多品种小批量混流生产线设计方案综述

多品种小批量混流生产线设计综述摘要：文本全面的总结了有关多品种小批量混流生产线的设计，主要以生产线平衡优化设计和投产排序以及应用Flexsim软件对生产线进行仿真分析为主要研究内容；并对目前国内的研究进展和研究方向进行了分析和总结，显示出混流生产线平衡、投产顺序的问题需要进一步研究的发展方向和应用方法。关键词：混流生产线；生产线平衡；生产排序1前言混流生产线是一种柔性系统，这种生产线可以生产大批量标准化产品，也可以生产小批量的非标准化产品，当代社会信息技术的快速发展加快了全球的经济化、一体化、市场化和信息化从根本上改变了经济运行的环境，大大缩短了企业生产和客户间的距离。在这种条件下，企业处于更加开放和更加竞争的环境中，也给企业带来了更多的要求，主要表现为:产品更新换代的速度越来越快，只有缩短产品的开发时间和生产时间，才能够以最快速度把产品推向市场，率先占领市场，满足用户的及时需要，获得尽可能高的用户满意度，“以产定销”改为“以销定产”。由于产品的需求变动越来越频繁，产品的更新速度也越来越快，企业必须以用户和市场的需求为导向来安排生产。为满足个性化需求越来越高的消费者，企业的市场销售已经从过去的以“产定销”改变到“以销定产”[1]，就目前国内汽车企业的生产模式大多已经从原来的单线大量生产逐渐的向混流多品种小排量模式过渡，混流生产线是很多企业摆脱产品更新换代快和个性化需求最好的选择，也是企业赢得竞争力的主要是手段之一，而在日、美、欧等发达按国家混流生产线已被广泛应用。尽管混流生产线的发展前景很宽广，但这种技术的不成熟使得混流生产线面临诸多的问题：生产线工艺不平衡，工艺布局不合理，投产顺序有待优化。生产线工艺平衡主要的工作以工位为单位，每个工位装配时间和装配的区域固定，为各个工作台分配任务，涉及到作业设施的重新布局和员工的培训，所以平衡工作不宜频繁进行，是一个中长期决策；国际上汽车生产线的主体生产线都是分为内饰、底盘、终线三大工艺生产线。部分公司还分有调整线、辅助分装线等[2]。多车型混流生产线就是将每种车型的工艺流水线结合为一条生产线，所以设计多车型混流生产线就是前期先设计好每一种车型的主体生产线，建立好每一种车型的主体工艺布局。然后研究如何将主体工艺布局进行关联结合，一条汽车装配线在每个主体生产线都有关键的主体工艺，使这些工艺有机的结合起来，最后得到合理的工艺布局[3]；为使混合装配生产线高效地运行，需要解决的另一基本问题是排序问题。其研究内容涉及在满足特定的约束条件下，如何将多个品种的待装配产品按照合理的排产顺序投放到装配线上，实现混合装配并达到要求的目标，它属于组合优化的范畴[5]。目前，从国内现有的发展理论和方法综述混流生产线的发展态势，应用方法和未来的动向问题。主要表现在混流生产线工艺的平衡，工艺布局和投产顺序及优化上，下面对其进行分析。2混流线的平衡混装线平衡包括两类：初次平衡与再平衡。传统的研究主要针对初次平衡，并将其简称为混装线平衡；由于需求模式、技术变化等原因导致原来平衡的混装线不再平衡，需要进行的重新平衡称为再平衡[5]。汽车装配工艺以工位为单位，每个工位装配时间和装配的区域固定。工位操作时间分为周期装配时间和单件装配时间。周期装配时间是指汽车经过工位的固定时间，一般流水线传送速度一致，经过一个工位，基本为6-8M的装配区域，所需要的时间位周期装配时间[6]。设计多品种型混流生产线，目的就是制造汽车成品，企业根据汽车制造的工艺需求一条符合工艺制造要求的生产线。现今工艺平衡存在的难点就是，如何在一条生产线将不同车型的工艺进行平衡，这样就是多车型混流生产线了。不同车型的整体装配工艺周期时间不同。装配工艺要素不同，会导致每个岗位有饱和操作要素与空闲的操作要素并存的现象，这样对企业的生产运作会造成巨大的浪费。[7]混流装配线(MixedModelAssemblyLine,MMAL)，是指可以混合连续地生产不同的变型产品的生产线。这种生产组织方式提高了生产效率，减少了在制品的数量，增强了生产线的灵活性及适应性，因此越来越多地为汽车生产企业所采用川[8]。这种生产线MALB）是在满足所有产品的加工顺序、市场需求量以及其它约束的前提下，将组装任务分配给各工作台（k，k＝1，…，K），对所有的产品都实现各工作台负荷的尽量均衡。生产线平衡就是将具有先后优先顺序关系的有限作业集分配到若干有序的工位上，从而实现某些性能指标优化的过程[9]。生产线平衡程度决定着生产效率，还通过控制线平滑系数，影响员工的工作积极性及产品质量[10]。2.1混流生产线节拍的确定根据计划期生产任务的数量和完成该任务的时间确定节拍的大小，对于多品种小批量混流生产线节拍是按照产品组计算节拍，C组=Fe/N组，再根据产品产量进一步确定[11]，节拍平衡才能达到均衡生产，而影响节拍平衡的影响因素有很多，诸如车间的时间规划、人员素质和能力、产品配置的改变和投入、现场布置的改变及产品与产量的比例等，因此节拍确定要进行综合的考虑。对于节拍均衡赵群在《一汽-大众轿车二厂焊装车间混流生产投产排序研究》中采用了数学建模的形式找出了混流生产线投产排序问题中的生产节拍均衡约束[11]。2.2生产线工作站生产要素配置和平衡计算工作站的合理排序，可以减少工序之间的预备时间，提高生产线的效率，有利于调动劳动人员的工作积极性。结合现有规划方法和装配线平衡理论，利用惩罚函数对装配工艺顺序以外的约束进行优化，并将最小工作站数与平衡率同时进行优化，研究了混合装配线的多品种车桥工作站平衡优化问题，针对生产线平衡这种NP-Hard类型[12]的组合优化问题，应用遗传算法求解得到作业要素的最优配置方案。混合产品装配线工作站分配排序[13]首先需要考虑各个装配任务的优先关系，假设一条装配线生产2种产品，产品A和产品B，装配任务优先关系如图1所示[14]。如何将产品的各个工序分配到相应的工作站,混流生产中，将每一个最小循环的产品一起放入工作站中，然后对工作站的分配平衡问题进行求解[15]。国内学者对装配线平衡方法主要可以归纳为三类：（1）最优化方法（线性规划法、动态规划法等）；（2）启发式方法；（3）遗传算法；（4）方法研究和作业测定。。国内外研究主要集中于模型建立及算法的理论研究上，很少根据生产实际的需求来解决作业元素个数较多、约束条件较多、满足多目标的平衡问题[16]。现有的装配线平衡方法缺乏关联性、系统性和整体性，未考虑混流水装配线工作站分配、排序及实际应用中除工艺顺序以外的约束问题。凌文暑以车桥装配生产线为例，引入惩罚函数优化装配工艺顺序以外的约束，利用遗传算法对该问题进行编码求解，将工作站数最小与平衡率最高同时进行优化。最后通过实例进行仿真运算，以加强混流产品装配生产线工作站分配及平衡策略的可行性、有效性和前瞻性，为装配线尤其是车桥类装配线工作站分配和平衡提供了一种有效途径；李险峰和董绍华他们提出了一种包含模拟退火因子的改进的遗传算法，设计了加速收敛因子模型以确保在有限种群空间中的快速收敛。同时考虑了更多工程现场实际约束来修正传统的约束模型新算法模型应用在混流装配生产线平衡分析中，取得了算法快速收敛和分析结果与实际工程一致的结果[14-17]。赵建辉在发动机装配生产线平衡问题研究中提出启发式算法；启发式方法以其简便、易懂的优点，赢得了众多管理人员的信赖和欢迎，并被广泛应用于各个领域，它的产生克服了现实建模的困难，提供了一种更有效的决策工具。与最优化方法相比较，启发式方法的优点主要有：逻辑模型接近于现实，流程图建立在决策者经验的基础上。因此启发式方法隐含着多目标方案；它的主要局限是它的静态性，即在平衡过程中，固定的准则是预先确定的优先准则，而从产品加工过程、市场需求和公司战略来看环境是动态变化的。在生产线平衡问题中应用比较多的启发式方法是禁忌搜索算法，与传统的优化算法相比，禁忌搜索算法具有灵活的记忆能力和藐视准则，搜索时能跳出局部最优解，转向可行解空间中的其它区域，从而增大获得更好的全局最优解的概率。由于这种算法的不足，可以和模拟退火法、神经网络以及基本问题信息的局部相结合对平衡问题进行优化[17-20]。以工业工程方法为主的生产线平衡相关技术主要是方法研究和作业测定两大技术，运用该技术优点就是使企业在不投资或少投资情况下，不增加工人劳动强度甚至是降低劳动强度，通过实施一系列适合自身特点改善方法，对生产过程的作业程序、作业方法、物料配置、空间布局及作业环境等各方面进行改善，达到企业对生产线的平衡进而提高生产能力、取得经济效益的目标[21]。通过这几种方法的有效结合的应用基本上可以满足混流线的平衡。3混流线投产排序一个生产系统能否及时有效地生产产品，常常在很大程度上依赖于混流生产线的投产顺序，而混流线的投产顺序又是一个短期的决策，要满足市场需求和适应产品的周期就必须解决好这一问题。JIT生产方式是目前我国大型汽车制造企业所主要采用的生产模式，它运用混流生产线进行生产。而组织多品种混流生产的关键是实现生产的平准化，而平准化的核心是混流生产线产品投产顺序的最优化,以他实现数量均衡、品种均衡和混合装配[22]。混合装配生产线的排序问题于1963年由美国的ArcusA.L在博士论文中首次提出，己被证明是组合优化中的NP难题。随后Thomopololos[24]A.R.Rahimi-Vahed等[25]也分别从模型和算法方而对混合装配生产线的排序问题进行了研究。就目前来讲，国内采用各种方法主要解决的问题主要有两点：1）工作负荷过载（Workoverload），2）准时化目标（Just－in－timeobjectives）[26]。根据文献，解决这两个问题他们采用的措施举例如下：1)混流生产线的运作需要减少混流生产线上无效率生产情况的发生，如产生空闲、工作拥挤或阻塞，可以通过扩展顺序矩阵分析作业先后次序，从而避免无效率的生产[26-28]。2)丰田公司对“混合车型总装配线上零部件使用速率均匀化”的投产排序问题应用目标追迹算法(goalchasingalgorithm,简记为GCA)并取得了成功。从而,针对“混合车型总装配线上零部件使用速率均衡化”投产排序目标,目标追迹算法成为衡量研究此排序目标的其它算法有效性的标尺[29]，但他只是考虑了当下的问题。3)在混流生产线上零部件使用速率均衡化的排序目标，应用退火算法是一种全局优化方法，与目标追踪算法相比考虑了全局状态，有很好的使用价值[30]。这几种常见算法和遗传算法的结合应用使得生产速率基本得以均衡化，生产负荷得以均衡化以及物料需求的时间实现均衡化。在现代市场中，需求模式总是随时间和季节不断发生变化，基本上不存在产品组合不变的生产系统。所以，在现实中这种属于短期的生产决策是时时作出相应的调整的。4混流线的仿真优化Flexsim是由美国犹他州的Flexsim软件产品公司开发的一款离散事件仿真软件，可通过仿真、实验和优化来改进动态系统的生产效率，减少操作成本[31l。Flexsim使用面向对象的建模方式，通过图形的拖动和添加附加程序可以快速建立系统模型，使得建模过程更为快捷[32-33]。所建立的物理仿真模型可以用三维动画方式表现出来，更为直观。通过Flexsim软件建立了混流生产线模型，对不同投产顺序的生产过程进行仿真，预先对生产线设计方案进行分析、评估，可以达到节约成本的目的[33]。马云和李跃宇在混流生产线上网Flexsim仿真应用研究中对影响加工时间的三个影响因素：首次投产车型，投产顺序安排和批量大小都进行了Flexsim的仿真，给企业带来了明显的经济效益[35-36]。5总结随着社会经济、信息和消费者个性化的需求，多年以来，混流生产线的设计已经被越来越多的企业所采纳和应用，而混流生产线的平衡和排序优化的设计和计算也渐渐的形成了一个知识体系，本文从生产线平衡的诸多计算中通过比较得到解决目前混流线平衡问题的几种算法中遗传算法和工业工程思想在平衡分析中的优势；从生产排序的算法中了解到常见问题的解决的不同方案，其中目标追踪迹算法使得生产线上零部件