（机械设计及理论专业论文）基于随机启发式算法的汽车制造生产线平衡研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 汽车消费市场竞争激烈，汽车制造企业的竞争优势已不仅取决于产品的质 量、价格和售后服务等因素，更取决于能否迅速地推出满足市场需求的新车型。 汽车试制速度在其中起着至关重要的作用。 本文分析和总结了典型汽车部件总成装配线特有的性质，讨论了传统装配 线优化方法对于这类装配线的不适用性，提出了典型汽车部件总成装配线的优 化方案。 针对汽车制造生产线，将工作单元按照不同的特点进行分类，结合改进型 多判据随机m o o d i e y o u n g 启发式算法和系统设施布置，改进装配车间的运作流 程；运用装配线排队论模型和平衡指标检验装配流水线的平衡效果，建立随机 网络模型用以判断装配线的过度负荷是否被有效分散到整个装配车间的运作程 序中。运用作业成本法分析装配车间的运营成本，采用净现金流折现法或久期 和凸度法评价优化后的方案在未来几年的成本回收、市场风险抵抗能力和赢利 能力。 以轿车后桥总成试制装配线为实例，验证以上优化方案的实用性和有效性。 通过实施优化方案，试制装配流水线得到了有效的平衡，试制装配车间的流程 更为顺畅，车间的运营成本被有效降低，从而提高了车间的市场风险抵抗能力 和赢利能力。 关键词：试制装配，装配线平衡，系统设施布置，作业成本法，净现金流 折现法 v 上海大学硕士学位论文 a b s t i 认c t c o r ec o m p e t i t i v e n e s so fa na u t o m o t i v em 跚u f a c t u | 研d 印e i l d sn o to m yo nm e 叫i 够o fp r o d l l c t s ，p r i c o fp r o d u c t s ，龇l ds e r 访c e s ，b u ta l s oo n 廿l ep a c eo fn e w c a 船 l a 吡l c l l i n g s om et r i a l - m a i m f a c t u r ep h a s ei so n eo fm ek e yp o i n t s t 1 l i s p a p e ra n a l y z e s 觚ds u m m 撕z 鹤t l l e l 】i l i q u e c h a r a c t 甜s t i c so fn l e t r i a l 一a s s e n l b i n gp h a s e ，a i l dd i s c u s s 舒廿l ei i l a p p l i c a b i l i 够o fe x i s t e do p t i m i z i n g m e m o d st 0m ep h a u s e f i n a l l y m ep 印e ra d v 锄c e sa no p t i m i z i n gs o l u t i o nt 0m e t r i a l - a s s 翎曲l i i l gp h a s e f i r s n y ，c l a s s i 锣a s s e n 曲l i n gu i l i t sw i mm e i rd i 丘柏l tc h a r a c t c r i s t i c s b a l a i l c em e 嬲s 锄b l y1 i 1 1 ew i ma d v a n c c dn m i t i 嘶t e r i hm 0 0 d i e y 0 u i l gh e u l j s t i ca n dr e l e a s em e w o f i ( i n gl o a do fm ea s s 锄b l yl i i l et 0m ew h 0 1 ep r o c e d l l r 鹤o fn l e 嬲s e r n b l y w o r k s t l o p s e c o n d l y ，e s t 证l a t et l l er e s u l to f 嬲s e l l 小l yl i l l eb a l a n c i n gw i t l l ( 沁e u i i 培 t 1 1 e o r ya i l db a l a n c i n gi n d e x e s t a b l i s hr 锄d 锄n e 咐o r km o d e l t 0e v a l u a t em er e s u l t o f 、阳r k i n g1 0 a dr e l e a s i n g f i n a l l ma l l a l y z e l eo p e r a t i o nc o s t so fm ew o r k s h o pw i t h a c t i v e - b a s e dc o s t i n gm e t l l o d e s 岫a t ea l ea b i l 时o fc o s tr e c o v e m a r k e tr i s k w i t l l s t a l l d i n 岛a n dp r o f i t a b i l i 够w i md i s c o u n t e dn e tc a s hf l o wm e h t o d0 rd u r a t i o n a n dc o n v e x 时m e m o d a tl a s t ，m ep a p c rv a l i d a t e sm eo p t i m i z i n gs o l u t i o 璐a b o v eb ya p p l y i n gi tt oa t y p i c a la u t o m o t i v ep a r tt r i a l 硒s e i 】曲1 yl i i l e t h er e s u l to fm eo p i t i m 也a t i o ni sg o o d k e y w o r d s ：t r i a l 嬲s e l l 而l ya s s e r 】曲l yl i n eb a l a i l c i i l gs y s t e m a t i c 矗l c i l i t i 髓 a r r a i l g e m e n t a c t i v e - b a s e dc o s t i n g d i s c o u n t e dn e tc a s hf l o wm e m o d v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：毯迸生：日期：垫豇：主秒 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 、 签名：缝必生：导师签名： 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着中国加入世界贸易组织( w t o ) ，汽车制造企业也越来越融入了全球 化的竞争。在汽车技术蓬勃发展的今天，汽车消费市场的规模快速增长，顾客 需求也日趋多样化和个性化，市场竞争更加激烈【。 在这种情况下，汽车制造企业的竞争优势已不仅取决于产品的质量、价格 和售后服务等因素，而且在很大程度上取决于企业本身是否具有快速的市场响 应能力，即能否迅速地推出满足市场需求的新车型。大部分的国有和民营汽车 制造企业都通过寻求与国外汽车厂商的合资与合作，来提升本企业推出新车型 的能力，加快本企业推出新车型的速度。但是，这些只是表面现象。汽车制造 企业的核心竞争力在于营销能力、研发能力和试制能力。事实证明，谁能够把 握住消费者的偏好，加快汽车研发的速度，缩短新车型的试制时间，从而加快 新车型上市的步伐，谁就能在激烈的汽车市场竞争中取得优势地位。其中，汽 车产品或零部件在试制阶段的劳动生产力水平能够反映出该汽车制造企业的产 品试制能力；同时，也反映出工业工程在企业产品试制阶段的应用程度，并将 直接影响企业的核心竞争力。因而，将工业工程的方法和技术应用于汽车产品 或零部件的试制阶段，以加快它们的试制进程，具有非常重要的现实意义。 汽车产品或零部件的研制过程依次为：市场需求、概念设计、产品设计、 产品试制和产品定型，而后生产，投放市场。可以发现在这一过程中，汽车试 制是汽车制造的重要环节，它是对汽车设计的检验，也是汽车生产的预演，它 是汽车设计与汽车生产的纽带，是一个承上启下的环节。汽车试制既是产品设 计定型的结束，也是汽车生产的开始，它既能检验汽车产品设计的总体质量水 平、各项性能指标；也能为汽车产品的生产组织、制造过程、生产周期、降低 成本、甚至能否投放生产等提供宝贵的意见和经验【2 1 。因此，汽车试制阶段也 是应用工业工程方法和技术的绝佳舞台。目前国内的工业工程研究主要把目光 放在汽车试制阶段之前，预先作出汽车制造流程的总体规划：或是在汽车生产 上海大学硕士学位论文 走上正轨之后，用以对制造过程的不断改善，以降低成本、提高生产质量和劳 动生产率。而将工业工程的方法和技术应用于汽车试制阶段的研究案例却是风 毛麟角。 然而，汽车试制阶段是汽车产品生命周期中的一个特殊阶段，其具有独特 的、区别于其他汽车制造环节的特点，比如工艺的不稳定性和操作工人熟练程 度的波动性等等。因此，汽车试制阶段的工业工程应用方式也是独特的。只有 对传统的工业工程方法和技术做出合理的发展和创新，才能使这些方法和技术 在汽车试制阶段发挥作用。这就对工业工程提出了新的挑战，但同时也拓宽了 工业工程的应用领域和范围，具有非常重要的研究价值。 1 2 国内外研究状况 汽车制造生产线的优化方法有很多，包括方法研究与作业测定f 3 1 、生产计 划与控制 4 】、装配线平衡【5 1 、设施规划与设计【6 1 以及质量控制与可靠性工程【7 】【8 】 等等。然而，鉴于汽车制造生产线的特点，简单地应用这些传统的方法很难达 到满意的效果。要使这些方法在汽车制造生产线上发挥效用，只有在这些方法 已有的研究成果基础上，对这些方法进行改进、发展和创新。 1 2 1 制造生产线启发式平衡方法的研究现状 国外的制造生产线平衡研究主要集中在生产线平衡的算法上，并不注重生 产线平衡的生产实践与应用。到目前为止，国外学者已经开发出非常多的制造 生产线平衡算法，包括：阶位法，晒1 b r i d g e w 醅t c r 启发式算法，m o o d i e _ y o u i l g 方法，迅速更新第一选择( h t l m e d i a t eu p d a t ef i r s t f i t ，f f ) 方法，分级指派 ( r a n d 孤d a s s i 盟，r a ) 启发式算法，h o 伍n a n n 方法或优先方法，遗传算法【9 】， 蚁群算法【lo 】以及仿真方法等等，并且有学者对其中的几种算法的运算效率、稳 定性、收敛性以及平衡效果进行了比较，得出了一些经验性的结论【】。 国内的制造生产线平衡研究方向分为两条主线：生产线平衡算法的研究 【1 2 】【1 3 】和生产线平衡的生产应用研究【1 4 1 。制造生产线平衡算法的研究状况与国外 相类似，但是较少涉及随机生产线的平衡算法研究。 2 上海大学硕士学位论文 国内制造生产线平衡研究在生产应用方面取得了较多的成果，其研究方法 多是与方法研究与作业测定、“5 s 活动【”1 以及目视管理相结合，而基本没有 涉及设施规划与设计。另外，国内制造生产线平衡的生产应用研究也基本没有 触及到生产线的试制阶段。 1 2 2 平衡效果评价方法的研究现状 目前国内外常用的评价方法主要有六种： 层次分析法。层次分析法( a n a l y s i sh i e r a r c h yp r o c e s s ) 由美国运筹学家、 匹兹堡大学教授s 狮在2 0 世纪7 0 年代提出，是广泛应用的系统分析的数学 工具之一。它将人的思维过程层次化、数量化，并用数学方法为分析、决策、 预报或控制提供定量的依据。层次分析法把相互关联的要素按隶属关系分为若 干层次，请有经验的专家对各层次、各因素的相对重要性给出定量指标，利用 数学方法综合专家意见给出各层次、各要素的相对重要性权值，作为综合分析 的基础。目前，层次分析法已是进行定性、定量因素相结合的复杂的多准则、 多目标系统决策评价的一种较为实用的方法，在各个决策领域都有所应用。另 外，层次分析法也是其他方案评价法中确定指标权重的一种常用方法【1 6 】。 模糊评价法。人类活动系统所产生的决策问题多数属于模糊决策，往往有 决策者凭经验感知、偏好或通过讨论来决定决策方案，历来缺少系统的决策理 论。b e l l m 趾与z a d e h 于1 9 7 0 年提出模糊决策的思想后，经d u b o i s 等的改进， 使决策问题转化为在多判据情况下，对给定的备选方案进行排序择优的问题。 其中比较典型的方法有模糊关系法、模糊评价法、模糊语言法等。模糊评价法 是用模糊数学的理论方法，将评价中的模糊信息数值化，再进行定量评价的方 法。使用模糊数学理论建立方案评价的数学模型，可以使定性的评价指标定量 化，定量的模糊评价指标向精确性逼近，使评价方法更具科学性、实用性。目 前，模糊评价技术在系统方案评价与决策支持中应用较为广泛【1 7 1 。 灰色系统理论、物元分析及聚类分析法。灰色系统理论是2 0 世纪8 0 年代 邓聚龙提出的一种系统理论。所谓灰色系统是指系统中既有白色参数( 已知参 数) 又有黑色参数( 未知参数) 的系统，其研究内容包括客观事物的量化、建 3 上海大学硕士学位论文 模、预测、决策、控制等。因灰色系统理论善于处理贫信息，能在短资料、少 信息条件下建模、预测和决策，因此在方案评价中具有应用价值。物元分析是 蔡文于1 9 8 3 年提出的，物元分析是研究解决不相容问题的规律和方法的新兴学 科，是思维科学、系统科学、数学三者的交叉边缘学科。它的核心是研究“出 点子、想办法 的规律、理论和方法，具有很浓的人工智能色彩。物元分析提 出了实用的“可拓决策 方法，可用于决策理论的研究。聚类分析无严格的数 学基础，其丰富的思想多于严格数学推导，它用到一些数理统计的概念，但更 多的是采用几何语言。聚类分析是一种标准的分类技术，其基本思想是用相似 形尺度来衡量事物之间的亲疏程度，把相似的样本归为一类，而把差异大的样 本区分开来，以此来实现分类。聚类方法有直接聚类、系统聚类、逐步聚类和 模糊聚类等模型。其中，模糊聚类技术在系统设计方案评价中应用较多 1 8 】。 价值工程理论。价值工程( v 酊u ee n 西n e e 血g ，v e ) 产生于第二次世界大 战后期的英国，由m i l e s 创立，原称价值分析，1 9 5 4 年逐渐普及到美国国防部 门，并正式定名为价值工程。价值工程是运用集体智慧和通过有组织的活动， 着重对产品进行功能分析，使之以较低的总成本可靠地实现产品必要的功能， 从而提高产品价值的一套科学的技术经济分析方法。这里的“价值 ，是功能和 实现这个功能所耗费成本的比值。价值工程理论于2 0 世纪7 0 年代末传入我国， 目前已在各领域的设计方案评选中得到了广泛的应用【1 9 1 。 神经网络评价法。1 9 4 3 年m c c u l l o c h 和p i t t s 首次提出神经元的数学模型， 开始了神经网络的研究。2 0 世纪8 0 年代中后期神经网络理论在世界范围内得 到了迅速的发展。目前，b p 神经网络及其变形在系统设计方案评价领域已有广 泛的应用【2 0 1 。 综合评价法。为弥补单一评价方法在评价复杂工程系统设计方案时其能力 的不足，常将上述几种评价方法相互综合，构成系统方案评价的综合评价法【2 1 1 。 除上述六种评价方法外，还有简单评价法、评分法、技术经济评价法、密 切值法、集对分析、人工智能、专家系统【2 2 1 、协同评价等方法。 可以发现，国内外的评价研究主要集中在方法理论的框架构建上，而很少 讨论如何根据实际问题的需要来使用评价方法或设计评价方案。 4 上海大学硕士学位论文 1 3 本文采用的技术路线 通过课题研究，本文主要采用以下的技术路线： ( 1 ) 观察典型汽车部件总成装配线存在的问题，分析并总结装配线的特点。 ( 2 ) 对典型汽车部件总成装配工作单元进行分类，采用改进型多判据随机 m o o d i e y 0 l l i l g 启发式算法对满足平衡条件的装配工作单元进行平衡。 ( 3 ) 建立典型汽车部件总成装配流水线的排队论模型，采用随机装配线平 衡指标体系对平衡的结果进行评价。 ( 4 ) 根据典型汽车部件总成装配线的特点，有针对性地对汽车装配车间进 行系统设施布置，并采用随机网络建模技术建立整个车间的流程模型，评价之 前的优化工作。 ( 5 ) 针对典型汽车部件总成装配线的特点，采用作业成本法和净现金流折 现评价对整个汽车装配车间的优化方案进行项目成本和赢利能力评价。 1 4 本文的主要研究内容 本论文是以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础，在第一章中阐 述了课题研究的目的、意义、国内外研究的现状以及本论文采用的技术路线。 在第二章中总结了制造生产线生产的基本原理、起源及发展历史、基本特征、 设计条件和分类。在第三章中，根据观察，总结出典型汽车部件总成装配线的 特点，提出典型汽车部件总成装配线的优化方案框架。在第四章中，根据典型 汽车部件总成装配线存在的问题，提出有针对性的典型汽车部件总成装配线平 衡方案，主要是采用装配线平衡与系统布置设计相结合的思路；同时建立了汽 车装配车间的随机网络模型。在第五章中，根据典型汽车部件总成装配线的特 征，提出了汽车装配线优化结果的成本和赢利能力评价体系，即净现金流折现 评价方法和久期评价方法。在第六章中，以试制轿车后桥总成装配线为对象， 对前几章中提出的典型汽车部件总成装配线的优化方法以及其评价方案进行了 实证研究。最后在第七章中，总结全文，并且对典型汽车部件总成装配线的优 化方法的下一阶段研究作出了展望。 5 上海大学硕士学位论文 第二章制造生产线的基本原理 2 1 制造生产线生产的基本原理 所谓制造生产线生产就是劳动对象按一定的时( 节拍) 序( 工艺规程) 通 过各个工作地完成工序作业的连续、重复的生产过程。它把产品专业化的空间 组织形式及平行移动的时间组织形式结合为一体，使时空组织先进、合理、有 效、完善。每个工作地按产品生产工艺路线的先后顺序排列，产品按规定的速 度一个接一个像流水一样通过所有工作地而完成所有生产工序，最终转化为成 品 2 3 】。 制造生产线技术是基于劳动分工和科学管理的思想建立起来的。在十九世 纪，包括汽车在内的众多产品主要靠具有高度手工技艺的工匠一件一件地制作， 由于是手工生产，几乎可以说没有完全一样的两件产品。在这种生产方式下， 产量不可能提高，而且即使是提高产量也不会带来成本的降低。这种生产方式 的最大缺点除成本高以外，还缺乏一贯性和可靠性，是进一步提高生产力的最 大障碍，这段时期的生产方式通常被称为手工生产方式。二百多年前，苏格兰 经济学者亚当斯密在其著作国富论中提出了“专业分工 能提高生产效 率的理论，并以“针 的制造过程为例，论述了劳动分工的作用。与每一个人 都担当一件产品从头到尾的制造相比，如果把制造过程分为若干个工序，使每 个人都只担当其中的一个工序，由于熟练程度大大提高，工作效率就会高得多 【2 4 1 。亚当斯密的这一分工论阐明了分工可以提高效率的原理，成为了近代产 业革命的起点，随着科学技术的进步，诞生了以分工为基础的机械化生产方式， 即大批量生产方式。一百年前，泰勒提出了科学管理的思想，即每个人的工作 不能只靠经验，而应该制定正确的工作方法和标准工作量，然后按标准训练工 人，工人按标准进行工作并达到要求的标准工作量，也可以提高生产率【2 5 】。一 九一四年，美国福特汽车公司的创始者亨利福特成功地把这两条原理运用于 汽车生产中，创立了以零部件互换原理，作业单纯化原理以及移动装配法为代 表的大量流水生产方式，把单件制造的手工方式带进了一个全新的时代，引起 6 上海大学硕士学位论文 了制造业的一次根本变革。福特流水线的生产方式的核心管理思想是依据“单 品种( 或少数品种) 大批量生产一以批量降低成本一成本降低促使产品定价降 低一产品定价下降刺激需求扩大一进一步带来生产批量的扩大这样的方式发 展起来的。在“t 型车的生产过程中所创立的批量化生产方式奠定了现代汽 车工业生产的基础，从那时起，几乎所有的企业都在机械化基础上采用这种劳 动分工的方法【2 6 】。流水生产线的诞生，极大地提高了劳动生产率，随着它的不 断完善和推广应用，不但使汽车进入家庭，而且揭开了现代化生产的序幕，至 今大量流水生产仍然是制造企业的一种“以量取胜 的普遍生产方式。 2 2 制造生产线生产的起源及发展历史 一百余年的汽车工业发展史上有过两次生产方式的变革：一次是二十世纪 初福特的大批量流水生产方式否定了单件生产方式：另一次就是丰田的精益生 产方式战胜了大批量流水生产方式。这两次变革不仅极大地推动了汽车工业的 发展，而且大大地推进了世界经济的发展。 流水生产线这种生产组织方式于1 9 1 4 年诞生于美国“福特 公司，能够极 大地提高劳动生产率，就在流水生产线诞生的那一年前夕，在1 9 1 3 年的8 月福 特公司装配车间中每个汽车底盘由一位工人操作，每装配完成一件的时间是 1 2 5 小时。数个月后，当生产线试流成功以后，完成一件汽车底盘的操作时间 为9 3 分钟，劳动生产率提高了8 倍多。随着流水生产组织技术的不断改进完善 和运用于零件的机械加工过程，福特汽车公司的生产效率远远超过其它工厂， 使福特的汽车价格在1 0 年间从2 0 0 0 美元以上逐步下降到2 6 3 美元，使汽车进 入普通家庭。流水生产线创造出巨大的汽车市场，同时也使当时的福特公司的 生产规模超过了通用汽车公司。可以说，是福特发明的流水线揭开了现代化大 生产的序幕【2 7 1 。 大规模生产的标准化的商品，例如汽车，一般是一种完全竞争性产品，其 生命周期已经处于成熟期，市场趋于饱和，而竞争厂家有增无减，价格和服务 的竞争成为焦点，因此企业要在市场中生存，往往通过不断扩大生产规模来获 取竞争优势。在大量生产的情况下，流水生产线是一种生产过程的先进组织形 7 上海大学硕士学位论文 式，流水生产线上生产的产品的范围包罗万象，例如玩具、汽车、飞机、枪炮、 工具、衣服、大量的电子零件与产品。在某种程度上，完全可以说，任何一种 产品，只要他有多个部件构成而且被大批量生产，都应该使用流水生产线。流 水生产线是一项重要的技术，它能够将空间组织中的对象原则与时间上平行方 式的优点结合在一起，采用这种形式的关键在于通过各种技术组织措施，安排 工序的单件时间使之与节拍相等或呈倍数的关系，这是生产线平衡的主要目标。 整个生产过程的组织是否合理，对于产品的产量、质量以及成本都有很大的关 系，要想使流水生产线发挥出流水生产线的作用与效用，必须知道生产线的平 衡问题。 大批量生产的产品往往采用流水线的形式来达到经济、均衡的效果，流水 线的平衡过程就是实现一种劳动生产率、设备利用率和满足市场需求三者之间 的平衡的过程。 2 0 世纪7 0 年代，c h a s e r b 调查了9 5 家使用流水线的制造厂家，仅有5 的制造商采用公开发表的流水线平衡技术来平衡生产线。这种情况维持到2 0 世 纪9 0 年代，仍然没有多大的改观。那么，将流水线平衡技术进行改进后应用于 试制阶段的生产线的生产厂家就更加地少了。 m i l i a u s g 于1 9 9 0 年在流水线平衡让我们揭开这块神秘的面纱一文 中报道：多数的流水线平衡设计工作是通过“感觉或以往的经验，以不断的 尝试( t r i a l a n d e n 0 r ) 来获取流水线的平衡，常常导致大量的无效劳动。这种 情况在日复一日、年复一年地发生着。对于试制阶段的生产线，其运转效率决 定着企业能否及时推出适合市场的产品，能否在激烈的市场竞争中占有优势， 如果在这一阶段仍然采用试错法这一没有效率的生产线平衡方式，那么企业必 定会失去宝贵的市场分额【2 引。 自从1 9 1 3 年，h 锄r y f 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，在大部分的制造系统种中，生产线的平衡技术只有碱1 a i l d e 玎o r 方法在尝 试。为什么会产生这种现象呢? 存在着两种解释：要么是平衡方法的不适用； 要么是实际从业者对平衡技术和方法的不了解、不熟悉。 根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 8 上海大学硕士学位论文 产中，平均有5 1 0 的装配时间浪费在平衡延迟中，所以，多年来流水线平 衡问题一直受到人们的重视。 在国内，制造生产线的应用尚不是很成熟，生产线的平衡技术尚没有深入 到生产管理中去，由于生产线不平衡引起的效率低下、成本浪费现象十分严重， 生产线的平衡技术在中国企业有很大的市场，尤其是在生产线的试制阶段。 2 3 制造生产线生产的基本特征 在制造生产作业过程中，产品按照设计好的工艺过程依次顺序地通过每个 工作地，并按照统一的作业速度完成每道工序的作业任务，生产过程是一个连 续的不断重复的过程，一般具有以下的特征： ( 1 ) 生产效率高：因为进行了细致的分工，每个工作地的作业单一重复。 ( 2 ) 工作地专业化程度很高：每个工作地操作的零件及设备很少，对工人 的技术要求不高，培训新工人比较容易。 ( 3 ) 生产节奏性非常强：加工( 装配) 对象在各道工序上按一定的时间间 隔投入和产出，即按节拍进行生产，日产量容易控制。 ( 4 ) 节拍相等：也就是说要求每个工人在相同的时间间隔内完成一个作业 循环。 ( 5 ) 工艺过程顺序性、封闭性较好：产品在流水线上单向移动，接受连续 的加工或装配作业，中间不接受线外作业。 ( 6 ) 生产过程连续性好：流水线工作流程比较流畅，不会产生积压、限制 或脱节。 ( 7 ) 产品的适应性差：对某一条流水线而言只能生产少数几种相似的产品， 产品调整困难。 2 4 制造生产线的设计条件和分类 2 4 1 组织制造生产线生产的必要条件 制造生产线生产方式的主要优点是可以提高劳动生产率，降低生产成本； 9 上海大学硕士学位论文 同时有利于稳定产品质量，简化生产管理。流水生产方式的主要缺点就是灵活 性较差，不能方便地适应市场对产品产量和品种变化的要求；同时流水线的建 设、改组和调整都要花费较多的人力、物力和财力。因此，组织制造生产线必 须具备以下条件： ( 1 ) 产品结构和工艺具有一定的稳定性，以使专用设备和专用工艺装备能 够充分发挥效能。 ( 2 ) 产品的产量要足够大，以保证流水线达到经济合理的复合率。 ( 3 ) 原材料、协作件必须是标准化的，并能按时供应。 ( 4 ) 工艺过程能划分为简单的工序，且能够根据工序同期化的要求把某些 工序适当合并和分解，使各个工序的工时差距不大。 2 4 2 制造生产线的分类 可以采用多种标准对制造生产线进行分类，如，按装配产品的种类，有无 约束，静止作业还是移动作业，移动方式，节拍控制形式，平面布置形式等。 常用的分类是按照装配产品的种类分为单一型、混合型，按照平面布置形式划 分为直线型、u 型、s 型、o 型和z 型。 由于具体的生产条件不同，工业企业中的制造生产线形式是多种多样的， 通常可将制造生产线按以下几项标志进行分类： ( 1 ) 按生产对象的移动方式可以分为固定生产线和移动生产线。固定生产 线是指劳动对象固定，而生产工人携带工具沿着顺序排列的劳动对象进行移动 加工；移动生产线是指劳动对象发生了移动，而工人、设备、工具的位置相对 固定，劳动对象经过各工作地进行加工后，变成半成品或成品。 ( 2 ) 按生产对象的数目可以分为单一品种生产线和多品种生产线。单一品 种生产线是指在生产线上固定地只生产一种产品：多品种生产线是指生产两种 或两种以上产品的生产线，根据流送方式的不同，这种生产线包括多品种可变 生产线、多品种混合生产线和成组生产线。 ( 3 ) 按生产过程的连续程度可分为连续生产线和间断生产线。连续生产线 是指生产过程的各道工序具有高度的同期化，生产对象从投入到产出毫无停留 l o 上海大学硕士学位论文 地从一道工序转到另一道工序，整个生产过程是连续不断的；间断生产线是指 生产对象在各道工序或部分工序上缺乏严密的同期性，零件在工序间要出现停 留等待，致使整个生产过程是间断的。 ( 4 ) 按到达的节奏性程度不同可分为强制节拍生产线、自由节拍生产线和 粗略节拍生产线。强制节拍生产线要求严格地按规定的节拍进行加工和装配； 自由节拍生产线不要求严格按节拍出产制品，节拍主要靠工人的熟练操作来保 证；粗略节拍生产线只要求每经过一个合理的时间间隔生产等量的制品，而每 道工序并不按平均节拍进行生产。 ( 5 ) 按机械化程度可分为手工生产线、机械化生产线和自动生产线。 单一型生产线只生产单一品种的产品，混合型则在同一条线上，以相同的 生产速度生产一个总产品的不同部件或作业方式大致相同的几个品种。 直线型是最为传统的生产线性形式，设备排列简单，组织容易，流程通畅， 效率高，但平衡困难，缺乏弹性。u 型适用于场地狭窄，零件或材料进口与成 品出口必须置于同侧的情况，此种布置可以灵活增减作业工人，柔性较好，平 衡也比较容易实现，工作中工人易于相互交流和帮助，是较佳的生产线平面布 置形式。其他形式的生产线平面布置方式都有其各自的优缺点，在此不再细述。 制造生产线生产的分类可归纳为图2 1 。每条生产线都是以上各分类的综 合。 结幽“韶 1 名憾；，。擒i ，一 似蚋打j 甓 l 澎铲吖tllf # w ”缝i l 赫钟教麓埠# 一 ：，p 飞咎，i j 补”4 蠛 1 ，拜娥，j 乞 l 鼍：智l j 、li “f 啻”缱l i 彬：，l 广茂i 硷境豫魃 l l 一li l 引“姥l 伽妒h i f 孵 l 艟z 。蜒l 卜”：- 鼾拽l 1一l 囊产竹膏 l 谶氇i 铀罪j - li ： 皇托罪l 勺：一t 女ll 略均，p 一蹙l l 一l 自动他坦虞 臼动奠产魄ilf ：嚏化一p 钝l 1 。，一娩i 上海大学硕士学位论文 第三章典型汽车部件总成装配线的特点 3 1 典型汽车部件总成装配线存在的问题 正如“汽车试制 这一称谓所表达的含义，“试制”即为“尝试着去制造 ， 既然是“尝试着去制造 ，就说明在这一过程中存在着非常多的不确定性，存在 着非常多的正式制造中不存在的问题。想要缩短试制时间，提高试制质量，降 低试制成本，就必须要解决这些棘手的问题。 一般地，典型汽车部件总成装配线主要存在着以下四方面的问题：装配工 艺的不稳定性；装配线布置的不确定性；装配工人熟练程度的波动性；装配质 量的不稳定性。而且，这四方面的问题是相互关联、相互影响的。 3 1 1 装配工艺的不稳定性 汽车部件总成的装配工艺不稳定性主要是由以下两个原因造成的： ( 1 ) 汽车的设计缺乏工艺性考虑。在汽车零件或整车设计时，不能把零件 的工艺性同整部汽车的装配工艺性分割开来。例如虽然某个零部件单独看起来 具有漂亮的外观或机械加工工艺性，但是不便于汽车整车或某个汽车组件的装 配，或是不便于维修，则不具有良好的装配工艺性。由于这样一种情况的存在， 在汽车装配线试制阶段需要不断地对装配工艺进行修正和改进；而对于那些无 法有效修正和改进的装配工艺，甚至有可能要求重新设计或改进设计。由此， 造成了典型汽车部件总成的装配工艺的不稳定性。 ( 2 ) 汽车整车或组件的装配工艺本身处于尝试和摸索的状态之中。“汽车 试制”顾名思义，整个阶段就是一个不断尝试、摸索和改进的循环往复的过程。 即便过去有过类似车型的装配或试制经验，对于一个陌生的车型仍然有许多未 知的实际装配问题可能出现，因而时常需要对装配工艺作修改和补充，从而造 成了装配工艺的不稳定性。 1 2 上海大学硕士学位论文 3 1 2 装配线布置的不确定性 汽车部件总成装配线布置的不确定性和部件总成装配工艺的不稳定性有着 直接的关联。汽车整车或汽车组件装配线的装配线布置通常在其装配工艺已经 确定，装配线的平衡工作已经完成的情况下才定型。然而，在汽车装配过程中， 汽车整车或汽车组件的装配工艺本身就具有不稳定性，经常需要更改和修正， 无法完全确定，因而就不可能作出最合适的装配线布置。现在通常的做法是回 避问题，任意布置装配线，从而造成了汽车整车或组件装配试制的非效率。 3 1 3 装配工人熟练程度的波动性 汽车装配工人熟练程度的波动性主要由以下几个原因造成： ( 1 ) 工人不能马上熟悉新车型整车或组件的装配工艺。工人学习和掌握新 的装配工艺的过程称为学习过程，可以运用学习曲线或学习效率来解释这一过 程的特点。学习曲线( l e a n l i i l gc u e ) 是在上个世纪的2 0 年代从美国的飞机 制造业中诞生出来的。当时，人们发现在飞机制造过程中，飞机制造得越多， 每架飞机所需要的制造时间就越少。1 9 3 6 年，美国康乃尔大学的t p w r i 班 博士在总结这一现象的基础上，第一次把累计平均工时与产量之间的函数关系 称为( 学习曲线) ，并提出了学习曲线的数学模型【2 9 1 ，如式3 1 所示。 y i = y l x 一( 3 1 )、， 式中，y i 为第i 单位所需的单位时间或生产成本；y l 为第l 单位所需的单位时 间或生产成本；x 为生产总数( 计算到i 单位为止，即为i ) ；b 为学习常数，与 学习率有关。所谓学习率，是用以评价学习成果的一个百分比量，其具体定义 为：当生产量倍增时，新产品的成本( 工时、费用或其它评价指标) 按一定的 百分比率递减，其递减的百分比率就称为进步率r ( r a t eo f p r 0 伊e s s ) 或学习率 ( l e 锄i n gr a t e ) 。 ( 2 ) 由于装配工艺的不稳定性，装配工艺或操作时常变化，从而使得装配 工人需要花更多的时间来适应新的工艺过程，增加了他们的装配熟练程度的波 动性。 1 3 上海大学硕士学位论文 ( 3 ) 装配零件的数量非常大。汽车组件或整车是由许多零件和部件组成。 零件是机器制造的最小单元，部件是两个或两个以上的零件结合成为一体并可 完成一定功能的功能部件。装配过程就是根据一定的技术要求，将若干零件结合 成部件，或将若干个零件和部件结合成组件的过程。由于零件的数量非常庞大， 加重了装配操作的劳动强度，同时提高了装配工作的复杂程度，因而造成了装 配工人操作熟练程度的波动性。 3 1 4 装配质量的不稳定性 汽车部件总成的装配质量不稳定性主要是由以下原因造成的： ( 1 ) 装配工艺的波动性、装配线布置的随意性和装配工人熟练程度的波动 性。汽车装配线的这三个特点，使得工程人员无法制定完整的汽车装配质量控 制指标，从而无法有效实施装配质量控制和管理，造成了装配质量的不稳定性。 ( 2 ) 装配原料的加工质量问题。汽车制造业采取的是多企业协同制造的生 产方式，当某家汽车零部件生产企业在为一家整车厂生产几种零部件的同时， 其他零部件生产企业也在为这家整车厂加工其它零部件。同样的，当那家汽车 零部件生产企业在为这家整车厂试制零部件的同时，其他零部件生产企业也在 为这家整车厂试制其它零部件。然而，作为制造流程最后一个环节的装配过程， 其所使用的装配原料来自其他零部件生产企业，因而其装配质量也受到这些零 部件生产企业的加工质量的影响。当本企业处于装配线试制阶段时，向本企业 提供装配零部件的那些企业可能也正处于加工试制阶段，它们也正处于尝试和 摸索的状体之中，因而无法很好地控制其来料的加工质量，造成了本企业装配 质量的波动性。 3 2 传统启发式平衡方法对于典型汽车部件总成装配线的 不适用性 3 2 1 传统装配线启发式平衡算法对于典型汽车部件总成装配线的不适用性 传统的装配线启发式平衡方法或算法其实都是有其应用条件的，使用者往 1 4 上海大学硕士学位论文 往忽略了这一点。这些传统方法并没有考虑到典型汽车部件总成装配线的特点， 因此它们并不适用于典型汽车部件总成装配线。 首先，国内外目前应用比较多的装配线平衡方法都是用来平衡确定型装配 线的，即每个装配工作单元的时间都是确定的( 从而，每个工作站的时间也都 是确定的) 情况，比如k i l b r i a g e w e s t e r 方法，m o o d i e y o u n g 方法， h e l g s o n b i r n i e 方法( 即位权法) ，h o f f m a n n 方法( 即优先矩阵法) ，h a c k m a n 方法，r a 方法等啪1 。然而，由于典型汽车部件总成装配线的装配工艺的不稳定 性，装配线布置的不确定性，装配工人熟练程度的波动性以及装配质量的不稳 定性，造成其装配工作单元的时间一直在不断地变化，而且有相当一部分的装 配工作单元的时间变化非常大，因而无法使用这些装配线平衡方法或算法来平 衡典型汽车部件总成装配线。 其次，已有的随机装配线的平衡方法也不完全适用于平衡典型汽车部件总 成装配线。传统的随机装配线平衡方法有正态分布随机装配线平衡方法( 即假 设每一个装配工作单元的时间都是随机的，且都服从正态分布) 和任意分布随 机装配线平衡方法( 即假设每一装配工作单元的时间都是随机的，但是不知道 它们服从什么概率分布函数，用c h e b y s h e r s 不等式作为概率超限判据口) 。正 态分布随机装配线平衡方法显然不适用于典型汽车部件总成装配线，因为典型 汽车部件总成装配线的装配工作单元的时间受到非常多因素的影响，有相当一 部分的装配工作单元的时间的随机变化非常复杂，并非简单地服从正态分布。 任意分布装配线平衡方法虽然可以用于典型汽车部件总成装配线，但是它的判 据过于粗略，没有区分不同性质的装配工作单元，而且当装配工作单元的数量 非常多时，其平衡优化的效果会下降。 最后，无论是针对确定型装配线的平衡方法，还是应用于随机装配线的平 衡算法，传统的装配线平衡方法或算法都存在一个前提假设，也就是所有的装 配工作单元都是可平衡的，也即任何装配工作单元的时间都不会超出装配线的 节拍或者装配线工作站的周期时间。然而，现实的典型汽车部件总成装配线中 却存在着一类“刚性瓶颈装配工作单元 ，它们的时间会超过装配线节拍，有 时装配线节拍会远远小于这类装配工作单元的时间。在这种情况下，传统的装 1 5 上海大学硕士学位论文 配线平衡方法或算法完全无法获得合理的平衡结果。 3 2 2 传统成本评价方法对于典型汽车部件总成装配线的不适用性 本文所采用的净现金流折现的装配线评价方法可以认为是一种成本或费用 评价方法，同样也是一种综合评价法。而传统的线性加权和法【3 2 】和成本费用评 价法【3 3 】并不适用于评价典型汽车部件总成装配线的平衡效果。 综合评价法有别于通常讲的加权线性和法。加权线性和法具有以下的性质： ( 1 ) 加权线性和法适用于各评价指标间相互独立的场合，各指标对综合水 平的贡献彼此是没有什么影响的。这一要求是显然的；由于综合运算采用“和 的方式，其现实关系应是“部分之和等于总体”，若各评价指标间不独立，和的 结果必然是信息的重复，也就难以反映客观实际。 ( 2 ) 采用加权线性和法，各评价指标间可以线性地补偿。即某些指标评价 分数的下降，可以由另一些指标评价分数的上升来补偿，任一指标评价分数的 增加都会导致总评价分数的上升，任一指标评价分数的减少都可用另一指标评 价分数的相应量增加来维持总评价分数的不变。 ( 3 ) 采用加权线性和法，权数的作用比在其它方法合成中更明显些，这是 由加法合成所对应现实问题的性质所决定的。由于加法合成中各指标间可以线 性地补偿，自然各指标在综合评价中所起作用有大有小，从而表现为指标权数 的变化。从和式运算与积式运算的算式本身，不能肯定加权算术平均与简单算 术平均之差( 表现为权数作用) 一定等于加权几何平均与简单几何平均之差。 所以权数作用大小要从计算方法性质而不是计算公式本身来说明。 ( 4 ) 加权线性和法突出了评价分数较大且该指标权数较大者的作用，这是 第( 2 ) 和第( 3 ) 两个特性结合在一起的必然结果。由此，加权线性和法是较 接近于主因素突出型的评价合成方法。若以加权线性和法得到的综合评价值来 考核被评价单位成绩，容易诱导被评价单位采用倾斜发展战略来获取较高综合 评价值，即突出抓那些权数较大的评价指标。当然，从另一角度看，评价指标 的权数较大，说明该指标所代表的方面比较重要，若这方面抓上来了，说明该 单位在主要方面取得了成就，综合水平上升也就在情理之中了。 1 6 上海大学硕士学位论文 ( 5 ) 由于线性加权和法各指标评价值间可以线性地补偿，因而这种合成方 法对不同被评价对象指标评价值间的差异反映不大敏感。 ( 6 ) 线性加权和法对计算数据没有什么特定的要求。无论用来合成的评价 值为零、为负值都不会影响综合评价值的取得，因此计算比较简便，便于推广 普及。 从线性加权和法的以上性质可以发现，线形加权和法追求的是一个综合指 标，虽然考虑了各个影响因素对整体的作用( 权数) ，但是却没有考虑各个因素 本身的形成机制，如何改善各个影响因素，以及各个影响因素是在装配流程的 哪个环节发挥作用的。此外，装配线的优化是一个逐步的过程，先优化某个因 素，再优化另一个因素，这其中每一步的优化都需要一个或几个评价指标。而 线性加权和法只追求一个最终的粗略评价值，忽略了综合值中各个评价指标在 整个优化过程中相对于每一步优化工作的评价效果。 净现金流折现法不同于传统的成本费用比较方法，主要区别如下： ( 1 ) 传统的成本或费用方法无法客观地反映运营主体( 本文中为典型汽车 部件总成装配线) 的经营