混流裝配系統(tǒng)的復雜性評價與優(yōu)化方法研究.pdf

1、市場競爭的日益激烈促進了產品多樣化趨勢不斷發(fā)展，多產品共線生產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雜，顯著影響著系統(tǒng)的性能，包括制造成本、生產效率和產品質量等，已經成為制約多品種混線生產的重要問題之一。以往大量研究側重于如何對成本、產能和質量進行直接的優(yōu)化，這類研究的局限性在于在多產品環(huán)境下難以準確獲取優(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。制造復雜性是復雜性科學在制造領域的重要應用，通過建立復雜性評價模型能夠從宏觀角度描述產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，現有裝配系統(tǒng)制造復雜性評價模型不僅忽略了產品模塊間的相關性信息對復雜性的影響，也不能適用于并聯和混聯結構裝配系統(tǒng)的復雜性表達，而如何從裝配系統(tǒng)制造復雜性角度優(yōu)化裝配工藝更有待深入研究。
　　本文引入復雜性科學理論，綜合考慮產品模塊間相關性和裝配系統(tǒng)結構對系統(tǒng)復雜

3、性的影響，建立混流裝配系統(tǒng)復雜性評價的廣義模型，以制造復雜性為目標，提出多品種產品的產品族設計、裝配順序規(guī)劃和生產調度規(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型高速列車的側墻裝配系統(tǒng)中進行了工程應用，有效地提升了系統(tǒng)的整體性能。論文主要的研究內容和創(chuàng)新點如下：
　　(1)基于信息熵的混流裝配系統(tǒng)復雜性廣義評價模型
　　混流裝配系統(tǒng)具有串聯、并聯和混聯等多種結構形式，并且所裝配的產品模塊間往往存在

4、選擇相關性，現有模型不僅忽略了產品模塊間相關性信息對系統(tǒng)復雜性的影響，也不適用于并聯和混聯結構系統(tǒng)的復雜性表達。本文將信息熵理論應用于混流裝配系統(tǒng)的復雜性評價中，用產品模塊間的互信息熵描述模塊相關性對復雜性的影響，用并聯結構中產品分流后的離散信息熵描述并聯結構系統(tǒng)的復雜性，建立了廣義的混流裝配系統(tǒng)復雜性評價模型，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性模塊和復雜系統(tǒng)結構時的局限性，能夠更加準確和全面的反應產品多樣化對

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

6、計過程中必須要考慮的問題。本文以相對復雜性作為復雜性的度量指標，基于“烏托邦點”多目標優(yōu)化方法，建立了面向產品組合設計過程的“制造復雜性-產品多樣化”多目標優(yōu)化模型，考慮到多產品環(huán)境下的產品組合爆炸問題，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)劃產品組合實現制造復雜性和產品多樣化的同步優(yōu)化，是產品設計階段過程中降低裝配系統(tǒng)復雜性的有效方法。
　　(3)面向混聯結構裝配系統(tǒng)復雜性的多產品裝

7、配順序規(guī)劃
　　產品模塊間的相關性信息能夠幫助降低系統(tǒng)的復雜性，在給定裝配系統(tǒng)結構的前提下，產品的裝配順序規(guī)劃決定了產品模塊間的相對裝配位置和各工作站中的裝配任務布置，從而影響到模塊間相關性信息能否得到有效利用。本文基于混流裝配系統(tǒng)復雜性的廣義評價模型，以制造復雜性最小為目標，建立了面向混聯結構裝配系統(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，最后通過數字算例進行了示范和驗證。該方法能夠通過科學的規(guī)劃產品裝配順序有效地降低混聯結構裝配系統(tǒng)的制造復雜性，是裝配系統(tǒng)設計過程中降低制造復雜性的有效方法。
　　(4)混流裝配條件下混聯工位間的產品分流調度優(yōu)化
　　在混流裝配條件下，混聯工位間的產品分流調度允許不同類型產品模塊分流進入不同的工作站中進行裝配，通過合理的分流調度，可以調整各工作站中操作可

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

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

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