基于ga-bp神经网络算法的生产调度研究

信息通信INFORMATION & COMMUNICATIONS2019(Sum. No 202)基于GA-BP神经网络算法的生产调度研究靳谭,楚建安(西安工程大学电子信息学院，陕西西安710600)摘要:针对企业在车间生产调度方面的问题，提出了基于GA-BP神经网络的生产调度算法。通过对比GA-BP模型与传

统的BP模型,验证了 GA-BP模型能够克服BP模型收敛速度慢和训练时间长的缺点。通过仿真实验对GA-BP模型进

行预测，得出模型预测正确率为96.2%O实验证明该算法可以完成最小化完成时间、最小化逾期时间和最小化能耗等多 个目标，能准确有效地预测车间作业时长的真实数据。关键词：生产调度;遗传算法;神经网络算法中图分类号:TP391

文献标识码:A 文章编号：1673-1131(2019)10-0047-03本文主要解决流水车间调度问题，流水车间调度问题具

有以下特点：0引言生产调度是指对车间生产作业进行合理的安排调度，是 多数制造业实施信息化、工业化的重要基础。有效的车间生

(1) 1件依次在m台设备上加工，并且在这些设备上的加

工顺序基本相同；产调度方法不仅能够提高制造业工厂的资源利用率和生产效 率，也符合国家制造业发展战略。以多数离散型制造业为例，

由于该类型企业订单数目较多,但每笔订单规模较小,造成作

(2) 某台设备加工各个工件的时间不一定相同，一个设备

单次处理一个工件，不存在一台机器同时加工多个工件的现

象；业加工的生产约束条件和调度目标多，随着市场需求增长，原

先的生产管理经验已不能适应多目标的生产调度需求。高效

(3) 前道工序完成后才能进行后道工序的加工。生产调度是为了合理安排加工顺序，使所有工件耗费的

的调度算法是解决车间调度问题的重要思路，常见的调度算

法包括神经网络算法、蚁群系统、模拟退火算法等。本文主要

研究基于GA- BP神经网络的调度算法。加工时间最少，或资源利用率最高。1.2建立数学模型调度问题的数学模型是满足给定的约束条件后，调整设

1车间调度问题描述及数学模型1.1车间调度问题描述表明，开发的多个版本的程序可能包含相似的错误。根据波音的经验，最常见的错误往往是对基本需求的错误

备上的作业顺序,完成作业所花费的时间最短。目标函数如下:

个完全相同的计算机余度,各个余度间釆用了非相似的设计。

飞机的飞机信息管理系统(AIMS)、空气数据惯性基准系统等 硬件系统也采用了多余度的设计。为了解决多余度系统的共 模故障的问题，通过部件隔离和功能隔离的设计，减少共模故

认识和理解。通过系统需求工程师和软件设计人员之间的密切

沟通，可以减少由于误解而产生的错误，而软件设计人员也可以

反过来帮助工程师在编写需求时认识到软件开发的各种局限性。

障对飞机的危害。对于软件的开发来说，使用单一软件设计

方法有利于保证系统完整性。而如果将软件研发和系统研发相隔离，这种好处就不会体现。PFC软件的开发中有三个的团队，在软件开发的过

程中需要向波音提出许多的问题来澄清需求，以至于这三个

参考文献：团队的性无法保证。之后波音就选择采用以往的方法来

开发和验证飞行关键源代码。事实证明，使用单一软件设计

方法有利于保证系统完整性。5安全分析波音公司曾进行过安全分析，评估了 FBW系统的所有重

大故障类型，包括单次故障、潜在故障和LRU级别的故障组 合以及应对已知故障的调度方案。此外还需要考虑飞机的定 期维护以避免潜在故障的进一步发展。分析表明，某一特定 失效模式发生的概率与其严重程度是一致的，而在同一时间

所有故障都同时发生的概率是极低的。波音公司根据以往的 飞行数据，列举了一系列可能的硬件部件故障模式和潜在的

LRU失效模式。通过进行系统分离、分区和余度管理,再结合

系统架构和故障检测/隔离算法，可以用于降低硬件门级故障

的可能性。这些成果可用于一些用于交互的系统，如电力和 液压动力.ARINC629总线，和一些重要的传感器等。[1] J.L. Shaw, H.K. Herzog, K. Okubo, \"DigitalAutonomous Ter­

minal AccessCommunication (DATAC)\ Seventh AIAA/ lEEEDigital Avionics System Conference, Novemberl986.[2] 牛文生，《机载计算机技术》，航空工业出版社,2013年1

月第1版.[3] K. Hoyme, K. Driscoll, \"SAFEbus\ EleventhAIAA/IEEE

Digital Avionics Conference, Octoberl992.[4] S.S. Osder, \"Generic Faults and ArchitectureDesign Con­

siderations in Flight-Critical Systems\ AIAAJoumal of Guidance, Vol.6,No.2, March-April 1983.[5] J. McGough, \"Effects of Near-Coincident Faults InMulti­

processor Systems\ Fifth AIAA/IEEE Digital Avionics Conference, October 1983.[6] A. Avizienis, M.R. Lyu, W. Schutz, \"In Search ofEflective

Diversity: A Six-Language Study ofFault-Tolerant Flight Control Software\ FTCS-18,198&作者简介:周青(1988-),男,江苏太仓人,硕士研究生,工程师， 研究方向:计算机应用。6结语为了保证波音777的电传飞控系统部件的可靠性，波音

釆取了多种容错设计策略。波音777的主飞控计算机具有三47信息通信c = min 嚣1蛀1£心M\"[杯 X (Wllk + WTk)] ⑴式(1)中C表示n个作业在M件机器上花费时间总和最 小，WiJt表示作业的第J道工序在机器K上的作业时长WTk,

表示选择机器K为作业J；的第J道工序需等待的时长。作业 的工序J在机器K作业时,和=1,否则xijk=0.K.AWUk障叫禍叫+忆)刊

⑶式⑶表示作业的加工时长不允许超出客户的要求时长U

St (j-i.) k + ^i <7-1 > k 2 StjkXijk=Xt(j-i)k=l

(4)式(4)中表示作业Ji的第J道工序在机器K上开始作

业时间，公式表明后道工序在前道工序作业完成后进行。2 GA-BP神经网络模型BP神经网络由输入层、单个或多个隐含层以及输出层3

层组成，主要特点是训练信号正向传播、误差信号反向传播。

通过反向传播，以最小化均方误差为目标修改传播网络的权

值与阈值,最终高精度拟合数据。但BP神经网络算法存在训 练速度慢，易陷入局部极小值等缺点。遗传算法不要求目标

函数有连续性，易得到全局最优解，能够优化BP神经网络初 始权值和阈值，增强网络稳定性叫⑴编码用遗传算法训练可使用二进制编码或实数编码，本次使 用实数编码。编码长度为：S = r X SI + r X S2 + SI + S2 (5)式⑸中S1为输入层神经元数,S2为输出层神经元数,r

为隐含层神经元数。(2) 适应度函数BP神经网络要求实际输出与期望输出的误差平方和最

小,可把均方误差的倒数作适应度函数，公式为：/(0 = 1/E(O E(0 = (ym 一 om)2 ⑹式(6)中i为染色体个数,m为输出节点数,n为训练样本 数。F(i)为个体适应度函数，当它接近1时，视为满足网络精

度要求。(3) 执行遗传操作图1 GA-BP神经网络流程图将个体适应值从大到小进行排序,釆用几何规划排序选

48靳谭等:基于GA-BP神经网络算法的生产调度研究择运算，得到上代个体直接进入下代的概率,釆用单点交叉 和均匀变异的操作方法。迭代完成后重新计算当前群体中

染色体的适应度值,寻找最优个体，反复迭代，直到满足要

求如果截止到预计最大遗传代数还未达到要求，停止

计算。经过遗传算法优化后，将输出结果作为BP网络的初始权

值和阈值。具体操作流程如图1。3实例验证实验数据经过真实跟踪生产收集所得,分析处理得到2000 份数据，样本数据准确且有代表性。我们选取其中1500组数

据进行模型训练，另外500组进行正确率测试。3.1 GA-BP网络与BP网络收敛曲线比较适应度曲线2.211---

平均适应度11.8■1-1.61.4:|T21__n_1:1-0.80.611-0.4-■1020

30 405060进化代8(图2 GA-BP模型收敛性图3 BP模型收敛性GA-BP模型的收敛性如图2所示,当训练35次时,接近

训练目标，使用时长575.16 S。而对比图3,观察到BP模型训

练48次达到目标，使用时长614.76 S. GA-BP模型的收敛速 度比BP模型提高了近37%,且训练时长较短。3.2 GA-BP神经网络模型预测精度经过仿真对比，我们已经可以确定GA-BP模型优于BP

模型，但还需对GA-BP模型的预测精度进行实验，观察GA-

BP模型是否稳定合理。2019年第10期

(总第 202 期)

信息通信 2019INFORMATION & COMMUNICATIONS (Sum. No 202)基于FlexRay总线的机载通用串行总线通信模块设计梁哲打花璐人张倩骨，闫稳'(1.中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所,陕西西安710000;2.沈阳飞机设计研究所，辽宁沈阳110035)摘要:面向机载公共设备计算机对串行总线通信接口资源和通信能力需求，研究完成了基于FlexRay总线的串行总线通

信模块的硬件设计和软件设计，重点介绍了 FlexRay总线详细设计。串行总线通信模块以FPGA为核心，完成了 HB6096

总线和RS422总线至FlexRay总线的数据网关功能，经验证满足设计要求，可应用于飞机公共设备管理计算机。关键词:公共设备计算机；串行总线通信模块;FlexRay总线;数据网关中图分类号:TP336

文献标识轉:A

文章编号：1673-1131(2019)10-0049-02模块主要由4部分组成:FlexRay总线设计,HB6096总线通信

0引言目前，先进战斗机机电系统设计通常采用综合化公共设 备管系统(UMS)的方案，采用高性能计算机加高速数据总线 加远程数据采集单元，实现机载机电系统综合,对系统功能进

设计、RS422总线通信设计及数据转换逻辑设计。行统一管理,动态调度与科学组合，全面提升现代飞机的可靠

新，经济型与维护性。典型的UMS架构，是由2台公共设备管理计算机(UMC)

与2台远程接口单元(RIU)组成,实现机电系统的综合控制与 管理功能。为了便于内/外场故障的定位、提高产品的故障隔

离率与可维修性，根据功能相对原则划分内部组成模块

进行架构设计,在UMC设置功能模块4类，即处理与通

图］公共设备管理计算机SCM模块架构信模块(PCM)、通用I/O处理模块(GPIO)、串行总线通信模块 1.1 FlexRay总线接口设计(SCM)及专用功能模块(SFM),各模块间通过FlexRay模块通

信。FlexRay总线是一种高速串行通信总线，能兼容事件触发

的时间触发方式，具有数据传输速率高,可靠性高和实时性好

等优点,可以满足机载机电控制与管理计算机的控制与管理

1串行总线通信模块硬件设计公共设备管理计算机的串行总线通信模块(SCM〉主要用 于完成与机电管理系统交联设备串行总线数据转换功能。将

功能需求。在理想情况下,FlexRay总线有效数据传输效率最

高可达96.9%,在实际应用中由于需要增加一些填充位，例如

交联设备的HB6096和RS422总线数据转换为FlexRay总线 数据，交由PCM模块进行处理;并将PCM模块的命令数据转 换为HB6096或RS422总线数据。其架构如图］所示。SCM

TTS, FSS, FES等,将会引起传输效率降低至77.0%。因此Flex­Ray 总线在通信速率与通信效率方面表现出色。目前,FlexRay通信功能实现主要有两种方式，一种是与帥 I------1:------1------:------:------1------:1------«— 。1 •预测输出0 : :

GA-BP Network4结语本文以神经网络算法为基础，对车间生产调度进行了研

究,将遗传算法与BP神经网络算法进行结合,建立了 GA-BP 神经网络模型。实验表明,GA-BP神经网络不仅克服了 BP神

经网络收敛速度慢和训练时间长的缺点，也能准确预测车间 作业真实数据，能够在生产调度中更好地处理计划制定问题,

减少逾期作业，增加企业生产利润。参考文献：50 W 150 200 250 300 350 400 450 500X样木图4 GA-BP模型预测图从图中，我们观察到GA-BP模型预测点与500组实测数

［1］ 叶云，赵小娟,胡月明.基于GA-BP神经网络的珠三角耕地

质量评价［几生态环境学报2018,27(05):9-973.［2］ 曹永峰，赵燕君•基于GA-BP神经网络的计算机智能化图

像识别技术探究［J］.应用激光2017,37(01):139-143.［3］ 刘春艳，凌建春,寇林元，仇丽霞,武俊青.GA-BP神经网络

与BP神经网络性能比较［J］.中国卫生统计,2013,30(02): 173-176+181.作者简介:靳谭(1994,男，山西阳城人，西安工程大学电子信 息学院，在读研究生，研究方向:智能制造。

据基本相同,预测正确率为96.2%,说明GA-BP模型有很强的 可信度，未出现模型失真的情况。GA-BP模型预测精度高，且 偏差波动范围小,能准确地预测车间作业真实数据。49