（机械电子工程专业论文）混合装配线过程平衡研究及仿真分析.pdf

武汉科技大学 l i y i i l l l i l l l l i i 7 1 1 1 i i l 3 i i i i i i l 9 1 1 1 1 1 4 x3 6 删删 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：牲 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技人学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名绽丝 指导教师签名： 趣坠聋 日期：盘坦：生：2 生 武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 随着设备、工装夹具的柔性化，基于多品种、小批量的混流装配生产组织已成为可能， 并逐渐推行到汽车、电子制造、食品加工等行业中。与单一品种装配线平衡问题相比，影 响多品种混装生产线平衡的因素更多，这使得多品种混合装配线平衡问题求解难度加大， 而且建立面向不确定条件下的混合装配过程平衡模型难度更大。 本文首先阐述了多品种产品混流装配线的研究意义，分析了装配线平衡问题国内外研 究现状，就装配线平衡这一工程问题进行了数学描述。 在此基础上，本文分析了混合装配生产过程平衡影响因素，给出了混合装配生产过程 平衡框架；并依据所给框架体系，分别给出了确定条件下的混装平衡建模和不确定条件下 的混装平衡建模方法；同时考虑到混流装配线上，产品的不同投产序列可能带来的装配线 平衡率差异，建立了旨在负荷均衡的混合生产操作分配数学模型，以及旨在最小化平均闲 置时间的多种产品投产排序模型。 同时，针对封闭工作站，利用混装生产过程平衡模型的求解结果，结合工人熟练程度、 工作疲劳变化等不确定性因素的影响，基于f l e x s i m 软件进行建模及仿真分析，进行动态 平衡调整，以得到新的平衡。仿真结果表明本文所建立的混合装配过程平衡框架体系、操 作分配模型、投产序列模型的正确性与有效性。 研究结果表明数学建模和仿真技术相结合的方法，既能求解出近优甚至最优解，又能 通过仿真技术模拟生产组织，预演生产过程中不确定影响，以协助得到不确定条件下的最 优解，为解决多品种产品在混装生产过程中的平衡问题提供理论指导。 关键词：混合装配线；过程平衡；操作分配；投产序列；仿真 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ef l e x i b i l i t yo ft h ee q u i p m e n ta n df i x t u r e , i t sp o s s i b l ef o rt h em i x e da s s e m b l y p r o d u c t i o no r g a n i z a t i o n sb a s e do nm u l t i - v a r i e t ya n ds m a l lb a t c h a n di t sg r a d u a l l yu s e dt ot h e a u t o m o t i v e ，e l e c t r o n i c sm a n u f a c t u r i n g , f o o dp r o c e s s i n ga n do t h e ri n d u s t r i e s c o m p a r e dw i t h s i n g l ep r o d u c ta s s e m b l yl i n eb a l a n c i n gp r o b l e m ，f a c t o r sw h i c ha f f e c tm u l t i - v a r i e t ym i x e d p r o d u c t i o nl i n e sa r em o r e ，a n di tm a k e sm o r ed i f f i c u l tt os o l v em u l t i - v a r i e t ym i x e da s s e m b l yl i n e b a l a n c i n gp r o b l e m i na d d i t i o n , i ti sm o r ed i f f i c u l tt oe s t a b l i s hm o d e l so fm i x e da s s e m b l y p r o c e s sb a l a n c i n gu n d e ru n c e r t a i nc o n d i t i o n s f i r s tt h i sa r t i c l ee x p l a i n st h es i g n i f i c a n c eo f m u l t i - v a r i e t ym i x e da s s e m b l yl i n ea n da n a l y s e s t h er e c e n ts t a t u sa th o m ea n da b r o a do nt h ea 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 e nd e s c r i b e st h i s e n g i n e e r i n gi s s u ei nm a t h e m a t i c a lm e t h o d t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h em i x e dp r o d u c t i o np r o c e s sb a l a n c i n g , a n d p r e s e n t st h ef r a m e w o r ko fi t a n da c c o r d i n gt ot h eg i v e nf r a m e w o r ks y s t e m ，i tp r e s e n t st h e m i x e da s s e m b l y b a l a n c i n gm o d e l i n gu n d e rc e r t a i na n du n c e r t a i nc o n d i t i o n s b e s i d e s ，t a k i n gi n t o a c c o u n tt h a td i f f e r e n tp r o d u c t i o ns e q u e n c e so nt h em i x e da s s e m b l yl i n ew i l lh a v ed i f f e r e n t a s s e m b l yl i n eb a l a n c i n gr a t e ，s on o to n l yd o e si te s t a b l i s ham a t h e m a t i c a lm o d e lw i t hw o r k l o a d b a l a n c e ，b u ta l s og i v e sm u l t i - p r o d u c ts e q u e n c i n gm o d e lb a s e do nm i n i m i z i n gt h ea v e r a g ei d l e t i m e m e a n w h i l e ，f o rt h ec l o s e dw o r k s t a t i o n ，o nt h eb a s i so ft h er e s u l tf r o mt h em i x e da s s e m b l y p r o d u c t i o np r o c e s sb a l a n c i n gm o d e l ，w ec o n s i d e rt h e f a c t o r sl i k et h ep r o f i c i e n c yl e v e lo f w o r k e r sa n dw o r k i n gf a t i g u ec h a n g e s i no r d e rt o g e tan e wb a l a n c e ，w eb u i l dm o d e la n d s i m u l a t eb a s e do nf l e x s i ms o f t w a r ea n dm a k e sd y n a m i cb a l a n c i n ga d j u s t m e n t s t h es i m u l a t i o n r e s u l ts h o w st h ec o r r e c t i o na n de f f e c t i v e n e s so ft h em i x e da s s e m b l yp r o d u c t i o nb a l a n c i n g f r a m e w o r ks y s t e m ，t a s ka l l o c a t i o nm o d e la n ds e q u e n c i n gm o d e l t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ec o m b i n a t i o no fm a t h e m a t i c a lm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n t e c h n o l o g y , n o to n l yg e tn e a r l yo p t i m a ls o l u t i o n ，b u ta l s oc a ni m i t a t e t h ep r o d u c t i o n o r g a n i z a t i o n sb ys i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , p r e v i e wt h eu n c e r t a i ne f f e c t so ft h ep r o d u c t i o np r o c e s s t og e to p t i m a ls o l u t i o nu n d e ru n c e r t a i n t y t h e r e f o r ei tp r o v i d e st h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rs o l v i n g m u l t i v a r i e t ym i x e da s s e m b l yp r o c e s sb a l a n c i n gp r o b l e m k e yw o r d s ：m i x e da s s e m b l yl i n e ；p r o c e s sb a l a n c i n g ；t a s ka l l o c a t i o n ；p r o d u c t i o ns e q u e n c e ； s i m u l a t i o n 武汉科技大学硕士学位论文第1 i i 页 目录 摘要i a b s 仃a c t i i 第一章绪论l 1 1 课题研究背景及意义l 1 1 1 生产模式演变。l 1 1 2 装配线平衡1 1 1 3 课题背景2 1 2 国内外研究现状j j 3 1 2 1 作业分配3 1 2 2 投产排序6 1 3 论文研究的主要内容和结构安排7 第二章混装生产平衡影响因素及解决框架分析8 2 1 装配线平衡问题描述8 ， 2 1 1 装配线平衡术语8 2 1 2 装配线平衡分类1 0 2 1 3 装配线平衡数学描述1 0 2 2 混装生产线平衡影响因素分析1 l 2 2 1 多品种配比变化l l 2 2 2 新产品导入或选装1 2 2 2 3 操作工熟练度1 2 2 2 4 生产线布局1 3 2 2 5 其他因素13 2 3 混装生产过程平衡框架分析一1 3 2 3 1 静平衡问题描述13 2 3 2 动平衡问题描述1 4 2 3 3 过程平衡解决框架1 4 2 - 3 4 过程平衡问题数学申明l5 2 4 本章小结1 5 第三章混装过程平衡问题数学建模1 6 3 1 三类装配线平衡问题模型。1 6 3 1 1 第一类装配线平衡的建模1 6 3 1 2 第二类装配线平衡的建模1 7 3 1 3 第三类装配线平衡的建模1 8 3 2 基于0 1 规划的多品种混装线平衡模型1 9 第1 v 页武汉科技大学硕士学位论文 3 2 1 混装操作分配问题建模1 9 3 2 2 混装投产排序建模2 0 3 3 不确定条件下混装过程平衡建模。2 l 3 3 1 基于分配受限的动态平衡建模2 l 3 3 2 基于人因的产品操作时间不确定建模2 3 3 4 本章小结2 5 第四章基于f l e x s i m 的混装过程平衡检验2 6 4 1 基于f l e x s i m 的系统建模与仿真2 6 4 1 1 仿真的一般步骤2 6 4 1 2f l e x s i m 仿真系统2 8 4 2 闭式混装线仿真系统实现2 9 4 2 1f l e x s i m 模型的基本组成2 9 4 2 2 运用f l e x s i m 进行仿真建模3 l 4 3 实例验证、调整及比较3 4 4 3 1 确定条件下案例实现及结果验证3 4 4 3 2 不确定条件下输出结果及动态平衡调整4 2 4 3 3 动态平衡调整及比较4 2 4 4 本章小结4 3 第五章总结与展望4 5 5 1 总结4 5 5 2 展望4 5 参考文献4 6 致谢5 0 攻读硕士学位期自j 发表论文和成果5 l 附录术语说明。5 2 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1 生产模式演变 第一章绪论 随着全球化竞争的r 益激烈，以及先进制造技术的高速发展，生产方式发生着巨大的 改变。 现代化大规模生产中，例如汽车、飞机、玩具、工具、衣物、电子零件产品等标准化 商品( 或完全竞争性产品) ，他们的使用周期已经处于成熟稳定期，并且市场趋于饱和状 态，从而令产品的价格和厂家服务的竞争成为焦点。企业要在市场中生存并发展壮大，就 必须在努力降低成本的同时，提高服务质量。降低成本的有效途径之一就是采用规模化流 水线生产，因此企业经常通过不断地扩大生产规模，并利用流水线生产来获取竞争优势。 1 9 1 3 年出现的美国福特公司流水线，用大批量生产代替手工单件生产，使得汽车的制造周 期缩短，成本降低，生产效率提高，从而其他行业也纷纷采用这种大批量流水线的生产方 式，一时间流水线生产方式被各行各业广泛采用，福特的大批量流水线生产方式，在全世 界掀起了具有历史进步性的大批量生产的产业革命，对人类的产业进程起到了极大的推动 作用。 随着消费者对产品需求越来越个性化，制造企业想在激烈的市场竞争中占据有利地 位，就只能迅速响应消费者的这种多元化需求，同时不断开发新产品，并逐步实现其产品 的多元化和系列化。但对任何一种新开发的产品，不可能都新建一条生产线来单独进行生 产。一是周期太长；二是投资大、风险也大。在生产企业中，解决这种问题的一般策略是 对原有的流水线进行适当地改装，使其可以在原流水线上同时加工多种类似的产品，这就 是多品种混装生产线。由于多品种混装生产线允许工艺和操作不完全相同的产品在同一条 生产线上并行地执行操作，流水线生产管理问题的复杂性就进一步增加了。强调生产实时 性、产品差异性的多品种小批量产品混流生产，就成为当前研究难点问题。 1 1 2 装配线平衡 流水生产线是工业生产中的一项重要的技术，它能够把空间组织中的对象原则优点和 时间上平行方式的优点有效结合在一起，采用这种技术的核心在于通过各种技术组织计 划，安排工序的单件作业时问使之与节拍相等或成倍数的关系，这也是生产线平衡的主要 目标。所以，在大批量生产中，流水生产线是一种生产过程的先进组织形式。在一般情况 下，任何一种产品，只要它由多个零部件构成并且被大批量生产，都应该使用流水生产线 方式来进行生产。整个生产过程的组织是否合理，对于产品的产量、质量和成本都有很大 的关系，要想使流水生产线充分发挥其作用与效用，就必须促使生产线平衡( a l b ， 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 a s s e m b l yl i n eb a l a n c i n g ) f l 。 生产线平衡就是将具有先后优先顺序关系的有限作业集分配到若干有序的工位上，从 而实现某些性能指标优化的过程跚。生产线平衡程度决定着生产效率，还通过控制线平滑 系数，影响员工的工作积极性及产品质量。许多年来，生产线平衡问题一直是学者和企业 研究的热点和难点，即使不断有新的理论和新的方法被提出，但事实上，在许多企业里 仍然存在着生产过程不连续、生产节奏忽快忽慢、而且经常发生停工待料或大量积压现象， 我们就称之为“不平衡 或者“平衡率低 。随着新产品开发任务的加快，多品种混合生 产平衡的问题愈来愈突出，促使多品种混合生产过程平衡问题越来越受到重视。m 1 。 研究多品种装配线平衡问题时，操作元素的分配问题和产品的投产排序问题是我们必 须考虑的两方面。第一，由于多种不同类型的产品，它们的装配操作是不完全相同的，那 么如何在同一条装配线的不同工作站上分配不同类型产品的操作，就决定了混流多品种装 配线的效率，因此这就成了平衡过程中必须要考虑的主要方面。第二，不同类型的产品进 入装配线的次序也是我们必须考虑的。一般情况下，多品种装配线上不同类型产品的混流 比是由市场需求和订单决定的。在操作分配完成后对于固定混流比的多种产品，它们进入 装配线的次序如何有效合理的安排，对装配线的整体效率的影响也是很大的。 解决生产线的平衡问题是一个发现问题、分析问题、改善问题的过程。通过改善，而 实现生产线达到更高效率更高水平新的平衡，并且在新生产环境下找出新的瓶颈、不断改 进、不断完善，采用这样一种方式最终使企业提高生产效率。 本文的研究j 下是在这样的一个指导思想下进行的，通过分析生产线过程平衡，找出影 响过程平衡的因素，给出生产线平衡的一般数学提法，构建生产线平衡的分配优化模型和 多品种投产排序优化模型，同时对不确定条件下对混装线平衡的影响进行分析，并进一步 对该问题进行了建模，最后利用可视化仿真软件对生产线的状况进行模拟仿真，对优化模 型得出的方案进行验证，并且对操作时间不确定性进行仿真实验得出结果进行比较，并对 相关操作进行调整再次仿真输出结果进行对比，以期实现生产线的动态平衡和持续改善。 1 1 3 课题背景 解决好多品种装配线平衡就能解决好企业资源优化配置的相关问题，这是生产组织中 一直长期关注的问题，在企业生产秩序的正常运作中有着非常重要的意义。多品种装配线 平衡的最主要目的是优化装配线上的时间组织。根据相关数据统计，即使在美国这样的工 业发达国家，在工业装配生产中也有5 一1 0 的生产时问是浪费在平衡延迟上呻1 。在我国， 所有工业相关行业中装配线的平衡率就更低。有很多装配线，只需要经过进一步的平衡改 进，一般都可以提高3 0 生产率。所以，不论是在先进发达国家还是在欠发达的发展中国 家，装配线平衡问题都是一个迫切要解决的问题。 由于多品种混流装配线具有生产规模化、柔性化、装配工艺复杂性、装配质量的不稳 定性、装配工人技能水平波动性等特点，所以企业要使多品种混流装配线连续稳定、平衡 正常的运行，这就要求企业在生产过程中实现生产的均衡化和同步化。精准化的生产方式 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 是许多企业为之而采取的生产方式，这种生产方式能让企业快速响应市场多样化的需求， 适应多品种产品市场要求，提高客户对企业的满意度也增加企业在消费者中的知名度，增 强企业在市场中的竞争力，因此多品种混装生产线的平衡问题研究具有如下现实意义： ( 1 ) 装配线平衡率的提高可以提高企业的生产效率。不同类型的企业所追求的最终目标 都是提高生产效率，增加利润。通过提高装配线的平衡率，同时制定合适的生产作业标准， 就可以实现产品生产周期的缩短，从而实现生产效率的有效地提高。 ( 2 ) 实现装配线平衡生产有利于保证产品质量的稳定性。如果装配生产线不平衡将会使 不同工作站的装配工人的劳动强度不同，这就会导致瓶颈工位上的员工为了赶上装配线运 行节拍，没有充足时间进行操作，从而保证不了装配质量。 ( 3 ) 装配线平衡率提高可以减少库存，降低成本。通过对装配生产线上各个工位进行工 序同期化的调整，可以有效的降低生产线上很多没有必要生产而生产的的产品的数量。 ( 4 ) 装配线的平衡率越高，工人的工作积极性就越高。如果在不平衡或平衡率很低的装 配线上，那些处于瓶颈工位的工人由于劳动强度太大而产生抱怨的情绪，势必会影响整个 生产线工人的士气。而在一条平衡率高的装配线上工作的每个工人工作强度都很均衡，就 会有一种公平感，大家的工作积极性就高。 ( 5 ) 提高装配线平衡率，可以实现整个企业系统资源的重新整合和工作流程的优化。要 实现装配线的平衡或提高装配线的平衡率，必须要得到其他部门的积极配合。例如要保证 装配线的顺利运行，不仅需要生产部去合理的安排整个生产计划和产品的投产顺序，还需 要采购部和仓储部物料的适时供应等。这样就可以使整个企业各个系统重新优化整合，工 作流程进一步优化。 本文的研究得到了国家自然科学基金项目“混装生产精准作业的多尺度智能元胞调度 模型研究( 项目编号：5 0 8 7 5 1 9 0 e 0 5 1 0 0 5 ) ”的支持。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 作业分配 装配生产流水线拥有高效、规范的生产特征，正是这一特征使得装配生产线被无数制 造企业广泛青睐h 。1 钔。而将操作如何分配给不同的工作站是历年来学者们聚焦关注的平衡 设计问题。 采用数学模型来寻找问题的最优解是不少学者常用的方法。在一般情况下，为找到理 论最优解，可以采用数学模型，但其缺点是：应用比较繁琐，模型庞大，计算耗时，在 现在计算机技术高度发达的今天，这一问题已经能够解决。以下简单概述历年来这方面研 究的代表性成果。 s a l v e s o nm e 在1 9 5 5 年首度公开发表了用解析法描绘解决单产品装配线平衡问题的 文章，他在解决装配线平衡问题时运用了线性规划模型，并且给出了这种解法的过程。但 由于其解法在当时计算机水平不高的时期求得最优解要花费很长时间，使得这种方法在那 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 个时代降低了其使用价值n 7 1 。2 0 世纪6 0 年代由b o w m a ne h 提出的线性0 1 规划模型。这种 方法也有其优缺点，其优点是容易建立约束条件和目标函数，缺点是运算量很大，跟实际 情况相比较，相差得比较远n8 1 。1 9 6 3 年h e l dm ，k a r prm 和s h a r e s h i a nr 提出了一种难度比 较大，技巧性也很强的动态规划法，这种方法在解决多阶段决策过程最优化问题时经常使 用，并且他们三人合作设计出了生产线平衡的动态规划模型。这种方法有两个其他方法没 有的优点：第一点是它在解决问题时是把一个多维决策问题分解转化为若干个一维最优化 问题，然后一个一个的解决一维最优化问题，很多求极值的方法所做不到这一点；第二点 就是这种方法能求出全局极大或极小。 混流流水线平衡的整数规划模型是在1 9 7 0 年由r o b e r t 等人建立的。他们是在对单一流 水线平衡方法的修改的基础上得到的这种模型，然而随着流水线平衡问题规模的增大，模 型的变量个数与约束条件也随着急剧增加，这使得该方法在实际生产中应用并不理想n 驯。 直到上世纪术，由e a s t o n 提出的一种给定一个动态上晃的动态规划算法，使用这种方 法求解实际流水线平衡问题时，如果需要占用过多的内存和机器耗时，就会引入动态上界， 这样就可以删减系统的许多状态，从而降低对计算机内存和相关的要求。 对于求解单一型装配线平衡问题，近年来取得较好的成绩，m a r cp e e t e r s 等人在2 0 0 4 年应用线性规划模型并结合分支定界算法确定问题的下界来进行求解。在解决这类问题的 过程中发现计算时间大大减少，而且可以求解较大规模的问题瞄”。重庆大学的杨本强等人 对汽车总成装配操作均衡编排问题进行优化分析时，也采用了线性规划理论并创建了操作 均衡编排的数学模型，实现了利用计算机辅助对汽车总成装配操作编排的优化设计。采用 这种方法改造后的装配生产线上，工作站组合过程大大缩短，降低了工作站的数量，整条 装配生产线的生产率有明显提高啦。 学者们也经常用到启发式方法解决生产线平衡问题，与最优化方法相比较，启发式方 法的流程图是建立在决策者经验的基础之上的，并且其逻辑模型接近于现实，因此启发式 方法在解决问题时就隐含着多目标方案。我们企业的大环境是动态变化的，大环境下的产 品加工过程、市场需求和公司战略等也是动态变化着的，而在平衡过程中，固定的准则是 预先由分析人员确定下来的优先准则，这说明启发式方法的主要局限是它的静念性。 美国芝加哥西北大学的b r y t o nb ，在1 9 5 4 年完成的硕士论文b a l a n c i n go fa c o n t i n u o u s p r o d u c t i o nl i n e ( 连续生产线的平衡) 中，第一次提出了一个所谓“会聚过程法 ，这种 方法的具体做法就是将各个工作站之间的作业元素进行交换，使得各个工作站的总操作时 间收敛于一个共同值为止，从而使得流水线上总闲置时间最小。然而搜索方法笨拙是这一 方法最大的缺点，并且利用这种方法只能够得到局部最优解n 6 。 利用三角优先矩阵，使得空日j 和时问最短，并根据最大候选原则使分配的操作要素集 合具有最长的操作时间，也就是把操作时问之和最大的操作要素作为一个集合的规则当成 试探性搜索规则，这种方法也叫“相继最大操作时问法”。h o f i n a n 在1 9 6 3 年提出这种方法 之后，在解决从前向后和从后向前的平衡问题上，他也应用了这种方法，然而这个方法最 终还是不能找到最优解。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 1 9 6 7 年，1 1 1 0 m o p o u l o sn t 在瞄1 嘶d g e 和w e s t e r 所提出的方法基础上，提出了另外 一种方法用来解决混流生产线平衡问题。这种解决混流装配线平衡的方法不是基于节拍把 操作元素分配到每一个工作站中，而是基于整个班次去平衡混装生产线。 n o m o p o u l o sn t 后来又运用联合优先图的概念，把混流型流水生产线转化为单一 型流水生产线来处理，这样在解决多品种混合型流水线平衡时，就可以运用解决单一型流 水生产线的平衡方法和技术。有不少研究学者后来对这种方法提出改进并加以了发展口钉。 e d w 龃d r c k a o 在1 9 8 1 年给出一种以费用最小化为目标的随机型生产线平衡问题的启 发式算法，这种算法一般分为两个步骤：第一步结合a c u s 和t o n g e 所提出的启发式方法， 随机产生一些生产线平衡问题的解：第二步根据预先选定的准则评价所得解的经济性。这 种方法在通过对大量随机产生的生产线平衡问题的求解基础上，可以在人们能接受的时间 内产生满意的生产线平衡问题的设计方案比引。 运用启发式算法来求解面向订单尘产的多品种混流装配生产线平衡问题，是由j o s e p h b u k c h i n 等学者在2 0 0 2 年提出的，利用这种启发式算法求解已知节拍下的最小工作站数量， 分三个步骤来实现。首先，画出所有操作的平衡组合优先关系图；其次，平衡由上一步所 限制的各问题模型；最后，采用改进过后的邻域搜索方法来进行平衡结果证明采用这种， 方法不仅可缩短计算时间，而且有效的提高了装配生产率瞳副。宋华明在多目标装配线平 衡的优化算法一文中提出了对多目标装配线平衡问题的研究，分析了这些目标之间的联 系，并从生产管理系统的角度运用禁忌搜索算法优化了多目标装配线平衡，这种多目标问 题与单一目标对比，具有显著的改进啪3 。为解决鼓风机装配生产线线平衡问题，孟广耀等 采用了最大候选原则，有效地提高了装配线生产率昭7 1 。 在解决第二类装配线平衡问题时，s b “u 等人在2 0 0 3 年运用了两种启发式算法， 在t a t t 程序规则的基础上，对装配线上各工作站进行相反方向的搜索，并逐渐趋向于中 间的工作站。这样就大大缩短了搜索时间，有效地优化了节拍1 。皮兴忠等学者提出了一 种基于作业序列求解装配生产线平衡问题的遗传算法。由于这种算法只在可行作业序列子 空间内进行搜索，所以搜索效率很高，同时这种算法又保留了一般遗传算法所具有的并行 和随机搜索能力四1 。 最近，s o p l l i ad l 印i e 仃e 在解决第一类装配线平衡问题应用了禁忌搜索算法，结果表 明这种禁忌搜索算法在实际应用中有一定的指导意义啪1 。m g o 巧l e v i t i n 在求解机器人装配 生产线平衡问题时也用到了遗传算法，利用该算法指派机器人到不同的工作站上去执行操 作任务，该方法与分支定界法进行比较，可以得到更满意的结果。“1 。 方法研究和作业测定两大技术是工业工程方法解决生产线平衡问题的主要手段。企业 只需通过实施一系列适合企业自身特点的改善方法，对生产过程中的操作程序、操作方法、 物料配置、空间布局及作业环境等各方面进行改善，就可达到平衡生产线的目的进而达到 提高生产效率、取得经济效益的目标，而不需要企业再投资或加大投资，并且也不需要增 加工人劳动强度或是延长工人劳动时间，这就是运用该技术的优点。我们知道企业永恒的 主题就是改善，而工业工程方法所追求的目标就是永无止境的改善，运用相关技术解决生 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 产线平衡问题，为企业降低成本，提高生产率，增加经济效益。 自从工业工程方法问世以来，在解决生产线平衡问题时不少学者都运用到了工业工程 方法，并且都取得了明显的效果。在研究某企业激光头基座生产线时，郭伏等人运用工作 研究方法找出了影响流水线生产能力的瓶颈工位和能力过剩工位，运用5 w i l l ( w h a t 、w h y 、 w h e r e 、w h e i l 、w h o 、h o w ) 提问技术和e c r s ( e l i m i n a t e 、c o m b i n e 、r e a r r a n g e 、s i m p l e ) 四 原则及流水线平整理论设计出流水线平整方案。新方案的实施为公司创造了极大效益：生 产线生产能力提高百分之六十几，减少了一百多位工人，仅年人工成本这一项就降低九十 多万元，并且生产现场的环境得到了较大改善。论1 。在对东风汽车公司轻型车厂装配线进行 改造的过程中对装配工作站组合过程进行重新分析时，张玄、鲁峥嵘等人也采用了工业工 程的技术方法。为实现对汽车装配流水化，工作站平衡自动化、实时化，他们结合了阶位 法、用计算机进行辅助设计来解决问题，最后提高了工作站充实度和整条装配生产线的生 产率m 1 。刘广学者在对某公司的装配线进行平衡分析并提出新的改进方案时运用了流程程 序法。新方案的实施后，该公司产品的生产能力和装配质量都提高了不少，并且还把搬运 距离减小、操作时间缩短，这样就提高了空间和时间的利用率口3 1 。 工业工程方法目前在企业的现场管理中的应用也逐渐受到各个企业的重视，凡是应用 工业工程方法来进行企业的管理的，企业在生产状况上都得到了很好的改善，并且企业的 经济效益都有明显的提高。由于对于生产过程的改善，在很大程度上局限于企业罩管理人 员的经验和所学知识，所以要想工业工程方法在企业里合理运用，就需要企业对生产管理 人员进行系统的工业工程培训，让他们具备良好的工业工程意识。另外，解决生产线平衡 这类组合优化问题时是需要精确的数学模型作为佐证的。所以，在我们解决生产线平衡问 题时仅仅依靠工业工程方法也是不能完全解决问题的。 1 2 2 投产排序 在国外针对混合装配生产线投产排序问题的研究主要有：早在1 9 6 3 年，k i l b r i d g e 就 开始着手研究混合装配线的排序问题；针对混流装配生产线排序问题，j o n a t h a n 提出了一 个涵盖每个决策变量的通用数学框架；在采用目标追踪法解决混装装配生产线排序的基础 上，y o w 等人用基因遗传算法解决了混流多品种装配生产线的排序问题，与前者进行比较， 证明了运用后者可以得到更快的求解速度和更好的结果：c h u l 在解决多品种混装生产线时 采用了一种新的基因适应度函数及选择机制：b a r d 用相邻交换和禁忌搜索算法、启发式算 法解决了同时考虑了两个目标的多品种混合装配线的排序问题；s u m i c h 用装配线的4 个评 价指标( 即未完成工作量、空闲时间、工作时间及零部件使用的变化率) 对解决混合装配线 排序问题的几种启发式算法进行了比较分析。 在国内对混合装配线投产排序问题研究的学者也有很多，他们分别是：周弘提出的启 发式混合遗传算法以及在车问排序中的应用：涂得胜研究的流水生产线上工件排放的数学 建模：针对混合装配线排序问题，董建中提出了一种混合禁忌搜索算法；在解决多品种混 流装配线的排序优化问题时，曹振新引入了基于p a r e t o 理论以及小生产循环单元技术的适 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 应度函数和选择算子构建的多目标遗传算法；针对传统平准化模型的缺陷，宋华明把装配 线平衡和产品排序有机结合起来，建立了基于装配线平衡影响的平准化排序模型口洲1 。 目前，国内外有很多学者专家对混合装配线平衡问题和排序问题都作了不同程度的研 究，但是研究大部分都把纵向平衡( 即把混合装配生产线平衡问题转化为单一品种装配生产 线平衡问题) 和横向平衡( 不同工作站间的不同型号产品作业时间的平衡) 分开单独进行建 模研究，很少结合纵向平衡与横向平衡两种思路，建立目标函数模型。也很少有根据生产 实际情况分确定状态和不确定因素影响下不确定的情况研究装配线平衡问题。 1 3 论文研究的主要内容和结构安排 本文研究的主要内容是以混合装配线生产过程平衡为目标，考虑确定条件下的最小生 产循环单元的静态平衡问题和不确定条件下修正过后的动平衡问题。文章针对确定工位条 件下的多品种混装生产线，构建其静态平衡模型；分析不确定因素，并以时间不确定性为 例，构建动态平衡模型。最后将结果导入至l j f l e x s i m 中，利用仿真进行了验证。通过相关实 验验证了上述方法和结论的正确性。 各章的内容结构安排如下： 第一章绪论：介绍本文所研究课题背景和意义及国内外研究现状。 第二章混装生产过程平衡影响因素及解决框架分析：考虑生产过程稳定性要求，分 析生产过程平衡的各种影响因素，建立起包括静、动平衡的混装生产过程平衡整体解决框 架。 第三章混装过程平衡问题数学建模：包括确定条件下基于o 1 变量线性规划的多目 标操作分配模型和投产排序模型，再以考虑学习能力的操作时间分布曲线为例，建立不确 定条件下的混装线平衡数学模型。 第四章基于f l e x s i m 的混装过程平衡检验，利用f l e x s i m 软件进行系统建模与仿真， 构建闭式手工操作、混合装配生产仿真系统，并用仿真实验进行实例验证。 第五章总结与展望：总结全文，展望未来，提出存在的问题和需要继续研究的地方。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章混装生产平衡影响因素及解决框架分析 在混合装配线上对产品进行加工时，一定要考虑到装配生产线的稳定性，这是保证生 产连续性和效率提高的关键。它是提高生产率和降低成本的前提，企业要想提高自身的竞 争力，就必须保持生产线的稳定性。 然而在装配线实际应用中，经常会出现这样一个问题：在刚刚开始生产时，所有工作 站中的操作相对平衡稳定，投产一段时间后，会出现很多随机性因素影响生产线平衡，这 些随机不确定因素的产生，导致一些工作站中的操作时间明显偏大，使得整个生产线出现 不稳定、不平衡的现象。 现在，多品种大批量生产已逐渐成为现代化生产的主流，同时也给生产过程中的管理 带来了前所未有的复杂性和多变性。产品在实际生产过程中有类型上和操作上的差异，另 外，员工的素质、生产计划、车间布局等因素都会对生产线的稳定性造成一定的影响。 本章在描述装配线平衡这一物理问题后，详细分析生产线不平衡原因，并提出应对种 种不平衡的整体解决框架。 2 1 装配线平衡问题描述 2 1 1 装配线平衡术语 在装配生产线上装配某一产品或者产品的某一部分时，都会有一系列的工序需要处 理，而且其中一些工序之间存在操作先后顺序的约束关系。面向封闭工作站的装配线平衡 工程问题就是在给定生产节拍时间c 、先后顺序约束关系的前提下，研究如何将各个操作 任务分配到各工作站去，使得工作站的数量最少、同时满足各工作站的最大操作时间不超 过节拍时间c 、分配到各个工作站的操作总时间尽可能均等。以下是装配线平衡的一些专 业术语。 ( 1 ) 工位或工作站( w o r ks t a t i o n ) 工人在装配生产线上完成指定操作的具体工作位置。一般情况下一个工作站不会分配 两个或两个以上的工人，而只配一个工人，当然，根据现场生产情况和一些特殊的工位， 也会安排多个工人的。工作站的个数通常用n 表示。 ( 2 ) 周期或节拍( c y c l et i m e ) 相邻两件产品从装配生产线上出来的时间间隔。节拍通常用c 来表示。 ( 3 ) 作业元素( e l e m e n tt a s k ) 不能再细分的或最小的自然操作单元。第f 个作业元素一般用i 来表示。 ( 4 ) 作业元素操作时问( e l e m e n tt a s kt i m e ) 工人或机器完成一个操作所花费的时间。第f 个作业元素的操作时间一般用矗表示。 ( 5 ) 工作站时间( 1 v o r ks t a t i o nt i m e ) 一个工作站内所有操作都完成时所消耗的时间，分配给第，个工作站的操作时间通常用 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 乃表