ABSTRACT

The scheduling problem with multi-attribute preparation times studied here is from the polyvinyl chloride leather (PVCL) plant. On two identical parallel machines, the products are processed in sequence of different levels, attributes, and jobs. The objective is to determine a schedule for two identical parallel machines to minimize the makespan . A constructive heuristic is firstly proposed and evaluated by comparing with the current scheduling method used by the case plant. To further improve the solution, a variable neighborhood search (VNS) meta-heuristic is presented and compared with a mixed integer programming model. The computational results show that the heuristic outperforms the current scheduling method with a significant improvement, and the VNS can further improve the solution.

Keywords:Parallel Machines, Scheduling Problem, Multi-Attribute Preparation Times, Heuristic Algorithm, Variable Neighborhood Search

两台并行机器上进行多属性准备时间的工序设置问题

熊辉^1,2*，梁培锋¹，王晓佳¹，朱彬¹

¹广东广业开元科技有限公司，广东 广州

²广州临观教育信息有限公司，广东 广州

收稿日期：2018年10月7日；录用日期：2018年10月22日；发布日期：2018年10月30日

摘 要

本文研究聚氯乙烯皮革(PVCL)工厂的多重属性准备时间的工序设置问题。针对于两台同样的并行机器，按顺序生产具有不同层次、不同属性、不同工种的PVCL制品，目标函数是设置一个加工排序，使得最大完工时间极小化。首先提出一个建构式的启发式演算法，与工厂现行排序法做比较，以评估此算法的绩效；继续提出变邻域搜寻算法，以进一步改善启发式算法所求得的解，并与混合整数规划模型做比较。实验结果证明，本文的启发式演算法显著性地优于现行PVCL工厂所使用的排序方法，而VNS算法的运行结果也证实能有效改善启发式演算法所求得的解。

关键词 :并行机器，工序设置，多重属性准备时间，启发式演算，变邻域搜索

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1. 绪论：问题描述与分析

本文研究一个与聚氯乙烯皮革(Polyvinyl Chloride leather，PVCL)的实际生产相关的时序安排问题，其来自我们所调研的某一家工厂，而且已成为行业内普遍急需解决的问题。PVCL的应用领域很广泛，主要涉及：1) 鞋类：足球鞋，运动器材，工作鞋，凉鞋和雪地靴；2) 家具：沙发，办公椅，按摩椅，休闲和温泉浴场的遮挡物；3) 海运：快艇和小船的内部结构(船座和内部)；4) 运输工具：车座，门板和扶椅；5) 运动设备：自行车，手套和辎重的配件；6) 医药护理：医护用的椅子和床。

PVCL是一个资本高度集中的产业，为了开发使用这种设备，工厂每周七天工作，每八小时轮换一次，每天轮换三次。PVCL工厂的主要设备是皮革轧光机，但这种机器却是这个系统中的瓶颈。皮革轧光机是一组强压轮，用来使产品表面平滑，同时让它们的厚度、斑纹和宽度都相同。PVCL系统的运作能力主要取决于皮革轧光机，而且它的生产力不能靠投入更多的人力和时间来提高。工厂每月的平均生产量大概为600,000码，换句话说，它每分钟的产出率为14码。每一个采购订单都包含PVCL的许多产品，每个产品都应具备五种属性：斑纹、硬度、颜色、厚度以及宽度；每一个性质又包含了几种不同的层次和相应的属性准备时间。采购订单上的一个PVCL产品可以被看成是一项时序操作工种。由于没有时间设置的约束，五个产品属性都处于同一层次水平的PVCL产品被归为同一类工种。因为在两组相近的工种中至少有一个特质的层次不同，因此为了处理工种之间的转换问题，有必要在皮革轧光机上安装一个装备调节器。例如，两组相近的产品在厚度和颜色上有差异，就有必要在皮革轧光机上对厚度和颜色进行调节，其准备时间等于厚度和颜色属性准备时间之和。因此，两组相近产品的准备时间是由那些不同层次的属性准备时间的总和来决定的。每一类PVCL皮制品的加工时间通常为3~15个小时，每周进行一次产量计划。

我们所研究的工厂配备八个皮革轧光机，各台轧光机通常负责生产不同的皮制品。但有时一两台机器会因没有相关的采购订单而闲置。为了避免这种情况，同时提高轧光机的使用率，当一台机器被闲置时，工厂会计划安排这台机器去协助另外一台采购订单最多的机器。所以，在工厂里经常会有单一机器作业和两台并行机器同时作业的情况。在本研究中，我们关注的就是两台相同的并行机器共同作业的情况，我们将其界定为两台相同并行机器的工序设置问题。

对于PVCL生产系统，Abreu等 [1] 、Chen [2] 与Lee等 [3] 曾在单一机器上用从属序列的多属性准备时间来处理时序安排问题，其中，Lee et al. [1] 在既有的理论基础上提出一个构造性的启发式算法。计算结果表明，相比于PVCL薄板工厂之前所使用的时序安排方法，该构造性的启发式算法具有显著性的改进。在文 [4] [5] 中，虽然也研究了并行机器的排序问题，但是机器之间是不相关的；文 [6] [7] [8] [9] 虽然讨论的是相同的并行机器处理问题，但所研究案例工厂与本文的问题差异较大。在本文中，我们将提出一个简单而有效的启发式安排方法以满足PVCL工厂的要求，并将其与工厂当前所使用的时序安排方法进行比较，从而评估我们所提出的启发式方法的效力和效率。为了进一步完善启发式的结果，我们还提出了一个变邻域搜索启发式算法，其也将与我们所提出的启发式方法及混合整数规划模型进行比较，以显示其性能。

假设两台相同的并行机器分别用 $M_1$ 和 $M_2$ 表示，第i类工种 $J_i$ 的处理时间为 $P_i$ ，且 $J_i$ 可能是被两台机器中的任一台处理， $i=1,2,\cdots ,n$ 。此外，任何工作都不具有优先处理权。任意两个相邻工种之间必须间隔一个准备时间。所有的机器都可在零点开始处理工种，而此时所有的工种都应准备就绪。生产过程不允许中断且任何工种都不具有优先权。机器每次至多只能进行一种工种，一种工种不能同时在两台机器上进行。这样假设的目的是为了尽量减小最大的完成时间，即完成时间。之所以将完成时间按最小准则选取，是因为它与目标有重要的利害关系，且其确保两台并行机器保持负载平衡，Pinedo [10] 对这一思想有详尽的描述。设 $C_i$ 为 $J_i$ 的执行时间，则目标为

$\min C=\underset{1\le i\le n}{\max }{C}_i$

根据这三组符号，问题可以由P2/s_ik/C表示。其中P2指定两台相同的并行机器， $s_{ik}$ 代表从属序列准备时间，C表示完成时间， $i,k=1,2,\cdots ,n$ 。当一台机器由生产工种 $J_i$ 转换为工种 $J_k$ 时，需要从属序列准备时间 $s_{ik}>0$ ；当 $s_{ik}=s_{ki}$ 时，准备时间模型是对称的。不失一般性，设 $s_{ii}=0$ ，即同类工种之间可自然衔接，不需要额外的准备时间。

由Pinedo [10] 可知，单一机器的从属序列准备时间安排(P1/s_ik/C)的极小化问题是NP难题，故P2/s_ik/C也是个NP难题。对于并行机器的从属序列准备时间问题已有现存的启发式，如文献 [11] [12] [13] ，但它们都没有直接地解决并行机器多属性次序安排这种问题。由于现实生活中的调度者很容易将注意力集中于较长的属性准备时间，那么在安排时保持这种多属性次序是有利的。调度者并不想失去多属性的特征，他们需要解决这个安排问题的简单方法。因此，从简化和实用的角度出发，我们需要研究一个简单的方法来解决多属性并行机器的时间设置问题。

2. 工厂现有的安排方法

如表1所示，为PVCL厂提供的标准属性准备时间：

表1. PVCL厂的标准属性准备时间

在作为案例的工厂中，调度者为了处理本文所提出的问题，需要考虑两个方面。其一，为平衡负载，应决定哪些工种被指定到哪台轧光机上处理；其二，确定每台轧光机的工种序列，以减少准备时间。在这基础上，计划员首先采用最长处理时间优先(longest processing time first, LPTF)规则，分别给两台轧光机分配耗时最长的两个工种；然后，当一台轧光机可用时，再按此原则继续分配。LPTF规则试图将耗时最短的工种安排在最后，以便能平衡工作量。在P2的情况中，不考虑准备时间而使用LPTF规则就能得到很好的效果。接着，调度者为了减少每台轧光机所用的准备时间，试图同时安排它们生产更多同一层次的工种。斑纹是最重要的属性，有着最长的属性准备时间(见表1)，因此，调度者想要尽可能地缩短其准备时间。他们认为最重要的是在轧光机上先确定五个属性的优先权。综合以上的信息，可知安排步骤大致为：(1) 将两个生产时间最长的工种分别分配给轧光机 $M_1$ 和 $M_2$ ，当其中一台完成时，再将剩余工种中耗时最长者分配给它，重复这个操作，一直到完成所有工种。(2) 在属性时段非递增的情况下，确定属性的优先顺序为：斑纹，硬度，宽度，颜色和厚度。(3) 在每台轧光机上，将斑纹相同层次的工种归成一组，在斑纹层次非递减的情况下，将一组组工种按顺序排好。(4) 对于斑纹层次相同的工种，按硬度层次非递增地进行排列。(5) 根据步骤(2)的属性最优顺序，参照步骤(4)，执行排序步骤，一个个地进行排列。工种序列满足颜色层次非递减，宽度和厚度层次非递增。

如表2所示，为案例工厂所提供的11个工种，我们用这个实例解释当前的安排方法。

表2. 11个工种的实例

在步骤(1)中，应用LPTF规则，根据 $P_i$ ，可以得到序列

$M_1=\left(J_4,J_{11},J_5,J_3,J_2\right),M_2=\left(J_{10},J_7,J_9,J_5,J_8\right)$ (2.1)

其中准备时间还未被考虑在内；在步骤(2)中，属性的优先顺序由以下方面决定：斑纹，硬度，颜色，宽度和厚度；在步骤(3)里，根据斑纹的相同层次，机器 $M_1$ 把工种 $J_4,J_{11},J_3$ 归为一组，斑纹编号为270；工种 $J_5,J_6$ 为一组，斑纹编号为507；工种 $J_2$ 自成一组，斑纹编号为663。而机器 $M_2$ 将 $J_{10},J_7,J_1$ 归为一组，斑纹编号为270； $J_9$ 自成一组，斑纹编号为507； $J_8$ 自成一组，斑纹编号为663。在步骤(4)中，对于在机器 $M_1$ ，根据硬度层次16和9的非递增顺序，可以得到序列 $J_3,J_4,J_{11}$ ；同样地，其他工种组可以得到序列 $J_5,J_6$ 与自成一组的 $J_2$ 。用相同的方法，机器 $M_2$ 可以得到与机器 $M_1$ 类似的序列 $J_{10},J_7,J_1$，$J_9$ 自成一组， $J_8$ 也自成一组。对于宽度，颜色和厚度，继续执行这个安排操作，得到最后的计划表序列为

$M_1=\left(J_3,J_{11},J_4,J_6,J_5,J_2\right),M_2=\left(J_{10},J_1,J_7,J_9,J_8\right)$ (2.2)

完成时间为 $C=3367$ 分钟。

3. 混合整数规划模型

解决P2/s_ik/C的最佳方法之一是列出其数学模型，然后用优化软件对其进行求解。根据问题中变量的性质，我们提出一个混合整数规划(mixed integer programming, MIP)模型。设L为一个非常大的数，且二值决策变量。

$y_{im}=\{\begin{array}{ll}1,\hfill & 工种i在机器m上处理,\hfill \\ 0,\hfill & 其他情况;\hfill \end{array}$ (3.1)

$x_{ij}=\{\begin{array}{ll}1,\hfill & 同一机器上工种i后接着处理工种j,\hfill \\ 0,\hfill & 其他情况;\hfill \end{array}$ (3.2)

则P2/s_ik/C问题的MIP模型为

$\begin{array}{lllll}\min \hfill & Z=C;\hfill & \hfill & \hfill & (3.3)\hfill \\ \text{s}\text{.t}\text{.}\hfill & \underset{m=1}{\overset{2}{{\displaystyle \sum }}}{y}_{im}=1,\hfill & i=1,\cdots ,n\hfill & \hfill & (3.4)\hfill \\ \hfill & y_{im}+\left(1-y_{jm}\right)+x_{ij}\le 2,\hfill & i=1,\cdots ,n-1;j=i+1,\cdots ,n\hfill & \hfill & (3.5)\hfill \\ \hfill & \begin{array}{l}{C}_j-C_i+L\left(3-x_{ij}-y_{im}-y_{jm}\right)\ge P_j+s_{ij},\\ C_i-C_j+L\left(2-x_{ij}-y_{im}-y_{jm}\right)\ge P_j+s_{ji},\\ C_i\ge P_i{y}_{im},\\ Z\ge C_i,\end{array}\hfill & \begin{array}{l}i=1,\cdots ,n-1;j=i+1,\cdots ,n\\ i=1,\cdots ,n-1;j=i+1,\cdots ,n\\ i=1,\cdots ,n;m=1,2\\ i=1,\cdots ,n\end{array}\hfill & \hfill & \begin{array}{l}(3.6)\\ (3.7)\\ (3.8)\\ (3.9)\end{array}\hfill \end{array}$

目标(3.3)是最小化完成时间，约束条件(3.4)确保每个工种被安排到某一台机器上；(3.5)确保仅当工种i和j被同时安排到同一机器上时，其优先问题才需要被考虑；若工种i和j被安排到不同的机器上生产，则根据(3.2)可知，那么 $x_{ij}=0$ ；当工种i和j被同时安排到同一台机器上，条件(3.6)和(3.7)为它们的处理完成时间建立了联系；仅当 $y_{im}=1$ (即工种i在机器m上生产)时，条件(3.8)才有意义，并且决定它们的生产时间；若 $y_{im}=0$ ，则条件(3.8)是多余的；条件(3.9)决定目标值。

虽然MIP模型是解决小型问题的最好方法之一，但对于中型和大型问题，普通的优化软件却不能从实际上将其解决，即难以得到全局最优解。因此，我们需要高效的算法来解决这个问题。在下一部分，我们将提出一个启发式算法，并进一步提出变邻域搜索(variable neighborhood search，VNS)元启发式方法，用以完善我们所提出的启发式算法得到的结果。

4. 启发式算法

4.1. 相邻处理时间指数

要解决并行机器准备时间的时序安排问题，需要考虑两个因素：平衡机器的工作量和减少每台机器的准备时间。为了达到这两个目的，我们引入了启发式发展指数。我们将最小相邻指数第一定理 [3] 和处理时段结合成成一个指数，称之为相邻处理时间指数(Adjacent Processing Time Index，APTI)，而工种 $J_i$ 的APTI记为 $\text{APTI}\left(J_i\right)$ ，数学上定义为

$\text{APTI}\left(J_i\right)=\frac{1}{P_i}{\displaystyle \underset{k=1}{\overset{\left|A\right|}{\sum }}\left[A_k\cdot N_k\left(J_i\right)\right]}$ (4.1)

$P_i$ 是工种 $J_i$ 的处理时间， $\left|A\right|$ 为属性种数(此处 $\left|A\right|=5$ )， $A_k$ 表示第n个属性准备时间， $$ 表示与工种 $J_i$ 的第k种属性同层次工种的数量。例如，在表2中，对于 $$ ，有五个斑纹层次一致的工种(即270)，两个宽度层次一致(即48)，六个厚度层次一致的工种(即0.8)，三个硬度层次一致的工种(即8)，和一个颜色层次一致的工种(即9)工种。因此，有

$\text{APTI}\left(J_1\right)=\frac{1}{550}\left(60\times 5+15\times 2+10\times 3+15\times 1\right)=0.8455$

APTI同时涉及到处理时间，工作灵活度和准备时间。在并行机器的环境下，平衡工作量对分配工作来说非常重要。平衡并行机器的工作量时，前文所介绍的最长处理时间优先(LPTF)原则无法达到理想的结果。但为了突出LPTF的这个特点，我们没有更改而直接将 $P_i$ 引用到指数中。根据LPTF原则和最小灵活度优先原则的特点，生产时间长或者相邻生产时间小的工种应该被安排在安排表的开头或者结尾。也就是说，如果一个工种不仅生产时间最长，同时灵活度又最小，那么它就该被安排在安排表的开始或者末尾。因此，如果一个工种有比较小的 $\text{APTI}\left(J_i\right)$ ，它应该被安排在开头。

4.2. 构造性启发式算法

任何能够产生可行解的方法都能满足所提元启发式的第一部分，但一个好的初始解能够减少计算时间。基于问题的特点，这里提出一个简单的构造性启发式算法，以得到一个好的解。这个启发式的主要观点是把单一机器安排表分截成两台相同并行机器的安排表，关键的是截取单一机器安排表的哪一部分。我们将这个简单启发式称为“截一并二” (Cut One in Two, COIT)，其详细步骤如下：

1) 计算每个工种的APTI，选择APTI最小的工种放在首位。

2) 与前面的工种相比，选择准备时间最短的工种放在第二位。若有准备时间最短的工种有多个，选择APTI最小的那个工种。重复此操作直到所有的工种被分配完。这样就得到了单一机器从属序列时段安排表。计算该单一机器安排表的完成时间 $C_s$ 。

确定截点，以便截一并二，且截点之前的工种分配在 $M_1$ 上，截点之后的分配在 $M_2$ 上。此时有两种可能。第一，如果点 $C_s/2$ 被包含在安排表的某个工种里，则不小于 $C_s/2$ 的第一项工种可记为 $J_{\text{cut}}$ ，其对应的执行处理时间为 $C_i$ 。截一并二有两个潜在的截取点，即 $J_{\text{cut}}$ 对应的 $C_i$ 或小于 $C_s/2$ 的最大的 $C_i$ 。计算着两种截取方案的完成时间，取较小的那个，程序结束。第二，如果 $C_s/2$ 被包含在安排表里两个相邻工种的某个准备时间中，则直接在点 $C_s/2$ 进行截取，然后计算 $C_{\text{max}}$ ，程序结束。

根据案例工厂的数据，即表2，执行COIT启发式算法如下。1) 由于 $\text{APTI}\left(J_9\right)=0.3155$ 最小，故 $J_9$ 被分配的第一个工种；2) 工种 $J_5,J_6$ 与 $J_9$ 有相同的准备时间60分钟，但由于 $\text{APTI}\left(J_5\right)=0.4074<\text{APTI}\left(J_6\right)=0.7515$ ，故 $J_5$ 为第二个被分配的工种。重复这个过程，得到一份单一机器安排表，即

$\left(J_9,J_5,J_6,J_2,J_8,J_7,J_3,J_{11},J_4,J_1,J_{10}\right)$ (4.2)

其完成时间为 $C_s=6521$ 。3) 由于安排表的中点 $C_s/2$ 落在 $J_3$ 上，故 $J_{\text{cut}}=J_3$ 。此时安排表截取为

$M_1=\left(J_9,J_5,J_6,J_2,J_8,J_7,J_3\right),M_2=\left(J_{11},J_4,J_1,J_{10}\right)$ (4.3)

对应 $C_{\text{max}}=3356$ ，结束算法。不难看出，这个结果要由于安排表(2.2)的 $C=3367$ 。

4.3. 变邻域搜索算法

变邻域搜索算法(variable neighborhood search Algorithm，VNSA)是一种元启发式算法。VNSA与多数局部搜索启发式不同之处在于，在它的构造里，至少有两个邻域。受Hansen等人 [14] 的启发，在此我们针对所研究问题的特点，对VNSA采用如下的邻域结构：1) 工种插入：任选一个工种，随意把它插入安排表的任一位置；2) 工种交换：随意选取两个工种，在安排表里把它们的位置调换。VNSA构造的步骤说明如下：

(1) 执行COIT启发式，找到初始解x。

(2) 重复以下步骤直到I迭代：a) 在x的邻域里，利用插入工种随机产生可行解 $x^{\prime }$ ；b) 针对 $x^{\prime }$ ，应用工种交换R次，选择最优解作为新的解 $x^{″}$ ；c) 若 $x^{″}$ 优于原有的结果，则令 $x=x^{″}$ ，返回步骤(1)；否则，返回步骤(2)。

依旧以表2为例。以安排表(4.3)与完成时间 $C_{\text{max}}=3356$ 作为初始解，当执行VNS的步骤(2)时，工种插入必须被单一机器安排表(4.2)采用，完成工作插入后，执行COIT启发式步骤3，截取新的单一机器安排表，计算新的并行机器安排表的 $C_{\text{max}}$ 作为解 $x^{\prime }$ ；继续执行VNS的步骤，得到最终的安排表

$M_1=\left(J_9,J_{10},J_3,J_7,J_1\right),M_2=\left(J_6,J_5,J_4,J_{11},J_8,J_2\right)$ (4.4)

且对应的 $C_{\text{max}}=3255$ 。显然，这一结果不但明显由于PVCL厂现有的安排表(2.2)，也由于启发式算法所得的安排表(4.3)。在这个例子中， $C_{\text{max}}$ 的改进比例大约为3.44%，但在削减两台机器总的准备时间方面，执行VNS相对减少了165分钟(当前工厂使用的方法需630分钟，VNS需465分钟)。也就是说，总体准备时间的改进比例大约为35.48%。

5. 计算结果评估

为了评估本文提出的VNS的性能，我们进行大量的计算实验。用C++分别对当前工厂使用的排序方法，COIT启发式和VNS元启发式进行编程。所有的数据都随机地产生于离散的一致分布，但分布参数不同。所有测试实例的处理时间都产生于离散一致分布 $U\left[1,100\right]$ 。对于工种数量n分别取值为102,550,100的情况，都有两种属性总数假设，即设 $\left|A\right|=5$ 或10种。对于每组 $\left(n,\left|A\right|\right)$ ，属性准备时间 $A_k$ 产生于三个离散一致分布，即 $U\left[1,25\right],U\left[1,50\right]$ 和 $U\left[25,50\right]$ 。另外，对于每组 $\left(n,\left|A\right|,A_k\right)$ ，属性的层次总数设为 $A{L}_k$ 产生两个离散一致分布，即 $U\left[2,5\right]$ 和 $U\left[5,10\right]$ 。因此，对于每个数量n，都有12种不同的组合，每组分别由VNS、MIP模型和CM法同环境下运行10次，然后对解求平均值。在我们提出的VNS实验里，设每个工种插入包含 $R=100$ 次工种替换，迭代 $I=100,000$ 。

我们进行三组实验：第一组实验是把VNS方法和MIP模型进行比较，针对于 $n=10$ 即10个工种的问题，来评估VNS的效力；第二组实验是比较案例工厂当前使用的方法(以下简称为CM法)与COIT启发式，以展示COIT的性能；第三组实验是执行VNS对COIT的改进结果进行评估。

针对于第一组实验，测试实例取自于 $n=10$ 个工种。针对每个测试实例，VNS运行10次，得到最大值和最小值，其偏差Dev定义为VNS的最小解减去MIP模型的解，可利用程序自动计算。观察计算结果可知，由12种组合产生的120个测试实例的偏差Dev都等于0。这表明当工种数目不多时，VNS能够找到最优解。而且，大多数实例所得到的结果中，最大值与最小值相等。几乎所有的实例都能通过MIP模型在合理的时间范围之内解出，除其中之一花费了545秒外，其他都不超过116秒，且最少的仅仅使用了1.72秒。此外，我们注意到，10种属性的情况，测试实例的平均运行时间(39.57秒)要多于5种属性时的平均时间(24.35秒)。可见，属性种类越多，问题越复杂，要很好地解决也越困难。

针对于第二组实验，将COIT启发式算法与CM法进行比较，以调查COIT的效力和效率。在这个实验中，工种数量n分别取值为102,550,100。优化百分比定义为

$PI=\frac{C_{\max }\left(\text{CM}\right)-C_{\max }\left(\text{COIT}\right)}{C_{\max }\left(\text{COIT}\right)}\cdot 100\%$

观察计算结果可知，所有的优化百分比PI都是正的，故COIT启发式(在效益上)超过了当前工厂使用的方法。关于计算时间，由于COIT启发式算法与CM法都很简单，它们几乎不花费什么时间。此外，随着工种数目n的增加，优化百分比也大幅度地由13.8%提升到51.09%，总体的平均改进比例为35.23%。我们注意到， $\left|A\right|=5$ 的测试实例得到的PI值稍微比 $\left|A\right|=10$ 的要大些，这是因为有多种属性的实例解决起来更难、更复杂。从总体上看，属性准备时间 $A_k$ 产生于分布 $U\left[1,50\right]$ 所得到的PI值，要显著性地大于产生于分布 $U\left[1,25\right]$ 和 $U\left[25,50\right]$ 所得到的PI值，这意味着属性准备时间分布更宽的实例能得到更好的改进。对于属性层次的数目， $A{L}_k$ 产生于 $U\left[2,5\right]$ 时的PI值要显著性地大于产生于 $U\left[5,10\right]$ 的PI值，这主要是因为相比于属性层次多的实例，属性层次少的更有可能得到更好的改进。在这个实验中，如果一个例子的属性种类很少，属性准备时间排列宽松并且属性层次很少，那么COIT启发式算法将会得到很大的改进。如当 $n=100$，$\left|A\right|=5$，$A_k$ 产生于分布 $U\left[1,50\right]$ 且 $A{L}_k$ 产生于 $U\left[2,5\right]$ 时，PI值为66.85%，这在所有组合里是最大的优化百分比。概括起来说，COIT启发式算法比CM法更有效力和效率。

针对于第三组实验，将我们所提出的VNS与COIT启发式算法进行比较，以便评估初始结果的改善。在这个实验中，工种数量n分别取值为102,550,100。在每个测试实例中，VNS运行10次得到一个平均结果值。其改进比例(PL)计算方法如下：

$P{I}^{\prime }=\frac{C_{\max }\left(\text{COIT}\right)-C_{\max }\left(\text{VNS}\right)}{C_{\max }\left(\text{VNS}\right)}\cdot 100\%$

若 $I{P}^{\prime }$ 的值大于0，就表示VNS对COIT启发式得到的初始结果进行了改进。观察计算结果可知，对于所有的测试实例，随着工种数量n的增加， $I{P}^{\prime }$ 值明显地降低了；当 $n=10$ 时，VNS能做出最大的改进，约为7%，当 $n=25$ 时，平均改进比例小于0.2%；当工种数量更大时，如 $n\ge 50$ ，就几乎没有任何改进(但 $n=100$ 时，其中有且只有一个实例 $I{P}^{\prime }$ 的值达到5.61%，这个例外并非是由于计算错误所致，故耐人寻味)。总体而言，工种数量n较小时，COIT启发式很难得到较好的结果，这是因为工种数量小导致计算范围也小，所以这时候可以采用VNS；但随着工种数量的增加，计算范围也在变大，因此，较长的处理时间跟计算范围的关系不是很明显，这时COIT启发式得到的结果本身就比较理想，以至于VNS都无法做出更大的改进。此外，随着工种数量的增加，VNS的计算时间也在稳步而小幅度地增加。虽然COIT不怎么花费时间，但VNS也用极短的时间来改进结果。甚至在 $n=10$ 的例子中，VNS也只用了少于0.6秒的计算时间，对于所有的测试例子，VNS平均用了0.3秒。

基金项目

本文受资助与国家自然科学基金(No. 11271069)。

文章引用

熊辉,梁培锋,王晓佳,朱彬. 两台并行机器上进行多属性准备时间的工序设置问题
Scheduling with Multi-Attribute Preparation Times on Two Parallel Machines[J]. 应用数学进展, 2018, 07(10): 1325-1333. https://doi.org/10.12677/AAM.2018.710154

参考文献