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 và trình độ chuyên môn
nên tôi đã làm luận văn này một cách nghiêm túc và hoàn toàn trung thực.
Trong luận văn, tôi có sử dụng một số tài liệu tham khảo của một số tác giả. Tôi
đã nêu ra trong phần tài liệu tham khảo ở cuối luận văn.
Tôi xin cam đoan và chịu trách nhiệm về nội dung và sự trung thực trong luận
văn tốt nghiệp Thạc sĩ của mình!

Học viên, Đỗ Đức Đông.


LỜI CẢM ƠN
Trước hết , tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy
hướng dẫn, PGS.TS. Hoàng Xuân Huấn , thầy đã cung cấp cho tôi những kiến
thức, những phương pháp khi nghiên cứu một vấn đề mang tính khoa học. Thầy
thường xuyên đưa ra và giúp tôi phát hiện ra nhiều ý tưởng mới. Tôi xin chân
thành cảm ơn thầy về sự hỗ trợ chân thành và nhiệt tình trong suốt thời gian tôi
làm luận văn.
Xin cảm ơn các thầy cô trong khoa Công Nghệ đã truyền đạt cho tôi
những kiến thức khoa học cơ bản, nền tảng để có cơ hội tiếp thu, học hỏi và hiểu
biết thêm.
Trong quá trình làm luận văn tôi còn nhận sự nhiệt tình giúp đỡ của bạn
bè, xin chân thành cảm ơn những người bạn của 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, các tác giả của các 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 tôi có thêm sự phong phú và đa dạng trong khóa luận của mì nh.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đì nh , bè bạn và những người thân yêu đã
luôn ở bên tôi động viên và giúp đỡ tôi 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 1 : 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 của 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 của ACO................. Error! Bookmark not defined.
1.2.4 Các thuật toán và các 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 sự khai thác và sự 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 2 : BÀI TOÁN LẬP LỊCH SẢN XUẤT VÀ CÁC PHƢƠNG
PHÁP GIẢI CHÍNH.............................................. Error! Bookmark not defined.
2.1 Giới thiệu bài 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 trong trƣờng hợp hai máyError! Bookmark not defined.
2.2.2 Bài toán JSS với số máy lớn hơn 2 . Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 3 : 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 và 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 bài toán lập lịch sản xuất.Error! Bookmark not d
3.2.6 Độ phức tạp các thuật toán MMAS, SMMAS, MLASError! Bookmark not
CHƢƠNG 4 : 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 quả thực nghiệm của MMAS ... Error! Bookmark not defined.
4.2.2 Kết quả thực nghiệm của MMAS, SMMAS và MLASError! Bookmark not
KẾT LUẬN ..................................................... Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 18


DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Hình 1 : Lƣợc đồ thuật toán ACO .................. Error! Bookmark not defined.
Hình 2: Lƣơc đồ của 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 hiện trình tự và thời gian xử lý Error! Bookmark not defined.
Hình 5: Đồ thị cấu trúc cho bài toán lập lịch sản xuất 2 công việc thực hiện
trên 3 máy ............................................................. Error! Bookmark not defined.

Hình 6: Một hành trình của kiến trên đồ thị cấu trúc Error! Bookmark not defined.
Hình 7: Lƣợc đồ thuật toán ACO giải bài toán lập lịch sản xuất Error! Bookmark not


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 1: Bài toán lập lịch sản xuất 3 công việc thực hiện trên 3 máy Error! Bookmark

Bảng 2: Bài toán lập lịch sản xuất 10 công việc thực hiện trên 10 máy Error! Bookmar
Bảng 3: Bài toán gia công trên 2 máy ............ Error! Bookmark not defined.

Bảng 4: Bài toán lập lịch sản xuất gồm 2 công việc thực hiện trên 3 máy Error! Bookm

Bảng 5: Độ phức tạp của các thuật toán MMAS, SMMAS, MLAS Error! Bookmark n
Bảng 6: Các tham số sử dụng cho các thuật toán ACO Error! Bookmark not defined.

Bảng 7: Kết quả thực nghiệm MMAS với 4 bộ dữ liệu Orb1 đến Orb4 Error! Bookmar

Bảng 8: Kết quả thực nghiệm MMAS cho các bộ dữ liệu chuẩnError! Bookmark not d
Bảng 9: So sánh kết quả tốt nhất sau 10 lần chạy của MMAS, SMMAS và
MLAS .................................................................... Error! Bookmark not defined.
Bảng 10: So sánh kết quả trung bình sau 10 lần chạy của MMAS, SMMAS
và MLAS .............................................................. Error! Bookmark not defined.


BẢNG TỪ VIẾT TẮT

STT

Từ viết tắt

Từ hoặc cụm từ

1

ACO

2

AS

3

ACS

4

MMAS

5

SMMAS

6

MLAS

7

Opt

Optimization

8

Avg

Average

9

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. 2 (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] />