（机械设计及理论专业论文）随机型双边装配线问题的平衡与仿真分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 装配线在当前大规模生产中具有重要地位和作用。本文在分析现有装配线平衡方 法的基础上，针对目前随机型装配线研究较少的情况，根据随机型装配线的特点，对 各工作元素操作时间的随机性进行研究，将操作时间转换成确定型时间，建立数学模 型、提出相应的平衡方法，并将该方法应用到双边装配线平衡中。 在大型产品的装配过程中，由于空间的限制，大多数企业开始使用双边装配线。 尽管双边装配线能缩短装配线长度，提高工装、夹具等利用率和工人的工作效率，但 由于其结构的特殊性，即各工作元素操作方位的限制和作业先后操作顺序的约束，传 统简单的装配线平衡方法已不再适用于解决这类问题，因此本文在结合现有平衡理论 的基础上，提出了适用于随机型双边装配线的平衡方法。 首先，根据随机型双边装配线的特点，建立了相应的数学模型来解决大型产品装 配线平衡问题。在双边装配线中，考虑到伴随工位之间操作顺序、操作时间以及操作 方位的相互关联、相互制约，本文提出一种基于操作时间的启发式方法，通过分析各 任务的操作时间和操作方位，确定任务的分配顺序以及任务的装配方位。该算法不仅 能有效实现随机型双边装配线的平衡，同时为随机型双边装配线平衡问题的数学解析 求解奠定了基础。 其次，本文进一步提出使用遗传算法来求解随机型双边装配线平衡问题，由于双 边装配线比单边装配线结构复杂，在进行解空间搜索的时候，本文采用基于序列的编 码方法，同时设计了新的合理的交叉、变异等操作，通过算例分析，验证了该算法具 有较高的寻优效率。 最后通过对某企业装载机整机装配线为例，使用e m p l a n t 建立仿真模型，验证以 上算法的实用性和有效性，在缩短装配线长度的同时，提高了产量和装配线利用率， 降低了产品装配成本，具有一定的经济效益。 关键词：随机型；双边装配线；启发式算法；遗传算法；仿真 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 曼曼曼曼曼兰。一一一 一一一。i i i ；! 鼍曼皇 a b s t r a c t t h e a s s e m b l yl i n e sh a v et h ei m p o r t a n tp o s i t i o na n dr o l ei nt h ec u r r e n tm a s sp r o d u c t i o n i nv i e wo ft h ep r e s e n ts i t u a t i o n so fa s s e m b l yl i n e ，a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h e s t o c h a s t i ca s s e m b l yl i n e ，t h i s p a p e rm a k e sr e s e a r c h e so nt h er a n d o m n e s so ft h ew o r k e l e m e n t s o p e r a t i o nt i m ew h i c hi sb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ee x i s t i n ga s s e m b l y1 i n e b a l a n c i n gm e t h o d s f i r s t l y , t h eo p e r a t i o nt i m ei s c o n v e r t e di n t od e f i n e dt i m e t h e i la m a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e d f i n a l l y , w ed e f i n eac o r r e s p o n d i n gb a l a n c em e t h o da n d a p p l yi tt ot h et w o s i d e da s s e m b l yl i n e d u et ot h el i m i t a t i o no ft h ed i m e n s i o n s ，m a n ye n t e r p r i s e sh a v et u r n e dt ou s et w o s i d e d a s s e m b l yl i n e ，e s p e c i a l l yi nl a r g e s i z e dp r o d u c ta s s e m b l yp r o c e s s e s t h et w o - s i d e da s s e m b l y l i n e sh a v em a n ya d v a n t a g e s f o re x a m p l e ，i tc a ns h o r t e nt h el e n g t ho ft h ea s s e m b l yl i n e a t t h es a m et i m e ，i ta l s oc a l li n c r e a t et h ee f f i c i e n c yo fw o r k e r sa n df i x t u r e se t c h o w e v e r , t h e t r a d i t i o n a ls i m p l ea s s e m b l yl i n eb a l a n c i n gm e t h o di sn ol o n g e ra p p l i c a b l et o s o l v i n gt h e b a l a n c ep r o b l e m sb e c a u s eo ft h ep a r t i c u l a r i t yo fi t ss t r u c t u r e n a m e l yt h er e s t r i c t i o no fe a c h e l e m e n to p e r a t i o nd i r e c t i o n sa n do p e r a t i n gc o n s t r a i n t so ft h es e q u e n c eo fo p e r a t i o n s s oi n t h i sp a p e r , w ep u tf o r w a r das u i t a b l eb a l a n c i n gm e t h o df o rt h et w o s i d e da s s e m b l yl i n e s b a s e do nt h ee x i s t i n gb a l a n c i n gt h e o r y f i r s to fa l l ，i no r d e rt os o l v et h el a r g e - s c a l ep r o d u c ta s s e m b l yb a l a n c i n gp r o b l e m ，a c o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l i se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so f s t o c h a s t i ct w o - s i d e da s s e m b l yl i n e t 1 1 i sp a p e rp r o p o s e sah e u r i s t i cm e t h o df o rt w o s i d e d a s s e m b l yl i n ew h i c hi sf u l l yc o n s i d e r e dt h er e l a t i o n sa n dc o n s t r a i n t so ft h eo p e r a t i o n a l d i r e c t i o n , a n dt h es e q u e n c eo ft a s k s ，o p e r a t i n gt i m eb e t w e e nt h em u t u a ls t a t i o n s t h e n ，t h e a s s i g n m e n td i s t r i b u t i o no r d e r sa n dd i r e c t i o n sa r ed e t e r m i n e db ya n a l y z i n gt h eo p e r a t i o n t i m e sa n do p e r a t i o n a ld i r e c t i o n s n l ea l g o r i t h mp r o p o s e dc a nn o to n l ym a k et h eb a l a n c eo f t h ea s s e m b l yl i n ec o m et r u ee f f e c t i v e l y , b u ta l s om a k e st h es t o c h a s t i ct w o s i d e da s s e m b l y l i n eb a l a n c i n gp r o b l e ms o l v e dw i t hm a t h e m a t i c a lm e t h o dp o s s i b l e s e c o n d l y , t h ep a p e ra l s ob r i n g sf o r t hag e n e t i ca l g o r i t h mt os o l v et h es t o c h a s t i c t w o s i d e da 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 es t r u c t u r eo ft h et w o s i d e da s s e m b l yl i n ei s m o r ec o m p l e xt h a nt h eo n e - s i d e a s s e m b l yl i n e i nt h i sa l g o r i t h m ，as e q u e n c e d - b a s e d ， c o m b i n e dc o d i n gs c h e m ew a sa d o p t e d ，c o m b i n e dw i t ht h en e wc o r r e s p o n d i n gc r o s s o v e ra n d m u t a t i o no p e r a t i o n s t h e n ，w ec a n p r o v et h a tt h i sa l g o r i t h mh a sab e t t e rs e a r c h i n ge f f i c i e n c y t h o u g he x a m p l e s f i n a l l y , t h i sp a p e rt a k e st h ea s s e m , b l yl i n eo fal o a d e ra sa ne x a m p l e as i m u l a t i o n m o d e li se s t a b l i s h e dw i t he m - p l a n tt ov e r i f yt h e p r a c t i c a l i t ya n de f f e ：c t i v e n e s so ft h e s e a l g o r i t h m sw r i t t e na b o v e w ec a ns e et h a tt h el e n g t ho ft h ea s s e m b l yl i n ei ss h o r t e n ，a tt h e s a m et i m e ，t h ep r o d u c t i o na n du t i l i z a t i o na r ep r o m o t e d t h ec o s t so fp r o d u c t sa r ea l s o 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 r e d u c e d a l lo ft l l e s eh a v eag r e a te 位c to ne c o n o m i cb e n e f i t s k e y w o r d s ：s t o c 胁i c ；t w o s i d e da s s e m b l yl i n e ：h e 嘶s f i cm e t l l o d ：g e n e t i ca l g o r i t h m ； s i m f l m i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼量皇曼曼曼曼i i 1 1 i 曼曼鼍曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼! 曼曼曼 1 1 课题的研究意义 第1 章绪论 随着科学技术的进步和生产力的不断发展，人们的消费观念也在发生不断的变化， 社会经济的发展和市场的日趋饱和，尤其是进入2 0 世纪9 0 年代以来，消费者的需求特 征发生了前所未有的变花，导致产品消费节奏明显加快，消费行为更具有选择性，客户 的个性化需求越来越高。包括汽车、装载机生产在内的企业面临着产品的生命周期越来 越短、订货品种增多、生产管理难度越来越大等问题。由于装配线平衡问题直接关系到 设施利用率和生产效率，间接影响到产品的质量，此外，提高生产线的平衡率有利于调 动劳动人员的工作积极性，装配线平衡给员工带来的公平感，有助于提高员工之间的团 队合作精神。而在不平衡的生产线上，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，影响整个生产线工人的士气。因此，装配线的平衡及改善，是现代制造领域 中的一个十分重要的问题，其微小的改进都可以导致在经济上获得显著的收益，因此也 是企业关注的热点。 近年来，许多制造商已经陆续组织起各类装配线，使得各企业在生产率、产品利润 和产品质量等方面得到了一定程度的提高。由于产品在流水线上是以一定速度移动的， 因此要求各工位上的作业时间应满足一定的节拍要求，以免造成某些工位的任务堆积而 某些工位却在等待中流失工时的现象。而阻塞、等待等现象，除了会造成无谓的工时损 失之外，还造成大量的工序堆积，导致生产系统的物流阻塞，严重时会造成生产线的中 止。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有 5 1 0 的装配时间浪费在平衡延迟中，装配线平衡问题多年来一直受到人们的重视【1 】。 由于装配线技术尚不算很成熟，在企业生产管理中并未得到深入应用，因此在生产 过程中存在十分严重的资源浪费、效率低下等问题。从理论上讲，装配线平衡问题属于 n p 难题，虽然对它的研究已经有几十年的历史，但至今理论研究与实际应用之间还存 在着很大的差距。随着j i t 思想的广泛应用，实际生产中的平衡方法能够响应系统的动 态变化，但不能保证得到好的平衡：一些平衡方法理论上尽管能提供最优解，但由于计 算的复杂性，忽略了很多实际因素，离实际运用还有较大差距。 生产线对于企业生产有着重要意义，尤其对于生产规模大、产品复杂程度高的企业。 如今拥有先进技术的部分企业已经实现自动化生产，这无疑是生产线历史上的个重要 的变革。虽然自动化的装配线拥有很多优势，在相当大程度上实现了生产效率的提高， 但目前许多装配线还是以人工为主，甚至完全依靠人工完成。尽管采用人工为主的装配 线能够大大降低生产成本，但在这样的装配线中，往往存在一个无法避免的问题：由于 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 大量人为因素的存在，在对其进行分析与优化时，不确定因素的影响是不能忽略的。由 于不确定因素的影响，组成整个加工任务的各个单元的实际时间不能用确定的数值表示， 通常只能用一个随机分布函数进行描述，这样的装配线叫做随机型装配线。 在以往的研究中，研究人员已经认识到并提出了装配任务时间的随机性，大部分研 究随机问题的方法都是由确定型问题的方法变化得来的，也有一些启发式算法专门用于 随机型问题的研究，但是这些算法只能解决最简单的随机型装配线问题，并没有进一步 应用于复杂的随机型问题中。尽管随机型问题越来越复杂，但它能更切实地体现出现代 制造业的状况【1 】，因此本文的研究无论是从理论上还是从实际生产上讲，都具有较大意 义和研究价值。 通常生产过程系统比较复杂，由于建立的数学模型本身的复杂性，如随时间变化的、 高阶的、非线性的模型，就难以用现有的仿真软件来实现，我们可以根据实际数据建立 系统的模型，并在模型上进行仿真实验，然后逐步取得较为精确的解，逼近真实生产过 程的主要特征，从而达到对实际生产过程研究的目的。实验证明，用仿真软件对生产过 程仿真具有方便、经济、快捷等特点。目前已经有不少大中小型制造企业应用各种系统 仿真软件，但是e m p l a n t 应用到双边装配线上还很少。因此，本文使用系统仿真软件 e m - p l a n t 实现装载机整机装配线的仿真，建立模型，对装配线进行平衡分析。 1 2 国内外现状分析 自世界上第一条现代装配线诞生以来，装配线技术得到迅猛的发展和广泛的应用。 装配线问题属于n p 难题，因此不能用简单的算法解决。研究人员进行了大量的研究， 提出了各种算法，比如j a c k s o n 算法 2 1 、分枝定界算法 3 1 、启发式算法【4 1 、遗传算法【5 1 、随 机算法【6 】等。到目前为止，对装配线平衡问题的研究主要集中在使用这些算法解决确定 型装配线的平衡问题上，很少有研究者将注意力放在随机装配线的平衡问题上。在现实 的制造环境中，由于工人的疲劳、操作技能的差别、心理上对工作环境的不满、装配设 备的使用维护不当以及装配零部件的质量缺陷等因素，都会造成作业元素操作时间的变 化。所以，对随机装配线的平衡方法进行研究更具有现实意义。但用于解决确定型装配 线平衡问题的普通算法并不完全适用于解决随机型装配线平衡问题，研究者们对随机装 配线的平衡问题进行了一些初步的研究，提出了一些平衡方法，这些方法在使用过程中 都有利有弊，并且都没有得到进一步的研究【7 , s l 。 1 2 1 国外研究现状 m o o d i e - y o u l l g 【9 】首次提出和研究了随机型装配线，随后m a n s o o r 和b e n t u v i a 0 1 、 r a m s i n g 和d o w n i n g 川、r e e v e 和t h o m a s 1 2 1 、s c h o l l 1 1 对随机型装配线进行了进一步的研 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 曼1 1 m 一i 一i i 。i 舅曼曼曼曼曼曼 究和探索，这些研究成果主要采用传统的启发式方法建立数学模型，只能解决简单的、 规模较小的、单品种的装配线问题，而大规模随机型装配线目前还没有比较适用的解决 方法。s a b u n c u o g l u ，i 和s e k e r c i ，h 【1 3 】提出了一种解决u 型随机装配线的一种束状搜索法， 该方法能使包括人工成本和预期完工成本在内的总成本最小化。束状搜索法已经运用于 很多个领域，用于解决装配线平衡问题这是第一次，但是该方法的计算复杂程度相当高， 需要花费大量的时间和资源。g r a s s i 和r i m i n i 0 4 j 提出了一种求解装配线二次平衡的新的 启发式算法，在原有装配线基础上，当输入参数发生变化( 如产品属性和生产周期) 时， 考虑了现代工业生产各方面因素，通过使以下两方面参数最小化来处理装配线平衡问题： ( i ) 劳动单位和预期未完工成本；( i i ) 任务再分配率。该方法的提出，为今后的研 究提供了一个良好的开端，特别是当可变因素在装配线平衡问题中起主导作用的时候。 在相关文献中， e r e l 和s a t i n ”】综述了装配线平衡问题的启发式方法，分别对装配线平 衡问题进行了分类研究。e r e l 从装配产品种类和操作时间上，将装配线的平衡问题分为 单品种确定型、单品种随机型、多混合品种确定型、多混合品种随机型四类，而且给 出了各类问题对应的求解思路。s c h o l l t l 】的分类考虑了装配线是否有固定节拍，并将混合 型装配线问题和多产品批次问题分开研究，此种分类概念上更清晰。 装配线平衡的另一个重要问题是考虑了任务时间的可变性，主要由于人工操作的工 作效率、技能、动力以及故障灵敏度等复杂过程等引起的相当大的差异，因此需要考虑 随机工作时间。除了人工操作本身引起的变化以外，还有其他可能影响装配线平衡的因 素，如处理空的货箱，运送装满货物的货箱等( b a r t h o l d ie ta 1 ，2 0 0 1 ) ，难于把零件组合 并装配在一起( b u z a c o t t , 1 9 9 3 ) ，或者无法明确提出的任何资源的可变性( 如工人眼中 进一粒灰尘产生的影响) ( h o p p ，1 9 9 6 ) 。 u r b a n 16 】考虑了由于人因或各种干扰引起任务时间的可变性，分析了在任务时间不 同时的启发式方法，研究出了一种混合的启发式算法，该算法由一种初始可行解模型和 一种改进的解法模型组成，能够求解大规模任务的装配线平衡问题。 c h a n d 和z e n g t l 6 1 仔细研究了传统装配线和u 型装配线在随机时间下的不同点，但没有 提出一种能平衡u 型随机装配线的方法；u r b a n - c h i a n g 【1 6 1 将随机u 型平衡问题看做是一个 受约束的、线性的、整数规划问题来寻找小规模的问题的最优解，但是还没有一种启发 式方法来求解随机时间的大型u 型装配线问题。 g u e r r i e r o t l 7 1 等人提出了一种求解任务数量为2 5 个或更少装配线问题的回归算法，但 大规模问题还没有最优求解方法，为其他包括启发式算法在内的算法更深远的研究提供 了基础。 o z b a k i r t l 8 1 提出了种适用于时间是随机的任务的u 型装配线的混合遗传算法。随机 装配线问题实际上是一个多目标问题，g e b e n n i n i 等【1 9 】根据随机装配线特征给出了一种寻 求最优解的混合单边启发式算法，另外提出了一种多目标遗传算法。由于产品设计工艺 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 i i i 和制造过程技术等因此决定的作业元素之间的优先关系的存在，装配线任务数的增加， 使得问题异常复杂。 1 2 2 国内研究现状 1 9 9 4 年，贾大龙刚等人提出探讨如何利用仿真方法搜寻随机装配线的平衡及优化问 题，给出了一种经过改进的、能使用计算机实现的启发式平衡搜寻方法。对于将作业元 素时间考虑为随机变量的随机装配线，建立了一个计算机仿真模型，通过模拟运行获得 了满足指定生产率的平衡方案及相应的最小工位数，但对于平衡延迟和周期的极小化问 题并没有进行深入研究。 周亮【2 1 1 等人采用遗传算法来研究随机型和u 型装配线平衡问题，由于在求解随机装 配线平衡中，使用的遗传算法与求解确定型装配线平衡的遗传算法在编码、译码、交叉 和变异算子的设计方式上都很相似，只是在处理工作站负荷与生产节拍之间的约束上有 一定的区别随机型装配线平衡问题中，必须考虑“完工率，在确定型装配线平衡中 则不需要考虑这个问题。因此对于随机型装配线的平衡问题的遗传算法，主要运用仿真 的手段，研究在遗传算法中“完工率”参数的设计对各种类型目标函数的影响，该方法 得到了较好的平衡效果。 张斌杰【2 2 】等人运用随机启发式方法对合并后的工作单元进行平衡排序，通过改变预 设超限概率，获得一组排序方案。采用工作站总数、装配线效率、平滑指数和成本四个 指标对这组排序方案进行综合评价，挑选出最佳的排序方案，并且用系统仿真来检验该 最佳方案的实际运作效果。该方案的提出是建立在“结合m o o d i e y o u n g 方法的随机装 配线平衡方法 的基础上，通过对该方法中的预设超限概率值的深入分析，获得了一组 有限数量的装配线的排序方案，然后对这些排序方案作出评价，从中挑选出最佳的排序 方案。但在工作单元总数较大时会产生较大波动，也就是说该方案还不能解决规模较大 的生产线问题，仍然停留在解决作业任务数较少的情况下。 国外对随机装配线的研究进行了大量的工作，提出了一些解决问题的算法，这些算 法都是在装配线任务数量较少的基础上提出的；而国内研究人员近年来的讨论还很少涉 及到随机装配线的优化上。与传统的装配线相比，随机型装配线具有更灵活、更符合生 产现状的特点。但是，随机型装配线也对生产平衡方法提出新的要求，使传统的装配线 平衡方法不再完全适用，必须进行新装配方式下的平衡进行深入的研究，尤其是对于大 规模的随机型生产线的研究显得更加迫切。 1 3 课题研究目标、研究内容、解决的关键问题 1 课题研究目标 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 ) 设计随机型双边装配线改进、优化方案，确定可行、有效的工作方法。 2 1 调整、改造现有装配线，使装配线系统达到整体优化的目标。 2 研究内容 1 ) 研究随机型双边装配线特征及存在的问题； 2 ) 使用启发式算法，研究随机型双边装配线平衡问题相应的数学模型； 3 ) 设计改进的启发式算法，研究随机型双边装配线平衡问题数学模型和算法求解； 研究遗传算法的使用方法，利用遗传算法解决随机型双边装配线的平衡问题； 4 ) 使用仿真软件e m p l a n t 建立随机型双边装配线平衡模型，将理论算法与实际算 例相结合，证明改进型启发式算法以及遗传算法的有效性。 3 解决的关键问题 1 ) 针对随机型双边装配线平衡问题的特征提出有效的改进的启发式算法； 2 、) 如何设计合理的遗传操作，将遗传算法应用于随机型双边装配线问题中，实现 任务的较优分配； 3 ) 使用仿真软件e m p l a n t 建立随机型双边装配线仿真模型，并进行仿真优化求解。 1 4 采取的研究方法、技术路线、试验方案 采取的研究方法、技术路线、试验方案 1 分析随机型双边装配线存在的问题，总结生产线特点和生产管理现状； 2 在装配线的特点和生产管理现状的基础上，找出影响生产能力的各种因素，整理 和分析原始数据，绘制装配路线图和工艺优先图； 3 分析随机型双边装配线上各工作单元，采用启发式算法和遗传算法对装配线进行 平衡，利用仿真软件e m p l a n t 建立生产线的仿真模型； 4 分析国内外学者针对启发式算法所进行的改进研究，设计基于随机型双边装配线 平衡问题的改进启发式算法； 5 研究遗传算法应用于装配线平衡问题的具体方法，并将其改进应用到随机型双边 装配线平衡问题中，针对特殊问题的编码、解码以及交叉、变异等进行具体分析； 1 5 创新性 本课题具有以下创新点： 1 在分析已有算法的基础上，提出新的研究随机型双边装配线的启发式算法； 2 设计新的遗传操作，将遗传算法应用于随机型双边装配线平衡问题中。 3 根据启发式算法以及遗传算法的平衡搜索过程比较结果，利用仿真软件e m p l a n t 对随机型双边装配线进行建模仿真。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 曼曼曼皇曼皇曼曼曼皇曼量曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼孽皇! 曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼! 量量曼曼蔓曼蔓i i n l mmm ,i 皇皇鲁曼曼曼曼皇曼曼曼曼 1 6 论文结构和主要内容 在确定了论文的研究意义及研究内容之后，根据装配线平衡的相关理论，使用启发 式算法、遗传算法等不同的方式对随机型双边装配线进行分析，并比较两种方法的研究 结果，为了有效获得较佳效果，最后使用仿真软件对装配线的设计效果进行仿真，得出 本文的结论。 匝塑匦 实例分析 结论与建议 图1 1 研究流程和框架图 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章装配线的概念和优化算法 2 1 装配线的概念 装配线是人和机器的有效组合，在制造企业的批量生产中不可或缺。装配线平衡问 题( a s s e m b l yl i n eb a l a n c i n gp r o b l e m ，a l b p ) ，指的是作业流动间负荷差距最小，流动 顺畅，减少因时间差所造成的等待或阻塞现象，即在一定的传输速度和作业量下，如 何尽量均匀地将作业元素分配给装配线上每个工位，满足各作业元素间的优先顺序约 束，同时保证各工位操作时间不超过生产节拍，从而提高生产效率，达到降低生产成 本的最终目的。 产品是按照预先设计好的工艺流程依次通过每个工作站，完成各道工序的速度也是 预先设定的，由于产品装配是一个连续不断的重复过程，因此产品装配线的具有以下 几点特征： 1 ) 工位专业化程度高，工序在固定的工位上、由固定的工人完成； 2 ) 工位按照产品的加工路线，顺序地排列成链状线，工件在工位之间呈单向运动； 3 ) 各工位的时间含量基本相等； 4 ) 按照统一的节拍进行生产，即每个工人在相同的时间间隔内、在固定的位置上 完成一个作业循环； 5 ) 工艺过程顺序性、封闭性好，工件在生装配上连续移动进行加工或者装配，不 接收线外作业； 6 ) 生产过程连续、顺畅，不易产生积压和脱节； 2 1 1 装配线的基本原理 在科学管理和劳动分工原理下建立起来的装配线技术，其基本原理是按照一定的标 准和要求，把一个生产动作重复的过程按照合理的工艺流程分解为若干个子过程，每 一个过程可以与其他子过程同时进行。将若干个零件组合成部件，称为产品装配，而 将这若干个零件组合成产品的过程，称为装配。 装配线平衡问题实质上是组合优化问题，但由于受到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的约束，这个问题变得异常复杂，作业元素之间的 先后关系决定了装配过程中操作完成的先后顺序【2 3 1 。装配生产线的整体平衡率不仅能 直接反映装配生产线的效率，而且使产品的质量受到影响，劳动强度大的工人为了赶 上装配线的节拍，追求速度而忽略了产品质量。 近几十年来，各类产品生产过程都已发生了显著的变化，其主要特征是生产规模的 大型化和生产过程的连续化【2 4 1 。在不断发展和提高装配线的原理和方式同时，装配线 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 曼曼曼曼曼皇曼曼量量曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼舅量鼍寰! 曼曼鼍曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅璺曼曼皇曼! 曼曼。m m_ m mm l _ m m m i i - 。m = i 皇皇皇 的管理技术也取得了重大的突破。最初的单件制造、纯手工操作方式，由于工人操作 技术不够纯熟，导致生产成本往往较高，缺乏统一性和可靠性，因此生产效率一直低 下，产量也得不到提高。1 7 7 6 年3 月，亚当斯密第一次提出劳动分工的观点，并系统 全面地阐述了劳动分工的巨大作用，随后便诞生了一种以分工为基础的机械化生产方 式，即大批量生产方式。随后，泰勒提出了科学管理的思想，即应该制定正确的工作 方式和标准工作量，而不能只凭以往的经验操作，然后按标准统集中训练工人，工 人按照标准进行工作并达到要求的标准工作量，以达到提高生产效率的目的。当社会 需求出现多样化趋势后，越来越多的制造业开始在产品样式、装配形式以及解决装配 线问题的方式上寻求突破。第二次世界大战后，丰田汽车公司创造出了一种新型的流 水生产方式，即j i t 生产方式，它保留了流水生产高效率的有点，克服了转换产品困 难的缺点，使得多种结构相似的产品能同时在一条流水线上进行生产。 装配流水线的诞生以及发展，为世界制造业的发展奠定了基础，使得企业有了大量 生产统一标准的产品的能力，极大提高了劳动生产效率。而一条合理的装配流水线应 该尽量减少迂回、停整和搬运，保证装配线生产具有一定的灵活性，并有效利用人力 和面积，这就在装配线的设计和改进技术上对企业提出了要求，即如何才能以最有效 的方式生产出高质量的产品，同时降低成本，在最短的交货期内以及最佳的投产时间 去开拓市场，因此企业需要从多方面考虑和确定装配线的设计原则和改善原则。 2 1 2 装配线设计原则 装配线的平衡是装配线的设计与管理中一个很重要的问题，因为装配线的平衡与 否直接影响到制造系统的生产力。而装配线在设计和布置过程中，受设备、产品、人 员、物流运输以及生产方式等诸多因素的影响，其设计过程要与企业的管理模式相结 合，考虑生产过程中各种因素的影响，针对每一种因素拟定合理的改善方法。首先应 确定设计思想，从专业化、柔性化方向发展，不断改善装配线的布置，从而适应新的 生产经营要求。 而装配线的设计布置要精心，否则设计好的产品、昂贵的设备和良好的销售等都 会断送于拙劣的装配线布置。同时装配线布置要与现代化管理相结合，要考虑如何进 行管理比较方便合理，因此装配线应按照以下几点原则进行设计： ( 1 ) 简单化原则 装配线布置要力求简单，使管理简便，避免错综复杂、复杂化，方便今后在生产 过程中进行改善。 ( 2 ) 流向合理，移动最短原则 装配线布置设计要保证物流设计的合理性，即整个产品装配过程是连续不断的， 中间没有停顿、倒流和长距离运输，避免产生浪费。合理的物流可以减少在物流上所 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 花费的人力、物力，达到降低成本和改善质量的效果。在物流上，要求物流量大的工 位对之间的运输距离量尽量短，避免停滞、超越和阻塞。 ( 3 ) 有效利用面积原则 在装配线布置中，要充分有效利用面积，在保证一定的维修空间下尽量减小设备 间隔。这不仅能提高面积利用率，也能减少工人行走的路程。 ( 4 ) 安全便于工作原则 安全生产是装配线布置的基本目标之一。保证工人工作满意度，不仅能方便生产 管理，也能降低生产管理费用和改变工人的精神面貌。同时，在工作中，一定要强调 5 s 活动，即整理、整顿、清洁、清扫和素养。 ( 5 ) 弹性原则 装配线的布置设计要具有一定的灵活性，方便今后的扩建和改动，即花费最少费 用，能最方便地对装配线布置进行调整，在装配线设计阶段，必须分析到各种变化因 素，以适应生产计划变化。 装配生产方式的主要优点是可以提高劳动生产率，降低成本，有利于生产管理方 式的改善，但装配生产方式的缺点是灵活性较差，对市场产品产量和品种的变化适应 性较差，其建设和调整都需要花费较多的人力、物力和财力。因此，在设计装配线结 构的时候，还需要具备以下条件： 1 ) 产品结构和工艺具有一定的稳定性，以使装配线上各专用设备能够充分发挥其 效能； 2 1 产品产量要足够大，以保证装配线能够达到经济合理的负荷率； 3 ) 能按时供应必须的原材料，避免装配线产生停滞，造成浪费； 4 1 工艺过程容易划分为简单工序，且能根据工序同期化的要求把某些工序适当合 并和分解，使各工序的工时差距不大【2 5 】。 2 1 3 装配线改善原则 好的装配线不是一次就能设计好的，往往需要根据实际生产情况进行逐步完善和 改进，通常情况下，装配线平衡率改善的基本原则是通过调整工序的作业内容来使各 工序作业时间接近，或减少这一偏差。实施时可遵循以下方法： ( 1 ) 首先应考虑改善瓶颈工序，作业改善的方法，可参照程序分析的的改善方法 及动作分析、工装自动化等正方法与手段； ( 2 ) 将瓶颈工序的作业内容分担给其他工序，降低平滑系数，提高工位使用率； ( 3 ) 增加工人数量，只要平衡率提高了，人均产量就提高了，单位产品成本也随 之下降； ( 4 ) 尽量合并操作时间短的工序，重新安排生产工序，相对来讲在作业元素较多 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 的情况下容易平衡； ( 5 ) 分解作业时间较短的工序，把该工序安排到其他工序当中去。 2 2 装配线平衡算法研究 传统的装配线平衡问题是将单一产品制造过程视为一连串需要被分配给不同工作 站的工作。其装配工作分配原则不仅是将执行各个工作所需的时间单元加以整合为时 间单元相近的工作群，并且仍将维持原本各个作业元素间已存在的先行关系。合理地 组织作业分配和投产排序这类问题，需要在已建模型的基础上，选用或设计适用的求 解算法进行求解。优化算法是指一种搜索过程或规划，基于某种思想和机制，通过一 定的途径或规则来得到满足用户要求的问题解。它可以分为精确求解方法、优化方法 和启发式方法。 早前，研究者们尝试用精确算法来求解装配线平衡问题，主要有线性规划 2 6 , 2 7 、整 数规划【2 8 】、动态规划 2 9 , 3 0 1 和分支定界法 3 13 2 ，s c h o l l 3 3 1 提出的双向分支定界法用于求解 装配线平衡问题，通过建立前向序列和后向序列来分配作业元素，借助计算机来求解 大规模的装配线平衡问题。 线性规划解决的是目标函数和约束条件都是线性的最优化问题，线性规划是最优 化问题领域中重要的范畴之一，在2 0 世纪6 0 年代b o w m a n 等人提出利用线性规划方 法求解a l b 问题，它将目标和各种约束条件表示为线性关系或线性不等式，通过把装 配线平衡问题的求解转换为线性优化问题来求解。但是在实际中有很多问题不能用简 单的线性关系精确表达，加之它并非是确定性多项式算法，同时对于实际问题，存在 着组合爆炸的现象，因此极大地限制了在实际问题中的使用。 整数规划和古典的求极值的问题在本质上有所不同，固定的方法只能处理具有简 单表达式和简单约束条件的情况。而现代的数学规划问题中的目标函数和约束条件都 很复杂，而且要求给出某种精确度的数字解答。尽管数学模型法能找到最优解，但实 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复杂，计算机耗时也较 多，而且由于装配线平衡问题的复杂性，在很多情况下这些方法得到的最优解并不符 合生产的实际情况。因此对于算法的研究受到极大的重视。 动态规划法常用于解决多阶段决策过程最优化问题，技巧性很强，难度也比较大。 作为运筹学的一个重要分支，动态规划是解决多阶段决策问题的一种有效的数量化方 法。动态规划最初是由美国学者贝尔曼等人所创立的。1 9 5 1 年贝尔曼首先提出了动态 规划中解决多阶段决策问题的最优化原理，并给出了许多实际问题的解法。动态规划 的优点在于，它把一个多维决策问题转化为若干个一维最优化问题，而对一维最优化 问题一个一个地去解。这种方法是许多求极值方法所做不到的。同时动态规划能求出 全局极大或极小值，这一点也是优于其他优化方法的。动态规划是求解最优化问题的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 一种有效方法，是解决问题的一种途径。但是动态规划的数学模型的建立相当复杂， 其中状态表示是最困难却也是最重要的。建立正确的动态规划模型，必须满足动态规 划的状态表示描述的子问题为最优子结构性质。 分支定界法作为一种精确求解方法，求解问题的效率与问题的定义方法、评价函 数的质量等因素有关，如果能够合理设计这些因素，也可将其用于小规模问题的求解。 但其同样存在着组合爆炸问题，一般受问题规模影响较大，因此分支定界法一般只适 用于小规模问题的求解，不适于求解大规模问题。 随着生产、经济、技术的发展，在实际工作中，人们常常会遇到这样一些问题： 在安排生产计划方面，如何在现有的人力、物力等条件下，合理安排生产，使总生产 效率和总利润最高；在资源分配中，如何使分配的方案既能满足要求，又能取得较好 的经济效益；在生产工艺确定方面，如何在保证产品质量的前提下，选择合理的操作 方式，使操作费用最低。诸如这些问题，都是工程应用中的最优化问题，它们的共同 点都是从多个可行的方案中选出最合理的、能实现预定最优目标的方案，称之为最优 方案。长期以来，人们为了得到最优方案进行了不断的研究和探索，以期望找到科学、 合理的求解方法。 优化算法是建立在数学规划基础上的。尽管数学规划方法比较成熟，但只能有效 地解决小规模优化问题。对于复杂的大规模生产问题，随着装置数和任务数的增加， 其解析模型的规模急剧增大，导致求最优解往往是n p 难题，在一般优化方法难以求解 的情况下，启发式方法在这方面显示出了自身很大的优越性。 启发式方法有基于规则的构造方法、基于人工智能的方法、随机搜索方法、基于 仿真的方法【2 】。启发式方法是从当前角度出发，根据决策点时刻装置、任务所处的状况 进行分配，保证了局部最优，但难以保证全局最优。 k w 法，由k i l l b r i a g e 和w e s t e r 提出剐。k w 法是一种启发式算法，利用优先图 作为一种平衡工具。优先图中的作业要素，只要相互之间没有箭头制约，就可以自由 地进行要素交换，这样方便了问题求解，但是，k w 算法只能排出一个可行的工序顺 序并不能得到最优解。近年来，一些新型的启发式算法得到了飞快的发展，并在优化 求解方面取得了突出的成绩，例如：遗传算法、模拟退火算法、禁忌算法等等。不少 研究人员通过将这些新型的算法应用到生产线平衡问题的求解过程中，取得不错的效 果。 2 3 装配线分类 2 3 1 装配线平衡问题的分类 根据研究的对象、内容以及约束条件不同，可将装配线平衡问题分成多种类型， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 0 0 6 年，b e c k e r 和s c h o l l t 3 5 1 将装配线平衡问题划分为两大类：简单装配线平衡问题 ( s i m p l 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 ，s a l b p ) 和一般装配线平衡问题( g e n e r a l a s s e m b l yl i n eb a l a n c i n gp r o b l e m g a l b p ) 。在简单装配线平衡问题中，工人单边作业， 因此通常又将其称为“单边装配线平衡问题”。虽然简单装配线平衡问题的假设条件不 符合大多数生产实际情况，但它是研究装配线平衡问题的基础。一般装配线平衡问题 则是通过对简单装配线平衡