操作選擇策略、開始時間選擇策略和不完全回跳策略來提高約束滿足調(diào)度算法的求解效率。文獻[11]針對作業(yè)車間排序重調(diào)度問題,提出了一種可分布求解的分級模型,并對分級模型采用改進的修復(fù)約束滿足算法進行求解。
目前,國內(nèi)已開始將CSP方法引入到JSSP的研究中,但CSP方法僅以求得調(diào)度問題的滿意解為出發(fā)點,而沒有涉及調(diào)度目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化問題。本文以CSP方法為基礎(chǔ),將提前/拖期優(yōu)化指標(biāo)引入CSP中,使約束滿足問題升級為約束優(yōu)化問題;基于COP和JSSP的吻合度考慮,將作業(yè)車間調(diào)度問題轉(zhuǎn)化為約束優(yōu)化問題,綜合運用COP的四元組建模方法和回溯搜索方法對JSSP進行模型描述和算法求解,旨在構(gòu)建從模型描述、調(diào)度策略設(shè)計、調(diào)度算法設(shè)計和仿真試驗在內(nèi)的約束優(yōu)化技術(shù)求解JSSP的完整研究框架,并為后續(xù)進一步深入研究約束優(yōu)化調(diào)度引擎搭建基礎(chǔ)性支撐平臺。
定義1 約束優(yōu)化問題由一個變量集、變量值域、約束集和目標(biāo)函數(shù)組成,可視為一個四元組P = (V,D,C,O)。其中,V 為變量集,V = {V1,V2,…,Vn};D為各變量的候選值域集,D = {D1,D2,…,Dn},C 為變量之間的約束集,C = {c1,c2,…,cm},O 為目標(biāo)函數(shù)。
定義2 約束優(yōu)化問題的解是在滿足全部約束集C的條件下,在變量集V內(nèi)尋求一組變量賦值{a1,a2,…,an}并使得目標(biāo)函數(shù)O取得最優(yōu),其中ai∈Di。
對于調(diào)度任務(wù)池內(nèi)的任意零件Ji,假設(shè)Ji的任一加工工序為Oli,其中,i=1,2,…,n;l=1,2,…,m;n為零件數(shù)量,m為零件Ji內(nèi)的工序數(shù)量。表1、表2分別為零件Ji和工序Oli的相關(guān)加工參數(shù)定義。
表1 零件J i相關(guān)參數(shù)定義
表2 工序Oli相關(guān)參數(shù)定義
根據(jù)定義1,采用COP的四元組分析方法來構(gòu)建約束優(yōu)化調(diào)度模型。
2.2.1 變量集
作業(yè)車間調(diào)度的根本任務(wù)是確定各零件加工工序在機床上的開工時間,因此,變量集的構(gòu)造直接以調(diào)度任務(wù)池內(nèi)各零件的加工工序作為獨立決策節(jié)點,變量定義為任意零件Ji的任一工序Oli的開工時間stli。
2.2.2 約束集
對于離散加工型車間而言,一個可行調(diào)度方案的先決條件是滿足工藝路線和機床能力兩類硬約束,另外,零部件交貨期約束也是保證整機配套和成品交付的必備條件。
(1)工藝路線約束。該約束描述了同一零件內(nèi)不同工序之間的時序關(guān)系。假設(shè)在零件Ji內(nèi),Oli是工序Oji的下游工序,則工藝路線約束為stji+duji≤stli。
(2)機床獨占性約束。該約束描述了承制機床上加工工序隊列的時序關(guān)系。假設(shè)工序Oli和Okj由同一機床加工,則二者之間的機床獨占性約束為(stli+duli≤stkj)∨ (stjk+dujk≤stli)。
(3)時間約束。該約束描述了某一零件的釋放期(或投料期)和交貨期約束。對于零件Ji,其首道工序O1i和末道工序Omi的開工時間應(yīng)滿足Ji的可接受最早釋放期和可接受最晚完工時間約束:(st1i≥er di)∧ (stmi+dumi≤lcdi)。
2.2.3 目標(biāo)函數(shù)
(1)提前/拖期調(diào)度成本。針對調(diào)度任務(wù)池內(nèi)的任一零件Ji,存在以下拖期、庫存調(diào)度成本:①拖期成本,零件Ji的拖期成本Tar di=tar di×max(0,Ci-ddi),其中,tar di為Ji的拖期懲罰系數(shù)。②庫存成本包括零件的在制品流動成本和成品庫存成本兩部份。其中,在制品流動成本定義為零件從投料開始至實際加工結(jié)束之間的現(xiàn)場在制品積壓成本。零件Ji的庫存總成本Invi=ddi-Ci),其中,invli為工序Oli的在制品庫存成本系數(shù)。
(2)調(diào)度目標(biāo)。在計算出任意零件Ji的拖期和提前成本后,整個調(diào)度任務(wù)集的調(diào)度總成本ScheduleCost調(diào)度目標(biāo)則是在滿足上述所有約束集的前提下,在各工序開工時間值域內(nèi)尋求一組合理取值,使得調(diào)度總成本ScheduleCost最小。
上述約束優(yōu)化調(diào)度模型業(yè)已構(gòu)造完成COP四元組中的變量集、約束集和目標(biāo)函數(shù),而變量值域即為各工序開工時間的候選取值時間窗口。初始搜索狀態(tài)下的工序開工時間值域依據(jù)約束傳播方法產(chǎn)生。
約束傳播方法:各工序最早開工時間根據(jù)零件的最早可接受釋放期沿工藝路線向下游工序依次順序傳播,而工序最晚開工時間則依據(jù)零件的最晚可接受完工時間沿工藝路線向上游工序依次倒序傳播,從而即可確定各工序的開工時間窗口。以工序Oli為例,其初始搜索狀態(tài)下的開工時間值域計算如下:
式中,estli+1為Oli的下道工序的最早開工時間;lstil-1為Oli的上道工序的最晚開工時間。
JSSP屬于典型的NP困難問題,傳統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化方法很難滿足大規(guī)模調(diào)度對模型描述和計算效率的更高需求。因此,為降低大規(guī)模JSSP的求解復(fù)雜度和提高調(diào)度算法的實用性,遵循解決實際工程問題的思維模式和原則,將求解大規(guī)模JSSP劃分為“瓶頸機床識別”和“單機排序優(yōu)化”兩個階段,即在各搜索空間內(nèi),首先計算和識別出當(dāng)前狀態(tài)下的瓶頸機床,然后以該瓶頸機床為載體,對競爭該機床的多個工序采用單機排序優(yōu)化方法進行處理。這種貼近生產(chǎn)實際的處理策略可以有效降低多機排序優(yōu)化的復(fù)雜度,從而使得求解大規(guī)模JSSP的困難度顯著較低。
因工藝路線和機床獨占性兩類硬約束的存在,已調(diào)度工序的賦值結(jié)果勢必影響剩余搜索空間內(nèi)相關(guān)工序的開工時間值域,進而對下一搜索空間內(nèi)的瓶頸機床識別、變量排序和值排序等環(huán)節(jié)產(chǎn)生連鎖影響。因此,引入動態(tài)修訂搜索空間的調(diào)度策略,根據(jù)已調(diào)度中間結(jié)果和約束集,調(diào)整和過濾剩余搜索空間各工序開工時間的值域,及時修訂搜索空間的概率計算,以保證啟發(fā)規(guī)則始終指向于當(dāng)前搜索狀態(tài)下的瓶頸機床,從而為第二階段的單機排序優(yōu)化提供計算依據(jù)。
“Thrashing”現(xiàn)象是指在回溯算法搜索過程中頻繁發(fā)生約束沖突的現(xiàn)象。“Thrashing”現(xiàn)象的存在嚴(yán)重制約回溯搜索的求解效率,并有可能導(dǎo)致回溯搜索進程陷入死循環(huán)。文獻[12]通過大量調(diào)度實例發(fā)現(xiàn):采用CSP方法求解調(diào)度問題時,絕大多數(shù)問題屬于兩類情況:一類是無回溯求解調(diào)度問題,另一類則是搜索進程頻繁出現(xiàn)“Thrashing”現(xiàn)象。
大規(guī)模JSSP具有約束松馳度緊、約束內(nèi)聯(lián)度高等特征,回溯發(fā)生不可避免。因此,關(guān)注“Thrashing”、減小“Thrashing”發(fā)生概率是設(shè)計回溯搜索算法時不可回避的重要環(huán)節(jié)。在約束優(yōu)化調(diào)度算法設(shè)計時,可采用一致性預(yù)處理機制和回溯前移機制來減少“Thrashing”頻發(fā)。
(1)一致性預(yù)處理機制。隨著調(diào)度進程的推進,由于已調(diào)度工序開工時間的確定,受約束優(yōu)化調(diào)度模型中兩類硬約束的影響,剩余調(diào)度空間中與已調(diào)度工序相關(guān)的變量值域勢必包含潛在沖突值,而這些潛在沖突值的存在可能導(dǎo)致后續(xù)搜索過程發(fā)生約束沖突。因此,通過采用一致性預(yù)處理機制,依據(jù)已調(diào)度中間結(jié)果對剩余搜索空間相關(guān)變量集的值域預(yù)先實施修剪和過濾,以剔除其值域內(nèi)的潛在沖突值,從而減少剩余變量值域發(fā)生約束沖突的概率。
(2)回溯前移機制。約束集在回溯搜索過程中存在“前緊后松”的特點,即在搜索初期,工序變量之間的約束松弛度較緊,而隨著調(diào)度進程的推進,在前期滿足瓶頸機床和關(guān)鍵工序變量賦值后,后期的搜索過程則呈現(xiàn)約束相對較松的特點。因此,采用回溯前移機制,將搜索進程發(fā)生約束沖突的時間點前移,及早暴露、識別并滿足制約整個搜索過程中的瓶頸機床和關(guān)鍵工序賦值,以避免搜索后期出現(xiàn)約束沖突而導(dǎo)致已調(diào)度中間結(jié)果發(fā)生大面積回溯。
遵循上述的兩階段調(diào)度和動態(tài)修訂搜索空間的調(diào)度策略,結(jié)合“Thrashing”現(xiàn)象消減機制,在深度優(yōu)先搜索算法的基礎(chǔ)上,設(shè)計了圖1所示的約束優(yōu)化調(diào)度算法(constrained opti mization schedule al gorit h m,COSA)框架。其中,Un Sched為待調(diào)度工序集;Sched為已調(diào)度結(jié)果集;Op為各搜索狀態(tài)下的變量排序啟發(fā)結(jié)果(即關(guān)鍵工序);St為Op的開工時間賦值。該算法的步驟如下:
(1)初始化。系統(tǒng)啟動后,首先初始化待調(diào)度工序集Un Sched和已調(diào)度結(jié)果集Sched,并設(shè)置時間粒度、回溯閾值等系統(tǒng)參數(shù)。
(2)初始化工序開工時間窗。依據(jù)前述約束傳播方法產(chǎn)生初始搜索狀態(tài)下各工序開工時間的值域。
(3)搜索結(jié)束判定。檢測Un Sched內(nèi)有無剩余待調(diào)度工序,如果UnSched=?,則整個搜索進程結(jié)束,算法最終求得調(diào)度解或證明調(diào)度問題無解,否則,則進入下一步。
(4)一致性預(yù)處理。遵循一致性預(yù)處理機制,采用文獻[13]提出的動態(tài)一致性增強算法,依據(jù)上次搜索狀態(tài)下的關(guān)鍵工序賦值(Op,St),結(jié)合工序路線和機床獨占性2類硬約束對剩余搜索空間實施預(yù)修剪。
(5)約束沖突檢測。檢驗上次搜索狀態(tài)下的關(guān)鍵工序賦值(Op,St)與Sched內(nèi)已調(diào)度中間結(jié)果有無約束沖突,若發(fā)生沖突,則進行順序回溯處理[5],若無沖突,則進入下一步。
(6)瓶頸機床識別。根據(jù)回溯前移機制,采用文獻[14]提出的瓶頸機床動態(tài)識別方法:首先依據(jù)上述約束優(yōu)化調(diào)度模型對剩余搜索空間的工序開工時間集進行提前/拖期成本計算,再進行當(dāng)前搜索空間的概率計算,即依次計算各工序開工時間的主觀概率、工序?qū)C床的獨立需求概率、機床累計需求概率之和,最后以累計需求概率之和最大的機床作為當(dāng)前搜索狀態(tài)下的瓶頸機床。
(7)單機排序優(yōu)化。以步驟(6)的輸出結(jié)果瓶頸機床作為輸入?yún)?shù),采用文獻[14]提出的工序變量排序和賦值優(yōu)化方法,輸出當(dāng)前搜索狀態(tài)下的關(guān)鍵工序開工時間取值。① 工序變量優(yōu)化排序:以競爭同一瓶頸機床的所有待調(diào)度工序作為排序?qū)ο?,以工序?qū)C床的獨立需求概率值作為排序準(zhǔn)則,在競爭高峰時段選擇獨立需求概率值最大的工序作為當(dāng)前搜索狀態(tài)下的變量排序輸出結(jié)果Op。②關(guān)鍵工序賦值優(yōu)化:以工序變量優(yōu)化排序輸出結(jié)果Op為輸入,在Op剩余值域內(nèi)選擇調(diào)度成本最小的開工時間作為關(guān)鍵工序Op的最終賦值St。
(8)將關(guān)鍵工序賦值結(jié)果(Op,St)保存進Sched,同時從Un Sched中剔除工序Op,算法進入步驟(3),繼續(xù)以上循環(huán)處理。
圖1 約束優(yōu)化調(diào)度算法
隨機生成80個調(diào)度問題,通過調(diào)整拖期系數(shù)τ、交貨期分布R和瓶頸機床數(shù)量Nbtnk三個參數(shù)的不同組合產(chǎn)生8組調(diào)度問題(表3),每組調(diào)度問題包括10個調(diào)度子問題,每個調(diào)度子問題包含20個零件和5臺機床,各零件均包含5道工序,且根據(jù)線性工藝路線依次經(jīng)過5臺機床,各工件經(jīng)過機床的順序隨機產(chǎn)生。
表3 調(diào)度參數(shù)設(shè)置表
(1)拖期系數(shù)τ:用以調(diào)整各零件交貨期的平均松弛度。各零件的平均交貨期設(shè)定為(1-τ)M,其中,M =為 零件數(shù)量,Rbtnk為瓶頸機床為競爭機床Ri的所有工序的平均加工周期。
(2)交貨期分布R:用以調(diào)節(jié)不同零件交貨期的集中程度,各零件的交貨期依據(jù)(1-τ)×M×U(1-R/2,1+R/2)隨機產(chǎn)生。R 值越小,表示各零件交貨期分布越集中,調(diào)度難度更大。
(3)瓶頸機床數(shù)量Nbtnk:用來調(diào)節(jié)初始狀態(tài)下調(diào)度任務(wù)集內(nèi)的瓶頸機床數(shù)量。
6.2.1 加工參數(shù)設(shè)置
(1)零件批量Si依據(jù)U(1,7)等概率隨機生成。
(2)工序加工周期duli按Si×U(0.5,1.5)等概率隨機生成。
(3)零件拖期懲罰系數(shù)tar di按5U(1,2Si)等概率隨機產(chǎn)生。
(4)庫存成本系數(shù)invli:考慮到庫存成本與零件批量、原材料價格等因素相關(guān),在該試驗中,將invli設(shè)置為零件批量Si,暫未考慮材料價格因素的影響。
(5)最早可接受釋放期er di和最晚可接受的完工時間lcdi:為增加調(diào)度問題的復(fù)雜度,上述8組調(diào)度子問題內(nèi)所有零件均設(shè)置為相同的最早可接受釋放期er di=0和最晚可接受完工時間lcdi=2 M。
6.2.2 評價指標(biāo)設(shè)計
選擇包括上述約束優(yōu)化調(diào)度模型中的調(diào)度總成本在內(nèi)的4個評價指標(biāo)來評估算法性能。其中,平均加權(quán)拖期用來評測調(diào)度拖期性能好壞;平均加權(quán)流動時間用以評測零件加工過程中的在制品庫存成本;平均加權(quán)系統(tǒng)時間用來評測零件的成品庫存成本和在制品庫存成本。
(1)平均加權(quán)拖期成本。該評價指標(biāo)是指各零件拖期成本的加權(quán)平均值,即
(2)平均加權(quán)流動時間。該評價指標(biāo)是指各零件從開始加工至加工結(jié)束所需時間的加權(quán)平均值,用以評價在制品的流動庫存成本,其表達式為
(3)平均加權(quán)系統(tǒng)時間。該評價指標(biāo)包括零件因提前完工而產(chǎn)生的成品庫存成本和在制品庫存成本兩部分,該指標(biāo)綜合反映了各零件庫存成本和在制品庫存成本,表達式為
文獻[15]針對提前/拖期調(diào)度問題,提出了兩種有效的Tardy/Early排序規(guī)則,即線性E/T排序(LIN-ET)規(guī)則和指數(shù)E/T排序(EXP-ET)規(guī)則,并通過試驗證明這兩種排序規(guī)則在降低提前/拖期成本方面具有優(yōu)勢。仿真試驗環(huán)境為:CPU為Intel 2.4GHz,內(nèi)存為1.98GB;仿真軟件采用MATLAB 7.0。該試驗以上述調(diào)度用例為測試對象,將本文提出的約束優(yōu)化調(diào)度算法COSA和LIN-ET、EXP-ET兩種規(guī)則進行比較。圖2~圖5分別表示COSA和LIN-ET、EXP-ET在平均調(diào)度總成本、平均加權(quán)拖期、平均加權(quán)流動時間和平均加權(quán)系統(tǒng)時間4個評價指標(biāo)下的試驗結(jié)果。
圖2 平均調(diào)度總成本仿真結(jié)果
在仿真試驗中,COSA在總共80次試驗中,平均搜索效率(定義為待調(diào)度工序總數(shù)和求得調(diào)度解所產(chǎn)生的搜索狀態(tài)數(shù)的比值)為85.6%,平均計算時間為35s。說明COSA能夠有效降低“Thrashing”頻發(fā)現(xiàn)象,從而保證搜索算法以較高的搜素效率和較小的計算成本求得E/T調(diào)度問題的優(yōu)化解。
圖3 平均加權(quán)拖期成本仿真結(jié)果
圖4 平均加權(quán)流動時間仿真結(jié)果
圖5 平均加權(quán)系統(tǒng)時間仿真結(jié)果
從圖2可以看出:COSA在總共8組試驗中,除第7組試驗外,其余7組試驗得到的平均調(diào)度總成本均小于LIN-ET和EXP-ET。從圖3可以看出:對于拖期成本指標(biāo)而言,COSA和EXP-ET的性能基本相當(dāng),但要優(yōu)于LIN-ET在拖期成本方面的表現(xiàn)。
從圖4、圖5可以得知:COSA在壓縮在制品庫存和成品庫存兩項指標(biāo)上明顯優(yōu)于LIN-ET和EXP-ET。尤其在調(diào)度環(huán)境最為苛刻的第8組試驗(瓶頸機床數(shù)量多,交貨期松弛度緊,且各零件交貨期分布較集中)中,當(dāng)LIN-ET和EXP-ET的在制品庫存成本和成品庫存成本大幅攀升(達到峰值)的情況下,而COSA則維持在一個相對較低的庫存水平。
與EXP-ET規(guī)則(該方法性能優(yōu)于LINET)相比較而言,在共8組仿真試驗中,COSA降低在制品流動庫存成本15%~35%,降低成品和在制品庫存總成本10%~30%,壓縮平均調(diào)度總成本8%以上。
本文在滿足工藝路線、機床能力和交貨期約束條件的前提下,將提前/拖期成本指標(biāo)引入調(diào)度問題,從而將約束滿足求解JSSP的傳統(tǒng)方式轉(zhuǎn)化為約束優(yōu)化求解;遵循解決實際工程問題的思維模式和原則,將復(fù)雜的調(diào)度優(yōu)化問題劃分為瓶頸機床優(yōu)先識別和單機排序優(yōu)化兩個階段,以降低大規(guī)模JSSP的計算復(fù)雜度和提高調(diào)度方法的實用性;為了降低回溯搜索中的“Thrashing”現(xiàn)象發(fā)生概率,引入一致性預(yù)處理機制以事先修剪和過濾剩余搜索空間的潛在沖突源,回溯前移機制可以有效避免搜索后期出現(xiàn)約束沖突而導(dǎo)致已調(diào)度中間結(jié)果發(fā)生大面積回溯的弊端。
為綜合測試COSA算法性能,設(shè)計了一組交貨期的松弛度和集中度可組合調(diào)整、加工參數(shù)隨機產(chǎn)生的80個調(diào)度問題,并將COSA與在提前/拖期調(diào)度方面具有優(yōu)勢的LIN-ET、EXP-ET排序規(guī)則進行比較,結(jié)果表明:COSA與EXPET在拖期成本指標(biāo)方面結(jié)果相近,但在減少在制品庫存成本和成品庫存成本兩方面具有明顯優(yōu)勢,從而保證了調(diào)度總成本相對較低。
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