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研究生: 黃元鴻
Huang, Yuan-Hung
論文名稱: 結合基因演算法與懲罰值滿足顧客工單之交期排程 -以A公司某加工線為例
Hybrid of Genetic Algorithm & Penalty Value To Meet Customer Worker Orders and Delivery Schedule-The Case of A Company
指導教授: 利德江
Li, Der-Chiang
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 管理學院 - 工業與資訊管理學系碩士在職專班
Department of Industrial and Information Management (on the job class)
論文出版年: 2022
畢業學年度: 110
語文別: 中文
論文頁數: 82
中文關鍵詞: 零工式生產排程基因演算法懲罰值
外文關鍵詞: JSP(Job_shop_scheduling_problem), GA(Genetic_Algorithm), Penalty
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  • 早期人力與獸力的農業社會中,產出與投入在當時的時空背景下,未以見得排程如此重要,但伴隨工業時代來臨與科技演進,純人力的生產管理已不敷使用。在大數據與供應鏈之相互關係中,生產管理排程之應用,相形重要,如:生產效能、交期、機器待機時間、任務完工時間等,在產業市場上為了做好內部管理與維持競爭力,因此在可視的產出指標,如:生產管理、生管排程的時間窗預覽以及產線預計完工日期可使管理更具多功能;鐵皮的生產或加工,常看得到中小企業的角色,尤因其易生鏽且需給多種不同客戶適用的特性,在產製過程中,延生更多不同的加工及處理,如:順序式生產,亦或因不同的產品有著不一樣的對應製程,含括多個加工的面向及方式,藉由不同的先後順序來找尋工時最佳的排序,除了傳產鋼鐵製造外,亦可提供給多種傳統有順序性的產業使用,雖然在產業屬性別間,仍存在有些許的差異需要調整,以求能與實務更為貼近。
    A公司為因應社會快速變遷與高度競爭的時代,同業間無不卯足全力,求新求變,力求符合消費者的期待,從軟體或硬體的角度思維升級,在有限時間內,藉以降低成本並提升產業之附加價值及品質,以傳統鋼鐵加工業為例,交期時間壓力一直維持很高的佔比,排程工作更甚是如此,其工作要求為繁雜且多目標的工作,等同於NP hard 的議題,本篇將以具規則性的零工式生產排程(Job_shop_scheduling_problem),簡稱JSP,以最小完工時間(min._makespan)為目標,在人力資源有限下,透過數學及啟發式演算法,來達到降低排程加工時間、成本、機台閒置,以提高排程及現場工作品質,一來能完成任務需求,不延期、降低衝突,再者藉由縮短完工時間,期能有餘裕時間,以應付突發及其他狀況。
    世事如棋,乾坤莫測,在每一次的排程滾動與變化,皆可順利交件,其實每個人在時間的條件限制下,都站在同一條起跑線上,排程者唯一可以更動的地方,就是工序的前後順序調整,藉由觀察不同的時序,了解整個排程是否能符合最快速的製程時間,交期能否如期的完成客戶需求,對於客戶及工廠的產程管理者而言,無疑都是共同努力的目標;組織行為所提及管理者之重要任務乃在處理人的行為與行為背後的原因;當衝突發生時,排程也務必對人保留其應變的彈性,同時在其問題發生的當下,雙方能夠有效的溝通及協調,萬一有衝突產生時,也能夠微調產程排序,使其配合軟硬體協調達成一致。
    在演算法中,常用於排程安排演算法中,有螞蟻演算法、人工蜂群演算法、模擬退火演算法、粒子群演算法等多種演算法,最終選擇基因演算並結合部份塔布功能,著眼於文獻探討中使用人數相對較多,再者單純基因並無記憶功能,無法排除落入區域最佳解,減少不確定的因素,往後的研究中,將採以基因算法為主(找各種可能區域最佳解),擷取部份塔布演算法為輔(收斂),兩相配合,藉以達到最佳解及最有效率解,並把讀取外部檔案相對有彈性的PYTHON為執行軟體,因為在輸出的視覺化裡頭有較多的支援。
    在基因演算法中,除了原本的最低工時評分選項外,其中之一,安排完工時間盡可能不超出結束時間,超出會有懲罰值,超出值作平方,加回原本最低的完工時間,使得最低的完工時間變大,適應度函數值變小,因為超出值作平方,最終結果不好的可行解不容易被選中;本研究期能望透過兩階段基因演算法達成目標,第一階期段先取得重要參數,在實驗設計中先透過多重迴圈,取得演化代數、基因條庫數、突變率等較佳參數,再透過執行限制並預擬關鍵情境變數,最終把需求透過程式化求解,期望能用最少時間及最少的衝突的工序項目與時間,使複雜的排程工作,從工單、機台、工序、工作時間、到期時間,滿足各站及機台的需求及到期日之前出,若到期日在經過排程預先作業時,也可以讓管理者在第一時間知會相關人員,如客戶及公司業務、知會相關部門在原本的時間加班因應,甚或是委外代工,進而使得違約的懲罰風險下降,以達到多元及全方位的面向,藉以滿足客戶、公司、員工三方皆能滿意的狀況;第二階段,把參數帶入演算法中取得甘特圖,藉以取得以X軸為時間及Y軸為工單、機器之兩種甘特圖,方便實務對照及管控使用。
    本碩士論文採用PYTHON為執行軟體,其強大的讀取外部功能在與實務對接相對有彈性,且在數據的讀取,收集與輸出的視覺化有較多的支援,其結果將藉由透過達成客戶交期前產出,最小完工時間,安排生產排程,可以在不違反交期時限,期能有效率的搜尋出有效果的解;本碩論文因時間因素,在此次並無考慮換模次數最少、完工時間多筆數多情境的實驗設計、機器學習與人工智慧的功能納入,待後進專家完備考量,並臻於完美。

    SUMMARY
    In the future research, the genetic algorithm will be used mainly (Look for the best solution in various possible regions), the Tabu algorithm is supplemented (convergence), and the twice are combined to achieve the best solution and the most efficient solution. This study expects to achieve the goal through a two-stage genetic algorithm. Duan first obtains important parameters, and through multiple loops in the experimental design, obtains better parameters such as evolutionary algebra, number of genes , mutation rate, etc., and then executes constraints and pre-calculates key situation variables, and finally solves the requirements through programming , expect to use the least time and the least conflicting process items and time to make complex scheduling work, from work order, machine, process, working time, due time, to meet the needs of each station and machine and issue before the due date. If the due date is scheduled in advance, the manager can also notify the relevant personnel during first stage, such as customers and company business, or notify the relevant departments to work overtime first. It can be even outsourced, thereby reducing the risk of penalty for breach of contract, so as to achieve a diversified and all-round aspect, so as to meet the satisfaction of customers, companies and employees; in the second stage, parameters are introduced into the algorithm to obtain Gantt charts. In order to obtain two Gantt charts with X-axis as time and Y-axis as work orders and machines, it is convenient for practical comparison and control.
    Keywords: JSP(Job_shop_scheduling_problem), GA(Genetic_Algorithm), Penalty。

    摘要 I ABSTRACT IV 誌謝 VIII 目錄 IX 表目錄 XI 圖目錄 XII 方程式之目錄 XIII 第一章 緒論 1 第1.1節 研究背景與動機 1 第1.2節 研究目的 2 第1.3節 研究架構 4 第二章 文獻探討及回顧 7 第2.1節 問題探討 7 第2.2節 多目標問題探討 9 第2.3節 啟發式演算法 10 2.3.1螞蟻演算法 12 2.3.2模擬退火法 15 2.3.3粒子群最佳化法 16 2.3.4基因演算法 20 2.3.5人工蜂群演算法 27 第2.4節 小結 28 第三章 研究方法 31 第3.1節 問題定義 31 第3.2節 限制條件、數學式與使用參數說明 33 第3.3節 遺傳演算法架構 34 3.3.1參數設定 35 3.3.2編碼方式及基因種群初始化 36 3.3.3程式任務、硬體執行時的配置、演算法過程 37 3.3.4計算適應度及解碼 43 3.3.5個體選擇 45 3.3.6基因交配 46 3.3.7基因突變 47 3.3.8保留最佳解 47 3.3.9甘特圖 48 第四章 實驗結果 51 第4.1節 工單加工過程的問題假設與數學模型 51 第4.2節 基因演算法之參數與實驗結果 53 4.2.1 5筆工單5部機器13工序 53 4.2.2 10筆工單5部機器26工序 56 4.2.3 20筆工單5部機器52工序 61 第4.3節 傳統派工法則與基因演算之比較 71 第4.4節 JSP排程績效評估 71 第五章 結論及未來展望 73 第5.1節 結論與心得 73 第5.2節 未來展望 73 參考文獻 76 附錄 82

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    https://github.com/sundial-dreams/BitMESClient

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