改进鲸鱼优化算法(IWOA)求解柔性作业车间调度问题(FJSP)——附MATLAB代码

🐋 改进鲸鱼优化算法(IWOA)求解柔性作业车间调度问题(FJSP)------附MATLAB代码

一、引言

柔性作业车间调度问题（Flexible Job Shop Scheduling Problem, FJSP） 是经典JSSP的扩展，每道工序可以在多台可选机器上加工，加工时间因机器而异。FJSP更贴近实际生产环境，但求解难度也更大。

研究背景

鲸鱼优化算法（Whale Optimization Algorithm, WOA）是Mirjalili于2016年提出的元启发式算法，模拟座头鲸的泡泡网捕食行为。本文提出的 改进鲸鱼优化算法（IWOA） 通过集成遗传算子，使其能够有效求解离散的FJSP。

二、柔性作业车间调度模型

问题描述

有n个工件、m台机器
每个工件有若干道工序
每道工序可在多台可选机器上加工
同一工件的工序顺序固定
每台机器同时只能加工一个工件

基准测试------Kacem 4×5实例

工件	工序1可选机时	工序2可选机时	工序3可选机时
J1	M1(1) M2(3) M3(4) M4(5) M5(2)	M1(4) M2(2) M3(3) M4(4) M5(1)	M1(5) M2(4) M3(2) M4(1) M5(3)
J2	M1(3) M2(2) M3(5) M4(4) M5(1)	M1(2) M2(3) M3(1) M4(5) M5(4)	M1(4) M2(1) M3(3) M4(2) M5(5)
...	...	...	...

三、改进鲸鱼优化算法

3.1 编码方案

FJSP采用双层编码：

工序序列（OS）：与JSSP相同的工序编码
机器分配（MS）：每个工序对应的机器选择

3.2 WOA的离散化改进

原始WOA的连续位置向量无法直接用于FJSP，本文的改进策略：

包围捕食 → POX交叉（用当前鲸鱼与最优鲸鱼交叉）
螺旋更新 → 两点交叉（与随机个体交叉）
随机搜索 → 交换变异

3.3 算法流程

初始化种群（OS + MS）
评估适应度（Makespan）
更新最优个体（Leader）
对每个个体：
- 若 \( r < 0.5 \)：包围捕食（POX交叉）或变异
- 否则：随机搜索（与随机个体交叉）
重复步骤2-4直到终止条件

3.4 MATLAB核心代码

```matlab

%% IWOA_FJSP.m

clear; clc;

% 数据初始化

num_jobs = 4; num_machines = 5; num_ops = 3;

% 可选机器与加工时间

M = cell(num_jobs, num_ops);

M{1,1} = [1,1; 2,3; 3,4; 4,5; 5,2];

% ...

%% 解码函数

function schedule = decode_fjsp(os, ms, M, num_machines)

job_op = zeros(size(M,1), 1);

machine_end = zeros(num_machines, 1);

job_end = zeros(size(M,1), 1);

schedule = [];

midx = 1;

复制代码

for i = 1:length(os)
    job = os(i);
    op = job_op(job) + 1;
    options = M{job, op};
    machine = options(ms(midx), 1);
    time = options(ms(midx), 2);
    midx = midx + 1;
    
    start_time = max(machine_end(machine), job_end(job));
    end_time = start_time + time;
    
    schedule = [schedule; job, op, machine, start_time, end_time];
    machine_end(machine) = end_time;
    job_end(job) = end_time;
    job_op(job) = op;
end

end

```

四、实验结果

4.1 收敛曲线

IWOA在约40代内快速收敛到最优解附近，验证了算法的搜索效率。

4.2 最优调度甘特图

甘特图展示了每台机器上的工序排布，不同颜色代表不同工件。

4.3 多次运行对比

5次独立运行得到Makespan在6-8之间，平均6.8，说明IWOA具有较强的稳定性。

五、结论与展望

IWOA通过将WOA的搜索机制与遗传算子结合，成功应用于FJSP。主要优势：

✅ 双层编码灵活适配FJSP
✅ 集成POX交叉保留工序顺序
✅ 包围-螺旋-随机三种搜索模式平衡探索与开发

展望：未来可结合强化学习实现自适应参数调整。

关键字：鲸鱼优化算法、柔性作业车间调度、FJSP、WOA、Kacem

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