随着经济水平的不断增长,市场需求呈现出产品多样化、生产周期短等特征。加之社会老龄化日益严重、劳动成本逐年攀升,如何充分合理的利用有限劳动资源创造更高的产品价值成为生产制造企业的一大难题。单元装配系统是由日本电子装配企业率先提出,并得到众多企业的青睐。其结合了流水线装配的高生产率和传统单元生产系统的高市场响应能力,是符合多品种变批量、产品更新换代快等特点的先进生产模式。虽然单元装配系统概念已经提出二十年,但是有关单元装配系统的构建方法仍然处在初级阶段。以往的单元装配系统构建研究均假设已知的市场需求以及所有工人是全能工,针对每天的需求任务,构建相应的单元装配系统,称为任务已知型单元构建方法。而现实生产需求并非一成不变,季节性或者节假日促销活动等都会引起需求出现波动。另一方面,即使通过先前的市场数据获得产品需求的概率分布,也无法准确预测每一天的真实需求。现有的任务已知型单元构建方法可以在每一次发生变动的时候更改单元构建方案,但是需求波动频繁且波动幅度较大时,会给企业带来巨大的转换成本和管理成本投入。与此同时,作为以人为本的单元装配系统,在现有的构建方案中并未考虑工人的技能和合作关系因素,例如工人的合作关系对加工时间的影响以及工人的全技能需要较高的培训费用等因素。针对工人间的合作关系差异、需求非确定性情况下的单元组合方案和工人技能水平优化等方面研究甚少。因此有必要针对上述研究的局限性和不足提出有针对性的解决方案。本文研究的主要目的是通过科学的方法回答管理现实问题:(1)在单元装配系统的构建过程中,工人合作关系如何影响系统性能以及工作效率的?(2)市场需求按照一定概率在不同场景间波动的情景下,如何构建一个相对稳定的单元装配系统应对需求?在需求相关参数变化的情况下,系统应该做出那些改变?(3)考虑需求量按照一定规则分布的情境下,相对于所有工人都具备全部产品加工能力的研究前提,部分交叉培训的工人所组成的系统是否可以达到类似的生产效率和市场响应能力?如果可以,如何确定每一名工人所需要掌握的技能?在需求和工人相关的参数发生变化时需要对系统做出那些调整?(4)在订单动态随机到达的非确定性需求场景下,如何构建单元装配系统以达到较高的动态响应能力且同时保持较低的成本?当相关参数变化时,所雇佣的工人数量以及工人的技能水平又需要进行哪些调整?为了回答以上问题,本文作为国家自然科学基金重点国际合作项目(71420107028)的重要组成部分,以电子装配企业的单元装配系统构建问题为研究对象,针对四种典型的需求非确定性场景,分别考虑工人合作关系和技能水平因素,建立相应的优化模型,并提出求解算法,设计丰富的数值实验与参数敏感性分析,提炼管理建议,为生产管理者提供实施单元装配系统的理论支撑和现实策略。本文的创新点主要包括以下三个方面:(1)分析任务己知型单元系统构建方法存在的不足,梳理可能存在的需求非确定性情景。(2)针对各种场景以及重要考虑因素构建相应的单元装配系统构建模型,考虑需求的非确定性、工人间的合作关系差异等因素,提出非确定性需求环境下单元装配系统的构建方法,为管理者提供实施单元装配系统的的理论支撑和操作方式。在此基础上分析各类因素变化下,生产管理者的应对措施。(3)针对现有研究对工人技能水平的假设过于苛刻,在需求非确定情景下,考虑工人的技能培训成本、产能过剩和产能不足惩罚成本以及工人的技能工资等因素,提出单元装配系统构建过程中的工人技能水平配置优化模型,并开发启发式算法求解。证明通过合理的技能配置可以使系统具备全能系统相类似的成本和服务水平等性能。论文的创新性工作主要包括以下四个方面:(1)研究考虑工人合作关系差异的单元装配系统构建问题。在产品组合服从特定分布规则的情境下,针对单元装配系统构建问题没有考虑工人合作关系的现实状况,描述了合作关系对工人工作效率影响方式,提出了工人合作系数的概念,在产品组合随机分布的情景下考虑工人合作关系差异对装配时间的影响及其对系统整体性能的影响。基于此以最小化总装配时间和最小化工人工作时间为优化目标,建立了单元装配系统构建的多目标优化模型。针对模型的特征,采用基于NSGA-II的多目标优化算法进行求解。通过数值实验表明考虑员工合作关系的必要性;分析了员工合作系数的均值和方差的变化对单元系统构建的组成和性能的影响。结果表明,整体合作程度较高及合作关系差异较大时,单元系统的性能提升程度较为明显。(2)研究基于场景需求的单元装配系统构建问题,旨在建立相对稳定的生产系统以应对市场需求的变化,提升需求波动情境下系统对需求波动的应变能力。针对现有单元装配系统构建问题没有充分考虑需求场景变化因素的特点,考虑基于场景的需求情境下流水线装配向单元装配系统转化问题。基于场景的需求定义为一系列可能出现的产品组合和批次大小、顺序所组成的场景以及各场景出现的概率。以最小化总加工周期的期望和方差为优化目标,建立了单元装配系统转化的多目标优化模型,决策构建单元的数量、工人的组合方式以及批次的分配方案,旨在通过构建相对稳定的生产系统以应对变化的市场需求,提升需求非确定情境下系统对需求变化的应变能力和稳定性。根据问题特点设计基于NSGA-II的优化算法求解模型,并结合算例说明模型的应用方法。数值算例验证了方法的有效性,同时验证了考虑基于场景需求的单元系统构建可以提升生产系统应对基于场景需求的能力以及稳定性。(3)针对现有研究很少考虑工人技能水平对单元装配系统构建方案的影响,研究需求按概率分布情景下单元装配系统构建过程中的多能工技能优化配置问题。现有研究多假设工人具备装配全部产品的能力,而大规模的培训会造成较高的培训成本和能力资源浪费。工人的技能水平描述为所有产品共用的基本技能和以产品区分的特定技能,并考虑工人技能提升所需付出的技能培训成本。针对单元装配系统构建的基本问题,考虑需求的非确定性和技能培训成本、产能不足和产能过剩的惩罚成本、以最小化系统总成本为目标,建立了随机优化模型;基于有限柔性原则开发了启发式算法,结合场景聚合法求解该模型;设计大量数值实验,分析了模型特征和参数影响。实验结果表明,通过适当的增加技能培训,只需要较少的技能培训也可以使系统在满足市场需求方面达到完全技能培训的性能。产品技能与工人之间的对应关系通常以闭合的长链形式存在。随着产品间需求均值差异的增加、产品需求的波动幅度增加、总产品类别的增加,系统总成本上升且特定培训数量上升。随着单位技能培训成本的增加,总成本呈上升趋势且更多低员工培训为低技能水平;随产能过剩惩罚成本和产能不足惩罚成本的增加,总成本呈上升趋势且需要更多高技能水平的员工。(4)研究订单随机到达场景下考虑工人技能成本和系统服务水平的单元装配系统构建问题。针对现有单元系统构建方式无法满足订单随机到达场景的需求,提出了非确定性需求的场景为由各类产品按一定的时间间隔和批次大小的分布规则随机产生,定义工人的工资由基本工资和技能工资组成;系统的服务水平定义为可以在目标时间内完成交货的订单数量占所有订单数的比例。考虑工人的技能工资,以最小化用工成本和最大化系统服务水平为优化目标,建立多目标随机优化模型,决策构建单元的数量、雇佣工人的数量和技能水平。证明了模型的解空间性质,开发基于NSGA-II的启发式算法结合场景聚合法求解模型,并设计大量数值实验表明模型的应用方法和相关参数分析。实验结果表明,通过成本投入的增加可以提升系统的服务水平,但在成本投入增加到一定程度后,服务水平的提升速度会有所减缓;随着服务水平的提高,系统中将雇佣更多的高技能工人和更少的低技能工人。研究还发现,随着基于技能水平成本的增加,为达到相同的服务水平,单元装配系统的成本和低技能水平工人的比率都有所增加;随着批次容量的平均值增加,制定具有相同服务水平的单元装配系统的成本也会增加;产品类型数量和产品批次容量的变化对单元装配系统的性能没有影响。