（机械设计及理论专业论文）基于定单生产的多品种混合流水线设计方法.pdf

i 一海大学坝1 j 学位论文 摘要 本文在对订单生产环境下的多品种混合流水线设计问题进行分析的基础 上，提出一种综合考虑作业分配与投产顺序的混合流水线平衡的数学模型，给 出了相应的近似解算法，并且针对订单生产的特点，提出一种基于蚁群算法的 动态设施规划方法，随后进行了计算机辅助混合流水线设计软件的开发，最后 结合重型车混合装配流水线的平衡设计与设备规划进行实证研究。 讨论分析了订单生产环境下混合流水线平衡与布局设计的研究背景，对混 合流水线的产生、发展、意义以及混合流水线设计的一般步骤进行了较为详细 的分析。 通过指出现有混合流水线平衡方法研究上的不足，提出一种综合考虑作业 分配与投产顺序的混合流水线平衡的数学模型，论证了该模型目标函数的近似 解求解方法，并且利用退火算法对其进行流水线平整化。 通过对订单生产特点的分析，结合蚁群算法，并且在设备空间约束的前提 下，提出一种基于蚁群算法的动态非等面积的设施规划算法。 在混合流水线设计理论的基础上，结合面向对象的建模方法，进行了计算 机辅助混合流水线设计软件的开发与优化。 最后，结合重型车混合装配线的平衡与设施规划问题，进行实证研究，并 且给出该混合装配流水线的实际设计方案。 算法 关镶l 词：订单生产，多品种混合流水线，混合流水线平衡，动态设施规划，蚁群 v f j 海大学f * i - i - 学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a k e sa n a l y s i so i lt h ep r i n c i p l e so ft h em u l t i - p r o d u c tf l o wl i n eu n d e r t h eo r d e rf o r mm a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n ta n dd i s c u s s e st h ep r o b l e mo fh o wt o d e s i g nt h em u l t i p r o d u c tf l o wl i n e am a t h e m a t i c a lm o d e lc o n s i d e r i n go fb o t ht h e p r o b l e m so f j o ba l l o c a t i o n sa n dp r o d u c t i o ns e q u e n c e si sp r e s e n t e d ，i t sc o r r e s p o n d i n g a p p r o x i m a t es o l u t i o ni sg i v e n p o i n tt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eo r d e rf o r m m a n u f a c t u r i n g ，t h i sp a p e rg i v e sad y n a m i cf a c i l i t i e sl a y o u tm e t h o db a s e do nt h ea n t c o l o n ya l g o r i t h m ，ac o m p u t e r - a i d e ds o f t w a r eo fm i x e df l o wl i n ed e s i g ni sd e v e l o p e d a tl a s t ，a ne x a m p l ei sg i v e no nh o wt ob a l a n c ea n dd e s i g nt r u c ka s s e m b l yl i n e t h i sp a p e rd i s c u s s e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n do fm i x e df l o wl i n eb a l a n c i n ga n d l a y o u td e s i g nu n d e rt h eo r d e rf o r mm a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n t i ta l s oa n a l y s i st h e g e n e r a t i o n ，d e v e l o p m e n ta n dm e a n i n g so f m i x e df l o wl i n e ，a sw e l la st h es t e p so f i t s d e s i g np r o c e s s e s b yp o i n t i n go u tt h ed e f i c i e n c i e so ft h em i x e df l o wl i n eb a l a n c i n gm e t h o d s ，t h i s p a p e rp r e s e n t sam a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c hc o n s i d e r i n gb o t ht h ep r o b l e m so fj o b a l l o c a t i o n sa n dp r o d u c t i o ns e q u e n c e s i td e m o n s t r a t e sh o wt og e tt h ea p p r o x i m a t e s o l u t i o n so ft h i sm o d e l b e s i d e s ，i tu s e sa n n e a la l g o r i t h mt os o l v et h ep r o b l e mo f p r o d u c t i o ns e q u e n c e s t h i sp a p e ra n a l y s i st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eo r d e rf o r mm a n u f a c t u r i n g ，b y c o m b i n ga n tc o l o n ya l g o r i t h m ，i tg i v e sad y n a m i cf a c i l i t i e sl a y o u ta l g o r i t h mb a s e d o nt h ea n tc o l o n ya l g o r i t h m b a s e do nt h et h e o r i e so fm i x e df l o wl i n ed e s i g na n di n t e g r a t i n go b j e c t o r i e n t e d m o d e l i n gm e l h o d ，“d e v e l o p sac o m p u t e ra i d e dm i x e df l o wl i n ed e s i g ns o f t w a r e a tl a s t t h i sp a p e rs t u d i e so nh o wt ob a l a n c ea n dl a y o u tt h em u l t i p r o d u c t a s s e m b l yl i n ea n dg i v e st h el a y o u to ft h el i n e k e yw o r d s ：o r d e rf o n nm a n t t f a c t u f i n g ，m u l t i p r o d u c tf i o wl i n e m i x e df l o wl i n e b a l a n c i n g ，d y n a m i cf a c i l i t i e sl a y o u t ，a n tc o l o n ya l g o r i t h m v 一l ：海大学坝f 学位沦文 一 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：丝圣鱼日期：塑：型。 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) | 二海大学顺：l 学位论文 1 1 论文研究背景 第一章绪论 1 1 1 基于订单生产方式的提出 自上世纪8 0 年代起，经济的全球化使得许多发达国家的一些大型企业，为 了降低制造成本，提高产品的市场竞争力，纷纷将产品分割为零、部件，以订单 的方式下发到些具有不同加工能力的中小型企业生产。进入2 0 世纪9 0 年代后， 市场竞争愈来愈剧烈，产品的生命周期越来越短，企业为了减少备件积压风险， “零库存”生产模式得到了迅速的推广。近年来，订单生产在我国得到了迅速的 发展，随着市场的发展以及竞争的加剧，订单生产对于中小型企业而言将变得越 发重要【ij 。 以订单为中心是指企业的一切生产经营活动都围绕顾客的实际订单来进行， 即以市场的实际需求拉动产品进入市场，然后再由订单产品决定企业的生产流 程。这一运营模式可使企业避免由于盲目的生产，造成大量的原材料及产成品的 囤积，可以最大限度地减少库存，甚至实现“零库存”的目标；及时与用户进行 信息交流，了解顾客的现实需求及未来的需求趋势，实现与顾客的“零距离”接 触，及时为企业的经营决策获取宝贵的真实的信息资源：能最大限度地满足顾客 的个性化、差别化需求，提高顾客的满意程度，适应产品定制化的大趋势。 以订单为中心的生产模式要求企业拥有超前的研究开发能力，柔性的制造系 统以及使信息增值的i t 及网络平台，另外为了满足以订单为中心的要求，企业 所有的相关部门与个人，都必须在接到订单的同时同步行动起来，快速采购、快 速制造、快速送达，共同为这一订单的实现担负责任，因此企业必须建立与之相 i 办调的业务流程作为核心 2 】。 面向客户订单的产品制造具有其自身的特点：1 ) 产品是面向客户订单的， 其品种和规格随客户订单的要求不同而千变万化；2 ) 产品的交货期短且求准时， 在新的市场竞争环境下，产品及时上市变得更加重要；3 ) 预先全额付款的单件 订单，其质量、成本和交付期对产品的制造商的经营能力造成极为严峻的挑战p 】。 l 二潍大学顺士学位论文 1 12 “按订单”生产的模式及特点 随着市场需求的变化，“按订单”生产这一领域以惊人的速度在发展。但不 同的制造商遇到的实际问题各有不同，难易不等。为此，详细分析“按订单”生 产这一领域的不同生产模式及特点，是进行混合流水线设计的首要工作。 “按订单”生产这个名词的涵义是广泛的，所制造的产品特点不同，它的涵 义就会不同。在此本文将集中讨论最有密切关系的4 个领域： 1 ) “离散的”生产模式：指用公司的标准产品满足不同客户的需求，它具 有不同的包装和标志，l 乜就是相同的项目以不同的品牌销售。这类生产可以按离 散工作订单进行，标准项目按常规生产( 由于项目结构，物料和工艺固定，通过 预测和主计划，可以提前生产) ，最终产品可以根据实际的客户订单，利用成组 技术对混合流水线进行设计。 2 ) “按订单装配”生产模式：指用标准零部件装配成不同的最终产品，这 些产品大多是由标准零部件或子装配件装配而成的单级产品。在此类生产中，重 要的是保证配置合格的、可以生产的产品才能作为可接受的订单，这个订单包括 制造这个项目所需用的独特的材料单和工艺路线：合理的零部件库存，即要保证 装配所需，又要减少积压，以降低成本。因此，安排好这些项目的制造和采购， 对最终装配是绝对重要的。这种生产模式要比“离散的”订单生产复杂。一般说 来，这些产品属于标准化性质的，但他们的独特组合式结构在安排订单和满足用 户特殊需求方面提供了更多的灵活性。 3 ) 叫安订单制造”生产模式：指产品具有多级特性，即由具有不同属性或 数量的不同零部件制造而成。最终产品结构一经确定，其选定的方案可能对最终 产品以下的几级子装配件都有影响。在此类生产中，重要的是保证每个零件的材 料清单和工艺路线的正确性，以及产品结构配置的合理( 包括底层选件) 。这种 生产模式要比“按订单装配”的订单生产复杂，底级的零部件必须保证在需要时 到达。 4 )“按订单设计”生产模式：指客户对产品具有极其特殊的需求，客户决 定了材料、零部件的选择以及产品结构和生产工艺。在此类生产中，前期工程准 备，估价和报价工作很重要，生产并不是很重要的。该类生产模式是“按订单” 制造环境中摄复杂的一种，此方法可以在m r p i i 思想的引导下，利用计算机系统 l ? 海大学颁。l 学位论文 实现n 1 13 订单生产环境下对汽车工业的影响 汽车工业投资规模大，是建立在一定的经济批量上的资金密集型和技术密集 型行业。在汽车工业的早期发展阶段，人们只是将汽车作为运输工具，对汽车的 其它功能并不重视，因此汽车生产厂家只需设计出价廉实用的产品，然后组织大 批生产就可以了。这种以生产经营为中心的方式曾引发了制造业的一场深刻变 革。但随着用户在产品品种多样性、个性化方面需求的不断增长，尤其是国内私 人汽车消费市场的启动，汽车市场表现出如下显著的特点，需要汽车生产企业转 变经营模式。 1 ) 产品品种的多样化 当今的汽车企业必须开发出多系列多规格的产品，以适应汽车用户的多层 次。这种多层次性主要表现在用户消费能力和购车用途的不同和多样性，促使汽 车市场进一步细分，随之而来的是产品品种的多样化。 2 ) 用户需求的个性化 私人消费者作为一个消费群体，对汽车产品的功能、样式的认识、偏好各不 相同，在汽车选购中要求汽车能表现出满足不同消费者个性化的特征。 3 ) 汽车功能的实用性 现在的汽车消费者更注重汽车功能的实用性。如果汽车的功能能够由用户根 据自己的需要自由组合，对同一辆车，在功能和价格上便能让用户有更大的选择 余地。 正是由于汽车市场表现出来的这些新的特点，客观上要求汽车企业转变经营 观念，时刻围绕客户的需求来设计产品和组织生产；从主观上讲，组织柔性生产， 对于企业降低成本，提高效率，也有极大的好处。两种需求相互联系的结果，便 是订单生产方式的确立【”。 114 流水线设计问题的研究现状 目前，流水线设计研究主要集中在单品种、大批量的装配生产线，而对多品 种混合流水线设爿研究开展的并不多。流水线设计问题主要包括两个方面：流水 海大学坝：l 学位论文 线的平衡没计与流水线设备规划设计。 t h o m o p o l o u s 6 与m a c a s k i l l 7 1 最早研究混合型装配线平衡问题，但是他们没 有考虑投产顺序对平衡的影响，采用加权平均的方法将混合型装配线的平衡问题 转化为单一型装配线的平衡问题。g o k c e n i8 1 、a t t a i n s c h o l l 9 j 分别采用目标规划算 法和分枝定界算法研究了t h o m o p o l o u s 提出的混合装配线的平衡问题。l e u y o w y u h1 1 0 1 和c a r i d im a r i a 分别采用遗传算法、基于m u l t i a g e n t 的启发式算法 研究了零件消耗均匀化的投产排序问题，z h a ox i a o b o t ” 采用模拟退火算法研究 了传送带停止时间最小化的投产排序问题。对于混合u 型装配线平衡问题的研 究，公开发表的文献只有s p a d i n g 与m i l t e n b e r g 【l3 j 的一篇，在该文献中，采用启 发式方式研究了混合u 型装配线的负荷平衡问题，是t h o m o p o l o u s 提出的问题 的一个变型，同样没有考虑到投产顺序对平衡的影响。本文采用人工智能的方法， 综合考虑作业元素的分配和产品的投产排序两个影响平衡效果的关键因素，针对 一个循环流程中每个工作站负荷均衡的目标进行了探索。 近年来，由于当今世界正从工业化社会向信息社会飞速发展，各个方面都发 生了极其巨大的变化。就制造业的生产方式而言，已从大量生产方式向准时制及 精益生产方式，并进一步向计算机集成制造( c i m s ) 及敏捷制造方式迅速演变。 原有的许多程序和方法逐渐显现自身的不足和缺陷。为适应生产方式的转变，人 们对设施布置设计不断进行研究，取得了长足的发展。 虽然缪瑟的系统布置设计技术条理清晰、考虑完善( 包含定性和定量因素) ， 因而被广泛采用，但随着时代的发展，其刁；足之处也逐渐显现。首先，激烈的市 场竞争迫使企业应用m r p 一、e r p 、c i m s 等来武装自己。而面对日趋复杂的 系统，应用系统布置设计技术手： 完成布置和调整十分繁琐。此时，既要满足时 间性又要满足最优性是不现实的。其次，传统的系统布置设计技术不太适合企业 流程再造( b p r ) 。最后，系统布置设计技术提供的布置方案太少。在初步方案 确定后，设计者要根据约束条件自己调整方案，这样非常繁琐。 有鉴于此，人们在实践中不断对其进行发展和完善，并于9 0 年代提出了新 的战略设施规划( s f p ：s t r a t e g i cf a c i l i t i e sp l a n n i n g ) 。它把设施布置设计提升至 战略高度，通过一次根本性的再聚焦以及精益原则来提高企业整体生产力。新的 战略设施规划融合了优良的计算机辅助设施布置方法，一定程度上实现了设施布 上海大学硕l 学位论义 置的快速响应、和局信息的计算机化和较丰富的发计方案以供决策者选择。 1 2 本文主要研究内容 本文主要从以下几个方面就订单生产下混合流水线的设计问题展开深入的 研究： 1 ) 基于定单生产的多品种流水线的平衡设计方法 2 ) 基于定单生产的多品种流水线动态设施规划设计 3 ) 计算机辅助混合流水线设计仿真系统的研究 4 ) 典型多品种装配流水线设计的实证研究 本论文共分七章，第一章绪论，介绍论文研究背景，国内外混合流水线设计 问题的研究现状及局限性和本文的研究内容。第二章，介绍了多品种混合流水线 的产生、发展以及意义，并且给出了混合流水线设计的准备工作与一般步骤，提 出根据不同的订单类型确定相应的设备规划策略。第三章，针对传统混合流水生 产线平衡方法中的不足，提出了一种综合考虑作业分配和投产顺序的流水线平衡 数学模型，并且给出了该模型近似解的一般步骤。第四章，根据订单生产下，产 品品种和产量的变化特性，提出了一种基于蚁群算法的动态设施规划方法，并且 将该算法与其它同类算法进行了比较。第五章，介绍了自行开发的计算机辅助流 水线设计仿真系统，其流水线平衡、设备规划的算法都是以本文提出的方法作为 理论基础的。第六章，结合重型车混合装配流水线进行实例研究，具体就该流水 线的平衡设计以及设施规划展，f ：讨论。第七章，结论与展望。 l 海大学瞬卜学位论文 第二章基于订单生产的混合流水线概述 2 1混合流水生产线的产生、发展以及意义 2 1 1 混合流水生产线的产生 近年来，随着科学技术迅速发展，新产品不断涌现，产品的复杂程度也随之 增加。而产品的市场寿命日益缩短，更新换代加速，中、小批量生产占有越来越 重要的地位。而且随着市场追求多样化、个性化、特色化，而且变化迅速，世界 进入了所谓的“产品多样化时代”。传统的适用于大批量生产的自动线生产方式 己不能满足企业的要求，企业必须寻找新的生产技术以适应多品种、中小批量的 市场需求。同时，计算机技术的产生和发展，c a d c a m 、计算机数控、计算机 网络等新技术新概念的出现以及自动控制理论、生产管理科学的发展也为新生产 技术的产生奠定了技术基础。在这种情况下，代表2 1 世纪制造业发展方向的柔性 制造技术应运而生。图2 1 显示了多品种混合生产线和传统制造技术的应用范围。 图21 混合流水线的应用范围 混合流水线作为一种新的制造技术，在零件加工业以及与加工和装配相关 的领域都得到了广泛的应用。 2 1 2 推行混合流水线的意义 在我国制造业企、毗中推行具有柔性制造特性的多品种混合流水线有其极为 重要的意义： 1 ) “柔性制造”是现代生产方式的主流方向和共同摹础。日益激烈的市场 海大学硕：| = 学位论文 竞争和f l 新月异的生产技术推动着现代企业生产力式的不断创新，如准时生产、 精益生产、并行工程等等。而这些先进的生产方式无不是以“柔性”作为其出发 点和基础的，如精益生产的基本前提是根据用户的需要生产出高质量的产品。 2 ) “柔性制造”是满足消费者个性化、多样化需求最坚实的支撑。顾客导 向的柔性生产注重捕捉各种市场变化的细节和个性要求来组织生产，所以其产品 的表现是少而精 ”】。这使得市场竞争的形态从成本、价格为主的竞争，转向市 场适应能力、新产品推进速度、产品个性化等方面的竞争，这在客观上需要柔性 制造系统的支撑。 3 ) “柔性制造”是降低生产成本、提高经济效益的有效手段。由于柔性制 造是一种智能型的生产方式，它具有高度柔性的可编程自动化加工装置，其生产 特点是可靠性高，重复精度好，具有高度的柔性，可以长时问作业，可提高产品 质量和生产效率；另外，柔性制造还是种市场导向型的生产方式，它要求制造 厂商与顾客实行互动式的信息交流，消除制造商由于不了解顾客对相关产品的需 求信息导致的过度竞争，而造成两败俱伤的现象，从而使各制造商减少损失，提 高经济效益 1 7 8 1 。 2 1 3 汽车行业混合生产线的发展 2 0 世纪8 0 年代，多品种混合流水线得到了迅速发展，并主要应用于飞机、汽 车制造业。使汽车业由单一品种、大批量的生产方式，转向中小批量、多品种、 适应市场要求的精益生产方式，也使汽车生产企业的经济效益和管理水平大大提 高。 国外汽车工业中，主要汽车厂商如通用、福特、宝马、奔驰、丰田、大众、 雷诺、沃尔沃等公司都采用了柔性制造系统。例如，美国福特汽车公司在加拿大 的一个发动机厂，在同一条自动线上对46 l 、5 4 l v 8 发动机* d 68 l v l o 发动机实 现随机混流+ l ：- i e ( 年产6 5 万台) ；而通用汽车公司的传动系部门于1 9 9 3 年开始作 同样的准备，采用混流生产线，以满足变速器类壳体零件多品种的制造要求；根 据1 9 9 8 年出版的丰田生产方式的新发展，恢公司在3 个月内的汽车产量为 3 6 4 0 0 0 辆，4 个基本车型、3 21 0 0 个型号，平均每个型号的产量为1 l 辆，产量最 多的型号也只有1 7 辆，最少的则只有6 辆。日本汽车业在2 0 世纪7 0 年代开始大力 二海大学硕：l 学位论文 发展柔性制造，到1 9 8 7 年已经形成较大规模，捌有数控机床2 万余台，有柔性制 造生产线2 l 条。据日本通产省第8 次特定机械设备统计调查表明，以汽车制造业 为核，心的输送机械制造业，1 9 8 7 年拥有混合流水线3 l 条，1 9 9 4 年增加到8 1 8 条。 尤其是大型汽车制造企业，柔性制造系统采用得最多，占7 年间增加总量的4 1 。 柔性制造为日本汽车工业生产率追上并超过美国创造了条件。日本汽车在国际市 场上畅销不衰与它的柔性化制造密切相关【l 。 2 2 混合流水线设计概述 2 2 1 混合流水线设计的步骤 1 在设计混合流水线之前，要进行一些适当的准备工作。 ( 1 ) 产品零件的分类。将本企业( 或车间) 的产品或零件按结构与工艺的 相似性进行分类，然后根据其各自的产量以及劳动量加以衡量，以确定是否适合 流水生产；同时，将适合流水生产的产品或零件进一步分类，以确定流水线的形 式，如单一品种流水线、多品种混合流水线等。 ( 2 ) 改进产品结构，使之适合于流水生产。首先，产品的总成和部件均应 是独立装配单位，这是零件加工与部件装配的连续性和平行性的需要。其次，产 品的零部件必须具有良好的互换性，零部件的各结构要素应尽量标准化和通用 化，不允许有修配现象，以免影响流水线的节拍。 ( 3 ) 审查和修改工艺规程。保正在一条流水线上生产的产品或零件的全部 工序应封闭在流水线上完成；产品和零部件的加工或装配基准应力求一致；提高 工序作业的机械化程度，减少手工作业，使工序作业时问保持稳定。 ( 4 ) 收集整理设计工作所需要的资料。 2 多品种混合流水线组织设计的一般程序如下： ( 1 ) 确定流水线的节拍。节拍是生产式流水生产的一大特点，也是流水线 设计的重要指标，它表明了流水线生产的速率。但在多品种混合流水线生产中， 它的节拍是不断变化的，根据不同的产品混流比例，有不同的流水线节拍。区别 于单品种流水线，混合流水线的节拍称为当量节拍( a n a l o g y c y c l e ，a c ) ，其计 算公式为： i 海大学坝i j 学位论文 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中爿g 一产品i 当量节拍：卢一产品i 当量系数；只一产品i 预计产量： t 一预计有效工作时间；k 一有效工作率；玎一年工作日；乃一工作日的 工作时。其中k 是一个综合考虑影响生产效率的修正系数，它一般受到正常工作 时间、生产废品率等影响：屈是用来修正各种产品的异同的系数，通常它以某 一种产品为基准，修正系数为“1 ”，其他的与之相比较。卢，可按下式计算。 卢，= ( 23 ) t6 其中0 为产品i ) j i 装配定额；瓦为被选中的产品的加工装配定额。 ( 2 ) 计算最少工作地数 工作地也叫工作站。它们分别承担制品生产过程中至少一个或多个无法再分 解的作业元素。工作站中需完成的作业元素及其工时总额，分别称作站工作含量， 及站工作含量时间。流水线中所有站工作含量时间的总和为总工作含量时间，以 w 表示。= ：，：；：f f ，f f 为产品z 所属工序j 的加工时间。 流水生产线工作地分工的合理性体现在用最少的：亡作地数来完成制品的生 产过程，即完成所有的作业要素。因为工作地数越少，工作地上的负荷越饱满， 流水生产线的利用效率或负荷率也就越高。在给定了节拍时间后，最少工作地数 应为： 。= | 嘉卜( 2 。) 式中的 符号表示大于或等于w a c 的最小整数。 流水线的最少工作地数可以作为衡量流水线利用程度的一个标准，用来检查 1 作地任务分工组织的合理性。 ( 3 ) 混合流水生产的平准化。做好流水线平衡是混合流水线设计的一个步 骤。要在生产中真正实现均衡化还需做好产品混合生产的计划和组织工作。应合 嘉 一一们 海大学硕十学位论文 理搭配产品品种，不但保汪生产按节拍，不问断地进行达到产量均衡，而且还 必须保证工时和品种的均衡。这样的一种组织生产的方法称为生产的平准化。 ( 4 ) 计算所需作业人数。 ( 5 ) 确定流水线节拍的性质，选择物料搬运方式和设备。流水线采用的节 拍的性质主要取决于流水线的连续程度。在连续流水线中，当工序同期化程度较 高以及加工对象的重量、体积、精度、工艺等技术条件容许严格按照节拍生产产 品时，应当采用强制节拍，即准确地按照既定节拍生产。此时，一般采用连续输 送机进行工序之间的物料搬运。而在同期化程度较低、工艺尚不稳定等情况下， 实现强制节拍有困难，可不要求严格按节拍生产，允许有波动，这时称自由节拍。 在问断流水线中，通常采用自由节拍，此时可采用间歇自由式输送机，允许工序 间存储一定量的在制品，用以调节节拍的波动。 ( 6 ) 进行流水线的平面布置设计。流水线布局设计的一个重要参考因素是 入口( 接受地点) 和出1 3 ( 发送地点) 的位置。常常由于外部运输条件或者原有 布局的限制，需要按照给定的出入口位置来规划流水线布局。除此以外，场址或 建筑物的轮廓尺寸、生产流程的特点和流水线的长度、通道设置等，也是流水线 布局设计时应考虑的因素。流水线的布局形状，一般有直线型、l 型、u 型、s 型以及环型等，见图2 ，2 【2 0 l 。 直线形 厂、 j u s 形 图2 2 流水线的平面布置形状 ( 7 ) 编制流水线标准计划图表。由于流水线的每个工作地都按一定的节拍 重复完成规定的工作，所以可以为流水线制订标准指示图表，以反映流水线的备 上二缚大学硕= l 学位论义 项期量指标、工作制度和工作程序。它是编制月度作业计划的重要依据。 222 不同订单结构下的流水线布局设计策略 1 几种订单结构类型 按照产品的定货批量大小、尺寸规格以及发生频率的规则程度，订单可以分 为不规则单件小批和规则大批两类：1 ) 不规则单件小批型是指当产品潜在的顾 客相对较少，订单呈单件小批趋势，订货内容和发生时间不规则：2 ) 规则大批 型是指当产品潜在的顾客为广大消费者，订单规模较大，呈大批量趋势，且定货 时间也比较有规律。 2 产品结构类型 设计、制造技术的变动会导致产品结构发生相应的变化。当产品的技术变化 较小时，其结构、性能在一段时期内维持在比较稳定的状态，此类产品定义为同 类同构产品。当产品变型频繁、性能参数也经常变动时，出现的产品系列定义为 同类异构产品。 3 针对不同订单模式提出了几种流水线布局形式，具体如下： ( 1 ) 对同构产品的大批规则定货，可根据产品零部件的几何相似性运用成 组技术进行归类，并投入专用流水线生产。 ( 2 ) 对异构产品的大批规则定货，不适合采用专用生产线，配套工装的研 发和生产会十分繁重：若合理采用柔性生产线，大幅度削减对工装的需求，则可 显著降低成本。 ( 3 ) 对同构产品的小批不规则定货，由于产品同构特性和小批量特性比较 显著，因此决定了产品对工装的依赖小，机床不需要太强的功能来满足产品变形 的需要，普通的生产线即可满足要求。 ( 4 ) 对异构产品的小批不规则定货，由于小批异构产品的定货频繁出现， 要求机床对产品变形有较强的适应能力，而普通机床和有i p , p t 类的工装都难以满 足要求，因此此时可以适当考虑引进加工中心。j ：2 i j 。 上海人学坝十学位论文 第三章混合流水线平衡设计 3 ；1 混合流水线概述 混合型流水线是一种柔性生产系统，可以生产大批量标准化产品，也可以按 照客户订单生产d , j = t t 量非标准化产品，满足了顾客对产品的多样化需求。混合型 流水线的平衡问题包括两大部分：作业分配问题以及投产顺序问题。传统的混流 生产线平衡方法大多将它们分开讨论，即首先确定其作业分配结果，然后在此基 硎 上进行投产顺序的排定。但是由于混合流水线在同一时间里生产不同品种的产 品；它们的产量不同，工艺过程也不完全相同，有的工序多，有的工序少；有的 产品工序加工时间长，有的短：有的产品需要占用工作地，有些产品则不用；这 样，每个工作地的工作时间会因产品品种的变换而发生变化。 正是基于以上的分析，本章首先提出了一种综合考虑作业分配以及投产顺序 的混合流水线平衡的数学模型。但是由于该问题的特殊复杂性，无法直接得到相 应的最优平衡方案。本章给出了该问题最终解的取值区间，进而提出一种近似算 法解决该问题。最后，运用一个具体实例证明了该算法的优越性。 311 流水线平衡问题的定义与目的 流水线平衡问题( a l b p ) 最早是由b r y t o nb 于1 9 5 4 年在他的硕士论文中 提出，s a l v e s o n 2 2 1 于1 9 5 5 年首先建立了单品种装配流水线的数学模型，并给出 了模型的解法。从那以后，它成为人们研究的热点之一。 流水线平衡的广义解释是指工程流动间或工序流动阃负荷之差距最小，流动 顺畅，减少因时问差所造成的等待或滞留现象。流水线平衡的狭义解释是指为了 有效地达成预计的生产目标，在既定的条件下，把流水线上的各工程或各作业者 间的负荷时间做平衡的分配，即就是指为有效的达成计划性的生产，而对设备和 人员的调整做适当设计。 流水线平衡的目的主要有以下几个方面：1 ) 物流快速，减少生产周期；2 ) 减少或消除物料、半成品周转场所：3 ) 减少在制品堆积；4 ) 消除工程瓶颈，提 高作、效率：5 ) 稳定产品质量；6 ) 提升员工工作士气，改善作j j 2 秩序【2 ”。 l 海大学砸卜学位论文 装配流水线平衡问题( a l b p ) 由于其求解目标不同，可以区别为两类子问 题，分别称为a l b i 和a l b i i 。在满足作业单元之间的顺序关系和： 位的最大作 业时间不超过给定节拍( c t ) 的前提下，将单元作业分配给各工位，使所需的 工位数最小，这是a l b i 问题。a l b i i 问题是在满足上述顺序关系和给定工位数 的前提下，分配单元作业，使工位的最大作业时问( 即c t ) 最小。 3 1 2 混流生产线平衡的特点与要求 混合型装配流水线是一种柔性生产系统，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 单一型装配流水线相比，混合型装配流水线具有更高的灵活性，线上工作站的可 变性大，适应性高，有助于提高产品质量。混合型装配流水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成品的库存，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。 在混合型装配流水线上，不同品种的产品混合、连续地进行，线上的产品 般是模块化设计的系列产品。这些产品( 称为一种基型、多种变型) 在功能上和 作业方式上基本相同，仅仅在规格阻及型号上有区别。在汽车工业、家电工业中， 产品经常是系列化的产品，在装配生产过程中，大部分的装配工序是相同的，更 换产品品种时基本不需要调整生产线。 混合型装配流水线平衡设计比单一型装配流水线要复杂得多。即使各个品种 产品的平均负荷在每个工作站都达到均衡，但是对每个品种的产品来讲，随着投 产顺序的不同，不同品种的产品在不同工作站中负荷各不相同，工作站中闲置与 超载现象时常发生。工作站的闲置与超载均会造成装配流水线效率低下，尤其是 超载现象发生时，不仅影响到产品的质量而且增加了生产成本，因此降低工作站 的超载和闲置，不仅提高劳动生产率，而且可以提高产品的质量，从长远的观点 来看，可以增强企业竞争力，增加企业的利润。 装配流水线平衡的目标是使生产保持一种均衡、连续的流动状态，减少工作 站的闲置时间和超载n , h 1 刚，提高人员和设备的利用率。装配流水线平衡问题是生 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。在装配流水线 上海人学硕j 学位论文 平衡的基础上，投产排序用来决定混合型装配流水线上不同产品的投入顺序，以 保证产品的均衡化。由于市场需求在变化，生产制造系统存在调整的必要，因此， 投产排序决策在每个月、每个星期、每天、每个班次都需要制订，是一个短期的 决策问题，而且投产排序的： 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。 混流生产线平衡设计必须满足以下几点要求： 1 相似的产品必须在同一条流水线上进行生产； 2 所有产品的工序时间是已知的常量； 3 所有产品的工艺路线图是已知的； 4 工位之间杜绝在制品库存的存在； 5 不同产品的相同作业必须分配在同一个工位上； 6 不允许有平行的工作站存在。 通常，不同产品的加工或装配顺序是有一定差异的，但是在混合流水线上生 产的不同产品都存在若干项相同的作业。因此，就能够将不同产品的工艺路线图 合并为一张混合工序图。有许多方法可阱实现该操作，在此采用的是图示法，图 3 1 是产品的混合生产工艺路线图。 ( a ) 产品1t 艺路线图 ( b ) 产品2 工艺路线图 ( c ) 产品1 和2 的混台： 艺路线图 圈3 1 产品混合t 艺路线图 f 姆火学顾卜学位论文 31 3 流水线平衡问题的研究现状 现在，许多学者开始将人工智能( a i ) 的方法运用到解决流水线平衡的问题 中来。人工智能方法包括遗传算法( g a ) 、退火算法( s a ) 、禁忌算法( t a b us e a r c h ) 等；以及由m a l a k o o t i 和k u m a r 提出的基于知识的算法。其中遗传算法已经被许 多人证明是一种较好的解决流水线平衡问题的智能算法，通过不断的完善，该算 法日趋成熟。国内许多学者对其进行了比较深入的研究，提出了许多基于该算法 的改进算法。如陈晓峰等1 2 4 1 针对装配线平衡问题，提出了一种周期性自适应交 换、变异遗传算法，通过实验求解表明，该算法是解决装配线问题的有效算法， 很好地解决了简单遗传算法容易早熟收敛的问题，大大改善了简单遗传算法的性 能。宋华明口习根据u 型生产线的特点与优点，提出了一种改进的非标准操作算 子来解决生产线平衡问题。此外，他还针对确定型装配线，给出了简单、高效的 负荷平衡遗传算法，通过求解经典装配线平衡问题，显示了这种算法的有效性和 实用性2 ”。皮兴忠2 7 1 提出一种基于作业序列的遗传算法来求解a l b 问题。该算 法保留了传统g a 的并行和随机搜索能力，同时无论是初始群体的生成还是遗传 算子的构造，都是直接从单元作业之间的顺序关系出发的，从而保证它搜索的所 有作业序列以及相应的作业分配方案都是可行的，效率极高。除最小工位数外， 陔算法还引入工位工时的标准差来比较最小工位数相同的不同作业分配方案之 间的优劣，从而提高最优解的可信度。 3 2 混流生产线平衡问题 3 2 1 混合流水线平衡问题( m l b p ) 数学描述 传统的混合流水线平衡主要研究作业元素的分配问题，使工作站的平均负荷 均衡，但是由于不同的工作站在不同时刻要处理不同的制品，即使平均负荷达到 完全平衡，在实际操作中，仍然可能引起严重的积压停产与空闲等待现象。 s p a r l i n g d 口h 指出：综合考虑作业元素的分配和产品的投产排序因素，是混合装 配线平衡问题的进一步研究方向。 与单一型装配线的平衡问题不同，混合型装配线的平衡问题包括两个相关的 方嘶：一方面是作业元素的分配问题，即将一系列的装配作业分配到工作站中去： 卜海大学硕：卜学位论文 另一方面是排序问题，即确定混合装配线上不同制品的投产顺序。上述的两个方 面问题对混合装配线的平衡效果均有显著的影响，而且分别是n p h a r d 问题。在 混合装配线平衡的文献中，综合作业元素分配和产品的投产排序，系统研究混合 装配线平衡的文献相当少见。 下面举一个例子说明投产顺序对于流水线平衡的影响。假设有三种不同的产 品( a 、b 、c ) 在一条流水线上混合生产，生产计划中要求在某一时段生产一个 a 、两个b 和一个c 。所有产品对应的各项作业的操作时间见表3 1 。 表3t 各项作业的操作时间 巡芝“弋 ii ii i ii v v 产品貅、 al o4o2 b22302 co3l31 各产品的工艺路线图见图3 2 。假设以上各项作业按照下述方法分配到工作 站上：工序i 和1 1 分配到工作站1 4 ，工序i i i 和i v 分配到工作站2 “，工序v 分 配到工作站3 4 。由此，可以确定三种产品在各个工位上的加工时间，见表3 2 。 产品a产品b产品c o 延心 图3 2 三种产品的工艺路线图 表3 2 三种产品在各工位上的加工时间 _ l | | 工时问( m ) r 作站 i 1 42 #3 ” 舢浩称 a1 4 2 b432 c3 41 上海大学埘一l j 学位论文 为了说明投产序列对于节拍时f 的影响，本文假设该混合生产线按照序列口 ( a ，b ，c ，b ) 生产。因此，予周期的确定过程见表3 3 ，表中“( a ) ”表示某 个工作站当前正在自1 1 _ e 的产品名称，其余类同。 表3 3 生产序列为口时的子节拍时间的确定 迥工时间( m 作站 、 1 42 “ 3 # 砷扒”n 11 ( a )3 ( b )1 ( c ) 24 ( b )4 ( a )2 ( b ) 33 ( c )3 ( b )2 ( a ) 44 ( b )4 ( c )2 ( b ) 子节拍时间c j 为对应子节拍( i ) 内，某个加工时间最长的工作站8 j ；n i 时 问。则此时该条混合生产线的实际生产节拍为：3 + 4 + 3 + 4 = 1 4 ( m ) 。若将生 产序列改为卢。( a ，b ，b ，c ) ，则该条生产线的节拍将变为4 + 4 + 4 + 3 ：1 5 ( m ) ， 见表3 4 。 表3 4 生产序列为卢时的子节拍时间的确定 弋站1 #2 #3 4 子制自( n 11 ( a )4 ( c ) 2 ( b ) 24 ( b )4 ( a )1 ( c ) 34 ( b )3 ( b )2 ( a ) 43 ( c ) 3 ( b )2 ( b ) 由以上示例可以看出产品的加工顺序同样对混合流水线平衡问题具有重大 影响，不应该将其与作业指派问题分开单独考虑。下面就给出混流生产线平衡设 计的数学模型，在此模型中综合考虑了产品投产顺序对于流水线平衡设计的影 响。本文中，利用企业主生产计划m p s 作为产品种类与数量的参考输入，其中 m p s 是由客户定单以及未来需求预测来决定的。令n 表示生产计划中各产品组 中产品的数量，卢= u l l i j i ：1 j 表示一个产品组的投产顺序( 例如：产品在流 卜坶火学嘶! i j 学位论文 水线上按照下列顺序生产山】，- ，1 l l f f 。1 ， ，i j ：l ，) ，m 表示工位数 量，c 为子节拍时间。对于确定的生产序列卢，若已知各工位上产品的加工时