Phương pháp tối ưu đàn kiến giải bài toán lập lịch sản xuất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỖ ĐỨC ĐÔNG PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU ĐÀN KIẾN GIẢI BÀI TOÁN LẬP LỊCH SẢN XUẤT LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2008 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Đỗ Đức Đông PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU ĐÀN KIẾN GIẢI BÀI TOÁN LẬP LỊCH SẢN XUẤT Ngành: Công Nghệ thông Tin Mã số: 1.01.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS HOÀNG XUÂN HUẤN Hà Nội - 2008 Lời cam đoan Với mục đích học tập, nghiên cứu để nâng cao kiến thức trình độ chuyên môn nên làm luận văn cách nghiêm túc hoàn toàn trung thực Trong luận văn, có sử dụng số tài liệu tham khảo số tác giả Tôi nêu phần tài liệu tham khảo cuối luận văn Tôi xin cam đoan chịu trách nhiệm nội dung trung thực luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ mình! Học viên, Đỗ Đức Đông LỜI CẢM ƠN Trước hết , xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy hướng dẫn, PGS.TS Hoàng Xuân Huấn , thầy cung cấp cho kiến thức, phương pháp nghiên cứu vấn đề mang tính khoa học Thầy thường xuyên đưa và giúp phát nhiều ý tưởng Tôi xin chân thành cảm ơn thầy hỗ trợ chân thành và nhiệt tình suốt thời gian làm luận văn Xin cảm ơn các thầy cô khoa Công Nghệ đã truyền đạt cho những kiến thức khoa học bản, nền tảng để có hội tiếp thu, học hỏi và hiểu biết thêm Trong trình làm luận văn nhận nhiệt tình giúp đỡ bạn bè, xin chân thành cảm ơn người bạn tôi: Đinh Quang Huy, Bùi Ngọc Thăng, Đào Thanh Khiết, Nguyễn Văn Chung, Đinh Quang Hoàng, Vũ Anh Quân, Hoàng Trọng Quỳnh Tôi xin cảm ơn các nhà khoa học, tác giả bài báo, báo cáo kỹ thuật và báo cáo hội thảo đã ghi ở phần tài liệu tham khảo , nhờ những tài liệu hữu í ch này mà có thêm sự phong phú và đa dạng khóa luận của mì nh Cuối cùng, xin cảm ơn gia đì nh , bè bạn và những người thân yêu đã bên động viên và giúp đỡ hoàn thành khóa luận MỤC LỤC MỤC LỤC 12 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ 14 DANH SÁCH CÁC BẢNG 15 BẢNG TỪ VIẾT TẮT 16 TỪ KHÓA 17 MỞ ĐẦU Error! Bookmark not defined CHƢƠNG : TỐI ƢU HÓA ĐÀN KIẾN VÀ ỨNG DỤNGError! Bookmark not def 1.1 Lịch sử phát triển Error! Bookmark not defined 1.1.1 AS và bài toán TSP Error! Bookmark not defined 1.1.2 Các cải tiến AS Error! Bookmark not defined 1.2 Phƣơng pháp tối ƣu hóa đàn kiến Error! Bookmark not defined 1.2.1 Bài toán tổng quát Error! Bookmark not defined 1.2.2 Thuật toán tổng quát Error! Bookmark not defined 1.2.3 Đặc tính hội tụ ACO Error! Bookmark not defined 1.2.4 Các thuật toán tham số Error! Bookmark not defined 1.3 Một số nguyên lý ứng dụng tối ƣu đàn kiếnError! Bookmark not defined 1.3.1 Thông tin học tăng cƣờng Error! Bookmark not defined 1.3.2 Các thông tin heuristic Error! Bookmark not defined 1.3.3 Kết hợp tì m kiếm đị a phƣơng Error! Bookmark not defined 1.3.4 Cân bằng giữa khai thác và khám pháError! Bookmark not defined 1.3.5 Sử dụng danh sách ứng cử viên Error! Bookmark not defined 1.3.6 Một số ví dụ Error! Bookmark not defined CHƢƠNG : BÀI TOÁN LẬP LỊCH SẢN XUẤT VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP GIẢI CHÍNH Error! Bookmark not defined 2.1 Giới thiệu toán lập lịch sản xuất (Job shop scheduling - JSS)Error! Bookmar 2.2 Các cách tiếp cận truyền thống Error! Bookmark not defined 2.2.1 Bài toán JSS trƣờng hợp hai máyError! Bookmark not defined 2.2.2 Bài toán JSS với số máy lớn Error! Bookmark not defined CHƢƠNG : TỐI ƢU ĐÀN KIẾ N VÀ BÀI TOÁN LẬP LỊCH SẢN XUẤT Error! Bookmark not defined 3.1 Bài toán lập lịch sản xuất (Job shop scheduling - JSS)Error! Bookmark not defi 3.2 ACO và bài toán lập lịch sản xuất Error! Bookmark not defined 3.2.1 Đồ thị cấu trúc Error! Bookmark not defined 3.2.2 Ma trận mùi thông tin heuristic Error! Bookmark not defined 3.2.3 Quy tắc chuyển trạng thái Error! Bookmark not defined 3.2.4 Quy tắc cập nhật mùi Error! Bookmark not defined 3.2.5 Mô tả thuật toán ACO giải toán lập lịch sản xuất.Error! Bookmark not d 3.2.6 Độ phức tạp thuật toán MMAS, SMMAS, MLASError! Bookmark not CHƢƠNG : KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁError! Bookmark not def 4.1 Bộ dữ liệu chuẩn Error! Bookmark not defined 4.2 Kết quả thực nghiệm và đánh giá Error! Bookmark not defined 4.2.1 Kết thực nghiệm MMAS Error! Bookmark not defined 4.2.2 Kết thực nghiệm MMAS, SMMAS MLASError! Bookmark not KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 18 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình : Lƣợc đồ thuật toán ACO Error! Bookmark not defined Hình 2: Lƣơc đồ thuật toán nhánh cận Error! Bookmark not defined Hình 3: Lƣợc đồ thuật toán di truyền Error! Bookmark not defined Hình 4: Ma trận thể trình tự thời gian xử lý Error! Bookmark not defined Hình 5: Đồ thị cấu trúc cho toán lập lịch sản xuất công việc thực máy Error! Bookmark not defined Hình 6: Một hành trình kiến đồ thị cấu trúc Error! Bookmark not defined Hình 7: Lƣợc đồ thuật toán ACO giải toán lập lịch sản xuất Error! Bookmark not DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1: Bài toán lập lịch sản xuất công việc thực máy Error! Bookmark Bảng 2: Bài toán lập lịch sản xuất 10 công việc thực 10 máy Error! Bookmar Bảng 3: Bài toán gia công máy Error! Bookmark not defined Bảng 4: Bài toán lập lịch sản xuất gồm công việc thực máy Error! Bookm Bảng 5: Độ phức tạp thuật toán MMAS, SMMAS, MLAS Error! Bookmark n Bảng 6: Các tham số sử dụng cho thuật toán ACO Error! Bookmark not defined Bảng 7: Kết thực nghiệm MMAS với dữ liệu Orb1 đến Orb4 Error! Bookmar Bảng 8: Kết thực nghiệm MMAS cho dữ liệu chuẩnError! Bookmark not d Bảng 9: So sánh kết tốt sau 10 lần chạy MMAS, SMMAS MLAS Error! Bookmark not defined Bảng 10: So sánh kết trung bình sau 10 lần chạy MMAS, SMMAS MLAS Error! Bookmark not defined BẢNG TỪ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Từ cụm từ ACO AS ACS MMAS SMMAS MLAS Opt Optimization Avg Average TSP 10 JSS 11 g-best global-best 12 i-best iteration-best Ant Colony Optimization (Tối ƣu hóa đàn kiến) Ant System (Hệ kiến AS) Ant Colony System (Hệ kiến ACS) Max-Min Ant System (Hệ kiến MMAS) Smooth-Max Min Ant System (Hệ kiến MMAS trơn) Multi-level Ant System (Hệ kiến đa mức MLAS) Travelling Salesman Problem (Bài toán ngƣời chào hàng) Job shop scheduling (Bài toán lập lịch sản xuất) TỪ KHÓA Ant colony optimization algorithm, ACO convergence, Job shop scheduling problem, Ant System, Max Min Ant System, Ant Colony System TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Applegate D, and Cook W A computational study of the job-shop scheduling problem ORSA Journal on Computing, vol 3, no 1(1991) [2] R.Bellman Mathematical aspects of scheduling and application, Pergamon Press, Oxford, 1982 [3] J.Carlier, E.Pinson An algorithms for solving the job-shop problem, Management Science, Vol 35, No (Feb., 1989), pp 164-176 [4] Dong Do Duc, Huy Q Dinh, and Huan Hoang Xuan On the pheromone update rules of Ant Colony Optimization approaches for the job shop scheduling problem In: the 11th Pacific Rim International Conference on Multi-Agents, pp 153–160 (2008) [5] M.Dorigo, V.Maniezzo and A.Corloni Positive feedback as a search strategy, Technical Report 91-109, Departimento di electronica e informatica, Poletico di Milano, IT, 1991 [6] M.Dorigo Optimization, learning and natural algorithms, PhD.dissertation, Milan Polytechnique, Italy, 1992 [7] M.Dorigo, V.Maniezzo and A.Corloni The Ant System : Optimization by a colony of cooperating agents, IEEE, Trans.Syst., Man, Cybern.B, vol.26, no.2, 1996, pp 2941 [8] M.Dorigo and L.M Gambardella Ant Colony System : A cooperative learning approach to the travelling salesman problem, IEEE Trans, on Evolutionary Computation, vol.1, no.1, 1997, pp 53-66 [9] M.Dorigo and M.D.Caro The Ant Conoly Optimization metaheuristic, A New Idea in Optimization, D.Corne, M.Dorigo and F.Glover, Eds London, U.K, McGraw-Hill, 1999, pp.11-32 [10] M.Dorigo and Thomas Stutzle The Ant Colony Optimization Metaheuristic : Algorithms, Applications and Advances, 2000 [11] M.Dorigo and Thomas Stutzle A short Convergence Proof for a class of Ant Colony Optimization Algorithms, IEEE, 2002 [12] S.Even, A Itai, and A.Shamir On the complexity of timetable and multicommodity flow problems, SIAM Journal on Computing 5(4), 1976, pp 691-703 [13] W.J Gutjahr ACO Algorithms with guaranteed convergence to the optimal solution problem, Info.Processing Lett., vol.83, no.3, 2002, pp 145-153 [14] Hoang Xuan Huan & Dinh Trung Hoang On the ant colony system for the postman problem, Journal of Science, Natural Sciences and Technology, Viet Nam National Univeristy, Ha Noi, vol.18, no 1, 2002, pp 29-37 [15] Hoang Xuan Huan Convergence Analysis of ACO Algorithms and New Perpectives, manuscript, 2003 [16] Hoang Xuan Huan, Do Duc Dong and Dinh Quang Huy Multi-level Ant System and Typical Combanatorial Optimization Problems 2nd Optimization and Scientific Computation Conference, Institue of Mathematics, Ha Noi, Viet Nam, 05.2004, page 15 [17] Huy Q D, Dong Do Duc, and Huan Hoang Xuan Multi-level ant system - a new approach through the new pheromone update for ant colony optimization In: the 2006 Inter-national Conference on Research, Innovation and Vision for the Future, pp 5558, (2006) [18] J.Käschel, T.Teich, G.Köbernik, B.Meier Algorithms for the Job Shop Scheduling Problem – a comparison ofdifferent methods [19] J.F.Shapiro Mathematical Programming : Structures and Algorithms WileyInterscience [John Wiley & Sons], New York, 1979 [20] Siessens R and Aarts E and Lenstra J Job shop scheduling by local search In: COSOR Memorandum 94-05, Eindhoven University of Technology, Eindhoven, The Netherlands (1994) [21] K.Socha, Michael Sampels and Max Manfrin Ant Algorithms for the Univerrsity Course Timetabling Problem with Regard to the State-of-the-Art [22] T.Stutzle and Holger Hoos MAX-MIN Ant System and Local Search for the Traveling Salesman Problem, IEEE, 1997 [23] T.Stutzle, Hoos MAX-MIN Ant System, Future Generation Computer System 16 (2000) pp 889-914 [24] S.Zwaan, C.Marques Ant colony Optimisation for Job shop Scheduling [25] http://iridia.ulb.ac.be/~ants