同类制造资源网络共享与调度

前言

　　制造业是指对采掘的自然物质资源和工农生产的原材料进行加工和再加工，为国民经济其他部门提供生产资料，为社会提供消费品的社会生产制造部门。制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。新一代信息技术的飞速发展使得互联网功能愈加强大，构建了一个以互联网为核心的人 -机-物互联大系统，为制造资源网络共享提供了信息基础，成为制造模式创新的重要驱动力量，引发了“互联网  ”环境下的制造变革。
　　本书立足于新一代信息技术与制造业深度融合的“互联网  ”环境背景，研究网络共享的同类制造资源调度方法，以期对网络共享同类制造资源的高效利用提供理论与方法支撑。从调度理论的角度来看，网络共享制造资源具有外部性、在线性和异址性的特点，与传统制造资源的调度有明显区别。我们把通过网络共享的制造资源这种以租代买的特性定义为网络制造资源的“外部性”。与传统运作方式下制造资源购置发生在生产制造之前，企业生产调度往往不考虑制造资源使用成本的调度情境不同，“互联网  ”环境下通过网络共享的外部制造资源以租用方式使用，因此考虑网络共享制造资源外部性的调度问题应平衡网络制造资源租用成本与生产效率的矛盾。我们把网络共享制造资源因分属不同企业而在生产周期内加入或退出生产系统，以及由此造成的调度周期内可用状态变化的现象定义为网络制造资源的“在线性”。与传统运作方式假定平行机的个数预知且固定的情境不同，网络共享制造资源的外部性进一步导致了机器的在线性，即调度周期内机器数量发生变化，因此考虑网络制造资源在线性的调度问题应重视制造资源数量变化对调度目标的影响与优化。我们把网络虚拟空间零距离联结而在现实物理空间存在较大位置差异的现象定义为网络制造资源的“异址性”。网络制造资源的异址性使得机器选择对生产之后的配送环节产生巨大影响，因此考虑网络制造资源异址性的调度问题应综合优化生产配送整体效率。
　　作者所在的科研团队紧密结合合肥工业大学的工科大学特色，长期围绕制造企业运营管理中的优化理论与方法开展研究工作，密切关注“互联网  ”环境下的制造变革及其带来的管理问题，并且得到了国家自然科学基金及省、部级课题的大力支持。在同类制造资源网络共享与调度方面，团队在前人研究工作的基础上，提出了一个同类制造资源网络共享与调度框架，并重点针对网络制造资源的外部性、在线性和异址性三个方面的新特点开展了较为系统的研究工作。针对网络制造资源的外部性，考虑了网络共享制造资源数量及其可用时间区间提前预知的情形，构建了具有不可用时段的平行机调度模型，设计了相应的优化方法。针对网络制造资源选择时带来的机器租用成本和机器数量变化，结合现实中机器租用成本的常见定价方式，分别研究了仅考虑固定成本、仅考虑可变成本，以及同时考虑固定成本和可变成本约束的平行机调度问题。针对网络制造资源的异址性，研究了直接配送方式下设置和不设置配送中心两种情形对生产配送协同调度的影响，以及考虑成本约束的异址机器生产配送协同调度问题。
　　本书是基于团队近十年来在同类制造资源网络共享与调度方法方面的科研工作整理而成的。李凯教授主持了本书相关课题的研究工作，提出了本书的主要思想和学术观点，制定了本书的详细框架，组织了本书的整理过程，对全书进行了统稿和最终定稿。周陶博士协助李凯教授参加了相关课题的研究工作和书稿整理工作，对本书进行了认真审查。参加相关课题研究和书稿整理工作的还有徐淑玲、肖巍、陈健福、刘静、张丽敏、夏露露、张晗、张勋、石梅、李会、张惠娟、解超、潘雨倩、邢松、杨阳、关银银、张博、李思源、邵子明、黄梦雨、吴文雅、李艳等。团队在研究过程中参考了大量的国内外相关研究成果。
　　衷心感谢国家自然科学基金（项目号： 71521001、72271070、71871076、 71471052、71690235、72201112），以及安徽省自然科学基金杰青项目 2208085J07的支持！衷心感谢团队所在的“过程优化与智能决策”重点实验室为团队创造了良好的科研环境和学术氛围！衷心感谢唐国春教授对包括本书在内的“排序与调度丛书”所做的大量工作！衷心感谢沈吟东教授、王军强教授和中国运筹学会排序专委会的其他老师对本书认真细致的审稿和修改建议！衷心感谢所有参考文献的作者！衷心感谢清华大学出版社为本书的出版做了大量精心细致的工作！
　　“互联网  ”环境下的网络制造资源共享与调度是一个理论研究与管理实践的前沿领域，团队仅针对同类制造资源，探索网络共享与调度的特点和优化方法，研究工作只是此领域的冰山一角，加上作者水平有限，定有疏漏之处，恳请读者批评指正。

作者 
2023年 2月 10日于合肥

专著主要考虑同类制造资源通过网络共享涉及到的调度问题。与传统调度系统相比，机器通过云平台实现共享，需进一步考虑如下特点：（1）机器使用权与所有权分离，机器使用更应重视成本因素；（2）通过互联网获得的同类制造资源，在一个调度周期内，可能会带来平行机系统机器数量的变化。如果从静态的角度来看，可视为每个机器存在不可用时间段的平行机调度系统；而从动态的角度看，需综合考虑机器选择产生的成本与生产效率的平衡；（3）共享的机器设备在现实空间中可能有很大的位置差异，因此需要考虑生产对后续配送的影响。

李凯，管理学博士，合肥工业大学管理学院教授、博士生导师、副院长。主要从事优化与决策、生产运作管理等方面的研究工作。中国运筹学会排序专委会理事、中国系统工程学会智能制造系统工程分会学术委员会委员、中国系统工程学会可持续运营与管理系统分会常务理事、过程优化与智能决策重点实验室学术委员会委员。主持或参与国家自然科学基金项目、国家863项目等多项课题。有26篇论文被SCI源刊发表，EI检索45篇。出版专著1部。获得高等学校科学研究优秀成果奖（人文社科奖和自然科学奖）二等奖各1项。

第 1章绪论 
1.1典型制造模式演化与发展 
1.2“互联网 ”环境下的先进制造模式 
1.3制造资源网络共享与调度新征 
1.4主要内容结构
参考文献

第 2章同类制造资源网络共享调度理论新挑战 
2.1同类制造资源网络共享框架 
2.1.1国内外研究现状 
2.1.2基于 Agent的同类制造资源网络共享系统模型 
2.1.3基于 Agent的同类制造资源网络共享调度流程分析 
2.2考虑机器成本的调度研究现状综述 
2.2.1考虑机器固定成本的调度 
2.2.2考虑机器可变成本的调度 
2.2.3研究机遇与挑战 
2.3在线调度研究现状综述 
2.3.1在线单机调度 
2.3.2在线平行机调度 
2.3.3研究机遇与挑战 
2.4异址机器生产配送协同调度研究现状综述 
2.4.1不考虑的生产配送协同调度 
2.4.2考虑的生产配送协同调度 
2.4.3研究机遇与挑战
本章小结
参考文献

第 3章网络共享环境下考虑固定成本约束的平行机调度 
3.1问题背景与研究现状 
3.2作业等长情形下考虑固定成本的小化 Makespan平行机调度 
3.2.1问题描述 
3.2.2算法设计 
3.2.3实验结果 
3.3考虑固定成本的小化 Makespan平行机调度 
3.3.1问题描述 
3.3.2算法设计 
3.3.3实验结果 
3.4考虑固定成本的小化大延迟时间平行机调度 
3.4.1问题描述 
3.4.2算法设计 
3.4.3实验结果 
3.5考虑固定成本的小化 Makespan与租用成本加权之和平行机调度 
3.5.1问题描述 
3.5.2算法设计 
3.5.3实验结果 
本章小结 
参考文献 

第 4章网络共享环境下考虑可变成本约束的平行机调度 
4.1问题背景与研究现状 
4.2考虑可变成本的小化 Makespan及总完工时间平行机调度 
4.2.1问题描述 
4.2.2算法设计 
4.2.3实验结果 
4.3考虑可变成本的小化大延迟时间平行机调度 
4.3.1问题描述 
4.3.2算法设计 
4.3.3实验结果 
4.4同时考虑固定成本与可变成本的小化总延迟时间平行机调度 
4.4.1问题描述 
4.4.2算法设计 
4.4.3实验结果 
本章小结 
参考文献 

第 5章网络共享环境下具有不可用时段的平行机调度 
5.1问题背景与研究现状 
5.1.1问题背景 
5.1.2研究现状 
5.2具有不可用时段的一般平行机调度 
5.2.1问题描述 
5.2.2算法设计 
5.2.3实验结果  
5.3考虑原材料变质的具有不可用时段的平行机调度 
5.3.1问题描述 
5.3.2算法设计 
5.3.3实验结果 
本章小结 
参考文献 

第 6章网络共享环境下异址平行机生产配送协同调度 
6.1问题背景与研究现状 
6.1.1问题背景 
6.1.2研究现状 
6.2直接配送情形下带有配送中心的异址机器调度 
6.2.1问题描述 
6.2.2算法设计 
6.2.3实验结果  
6.3直接配送情形下不带有配送中心的异址机器调度 
6.3.1问题描述 
6.3.2算法设计  
6.3.3实验结果 
6.4考虑成本的异址机器生产配送协同调度 
6.4.1问题描述 
6.4.2算法设计 
6.4.3实验结果 
本章小结 
参考文献 

第 7章总结与展望 
附录英汉排序与调度词汇
索引

专著主要考虑同类制造资源通过网络共享涉及到的调度问题。与传统调度系统相比，机器通过云平台实现共享，需进一步考虑如下特点：（1）机器使用权与所有权分离，机器使用更应重视成本因素；（2）通过互联网获得的同类制造资源，在一个调度周期内，可能会带来平行机系统机器数量的变化。如果从静态的角度来看，可视为每个机器存在不可用时间段的平行机调度系统；而从动态的角度看，需综合考虑机器选择产生的成本与生产效率的平衡；（3）共享的机器设备在现实空间中可能有很大的位置差异，因此需要考虑生产对后续配送的影响。

李凯，管理学博士，合肥工业大学管理学院教授、博士生导师、副院长。主要从事优化与决策、生产运作管理等方面的研究工作。中国运筹学会排序专委会理事、中国系统工程学会智能制造系统工程分会学术委员会委员、中国系统工程学会可持续运营与管理系统分会常务理事、过程优化与智能决策重点实验室学术委员会委员。主持或参与国家自然科学基金项目、国家863项目等多项课题。有26篇论文被SCI源刊发表，EI检索45篇。出版专著1部。获得高等学校科学研究优秀成果奖（人文社科奖和自然科学奖）二等奖各1项。