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浙江工业大学硕士学位论文 制造企业装配线物料准时配送优化研究 摘要 随着市场竞争的日益加剧，制造企业面临产品周期变短、市场变化莫测等难题，企 业为了适应市场的需求而越来越趋向于多品种小批量的柔性生产。但是产品种类多、产 品间差异小、状态变化快等特点导致生产线尤其是装配线的物料配送困难。在正确的时 间，将正确的物料配送至正确的工位是保证装配线生产顺利进行的关键。因此，研究高 效的装配线物料配送模式及其方法对面向多品种小批量生产的“拉式 生产具有重大意 义。 本文的主要研究目的是从物料配送的角度，寻求适合制造企业装配线“拉式 生产 的物料准时配送模式及其具体方法。本文的主要工作和成果如下： 1 阐述了课题的研究背景与意义，综述了制造企业装配线物料配送理论研究现状； 综述了装配线物料配送的模型构建与算法研究现状，以及本文采用的量子进化算法的研 究进展。 2 分析装配型企业特点及其在物料配送中存在的问题，并且对装配线上的物料进行 了分类；分析了不同物料的配送特点，对装配线物料进行了分类，提出了针对j 1 t 物料 的供应商配送以及针对缓存区物料的带缓存区的物料配送。 3 以某汽车总装线的缓存区物料配送系统作为研究对象，分析其现有配送模式下存 在的问题，提出本文的优化方法，包括物料分类、牵引车配送路径优化、看板控制库存； 分析工位段的缓存区物料需求的时间窗类型，建立牵引车物料配送的带时间窗的车辆路 径数学模型；为更好地求解，将总装线的工位划分为着干工位段；在上述优化的基础上， 提出总装线的基于看板的缓存区物料准时配送方案。 4 设计混合量子进化算法：在基本量子进化算法的基础上，选择量子旋转门作为量 子门进化算子，加入2 - o p t 局部优化算法以优化出现交叉时的子路径，选择单点量子交 叉进一步优化种群；采用两个算例进行检验，结果表明本文算法能够快速求解带时间窗 的车辆路径问题；运用此算法求解了上文建立的该汽车总装线的牵引车物料配送的带时 间窗的车辆路径模型。 5 采用i d e f 0 方法对牵引车物料配送过程进行建模分析，运用面向对象的e m p l a n t 仿真软件，在确定装配线生产节拍、总装线工位段布局、工位段物料需求、牵引车物料 配送路线等输入参数后，对优化前后的该条总装线生产及其物料配送分别进行仿真，结 果表明通过本文提出的优化策略能提高工位段的设备利用率，有效控制线边库存，降低 物料配送成本，提高生产率等。 摘要 6 对全文的主要研究工作进行了总结，展望了下一步的研究工作。 关键词：“拉式 生产，物料准时配送，看板，车辆路径，混合量子进化算法，e m - p l a n t 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h eo p t i m i z a t i o no fj i t d i s t l u b u t i o nb a s e do na s s e m b l yl i n eo f m u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e a b s t r a c t w i t ht h em a r k e tc o m p e t i t i o ni sp r i c k i n gu p , m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e sa c o n f r o n t e d w i t h 锄c u l tp r o b l e m s , s u c h 猫s h o r t e rp r o d u c tc y c l e s , m a r k e tu n p r e d i e t a b l e i no r d e rt o a d a p tt h em a r k e td e m a n d , m a n u f a c t u r e r st e n dt ob u i l df l e x i b l ep r o d u c t i o nw h i c hi su s e dt o s o l v et h ep r o b l e mo fm u l t i - t y p ea n ds m a l lb a t c hp r o d u c t i o n b u t , p r o d u c tv a r i e t y , s i m i l a r p r o d u c t s ，s t a t ec h a n g eq u i c k l ya n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c sr e s u l ti nm a t e r i a lf e e d i n gd i f f i c u l t i e s o nt h ep r o d u c t i o nl i n e ，e s p e c i a l l yt h ea s s e m b l yl i n e m a t e r i a lf e e d i n go fa s s e m b l yl i n ei st h e k e yt oe n s u r es m o o t hp r o d u c t i o n , a n dt h ep r o c e s si st h a t , a c c o r d i n gt od e m a n d , t i m e l ya n d a c c u r a t e l yt od e r i v e rm a t e r i a lt ot h ew o r k s t a t i o n t h e r e f o r e ，f i n d i n ge f f i c i e n tm e t h o d so f m a t e r i a lf e e d i n gf o ra s s e m b l yl i n eo fa d o p t i n gp u l lp r o d u c t i o nw i t hm u l t i - t y p ea n ds m a l l b a t c hh a sa ni m p o r t a n ts i 霉l i f i e a n e e t h i sp a p e ra i m st os t u d yf i n d i n gaw a yo fm a t e r i a ld e l i v e r y0 1 3 t i m ea n dh o wi tw o r k s , w h i c hc o u l db ea p p r o p r i a t ef o ra s s e m b l yl i n ew i t ht h ep u np r o d u c t i o n 1 f i r s to f a l li te x p o u n d st h eb a c k g r o u n da n ds i 罂l i f i e a n e eo f r e s e a r c ht o p i c 2 e x p l o r i n gt h ef e a t u r e so fl l na s s e m b l ye n t e r p r i s ea n di t sp r o b l e m s ，c l a s s i f y i n gt h e m a t e r i a l s , a n a l y z i n gt h ew a yo fd e l i v e r yf o rd i f f e r e n tm a t e r i a l s ，p u t t i n gf o r w a r d1 3 m e t h o df o r c a c h em a t e r i a l sw h i c hd i s t r i b u t em a t e r i a l sp r o m p t l yb a s e d0 1 1k a n b a n 3 u s i n gaa u t o m o b i l ea s s e m b l el i n e sm a t e r i a ld e l i v e r ys y s t e ma st h er e s e a r c ho b j e c t ， a n a l y z i n gt h ep r o b l e m si nd i s t r i b u t i o ns y s t e mn o w , p u t t i n gf o r w a r dt h eo p t i m i z a t i o nm e t h o d ， w h i c hi n c l u d i n gm a t e r i a lc l a s s i f i c a t i o n , t r a c t o rr o u t i n go p t i m i z a t i o n , i n v e n t o r yc o n t r o lb y k a n b a n , a n a l y z i n gt h et i m ew i n d o w f o rw o r k s t a t i o n s , b u i l d i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e v e h i c l er o u t i n gp r o b l e mw i t ht i m ew i n d o w 呷o n a s s e m b l yl i n e ，d i v i d i n gw o r k s t a t i o n s f o rs o l v i n gv 捌p t we a s i l y , d e s i g n i n gt h ep r o c e s so fj r rd i s t r i b u t i o no i la s s e m b l yl i n eb a s e d o nk a n b a n 4 d e s i g n i n gh y b r i dq u a n t u me v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m ：o nt h eb a s i so fq u a n t u m e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m , c h o o s i n gt h eq u a n t u mr e v o l v i n gd o o r 鹤q u a n t u mg a t ef o re v o l u t i o n o p e r a t o r , a d d i n g2 - o p t 弱l o c a lo p u m i z a t i o na l g o r i t h mf o rab e t t e rs o l u t i o n , c h o o s i n gs i n g l e p o 缸q u a n t u mc i o s sf o raf u r t h e ro p t i m i z a t i o no fp o p u l a t i o n ；t e s t i n gi tw i t hs o m et y p i c a l i i l e x a m p l e s , t h er e s u l t ss h o wt h a th y b r i dq u a n t u me v o l u t i o n a r ya l g o r i t h mc o u l ds o l v e v r p r w q u i c k l y , c a l c u l a t i n gt h et r a c t o r sr o u t i n go fd i s t r i b u t i o nw i t ht h i sa l g o r i t h mi nt h e p r e e n i n gp a r to f t h et e x t 5 a n a l y z i n gt h ep r o c e s so ft h et r a c t o r sm a t e r i a ld e l i v e r yw i t hi d e f 0a n db u i l d i n gt h e s i m u l a t i o nm o d e l ，s i m u l a t i n gt h ea s s e m b l yl i n e sp r o d u c t i o na n dm a t e r i a ld e l i v e r yb e f o r ea n d a f t e ro p t i m i z a t i o nw i t ht h eo b j e c t - o r i e n t e ds i m u l a t i o ns o f t w a r ee m p l a n t , w h i c hs h o u l di n p u t t h ea r g u m e n t so rp a r a m e t e r s , s u c ha st h el a y o u to fa s s e m b l yl i n e sw o r k s t a t i o n s ，d e m a n do f w o r k s t a t i o n s ，t i m ew i n d o wo fw o r k s t a t i o n s , s t o c kb e s i d et h ea s s e m b l yl i n e ，e t c 1 1 始r e s u l t s s h o wt h a ti tc o u l di m p r o v et h ee q u i p m e n tp e r f o r m a n c e , o p t i m i z es t o c kb e s i d et h ea s s e m b l y l i n e ，r e d u c et h ec o s to fm a t e r i a ld e l i v e r y , b o o s tp r o d u c t i v i t yw i t ht h eo p t i m i z a t i o n t h e r e f o r e ， c a c h em a t e r i a l sj i td i s t r i b u t i o no i la s s e m b l yl i n eb a s e x lo i lk a n b a np r e s e n t e di nt h i sp a p e r c o u l di m p r o v et h em a t e r i a ld e l i v e r yo fa s s e m b l yl i n ei nm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e se f f e c t i v e l y 6 c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t s u m m a r i z et h em a i nr e s e a r c hw o r ko ft h ew h o l ep a p e ra n d p r o s p e c t t h ef u r t h e rr e s e a r c hw o r ko fv e h i c l er o u t i n gp r o b l e m k e yw o r d s ：p u l lp r o d u c t i o n , j i td i s t r i b u t i o n , k a n b a n , v e h i c l er o u t i n g , h y b r i dq u a n t u m e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m , e m - p l a n t 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题背景及研究意义 物流( l o g i s t i c s ) 是指物资实体( 物资及其载体) 的物理流动过程，即物资场所( 位 置) 的转移及时间的占用【l 】。1 9 1 5 年，美国人a r c h s h a w 首次提出了“物流 的概念， 指出“物流是与创造需求不同的一个问题 闭。第二次世界大战结束后，“l o g i s t i c s 一 词被引入美国商业部门，其管理方法称为商业后勤( b u s i n e s sl o g i s t i c s ) 。定义为“包括 原材料的流通、产品分配、运输、购买与库存控制、储存、用户服务等业务活动 ，领 域范围主要是原材料物流、生产物流和销售物流。随着社会的不断发展，生产和消费逐 渐被分离开来，为了保证企业生产及其他经济活动地顺利进行，物流又是连接供需的纽 带，慢慢发展成了一个学科物流学。 本文研究的物流系统属于生产物流( p r o d u c t i o nl o g i s t i c s ) ，指在企业生产过程中， 从原材料收货、到在制品、半成品等各道生产程序的加工、装配，直至成品进入仓库， 成品发货全过程的物流活动。 随着市场环境变得越来越复杂，消费者对产品的需求更加个性化，多数企业采用了 多品种、小批量混合生产的柔性生产线，以满足多样化的市场需求。特别是以装配生产 为主的离散装配型企业，如汽车制造、摩托制造等行业。 企业采取的生产管理模式不一样，其物料配送模式也是不一样的，但是在国内企业 中，不管是采用传统的“推式一生产管理模式，还是采用以j i t ( 准时生产) 为代表的 “拉式 生产管理模式，大多数企业的物料配送模式还是基本采用生产要料模式，生产 部门按照生产计划拿领料单去仓库领取物料，然后将物料送至生产线，远远不能实现物 料的小批量、高频次、准时化配送。 其中，在物料配送阶段，原材料、零部件等投入生产线后，随着生产上的加工、装 配等，这些生产物料随着生产进程不断改变自身的实物形态以及位置场所，产品的生产 状态也随着生产进程不断发生变化。物料在产品的整个生产过程当中，不是处于加工、 装配状态，就是处在运输、存储、等待、生产等状态。物料能否以准确、及时、合理的 方式达到生产节点，决定了企业的生产物流是否顺畅，同时也决定了企业生产线的效率 第1 章绪论 高低。因此，物料的准时配送是制造企业生产物流顺畅的保证。 装配型企业生产线的物料配送，就是对装配线供应各种物料，保证装配线所需物料 在装配时不缺料少料，两者完美统一是企业最理想有效的物料配送。理想中的物流应该 是：装配线的各个工位都能及时得到装配所需的原材料或者零部件，装配线线边库存不 堆积、不缺料，当原材料或零部件不合格的时候能及时更换。但是在我国多数装配型企 业的实际生产当中，装配流水线的高效率与低效混杂的物料配送之间的矛盾，已经成为 了企业生产管理的主要矛盾。大大影响了生产效率。主要表现有以下几点： 缺料现象严重 大多数企业依然采用传统的“领料式一物料配送，这种配送方式的配送周期、配送 数量等都是固定的，而生产线的物料需求却是实时变化的，这就导致生产中缺料现象很 普遍。 物料积压 “领料式 物料配送往往会一次性配送大量物料，这导致装配线换线时，物料大量 积压。 配送效率低 传统的“领料式 配送对装配线尤其是混流装配线的效果非常差，不能达到在正确 的时间将正确的物料配送到正确工位的目标。此外，当物料出现次品等情况时，传统的 配送方式无法及时有效地对其进行更换补充。 配送灵活性差 在制造企业实际生产过程中，生产计划会经常变更，传统的“领料式 物料配送显 然难以适应这样的情况，经常会出现配送不及时和物料堆积等现象。 为了适应市场竞争，越来越多企业采取小批量、多品种的柔性生产方式。因此，装 配线上的合适的物料配送方案设定已经成为装配生产型企业改造和优化生产物流的一 个切入点和最有成效的重心。 1 2 装配线物料配送问题研究综述 本文将与制造企业装配线物料配送问题相关的研究归纳为两个方面：一是制造企业 装配线物料配送问题相关的理论研究；二是装配线物料配送的模型构建与算法研究。 1 2 1 制造企业装配线物料配送理论研究现状 目前，国内研究物流配送优化问题的文献很多，但总的来说，装配线物料配送研究 2 浙江工业大学硕士学位论文 领域仍然是个新鲜的事物，针对装配线上物料配送存在的问题，许多专家学者根据实际 情况提出了解决方案。 r o c k w e l la u t o m a t i o n 公司同合作伙伴共同开发并且成功实施了一系列汽车生产制 造过程中的物料配送方案，主要包括物料a n d o n 实时拉动系统和物料慢板拉动系统。 a n d o n 实时拉动系统，通过安装工位的线旁库存物料呼叫按钮，在装配线和线旁库存 处设置看板以显示物料的呼叫请求信息。a n d o n 实时拉动系统把每次物料请求发生的 地点、时间及物料请求响应情况记录下，并且对这些数据进行分析。而物料看板拉动系 统主要适合通用物料件的物料运送，是种较为传统但是十分有效的物料运送方式。 c h o i w 3 】针对汽车装配线提出了一种动态物料配送系统，首先根据实际的生产进度动态 地估算出消耗的零部件种类及数量，然后送料工根据配送命令和车辆路径完成物料配 送。c l 城，wb l e e , w h i p 在文献【4 j 中提出利用系统动力学工具构建j 丌和k a n b a n 进行建模与仿真，并且分析生产物流策略，用于改进库存控制、产品质量以及提高生产 率。a n d 联l 【5 】对混流装配线上k a n b a n 管理系统性能评估进行研究，采用网络排队技术 估量k a n b a n 系统性能，主要包括对系统吞吐量、按时完成订单百分比、未按时完成订 单的平均延迟时间等的度量。 在国内，一些专家学者也开始对装配线物料配送进行研究。蒋丽等在文献网中，针 对生产配送时，拣货效率低、配送成本高的问题，提出了以工位为中心的生产物流配送 思想，并且建立了车间配送优化调度模型，采用遗传算法求解。曹振新等【7 】研究了准时 生产环境下，物料配送的物料拉动系统与看板运作流程，并且建立了基于现场总线技术 的物料a n d o n 系统。在分析总装线旁物料警报情况的基础上，提出了现场物料出现 m i n m a x 时的处理方式，及物料断点的概念并建立了实施流程。李晋航在文献【8 1 中， 对混合装配线的物料配送存在大量的不确定信息，特别是混流品种多，订单批量小而多 的情况，建立模糊信息条件下的带能力约束和时间窗的配送车辆路径模型，采用混合智 能算法求解。裴世超在文献【9 】中，采用r f i d 技术标识装配线物料，建立了基于r f i d 的数据采集方案，实现装配线实时生产进程信息和物料信息的反馈，将生产计划、实时 生产进程信息和物料信息集成，设计遗传算法优化配送车辆路线，实现物料的实时供给。 1 2 2 装配线物料配送的模型构建与算法研究现状 制造企业生产过程中，将物料从仓库或者供应商处配送至装配线的过程中，需要对 物料运输车辆进行路线安排，而这就是一个v i 潆问题( v e h i c l er o u t i n gp r o b l e m ，车辆 3 第1 章绪论 路径问题) 。目前，越来越多的制造企业采用多品种、小批量的“拉式一生产方式，要 求将正确种类和数量的物料，在正确的时间段内运送至正确的装配线工位。也就是说， 装配线工位的物料配送需求往往有时间的要求，即最早配送时间和最晚配送时间。所以 带时间窗约束的车辆路径问题( v 】妞t w ) 是最为贴近实际装配线物料配送的，但是模 型求解难度相对较高。图1 1 是一个v r p t w 的典型示意图。 ( 1 7 ) 1 0 j 2 m专。o)【o刀k芝：二：。，巧，刀 焉 图1 - 1v r p t w 示意图 箩0 0 ) 】 o 表示客户点 车载量为3 0 单位 如图，圆圈表示客户，方块表示配送中心。其中车载量限制为3 0 个单位，一共有8 个客户等待服务，圆括号内为客户需求量，方括号内为客户和配送中心的服务时间窗限 制。从车载量限制可以看出至少需要3 辆车为这8 个客户提供服务，每条行车路径中客 户的具体服务顺序还必须综合考虑距离和时间窗约束来确定。 目前，国内外许多专家学者对求解v r p t w 问题的启发式算法进行了研究。 ( 1 ) v r p t w 问题算法国内外研究现状 b e n t r 等人【1 0 】采用两阶段混合局部搜索算法来求解v r p t w 问题，其优化效果好于 单一的局部优化算法；t a n k 等人【l l 】采用禁忌搜索方法对v r f i w 问题进行了研究；李 宁等人【1 2 1 采用了粒子群算法对v r p t w 模型进行了仿真优化研究；x i nm a p 3 采用改进 的蚁群算法非常有效地求解了带时间窗的车辆路径问题；d a nz h e n g g a n 等人【1 4 】采用基 于网络的代理行为合作的多代理模型系统来研究v r p l w 模型，设计改进的c n p 方法 来减少代理之间的协商行为；z h i t u n 等人【1 5 】采用免疫和克隆算法求解带时间窗的车辆 路径问题，并取得相当好的优化效果；邓爱民等人1 1 6 】采用了改进的模拟退火算法、线路 内交换算法以及线路间交换算法来求解集配送一体化的v r p l w 模型。 ( 2 ) 量子进化算法研究现状 量子进化算法( q u a n t u me v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m , q e a ) 是基于量子计算原理的一种 4 嗍囊一条 8 jh、j 5l ，l 塑婆三些丕堂堡主兰篁笙塞 进化算法，这是一种崭新的进化算法。a n a r a y a n a n 和m m o o r e 1 7 1 首先提出了量子遗传 的概念。k u k - h y u ah a n 等人【1 8 】于2 0 0 2 年提出了量子进化算法( q u a n t u m - i n s p i r e d e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m , q e a ) 。 与传统启发式算法相比，量子进化算法能够在探索与开发之间取得平衡，具有种群 规模小而不影响算法性能、同时兼有“勘探 和“开发 的能力、收敛速度快和全局寻 优能力强的特点。鉴于量子进化算法以上的特点，本文研究设计混合量子进化算法来求 解v r p t w 问题。 目前，对量子进化算法在优化领域的研究主要有： t s p 问题：杨丽等人【1 9 】提出一种改进的量子进化算法，用来求解t s p 问题，同 时提出了t s p 中的h a m i l t o n 圈的随机搜索编码技术；t a l b ih i c h 锄 2 0 1 提出了求 解t s p 问题的量子遗传算法；w a n gy u - p i n g 2 1 】通过一种利用几率幅值编码的编 码方式，较好地求解了t s p 问题。武妍等圈提出了一种混合量子进化算法求解 t s p 问题，并且把三段优化局部搜索算法融入量子进化机制。 生产调度问题：l ib i n - b i n , w a n gl i n g 2 3 - 2 4 提出了一种量子遗传算法，解决了多 目标流水线调度问题；王凌等 2 5 - 2 6 提出了一种混合量子遗传算法，求解了流水 线调度问题。石锦风等 2 7 1 针对粒子群算法搜索空间有限、容易出现早熟现象的 缺陷，提出了量子粒子群优化算法求解作业车辆调度问题。 车辆调度：高辉等人口8 l 提出了一种改进的量子进化算法求解物流配送路径优化 问题，该算法的核心是设计了基于量子比特概率幅比值自适应计算量子旋转门 旋转角的新方法；赵燕伟 2 9 - 3 0 提出了一种混合量子进化算法，求解了有能力约 束的车辆路径问题( c v r p ) ；吴斌等口1 】提出了一种基于混沌理论的精英均值计 算旋转角算法，求解了具有同时集送货需求的车辆路径问题。而量子进化算法 在求解带时间窗约束的车辆路径问题( v r p t w ) 的研究上，目前基本没有。 1 3 课题来源及主要研究内容 1 3 1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金( n o 6 0 9 7 0 0 2 1 ) ：面向物流配送的动态车辆调度模 型和混合量子进化算法。 5 第1 章绪论 1 3 2 研究内容 本文的主要研究目的是从物料配送的角度，寻求适合制造企业的装配线物料配送方 式。物料配送系统作为生产物流系统的一个子系统，是生产物流顺畅的重要保障。文章 首先论述了装配型企业及其在物料配送中存在的问题，并且对装配线上的物料进行了分 析，提出了针对不同物料的配送方式，其中，以针对缓存区物料的带缓存区的物料配送 方式展开全文。接着以某汽车总装线的物料配送系统为研究对象，确定工位段的时间窗 类型，建立总装线牵引车带时间窗的车辆路径模型，并且对总装线划分工位段，提出基 于看板的总装线缓存区物料准时配送方式及其流程。然后，设计混合量子进化算法求得 该汽车总装线的牵引车物料配送路线。最后，用i d e f 0 方法对牵引车物料配送过程建模 分析，运用面向对象的e m - p l a n t 仿真软件，对总装线的生产和缓存区物料配送进行仿真， 验证基于看板的缓存区物料准时配送方式的可行性。具体章节安排如下： 第一章首先介绍选题背景与研究意义，并指出了目前的不足，相关研究综述主要从 离散型企业装配线物料配送、配送车辆优化调度、量子进化算法三个方面展开，最后说 明了本文的课题来源和论文各章组织结构。 第二章首先介绍装配线企业及其特点，提出装配线物料配送中存在的问题，并且描 述“拉式 生产中的物料配送。对装配线上的物料进行分类，接着的物料进行了分析并 且提出针对不同物料的不同配送策略，重点论述了针对缓存区物料的带缓存区的物料配 送。 第三章以某汽车总装线为研究对象，首先确定工位段的时间窗类型，然后建立了针 对缓存区物料配送中的牵引车配送路径的v r p t w 模型，并且对其总装线进行工位段划 分，最后，在带缓存区的物料配送的基础上，提出了基于看板的缓存区物料准时配送， 并且介绍了其具体流程。 第四章首先对v r p t w 问题的时间复杂度和算法复杂度进行了分析并且对量子进化 算法及其研究领域进行了综述，然后针对第三章建立的v r p t w 模型设计混合量子进化 算法，用两个算例进行了验证，结果表明该算法能够求解v r p t w 模型，并且具有良好 的收敛性，最后用该算法求解了第三章中某汽车总装线的缓存区物料配送的v r p t w 数 学模型，得到了该汽车总装线缓存区物料的牵引车配送路线。 第五章首先介绍了离散时间系统仿真及其一般步骤，并且用i d e f 0 方法对牵引车物 料配送进行了建模分析，接着介绍了面向对象的e m p l a n t 仿真软件及其特点，然后采用 e m - p l a n t 仿真软件对该汽车总装线的缓存区物料配送及其生产进行优化前后的仿真，结 6 浙江工业大学硕士学位论文 果表明经过本文的基于看板的缓存区物料准时配送优化后，总装线的缓存区物料配送变 得更为合理，整条总装线的生产和物流也更为流畅。 第六章主要对本文的研究工作进行了总结，并且对下一步工作进行了展望。 论文整体框架及各章之间的关系如下图1 2 所示： 制造企业装配线物料准时配送优化研究 相关研究背景及展望 第 1 章 绪 论 第 6 章 结 论 与 展 望 基于看板的缓存区物 料准时配送 第2 章 装配线 物料与 配送方 式分析 第3 章 装配线 物料配 送方案 设计 第4 章 混合量 子进化 算法求 解 仿真验证 第5 章 基于 e m - p l a n t 的总装线 物料配送 系统仿真 图1 - 2 本文各章组织结构 7 第2 章装配线物料与配送方式分析 第2 章装配线物料与配送方式分析 装配线物料配送研究领域仍然是个新鲜的事物，本章主要提出装配线物料配送优化 问题，针对“拉式一生产中的装配线物料及其配送方式进行分析。 2 1 装配型企业 制造业按照其产品制造工艺过程的特点，一般可概括为连续型制造业和离散型制造 业。离散制造型企业的产品往往由许多零部件经过一系列并不连续工序的加工和装配而 成。例如汽车制造业、电子设备制造业、机械等。 离散制造企业主要生产过程往往包括加工、装配成产品等。在离散制造企业中，偏 重于零部件制造的，一般称为离散加工型企业，而偏重装配的，则称为装配型企业。但 也有些制造企业加工和装配基本通过自身完成，这类企业相对于前面两类企业则复杂得 多。这三种类型的企业相互关联，组成了整个离散制造业的产业链网络p 2 1 。 2 1 1 装配型企业特点和关注重点 ( 2 ) 装配型企业特点 一般装配型企业都是多品种生产，一个品种里还有很多系列。因此，装配线生产时 会需要大量不同种类或类型的物料，这导致了物料配送的复杂度和难度大大提高。 装配线企业的产能并非取决于生产设备，这点不同于连续型企业，而主要是以加工 要素的配置合理性决定的。如果两个装配型企业的规模和硬件设施相同，但是管理水平 不一样，生产结果差距可能非常大 3 3 1 。因此，装配型企业通过改善生产管理( 比如物料 配送管理) 更加能提高竞争力。 如果说e r p 等企业管理系统对连续工业作用是辅助性的( 因其加工流程的刚性， 通过对其生产周期改进效果甚微) ，则对于装配型企业则是起到决定性的作用，虽然具 体到某一个零件或部件加工工艺过程具有一定的刚性，但多个零部件关联、组合、配套 则决定了其柔性，因此整个过程是可以优化的，制造周期是可以有效缩短的。 ( 2 ) 装配型企业关注重点 任何企业无论大小，都有自身的业务流程、管理系统和企业组织。装配型企业的业 8 浙江工业大学硕士学位论文 务流程主要包括：物料采购、储存、加工、装配、入库、销售等。 由于装配型企业具有大量各种类型的物料，因此，其动作和管理基本是围绕物料及 其变化过程展开的。可以说装配型企业是以物料为主要操作对象，这些物料有基本信息， 其变化过程( 形态变化、位置变化、价值增值等) 衍生了其他信息，管理系统正是通过 对物料的信息处理、分析来决策对实体物流实施何种动作刚。所以装配型企业的管理应 该是以物料为核心。 2 2 装配线物料配送优化问题提出 根据全国第三产业普查资料，我国汽车零配件的生产中，其加工装配时间仅占2 ， 而9 8 的时间是原材料、零配件的储存、装卸和搬运时间【3 5 l 。而在机械加工和装配的生 产过程中，物料在机床上的时间，即准备时间和加工时间之和仅仅占到整个过程的 5 一1 0 ，而9 0 以上的时间消耗在前后等待、搬运、存储等方面( 3 6 - 3 8 。这些费用和时 间上的消耗正是潜在的实施物流管理的领域，为制造企业物流的发展留下了巨大的空 间。为了适应多品种、小批量的生产要求，物流配送问题是影响装配效率和生产效果的 关键问题。装配线物料配送问题实际上是建立在装配工艺流程之上的物流系统规划，是 生产物流优化领域的一个分支。 2 2 1 装配线物料配送问题概述 装配线旁的线边库存空间是有限的( 只能够堆放较少的物料) ，所以需要经常去补 充线边库存才能够保证装配线生产的顺畅。现在大部分企业不同产品共线生产，而各种 产品需要装配的零部件不同，物料能否准确及时的供应对于不同产品的共线生产至关重 要，已经成为装配型企业需要重点考虑的问题。装配线上将所需物料准确及时地配送至 各装配工位上，包括进货到装配车间附近的物料配送中心存储，再配送到装配线工位的 过程。“拉式 生产中要求能够“在正确的条件下，将正确的物料按照正确的数量在正 确的时刻运送至正确的地点黟。 但在实际操作中，装配线物料配送已经成了企业生产物流的最大瓶颈，大大影响生 产成品的效率。研究如何通过实施科学的装配线物料配送方案，以提高物流效率、提高 生产效率是十分必要的。而装配线物料配送一般需要对以下三个问题进行决策： ( 1 ) 配送物料分类 装配线中多种产品混流生产，需求的物料种类和数量非常巨大。因此，必须对物料 进行有效的分类，针对不同种类的物料设计不同的配送方案，这样才可以保障装配线生 9 第2 章装配线物料与配送方式分析 产的顺利进行。 ( 2 ) 配送时间和周期 一般装配线生产节拍已经确定，可知线边库存的消耗速度，则需要决策在什么时候 为哪些工位配送服务；如果生产节拍未知，则需要决策为工位提供配送服务的周期或者 频率。在“拉式刀生产中，通过看板来“连接 装配线生产系统和物料配送系统，装配 线的物料呼叫首先送到看板系统中，看板系统经过分析将得到该零件所处工位的位置和 需要配送时间。 ( 3 ) 车辆配送路线 “拉式一生产中，配送中线通过看板得到需要物料的工位及其配送时间后，需要对 运输车辆进行配货、装载，然后对运输车辆的配送路线进行规划。而这是一个车辆路径 问题( v e h i c l er o u t i n gp r o b l e m , v r p ) 。 2 2 2 存在问题分析 装配型企业的产品多样性等特点决定了装配型企业具有种类繁多的物料，但生产线 旁的线边库存容量非常有限，只能存放少量物料，拉动式生产方式下需要频繁精确的配 送来补偿消耗的大量物料，才能保障生产的顺利进行。这就对线边库存的物料配送提出 了非常高的要求。 传统的领料式物料配送系统普遍存在成本高、效率低的问题，制约了流水装配线的 生产效率。传统的领料式的物料配送，其特点是配送周期相对固定、配送物料的种类与 数量也相对固定，因此称这种物料配送方式为静态物料配送；而之相对应的动态物料配 送的特点是动态计算工位所需的物料，配送时间、配送物料种类与数量不固定，是动态 变化的。 由于装配型企业生产线自身的特点，使得装配型企业生产线所需物料种类繁多，因 此在配送过程中存在多种问题。传统的物料配送应用在j i t 生产模式下，主要存在以下 问题：t i t 是一种能使企业对市场变化快速响应的生产方式，j 1 1 r 的目标是彻底消除无效 劳动和浪费，采用j i t 生产方式后，能明显降低产品的生产成本，提高产品合格率，采 用按需生产方式，是一种拉动式生产，能够小批量地生产个性化的产品，废品率低，库 存积压少，能最大限度地提高企业的利润率。 装配型企业实施f t 生产模式时都会遇到如下问题： 拉动式生产方式下传统物料配送效率低 l o 浙江工业大学硕士学位论文 在装配型企业拉动式的生产方式下，现有的领料式的物料配送效率低下，无法实现 对线边物料的准确配送。线旁库存中经常有物料剩余、缺料等现象，严重影响企业的生 产效率。 物料配送缺乏实时生产状态信息支撑 产品在生产线上的生产状态信息不能实时准确地获得，这为生产决策以及物料配送 带来相当大的困难，使实际生产信息与装配型企业的管理系统出现信息断层。使生产车 间的物流与信息流不能同步。无法准确掌握线边库存中物料的消耗情况，现场物料管理 效率低下。不能准确追踪在制品的实时生产状态，从而为车间物料配送时机掌握、配送 数量确定带来信息断层。因此需要一种实时获取生产车间在制品生产状态的信息获取手 段。 多品种小批量的物料配送需求 在当前的多品种共线装配生产线上，最佳的物料配送就是按照各种产品的生产节拍 来制定物料配送量、配送时间、配送频率、配送顺序，并且依此分配物料库存。但是， 目前还没有较好的或者统一的算法和配送方案。 配送车辆路径优化 在配送安排配送车辆配送物料时，需要一种算法使总配送路径最短，从而整体上使 车辆损耗成本最小。 2 3“拉式一生产中的物料配送 2 3 1“拉式 生产 装配线生产过程中，下游工位的生产节拍必须和上游工位的生产节拍协调，同时各 工位的生产节拍也要和物料配送节拍协调。“推式一生产中，每个工位都按照生产计划， 尽所能生产，尽快完成生产任务，不管下个工位当时是否需要。传统生产系统一般是“推 式生产，会造成物品的堆积。相对于“推式 生产中，前一作业将零件生产出来“推 给一后一作业单位装配，在“拉式生产中，则后以作业工具需要装配多少产品，要求 前一作业装配出正好需要的半成品。 物料配送也是同样的道理，最早工位配送时采用装配线根据分解到本装配线的生产 计划从仓库领料生产也就是“推式 物料配送。此后逐渐产生物料配送中心按照生产计 划为装配线进行物料配送，也就是“拉式 物料配送。该种物料配送的配送量、配送时 间、配送周期等要随着生产节拍的变化进行调整。 第2 章装配线物料与配送方式分析 传统的生产物流是以生产计划为指导“推式 物流，生产线按照生产计划组织生产， 零部件等的工位配送方式主要是生产线向物料配送中心领料。按照“推式 物流的话， 装配线上各工位将根据库存的情况进行生产。因此，必须有较高的零部件库存来确保生 产的顺畅进行，而企业必须为此付出高昂的物流成本作为代价。此外，由于生产进行中 订单经常变化，导致生产计划也要随时调整。因此，这种生产要料的方式难以满足生产 顺畅运行的要求。 2 0 世纪六七十年代，日本丰田公司开始探索一种与传统大批量生产模式不同的生产 组织模式一“精益生产 3 9 - 4 1 1 ( l e a np r o d u c t i o n ) 。该生产模式强调彻底消除浪费、降低 成本和准时化生产，它的基本思想是“在正确的时间、对正确的工位进行正确的物料配 送 ，可以尽量避免生产过程中的浪费并且降低物料库存。这种模式习惯称为“拉式 生产方式，其信息流和物流方向相反。为了实现“拉式 生产，丰田公司实行了由后工 序向前工序应用看板。其控制模型如下图2 1 所示。 物料流一信息流 图2 i 看板控制模型 2 3 2 装配线物料分类 在装配线生产过程中，需要少则上百多则上万的物料，如何才能够将数量种类众多 的物料在准确的时间送到准确的地点，既满足正常生产进行，又能尽量使得物流成本最 小，对企业来说是个非常重要的问题。汽车总装线是最典型的装配线，本文以某汽