（机械设计及理论专业论文）汽车零部件制造企业生产批量计划与柔性作业调度优化研究.pdf

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采用批量调度的思想建立了柔性作业调度多目标优化模型。针对模型特点，将 模拟退火的思想融入遗传算法，设计了遗传退火混合算法对计划与调度模型进 行求解。 在应用上，以某汽车零部件制造企业冲压车间为例，验证了生产批量计划 与柔性作业调度模型的实用性和有效性，并证明了遗传退火混合算法在求解速 度和求解精度上的优越性，优化结果各项评价指标均有明显提高。运用f l e x s i m 仿真软件对优化前后的调度方案进行验证，表明了经本文优化后调度方案的优 越性。最后，综合生产现场存在的其他问题，进一步提出了改善建议。 关键词：汽车零部件生产批量计划柔性作业调度遗传退火混合算法 f l e x s i m 仿真 v t oe l i m i n a t eu n n e c e s s a r yw a s t ei nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s ，a c h i e v ei n t i m e d e l i v e r y , r e d u c et h ea c c u m u l a t i o no fw i p , s h o r t e nt h ep r o d u c t i o nc y c l ea n d m a k et h el o a dr a t eo fm a c h i n e sb a l a n c e t h i sp a p e rm a d eac o m p l e t e l yr e s e a r c ho nt h er a n d o mf a c t o r sw h i c hm a y b e c o m et h ec o n s t r a i n to fp r o d u c t i o nc a p a c i t y , t o o kt h ef u z z yc a p a c i t yc o n s t r a i n t s b a s e do nf u z z yt h i n k i n gi nt h em o d e lo fl o t - s i z i n gp l a n n i n g ，a n dt h eo b j e c t i v e f u n c t i o n sw e r es e tt ot h em i n i m u mi n v e n t o r y t a r d i n e s sc o s t sa n de q u i p m e n t u t i l i z a t i o nb a l a n c e w h a t sm o r e ，w i t hr e g a r dt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ff l e x i b l e j o bs h o p ，u s e dt h em i n i m u mc o m p l e t i o nt i m e ，m i n i m u ml o a do fm a c h i n e ，a n d t h el o a db a l a n c i n ga se v a l u a t i o n st oe s t a b l i s haf l e x i b l ej o b s c h e d u l i n g m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nm o d e l c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fm o d e l s ， g e n e t i ca n n e a l i n gh y b r i da l g o r i t h mi s d e s i g n e do nt h ep l a nt os o l v et h e s c h e d u l i n gm o d e l i np r a c t i c e ，t h ep a p e rv a l i d a t e dt h eo p t i m i z i n gs o l u t i o n sa b o v eb ya p p l y i n gi tt o ap r e s ss h o pi na u t o m o b i l ep a r t sm a n u f a c t u r ee n t e r p r i s e c o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o n a lg e n e t i ca l g o r i t h m s ，t h ea d v a n t a g eo ns p e e da n d p r e c i s i o no fg e n e t i c a n n e a l i n gh y b r i da l g o r i t h mc a nb ee x e m p l i f i e d ，t h ee v a l u a t i o ni n d e xw e r e e n h a n c e d s i g n i f i c a n t l y u s i n g f l e x s i ms i m u l a t i o ns o f w a r et o v e r i f y t h e v l l 目录 v 1 ，i v i i i 1 1 1 1 2 2 2 i 7 7 1 3 2 柔性车间调度8 1 4 问题的提出9 1 5 论文的技术路线1 1 1 6 论文的土要内容和结构安排1 l 第二章汽车零部件制造企业生产管理的特点1 3 2 1 汽车零部件制造企业的现行生产模式1 3 2 1 1 汽车零部件制造企业的发展特点。1 3 2 1 2 汽车零部件制造企业的管理模式1 5 2 1 3 汽车零部件企业生产管理中存在的问题1 6 2 2 柔性作业的特点1 7 2 2 1 柔性制造环境概述1 7 2 2 2 柔性作业车间生产调度的特点1 8 第三章生产批量计划模型2 0 3 1 生产批量计划问题简介2 0 3 2 具有模糊能力约束的生产批鼍调度模型2 0 3 2 1 生产过程中的随机因素2 0 3 2 2 模型相关参数及约束。2 1 3 2 3 模犁目标函数的建立一2 3 3 3 多目标决策模犁2 5 3 4 基于遗传退火混合法的算法设计一2 6 第四章柔性作业调度模型3 0 4 1 柔性作业调度问题简介。3 0 4 2 柔性作业车间的调度模型3 l 4 2 1 调度批量问题描述3l 4 2 2 调度模型的相关参数3 l 4 2 3 调度模型的约束条件3 2 v i i i 参考文献6 4 作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文6 8 作者在攻读硕士学位期间所作的项目6 9 致谢7 0 上海人学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 论文的研究背景及意义 1 1 1 论文的课题来源 本课题属于企业委托项目，来源于与某汽车零部件制造企业合作的“汽车 零部件生产线的优化设计与改造 项目。目的是优化多品种批量生产模式下的 作业车间生产计划与调度方式，提高产量，降低库存，以最小的输入( 人员、 机器、物料等) ，获得最大的输出( 产品质量高、生产率高、成本低等) ，以提 高企业的市场竞争力。 1 1 2 论文的研究目的和意义 随着市场竞争的加剧和科学技术的发展，汽车制造业进入了一个新的发展 阶段。整车市场的激烈竞争迫使整车生产企业调整与汽车零部件厂的战略合作 伙伴关系。这给汽车零部件厂的发展带来新的契机的同时，也对零部件生产企 业提出了更高的要求。目前汽车零部件生产企业的竞争环境有了新的特点： 1 ) 产品寿命周期越来越短 随着消费者需求的多样化发展，汽车制造业的产品开发能力也在不断提高。 目前，国外新车型研制周期大大缩短，与此相应的是汽车零部件生命周期缩短， 革新换代速度加快。 2 ) 对交货期的要求越来越高 随着市场竞争的加剧，经济活动的节奏越来越快。其结果是每个企业都感 到用户对时间方面的要求越来越高。这一变化的直接反映是竞争主要因素的变 化。2 0 世纪6 0 年代的企业问竞争的主要因素是成本，到7 0 年代时竞争的主要 因素转化为质量，进入8 0 年代以后竞争的主要因素转变为时间，这里的时间要 素主要是指交货期和响应周期。现在，用户不仅要求厂家按质按量按期交货， 而且要求交货期越来越短。 上海大学硕士学位论文 3 ) 对产品和服务的期望越来越高 进入2 l 世纪的用户对产品质量、服务质量的要求越来越高。用户己不满足 与从市场上买到标准化生产的产品，他们希望得到按照自己要求定制的产品或 服务。这些变化导致产品生产方式革命性的变化。传统的标准化生产方式是“一 对多的关系，即企业开发出一种产品，然后组织规模化大批量生产，用一种 标准产品满足不同消费者的需求。然而，这种模式已不再能使企业继续获得效 益。现在的企业必须具有根据每一个顾客的特别要求定制产品或服务的能力， 即所谓的“一对一 的定制化服务。也就是说，企业的生产模式已经逐渐由单 一品种单一型号的大批量生产方式向面向市场的多品种小批量生产方式转变。 企业竞争的基本目标是产品上市快( t ) 、优质( q ) 、低耗( c ) 、服务好( s ) 等， 这些基本目标的追求使汽车零部件制造业的管理者面临一系列的挑战：市场需 求的增长、生产计划与调度的合理性、成本的有效控制、资源的充分利用、作 业的均衡安排、库存的合理管理、财务状况的及时分析等等。其中，生产计划 与调度更是一个企业管理的重中之重，它同时受到市场、资源、库存等因素的 影响，如果它们制约着企业的生产，那么这些因素将成为企业的瓶颈，如何解 决这些瓶颈也成为提高企业有效产出的一个关键因素。因此，研究生产计划与 调度对企业管理具有重大的意义，特别是在当今这种面向多品种小批量的生产 方式中，如何有效利用有限的资源，制定合理的生产计划与调度方案对任何一 个企业都具有重要的意义。为此，本文着重研究了在面向多品种批量生产环境 中，在各种随机因素的影响下，汽车零部件制造企业作业车间生产计划与调度 的问题。 1 2 生产计划与调度相关理论 1 2 1 生产计划与调度概述 车间生产计划( p l a n n i n g ) ，是关于工业企业生产系统方面的工作编排，是 工业企业在计划达到的产品品种、质量、产量和产值等生产方面的指标、生产 进度及相应值，是指导工业企业计划生产活动的纲领性方案m 。生产计划的主 上海大学硕十学位论文 要任务包括：生产作业准备的检查；生产任务的排产；生产能力的细致核算与 平衡，具体来说，就是根据下达的定单、零部件的工艺路线和车间的实际生产 能力等制定车间生产的季、月、周和日计划，并按照一定的规则进行生产调度， 安排日常的生产。及时了解生产进度，预测和发现生产中的问题，并加以解决， 使实际生产接近计划。 调度是指在一定的约束条件下，合理地分配资源完成一批给定的任务( t a s k ) 或者作业( j o b ) ，在满足现有生产条件下，使生产成本最小i l l 。调度的质量可 用不同的目标函数来度量。寻找合理的调度方案的过程就是对工件的作业顺序 进行组合优化的过程。因此，在一定程度上，调度问题有时也被称之为排序 ( s c h e d u l i n g ) 问题。生产调度，即对生产过程进行作业计划，作为一个关键模 块，是整个先进生产制造系统实现管理技术、运筹技术、优化技术、自动化与 计算机技术发展的核心。 然而，生产调度问题一直以来都是一种未能很好解决的理论难题，而对企 业来说，生产过程中合理的排产与调度对提高设备利用率、消除生产瓶颈、加 快生产进程、减小库存、降低成本等都起着重要的意义。生产调度的作用就是 在生产过程中合理地分配生产资源和安排产品的加工路径和加工处理顺序。良 好的生产调度能够预先解决生产中的干扰，缩短产品在车间的流动时间，减少 在产品的库存量，保证交货期。生产计划与生产调度都是对生产过程的规划与 控制。生产计划主要侧重于工厂层，它根据企业订单、市场预测、原材料供应、 生产能力等因素，静态编制企业年、季、月生产计划，合理安排计划期内产品 的品种、数量和开、完工时间等，以满足用户的合同要求。调度侧重于车间层 和生产执行层，它作为连接工厂计划层和车间层的中间环节，一方面接收工厂 层的生产计划，并将生产计划分解后向下游的设备层发出调度指令，另一方面， 接收设备层上报的实时加工信息，依此调整和修正初始调度结果，并将生产现 场的加工进度和完工情况向生产计划反馈。因此，生产调度直接影响生产成本、 决定生产经营过程的顺利运行和高速运转。 上海大学硕上学位论文 1 2 2 生产计划与调度的分类 由于企业生产计划受外界环境影响较大，并且在计划中涉及大量静态与动 态数据，因此求解生产计划问题十分复杂。为了求解生产计划问题，通常需要 将它分解为一系列子问题。 根据不同的分类指标，生产计划问题可分为 3 1 ： 1 ) 按产品结构分 一类是单级生产计划，它的研究对象是独立需求的最终产品；另一类为多 级生产计划研究对象是以零部件为单位，多级生产计划又可分为链式结构、并 行结构、装配结构、一般通用网络结构等计划问题。 2 ) 按作用时间分 可分为四类计划： 战略计划，为全厂综合计划，每3 5 年制定一次，反应企业长期发展的 经营目标和经营方针，结构化程度很低； 长期计划，按年和季度制定，反映企业在计划年度内生产发展的集体方 向和水平，规定了企业的产品大类，按季度和年度应完成的产品品种、数量、 交货期、质量、销售收入和利润，并使它们与战略计划的目标相符； 中期计划，是对长期计划的展开和细化，从时问上看，是指月和旬计划； 从功能上看，是指对各分厂关键设备生产的产品品种、数量、交货期、质量、 销售收入和利润等的计划； 短期计划，指的是日计划和班计划，反应每日、每班的生产批量设置。 3 ) 按生产需求分 根据生产计划的需求，可分为随机性和确定性两种。在随机性需求中，又 分为离散的和连续的需求。其中，离散需求是指在一次生产过程中，原材料的 输入可以是离散的，而连续需求的输入是连续的。 4 ) 按计划资源分 根据生产计划的资源，可分为无能力约束、单资源约束和多资源约束三种 情况。其中，无能力约束表示不考虑生产能力的约束；单资源约束表示在生产 4 上海大学硕： 学位论文 考虑一种资源的约束；多资源约束表示在生产中考虑多种资源约束。资源变化 的情况又可分为确定资源约束和随机资源约束。 生产调度系统的分类方法很多，主要有以下几种： 1 ) 基于资源约束种数和数量的划分 单资源作业调度( s i n g l er e s o u r c ec o n s t r a i n e d ) 考虑一种资源制约生产能力。在绝大多数的相关科技文献中 4 - s ，大多只考 虑车床的种类及数量。 双资源作业调度( d u a lr e s o u r c ec o n s t r a i n e d ) ： 同时有两种资源制约着车间的生产能力 9 - 1 0 。机床设备往往是制约资源之 一，车间有时会缺乏有经验或一技之长的工人，也有可能某种类型的刀具数量 有限，因此这两种资源可以是机床设备和工人或刀具。这种情况表现形式之 一，就是工人数量少于机床设备的数量。车间中也常常会发生一些辅助资源有 限的情况，如一个车间只有一辆或两辆自动物料运输车，然而需要同时传送的 零件数量可能较多，在这种情况下，自动物料运送车也会成为制约车间提高生 产能力的一个重要因素。同理，短缺的刀具、夹具以及运送零件的叉车、吊车 和货盘等都可能成为第二个制约资源。 多资源作业调度( m u l t i p l er e s o u r c ec o n s t r a i n e d ) ： 同时有两种以上的生产所需资源制约着车间的生产能力 1 2 - 1 4 。这些资源包 括员工、机床设备、机器人、物料运送系统和辅助资源，如货盘、夹具和刀具 等。单资源作业调度是双资源作业调度的特例，双资源作业调度又是多资源作 业调度的特例。所以多资源作业调度问题是最复杂的一种。 2 ) 基于工艺流程及设备布局的分类 流水作业调度( f l o w s h o p ) 在流水车间中，机器和操作人员通常处理标准的、连续的物流。操作工总 是对每批生产任务进行同样的操作。流水车间一般是大批量生产车间或是具有 连续生产布局的车间。车间的布局，即机器、工作台及装配线等等的排列方法， 是为便于产品流动而设计的。流程工业( 如化工、石油加工、油漆等) 是流水车 5 上海人学硕上学位论文 间的典型例子。每种产品，尽管材料规格不同，整个车间总是采用同样的流程。 非流水作业调度( j o b s h o p ) ： 在非流水作业调度中，工段或工作中心是围绕着不同类型设备或工序来组 织的，每个加工单元完成一类特定的任务处理。作业车间中的工件各自都有特 定的技术路线，并且不同工件的技术路线可以不同。如果把车间看作一个由各 个加工单元组成的任务处理网络，每个加工单元是这个网络中的一个节点，那 么任务处理过程就是工件通过该网络的过程。当这个处理网络对应于作业车间 时，其中的每个节点既可以作为工件流入网络的入口，也可同时作为工件流出 网络的出口。 开放作业调度( o p e n s h o p ) ： 在开放式车间中，工件的加工没有特定的技术路线约束，同一工件各个工 序的先后关系是任意的。在这样的前提下，要获得一个可行调度是相当容易的， 并且工序先后关系的任意性也使可行调度的种类大大增加。当调度规模较大时， 要从可行调度空间中搜索到最优或次优调度仍然十分困难。例如对于一个 l o x l o 问题( 1 0 个工件，1 0 台机器) ，每个工件有l o 道工序，相应就有( 1 01 ) 3 4 8 x 1 0 1 9 种可行调度。如果要在这个空间中通过穷举法找出最优调度，那么c p u 主频为z g 的计算机也要运行超过7 5 0 年的时间，这显然是不现实的。 单作业调度( s i n g l e s h o p ) ： 在这种车间中，每个零件只能有一道工序。 3 ) 考虑干扰与否的分类 静态作业调度( s t a t i cs c h e d u l i n g ) ： 所有的零件在开始调度时刻已经准备就绪。车问的调度不考虑零件在加工 过程中出现的意外情况，如机床突然损坏、零件的交货期提前、有更紧迫的零 件要求被d 【l - r 等等。 动态作业调度( d y n a m i cs c h e d u l i n g ) ： 车间的调度要求考虑零件在加工过程中出现的各种意外情况。这种调度方 式要求调度能随时相应车间能力的变化，在有突发事件出现后，能立即根据当 时的车间加工能力，对待加工的零件重新展开调度，以确保在任何时候，都能 6 上海大学硕上学位论文 保持车间的加工性能指标处于最优或次优状态【1 5 】。 通过对企业内部的实地考察以及大量现场生产数据的积累，本文将针对汽 芋零件制造企业中柔性作业车间的生产批量计划( l o t s i z i n gp l a n n i n g ，既短期 计划中的日计划问题) 与柔性作业调度( f l e x i b l ej o bs h o p ) 两类复杂的组合优 化问题进行深入研究。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 生产批量计划 生产批量计划问题是一个理论和算法上研究的难点，也是生产实践中产生 重大经济效益的问题之一。有能力约束生产批量计划问题的求解更是一个非常 复杂的问题 1 5 1 ，主要原因是由于在受资源约束的情况下，为了消除资源冲突， 需要对项目、时间、数量这三维变量同时进行调整。f l o r i a n 等【l 鲫首先证明了单 个项目的单资源约束的生产批量计划问题属于n p h a r d 问题。 w a g n e r 和w h i t i n 提出了动态式经济批量模型( w - w 模型) 0 7 1 ，该模型解 决的是动态需求下，一种产品、单加工设备、多周期情况的最优生产计划问题， 并在m r p 计划中获得了广泛的应用。通过采用动态规划算法，w a g n e r 和w h i t i n 获得了复杂度为o ( n2 ) 的最优算法。但是一般情况下，w a g n e r - w h i t i n 问题仅限 于单机设备下的一种产品多周期加工情况。 高振，唐立新提出了一种新的算法一分枝定价( b r a n c h a n d p r i c e ) 算法解经 典c l s p 博1 ，带有能力约束的单级多项动态批量问题( t h ec a p a c i t a t e ds i n g l e l e v e l ， m u l t i i t e m ，d y n a m i cl o t s i z i n gp r o b l e m ) 。c l s p 问题有广泛工业背景，而且已被证 明为n p h a r d 问题，它的目标是最小化总的装设( s e t u p ) 费用和库存费用之和 在所考虑的时间范围( h o r i z o n ) 内，并且满足给定约束条件。分枝定价算法是 一种广义分枝定界( b r a n c h a n d b o u n d ) 算法，它允许应用列生成( c o l u m n g e n e r a t i o n ) 过程于整个分枝定界树详细描述了该算法的实现，并用两组 b e n c h m a r k 问题测试实例说明了该算法的有效性和优越性。 7 上海大学硕上学位论文 a l f i c r it 1 9 1 、n e w s o n t 2 0 1 以分别基于l p ( 线性规划) 松弛策略和贪婪式启发 策略来获得问题的较优解。 常剑峰，钟约先以动态库存成本与加班惩罚费用之和为优化目标，考虑单 台机器的生产能力，研究生产批量计划问题f 2 1 1 。建立了数学模型，提出基于遗 传算法、参数线性规划方法和启发式方法的分级混合算法。该算法采用遗传算 法的流程，用遗传算子寻解批量矩阵( 第l 级) ，根据批量矩阵用参数线性规划 法求解每台机器上的排产方案( 第2 级) ，用启发式方法对上述两级解进行调整 使之满足约束条件。 施灿涛，李铁克考虑多工艺路线且库容受限的能力批量计划问题【2 2 1 。针对 该问题建立了通用数学模型，提出了基于实数编码的混合粒子群优化算法：采 用混合方法生成初始种群，借鉴库仑定律指导粒子的寻优方向，在种群迭代时 结合特定邻域搜索算法以获得更符合问题实际要求的解。最后通过计算实例验 证了算法的有效性。 白宏斌，杨建军犯3 1 研究在设备有限能力、交货时间等约束条件下，以加工 周期与脱期惩罚之和最小化为优化目标的批量计划问题，并应用i l o g 约束规 划工具实现了求解批量计划问题的禁忌搜索算法，并通过实例证明该方法的有 效性。另有文献分别采用动态规划算法、拉格朗同松弛算法、随机优化方法对 该问题进行了研究【2 4 1 1 2 5 11 2 6 ，并取得了一定的进展，但仅实现了对整个计划周 期内的能力总和的约束，未能实现每个时间单元内的有限能力约束。 1 3 2 柔性车间调度 柔性作业车间调度问题根据资源限制条件不同，可分为完全柔性作业车间 调( t o t a lf l e x i b l ej o bs h o ps c h e d u l i n g ) 问题和偏柔性作业车间调度( p a r t i a l f l e x i b l ej o bs h o ps c h e d u l i n g ) 问题。在完全柔性作业车间调度中，每一个作业 都可以选择任何一台机器来加工；而在偏柔性作业车间调度中，某些作业可以 选择在任何一台机器上进行加工，某些作业只能选择部分机器进行加工。实际 上海大学硕士学位论文 生产系统中的调度问题在机器选择方面具有柔性同时也可能具有限制，因此偏 柔性作业车间调度( p f s j s ) 问题比完全柔性作业车间调度( t f s j s ) 问题更具 有普遍意义，后者的调度算法更为复杂。 1 9 9 0 年，b u c k e r 和s c h l i e 提出了工序可以在多台机器上加工这个新的问题 并进行了深入研究，这标志着具有柔性路径的作业车间调度问题研究的开始心7 1 。 他的研究成果引起了学术界的浓厚兴趣。 h o l s a p p l e t 2 引用遗传代码先确定各工件类型的调度先后顺序，然后用传统的 人工智中的f b s ( f i l t e r e db e a ms e a r c h ) 搜索方法，对各工件的每道工序按顺序 进行安排调度。这种f b s 搜索方法实际上是宽度优先搜索法的一种改进方法。 l e e 先是p e t r i 网对具有路径柔性的作业车间进行建模，然后应用l i 算法搜索最 优解。l i 算法是人工智能中著名的搜索方法a 书算法的一种改编算法，其本质 是分枝定界法和动态规划法的混合运用 2 9 1 。这两种方法都是基于人工智能中的 搜索方法进行求解的，其主要缺点是运行时间长，且需要很大的存储空间，搜 索到的解也不一定是最优解甚至是次优解。从1 9 9 3 年开始，随着禁忌搜索法这 种局域搜索法日益受到广泛的应用，d e l l a m c o ，b r a n d i m a r t e ，h u r i n k ，n o w i c k i ， b a r n e s ，d a u z e r e p e r e s 和b u r c k e r 等先后采用了禁忌搜索方法对柔性作业车间调 度问题进行了求解 3 0 - 3 6 1 。在这期间，j a n s e n 等还利用线性时间近似算法 3 7 1 ， v a e s s e n s 和b a l a s 等利用本地搜索算法求解柔性作业车间调度问题1 3 5 3 9 】。近年 来，自f a l k e n u e r 将遗传算法应用到作业车间调度问题中后h o l ，遗传算法以其 较好的寻优能力，鲁棒性以及在求解大规模复杂问题时显示出的潜力备受关注。 接着，c h e n ，k a c e m 等将遗传算法应用到柔性作业车间调度问题上 4 1 - 4 3 】。由于 遗传算法具有容易早熟和收敛速度慢等特点，许多学者将遗传算法与一些启发 式规则，局域搜索算法进行结合获得了较好的结果 4 4 4 5 。 1 4 问题的提出 通过分析国内外研究现状，可得出如下结论： 9 上海大学硕七学位论文 1 ) 生产批量计划方面 到目前为止，对于单机单资源或者简单的多机并行系统、统一工艺路线的 生产系统的生产批量优化问题已经研究的较为成熟。而在实际生产中，很多生 产企业具有多工艺路线的特征，即多种物料在多级工序上具有不同的流向。特 别是汽车零部件生产企业，产品种类与设备型号众多，工艺路线各异，生产能 力的约束，交货期的限制，以及设备利用的均衡性等都大大增加了生产计划的 复杂性。并且在大部分有能力约束的批量计划模型中，能力约束为一个给定值。 而事实上，受到生产过程中各种突发性事件的影响，如：设备损坏，工人休息 时间随机性较大等，导致产能并非一个常数。 2 ) 柔性作业调度方面 在以往的研究中，生产调度多以古典的作业车间为出发点，其特点是每道 工序使用的设备被事先确定。近年来，柔性作业调度逐渐成为学者们研究的热 点，即一道工序可以在多台不同的设备上进行加工，在进行工序排序的同时， 还必须进行设备的选择。但是，即使是柔性作业调度，也大多停留在单件调度 的层面上，对批量调度问题研究较少。对于汽车零部件生产企业来说，产品种 类繁多，需求量大，单个工序时间较短，多为秒的级别。因此，普遍采用的还 是批量生产模式。如何确定工件加工的子批量，成了关系到各项生产指标的重 要问题。 本文将在此基础上，针对以下几个方面的问题进行进一步的研究： 首先，采用模糊能力约束来解决生产过程中产能波动的问题，通过模糊数 学的思想建立模糊生产批量计划模型，同时考虑汽车零部件制造企业设备型号 众多，产品工艺路线各异的特点，使得模型尽量贴合生产实际，设计相应的智 能算法对模型求解。 其次，针对柔性作业车间调度问题的特点，结合汽车零部件制造企业产品 种类众多、需求量大的生产现状，建立柔性作业车间调度的多目标优化模型， 设计合理的分批调度方案，通过智能算法对各方案求解，并通过f l e x s i m 仿真 软件对调度方案进行验证。 1 0 上海大学硕士学位论文 1 5 论文的技术路线 通过课题的分析与研究，主要采用以下的技术路线： 1 ) 观察并分析面向多品种批量生产的柔性作业车间存在的主要问题，将生 产实践与理论研究相结合； 2 ) 通过长期的搜集与调研，对多品种批量生产的柔性作业车间生产计划及 生产加工时间数据进行收集、整理、分析，综合考虑生产过程中的不确定因素， 在此基础上对数据的波动性进行处理； 3 ) 对柔性作业车间的特点进行研究总结，针对性地提出了的多品种批量式 生产的模糊产能约束批量计划模型及柔性作业车间批量调度模型，结合层次分 析法进行多目标决策； 4 ) 在对各种不同的组合优化问题求解方式的优缺点进行研究和比较的基础 上，采用遗传退火混合算法求解模型； 5 ) 运用f l e x s i m 仿真软件对优化前后的调度方案进行仿真，验证本文数学 模型与算法的有效性。并进一步综合提出生产现场改善建议。 1 6 论文的主要内容和结构安排 本文是以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础，在第一章阐述了 课题研究的来源、目的与意义、生产计划与调度的理论概述及国内外研究现状、 论文采用的技术路线。第二章，总结了汽车零部件制造企业的生产管理特点， 发展趋势及其局限性，并介绍了柔性作业车间及其计划调度方式的特点。第三 章，综合考虑生产系统中的随机因素及各类资源约束，建立了模糊产能约束的 双目标生产批量计划模型，采用层次分析法建立多目标决策模型，并设计了遗 传退火混合算法，将退火思想融入遗传算法的交叉过程以及惩罚函数的应用中， 以提高算法性能。第四章，建立柔性作业车间的调度模型。基于柔性作业车间 的特点，建立了柔性作业调度的数学模型，综合考虑完工时间及设备使用情况 等多个优化指标，进行多目标优化，并设计了相应的遗传退火混合算法，采用 工序与机器的双层编码、解码方式，以及与此对应的双层交叉变异操作；第五 章，以某汽车零部件生产企业的冲压车间为对象，分析该车间的生产计划与调 度中存在的问题，产品工艺参数及设备使用情况，以m a t l a b 软件作为编程平台， 卜海大学硕上学位论文 结合前两章中建立的模型，依据车间的一个月的计划及需求数据，对生产批量 计划与柔性调度问题进行优化求解，使各项指标得到显著提高，并使用f l e x s i m 三维仿真软件对调度结果进行仿真，验证本文模型及算法的有效性。最后，针 对车间中存在的其他问题进一步提出改善建议。第六章，总结全文的主要研究 成果，提出本文的进一步研究工作。 1 2 i ：海大学硕上学位论文 第二章汽车零部件制造企业生产管理的特点 2 1 汽车零部件制造企业的现行生产模式 2 1 1 汽车零部件制造企业的发展特点 经过5 0 多年的发展，目前，我国汽车零部件专业生产厂商超过5 0 0 0 家， 截至2 0 0 3 年底，零部件行业从业人员达到了1 2 5 6 万人，已经形成一批具有相 当规模和一定市场占有率，产品具有一定科技含量、效益好的重点零部件企业。 汽车零部件产品的供应能力大大提高，一些汽车零部件企业正在不断地从整车 生产厂商中分离出来，零部件的生产和销售在一定程度上呈国际化、高科技的 发展趋势，零部件工业总体水平不断提高。据中国汽车工业年鉴对主要零 部件工业企业的统计，2 0 0 2 年实现工业总产值1 4 2 4 1 亿元，比1 9 9 7 年增长 1 8 2 8 ，平均每年递增2 3 1 ，超过了整个汽车行业的增长水平；2 0 0 2 年全年 实现利润总额1 0 6 3 亿元，比1 9 9 7 年增长3 2 1 8 ，平均每年递增3 3 4 ；2 0 0 2 年实现销售收入1 2 4 7 5 7 亿元，比1 9 9 7 年增长1 5 6 4 ，平均每年递增2 0 7 。 近年来，随着我国经济与世界经济联系日益紧密，尤其是加入w t o 以后， 作为制造业重要部门的汽车零部件业与国外同行业的交流与合作不断增加。由 于我国相关产业( 如钢铁业) 能力以及生产要素( 如劳动力) 等方面存在着的 某些优势，加之高速增长的大国市场的强大吸引力，我国的汽车零部件行业也 和其他一些行业一样，承接着发达国家的产业转移。这为我国汽车零部件行业 的发展提供了一个难得的机遇。 据不完全统计，目前外商在我国投资的零部件企业已超过1 0 0 0 家，而且近 年来数量增长很快。进入财富世界5 0 0 强的汽车零部件企业已全部投资进 入我国，建立了合资或独资企业。全球排名前1 0 0 位的汽车零部件供应商中至 少有7 0 以上都在中国开展业务。这些企业经营的汽车零部件业务主要集中在 车身、发动机、变速器、车桥、车架、转向、制动、电子与电器、饰件、空调、 乘客保护系统、音响、排放等领域。从市场份额上看，目前我国轿车的整车配 上海大学硕士学位论文 套市场( o e m ) 中，跨国企业的独资或合资公司约占5 0 以上的份额，其中包 括德尔福、博世等在内的前十名的跨国零部件供应商就约占1 0 至1 5 的市场 份额。跨国公司将生产向我国转移，为我国汽车零部件工业发展增添了新的活 力，使我国汽车零部件行业的管理效率、产品生产能力以及技术水平大大提高， 推动了我国汽车零部件行业的快速发展。 在跨国企业向我国进行产业转移的同时，包括国有、集体和民营企业在内 的许多内资企业也抓住这一机遇，纷纷通过大量引进先进的技术开发手段、加 工设备、管理手段和质量认证等方式，使得企业的管理水平不断提高，质量意 识增强，整体竞争力得到提升。 在2 1 世纪的今天，面对瞬息万变的市场，汽车零部件行业面临着变革和挑 战，呈现出自身的发展趋势： 1 ) 零部件工业保持与汽车工业同步发展的态势 世界主要汽车生产国发展汽车零部件工业的进程表明，零部件工业与汽车 工业基本上是同步发展的。在整车企业开发新产品时，零部件企业通过参与同 步开发，不仅可以减少整车企业人力和物力投入，而且可以缩短开发周期，同 时形成紧密依存、协同作战的伙伴关系和群体优势。 2 ) 产业结构调整，企业通过联合、重组、兼并等方式进行结构调整 近年来，由于各大汽车公司对其供应体制进行了大规模改革，致使汽车零 部件企业兼并之风盛行。在国家宏观政策引导下，有选择地扶持具有相当规模 且在产品和技术上拥有一定实力的骨干零部件企业，通过资产划拨、兼并、参 股及控股等方式，联合其他优势企业，形成大的零部件企业集团，提高零部件 产业的规模效益和整体实力。只有这样才能使零部件企业不断扩大实力，提高 产品丌发能力，缩短开发周期。 3 ) 零部件企业与整车企业之间的相互独立与剥离，促使全球零部件供应体 系向宝塔形结构演变 世界上许多汽车企业不断降低零部件自制率和减少协作厂数，实行全球生 产、全球采购的策略，从原先的向多家零部件厂商采购变为向少数系统供应商 采购：从单个零件采购转变为模块采购；从国内采购转为全球采购。这些变革 1 4 上海大学硕上学位论文 有力推动了零部件企业与整车企业之间的相互独立与剥离。零部件企业为了获 得竞争优势，它们之间的协作关系也更加紧密，使得全球零部件供应体系逐渐 向宝塔型结构演变。 4 ) 零部件企业的生产方式逐步向现代生产方式转变 随着整车企业对供应商的要求日益提高，传统的生产方式已经不能适应快 节奏的市场需求，提高零部件企业的生产系统柔性，引入现代管理理念，改变 传统的生产思维模式，创新观念，适应现代汽车企业的国际化生产需求。 5 ) 整车企业与零部件企业的供应链协作与准时供货体系的形成 在汽车配套体系内，企业间在基于相互信任的基础上形成长期的战略合作 伙伴关系，构成汽车产业的网状体系结构供应链，实现整个供应链的双赢。 在激烈的市场竞争形势下，整车企业要求供应商进行准时供货，零部件直接配 送到生产线进行生产，从而节省库存成本。准时供货体系对供应链提出了严格 要求即保持供应链的相对稳定和快速反应。 2 1 2 汽车零部件制造企业的管理模式 汽车零部件制造企业生产管理模式是指成本低，品质好，速度快的一种追 求综合效率最高的生产方式。综合效率不单纯追求个别效率而是要求达到整体 最优，生产管理中的各个方面都将对效率产生很大的影响，从系统最优的角度 来进行衡量综合效率，是当前生产管理模式研究中的难点。 图2 1 生产管理模式效率 上海人学硕士学位论文 图2 1 表示生产管理模式效率的概念f 5 2 】，可以看出效率是生产管理模式的 最终输出，而输入元素和转换机制将决定最终的效率。效率的最终体现是最低 供货成本，最优生产管理过程、最低库存保有量，实现最优经济性目标，达到 生产管理模式变革设定的目标。 2 1 3 汽车零部件企业生产管理中存在的问题 面对着严峻的挑战和严酷的现实，汽车零部件企业应该彻底改变传统的生 产管理观念，采用先进的生产方式，构造新的适合我国国情的生产管理模式， 迎接“第二次生产方式革命”，对促进企业生产与运作管理以及社会经济的发展 具有深远的战略意义。与现代企业的生产与运作管理相比，传统的汽车零部件 企业生产管理模式存在着以下的一些弊端： 1 ) 企业生产缺乏柔性，对市场变化反应迟钝 现代企业的生产组织必须适应市场需求的多变性，要求在短时期内，以最 少的资源消耗，从一种产品的生产转换到另一种产品。但传统生产管理模式是 以产品为单位，按台套编制生产计划，投入产品与调整产品对整个计划影响较 大，