（控制理论与控制工程专业论文）基于蚁群算法的装配线平衡问题的研究.pdf

摘要 摘要 装配线是当今装备制造业广泛采取的一种制造系统。装配线的设计与管理 中的一个很重要的问题就是装配线的平衡，因为装配线的平衡与否直接影响到 制造系统的生产效率。装配线平衡的目标就是尽量使各工位的作业时间相等， 以避免由于工时相差太大而造成某些工位工时不足、某些工位工时流失的现象， 以减少总的闲置时间，提高整条装配线的效率。 装配线有单边和双边之分。在实际生产中，大型产品( 如汽车、卡车等) 的装配很多时候往往采用双边装配，因为一些作业必须在某一特定的边进行。 与单边装配线相比，由于任务有操作方位的约束，双边装配线的平衡过程更加 复杂。 装配线平衡问题( a s s e m b l yl i n eb a l a n c i n gp r o b l e m ，即a l b p ) 属于典型的 n p h a r d 问题，一般采用启发式算法来解决。针对混合型双边装配线平衡问题 的具体特点，本文运用一种改进的智能蚁群优化算法来平衡装配线。首先，建 立数学模型，描述这个问题。然后，利用智能蚁群优化算法来解决这个问题。 在算法中，一个蚂蚁对的两只蚂蚁在装配线两边同时工作，对任务进行分配， 构造一个满足优先约束、同步约束、分区约束、容量约束等约束条件的平衡解。 当所有的蚂蚁对都产生了平衡解后，最优解得到更新。平衡的目的就是要最小 化装配线的工位数。为了验证算法的有效性，本文对三个数例进行了计算，结 果表明此算法能有效地解决混合型双边装配线平衡问题。 最后，结合某企业一条具体的发动机装配线，运用此算法对其进行了平衡， 降低了生产节拍，减少了工位和工人的数量，提高了生产效率，从而减少了企 业的劳务费用和装配线的投资成本，增加了企业的利润。这也进一步验证了该 算法的有效性。 关键词：装配线平衡问题，混合型双边装配线，蚁群算法，人工智能 a b s t r a c t a s s e m b l yl i n ei saw i d e l yu s e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e mo fe q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n g i n d u s t r yt o d a y o n e o ft h ei m p o r t a n tp r o b l e m si na s s e m b l y l i n ed e s i g na n d m a n a g e m e n ti sa s s e m b l yl i n eb a l a n c e ，b e c a u s ei t h a sg r e a te f f e c to nt h ep r o d u c t i o n e f f i c i e n c yo ft h es y s t e m t h eg o a lo fa s s e m b l yl i n eb a l a n c e i st om a k et h eo p e r a t i n g t i m eo fe a c hw o r k s t a t i o ne q u a la sm u c ha sp o s s i b l e ，a v o i d i n gi n s u f f i c i e n to fs o m e w o r k s t a t i o n s ，w o r k i n gt i m ea n dl o s so fs o m ew o r k s t a t i o n s w o r k i n gt i m e ，i no r d e r t o r e d u c et h et o t a li d l et i m ea n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h ew h o l ea s s e m b l yl i n e t h e r ea r et w ok i n d so fa s s e m b l yl i n e ，o n e - s i d e da s s e m b l yl i n e sa n dt w o 。s i d e d a s s e m b l vl i n e s i nt h ea c t u a lp r o d u c t i o n ，t w o s i d e da s s e m b l yl i n e sa r eu s u a l l y u s e di n t h ep r o d u c t i o no fl a r g e s i z e dp r o d u c t s ，s u c ha st r u c k sa n db u s e s ，a ss o m et a s k sm u s t b ep e f f o r m e da tas p e c i f i cs i d eo ft h ep r o d u c t c o m p a r e dw i t ho n e 。s i d e da s s e m b l y l i n e s t h eb a l a n c eo ft w o s i d e da s s e m b l yl i n e si sm o r ec o m p l e x ，d u e t ot h ec o n s t r a i n t o fo p e r a t i n gp o s i t i o n t h ea l b pi sak i n do ft y p i c a lc o m b i n a t i o n - o p t i m i z a t i o np r o b l e m ，b e l o n g i n gt ot h e n p h a r dp r o b l e mt y p e ，h e u r i s t i cm e t h o d sa r eg e n e r a l l yu s e df o ri t s s o l u t i o n f o r 帆。一s i d e dm i x e d m o d e la s s e m b l yl i n eb a l a n c i n gp r o b l e m ，t h i sp a p e ru t i l i z e s a n i m p r o v e d a n tc o l o n yo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mt ob a l a n c ea s s e m b l yl i n e f i r s t ，a m a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n gm o d e li sb u i l tt od e s c r i b et h ep r o b l e m t h e n ，a l l a n t c o l o n yo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mi su t i l i z e dt os o l v et h ep r o b l e m i nt h ea l g o r i t h m 似o a n t sw o r ks i m u l t a n e o u s l y ，o n ea te a c hs i d eo ft h el i n e ，t ob u i l dab a l a n c i n gs o l u t i o n w h i c hv e r i f i e st h ep r e c e d e n c e ，z o n i n g ，c a p a c i t y ，s i d ea n ds y n c h r o n i s mc o n s t r a i n t so f t h ea s s e m b l yp r o c e s s a f t e ra l lp a i r so fa n t sh a v eg e n e r a t e das o l u t i o n ，t h eb e s t s o l u t i o ni su p d a t e d t h eg o a li st om i n i m i z et h en u m b e ro f w o r k s t a t i o n so ft h el i n e i n o r d e rt ov e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ea l g o r i t h m ，t h r e e n u m e r i c a le x a m p l e sa r e c o m p u t e di nt h i sp a p e r t h er e s u l t si n d i c a t e t h a tt h ea l g o r i t h mc a ns o l v et w o s i d e d m i x e d m o d e la s s e m b l yl i n eb a l a n c i n gp r o b l e me f f e c t i v e l y f i n a l l y ，t h ea l g o r i t h mi n t h i sp a p e ri su s e dt ob a l a n c ear e a lt w o - s i d e de n g i n e n a s s e m b l yl i n eo fs o m ee n t e r p r i s e t h eb a l a n c i n gs o l u t i o nr e d u c e st h ec y c l et i m e ， d e c r e a s e st h en u m b e ro fw o r k s t a t i o n sa n dw o r k e r sa n di m p r o v e st h ep r o d u c t i o n e f f i c i e n c y s o ，t h el a b o rc o s ta n di n v e s t m e n tc o s to fa s s e m b l yl i n e a r er e d u c e d ，a n d p r o f i ti si n c r e a s e d t h i s v a l i d a t e st h ea n tc o l o n yo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m o n c em o r e k e yw o r d s ：a s s e m b l yl i n eb a l a n c ep r o b l e m ，t w o s i d e dm i x e d - m o d e la s s e m b l y l i n e ，a n tc o l o n yo p t i m i z a t i o n ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e i i i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 劭、建气亍 砂b 气年弓月i 艿e l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：臂、建彳亏 沙7 年多月坶日 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 由于全球化竞争的加剧，以及制造技术的迅速发展，生产系统的设计变得 越来越重要【1 1 。当今生产系统的特点是产品和生产系统生命周期缩短，自动化 水平高，制造装备和技术新，投资大。这些特点导致了新的设计问题的出现， 需要更频繁地设计生产系统。因此，需要新的方法来解决生产系统的设计问题。 对此类方法的研究，既具有创造性，又有很好的实际应用价值。 我国是一个世界装备的大市场，先进的装备制造水平反映先进的科技实力， 强大的装备制造业对综合国力的提升起到巨大的作用。从国内企业生产线的情 况看，很多企业的生产系统规划和设计都掌握在西方发达国家手中。为了实现 中华民族的伟大复兴，我困的装备制造业必须从以模仿为主向自主研发转变， 这就客观上要求我们拥有自己的生产系统规划、设计的科学方法和手段。 当今装备制造业广泛采用的一种装配方式就是流水线装配1 2 j ，它强调生产 过程的节奏性、连续性、专业化、平行作业和按比例生产。装配线按照产品原 则进行布置，其优点在于把要做的工作分解为可由技术不高的工人或者专用机 器快速而机械的完成的一系列单元作业。完成这些单元作业所需要的时间从不 足一秒到十五分钟甚至更多，由于单元作业的工时相差很大，为每一个工人或 者机器只分配一个单元作业是不现实的。一方面因为大多数工人很快会被简单 的重复操作弄得枯燥厌烦，降低工作效率；另一方面即使生产一个很简单的产 品也需要庞大的工人队伍。通常的做法是将各单元作业组合成不同作业分配给 各工位，每个工位由一个工人或者一台主要设备负责相关作业。 装配工艺规划不仅直接影响产品的装配效率和质量，而且决定了厂房建设、 设备投资、生产人员数量、在制品数量等其它重要指标。装配工艺的整体优化 和局部精化都将产生巨大的经济效益，显著提高企业的市场竞争力，因此装配 线的规划和设计非常重要。 对装配线，决定如何将单元作业分配到工位的过程就称为装配线的平衡p j 。 装配线平衡的目标就是尽量使各工位的作业时间相等，以避免由于工时相差太 第1 章绪论 大而造成某些工位工时不足、某些工位工时流失的现象，以减少总的闲置时间， 提高整条装配线的效率。通过装配线的平衡还可以提高设备的利用率，减少工 人由于作业不平衡而引起的情绪问题。平衡问题是装配线规划过程中必须首先 要解决的基本问题之一。 制造装备的装配线除了具备一般装配线的特点以外，还具有以下这些独特 的特点： ( 1 ) 产品体积较大、重量较重； ( 2 ) 产品装配过程复杂，涉及零部件品种多、数量大； ( 3 ) 装配任务数以千计，产量数以万计； ( 4 ) 一些装配任务有操作方位的约束。 在这种情况下，如果仍采用传统的单边装配，即一个位置对应一个工位、 一个工人，会导致生产线过长，而且在某些位置上一个工人可能需要在同一产 品的不同方位完成几个任务，这就增加了走动时间，造成时间上的浪费。在实 际生产中，往往一个位置同时有两个或者两个以上的工人在操作，这就适合采 用双边装配，从而缩短了装配线长度、减少了占地面积、减少了操作人员的数 量。 双边装配线中，在装配线的两侧并行完成同一产品的不同工序。对操作方 位的考虑，使传统的只考虑顺序约束和节拍时间约束的装配线平衡方法不再适 用【4 1 。 要实现双边装配线的平衡很困难，不仅因为也单边装配线平衡问题一样， 双边装配线平衡问题也属于n p h a r d 类【5 1 ，而且因为双边装配线比单边装配线更 加复杂。对于单边装配线，只要把任务沿着装配线分配即可，但是对于双边装 配线，即使给出了每对工位的任务分配，也很难精确的确定装配线上如何安排 这些任务，因为两边的任务由于装配顺序约束，可能会互相干涉。 1 2 国内外研究现状 装配线平衡问题( a l b p ) 是与生产线问世之日同时出现的。自从1 9 1 3 年， h e n r yf o r d 发明了第一条生产线以后，一直到2 0 世纪5 0 年代，准确地说在1 9 5 4 年前，生产线的平衡方法与手段只有在t r a i l a n d e r r o r 的方法中尝试，没有a l b p 的研究成果公开发表，正式提出并着手解决这一问题的是美国人b r y t o nb 。 2 第1 章绪论 1 9 5 4 年b r y t o nb 在美国芝加哥的n o r t h w e s t e r nu n i v e r s i t y 完成的硕士论文 b a l a n c i n g o f a c o n t i n u o u sp r o d u c t i o n ( 连续生产线的平衡) 1 6 j 中提出了一个所 谓“会聚过程法”，即在各个工作站之间将作业元素进行交换，直到各个工作站 的总作业时间收敛于一个共同的值，从而使得流水线上的总的空闲时间最小。 这种方法的缺点是搜寻方法较为笨拙，而且仅能够得到局部最优。 1 9 5 5 年，s a l v e s o n 首次公开发表了用解析法描述a l b p 的文章【_ 刀，建立了 单品种装配线的数学模型，并给出了模型的解法。但由于其解法求得的最优解 将要花费很长时间，降低了其使用价值。1 9 6 0 年b o w m a n 提出采用两个独立的 线性o 1 规划模型解决a l b p 问题【8 1 。其约束条件和目标函数都容易建立，其 运算量也很大，与实际情况相差太远。w h i t e 于1 9 6 1 年改进了b o w m a n 的算法 中的第二个模型，引入“惩罚因予”，减少了模型中约束条件的数量1 9 j 。1 9 6 3 年h e l d ，k a r p 和s h a r e s h i a n 提出了解决a l b p 的动态规划方法1 1 0 j ，三人合作设 计出生产线平衡的动态规划模型。首先，根据作业元素的先后关系图，列出所 有的可行顺序( f e a s i b l es e q u e n c e s ) 。然后，给每一可行顺序设置“成本 。此 方法定义了一个合理的任务集合，该集合中如果一个任务优于这个集合中另一 个任务，则该任务也应在这个集合中。1 9 7 0 年，r o b e r t s 等人建立了求解混合流 水线平衡的整数规划模型i l 。这种模型是对单一流水线平衡方法的修改，变量 个数与约束条件随着a l b p 问题规模的增大而急剧增加，因而只有理论意义， 在实践中应用并不理想。g h o s h 和g a g n o n 在1 9 8 9 年给出了一个关于各种装配 线平衡算法的总结【1 2 l 。2 0 世纪9 0 年代，e a s o t n 提出一种动态规划算法【1 3 1 ，突 出特点是算法中给出一个动态的上界。使用动态规划方法求解实际a l b p 问题 需要占用过多的内存和机器耗时，动态上界的引入，可以删减系统的许多状态， 从而降低了这方面的要求。2 0 0 4 年，m a r cp e e t e r s 等人应用线性规划模型求解 单一型装配线平衡问题【1 训，在d a n t z i gw r o l f e 所提出的分解法的基础上，结合分 支定界算法确定问题的下界来进行求解。计算结果表明，计算时间大大减少， 而且可以求解较大规模的问题。 以上的这些方法都属于最优化方法，就是通过建立数学模型来寻找问题的 最优解。尽管数学模型法能找到最优解，但实际应用时十分繁琐，往往一个很 小的问题需要构造的模型非常大，计算机耗时也较多。启发式方法以其简便、 易懂、快速和满意赢得了众多管理人员的信赖和欢迎，并被广泛应用于各个领 域。它的产生主要是为了克服现实建模的困难，提供一种更有效的决策工具。 3 第1 章绪论 1 9 9 4 年l e u 等人运用遗传算法求解单一确定型a l b p 问题1 15 。采用作业元 素的可行顺序进行编码，染色体的基因代表一个作业元素。采用启发式规则产 生初始种群，以平衡效率作为目标函数，采用赌轮盘原则选择染色体进行遗传 操作( 复制、交叉和变异) 。之后，s p i n e l l i s 和p a p a d o p o u l o s 给出了运用模拟退 火算法解决大型生产线平衡优化问题的方法i l 剐。2 0 0 6 年，s o p h i ed l a p i e r r e 应 用禁忌搜索算法来平衡第1 类装配线平衡问题【1 ，在线上1 6 2 项作业元素和2 6 4 个约束条件的情况下，并考虑了工作站间缓冲区的影响，结果表明在实际应用 中有一定的指导意义。 国内，研究装配线平衡问题相对较晚。1 9 9 0 年，贾大龙发表文章，讨论了 混合型装配线设计中的若干问题，并对混合型装配线的平衡问题给出有效的算 法【1 8 】1 8 。1 9 9 2 年，王秋芳提出了流水生产线平衡模型及算法的设计【1 9 1 。2 0 0 0 年， 章艺川、吴锋运用启发式平衡算法解决u 型装配线的平衡问题【删。2 0 0 3 年，皮 兴忠等提出了利用遗传算法来解决装配线平衡问题【2 。 以上的这些研究都是关于单边装配线的平衡问题，而目前国内外有关双边 装配线平衡问题的文献都比较少。 双边装配线的平衡问题是b a r t h o l d i 在1 9 9 3 年最早提出的1 4 1 ，他给出了双边 装配线区别于单边装配线的一些特征，提出了一种简单的分配规则，并提供了 一种交互性的程序来辅助工程人员迅速的实现生产线的平衡。此后，l e et a eo k 等在工作相关度和松弛度最大的优化目标下，提出了先分组再分配的分配规则， 但是在每次分配后需要对后序任务重新分组【2 2 1 。其分组过程过于复杂，导致了 算法效率大大降低。2 0 0 0 年，k i m 等使用遗传算法来解决双边装配线平衡问题 【2 3 1 ，由于它没有考虑由于顺序约束引起的任务延迟问题，不能保证得到的分配 方案在给定的节拍时间之内完。2 0 0 4 年，l a p i e r r e 和r u i z 共同发表了一篇工业 应用案例的研究论文，利用了一种增强的基于优先权的启发式算法来解决双边 装配线平衡问剧川。2 0 0 6 年，b a y k a s o g l u 和d e r e l i 发表了一篇利用启发式蚁群 解决单一型双边装配线平衡问题的文纠矧。2 0 0 7 年，s i m a r i a 和v i l a r i n h o 发表 的文章中提出了一种新的蚁群优化算法来解决双边装配线的平衡问题1 2 们，但是 该算法只是做了理论上的数例验证，并没有在实际装配线中进行运用。在国内， 吴尔飞、金烨等分析研究了双边装配线的特点及其对平衡的特殊要求，建立双 边装配线平衡问题的数学模型，根据双边装配中任务具有操作方位约束，以及 工位上分配任务的操作顺序与平衡结果直接相关等特点，提出了相应的符合问 4 第1 章绪论 题特性的遗传算法1 2 7 j 。 由上述文献可知，从2 0 世纪5 0 年代起，装配线平衡技术的研究逐步深入， 经历了一个由最优化方法到启发式算法，再到人工智能方法的过程。近年来， 由于计算机技术的发展，新型智能优化算法解决装配线平衡问题表现出很好的 应用效果，这类新型的智能优化算法主要包括神经网络、模拟退火算法、遗传 算法、蚁群算法等。其中，由于蚁群算法鲁棒性强，对问题解的结构没有严格 的限制，易于解决各种不同的优化问题，得到了最广泛的应用。 1 3 研究的意义与目标 现代装配生产线是一种投资大、风险高的高新技术，一般建设周期较长， 其设计和规划十分重要。因此，要充分发挥装配生产线的潜在优势，必须在装 配线设计规划阶段就对其进行全面深入的分析研究；在运行阶段，也需要正确 的计划安排。 装配线的不平衡程度不仅直接影响了装配线生产线的效率，而且影响到产 品的质量。通过合理的作业编排、科学管理和永无止境的改善，均衡装配线负 荷，使生产线达到一种平衡、均匀、流畅的状态，不仅可以减小节拍增加产量， 缩短生产线长度，发掘系统潜力，消除工位瓶颈，加快物流速度，稳定产品质 量；而且可以给工人一种公平感，改善雇员关系，提高工人的团队精神，从而 调动员工的积极性，提高劳动生产率。因此对于企业提高综合竞争力有着十分 重要的意义，所以生产线平衡问题历来受到人们的重视。 通过建立适用于装备制造业装配线的科学系统的设计方法，来改善传统的 依靠简单分析和个人经验进行规划产生的高风险、低可靠度的状况，对装备制 造业装配线的设计和改造提供指导，进一步提升我国自主设计科学装配线的能 力。从而实现以下经济目标： ( 1 ) 降低装配线的投资成本； ( 2 ) 减少企业的劳务费用： ( 3 ) 减少物料、半成品的周转场所； ( 4 ) 增加企业的利润。 5 第1 章绪论 1 4 论文内容与结构 本文在前人研究的基础上，运用一种改进的蚁群智能优化算法来解决混合 型双边装配线的平衡问题。首先，建立数学模型，描述这个问题。然后，利用 智能蚁群优化算法来解决这个问题。通过对数例的仿真计算，证实了算法的有 效性。最后，将此算法运用到某企业一条具体的发动机装配线上，对装配线进 行平衡仿真。 各章的内容安排如下： 第1 章绪论。本章主要介绍了课题的来源、研究背景以及国内外的研究状 况，并说明了研究装配线平衡问题的目标与意义。 第2 章装配线及其平衡问题。首先要介绍了装配线的概念、理论基础、形 式分类、设计方法，然后详细介绍了装配线平衡问题的定义、产生原因、类型， 重点说明了双边装配线平衡问题。 第3 章混合型双边装配线平衡问题的描述及数学模型。针对混合型双边装 配线平衡问题，给出了相应的数学描述，提出了目标函数，建立了数学模型。 第4 章蚁群算法。综述了蚁群算法的基本概念、研究现状、发展方向和应 用领域。 第5 章基于蚁群算法的装配线平衡问题的研究。介绍了如何运用智能蚁群 优化算法解决混合型双边装配线平衡问题，并对实际工业应用案例中的装配线 平衡问题进行了仿真运算，优化了装配线，提高了装配线的生产效率。 第6 章总结与展望。总结了全文的工作和研究成果，并对需要进一步研究 的问题进行了展望。 6 第2 章装配线及其平衡问题 第2 章装配线及其平衡问题 2 1 装配线的概述 装配生产是多数制造业中重要的组成部分，小至手表、电子元器件，大至 汽车、飞机制造业，从部件装配到总装配，装配生产处处可见。在m r p ( 物料 需求计划) 、m r p i i ( 制造资源需求计划) 、j i t ( 准时化生产) 等各种现代化的 生产管理方式中，都以装配生产的某些指标作为组织生产订货及安排工厂活动 的重要依据。因此装配生产在整个生产系统中具有举足轻重的地位因j 。 装配生产的目的是在最大限度地满足市场需求的前提下，用较少的人力、 物力生产出高质量低成本的产品，高效的装配形式是实现这一目标的必要条件。 根据产品特点和产量大小，装配生产大致可分为以下几类1 2 j ： ( 1 ) 产品式：一个人完成一件产品，操作者要完成所有作业。这种装配方 式操作者对作业熟练过程长装配周期长生产管理易出现混乱 ( 2 ) 单产品固定式：将基础件固定在特定的位置上，按规定的顺序将其它 零部件或总成与基础件联接固定，最后形成产品。这种方式适用于单件生产的 产品，如飞机、船舶、大型锅炉等。 ( 3 ) 产品固定式：将若干个相同的基础件固定在特定的位置上，每个或每 组工人按规定的顺序，分别对每个产品完成相同的作业，最后完成产品装配。 这种方式适用于批量不大的重型产品，如重型汽车等。 ( 4 ) 分组式：按照产品构成，分成若干个装配组，在装配组之间可设置在 制品，用来消除由于各装配组的装配速度不同而造成的等待现象，使装配生产 均衡地进行。每一装配组可视具体情况组成各种形式的装配形式，这种组织方 式便于管理，在生产上具有一定的柔性，已受到了普遍重视。 ( 5 ) 装配线形式：属于流水作业生产方式，广泛应用于产量大、产品生命 周期长的产品，是一种效率很高的制造流程。产量大是最基本前提，它保证装 配线能采用高效专用设备，保持长期稳定的生产。 7 第2 章装配线及其平衡问题 2 1 1 装配线的概念 第一次世界大战以前，人们基本上是采取手工生产的方式。比如：1 9 世纪 末，法国巴黎p a n h a r d l e v a s s o r 机床公司开始制造汽车，它采用的就是一种典 型的手工生产方式，几乎没有两辆车是相同的。第一次世界大战后，以美国福 特汽车公司为代表的大批量生产方式逐步取代以欧洲企业为代表手工生产方 式。这种大批量生产的前提条件是流水作业方式的提出，和流水生产线的出现。 第二次世界大战以后，以同本丰田公司为代表的精益生产方式又取代了大批量 生产方式。流水线也发生了一些比较大的改变，向柔性生产转化【2 9 , 3 0 l 。 流水生产线一般可以分为两种：加工生产线( f a b r i c a t i o nl i n e ) 和装配线 ( a s s e m b l yl i n e ) 。加工生产线是在一系列机器上制造、加工零件，例如汽车轮 胎或冰箱的金属部件。而装配线则是在一系列工作台上将制造出的零件组合在 一起，包括部件装配线和产品总装线【3 。例如：发动机装配线，就是装配零部件， 而摩托车装配则是产品的总装。加工生产线要解决同期化问题，而装配线要解 决是平衡问题。 装配线是一种很重要的制造系统，是一种技术。可以说，任何有着多种零 部件并进行大批量生产的最终产品在某种程度上都采用装配线生产。装配线具 体上是将产品的装配过程划分为一个一个的操作单元，这些操作单元之间有一 定的先后顺序约束关系，在满足这些约束的前提下，将这些操作单元分配到不 同的工作站( 每个工作站通常只分配一个操作者) ，每个工作站负责装配的一部 分。这样，装配线将产品装配中烦琐复杂的工作分解，使用各种工具使之简化， 从而达到稳定快速的生产。另外，一旦出现装配效果或其他各种问题，因为只 生产了十几个，就可以很快发现，进而加以调整或改善。这样不仅加快了解决 问题，改善作业的速度，而且也缩短了生产周期，同时也大大降低产生不良品 的可能性。因此，工厂实行装配线生产是高效生产的开始。 2 1 2 装配线的理论基础 装配线以可互换性理论和劳动的分工为基础。可互换性理论起源于1 9 世纪 初，该理论认为组成成品的各个零件都可以替换，比如说：同一规格的两支步 枪的撞针可以替换使用。在装配线中，我们有可以替换的零件，而且可以从中 选择任意一个零件装配到当前的产品中去。至于劳动分工，其包含了工作的简 8 第2 章装配线及其平衡问题 单化、标准化和专业化。在这些原理的基础上，把复杂的活动细分为工作单元， 为这些工作单元分别制定详细的作业指导书，最后把这些已经细分的工作单元 安排给不同的工人。这些工人可以很快地熟练这些重复性的操作。 可互换性理论和劳动的分工推动了大规模生产。可互换零件的使用，延长 了产品的使用周期，也使到后来福特( h e n r yf o r d ，美国汽车业巨臂) 等人发 明装配线成为可能。2 0 世纪初，装配线的应用，很大程度上减少了生产成本， 提高了生产率。从此，装配线得到了极大的推广。事实上，在过去的半个世纪 的时间里，很多制造系统的研究，都是集中在如何改善环境设置，让装配线的 连续流水生产得到体现1 3 引。 2 1 3 装配线的分类 装配线的形式取决于产品或零件的产量和工作量。在对产品的产量、工作 量、结构和工艺稳定程度等进行全面分析后，即可确定装配线的形式。 装配线有多种形式，按照不同的分类标准，分类如下。 1 按照装配线平面布置，可以分为1 3 z j 3 1 ： ( 1 ) 直线形装配线：传统的装配线是直线形的，工作站连续地分布在直线 上。装配从一端开始，从另一端结束。线上分工很细，操作人员重复着简单的 动作，工作枯燥无味，容易产生心理疲劳、工作效率低等问题；其次这种直线 形布局方式使得操作者被相互隔离，操作工人之间交流困难，一旦装配线出现 了故障或产品质量出现了问题，操作工人之间难以互助；而且相对于需求的变 化，装配线缺乏柔性，难以重新调整而达到新的平衡。 ( 2 ) u 形装配线：在现代化大生产的今天，随着精益生产方式的推广，越 来越多的装配线采用u 形布局。作为精益生产的支柱之一的准时化的基本思想 按后工序领取的数量进行生产，就是通过装配线的u 形布局来实现的。在 准时制生产系统中，u 形装配线的布局克服了上述传统直线形装配线的布局上 的缺点。u 形装配线上的工作站相距较近，工作站之间的联系简单，简化了物 料的运输，降低了库存，产品计划和过程控制变得相对容易了。u 形装配线上 的操作者参与生产过程的更多环节，工作的挑战性强，要求操作工成为多面手。 在装配线故障或者产品质量问题发生时，能够发挥团队精神去解决问题，提高 了劳动生产率和产品质量。u 形装配线的柔性高，在外部需求发生变化时，通 9 第2 章装配线及其平衡问题 过增加或减少操作人员的数量来实现装配线节拍的调整从而达到u 形装配线的 重新平衡。在传统的直线形装配线上，操作者的技能单一，很难重新平衡，装 配线的调整只是简单地调整装配线的运行时间。 2 按照装配品种，可以分为降j ： ( 1 ) 单一型装配线：单一装配线就是一条装配线只生产一种产品。这种装 配线，由于生产的产品固定不变，容易实现均衡生产，生产效率比较高。 ( 2 ) 混合型装配线：混合型装配线在同一时间内，装配多种产品。随着社 会需求的发展，市场的细分化和产品的细分化，从而形成了多品种规格的大量 生产模式，这样在一条装配线上只生产一种产品的单一型装配线便不能满足需 求。而多品种多规格的混合型装配线则是既能发挥大量生产的效能，又能适应 现代多品种规格需求的有效生产方式。实施准时化生产的制造商经常采用混合 型装配线进行生产。其目的就是要满足顾客对产品的多样化需求并避免出现很 高的库存。 混合型装配线，一般应具有以下几个特点：在同一条装配线上可以同时生 产作业方式大致相同的不同规格和品种的几种产品；装配线上的不同制品混合 地连续地进行；混合装配线可以减少在制品的库存；基本消除了更换品种时改 动或调整装配线的麻烦；增强了装配线的灵活性和应变能力。 3 按照装配线移动的方式，可划分p 5 j ： ( 1 ) 装配线间歇地移动，每经历一个节拍时间，装配线移动一次，移动的 距离为两个工作站之间的距离。对于这种装配线，工人可以站着或坐着柬操作。 该种装配线适合装配复杂，要求比较高的操作。 ( 2 ) 装配线连续地移动，每经历一个节拍时间，装配线移动的距离也是两 个工作站之问的距离。在这种情况下，工作站就不是一个固定的点，而是对应 一定的空间范围。工人在进行装配操作的过程中，需要跟着装配线的走动，从 工作站的一端走到另一端。该种装配线适合装配简单，要求不高的操作。 4 按照节拍的类型又可以分为1 4 j ： ( 1 ) 移动装配线：运输系统以恒定速度行驶，零件沿线均匀分布。 ( 2 ) 固定节拍装配线：节拍时间固定，运输系统间断性的移动，当工件到 达某一工位时，工人在规定的节拍时间内完成分配的任务，工件在每个工位上 停留一个节拍时间后，由一定的装置强制其流向下一个工位。 ( 3 ) 自由节拍装配线：在每个工位之间有缓冲，每个工位上的工人从上流 l o 第2 章装配线及其平衡问题 缓冲取一个工件，在完成要求所有的装配任务之后，将工件放行到下游的缓冲 产品，在装配过程中不遵守严格的节拍，工位间可以积存在制品，以防止工位 之间由于装配速度不同而造成的等待现象。这种方式具有一定的柔性，但在制 品数量较多，一般用于小型产品或某些产品的总成装配。 5 按照生产技术装备水平，可分为1 2 0 j ： ( 1 ) 手工装配线：所有的操作都靠手工来操作。该种装配线生产周期长， 效率低，而且产品的质量得不到保证。根据任务操作时间的统计数据，可以采 用随机时问或固定时间。 ( 2 ) 自动装配线：任务操作时间为固定时间。利用机械和自动的装置代替 人工完成装配作业。近十几年来，自动化装配技术有了长足的发展，特别是工 业机器人在装配领域得到了较为广泛的应用。自动装配线投入大，设备的成本 比较高，但生产能力大，效率高，可以比较容易地保证交货期，产品的质量也 比较稳定。 2 1 4 装配线布置方式的优缺点 装配线使得人力和设备得到充分利用，这可抵消很高的设备费用。由于加 工对象在工作地之间移动很快，所以在制品数量少，它的主要优点是f 3 ，4 l ： ( 1 ) 产量高。 ( 2 ) 单位费用低，因为很高的专用设备费用被许多加工对象所分摊。 ( 3 ) 由于劳动专门化而大大减少了培训费用和时间，另一方面加大了监督 跨度。 ( 4 ) 由于各加工对象都有相同的加工顺序，单位物料运输费用低，物料运 输大大简化。 ( 5 ) 工人和设备的利用率高。 ( 6 ) 工艺路线选择和进度安排都在系统的初步设计中确定，一旦系统运行， 就无需过多的去考虑它们。 ( 7 ) 会计、采购及库存都相当程序化。 同时，装配线作为一种常见的生产系统也存在着以下几个缺点【3 ，4 1 ： ( 1 ) 分工过细，使得工作单调重复，工人几乎没有发展的机会，而且可能 导致情绪问题和由于连续的过度紧张造成的损伤。 第2 章装配线及其平衡问题 ( 2 ) 技术低的工人可能对维持设备或产出质量缺乏兴趣。 ( 3 ) 系统对产量变化以及产品或工艺设计变化的适应性差。 ( 4 ) 个别设备出了故障或工人缺席率高对整个生产系统的影响极大。 ( 5 ) 预防性维修迅、速修理的能力和备用件库存都是必不可少的。 ( 6 ) 与个人产量相联的激励计划是可行的，因为这样会导致各个工人产量 不一致，从而对系统中工作流的顺利进行产生不利影响。 福特最早在汽车的生产中引入了流水线，大大降低了成本，扩大了其市场 占有率，也推动了汽车等产品的大规模生产。至今，装配线还广泛应用于汽车、 电子、纺织等各个行业，发挥着其它生产形式无法替代的作用。在使用中，要 充分发挥其优点，并采取措施减少其缺点可能带来的损失。 正是由于装配线的广泛应用，装配线规划问题一直是人们的研究热点。在 已有研究中，很多装配线| 、u j 题，如经济节拍时间、运行班次参数以及对平行生 产线、平行工作台的布局要求都被认为是设计前己知的。正因为如此，缺少装 配线设计的一般知识，甚至有人指出很多制造企业在生产线设计中并未遵循最 优设计方法。此外，产品设计方面的最新进展、制造和装配设计以及市场需求 的柔性使装配线的设计更加复杂，难度也更高。为了在当今充满竞争的国际市 场中获得竞争优势，要求我们必须掌握生产线设计的系统工具，以获得高质量 的产品。 2 2 装配线设计的一般方法 一般性的装配线设计方法【l j ，大致可分为三个阶段，其设计框架如下图。 第一个阶段是信息获取阶段，需要获得有关产品需求预测以及总工作量的信息； 第二个阶段为装配线设计的分析模型，根据三个选择基准，即需求合理化，可 分性合理化和相似性合理化来决定是否采用装配线的形式；第三阶段为装配线 的因素设计，其中又包括确定采用手工装配线还是自动装配线，选择适当的生 产节拍，然后根据选定的节拍时间来进行生产线的平衡( 确定合理的工位数) 以及是否采用平行线或平行工位。 1 2 第2 章装配线及其平衡问题 2 2 1 信息获取阶段 图2 1 装配线设计框架 在设计装配系统时，必须对相应的产品信息进行分析，以确定是否具备组 织流水线的条件，并选择合适的装配线形式。对于给定的需求和产品特征，是 否需要采用装配线的形式，可以参照制造业装配线设计的基本原则来确定。这 些基本设计原则包括l l j ：( 1 ) 当多个产品在线上同时装配时，确定操作时间合 理的相似性；( 2 ) 确定操作时间的可分性：( 3 ) 确定有关工作内容的总需求量。 要获得这些数据，至少需要未来两年内所有产品类型的需求预测，而且在这段 时间内，预测需求必须在增长才，有必要采用装配线。此外还需要了解产品的 月、季度变化，如每年的季节需求或者特定年份的季节需求。工作内容定义了 装配线上完成所有产品的时间，因此在制造系统最初选择中也需要每个产品的 操作时间以及操作的先后顺序信息。 1 3 第2 章装配线及其平衡问题 2 2 2 装配线设计的分析模型 1 操作时间的相似性 选择需求量最大的产品作为设计产品，当有几种产品的需求量相同时，选 择任务数最多的产品作为设计产品。装配线上每种产品的任务都与设计产品的 任务比较，记录它们任务操作时间的相似性，一般来说，系统中的每种产品的 相似度都不应低于4 0 。 2 操作时问的可分性 产品的设计结构要基本定型，产品能够分解成可单独进行加工和装配的零 部件，以便组织零部件的流水作业，实现并行生产。同时产品要具有良好的工 艺性，能符合流水生产工艺和工序同期化的要求。适当的将一些工序进行分解 与合并有利于组织专业化的生产。对待加工产品工序进行合理的集中与分散， 是搞好装配线平衡的基本前提。对任何装配制造系统来说，必须把工作内容划 分为合理的小的工作单元，以便于平衡生产线的载荷。要实现这一点，至今还 没有公认的科学的分析方法，企业可以根据自身产品操作内容以及以往经验来 决定。 3 需求量 与总的工作内容相关的需求量是装配线选择的第三个设计原则，流水线生 产方式是一种效率很高的制造流程，它适用于产量大且生命周期长的产品。产 量大是最基本的前提，它保证装配线上可以保持长期稳定的生产，但当需求量 大而工作内容少时，使用装配线并不经济。对于中等需求量、工作内容多的情 况，则适于采用装配线。 为了提高装配线的效率，有必要从数量上定义工作内容与产品需求量之间 的关系。在图2 2 中，基于生产中的产量需求和工作内容，对选择手工装配线 还是自动装配线进行了分析。从图中可以看出，制造装配线最少的产量需求和 工作内容数分别为1 0 0 0 和1 2 秒。要建立装配线，产品需求必须足够大。只有 能保证至少两个工作站每周最低工作载荷不小于4 0 小时，才适合建立装配线。 手工装配线适合于中等需求量，节拍时间一般在3 0 秒以上。需求量高时则需要 使用自动装配线，节拍时间一般在5 秒以上，当节拍时间少于5 秒时，可以使 用平行装配线。到底选择手工装