平行装配线

第一章绪论1.1课题研究背景随着科技的进步和生产力的不断发展，人类逐步进入后工业化时代，在经济全球化背景下，企业之间、各行业之间以及行业内的竞争也愈加剧烈，在制造业领域尤为严重。制造业是指在特定的市场要求下，经过对原材料（包括技术、设备、物料、资金等）的加工制造，使这些加工后的原材料变成人们需要的生活用品和工业产品的行业，制造业也可以说是所有以生产和装配制成品为主的企业的总称，是工业化的产业主体。在现代社会中，制造业与人们的工作生活有着密不可分的关系，已成为各个国家经济发展的基石，也成为我国经济发展的主要支柱产业之一。自改革开放以来，为了满足国民经济发展和基础设施建设的需要，我国不断加强政策扶持和引进国外先进技术，制造业迅猛发展，并且在各种生活消费品、机械电子设备、交通运输设备、冶金建材等主要工业领域都拥有巨大的生产力，使我国成为继美国，日本之后的第三大制造大国。制造业的快速发展依赖于各种先进制造理念的提出：快速成型，精益生产，敏捷制造，智能制造，虚拟制造等。这些理念使制造更加自动化智能化而且提高了生产效率，并且快速满足了顾客的多元化需求和产品的个性化要求。美国福特公司在1913年建起了世界上第一条汽车自动装配流水线，并首先实现了汽车的批量生产，其最重要的表现就是将当时著名的T型车的组装时间从12.5小时减少到1.5小时。福特生产流水线使生产效率和产能出现了很大提升，使人类的生产方式和制造业产生了巨大改变。随后，装配流水线逐渐被各个制造行业采用，现在已成为制造业中最广泛的生产组织方式。二战后，随着制造技术的进步、发展，出现了以丰田公司为代表的精益生产方式。精益生产方式就是指以顾客和市场的需求为动力，以快速反应且杜绝不必要的浪费为中心，使企业在投资很少的情况下，迅速获得市场反应，从而得到最佳的经济效益，它的主要核心是精简[1]。装配流水线为了适应技术和生产方式的迅速发展，形式也随之发生了改变，如间歇移动式装配流水线，U型装配流水线和混合型装配流水线等。伴随着装配流水线出现的是装配线的平衡问题(AssemblyLineBalaneing，简称ALB)，即在满足优先关系的前提下，将各加工工序恰当地分派到各工作站上，且保证各工作站上的总作业时间基本一致且小于等于规定的生产节拍，充分减少装配线上工人1.2装配线的概论机器停歇、等待现象的发生。装配线平衡程度对生产效率、产品质量和工人生产积极性等具有很大影响。1.2课题研究意义对于采用装配流水线生产的企业，装配线平衡问题是一个很重要的企业生产管理问题，也是为了设计高效率生产线必须要考虑的问题。只有当装配线平衡也就是装配线中各作业元素的节拍基本相同时，才可以最大程度地降低由于节拍不一致引起的设备和劳动力的浪费，使装配线维持连续，均衡的运作，从而获得所预期的效果与产出[2]。装配线平衡是所有企业实现“一个流”生产的前提条件，它是由日本企业在70年代首次提出来的，是以准时制生产方式为基础。我们传统的生产观念的“维持型”，也就是说传统的生产和任务的均衡完成主要是靠零部件和在制品的大量储备来维持的，储备很多，导致很难察觉或发现生产过程中的问题。不同于传统生产观念的“维持型”，一个流生产的生产观念是“改善型”，即一个在制品在装配线上依次流动，从毛坯到成品的整个生产加工过程无堆放、超越、停滞现象出现。一个流生产管理方式的最终目的就是实现工序间无在制品。不同的浪费问题与矛盾通过追求“一个流”清楚地显露出来，从而使人们不得不积极的去想办法解决现场存有的问题，最终使企业做到因人制宜、时尽其效、物尽其用。一般情况下，装配线的平衡是需要各部门和车间之间相互配合共同努力才能实现的。一条装配线经过优化后在负荷基本平衡的情况下，各工作站能够实现同步生产，从而缩短了生产节拍，减少了在制品的库存压力，降低了生产成本，增加了产量，提升了企业的综合竞争力。因此，研究装配线的平衡问题在竞争日益激烈的现在制造业中具有重要的意义。1.3课题研究现状1.3.1国内外研究现状装配线平衡问题属于典型的NPH（Non-DeterministicPolynomialHard）问题，它主要讨论两个问题，即产品的投产次序和作业元素的分配情况。NPH问题是伴随着装配流水线而出现的，在1954年才真正得到了广泛关注，美国西北大学的硕士生BrytonB在他的硕士论文《Balancingofacontinuousproductionline》中首次对生产线平衡问题进行了详细阐述，并且给出了一种名为“会聚过程法”的流水线优化方法[3]。所谓会聚过程法是指：对工作站上的各作业任务进行无规律的随机交换，如果各工作站上的总作业时间几乎一致，那么此时总空闲时间最小，流水线上各工位的负荷是大致均衡的，此时得到的就是最优方案。他的观点当时在学术界和企业中都引起了极大的关注，其后装配线平衡问题也成为许多专家、学者的热门研究领域，许多专家和学者对装配线平衡问题进行了深入研究[4]。国外对于装配线平衡问题研究较早，自从SalvesonME在1955年第一次提出了关于生产线平衡问题的线性规划模型，对生产线平衡问题的描述采用解析法，讨论了最优解的整个求解过程，建立了生产线平衡问题的线性规划模型，但是此方法也有缺点，它的求解过程耗时较长，实用价值较低[5]。JacksonJR在1956年谈到了求解装配线平衡问题的另一种方法枚举法，枚举法是指理论上当给定节拍时采用枚举法搜索最小工作战数，它的缺点是计算量大，不太实用[6]。TongeFM在1960年首次提出解决生产线平衡问题的一种新算法，启发式算法，此算法的运算过程是将相邻的作业任务进行合并分组从而减少维数，整个搜索优化过程按组进行，启发式算法的最终优化目标就是使生产节拍最小化[7]。HelgesonWB在1961年提出了求解生产线平衡问题的另一种方法阶位法，这种方法中的位置加权值是由各作业元素和其后续元素的作业时间的总和确定的，每一个作业元素对应一个位置加权值，作业元素的位置加权值越高，所在的工作站就越靠前，采用这种方法可以有效的减少工作站数目[8]。HeldM在1963年设计出了基于生产线平衡的一种动态规划模型，这种方法存在许多局限性，仅适合作业元素数量较少的不大规模的生产线平衡[9]。HoffmannTR在1963年求解装配线平衡问题时采用三角优先矩阵求解，这种方法很难得到平衡的最优解[10]。GutjahrAL在1964年提出了网络模型法来求解生产线平衡问题，此方法是通过将求优化工作站数最少问题转变为寻找最短路径的问题的求解过程[11]。ARCUS*AL在1965年主要通过随机抽样和蒙特卡罗(MonteCarlo)方法来研究装配生产线的平衡问题，这种方法的求解速度较快[12]。RobertsSD在1970年提出了解决混合生产线优化问题的一种方法联合优先图的概念，此概念应用于生产实际中就是把混合型生产线问题转化成单一型生产线问题进行处理[13]。BennettGB在1976年提出了解决生产线平衡问题的一种可训练的两阶段启发式算法，所谓可训练的两阶段启发式算法具体是指求解过程分为两个阶段，在开始阶段，主要是求解小规模的生产线平衡问题来训练几种启发式规则；在紧随阶段，主要通过利用上一阶段的训练结果来对正规的生产线平衡问题进行求解[14]。AgrawalPK在1985年谈到了“最大集”标准，依照此标准把各作业元素分派到工作站上[15]。EastonF在1990年提出了一种动态规划算法来解决生产线平衡问题。这种算法的主要特点是指出了一动态的上限，从而提高了搜索效率，减少了求解过程中所需的计算机内存[16]。ShinD在1991年提出了求解生产线平衡问题的0-1整数规划的算法，此算法不同于传统的只优化节拍或者只优化工作站数，而是同时优化生产节拍和工作站数，使计算效率得到了很大提高[17]。SureshG在1994年首次提出在求解随机型生产线平衡问题时运用模拟退火算法，此算法结果显示想要得到质量较高的优化结果，就必须设置较小的退火参数[18]。近年来，GökcenH提出一种0-1整数规划模型来求解混合生产线平衡问题，这种模型算法主要是通过引入新的变量来减少模型中决策变量和约束条件的数目[19]。ErelE提出在求解混合生产线平衡问题时应用最短路径算法，此种算法有局限性，不能够用于求解大规模的混合型装配线平衡问题[20]。PierrevalH提出了采用遗传算法对生产线平衡问题进行求解[21]。GökçenH提出了采用最短路径法来研究装配线平衡问题[22]。近些年在我国国内对装配线平衡问题的研究也日趋深入，陈晓峰在2001年提出了一种周期性自适应算法，此算法是在鳗鱼选择法的基础上发展的[23]。宋华明在2002年提出了禁忌搜索算法来求解多目标装配线平衡问题[24]。2003年鲁建厦在流水线生产过程中，将工业工程中的动作分析、操作分析、程序分析等技术进行综合应用，对不合理操作和瓶颈工位进行分析和改进，从而减少了企业生产中的瓶颈，优化了整个流水生产线[25]。孙建华在2004年提出采用传统工业工程的方法解决生产线平衡优化问题，并且将“5”管理和目视管理的方法运用于生产均衡优化过程中[26]。王芸凤在2005年提出采用混合遗传算法来研究装配生产线平衡问题，并且将模拟退火方法和遗传算法相结合[27]。张瑞军在2006年提出了一种基于改进的遗传算法，并且用此算法来求解生产装配线平衡问题[28]。吴尔飞在2008年提出了一种最优化双边装配线平衡的分支定界算法[29]。近年来，张彭俊利用仿真软件AutoMod对发动机混流装配生产线规划与仿真进行了深入研究，验证了数字化仿真的实用性，保证了整个装配生产线的负荷均衡[30]。肖中华针对某汽车装配生产线进行了基于改进遗传算法的装配线平衡问题研究[31]。王谦通过遗传算法对两方面问题：任务工作站分配和混合产品的投产排序进行了复杂装配流水线平衡问题的研究与优化[32]。1.4装配线平衡研究中的问题与研究思路1.4.1装配线平衡研究中存在的问题装配线平衡问题是典型的NP-hard难题。装配线平衡的方法有两大类型:启发式方法和最优化方法（数学模型法）。尽管数学模型法能找到最优解，理论意义十分重大，但是在20世纪六七十年代，计算机的计算能力很低下时，在实际应用中十分烦琐，往往一个很小的问题需要构造的模型非常大，计算机耗时也较多。启发式方法以其简便、易懂、快速赢得了众多管理人员的信赖和欢迎，并被广泛应用于其它领域，但是其也存在着一定程度的枚举、一般来说收敛到最优解的速度很慢，并且对于判断解的最优性也很困难。在这方面也需要做进一步的研究，理论意义不如最优化模型。纵观装配线平衡的研究文献，装配线平衡的算法研究较多，对于装配线平衡的模型研究较少。在我们检索到的文献中，研究装配线平衡的最优化模型文献占5%左右，80%以上的文献是研究算法的。但是，进入20世纪八九十年代后，计算机的内存和计算速度大大提高了，计算机求解一个较大的装配线平衡最优化模型的能力逐步提高，研究装配线平衡最优化模型的文献出现递增的趋势。如果计算机计算速度的瓶颈可以突破，建立装配线平衡的最优化数学模型有重大的理论意义，各种近似的启发式算法的意义就不是很大了，因而对数学模型法应予以重新评价，不能忽视最优化模型的研究。另外，在计算技术和制造技术进步的推动下，装配线的平衡技术也在进步。在计算技术的推动下，尤其是进化算法，如遗传算法、模拟退火算法、禁忌搜索算法、神经网络算法、多智能体技术(MAS,Multi-agent-system)等，带来了装配线平衡的新技术和新工具。但是，基于人工智能的装配线平衡算法不是很成熟[33]，有待进一步研究。社会的发展，要求在装配线平衡的研究中，考虑多个目标、考虑作业时间的随机性、考虑装配线的布局方式，考虑资源和能力的约束等等，这些都是值得进一步研究的方向。系统化研究装配线平衡问题，必须探讨其最优化模型以及平衡搜索算法，这两个方面构成了装配线平衡的内容。1.4.2装配线平衡研究思路由于装配线平衡问题属于一类NP困难组合问题，