顺序相依装配线平衡问题建模和智能算法研究

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自从福特在其汽车工厂成功建立装配线之后,装配线已被广泛应用于食品、日用品和电子消费品等产品的生产过程中。由于构建一条装配线的成本往往比较昂贵,因此,如何设计一条高效、低成本的装配线是制造企业在激烈竞争中非常有效的措施之一。作为装配线设计过程中的关键问题之一,装配线平衡问题已被证明为NP-hard问题,自二十世纪六十年代开始得到学术界的关注。值得一提的是,大量的学者过于集中研究求解简单装配线平衡问题的算法,却忽略了实际装配过程中较复杂的约束,比如调整时间。而本文集中研究顺序相关调整时间对装配线平衡的影响,该类问题可称为顺序相依装配线平衡问题。此外,双边/多人共站装配线因其具备更短的线长、更少的在制品和更少的物料搬运成本等优点,而被广泛应用于汽车、火车和重型机械设备等大型复杂产品的生产过程中。尽管文献中已有大量的算法研究双边装配线平衡问题,但针对多人共站装配线平衡问题的研究是比较有限的。而且在双边/多人共站装配线平衡问题中考虑调整时间约束的文献非常少且存在很大的不足。因此,论文的主要研究工作和成果如下:(1)针对顺序相依标准双边装配线平衡问题,弥补了未区分前向顺序相关调整时间和后向顺序相关调整时间的不足,修正了文献提出的模型,验证了基于单一优先规则和组合优先规则的启发式算法的有效性,并设计了一种改进的变邻域搜索算法。在改进的变邻域搜索算法中,设计了一种基于Petri网的可行作业序列的编码方式、建立了工位分配规则来减少序列相关空闲时间、添加了辅助目标减少较早开启工位的空闲时间和设计了搜索空间依次变大的四种邻域结构来增强算法的搜索能力。模型和算法分别用于求解标杆算例来验证其有效性。(2)针对顺序相依混流双边装配线平衡问题,在区分了前向顺序相关调整时间和后向顺序相关调整时间的基础上,建立了新的混合整数规划数学模型,给出了问题的下界值的计算方法,并修正了第二章提出的改进变邻域搜索算法。算法修正部分包括:解码中,基于优先关系矩阵来确定可分配的作业集合,在同时考虑模型间切换的调整时间和空闲时间的关系下确定作业的完成时间;作业分配结束之后,对最后一个工作站组进行调整进一步减少开启的工位数。模型和算法分别用于求解标杆算例来验证其有效性。(3)针对顺序相依标准多人共站装配线平衡问题,建立了区分前向顺序相关调整时间和后向顺序相关调整时间的混合整数规划数学模型,计算了该问题的下界值,并提出一种改进的模拟退火搜索算法。设计了基于优先权值的编码方式;在解码过程中,设计了减少工位内空闲时间的工位分配接受准则,尽可能将工人分配给较早开启的工位来引导算法寻优;在考虑空闲时间和调整时间的同时,优先选择能最早开始的工人进行分配来减少序列相关空闲时间;算法的参数通过预实验的田口方法来进行优化;模型和算法分别用于求解标杆算例来验证其有效性。(4)针对传统模型和算法求解多人共站混流装配线平衡问题的不足,引入新的变量和有效不等式约束来构建新的数学模型,并提出了一种改进的鸡群智能优化算法。算法改进中,设计了基于优先权值的编码方式;在解码过程中,优先选择作业能最早开始的工人来减少序列相关空闲时间;设定工位分配接受准则来分配工人数量以减少工位平均空闲时间;根据适应值大小将种群分为三个不同的群体来实现系统有效的搜索。模型和算法分别用于求解标杆算例来验证其有效性。
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