（载运工具运用工程专业论文）总装配线物流系统平衡与投产优化.pdf

摘要 混流装配线生产系统是一个多种小批量的准时制柔性生产系统。汽车混流生产是提高 企业竞争力、保证客户满意的有效手段。汽车混流装配线的平衡投产问题研究属于生产物 流研究的范畴。 本文首先介绍了汽车混流总装配线系统平衡与排产的研究现状，针对所研究的总装配 线的特点给出了混流总装配线的投产排序方法，明确了所研究的总装配线系统的目标方 向。 其次，本文的出发点主要是解决混流总装配线的时间效率问题，又因为混流总装配线 是对多种车型的装配，所以选用时间着色p e t r i 网，使最终得到的模型既能很好的表达实 际的复杂系统，又使得模型不是那么复杂，容易理解。 第三，运用a u t o m o d 物流仿真软件，依据p e t r i 网所建立的模型为逻辑，对总装配线 系统进行仿真，根据仿真报告中关于总装配量、资源利用率及平均在制品量三个方面来分 析系统存在的问题。经过对工位各资源配置进行适当的调整，多次仿真以后，得出一个令 人比较满意的优化方案。 最后，在运用a u t o m o d 平衡总装配线系统工位资源配置的基础上，运用遗传算法对 汽车的投产排序进行优化，优化后车辆的总等待时间大大的减少，进而验证两种优化方法 相结合，对于总装配线系统优化的有效性。 本论文的研究，对于提高企业的生产效率，增强市场反应能力，提高企业的综合实力 都是具很好的借鉴作用。 关键词：总装配线p e t r i 网a u t o m o d 遗传算法 t h eo p t i m i z a t i o no fb a l a n c ea n ds c h e d u l i n g f o ra u t o m o b i l et o t a la s s e m b l yl i n e a b s t r a c t a u t o m o b i l em i x e d - - m o d e la s s e m b l yl i n ei sam o r e 。v a r i e t ya n dl e s s - 。b a t hj i tf l e x i b l e p r o d u c t i o ns y s t e m t h em i x e d - m o d e lp r o d u c t i o ni s a l le f f e c t i v em e t h o dt oi m p r o v et h e c o m p e t i t i v e n e s so fa u t o m o b i l ee n t e r p r i s e ，a n dt os a t i s f yw i t hc u s t o m e r s t h ep r o b l e mo f a u t o m o b i l es c h e d u l i n gr e s e a r c hf o ra u t o m o b i l em i x e d m o d e la s s e m b l yl i n ei sac a t e g o r yo f p r o d u c t i o nl o g i s t i c s f i r s t l y , t h ep a p e rh a si n t r o d u c e dt h er e s e a r c hs t a t u so fa u t o m o b i l ea s s e m b l yl i n eb a l a n c ea n d s c h e d u l i n g b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et o t a la s s e m b l yl i n e ，as o l u t i o nh a sb e e ng i v e n a n dt h ei n d i r e c t i o no fa s s e m b l yl i n es y s t e mh a sb e e nd e f i n e d s e c o n d l y , c o n s i d e r i n gt h ea s s e m b l yl i n ea i m i n ga ts e v e r a lk i n d so fv e h i c l e s ，t h ep a p e r m a i n l yf o c u so nr e s o l v i n gt h ep r o b l e mo ft h ee f f i c i e n c ya n dt i m ei nt h ea s s e m b l yl i n eb y c h o o s i n gt h em e t h o do ft c p n u s i n gt h em e t h o d ，t h eg a i n e dm o d e lc a nn o to n l ye x p r e s st h e c o m p l i c a t e ds y s t e mp e r f e c t ，b u ta l s om a k et h em o d e le a s i l yu n d e r s t a n d t h i r d l y , b a s e do nt h em o d e lc o n s t r u c t e do nt c p n ，t h ep a p e rh a sm a d et h es i m u l a t i o nt o t h et o t a la s s e m b l yl i n eu s i n gt h es i m u l a t i o ns o f t w a r e - - a u t o m o d a c c o r d i n gt ot h et o t a la l n o t t n t ， t h eu t i l i z a t i o na n dt h ea v e r a g ea m o u n t ，ab e t t e rp r o j e c th a sb e e na c h i e v e db ya d j u s t i n gt h e r e s o u r c ea l l o c a t i o np o s i t i o na n ds i m u l a t i n gt h em o d e ls e v e r a lt i m e s f i n a l l y , t h ep a p e rh a su s e dt h eg e n e t i ca l g o r i t h mt oo p t i m i z ep r o d u c t i o ns c h e d u l i n gb a s e d o nt h eb a l a n c eo fr e s o u r c ea l l o c a t i o np o s i t i o nb ya u t o m o d t h er e s u l to ft h eo p t i m i z a t i o n m a k e st h ev e h i c l et o t a lw a i t i n gt i m er e d u c e d f u r t h e r m o r ei ti sv e r i f i e dt h a tt h ec o m b i n a t i o n o ft h et w oo p t i m i z a t i o nm e t h o d si sv e r ye f f e c t i v ef o rt o t a la s s e m b l yl i n e i ti sf a r - r e a c h i n gf o r i m p r o v i n gp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , e n h a n c i n gm a r k e tr e s p o n s ec a p a b i l i t i e s ，a n de n h a n c i n gt h e c o m p r e h e n s i v es t r e n g t ho fe n t e r p r i s e k e y w o r d s ：t o t a la s s e m b l yl i n e ；p e t r in e t ；a u t o m o d ；g e n e t i ca l g o r i t h m 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。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注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者( 本人签名) ：豫犯劫僻占月8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密“ ( 请在以上方框内打“ 静) 学位论文作者( 本人签名) ： 象犯力唧年石月g 日 指导蝴( 引盥治呵砷年日 第1 章绪论 随着经济全球化和信息技术的迅猛发展，被誉为“第三利润源”的现代物流业在世界 范围内已蓬勃兴起。现代物流作为一种先进的组织形式和管理技术，愈益成为企业生存和 发展的新的增长点和利润源泉，对于企业降低成本，提高流通效率，增强市场竞争力， 提高经济运行质量和效益，具有重要意义。 1 1 课题研究背景和意义 现代物流产业的发展程度是衡量一个国家产业水平和综合竞争力的重要标志。现代物 流产业的发展，可以大大降低高昂的物流费用，极大地减少库存占用资金，加快资金周转 并提高资金使用效率，减少由于低水平、条块分割的物流方式造成的巨大物耗，因此能够 成为提高效率和企业竞争力的有效手段。从世界经济发展过程来看，物流的高度发展与工 业化发展过程是一致的。英国工业革命后“世界工厂”的形成，日本经济奇迹及其工业化 进程都得益于先进的物流系统。 i i i 论文研究背景 物流作为“第三利润”拥有广阔的升值空间，现己被越来越多的政府、企业所重视。 物流按其业务目的可以分为供应物流、生产物流、销售物流、回收物流和废弃物流。生产 物流系统担负运输、储存、装卸物流等任务，与生产制造的关系非常密切，是生产制造各 环节组成的有机整体的纽带，又是生产过程维持延续的基础。 在汽车制造业市场竞争日益激烈的今天，要求企业有很强的应变能力，生产多品种系 列产品，满足用户的需求。用户订货的品种很多，但批量可能很小，面对这样的市场，要 求企业采用“多品种混流生产”的生产管理模式。汽车混流生产是以顾客需要为导向的基 础上发展而来的，毫无疑问，不管是从顾客的需要还是从企业资源的综合利用等各个角度 来讲，它必然是未来汽车制造的一个方向。 i i 。2 课题研究的意义 当今汽车制造领域，大规模生产模式固然具有生产成本上优势，但随着客户需求多 样性和快速变化性加剧，随着企业间竞争以前所未有速度和激烈程度在全球范围内展开， 随着产品技术寿命和市场寿命缩短，以单一品种、大批量、连续且缺乏柔性为特征的大规 模生产模式越来越不能适应当前及未来市场需求，而以兼具规模和客户化的多品种，小批 量柔性生产倍受业界青睐。 通过混流生产模式，可以保证工厂设施设备投资增长不大，提高产品对市场的反应能 力，改进顾客服务能力；因为产品适销对路，从而全面降低成品库存。但是，混流生产是 一把双刃剑，通过混流生产，销售部门能够取得适销对路的成品；而生产部门则是面对着 同时生产两种或两种以上车型的压力，如何平衡各工位的资源利用效率，如何在考虑交货 期的前提下合理安排车辆的投产顺序，减少车辆在整个总装线上的装配时间，成为汽车制 造业生产物流系统面临的一个巨大挑战。 本文主要是对汽车制造企业的混流总装配线进行p e t r i 网建模，分析其功能特性；用 a u t o m o d 物流仿真软件，对建立的p e t r i 模型进行仿真，分析所建立的系统模型的性能特征， 考察实际系统的运行功能及潜在的问题。通过在a u t o m o d 中的参数结合实际进行必要的调 整，多次运行，分析仿真报告中的结果，找出一种最适合、最有效的方案；用遗传算法对 混流装配线排序进行优化调度，通过分别对实际现存系统和借助于a u t o m o d 平衡后的两个 系统，对投产的产品分别进行排序，通过结果的分析对比，考察通过a u t o m o d 和遗传算法 两种方法结合的优化后的有效性。可以从装配线上的在制品数量，在制品的等待时间多少 等几个方面来验证方法的有效性，对系统效率提高的空间有多大。 通过借助a u t o m o d 物流仿真软件和遗传算法对系统的调度优化，找出设置更合理，效 率更高的生产系统，对企业现有的生产物流系统改进提出建设性的意见，以提高企业的生 产能力及降低企业成本。 总的来说，汽车投产的平准化排序问题会影响到生产计划的实施、设备的利用程度、 物料流动的状况以及库存水平的高低等多方面，因此它的解决及其实施效果的好坏，是衡 量企业生产管理与作业控制水平非常重要的一个方面。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 混流装配线平衡与排序问题的研究现状 在工业生产中，尽管混流线早已存在，但第一个明确提出这个问题的是k i l b r i d g em d 和w e s t e r 。1 9 6 1 年，k i l b r i d g e 和w e s t e r 首次提出了混流线的概念以及混流线的两种类型 。目前，已经有很多学者对混流线的问题进行了深入研究。混流装配线问题的研究早 期主要集中在平衡方面，而且在2 0 世纪8 0 年代以前，大多数研究考虑的是各工作站负荷 问题。t h o m o p o u l o s 眩。在1 9 6 7 年建立了关于负荷平衡的以最小总惩罚代价为目标的数学 模型并用启发式算法进行了求解。1 9 7 0 年，t h o m o p o u l o s 通过组合优先图的方法把混流装 配线转化为单一型流水线来处理，从而把单一型流水线的平衡技术和方法运用到混合流水 线，首次解决了混流线的平衡问题b 1 。r o b e r t ssd 和v i l l acd 建立了求解混流线平衡的 整数规划模型m 1 ，这种模型是对g u t j a h a r 和n e m h a u s e r 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 问题规模的增大而急剧增加，因而只有理论意义；d a r - e 1em 2 在k i l b r i d e 和w e s t e r 等人的研究基础上，详细论述了混流线的分类及主要特征：如工作 站的类型、输送系统、产品的投放规律等b 3 ；文献 6 】提出了一种基于混流装配线均匀零 部件消耗速率的新启发式算法方差算法，对目标追踪法进行了改进。b u k c h i n 等研究了基 于订单生产条件下的混流线平衡问趔6 1 。文献【7 】考虑了混流线上存在并行工作站的情况， 并提出了数学模型和遗传算法求解过程。宋华明等【8 】提出用并行设计方法解决混合型装 配流水线的平衡。 从文献情况看，对混流线平衡的研究比较少，这是由于混流线生产系统相对于单一型 流水线来说需要更大的弹性，比单一型流水线更复杂。一条混流线的管理不等价于若干单 一型流水线的管理，仅考虑混流线平衡问题不能解决混流生产系统的生产组织问题，对于 混流生产系统必须考虑投产排序问题。 混流线的投产排序是另一个难题。k i l b r i d g e 于1 9 6 3 年就已经开始研究混流装配线的 排序问题。c h u l 采用一种新的基因遗传算法解决多目标排序问题，提出了一种新的基因 适应度函数及选择机制，其考虑的三个目标是最小化超标工作时间、保持均匀的零部件消 耗速率和最小化调整费用，结果表明该基因算法优于己存在的其他基因算法p j 。b a r d 同时 考虑了两个目标的混流装配线排序问题，即最小化装配线长度和保持均匀的零部件消耗 率，用相邻交换和禁忌搜索算法、启发式算法进行求解【l 训。董建华等针对混流装配线排 序问题，提出了一种混合遗传禁忌搜索算法，以提高算法的全局搜索能力和收敛性【l 。 赵伟等通过建立多级混流装配线的调度模型，使不同生产级上各零部件的消耗量尽可能保 持均衡，并用遗传算法和模拟退火进行求解u 列。周亮等通过对经典生产线平衡问题建立 随机模型，运用遗传算法在随机生产线给出一定完工率的条件下进行测算和仿真，显示所 用的遗传算法对解决随机生产线平衡问题的有效性和实用性【1 3 1 。郭劲添在其硕士毕业论 文中，运用目标追随法，l i n g o 软件从混流生产线上各零部件的使用率保持均衡这个角度 来进行汽车排产的优化，得到满意结果l l4 。 在国外，混流生产线( 总装配线) 的平衡及投产排序问题是研究的热点。对混流生产 线的平衡及投产排序研究，在国内才刚刚起步。根据我国汽车制造企业的特点及其未来发 展趋势，加强这方面的研究将对我国汽车工业与国际制造业早日接轨起到重要作用。 1 2 2 p e t r i 网研究现状 现在被广泛使用物流系统建模方法主要有：g r a i 法、s i m 法、a r i s 法、p e t r i 网、 基于a g e n t 法等。由于p e t r i 网模型具有图形建模的直观性和分析理论的严谨性，对带有 并发性、异步性、分布式、非确定性、并行性的系统能进行有力的描述。由于p e t r i 网能 够说明复杂系统的运行机制，又可以用数学分析或图形表达系统的运行过程，同时还可以 解决系统并行性和存取控制问题，所以基于p e t r i 理论的模型在物流系统的描述方面具有 广泛的应用前景。基本p e t r i 网模型的一个显著弱点是随着系统节点数的增加，系统的状 态空间的状态数呈指数分布，为了克服这一弱点，研究人员对基本p e t r i 网进行了扩展， 形成了着色p e t r i 网，它能够按一定规则简化模型。为了能够使模型附有动态性，又在基 本p e t r i 网中引入时间，形成时间p e t r i 网，本文拟采用的时间着色p e t r i 网就是综合这两 种扩展p e t r i 网而形成的功能更强大，更适于研究实际复杂系统的建模方法。 p e 仃i 网最早由c a p e t r i 于1 9 6 2 年在其博士论文中提出的。文中采用一网络( 用其名 命名为p n ) 描述计算机系统事件之间的因果关系。他的研究工作引起了美国应用科学研 究所信息系统理论项目研究组的h o l t 及其他人的注意。他们的研究工作说明了p n 能够 描述与分析并行系统。这些有关p n 的研究工作也引起了d e n n i s 教授领导的美国麻雀理 工学院( m i t ) 计算结构研究室的注意。 从2 0 世纪7 0 年代末期开始，p n 尤其在欧洲成为十分活跃的研究领域。从1 9 7 9 年开 始p n 理论及其应用年会一直在召开，会议论文集一直以计算机科学序列讲义( l e c t u r e n o t e s ) 的方式由s p r i n g e rv e r l a g 出版社发行。这些早期的有关p n 理论及应用的论文主要 面向消息处理系统。 8 0 年代初，具有工程背景的人员也开始了p n 在工程系统尤其是自动制造系统的研究。 他们发现p n 是事件驱动系统建模的十分有用的工具。这些系统可以是异步的，可能包括 顺序的和并行的操作，并可能涉及冲突、互斥及非确定性。第一本关于将p n 作为离散动 态建模工具的专著由d a v i s 与a l i a 于1 9 9 2 年出版。1 9 9 3 年z h o u 与d i c e s a r e 出版的专著 集中于制造系统的d e s 建模与模型合成方法的研究。1 9 9 5 年d e s r o c h e r s 与a 1 j a a r 出版 另一本关于p n 在自动制造系统模型及其在制造系统分析、性能评价及控制中的专著。 1 9 9 8 年z h o u 与v e n k a t e s h 出版了关于p n 在柔性制造系统中应用的专著。 4 0 多年来，p n 的理论不断地充实与完善。一大批学者与工程技术研究人员致力于p n 地理论及应用研究，致力于研究高层p n ，使p n 的研究不断深入，更易解决现在越来越 复杂的系统。p n 所涉及的领域也越来越多，例如，由n a r g e sb a h i j a b e r 和d o m i n i q u e p o n t i e r ( 2 0 0 3 ) 【1 5 】所发表的基于着色p e t r i 网对直接传染疾病的传播建模，所涉及的就是 医疗健康方面的。 以严密完整的数学模型支撑和形象直观的图形描述见长的p e t r i 网，自七十年代末传入 我国后，在计算机与自动化等领域逐渐引起关注，目前应用与研究正呈方兴未艾之势。 我国中科院数学所、山东矿院的一批专家学者于1 9 8 7 年发起成立了中国计算机学会 p e t r i 网专委会，目前网员已发展到百余个，两年开一次年会。据介绍，前几届年会，人们还多 局限于对p e t r i 网技术的了解与学习上，2 0 0 6 年会有了较大突破，交流、切磋的范围更广，应 用层次也更深，尤其在网络协议工程、c i m s 、人工智能、面向对象的分析等领域，涌现了一 批优秀应用成果，并有一批以p e t r i 网为支撑的软件开发工具问世。经中科院数学所组稿审 稿，东南大学为此次年会发行了p e t r i 网论文专辑，收入3 3 篇高质量论文。科研方面，国内出 现了两支队伍：一支以理论为主。主要是北大、中科院数学所、山东矿院一批专家学者，十 多年来他们做了大量细致的工作，与p e t r i 教授保持着密切联系；另一支是面广量大的应用 队伍，集中在复旦大学、东南大学、西北大学、北航等高校和科研部门。 除了以派别，团队为单位做研究外，其他相关领域的各人也一直进行着不懈地研究， 比如： 2 0 0 4 年，天津大学电气与自动化工程学院的宗群教授，基于时间有色p e t r i 网的电梯 系统的建模与分析，根据时间p e t r i 网和有色p e t r i 网的知识，提出了基于时间一有色p e t r i 4 网( t c p n ) 的电梯运行模型。依据此模型将电梯在每层的运行情况分类说明。电梯如何 运行是由控制命令统一调度，控制命令是由与电梯运行状态相应的颜色集组成。最后举例 说明此模型可在单台电梯控制系统和电梯群控系统中应用。 2 0 0 7 年，北京航空航天大学经济管理学院的贾国柱副教授对基于p e l r i 网建模与仿真 的制造企业生产系统流程再造地方法进行了研究【l6 1 。他是在对基本p e t r i 网进行扩充，提 出了种优化p e t r i 网模型，使之能够支持企业生产系统流程再造，并提出了一种建立在 层次化、模块化和标准化基础上的生产系统建模和仿真方法；运用约束理论的思想，提出 了生产系统再造的流程结构优化和瓶颈优化的层次化方法，并探讨了运用时间p e t r i 网模 型寻找和消除约束的方法，这种方法可以将实际系统细化为多个层次的模型，并将生产系 统局部作更详细的分析，从而避免了分析整个系统的复杂性。而且，可以通过调整模块和修 改模块构造新系统，从而实现生产系统再设计的快速化和柔性化。 1 2 3 遗传算法研究现状 遗传算法有时也称基因算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ，简称g a ) ，是2 0 世纪7 0 年代初由 美国m i c h i g a n 大学的h o l l a n d 教授发展起来的。1 9 7 5 年h o l l a n d 发表了第一本系统论述 遗传算法的专著( ( a d a p t a t i o ni nn a t u r a la n da r t i f i c i a ls y s t e m s ) ) 。自从7 0 年代初遗传算法创 立以来，先是经过一段时间的沉寂，接着在8 0 年代初，随着k i r k p a t r i c k 等人提出模拟退 火算法后激起了人们研究与应用遗传算法的热潮。这一时期，遗传算法本身所存在的许多 理论问题和实际应用问题开始得到了人们的关注。应该说在其研究与应用上都取得了丰硕 的成果。然而更为可喜的是，进入9 0 年代至今，学术界对遗传算法的研究与应用的兴趣 有增无减，显示良好的势头。所取得的新进展主要包括对算法本身的理论及改进研究、实 际应用两大方面l l7 1 。 1 理论与改进研究方面 ( 1 ) 理论上，成功应用了齐次有限马尔可夫链理论分析了简单遗传算法、最有保存 简单遗传算法和自适应遗传算法的收敛性。从而得到简单遗传算法不是全域收敛，而最有 保存简单收敛和自适应遗传算法是全域收敛的重要结论。此外，有人利用马尔可夫链理论 对浮点数编码的遗传算法进行了严密的全域收敛性分析；另有学者也研究了达到全局最优 解的遗传算法的时间复杂性问题。这些理论问题的相继解决，为遗传算法获得更好的实际 应用奠定了基础。 ( 2 ) 针对遗传算法本身所存在的缺陷，有关该算法的改进研究工作也有很多。如有 人就提出了多点交换操作、倒位操作来改进已有的操作模式；也有的学者指出应该引入某 些特定信息来指导交换和变异操作，以使遗传算法更易于某些特定问题的求解。另外，编 码方式更趋多样化，现已有了整数编码方式、浮点数编码方式等，目前，对简单遗传算法 改进的新算法主要有启发式算法、递级分布式遗传算法、连续繁殖式遗传算法、基于分裂 选择的遗传算法、自适应遗传算法、并行遗传算法、基于迁移和人工选择的遗传算法。 ( 3 ) 这一时期，尤为成功的是在遗传算法与其他方法的混合研究上。这一研究的目 的旨在既发挥遗传算法的全局性特点又发挥某类特定方法对于特定问题的有效收敛性的 特长，且能快速、稳定地搜索到问题的全局最优解。现有的混合方法主要有并行遗传神 经网络混合学习方法遗传进化编程混合方法、遗传算法遗传编程混合方法、“爬山”法 遗传算法混合方法、模拟退火遗传算法混合方法、模糊遗传算法混合方法。上述这些混 合方法在实际中得到了较好的应用。 2 应用方面 遗传算法的应用领域从函数优化、机器学习、模式识别、图像处理、模糊与神经网络 一直到包括了工业控制和工程优化设计等在内的诸多方面。今年来，该算法在下列方面的 应用有了新的进展。 ( 1 ) 在函数优化方面，已从离散区域的优化迈向连续区域优化，并采用了动态参数 编码技术，初步解决了连续区域优化在采用定长的二进制编码时所出现的精度不高、搜索 空间有限和计算效率低的弊端。另外，多目标函数优化也是遗传算法应用的一大热点。 ( 2 ) 在工业控制方面，遗传算法除继续应用工业过程、工业机器人等的自适应控制、 最优控制外，更多的是用于对模糊控制、神经网络控制和模糊神经网络控制的优化设 计上。这里主要是利用遗传算法来优化模糊规则数、隶属函数形状以及神经网络的各连接 权值、学习参数和网络的拓扑结构。现在，在国际上每年都有大量关于这方面应用的成果 面世。 ( 3 ) 在工程优化设计方面，已开始在大型工程结构件的拓扑结构优化设计和传统机 械装置如减速箱的优化设计中应用了遗传算法。实践证明，采用遗传算法的优化结果要普 遍由于用传统优化方法所得到的结果，并且求解简便，适应求解问题的范围宽。 此外，在金属材料和食品成分配方优化、图像处理、故障诊断、社会科学和人工生命 等方面，遗传算法也已经或正在开始发挥其巨大的潜力。 1 3 本课题主要研究内容 本文研究是汽车总装配线系统的平衡与投产排序问题，首先利用p e t r i 的强大建模功 能，来对系统进行建模，并运用物流仿真软件对系统( 模型) 进行仿真分析，针对仿真报 告提出改进措施，使得总装配线系统能尽量达到平衡的状态，在此基础之上，用遗传算法 对投产排序进行优化改进。一般学者在研究投产排序时，往往假设系统已达到平衡，只是 进行理想情况下的投产排序，本文从实际情况出发，对实现系统进行适当平衡优化后，进 而进行投产排序的优化，另一方面，将建模方法、仿真软件及智能算法相结合，是其他论 文所没有的，在仿真软件和智能算法双重优化后，使得最终的运算结果与实际相比有了最 大程度的改进。 ( 1 ) 系统介绍混流总装配线平衡与投产、p e t r i 网及遗传算法的研究现状。 ( 2 ) 系统介绍混流总装配线问题、分析某汽车厂的混流总装配线的工作流程，为之后 的p e t r i 建模做准备。 ( 3 ) 主要探讨p e t r i 网的基本概念、分类以及性质，阐述时间着色p e t r i 网的定义及 6 应用情况，并以实例说明时间着色p e t r i 网的应用策略，为总装配线的研究奠定了理论基 础。 ( 4 ) 介绍物流仿真软件a u t o m o d 的有关知识，对软件常用命令和一些常用的功能作简 要说明。以某汽车厂总装配线为例，基于p e t r i 网进行建模，依据p e t r i 网模型中逻辑性 编写a u t o m o d 的逻辑语言，对混流总装配线现行投产进行仿真，输出系统性能指标的仿真 结果。运用a u t o m o d 物流仿真软件对多个调整方案分别进行多次仿真，得出相应各方案的 仿真结果，并与原始方案的结果相对比，得出最佳方案。 ( 5 ) 主要探讨遗传算法对生产系统调度优化的实现方式。基于3 d a y c a r 的思想及实现 情况，重点优化时间方面。用遗传算法对基于某汽车厂总装配车间中混流装配线的产品投 产顺序进行优化，分别在两种资源配置环境下对汽车的投产顺序进行优化运行，对比前后 两种优化顺序的车辆在总装配线上的总的等待时间，证明运用a u t o m o d 物流仿真软件和遗 传优化算法结合对总装线进行仿真优化的优势。 ( 6 ) 总结与展望，总结论文成果、有待改善的地方及论文期间应注意的事项，及有待 进一步研究空间。 7 第2 章混流总装配线及建模方法选用 2 1 混流总装配线概述 2 1 1 总装配线的概念 流水装配线从单一品种流水作业发展到现在的多品种混流装配，混流装配生产系统有 时也称为混合装配系统。a e 欧文的描述为【1 4 j ：混合装配系统是柔性装配系统的一种实现 形式，是柔性装配设备、物流储运装置、计算机控制调度系统和必要的生产管理人员所组 成的用于满足多品种共线生产的一种柔性装配系统，它包括多个柔性装配工作单元，能根 据装配任务或生产环境的变化迅速进行调整，适用于多品种、小批量生产。 由于混流装配生产系统还在发展之中，所以尚无统一的定义，但综合目前的发展可以 认为：混流装配生产系统是一种运用于装配生产领域的生产组织与运作的方式，可以很好 的解决企业多品种、小批量生产的问题，这是柔性生产系统原理在装配生产领域的具体实 践。 在混流装配线上，不同品种产品混合、连续地进行，装配线上产品一般是模块化设计 的系列产品。这些产品在功能上和作业方式上基本相同，仅仅在规格以及型号上有所区别。 在汽车、家电工业中，产品经常是系列化的产品，在装配过程中，大部分的装配工序是相 同的，更换产品品种时不需要调整生产线l l 引。有时，混流装配线也特指汽车的混流总装 线，是指在一条装配线上装配多种车型。 2 0 世纪8 0 年代以来，随着”准时制”生产方式的出现，单一流水生产方式也向着多品 种混流生产方式发展。混流装配线生产系统能够适应多品种生产需要，在基本不改变现有 生产手段、生产条件和生产能力的前提下，通过改变生产组织方式，在一定时间内，在同 一条装配线上生产出多种不同型号，不同数量的产品【1 9 j 。产品的品种和数量随顾客需求 的变化而变化，在最短的时间里，最大限度地满足不同消费者的个性化需求。从而混流装 配线能够快速响应市场需求的变化，减少在制品数量，节约流动资金、降低成本、提高产 品的竞争力。 由于混流装配线可以忽略从一个产品的一种类型转换到另一种类型所需的花费，所以 它能够进行多品种小批量的生产。混流装配线是一种制造各种类型产品的有效方式，它提 供给生产系统快速响应需求变化的能力，并且不需要大量的库存。 混流总装线出现是在下列背景下【2 0 】：1 、市场竞争的压力；2 、产品生命周期的缩短； 3 、市场需求的多样化和个性化。混合装配线的出现可以降低库存，满足顾客的多样化与 个性化需求，缩短产品的上市时间，提高企业的竞争力。 近二三十年来，混流装配线在日、美、欧等发达国家已经被广泛采用，混流装配线上 生产的多种产品通常是结构、工艺相似，但规格、型号不同的系列产品，产品可以以很小 8 的批量，甚至是单件在线上生产。因此混流装配线要求具有很高的柔性，它必须在一定的、 比较严格的条件下才可能组织。混流装配线上产品的品种设计要系列化、标准化和通用化； 加工装配工艺能够实行快速调换工、模、夹具；生产工人熟练掌握多种操作技能；各个生 产环节衔接协调，实现生产过程的同步化等。 混流装配线正常运转的前提是生产的均衡化和同步化。其指导思想是均衡化的多品 种、小批量混流生产；指导原则是数量均衡、品种均衡、混合装配幢。 a 数量均衡在汽车制造企业中，是指总装配线( 混流生产线) 每日的产量基本保持 恒定。如果总装配线上产品的产量波动很大，在时间和数量上无规律地消耗零件，上游车 间和工序以及供应商就不得不在生产资源人、机、料、能源等方面保持足够的余量， 以承受负荷高峰；而在占大部分时间的非高峰负荷期间，就会产生资源闲置浪费。同时， 由于拉动放大效应，总装配线( 混流生产线) 上的产品产量变化越大，前工序的同步适应 难度就越大，极易导致生产混乱。 b 品种均衡仅有数量方面的均衡是不够的，因为现代市场需求是丰富多样的，要对 其有快速的适应性，在单位时间里尽可能生产多种型号产品。汽车制造企业必须根据市场 订单的实际需求和每日产量均衡的限定，确定总装配线( 混流生产线) 上每种车型品种的 日均产量，这就是品种均衡。 c 混合装配就是汽车制造企业按照数量均衡和品种均衡的要求，依据日均产量和车 型比例的规定，均匀合理地混合安排总装上线的车身投入顺序。这使得总装配线能够在同 一单位时间内生产多种车型，从而尽量满足市场的多样性外部独立需求；对相关需求中的 生产环和供应环则提供了均衡消耗、减少负荷波动、提高生产效率方面的支持。 混流装配生产系统，可以生产大批量标准化产品，也可以按照客户订单生产小批量非 标准化产品，满足了顾客对产品的多样化需求。与单一型流水线相比，混流装配线具有更 高的灵活性，线上工作站的可变性大，适应性高，可以提高产品质量。混流装配线是多品 种小批量的一种生产组织方式，使得企业对市场的快速反应不再依赖于库存，提高企业对 市场环境变化的快速反应能力，实现“只在需要的时候，按需要的量，生产所需的产品” 的目标【2 2 1 。单一流水生产方式体现的是“以生产为中心的管理思想，混流装配组织方 式体现的是生产与经营一体化的管理思想，是生产组织方式的一大进步。 2 1 2 混流装配线的平衡投产排序问题 混流装配线的设计是一项复杂的系统工程，具有不可预测性和随机性，它的设计目标 是使生产保持一种均衡、连续的流动状态，减少工作站的闲置和超载时间，提高人员和设 备的利用率。混流装配生产系统设计分为两类：逻辑设计和物理设计。 混流装配生产系统的逻辑设计主要包括两个方面的内容：混流装配线的平衡问题和投 产排序问题。混流装配系统物理系统设计就是在实物上实现逻辑设计的配置。混流装配线 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，一旦制定， 短期内难以改动。在装配线平衡的基础上，投产排序用来决定混流装配线上不同产品的投 入顺序，以保证生产的均衡化。由于市场需求在变化，生产制造系统存在必要的调整，因 9 此投产排序决策在每个月、每个周、每天、每个班次都要制定，是一个短期的决策问题。 而且投产排序的工作量大，其质量的好坏对生产计划控制系统的运行效果影响很大。平衡 与排序是混流装配生产系统的两个互相联系的有机组成部分。 混流装配线的平衡是将基本的作业元素分配到工作站，满足特定的目标和规定的约束 条件。平衡一般包括以下内容：决定流水线的节拍、决定流水线上的工作站个数、决定各 个作业元素分配到相应的工作站。大量的文献研究了装配流水线的平衡问题，尤其是关于 单一型装配流水线平衡问题，通常针对以下目标眩引： 第一类平衡问题：给定装配线节拍，最小化装配线的工作站数； 第二类平衡问题：给定装配线的工作站数，最小化装配线的节拍； 还有一些平衡目标，如工作站负荷的均衡和最大化工作站中作业元素之间的相似度 c 2 4 o 而混流装配线的平衡问题必须考虑不同产品的组合问题，市场对产品的需求是不断变 化的，一种配置形式在一段时间内可以满足市场的需求，在另一个时间段就不能适应市场 需求了，因此，必须不断地对装配生产系统进行重新设计以满足不断变化的市场需求。这 要求装配线必须有足够的弹性能够以较小的成本重新配置，而且装配线上的工程技术人员 要在一定的时间内提供较好的平衡方法。 即使每种产品的平均负荷没有超过混流装配线的设计节拍，但存在部分产品在工作站 内的负荷超过设计节拍值的情况。投产排序过程中，如果作业时问较长的一种产品被连续 投产，将会引起工作站严重超载。因此，在混流装配线平衡之后的投产排序是一项重要的 决策问题。混流装配线的排序问题可以根据不同企业的要求和不同的生产管理策略而采用 如下不同的目标 2 5 3 ： 均衡混流装配线上每个工位的总装配时间； 使混流装配线上各零部件的使用率保持不变； 使传送带的停止时间最小化。 目标1 ：是考虑到混流装配线上每个工位装配不同产品类型的操作时间可能存在差 异。大多数混流线都有足够的柔性去调整装配时间的不同，从而不会使生产线减慢或停止。 但是，如果需要较长操作时间的产品类型被连续排序，那么，最终将导致装配线的停止。 目标2 ：要求混流装配线上单位时间使用的零部件数量尽可能的保持不变，其目的是均衡 生产，从而使生产过程中在制品的库存量达到最小，同时减少混流装配线上无效率生产情 况的发生。目标3 ：是为了使混流装配线的调整变换时间最小。 生产线平衡问题的目标主要是提高生产线的效率、减少生产线的总空闲时间。在研究 生产线平衡的文献中，对负荷平衡的目标研究较少。实际上，生产线的负荷平衡有着特别 重要的意义：一条负荷平衡的生产线可以给予工作人员一种公平感，最重要的是可以减少 在制品库存，增加产品的产出。生产线的不平衡程度不仅直接反映了生产线的效率，而且 影响产品的质量，劳动强度大的工人为了赶上生产线的运行节拍，常常忽视产品质量。据 美国有关资料统计，即使在美国这样工业发达的国家，在工业装配生产中平均要有5 1 0 的生产实践是浪费在平衡延迟上【2 6 】。生产平衡这一问题多年来一直受到人们重视。在 生产线平衡的基础上，进而对产品的投产顺序进行优化，会极大的提高生产效率，减少在 1 0 制品库存。 在本文中，首先使用比较典型的a u t o m o d 物流仿真软件来对总装配线进行仿真优化， 使总装配线系统平衡，进而依照企业自身目标而决定，对混流总装配线上不同类型产品的 排序进行优化。 2 2 混流总装配线的投产排序方法 在流水线上，每种规格的产品要经过每个工作站一次而且仅一次，每一种规格的产品 在流水线上必须按照相同的顺序通过每个工作站。当多种不同规格的产品在生产线上同时 生产时，需要确定产品的一个加工顺序，即哪个产品先投入、哪个产品后投入，排产问题 就出现了。 混合生产线的排产问题的焦点一般都会集中在投产排序问题，即转化为车间内产品投 产顺序问题。混合生产线车间内排产顺序属于小批量多品种的排产顺序。所以本文所研究 混流总装配线是面向中小型企业的，这类企业的机械化水平还不是很高，采用的自动化水 平也不是很高。现代的市场经济环境，对这类企业提出了新的挑战，要求企业在降低多样 化成本的同时快速地响应客户需求，实现在适当地点、适当时间用适当的价格提供适当的 产品。在这种环境下，客户的需求多种多样，难以预测，因此采用的是按客户订单生产的 方式。企业根据客户订单的交货期及适当的成品库存，安排周期产量。 本论文所研究的总装配线系统是期望一批次产品的总的在线等待时间最小化为最终 目标，在线等待时间越小，表明本批次产品在总装配线系统中的总时间越小，从而使企业 能更快更好交付用户所订购的产品，增强企业对市场需求的响应速度。 对于一般的小批量多品种作业的排序问题，可以描述为n 个工件要在m 台机器上加 工，每个工件需要经过m 道工序，每道工序要求不同的机器，n 个工件在m 台机器上的 加工顺序相同。工件在机器上的加工时间是给定的，设为t ，( f _ 1 ，n ；j = 1 ，聊) 。问题 的目标是确定n 个工件在每台机器上的最优加工顺序，使最大流程时间最小，即一个周期 中的总的等待时间最小。 对该问题常常做如下假设： 1 、每个工件在机器上的加工顺序是给定的； 2 、每台机器同时只能加工一个或者一个批量的工件； 3 、一个工件不能同时在不同的机器上加工； 4 、工序不能预定； 5 、工序的准备时间和顺序无关，且包含在加工时间中； 6 、共建在每台机器上的加工时间相同，且是确定的。 下面给出目标函数： 假设现有属于某一产品族的d 个产品需要投产，总装配线可生产的产品种类为m 种， 对应每类产品的数量为d m ( m - - 1 ，2 ，m ) 贝l j m d = d ， ( 卜1 ) 总装配线共有n 个工位。首先对各类产品的数量找出其中的最大公约数，以确定本 批次产品的循环次数n 及每个循环各类产品的投产数量d ：，则 m d = d n = d ： ( 2 1 ) m = l 产品的投放速率为c ( 固定值) ，即每隔c 时间投