[发明专利]基于量子粒子群算法的化工企业智能生产计划控制系统

摘要

一种基于量子粒子群算法的化工企业智能生产计划控制系统，包括生产计划优化模块、车间智能调度模块、基础信息管理模块、系统管理模块和数据库；根据化工企业的多级多产品多约束混合生产线的生产计划问题的特点，模型做如下假设：①不允许缺货；②无限产品库存容量；③原料到货期发生在各时段初，产品交货期发生在各时段末；④稳定的生产状态，即各工序一有原料输入就有产品输出；⑤产品在满足需求后，剩余产品在当时段全部销售；并设置目标函数和计算产品产量；采用量子粒子群算法进行模型求解。本发明能有效结合化工企业的各种约束条件、效率高、有效共享已有的企业协作生产车间、提高资源和设备利用率。

主权项

1、一种基于量子粒子群算法的化工企业智能生产计划控制系统，其特征在于：所述化工企业智能生产计划控制系统包括：生产计划优化模块，用于获取来自集体的年度计划，并选择量子粒子群算法对其进行分解优化，协调各车间的生产，得到各车间的月度计划；并根据车间的反馈信息对月度计划进行修改；车间智能调度模块，用于实现由月度计划到日生产安排的转化，根据车间前一日的生产情况，采用某种调度算法(如遗传算法、粒子群算法、差分进化算法等)实现对车间的排产，并对已有调度进行动态调整；基础信息管理模块，用于物料、设备以及贮罐等与企业生产密切相关的信息管理，还包括库存与产品需求等与企业的进销存密切相关的信息管理；系统管理模块，用于用户维护个人的信息、密码，以及用于控制用户的权限；数据库，用于为整个系统有效地进行工作提供数据支持，根据化工企业实际情况，作如下分析：首先，该企业有多个车间，每个车间的生产线均不相同；其次，每条生产线均包含有多到工序；再次，存在工序有多套设备并行地运作，每台设备均有可用、故障、维修等三种状态；最后，每台设备均有一种或多种原料投入，并有一种或多种产品或中间品产出；根据化工企业的多级多产品多约束混合生产线的生产计划问题的特点，模型做如下假设：①不允许缺货；②无限产品库存容量；③原料到货期发生在各时段初，产品交货期发生在各时段末；④稳定的生产状态，即各工序一有原料输入就有产品输出；⑤产品在满足需求后，剩余产品在当时段全部销售；(1)设置目标函数为：MaxFitness=Σt=1TΣi=1NPi*Xit-Σt=1TΣi=1GCiI*Zi1tI-Σt=1TCm*Z11tI---(1)]]>上式(1)中，T为计划期时段数，N为产品种类数，G为生产线工序数，P_i为产品i的价格系数，C_i^I为工序i生产费用系数，C_m为原料价格系数，X_it为t时段产品i的产量，Z^I_ijt为时段t工序i第j个输入物料数量，Z_11t^I表示工序1第1个输入物料数量，即原料投入数量，生产计划的目标是在计划期内使得产品利润最大，式(1)右侧关系式中，第一项为产品销售收入，第二项为生产成本，第三项为原料费用；(2)约束条件：M′₁＝M₁           (2)M′t=Mt+M′t-1-Z11,t-1It≠1---(3)]]>Z11,t-1I≤M′t---(4)]]>ZijtI*UikO=Zikto*UijI]]>∀i,j,k,t---(5)]]>Rijmin≤ZijtI≤Rijmax]]>∀i,j,t---(6)]]>Σi=1NTrji*Xit=WTjk*Σi=1NTrki*Xit]]>∀t,j,k---(7)]]>X_it≥D_it∀i,t---(8)]]>其中M_t为时段t原料供应数量，M′_t时段t实际可使用原料数量，Z_ijt^o时段t工序i第j个输出物料数量，U_ij^I、U_ik^O分别表示工序i第j个输入、第k个输出物料质量比例，R_ij^min、R_ij^max为工序i第j个输入最小、最大加工能力，Tr_ji为产品i含物质j的比例；WT_jk为根据化学方程式产生物质j质量与物质k质量比例，D_it为时段t产品i需求；式(2)～(4)表示原料数量约束；式(5)表示各工序输入、输出物料数量符合生产工艺质量比例；式(6)表示任一时段任一工序加工物料数量应符合生产能力约束；式(7)表示各产品含有某种物质的量应符合化学方程式产生物质的量的比例；式(8)表示时段t产品i的数量应满足市场对该产品的需求；(3)计算产品产量：Xit=Σk=1GΣj=1HkZkjto*WikjO-Σk=1GΣj=1HkZkjtI*WikjI∀i,t---(9)]]>其中，H_k为工序k输出物料种类数；W_ikj^O、W_ikj^I分别为物料i与工序k第j个输出物料、与工序k第j个输入物料的关系，如果物料相同，WikjO=1,]]>WikjI=1,]]>否则WikjO=0,]]>WikjI=0;]]>(4)模型求解过程：(4.1)从年度计划表获得各个产品的年度产量，从年度生产计划大修表获得设备维修时间；从设备信息表获得设备的生产能力，从储罐信息表获得储罐的最大容量；(4.2)设定量子粒子群的参数，所述的参数包括种群规模，迭代次数；(4.3)将上述的信息读入量子粒子群算法；(4.4)对生产计划进行编码，在量子粒子群操作中，粒子的更新操作为：p＝a*Pbest(i)+(1-a)*Gbest；mbest=1/M*Σi=1MPbest(i);]]>b＝1.0-generation/maxgeneration*0.5；                           if u≥0.5position＝p-b*|mbest-position|*ln(1/u)；                                  elseposition＝p+b*|mbest-positon|*ln(1/u)；其中，a，u为0至1之间的随机数，Pbest为局部最优粒子，Gbest为全局最优粒子，mbest是粒子群Pbest的中间位置，即平均值，M为种群规模，b为收缩扩张系数，generation为迭代次数，position为当前位置。