混流裝配系統(tǒng)的復(fù)雜性評價與優(yōu)化方法研究.pdf

1、市場競爭的日益激烈促進了產(chǎn)品多樣化趨勢不斷發(fā)展，多產(chǎn)品共線生產(chǎn)的混流裝配模式正在發(fā)揮越來越重要的作用。但混流裝配系統(tǒng)中的零件多樣化、選裝多樣化、操作流程多樣化使制造過程變得非常復(fù)雜，顯著影響著系統(tǒng)的性能，包括制造成本、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量等，已經(jīng)成為制約多品種混線生產(chǎn)的重要問題之一。以往大量研究側(cè)重于如何對成本、產(chǎn)能和質(zhì)量進行直接的優(yōu)化，這類研究的局限性在于在多產(chǎn)品環(huán)境下難以準(zhǔn)確獲取優(yōu)化所需的基本制造信息，如單件制造成本、單件加工時間等，

2、無法保證優(yōu)化的有效性。制造復(fù)雜性是復(fù)雜性科學(xué)在制造領(lǐng)域的重要應(yīng)用，通過建立復(fù)雜性評價模型能夠從宏觀角度描述產(chǎn)品多樣化對裝配系統(tǒng)性能的影響，為解決上述問題提供了新思路。然而，現(xiàn)有裝配系統(tǒng)制造復(fù)雜性評價模型不僅忽略了產(chǎn)品模塊間的相關(guān)性信息對復(fù)雜性的影響，也不能適用于并聯(lián)和混聯(lián)結(jié)構(gòu)裝配系統(tǒng)的復(fù)雜性表達，而如何從裝配系統(tǒng)制造復(fù)雜性角度優(yōu)化裝配工藝更有待深入研究。
　　本文引入復(fù)雜性科學(xué)理論，綜合考慮產(chǎn)品模塊間相關(guān)性和裝配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)復(fù)雜

3、性的影響，建立混流裝配系統(tǒng)復(fù)雜性評價的廣義模型，以制造復(fù)雜性為目標(biāo)，提出多品種產(chǎn)品的產(chǎn)品族設(shè)計、裝配順序規(guī)劃和生產(chǎn)調(diào)度規(guī)劃等優(yōu)化方法，通過算例驗證上述方法的可行性和有效性，最后在某CRH3型高速列車的側(cè)墻裝配系統(tǒng)中進行了工程應(yīng)用，有效地提升了系統(tǒng)的整體性能。論文主要的研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下：
　　(1)基于信息熵的混流裝配系統(tǒng)復(fù)雜性廣義評價模型
　　混流裝配系統(tǒng)具有串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)等多種結(jié)構(gòu)形式，并且所裝配的產(chǎn)品模塊間往往存在

4、選擇相關(guān)性，現(xiàn)有模型不僅忽略了產(chǎn)品模塊間相關(guān)性信息對系統(tǒng)復(fù)雜性的影響，也不適用于并聯(lián)和混聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的復(fù)雜性表達。本文將信息熵理論應(yīng)用于混流裝配系統(tǒng)的復(fù)雜性評價中，用產(chǎn)品模塊間的互信息熵描述模塊相關(guān)性對復(fù)雜性的影響，用并聯(lián)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)品分流后的離散信息熵描述并聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的復(fù)雜性，建立了廣義的混流裝配系統(tǒng)復(fù)雜性評價模型，通過算例驗證了模型的合理性。該模型彌補了原有模型在面臨相關(guān)性模塊和復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時的局限性，能夠更加準(zhǔn)確和全面的反應(yīng)產(chǎn)品多樣化對

5、裝配系統(tǒng)性能的影響。以該模型為基礎(chǔ)，進一步分析了復(fù)雜性的影響因子，論證了最大復(fù)雜性的出現(xiàn)條件，提出了相對復(fù)雜性度量指標(biāo)。該指標(biāo)不僅更加直觀，也利于將復(fù)雜性與其他指標(biāo)進行多目標(biāo)優(yōu)化。
　　(2)面向混流裝配系統(tǒng)制造復(fù)雜性的產(chǎn)品族優(yōu)化方法
　　產(chǎn)品多樣化在給企業(yè)帶來更強市場競爭力的同時，也引發(fā)了裝配系統(tǒng)的制造復(fù)雜性，兩者之間為對立平衡關(guān)系，如何通過產(chǎn)品組合設(shè)計尋找到同時滿足產(chǎn)品多樣化和制造復(fù)雜性雙方面需求的產(chǎn)品投入生產(chǎn)是產(chǎn)品族設(shè)

6、計過程中必須要考慮的問題。本文以相對復(fù)雜性作為復(fù)雜性的度量指標(biāo)，基于“烏托邦點”多目標(biāo)優(yōu)化方法，建立了面向產(chǎn)品組合設(shè)計過程的“制造復(fù)雜性-產(chǎn)品多樣化”多目標(biāo)優(yōu)化模型，考慮到多產(chǎn)品環(huán)境下的產(chǎn)品組合爆炸問題，采用遺傳算法對問題進行求解，最后通過數(shù)字算例進行了示范和驗證。該方法能夠通過合理地規(guī)劃產(chǎn)品組合實現(xiàn)制造復(fù)雜性和產(chǎn)品多樣化的同步優(yōu)化，是產(chǎn)品設(shè)計階段過程中降低裝配系統(tǒng)復(fù)雜性的有效方法。
　　(3)面向混聯(lián)結(jié)構(gòu)裝配系統(tǒng)復(fù)雜性的多產(chǎn)品裝

7、配順序規(guī)劃
　　產(chǎn)品模塊間的相關(guān)性信息能夠幫助降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，在給定裝配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下，產(chǎn)品的裝配順序規(guī)劃決定了產(chǎn)品模塊間的相對裝配位置和各工作站中的裝配任務(wù)布置，從而影響到模塊間相關(guān)性信息能否得到有效利用。本文基于混流裝配系統(tǒng)復(fù)雜性的廣義評價模型，以制造復(fù)雜性最小為目標(biāo)，建立了面向混聯(lián)結(jié)構(gòu)裝配系統(tǒng)的多品種裝配順序規(guī)劃非線性優(yōu)化模型，與傳統(tǒng)TSP郵遞員投遞問題相比，該問題的求解過程不僅要考慮裝配任務(wù)間的順序約束，又要考慮模塊間

8、互信息熵的計算量最小，針對上述問題，采用改進的動態(tài)規(guī)劃方法對問題進行求解，最后通過數(shù)字算例進行了示范和驗證。該方法能夠通過科學(xué)的規(guī)劃產(chǎn)品裝配順序有效地降低混聯(lián)結(jié)構(gòu)裝配系統(tǒng)的制造復(fù)雜性，是裝配系統(tǒng)設(shè)計過程中降低制造復(fù)雜性的有效方法。
　　(4)混流裝配條件下混聯(lián)工位間的產(chǎn)品分流調(diào)度優(yōu)化
　　在混流裝配條件下，混聯(lián)工位間的產(chǎn)品分流調(diào)度允許不同類型產(chǎn)品模塊分流進入不同的工作站中進行裝配，通過合理的分流調(diào)度，可以調(diào)整各工作站中操作可

9、選項的數(shù)量和混合比例，降低系統(tǒng)的制造復(fù)雜性，但上述優(yōu)化過程必須建立在保證高系統(tǒng)平衡效率的基礎(chǔ)上。本文以混流裝配系統(tǒng)復(fù)雜性的廣義評價模型為基礎(chǔ)，考慮系統(tǒng)平衡效率的約束，建立了面向制造復(fù)雜性的混聯(lián)工位間產(chǎn)品分流調(diào)度調(diào)度優(yōu)化模型，針對該模型實數(shù)變量和非線性的特征，采用遺傳算法對問題進行求解，通過數(shù)字算例進行了驗證。該方法能夠通過合理的分流調(diào)度，在保證高平衡效率的前提下大幅度降低混聯(lián)型混流裝配系統(tǒng)的制造復(fù)雜性，是生產(chǎn)調(diào)度過程中降低制造復(fù)雜性的有

10、效方法。
　　(5)高速列車側(cè)墻裝配系統(tǒng)的復(fù)雜性評價及工藝優(yōu)化
　　將上述研究成果在某CRH3型高速列車的側(cè)墻混流裝配系統(tǒng)中進行了工程應(yīng)用。CRH3型高速列車車廂功能的多樣化導(dǎo)致多種類型側(cè)墻的存在，近二十種不同類型側(cè)墻在非柔性工裝條件下共線生產(chǎn)，嚴(yán)重影響了側(cè)墻產(chǎn)品的質(zhì)量。本文基于混流裝配系統(tǒng)復(fù)雜性的廣義評價模型對該系統(tǒng)的制造復(fù)雜性進行了評價，并針對側(cè)墻產(chǎn)品和裝配系統(tǒng)的特點，從產(chǎn)品設(shè)計、裝配系統(tǒng)設(shè)計和生產(chǎn)調(diào)度三個階段對現(xiàn)有裝配

11、系統(tǒng)的復(fù)雜性進行了優(yōu)化。優(yōu)化方案在企業(yè)成功應(yīng)用實施，工程效果表明：通過優(yōu)化制造復(fù)雜性，產(chǎn)品多樣化所引發(fā)的各類制造問題得到了有效控制，裝配系統(tǒng)整體性能尤其是產(chǎn)品質(zhì)量得到顯著提高。
　　本文的研究是復(fù)雜性科學(xué)在制造領(lǐng)域的應(yīng)用實例，通過建立廣義裝配系統(tǒng)復(fù)雜性模型來定量描述產(chǎn)品多樣化對裝配系統(tǒng)性能的影響，研究相關(guān)優(yōu)化方法通過降低制造復(fù)雜性以提高裝配系統(tǒng)的整體性能。工程應(yīng)用效果表明，本文所提出的方法可行、有效，為解決產(chǎn)品多樣化引發(fā)的裝配系統(tǒng)