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混合算法(GA+TS)求解作业车间调度问题(JSP)-禁忌搜索部分

2020-08-09 12:41
程序猿声
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边有两种类型,一种是machine arc(也叫disjunctive arc),由同一机器上的前一道工序指向相邻的后一道工序。图中彩线部分表示machine arc。另一种是job arc(也叫conjunction arc),由同一工件上的前一道工序指向相邻的后一道工序。图中黑色实现部分代表job arc。两种边分别表示machine 和job的两个约束,因此一个点最多引申出4条边。

除此之外,图中还有两个超级源点,起始点和终止点(图中的0号start和10号finish)。他们是虚拟的点,代表加工开始和结束。Start点只有job arc,分别连向每个工件的第一道工序;Finish 点也只有job arc,从每个工件的最后一道工序连接到此点。(要注意边的顺序!)

图中的边上没有权值,权值存放在点上,代表加工时间。起始、终止点加工时间为0。

读到这里大家应该能感受到,一幅图实际上已经代表了一个解。点(即工序)的加工开始、结束时间都可以通过最长路算法得出。整个schedule的最大makespan(加工时间)就是起始点到终止点的最长路距离。如果这幅图里没有环,则解可行;否则为不可行解。

这里的最长路又称为critical path(关键路径),即图中粉色框框起的部分。

最长路的算法小编没有找到很好的资料,自以为可以用DFS写,如果在邻域算子后要进行全部工件starting time的更新,那么可以使用bellman-ford算法,这些在小编的代码里都有实现。

结论:很多JSP、FJSP论文的tabu search都是基于析取图进行的,因为可以使用图的特性,毕竟容易操作。

k-insertion

相较于JSP,小编能查到的FJSP的邻域较少,这一部分主要参考一篇2000年的论文 “Effective neighbourhood functions for the fexible job shop problem”,讲解其中的k-insertion邻域。

k-insertion其实就是一个insert操作,简单来说就是将critical path中的每一个操作,分别插入到其他可加工机器的某个位置,形成新解。这里强调,无论什么邻域搜索,一定要在critical path上做文章,才容易改变解的makespan。

实际上,并不是一个机器上的所有位置都需要插入的。如果一道工序由于job边约束,加工时间在考前的位置,那么插入某台机器靠后的位置显然不会使加工时间缩短。考虑到这一点,我们只需要挑出可能使结果更优的位置,执行插入操作。

混合算法(GA+TS)求解作业车间调度问题(JSP)-禁忌搜索部分

论文中对每个机器上的工序根据starting time(开始加工的时间)进行排序,然后根据公式计算出两个边界:L_k, R_k。再通过二分查找找到这两个位置。经过证明,只有两者的并集(图中中间的部分)插入后可能优化结果。这里的计算公式需要定义一些新变量,难度不大但是不好讲清,想要深入研究的同学可以下载代码、论文进一步研究,这里暂时不多说了。

前面我们反复强调,我们的tabu是要嵌入到每一个个体中的,因此计算速度一定要快。如果对TS的每一个解都精确运算出makespan,速度会很慢(第一个tabu就是这样的)。因此,我们需要特殊的估值方法。

论文中的估值是一个上界。只需要根据前文定义的一些变量进行简单的加减乘除运算即可得出,极大优化了时间复杂度。这里同样不多解释。

然而,在实现析取图的k-insertion后,小编发现自己实现的速度依旧很慢,嵌入个体后算法根本跑不动。因此小编尝试了一下GA和TS的并行操作,用GA的初始解进行TS操作,发现结果却是有优化,但是时间还是太久。小编目前也找不到代码资料,只能自行编写,因此陷入瓶颈。有了解这块的同学可以和小编进一步交流!

这里再提一句,JSP、FJSP的tabu禁忌表可以用插入或交换前后的的位置,制作一个二维表来表示,用单纯的解作为禁忌对象会拖慢速度。

结论:Tabu2效果不错,但是可能是因为析取图部分没有写好,时间容易爆炸。

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