（机械制造及其自动化专业论文）发动机装配生产线平衡问题研究.pdf

摘要 摘要 在现代化大生产中，诸如以汽车、家电等产业为代表的大批量生产方式是 一种主要的生产类型。而在大批量生产条件下，流水生产线是一种较好的被广 泛采用的生产组织形式。现代企业中的流水生产线多为具有一定柔性的可以生 产不同品种产品的混流生产线。在流水生产线中，如果各个工作站间的符合不 平衡的话，则会严重影响生产线的效率、员工的士气及产品的质量，因此流水 生产线的作业分配和线平衡问题尤为重要。 本文首先总结了生产线平衡问题的研究现状：然后研究了多品种混合流水 生产线不同产品的投产排序问题；研究了离散事件系统仿真和建模过程中的主 要原理和关键技术，用仿真的方法解决了排产问题；以发动机装配生产线为研 究对象，阐述了发动机装配生产线的发展趋势，通过对发动机装配生产线特点 的深入分析，总结了装配生产线中出现不平衡现象的主要原因；研究了遗传算 法的基本理论和运用过程中的主要问题；对单一品种发动机装配生产线的平衡 问题建立了基于最小化工作站数和负荷均衡的多目标数学模型，用遗传算法解 决了装配线的平衡问题，该算法具有一定的通用性；并编写了用于解决发动机 装配线平衡问题的作业元素编排系统，该系统通过连接数据库，可以对装配线 中作业元素信息进行管理；最后用f l e x s i m 离散事件仿真系统验证了平衡结果的 可行性。从而得出了一套完整的用于解决发动机装配线平衡问题的方法。 关键词：装配生产线，线平衡，遗传算法，仿真 a b s 订a c t a b s t 阳c t i nm o d 锄l a r g e - s c a l ep r o d u c t i o n ，s l l c h 嬲a u t o i m b i l ea n dh o m e 印p l i a n c e 锄d o t l l c ri i l d 州e si sam 旬o rp r o d u c t i o nt y p eo ft l l em a s sp r o d l l c t i o n u n d e rm 舔s p m d u c t i o nc o n d i t i o 船，p r o d u c t i o nl i n ei sa9 0 0 do r g a i l i z a t i o n a lf o mm a ti s 谢d e l y u s e di nt h em o d 锄p f o d u c t i o n p r o d u c t i o nl i r l e si nm ei i l o s tm o d 锄e n t 唧r i s e g e n e r a l l yh a v et i l en e x i b i l i t yt 0p r o d u c ed i 侬l r c mv 撕c t i e s o fp r o d u c 拓mm e p r o d u c t i o nl i n e ，t l l ew o r kl o a db e t w e w o r ks 诅t i o l l si sl l i l b a l 锄c ec a nc 叭s es 谢o l l s p r o d u c t i o np r o b l e ms u c ha sl o wp f o d u c t i o ne m c i e n c ya 1 1 dp r o d u c t sq u a l 时p m b l c i i l s a i l de v e na f r c c tt 1 1 es t a f f sm o m l e t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n t 觚dn e c e s s a r yt 0 s o l v et t l ed i s 缸b u t i o no f 叩e m t i o n sp f o b l e ma n dt l l el i n eb a i 柚c i n gp m b l e m t h i sa r t i c l ef i r s t l yi m r o d u c e st l p r e s e n ts i t u a t i o no fa ss e ：l b l el i n eb a l a i l c e p f o b l e m ；t l l ep 1 o d u c t i o n q u e n c es c h e 山i l i n gp r o b l 锄o f m em i x e d p 硎u c t i o nl i i l ci s r e s 韶r c h e di i lt h ep a p e r ；i tr e a r c h e st l l ec e n 砌t i l e o r ya n dk e yt e c l l l l i q u e so f s i i n u l a t i n g 觚dm o d e l i n go fd i s c r e t ee v e 玎临s y s t e m 锄ds o l m i o n s 也ep m b l e mi i l s i m u l a t i o n ；t l l e ni tt a _ k e sa u t o m o b i l ee n 西n e 嬲s e m b l el i n e 嬲t l l er e s e a r c ho b j e c t 锄d e x p o u n d s t 1 1 cd e v e l o p m e n t 慨d so ft l l ea u t o m o b i l e g i 舔s 锄b l yl i n e ；b a s c d o ni n d c p t l la l l a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so f t l l ea u t o m o b i l e 锄g i n e 髂s c m b l yl i n e ，t l l e m a i nr e 髂o no ft h eu n b a l a n c e dp h e n o m e l l o ni s 期m m e du p ；nr c a r c t l e st l l eb a s i c t h e o r yo fg e n e t i ca l g o r i t l l m 柚dm em a i np r o b l e m si nt h e 印p l i c a t i o np r o c e s s ；n p r o v e st l l em l l l t i - o b j e c tm a t k m a t i c a lm o d e lo fs i n g l ep m d u c t i o nl i i l eb 鹤e do n i i l i n i n n i i nn 啪b e ro fw o r k s 诅t i o n sa i l db a l 锄c e d1 0 a da n dr e s o l v e s 曲哈l i j l eb a i a n c e p r o b l e m 、】l r i t l lg e n e t i ca l g 耐t 1 ka l g o 甜吼1 l a sc e r t a i l ll l l l i 谢m i l 吼t h e a u t h o r d e v e l o p s t 1 1 e o p e m t i o n se l e m e n t ss c h e d u l i n gs y s t 锄t h es y s t e m 锄 m 锄a g e m e n ti n f b 咖a t i o no fo p e r a t i l l ge l e m 肋t so fm e 船m b l yl i l l eb yl i n 地n g d a 协b 硒e s a tl a s t ，nt e s t s 龇f e 觞i b i l 竹o f 也em 锄c e do u t c o m ei i lf 1 e x s i md i s c r 咖 e v e n t ss i m l l l a t i o ns y s t c m ac o m p l e t cs e to fm e t l l o df b fs o l 、，i n gt i l ea s s e m b l el i b a l a n c ed r o b l e mi so b 鼬 k e y w o r d s ：a s m b l ep r o d u c t i o nl i n e ，l i n eb a l a i l c e ，g c t i ca l g o r i m i n s i m i l l a t i o n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、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。 i 学位论文作者签名： 彻7 年铲月严日 蕊张密蔽稀錾万一 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年 月日 硕士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。 签名： 矽7 年华月尹日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题提出背景及意义 制造业的生产多半是在进行细分化之后的多工作站流水化的连续作业生产 线，此时由于分工作业，各工作站的作业时间在理论上、实际操作上都不能完 全相同，这就势必存在工序间作业负荷不均衡的现象，这样除了造成无谓的工 时损失外，还会造成大量的在制品堆积，严重时会造成生产线停线。在现代工 业中，尤其是在汽车工业中，又多采用柔性装配流水线，这样可以在同一条生 产线上生产多种品种产品，还可以根据市场需要，不断变换产品型号，从而适 应市场需求，提高企业的竞争能力。 流水线生产具有在制品在移动中加工、各工位同时作业的特点，这就要求 将整个总装过程分割成若干独立作业单元，然后将这些作业单元合理安排到流 水线的各个工作站( 工位) 上。随着快速多变的市场需求，企业面临的竞争越 来越激励，如何提高装配生产线的整体效率和产量，减少工序间的在制品，以 及追求同步化生产越来越受到人们的重视。装配线平衡( a s s e m b l yl i m b a l a i l c i n g ，简称a l b ) 问题就是为了解决上述问题而提出的一种手段与方法，最 早由s a l v e s o n 于1 9 5 5 年在他的硕士论文里首先提出。 所谓生产线平衡问题，就是对作业元素进行研究，对时间进行测定，对各 工作站的作业时间进行平均化，使生产线顺畅流动，在满足一定的约束条件的 情况下处理好两个主要问题：一是指对给定的传输速度和作业总量，如何尽可 能均衡地将装配作业元素分配给沿线各工作站，保证各工作站的总作业时间不 超过规定的周期；二是工作站间的作业负荷的平衡，即各工作站之间的作业负 荷差距要尽可能的小，减少因时间差所造成的等待或滞留现象。因此，这就要 对生产线上的作业元素进行合理编排，这样的问题是一种典型的组合优化问题， 现代制造企业的生产线又广泛采用柔性生产线，可以在一条生产线上生产多种 品种的产品，作业元素均衡编排问题和不同品种产品投产排序问题综合在一起， 使生产线平衡问题变得异常复杂。 流水生产线是大批量生产的一种高效组织方式，生产线平衡问题是与流水 生产线问世之日同时出现的。生产线平衡及改善是生产管理中一项重要的决策 第1 章绪论 问题，这项决策存在于生产系统的建立、运行以及维护的各个阶段瞳”。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，减少 劳务费及生产线投资，减少在制品数量，增大净利润；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。 1 2 生产线不平衡现象及产生原因分析 在实际生产中，特别是在柔性生产线中，造成不平衡现象的原因很多，归 结起来可以分为以下几个方面： 1 产量与产品配比的变化 对于柔性生产而言，为了顺应市场的需求，产量和产品的配比是不断变化 的，原来平衡的各工位可能在产量和产品配比发生改变之后，出现不平衡的现 象。可举例具体说明这种情况“】： 假设有a 、b 、c 三种产品，在生产之初产品的配比是：a 产品4 0 ，b 产品 4 0 ， c 产品2 0 。表1 1 为1 号工作站与2 号工作站对这三种产品的操作时间。 表1 1 工位时间 则根据加权平均的原则，各工位的平均操作时间应为： 工位1 ；1 2 0 o 4 + l o o o 4 + 1 3 0 o 2 = 1 1 4 ( 秒) 工位2 ：1 2 5 o 4 + 1 1 5 0 4 + 9 0 x o 2 = 1 1 4 ( 秒) 这时两个工作站的平均操作时间是相同的，负荷较为平衡。如果产品的配 比由于需求的改变而发生变化，新的配比为a 产品4 0 ，b 产品2 0 ，c 产品4 0 。 此时的平均操作时间为： 工位l ：1 2 0 0 4 + 1 0 0 o 2 + 1 3 0 o 4 = 1 2 0 ( 秒) 2 第1 章绪论 工位2 ：1 2 5 o 4 + 1 1 5 0 2 + 9 0 0 4 = 1 0 9 ( 秒) 如此两个工位的负荷便不平衡了。 在实际生产中，往往还要考虑工时弹性的影响。例如产品c 在工位l 处的操 作时间较长，但是其它两种产品的操作时间并不长，那么当产品c 后紧跟着产品 a 或b 时，工位1 的操作工可以不必手忙脚乱，因为即使操作时间过长，他还可以 适当的“借”用后来产品的时间，从而不至影响整条生产线的节拍。但是，当 产品配比发生改变，产品c 的需求增加时很有可能出现连续几个产品c 的情况， 这时工位1 的操作工人就要手忙脚乱了。也造成了工作站间的负荷不均匀现象。 2 产品配置设计的改变以及新型产品的投入 由于产品设计和配置的改变，或新产品的投入生产，也会引起生产线的不 平衡。产品设计的变化必将使得产品的生产工艺有所调整，这种调整有时是改 变了工艺顺序，有时会增加或删去一些工序，因而对生产线平衡的影响是很大 的。但是，在实际生产中，往往工序的安排不可能在短时间内进行合理的全部 重排。最常见的情况是新的任务分配下来之后生产线只是在原来工序分派方案 的基础上，只作有限的调整便开始生产，生产线不平衡问题也就暴露出来。 3 操作工人对工作的熟练程度的变化 操作工人对自己从事的操作有一个学习过程。而每个人由于能力的差异， 学习的效率并不一样。这就是所谓的学习曲线和工作熟练度。在生产线刚开始 运作的时候，操作指导书所制定的工时标准都是较为科学的，生产线也是较为 平衡的。经过一段时间以后，由于一些操作工渐渐熟悉了自己的工作，能够较 熟练的进行操作，使得他这个工位的操作时间相对减少了；而另一些工位可能 由于操作工序相对复杂或是其它的原因，造成操作时间仍居高不下。这也造成 了生产线的不平衡。 4 现场布置的改变 操作工人在进行操作的时候，其操作时间由两部分时间组成：一是所谓创 造价值的时问，即生产性时间或称增值时间；二是不创造价值的时间，如等待 时间、走动时间、休息时间等，这种时间称为不增值时间或非生产性时间。不 增值时间是操作中必不可少的时间，但是由于它不增加产品的价值，所以应当 尽可能的减少它占操作时间的比例。工作现场的布置对于不增值时间的影响是 很大的。如料箱、料架、工装、设备工具的放置位置等，都会对操作工人的走 动路线和操作动作造成影响。如果在不经意间现场的布置被改变了，则自然会 第1 章绪论 影响工位的操作时问，而这种变化的原因却很难被人察觉。所以由于这种原因 造成的不平衡现象往往不引起人们的注意。 1 3 线平衡问题研究现状 装配线平衡问题是一类离散型组合优化问题，但这个问题由产品设计工艺 和制造过程技术所决定的作业元素之间的先后关系而变得非常复杂，在某种程 度上较难得到满意解，如果将九个作业元素分配到m 个工作站的计算复杂度是 d ( m z 以) ，计算的复杂性随着装配元素和工作站数目的增长而呈指数增长，是 典型的n p h a r d ( n o n d e t c 肌i i l i s t i cp o l y i l o f n i a l t i m eh a r d ) 难题。”。目前，求解此问 题的方法可归结为3 种类型：最优化方法( 数学模型法) 、启发式方法和工业工程 方法。下面对国内外常用的几种典型的研究方法作一综合介绍： 1 3 1 最优化方法 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 在理论上能找到最优解，但由于种种原因的限制，有时候很可能失败，并且在 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。线性规划方法和动态规划方法是在装配线平衡问题中应用比较多的 两种最优化方法”一。 线性规划( l i l l e 盯p r o g r a i r 皿i n g ，简称l p ) 问题是目标函数和约束条件都是线 性的最优化问题，也可以通过适当的转化解决一些非线性问题。线性规划是最 优化问题领域中重要的应用范畴之一。利用线性规划方法求解生产线平衡问题 是在2 0 世纪6 0 年代由b o 煳e h 等人提出的，其约束条件和目标函数建立 容易，但运算量很大，与实际情况相差比较远。之后一些学者将此算法加以改 进，但运算量仍比较大。因此，只能求解作业元素个数较少的线平衡问题，故 此法在实际应用中所取得的效果不是很理想。 动态规划( d y i l a m i cp r o 伊锄m i n g ) 方法是解决多阶段决策过程最优化问题的 一种常用方法，难度比较大，技巧性也很强。动态规划方法的实现并不复杂， 适用于许多问题，在解决一般优化问题时是首选的算法之一。但是，动态规划 的数学模型的建立不是件容易的事，其中最困难也最重要的是状态表示。动态 规划的状态表示描述的子问题必须满足最优子结构性质，否则无法建立正确的 动态规划模型。在应用动态规划方法解决问题时，应先估计问题的时间、空间， 4 第1 章绪论 如果问题存在维数障碍，那么动态规划的状态表示很难满足较大规模问题的空 间要求。动态规划法运用于解决a l b 问题时，其状态的表示与各工作站作业元 素的加工时间有关，往往在确定动态上界时需对系统影响较小的状态进行删除， 从而达到降低运算量的目的。 1 3 2 启发式方法 启发式方法以其简便、易懂的优点，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，它的产生克服了现实建模的困难，提供了一种更有 效的决策工具。与最优化方法相比较，启发式方法的优点主要有：逻辑模型接 近于现实，流程图建立在决策者经验的基础上。因此启发式方法隐含着多目标 方案；它的主要局限是它的静态性，即在平衡过程中，固定的准则是预先确定 的优先准则，而从产品加工过程、市场需求和公司战略来看环境是动态变化的。 在生产线平衡问题中应用比较多的启发式方法是禁忌搜索算法“”1 。 禁忌搜索( t a b us e a r c h ，简称t s ) 的思想最早是由g l o v c r 于1 9 8 6 年提出，它 是对局部邻域搜索的一种扩展，是一种全局逐步寻优算法，是对人类智力过程 的一种模拟。禁忌搜索算法通过引入一个灵活的存储结构和相应的禁忌准则来 避免迂回搜索，并通过藐视准则来赦免一些被禁忌的优良状态，进而保证多样 化的有效探索以最终实现全局优化。迄今为止，禁忌搜索算法在组合优化、生 产调度、机械学习、电路设计和神经网络等领域取得了很大的成功，近年来又 在函数全局优化方面得到较多的研究，并大有发展的趋势。 与传统的优化算法相比，禁忌搜索算法具有灵活的记忆能力和藐视准则， 搜索时能跳出局部最优解，转向可行解空间中的其它区域，从而增大获得更好 的全局最优解的概率。但禁忌搜索也有明显的不足：对初始可行解有较强的 依赖性；迭代搜索过程是串行的，仅是单一状态的移动，而非并行搜索。为 了进一步改善禁忌搜索的性能，一方面可以对禁忌搜索算法本身的操作和参数 选取进行改进；另一方面则可以与模拟退火法、神经网络以及基于问题信息的 局部搜索相结合。w j n - c h y u 觚c 1 1 i a l l g 、宋华明等人运用禁忌搜索算法对单一、 确定型的多目标装配线平衡问题进行了优化。 1 3 3 工业工程方法 工业工程( i n d u s t r i a le n g i n e e 咖g ，简称i e ) 思想最早是由科学管理之父泰勒在 5 第1 章绪论 2 0 世纪初提出的，它是以人、物料、设备或设施、能源和信息组成的集成系统 为主要研究对象，综合应用工程技术、管理科学和社会科学的理论方法等知识， 使生产系统达到降低成本，提高质量和效益的目的，同时为科学管理提供决策 依据1 “1 。 以工业工程方法为主的生产线平衡相关技术主要是方法研究和作业测定两 大技术，运用该技术的优点就是使企业在不投资或少投资情况下，不增加工人 劳动强度甚至是降低劳动强度，通过实施一系列适合自身特点改善方法，对生 产过程的作业程序、作业方法、物料配置、空间布局及作业环境等各方面进行 改善，达到企业对生产线的平衡进而提高生产能力、取得经济效益的目标。 最近一二十年，工业的内外环境发生了很大的变化，知识经济时代正在到 来，生产线平衡方法体系也将具有新的特点和研究方向，以适应新环境下经济 增长的需要。此外还有设备布置等相关方法也可以适当提高生产线平衡率，为 企业带来更大的经济效益，有待做进一步的思考和研究。 1 3 4 比较分析及研究趋势 解决装配线平衡问题都离不开数学工具。纵观国内外解决装配线问题的方 法，各有特点：最优化方法尽管利用数学模型能找到最优解，但是只能局限 于作业元素个数较少的生产线平衡问题；启发式方法通俗易懂、建模简单， 但在平衡前需预先确定准则，表现出它的静态性；工业工程方法不需要数学 建模，只需决策者运用工作研究和作业测定技术对作业元素进行深入分析，但 对于作业元素个数较多且约束条件较多的生产线平衡问题则体现出一定的局限 性。 生产线平衡问题经历了一个由最优化方法到启发式算法，直到现代人工智 能方法和工业工程方法的过程，虽然有些技术和方法趋于成熟，但依然是学术 界研究的热点问题，研究趋势朝着以下方向发展：在应用优化方法求解的同 时，会越来越多地用到了系统仿真技术，随着计算机技术的发展，在目前现有 软件包的基础上进行二次开发，建立可视化的虚拟仿真生产系统，以实现生产 线的动态平衡效果，将值得进一步研究和思考；目前，装配线平衡问题大都 集中在讨论单条装配线平衡衄题上，随着快速多交的市场及顾客的多样化需求， 网络的不断发展，提高企业整体效率将会是企业界和各学术界关注的焦点，考 虑地域平衡以及线与线之间平衡问题值得进一步研究。 6 第1 章绪论 1 4 课题的提出和内容 1 4 1 目前研究存在的问题和本文研究方法 生产线平衡问题涉及生产管理中的各个方面，包括生产线的布局、缓存区 的设置、人员配置等问题。从以上讨论中可以看出，目前对生产线平衡的研究 主要集中在作业元素分配的数学问题上，并且所建立的数学模型和目标函数是 高度抽象、简化的模型，可以说是狭义的生产线平衡问题。现有文献中又很少 有对特定生产线进行平衡研究，比如汽车发动机装配生产线，只是脱离了实际 问题的对装配优先关系进行研究。从上面讨论的生产线平衡研究的发展趋势来 看，用数学方法解决作业元素分配工作只是生产线平衡问题研究工作的一部分， 另一部分是要对数学上的编排结果进行验证，这里的验证当然可以是在实际中 的生产系统按照编排结果进行重新分配来验证结果，但是这种方法显然成本太 高，会严重影响生产计划，并且更多的时候是不可行的，系统仿真技术可以很 好的解决这个问题。因此，完整的生产线平衡问题的研究方法是先对作业元素 进行数学分配后，再用系统仿真技术来验证优化结果，然后对仿真结果进行分 析，如果结果不好的话可以重新进行数学优化，直到达到满意的结果，从而来 指导生产实践。 即便在传统的狭义生产线平衡研究中，仍然存在很多问题。工业工程研究 方法由于受到资金、场地、规模、人员等众多因素的限制，因此采用的比较少。 主要的研究范围还是集中在启发式方法上。但传统启发式搜索方式有着明显的 缺点：一些数学方法对目标函数的要求特别严格；有些方法要对解的内在性质 需要进行深入的数学研究，对可行解空间的维数和大小要进行估计；有些方法 在逼近最优解或满意解的搜索过程中，不断地有“倒退”过程，搜索效率低。 近年来。遗传算法( g c n e 如a l g 鲥t h m s ，简称g a ) 在解决组合优化问题方面 日益受到重视，有着广泛的应用领域，例如背包问题、车辆路径问题、网络规 划问题、设备布局问题、旅行商问题、生产调度问题、机器排序问题。鉴于遗 传算法在解决组合优化问题方面显示的巨大优势和有效性，本文采用遗传算法 来解决装配线平衡的数学编排问题。作为一种新的优化算法，遗传算法有以下 优点：由于它的进化特性，它在解的搜索中，不需要了解解的内在性质；可以 处理任意形式的目标函数和约束；进化算予的各态历经性使得算法能够有效地 进行全局搜索。具体内容在后面章节将有详细论述。 7 第1 章绪论 然后根据离散事件系统建模与仿真的原理，对优化结果进行系统模拟仿真。 选用离散事件仿真系统f l c x s i i l l ，它采用面向对象的建模原理，具有强大三维显 示效果和数据分析能力，可以在个人p c 机上直接运行。 1 4 2 课题的主要研究内容 综上论述，在前人研究的基础上，以发动机装配生产线为研究对象，对单 一品种装配生产线的平衡问题建立了基于最小化工作站数和负荷均衡的多目标 数学模型，用遗传算法解决了装配线上作业元素的均衡编排问题，然后用离散 事件仿真系统f l e x s i i n 对优化结果进行仿真，从而得出了一套解决发动机装配生 产线平衡问题的有效方法。具体内容如下： 1 对柔性生产线上不同品种产品的投产排序问题进行了研究； 2 对发动机装配生产线的发展趋势进行了总结； 3 对遗传算法的一些结论和运用过程中的一些问题进行了研究： 4 给出了单一品种装配线平衡问题的遗传算法：改进了基本遗传操作算 子，避免了早熟收敛和随机漫游等现象： 5 用v i s u a lc + + 编写了发动机装配线平衡系统： 6 对离散事件系统建模与仿真的原理进行了研究；通过仿真，验证了平衡 结果。 8 第2 章基于平衡的混流生产线排产问题研究 第2 章基于平衡的混流生产线排产问题研究 2 1 混合流水生产线 现代流水生产组织方式起源于福特制嘧1 ，h e n r yf o r d 于1 9 1 3 年创立了汽车工 业的流水生产线，由此揭开了现代化流水生产的序幕，引起了制造业的一个根 本性变革。h e n uf o r d 将流水生产线用于汽车装配，使生产效率大大提高，随着 流水生产组织技术的不断改进完善，福特汽车公司的生产效率远远超过其他工 厂，使福特汽车的价格在1 0 年间从2 0 0 0 美元以上逐步降到2 6 3 美元，让汽车进入 了普通百姓家庭。 近二三十年来，制造业市场竞争越来越激烈，产品生命周期不断缩短，市 场需求的呈现多样化和个性化。在这种趋势下，在现代制造企业中多采用具有 一定柔性的混合流水生产线，它是在基本上不改变现有生产条件和生产能力的 条件下，通过改变生产组织的方法，在一条流水线上有序地生产多种产品，这 些产品通常是结构、工艺相似，但规格、型号不同的系列产品( 称为一种基型、 多种变型) 。混合流水线的出现可以降低库存，满足顾客的多样化与个性化需求， 缩短产品的上市时问，提高企业的竞争力。 混合流水线的使用要求生产系统具有一定的柔性，因此，混合流水线必须 在比较严格的条件下才可能组织运行。这些条件是： 1 产品设计结构要系列化、标准化； 2 加工装配工艺能够实行快速调换工、模、夹具等； 3 有严密的生产计划管理体系，编制出可行的混流生产计划； 4 。各个生产环节衔接协调。实行生产过程的同步化生产； 5 应有熟练掌握多种操作技能的生产工人。 2 2 混合流水生产系统的排产问题 在混合流水线上，由于不同品种产品的工序的作业时间都不相同。所以生 产计划必须考虑混合流水线上不同种产品的投入顺序，邵排产问题。实行有节 奏、按比例的混合连续生产，使品种、产量、工时、设备负荷达到全面均衡。 混合流水生产系统的设计比单一型流水生产系统要复杂得多，主要问题包括两 9 第2 章基于平衡的混流生产线排产问题研究 个方面的内容： ( 1 ) 流水线的平衡问题( l i n eb a l 锄c i n g ) ，集中于生产资源的分配方面； ( 2 ) 投产排序( s c h e d u i i n g ) ，即排产问题，集中于市场需求的快速响应 方面。 流水线平衡问题是生产管理中的中长期决策问题，涉及投资、厂房及设备 的布局规划j 一旦制定，短期内难以改动。 在流水线平衡的基础上，排产问题用来决定混合流水线上不同产品的投入 顺序，以保证生产的均衡化。由于市场需求在变化，生产制造系统存在调整的 必要。因此，排产决策在每个月、每个周、每天都需要制订，是一个短期的决 策问题，而且排产的工作量大，不同排产方案对系统平衡影响很大。 图2 1 混合流水生产系统的设计 从图2 1 中，可以看出平衡与排产是混合流水生产系统的两个相互联系的有 机组成部分。平衡模块的信息输出是排产模块的信息输入，同时可以根据排产 输出的反馈信息对混合流水生产系统的参数进行调整，直到输出满意的平衡结 果。一个好的平衡方案会支持排产方案产生一个较好系统的绩效，反过来，适 当的排产设计也可以弥补平衡方案的不足。将平衡设计与排产设计有机地结合， 会使混合生产系统产生好的管理绩效。下面实例说明这个了问题。 实例2 1 。”混合流水生产线上工作站间使用传送带联接，传送带以恒定的 速率运转，分析第一个工作站中产品的加工情形。假设第一个工作站的长度为4 单位时间，即产品从进入这个工作站到离开这个工作站的时间为4 单位时间。 生产线的节拍为2 单位时间，即每隔2 单位时间，一个产品就投放到流水线， 进入这个工作站中。假设流水线上生产两种类型的产品a 、b ，需求量为6 个， 其中3 个产品a ，3 个产品b 。这里不考虑工人在工作站内的移动速度。 1 0 第2 章基于平衡的混流生产线排产问题研究 在一种平衡方案x l 下：产品a 和产品b 在第一工作站的负荷分别为l 单 位时间和3 单位时间。采用排产方案y 1 ：a a a b b b ，则这个工作站内 的加工情况是：加工序列中最后一个产品b 将不能完工( 图2 2 ) 。剩余l 单位 时间的工作量要在工作站外完成。但是如果采用排产方案y 2 ：a b a b a b ，此时工作站内产品的加工情况是：对6 个产品的加工不仅没有未完工的产 品，而且加工结束后，工作站内还有闲置时间( 图2 3 ) 。这充分说明通过适当 的排产设计可以弥补平衡设计的不足，带来混合流水生产系统更好的绩效。 睚 弛束 3 3 3 、 茏； 遍1 、z 埘 匪 岁 遂， 迦， 溺i 。 开始 图2 2 在排产方案y 1 下的生产系统绩效图2 3 在排产方案y 2 下的生产系统绩效 在平衡方案x 1 下，排产方案y 1 将带来1 个单位时间的未完工的工作量， 此时，排产方案可能被认为是一种较差的设计方案。但是，如果改变平衡设计， 排产方案y l 仍然可能带来好的系统绩效。例如，假设还有另外一种平衡方案 x 2 存在：产品a 和产品b 在工作站内的负荷分别为1 5 个单位时间和2 ，5 个单 位时间( 总的负荷与平衡方案x 1 一致) 。那么，相对于平衡方案x 2 和排产方案 y 1 ，系统的运行状况如图2 4 ，加工结束后，工作站内尚有o 5 个单位时间的闲 置；更进一步，采用平衡方案x 2 和排产方案y 2 ，对应的系统运行状况见图2 5 ， 加工结束后，系统尚有1 5 个单位时间的闲置。 在传统的研究文献中，将混合流水线的平衡与投产排序看作是两个不相关 的问题，把这两个相关的问题割裂开来单独研究。多数对混合流水线的投产排 序研究的文献通常是假设流水线已经得到平衡的基础上进行的。因而，在某种 情形下，尽管两个独立问题的最优解都能够得到，但却不是整个系统设计问题 第2 章基于平衡的混流生产线排产问题研究 的全局最优解，常常只能得到次优解。 b b b a a a b a b a b a 图2 4 方案( x 2 ，y 1 ) 对应的系统状况 图2 5 方案( x 2 ，y 2 ) 对应的系统状况 2 3 平衡与排产设计对系统负荷影响的具体分析 工作站中的闲置与未完工均造成生产线效率低下，尤其是未完工现象发生 时，可能有下述情形：操作工仓促赶制，保持与生产线运行节拍一致：将 生产线停下；线外的替补工人及时帮助完成。上述的情况不仅影响到产品的 质量而且增加了生产成本。因此，混合流水生产系统负荷均衡的优化设计，不 仅可以提高劳动生产率，而且可以提高产品的质量。从长远的观点来看，可以 增强企业竞争力，增加企业的利润，具有十分重要的意义。 下面再通过一个具体实例来对混流生产线系统平衡设计和排产设计之间的 相互作用和对系统的影响作一具体分析。 实例2 2 设有4 ，曰，c 三种规格的一族产品，每种产品的作业元素的优先关 系如图2 6 至图2 8 ；某个计划期内市场预测需求：彳产品1 2 8 0 单位、口产品 1 2 8 0 单位，c 产品6 4 0 单位。由各产品的优先图可以得到产品系列彳，占。c 的联 合优先图( 图2 9 ) 。 第2 章基于平衡的混流生产线排产问题研究 一$ 省蛾 图2 8 产品c 的优先图 图2 9 产品a ，b ，c 的联合优先图 混合流水生产系统的设计比单一型流水生产系统要复杂得多，即使产品的 平均负荷在每个工作站都达到均衡，但是对每种规格的产品来讲，随着投产顺 序的不同，不同规格的产品在不同工作站中负荷各不相同，工作站中的闲置与 未完工现象时常发生。 在这个实例中，假设流水线上有4 个工作站，在一次生产循环中，产出5 个产品，最小比例集为 2 ，2 ，1 ，设定流水线的节拍为9 单位时间。4 个工作 站内作业元素分配情况( 其中一种) 分别为( 1 ，2 、 3 ，4 ) 、 5 、6 、7 ) 、 8 ) 。 4 个工作站中三种产品的负荷分布情况见表2 1 。由表2 1 可以看出，尽管各种 产品的平均负荷没有超过生产线的节拍c ( 9 单位时间) ，但是，仍然有部分产 品在工作站内的负荷超过节拍。如：第1 个工作站的4 产品( 1 0 单位时间) 、第2 个工作站的口产品( 1 0 单位时间) 等。在投产排序中，如果作业时间较长的一种产 品被连续投产，将会引起工作站中出现严重的产品未完工现象。因此，在平衡 之后的投产顺序是一项重要的决策问题。如果按照4 专彳斗b - b 寸c 的投产 顺序，则在一次生产循环中，有三次未完工现象，共计3 个时间单位的未完工 量，有1 4 个时间单位的闲置等待量。 表2 1 混合生产线的一个平衡设计方案( 单位时间) 第2 章基于平衡的混流生产线排产问题研究 假定在混合生产线上，工作站之间用输送带连接，各种规格的产品以一定 的速率被投放到生产线上，产品以一个恒定的速度通过各个工作站。生产线上 工作站是封闭的，即操作工的移动工作空间有明显的界限，操作工只能在本工 作站界定的工作站范围内移动，当操作工不能完成其规定的工作时，不能进入 临近的工作站，剩余的工作将由线外的工人及时帮助完成。操作工人在工作过 程中随着输送带一起向下一个工作移动，完成工作后回到该工作站的起始位置， 等待下一个工件的到来。 在一次投产循环中，流水线上可能出现的情况是；一个产品加工结束以后， 下一个单位产品尚未进入这个工作站，操作工人回到工作站起点等待。这就产 生闲置现象；另外一种是操作工在其自身的工作站内不能完成一个单位产品的 加工任务，剩余的工作要由线外的工人来及时帮助完成，这就是未完工现象。 无论是未完工现象还是闲置现象的存在，都会导致劳动生产率低下，产品质量 降低，生产成本的升高。 假定混合生产线上产品的投放速率五是个固定的值，当一单位产品加工结束 之后，操作工立刻移动到下一个产品的位置，开始下一单位产品的加工。在实 际生产过程中，由于操作工的移动速度要比输送带的运转速率快得多，为简单 起见，当操作工结束一单位产品的加工后，移动到下一单位产品的时间可以忽 略不计。 下面以这个实例来说明平衡设计与排产设计之间的相互作用。假设系统的 设计目标为闲置时间与未完工时间之和最小。针对上述的混合型生产流水线， 在工作站数m = 4 ，工作站的长度均为1 0 ( 单位时间) ，产品的投放速率五= 9 ( 单位 时间) 的情形下，分别给定两种平衡方案( 平衡方案l 和平衡方案2 ) 和投产排 序方案( 排序方案1 和排序方案2 ) ，则问题的解有2 2 = 4 种情形( 图2 1 0 ) 。 平衡方案1 ：见表2 2 表2 2 工作站平衡方案1 工作站代码脚1234 工作站作业元素瓯 1 ，2 3 ，5 ) 4 ，6 7 ，8 三堡堕! 望鱼垄! 互! ：! ! ：! ：! ：! 平衡方案2 ：见表2 3 1 4 第2 章基于平衡的混流生产线排产问题研究 表2 3 工作站平衡方案2 工作站代码所l234 工作站作业元素瓯 i ，2 3 ，4 6 ，5 7 ，8 工作站平均负荷s 瓦 9 08 49 07 6 排产方案1 ：b b a a c 。 排产方案2 ：a c b a b 。 在4 种方案下，系统的目标值见图2 1 0 ，从这里我们看到了在混合型生产 线的设计中平衡设计与投产排序设计对系统目标的影响，平衡设计方案2 是一 种较好的方案，排序方案1 只有在平衡设计方案2 下才是一个较好的方案。混 合生产流水线的平衡设计与排序设计是相互作用和相互影响的两个方面。 30 图2 1 02 种平衡方案和2 种排序方案对应的4 种设计组合的目标函数值 2 4 混合型流水生产系统的调整 在混合型流水生产系统设计中，通过平衡与排序的反馈信息，可对系统参数 进行调整，以达到满意的系统绩效。首先引入几个符号； 这里我们用口w 表示流水线上所有的未完工时间；用触表示流水线上所有 的闲置时间；用，。表示第后工作站的长度( 单位时间) ，则： ， 工作站的物理长度 、 。t2 丽爵丽谣瓢 ( 2 1 ) 第2 章基于平衡的混流生产线排产问题研究 在= 1 0 ( t = 1 ，2 3 ，4 ) 单位时间，丑= 9 单位时间前提下，则最优设计的结果为 础= 1 2 ，d w = o 。调整工作站的长度红、产品的投放速率a 等系统参数，可以 改变系统绩效。其中对工作站长度的调整可以采取调整输送带的运转速度或者 直接调整工作站的物理长度。 图2 1 l 显示的是针对实例2 2 ，在4 个工作站的情形下，工作站长度k ( 假 设4 个工作站的长度是一致的) 和产品投放速率a 与生产流水线上闲置时间胁、 未完工时间d w 的关系：在投放速率丑固定时，未完工和闲置时间随着工作站长 度的增加而减少。调整生产流水线上工作站的长度z 。时，必须考虑调整所带来的 成本变化问题，合理的工作站长度，。为1 1 1 单位时间。在工作站长度固定时， 未完工时间d w 随着投放速率a 的增大而减少；闲置时间f 出随着投放速率a 增大 而增大。当投放速率a 小于等于7 ，闲置时间胁为o ；当投放速率a 大于等于9 ， 未完工时间d w 为0 。比较合理的投放速率a 应设定在8 9 单位时间。 五= 9 时间单位 单位时阍 地撕 非 瓣 一k 泌i 一 巷卜一 ￥、， 、 暑c = = = 兰：- 、 o l 6 红( 单位时问， 乓= l o = 1 ，2 r 3 ，4 ) 时间单位 单位时问o v f 诧 襁 f ? 力卜t - - 一 卜 l ：z ：一：一： 70 9霄 1 2 诏4 量f 单位时问l 图2 i l 工作站长度乇、产品投放间隔五对系统设计的影响分析 2 5 仿真技术在排产问题中的应用 随着人类科学研究对象规模的日益庞大，结构日益复杂，仅仅依靠人的经 验及传统的技术难于满足越来越高的要求，基于现代计算机及其网络的系统仿 真技术解决了这个问题。仿真技术作为一门独立的学科已经有5 0 多年的历史， 应用范围广泛。近几十年来，先后有美苏登月计划、美波音公司生产7 5 7 客机、 动画片狮子王和星球大战、三峡工程等都使用了大规模的系统仿真。通过对这 1 6 土：i-：-+叶o：t寸斗 ，r - 一 - 扛lfol：r卜 ， - - ，一 4-j：i-4彩o+ - - - - - - -