化工行業(yè)生產(chǎn)調(diào)度與優(yōu)化試題及答案考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.在化工生產(chǎn)調(diào)度中，確保產(chǎn)品按時(shí)交付的主要目標(biāo)是（）。A.最大化設(shè)備利用率B.最小化生產(chǎn)成本C.滿(mǎn)足客戶(hù)交貨期要求D.減少庫(kù)存水平2.下列哪種生產(chǎn)調(diào)度規(guī)則傾向于優(yōu)先處理加工時(shí)間最短的任務(wù)？（）A.先到先服務(wù)(FIFO)B.優(yōu)先級(jí)規(guī)則(PR)C.最短加工時(shí)間優(yōu)先(SPT)D.隨機(jī)規(guī)則(Random)3.緩沖庫(kù)存（BufferStock）在化工生產(chǎn)調(diào)度中的作用主要是（）。A.提高設(shè)備周轉(zhuǎn)率B.隔離前后工序之間的波動(dòng)和不確定性C.降低原材料采購(gòu)成本D.減少在制品庫(kù)存4.當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程中存在多種產(chǎn)品需要競(jìng)爭(zhēng)有限資源時(shí)，資源約束對(duì)調(diào)度產(chǎn)生的主要影響是（）。A.增加生產(chǎn)總成本B.導(dǎo)致某些訂單無(wú)法按時(shí)交付C.降低系統(tǒng)整體吞吐量D.以上都是5.適用于求解線(xiàn)性約束和線(xiàn)性目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法是（）。A.整數(shù)規(guī)劃(IP)B.非線(xiàn)性規(guī)劃(NLP)C.線(xiàn)性規(guī)劃(LP)D.啟發(fā)式算法(Heuristic)6.在化工連續(xù)生產(chǎn)裝置中，通常采用何種調(diào)度策略？（）A.按訂單生產(chǎn)(MTO)B.按庫(kù)存生產(chǎn)(MTS)C.按批次生產(chǎn)(MTS變種)D.線(xiàn)性流程固定調(diào)度7.設(shè)備準(zhǔn)備時(shí)間（SetupTime）或切換成本（SetupCost）是化工生產(chǎn)調(diào)度中需要考慮的重要因素，它主要體現(xiàn)了（）。A.時(shí)間緊迫性B.資源專(zhuān)用性或轉(zhuǎn)換成本C.體積約束D.物料復(fù)雜性8.網(wǎng)絡(luò)圖（如甘特圖、關(guān)鍵路徑圖）常用于生產(chǎn)調(diào)度的哪個(gè)階段？（）A.模型建立B.方案求解C.可行性分析D.結(jié)果可視化與溝通9.針對(duì)具有隨機(jī)性或不確定性的化工生產(chǎn)環(huán)境（如需求波動(dòng)、設(shè)備故障），可以采用何種方法進(jìn)行調(diào)度？（）A.確定性數(shù)學(xué)規(guī)劃B.預(yù)測(cè)技術(shù)C.隨機(jī)規(guī)劃或魯棒優(yōu)化D.敏感性分析10.最小化最大延遲（Max-minLateness）調(diào)度目標(biāo)通常適用于強(qiáng)調(diào)公平性和準(zhǔn)時(shí)交付權(quán)的場(chǎng)景，例如（）。A.高價(jià)值產(chǎn)品生產(chǎn)B.緊急訂單處理C.維持客戶(hù)關(guān)系D.資源利用率最大化二、填空題1.生產(chǎn)調(diào)度是指根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃、資源狀況和______，制定詳細(xì)的物料、設(shè)備、人員等生產(chǎn)活動(dòng)執(zhí)行方案的過(guò)程。2.在化工批量生產(chǎn)中，批量大?。˙atchSize）的選擇是一個(gè)重要的調(diào)度決策變量，它直接影響______和______。3.線(xiàn)性規(guī)劃模型在化工生產(chǎn)調(diào)度中常用于解決資源分配優(yōu)化問(wèn)題，其基本要素包括目標(biāo)函數(shù)、約束條件以及______。4.當(dāng)調(diào)度問(wèn)題包含整數(shù)約束（如任務(wù)必須整批執(zhí)行）時(shí)，需要采用______方法進(jìn)行求解。5.基于規(guī)則的調(diào)度（Rule-basedScheduling）是化工生產(chǎn)中常用的一種方法，常見(jiàn)的規(guī)則如______、______等。6.在多階段化工生產(chǎn)中，物料平衡是進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度的重要基礎(chǔ)，確保了各環(huán)節(jié)______的準(zhǔn)確銜接。7.實(shí)時(shí)調(diào)度系統(tǒng)（Real-timeSchedulingSystem）需要具備快速響應(yīng)生產(chǎn)擾動(dòng)、動(dòng)態(tài)調(diào)整調(diào)度計(jì)劃的能力，以滿(mǎn)足化工生產(chǎn)的______要求。8.調(diào)度績(jī)效評(píng)估常用的指標(biāo)包括設(shè)備利用率、生產(chǎn)周期、______、______等。9.對(duì)于涉及大量變量和約束的復(fù)雜化工調(diào)度問(wèn)題，精確算法（如線(xiàn)性規(guī)劃）可能難以在合理時(shí)間內(nèi)求解，此時(shí)可以考慮采用______或______。10.化工生產(chǎn)中的安全規(guī)定和環(huán)保約束是調(diào)度必須滿(mǎn)足的硬性______。三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述化工生產(chǎn)調(diào)度與一般制造業(yè)生產(chǎn)調(diào)度的主要區(qū)別。2.解釋什么是緩沖庫(kù)存，并說(shuō)明其在化工生產(chǎn)線(xiàn)中設(shè)置的位置和原因。3.比較先到先服務(wù)（FIFO）調(diào)度規(guī)則和最短加工時(shí)間優(yōu)先（SPT）調(diào)度規(guī)則的優(yōu)缺點(diǎn)，并分析在何種化工生產(chǎn)場(chǎng)景下可能更適用。4.描述線(xiàn)性規(guī)劃（LP）在解決化工生產(chǎn)資源分配優(yōu)化問(wèn)題時(shí)的基本步驟（從問(wèn)題定義到模型求解）。5.分析化工生產(chǎn)中引入緊急訂單插入所帶來(lái)的挑戰(zhàn)，并提出一種可能的應(yīng)對(duì)策略。四、計(jì)算題1.某化工車(chē)間有兩臺(tái)相同的反應(yīng)釜，用于生產(chǎn)兩種化工產(chǎn)品A和B。已知產(chǎn)品A的加工時(shí)間為每批2小時(shí)，產(chǎn)品B的加工時(shí)間為每批3小時(shí)。當(dāng)前時(shí)間零點(diǎn)，有3批產(chǎn)品A和2批產(chǎn)品B等待加工。假設(shè)反應(yīng)釜在零點(diǎn)同時(shí)空閑。請(qǐng)分別計(jì)算采用FIFO和SPT調(diào)度規(guī)則下，兩種產(chǎn)品的平均流程時(shí)間（FlowTime，指從進(jìn)入系統(tǒng)到完成加工的時(shí)間）。平均流程時(shí)間計(jì)算公式為：AvgFlowTime=(SumofFlowTimesforalljobs)/(Numberofjobs)。2.假設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)單的化工生產(chǎn)過(guò)程包含兩個(gè)連續(xù)的工序：反應(yīng)和蒸餾。反應(yīng)工序需要消耗電力，電力成本為每千瓦時(shí)10元。反應(yīng)工序的產(chǎn)能（單位時(shí)間內(nèi)最大產(chǎn)出）為100單位/小時(shí)，當(dāng)前有10單位產(chǎn)品需要經(jīng)過(guò)此工序。蒸餾工序的產(chǎn)能為80單位/小時(shí)，當(dāng)前無(wú)在制品。請(qǐng)建立該生產(chǎn)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化線(xiàn)性規(guī)劃模型，目標(biāo)是最小化反應(yīng)工序的總電力消耗時(shí)間，并寫(xiě)出目標(biāo)函數(shù)和約束條件。（假設(shè)產(chǎn)品必須按順序經(jīng)過(guò)兩道工序，且工序不能中斷）。五、綜合應(yīng)用題1.某化工廠(chǎng)生產(chǎn)一種中間體C，該產(chǎn)品需要經(jīng)過(guò)連續(xù)三道反應(yīng)工序（R1,R2,R3），各工序必須在專(zhuān)用設(shè)備上完成，設(shè)備不可切換。工序時(shí)間固定，分別為：R1=1小時(shí)/批，R2=1.5小時(shí)/批，R3=2小時(shí)/批。產(chǎn)品C的原料D以每批100單位的方式定期到達(dá)，每批到達(dá)間隔時(shí)間為4小時(shí)。工廠(chǎng)要求盡量避免在R1和R2之間積累過(guò)多在制品。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)生產(chǎn)調(diào)度計(jì)劃，使得在滿(mǎn)足生產(chǎn)要求的前提下，R1和R2之間的在制品庫(kù)存量盡可能小。請(qǐng)簡(jiǎn)述你的調(diào)度思路，并說(shuō)明該計(jì)劃是否滿(mǎn)足所有約束（如設(shè)備連續(xù)工作、原料供應(yīng)）。假設(shè)初始時(shí)刻所有工序空閑，無(wú)在制品。試卷答案一、選擇題1.C解析：生產(chǎn)調(diào)度的核心目標(biāo)之一是確保按時(shí)交付，滿(mǎn)足客戶(hù)需求。2.C解析：SPT規(guī)則優(yōu)先處理加工時(shí)間最短的任務(wù)，有助于縮短平均流程時(shí)間和交貨期。3.B解析：緩沖庫(kù)存的主要作用是吸收前道工序的波動(dòng)和后道工序的需求不確定性，起到隔離緩沖作用。4.D解析：資源約束會(huì)導(dǎo)致設(shè)備閑置、訂單延遲、系統(tǒng)吞吐量下降等問(wèn)題，均包含在內(nèi)。5.C解析：線(xiàn)性規(guī)劃是求解具有線(xiàn)性目標(biāo)函數(shù)和線(xiàn)性約束的最優(yōu)化問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)方法。6.D解析：化工連續(xù)生產(chǎn)裝置通常采用固定流程和連續(xù)操作，調(diào)度側(cè)重于物料流量、反應(yīng)條件控制和產(chǎn)品純度維持，屬于線(xiàn)性流程固定調(diào)度范疇。7.B解析：設(shè)備準(zhǔn)備時(shí)間或切換成本體現(xiàn)了改變生產(chǎn)狀態(tài)所需的代價(jià)，反映了資源的專(zhuān)用性或轉(zhuǎn)換的難度。8.D解析：網(wǎng)絡(luò)圖是可視化生產(chǎn)進(jìn)度、識(shí)別關(guān)鍵路徑、進(jìn)行資源規(guī)劃和溝通調(diào)度的常用工具。9.C解析：隨機(jī)規(guī)劃或魯棒優(yōu)化方法能夠處理模型參數(shù)或環(huán)境條件的不確定性，適用于隨機(jī)環(huán)境。10.C解析：最小化最大延遲強(qiáng)調(diào)對(duì)所有任務(wù)延遲的公平性，確保沒(méi)有任務(wù)被過(guò)度延遲，有助于維護(hù)客戶(hù)關(guān)系。二、填空題1.生產(chǎn)需求2.設(shè)備磨損、生產(chǎn)成本3.非負(fù)性約束4.整數(shù)規(guī)劃5.先到先服務(wù)(FIFO)、最短加工時(shí)間優(yōu)先(SPT)6.物料流量7.實(shí)時(shí)性8.生產(chǎn)成本、訂單延遲率9.啟發(fā)式算法、元啟發(fā)式算法10.約束三、簡(jiǎn)答題1.答：化工生產(chǎn)通常具有連續(xù)性、規(guī)模大型化、物料危險(xiǎn)性、反應(yīng)條件苛刻、工藝路線(xiàn)固定、產(chǎn)品純度要求高、安全環(huán)保約束嚴(yán)格等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)導(dǎo)致其調(diào)度問(wèn)題在復(fù)雜性、安全性要求、環(huán)境適應(yīng)性等方面與一般制造業(yè)生產(chǎn)調(diào)度存在顯著差異。2.答：緩沖庫(kù)存是在生產(chǎn)流程中特定位置設(shè)置的、用于吸收波動(dòng)或提供緩沖的物料或半成品庫(kù)存。在化工生產(chǎn)線(xiàn)中設(shè)置緩沖庫(kù)存的原因包括：平滑前道工序的產(chǎn)出波動(dòng)對(duì)后道工序的影響；緩沖需求波動(dòng)或生產(chǎn)計(jì)劃變更帶來(lái)的沖擊；隔離設(shè)備故障或維護(hù)等中斷事件的影響；為緊急訂單提供快速響應(yīng)能力；提高整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的魯棒性和響應(yīng)速度。3.答：FIFO規(guī)則按任務(wù)到達(dá)順序執(zhí)行，簡(jiǎn)單公平，但可能導(dǎo)致長(zhǎng)加工時(shí)間任務(wù)長(zhǎng)時(shí)間等待，增加平均流程時(shí)間，且不一定能最大化資源利用率。SPT規(guī)則優(yōu)先處理短任務(wù)，能顯著縮短平均流程時(shí)間和交貨期，提高設(shè)備利用率，但可能使長(zhǎng)任務(wù)等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，且在產(chǎn)品切換頻繁時(shí)增加切換成本。在化工生產(chǎn)中，若產(chǎn)品加工時(shí)間差異不大，或追求快速響應(yīng)短批訂單時(shí)適用SPT；若產(chǎn)品批次大小穩(wěn)定，或強(qiáng)調(diào)公平性、順序性時(shí)適用FIFO。4.答：線(xiàn)性規(guī)劃解決化工生產(chǎn)資源分配優(yōu)化問(wèn)題的基本步驟如下：(1)問(wèn)題定義：明確優(yōu)化目標(biāo)（如最小化總成本、最大化利潤(rùn)、最小化延遲）和關(guān)鍵決策變量（如生產(chǎn)量、開(kāi)始時(shí)間、資源分配比例）。(2)模型建立：將目標(biāo)函數(shù)表示為決策變量的線(xiàn)性函數(shù)；將各種限制條件（如資源能力約束、物料平衡約束、時(shí)間順序約束、整數(shù)約束等）表示為決策變量的線(xiàn)性等式或不等式。(3)模型求解：利用單純形法或計(jì)算機(jī)軟件（如Lingo,CPLEX）求解線(xiàn)性規(guī)劃模型，得到最優(yōu)決策變量值和最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值。(4)結(jié)果分析：解釋模型結(jié)果的實(shí)際意義，評(píng)估方案的可行性，必要時(shí)進(jìn)行靈敏度分析或情景分析。5.答：緊急訂單插入的挑戰(zhàn)包括：打亂原有生產(chǎn)計(jì)劃；可能導(dǎo)致設(shè)備資源沖突；可能引發(fā)在制品積壓或延遲；需要重新評(píng)估所有后續(xù)訂單的交貨期。應(yīng)對(duì)策略之一是采用動(dòng)態(tài)調(diào)度或反應(yīng)式調(diào)度：建立一套快速評(píng)估機(jī)制，判斷緊急訂單的優(yōu)先級(jí)；利用實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和模型，計(jì)算插入緊急訂單后的影響；根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則或管理層決策，決定是否接受訂單以及如何調(diào)整現(xiàn)有計(jì)劃（如通過(guò)減少緩沖、調(diào)整順序、利用閑置資源等方式），并盡快執(zhí)行新計(jì)劃。四、計(jì)算題1.解：FIFO調(diào)度：A1:0-2,FlowTime=2A2:2-4,FlowTime=4A3:4-6,FlowTime=6B1:6-9,FlowTime=9B2:9-12,FlowTime=12總FlowTime=2+4+6+9+12=33平均FlowTime=33/5=6.6小時(shí)SPT調(diào)度：A1:0-2,FlowTime=2A2:2-4,FlowTime=4A3:4-6,FlowTime=6B1:6-9,FlowTime=9B2:9-11,FlowTime=11總FlowTime=2+4+6+9+11=32平均FlowTime=32/5=6.4小時(shí)答：FIFO下的平均流程時(shí)間為6.6小時(shí)，SPT下的平均流程時(shí)間為6.4小時(shí)。2.解：定義決策變量：x:用于反應(yīng)工序的電力消耗時(shí)間（小時(shí)）目標(biāo)是最小化反應(yīng)工序的總電力消耗時(shí)間，即Minx約束條件：(1)反應(yīng)工序總時(shí)間不能超過(guò)其處理所有產(chǎn)品所需的最短時(shí)間。產(chǎn)品總量為3批A+2批B=5批。反應(yīng)工序產(chǎn)能為100單位/小時(shí)，單批產(chǎn)品量未明確，但按批處理，假設(shè)批量為Q，則總需求量為5Q。反應(yīng)時(shí)間至少為(5Q)/100=0.05Q小時(shí)。題目未給Q，但通常此類(lèi)問(wèn)題隱含Q為1（便于計(jì)算），則最小處理時(shí)間為0.05小時(shí)。為使約束有意義，需考慮產(chǎn)能限制，即反應(yīng)時(shí)間不能無(wú)限長(zhǎng)。更合理的約束是基于產(chǎn)能：反應(yīng)工序的總處理時(shí)間不能超過(guò)其處理所有產(chǎn)品所需時(shí)間的上限。5批產(chǎn)品，產(chǎn)能100單位/小時(shí)，理論上最長(zhǎng)時(shí)間為5小時(shí)。但更精確的約束應(yīng)與產(chǎn)出相關(guān)。假設(shè)產(chǎn)出率為R（單位/小時(shí)），則總產(chǎn)出時(shí)間為5/R。產(chǎn)能限制為：總產(chǎn)出時(shí)間<=產(chǎn)能時(shí)間。即5/R<=1(若產(chǎn)能為100單位/小時(shí)處理全部產(chǎn)出)。此約束過(guò)于嚴(yán)格?？紤]反應(yīng)工序必須完成所有任務(wù)。設(shè)每批A/B產(chǎn)出為O單位，則總產(chǎn)出為5O。時(shí)間至少為5O/R。產(chǎn)能約束可寫(xiě)為：總產(chǎn)出時(shí)間<=產(chǎn)能*單位時(shí)間。即5O/R<=100*1。即5O<=100。O<=20。此約束不現(xiàn)實(shí)。更合理的約束是反應(yīng)工序的總處理時(shí)間受其處理所有產(chǎn)品所需時(shí)間的限制，即反應(yīng)時(shí)間<=(總產(chǎn)品量/反應(yīng)產(chǎn)能)。x<=5/100=0.05小時(shí)。此約束過(guò)于寬松。更準(zhǔn)確的約束應(yīng)考慮實(shí)際產(chǎn)出與產(chǎn)能匹配。假設(shè)題目意圖是反應(yīng)工序總處理時(shí)間不能超過(guò)其按最大產(chǎn)能處理所有產(chǎn)品的時(shí)間，即x<=5/100=0.05小時(shí)。此約束不合理?；蛘呖紤]反應(yīng)工序必須處理所有批次的物料，其總處理時(shí)間受限于處理所有批次所需時(shí)間除以產(chǎn)能。x>=(3*2+2*3)/100=12/100=0.12小時(shí)。此約束表示反應(yīng)必須處理所有物料，時(shí)間至少為0.12小時(shí)。這更符合邏輯。同時(shí)，理論上產(chǎn)能無(wú)限或足夠大時(shí)，總時(shí)間可按批次處理，即x<=3*2+2*3=12小時(shí)。但結(jié)合最小處理時(shí)間約束，x>=0.12小時(shí)。此約束過(guò)于寬泛。最簡(jiǎn)化的模型可能假設(shè)產(chǎn)能足夠大，只考慮必須處理的時(shí)間。因此，關(guān)鍵約束可能是反應(yīng)工序必須處理所有物料，其時(shí)間受限于批量大小和產(chǎn)出率，但產(chǎn)能是主要瓶頸。簡(jiǎn)化模型可設(shè)x為必須處理所有物料的最小時(shí)間，即x>=(3*2+2*3)/100=0.12小時(shí)。為使模型可解，可增加一個(gè)產(chǎn)能上限約束，如x<=12小時(shí)。但題目只要求最小化反應(yīng)時(shí)間。因此，最可能的簡(jiǎn)化模型是：Minx,s.t.x>=0.12(假設(shè)必須處理所有物料所需最小時(shí)間),x<=12(理論最大處理時(shí)間)。但題目要求最小化時(shí)間，且初始空閑，則最小時(shí)間應(yīng)等于處理所有批次所需時(shí)間，即x=3*2+2*3=12小時(shí)。此模型結(jié)果為12小時(shí)。但與產(chǎn)能100單位/小時(shí)矛盾。重新審視：假設(shè)每批產(chǎn)品量為1單位。總產(chǎn)品量5。反應(yīng)時(shí)間至少為5/100=0.05小時(shí)。但實(shí)際處理時(shí)間取決于批次處理方式。若按批次處理，總時(shí)間為3*2+2*3=12小時(shí)。此時(shí)間受限于批量和切換（雖然題目未提切換）。如果產(chǎn)能無(wú)限，則總時(shí)間為批次間切換時(shí)間之和，即(3-1)*2+(2-1)*3=2*2+1*3=4+3=7小時(shí)。但題目未明確切換時(shí)間。最可能的簡(jiǎn)化是假設(shè)產(chǎn)能足夠大，只考慮批次處理時(shí)間。因此，x=12小時(shí)。此模型為：Minx,s.t.x>=12。解為x=12小時(shí)。（注：此題數(shù)據(jù)設(shè)定和約束表述存在模糊性，導(dǎo)致模型建立有不同理解，以上提供一種基于最可能解釋的解法。）五、綜合應(yīng)用題1.解：調(diào)度思路：由于工序固定且不可切換，且原料D定期到達(dá)，為減少R1和R2之間的在制品，應(yīng)盡量讓R1和R2連續(xù)工作，避免空閑等待。同時(shí)要考慮原料供應(yīng)節(jié)奏。計(jì)劃設(shè)計(jì)：(1)初始時(shí)刻(t=0),R1,R2,R3空閑。有1批原料D(100單位)在t=0到達(dá)。(2)t=0,R1開(kāi)始處理這批原料D，需要1小時(shí)。R2空閑。(3)t=1,R1完成處理，產(chǎn)出1批中間體C。R2開(kāi)始處理這批C，需要1.5小時(shí)。原料D下一批在t=4到達(dá)。(4)t=2.5,R2完成處理，產(chǎn)出1批C。R3空閑。此時(shí)有1批C在制品(在R2出口)。(5)t=4,新一批原料D(100單位)到達(dá)。R3空閑。(6)t=4,R1空閑，立即開(kāi)始處理新到的原料D，需要1小時(shí)。R2正在處理上一批C，未完成。R3空閑。(7)t=5,R1完成處理，產(chǎn)出1批C。R2仍在處理上一批C(至t=6)。