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面向精益生产的传送带式流水线生产高度关键技术的研究.doc

面向精益生产的传送带式流水线生产高度关键技术的研究

xue美玲
2018-04-25 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《面向精益生产的传送带式流水线生产高度关键技术的研究doc》,可适用于高等教育领域

面向精益生产的传送带式流水线生产高度关键技术的研究面向精益生产的传送带式流水线生产高度关键技术的研究面向精益生产的传送带式流水线生产调度关键技术研究重庆大学博士学位论文学生姓名:宋潇潇指导教师:孙棣华教授专业:控制理论与控制工程学科门类:工学重庆大学自动化学院二年十一月:,中文摘要摘要生产调度是生产管理中的一个核心问题,其实质是合理地利用有限的资源来完成生产任务分配,以达到一个或多个性能指标的组合优化问题。研究生产调度问题对实施调度的具体生产对象具有很强的依赖性,必须针对性地考虑生产背景。同时,调度过程的指导思想以及调度相关信息的获取都是调度得以实现的基本前提。流水线调度是受到广泛关注的研究问题,基于传送带的流水线生产是制造行业的一种典型生产模式。与传统的流水线作业方式不同,传送带式流水线的线上工件加工速度始终统一,加工时间不仅与工件自身有关,还受到线上其他工件加工时间的影响。由于其特殊的物理结构以及生产过程中的大量约束,加之现代生产条件下众多的不确定因素,导致其较一般的流水线调度问题更为复杂。目前,针对此类流水线的研究特别是关于生产调度的研究相对较少,阻碍了生产系统性能的改善和效率的提高。另一方面,精益生产是一种面向多品种、小批量生产的现代生产管理思想,以其为指导研究生产调度问题,在调度的目标、信息需求以及约束条件等方面都将产生巨大变化。本文以传送带式流水线为研究对象,引入精益生产管理思想研究生产调度问题。首先研究理想生产信息环境下的传送带式流水线的调度问题,然后重点从实际调度过程中生产信息获取的不确定性,以及生产过程中出现的不确定因素这两个方面来研究生产调度问题。针对生产信息获取的不确定性问题,根据实际调度过程中对生产信息的需求,研究了与条码相结合的自动标识技术,为实施精益生产和传送带式流水线生产调度提供生产信息保障在该标识技术基础之上,讨论了其信息采集的不稳定性对生产调度的影响,进而研究了生产信息非理想情况下的传送带式流水线调度模型。针对生产过程中出现的不确定性因素,考虑到生产过程中由于设备故障或订单变动等因素带来的影响,分别从静态和动态两个角度对传送带式流水线上的重调度问题进行了研究。最后,针对现有算法在求解此类调度问题时编码和迭代方式方面存在的缺陷,研究了基于极坐标概率编码的改进人工鱼群算法。论文主要内容包括:分析了面向精益生产的传送带式流水线生产调度的特点,提出理想条件下的传送带式流水线生产调度模型。研究传送带式流水线的物理结构和生产模式,分析精益生产中准时制和“零等待等思想对调度模型的影响,指出现有调度模型不能准确描述此类流水线的重庆大学博学位论文实际情况。提出了面向精益生产方式的传送带式流水线调度模型,考虑流水线中线上工件加工速度统一、不同工件之间存在调整间隔和一条流水线上同类工件连续加工等特点,引入并行调度问题,建立了并行传送带式流水线调度模型。针对实际生产调度对生产信息的需求,以传送带式流水线为研究对象,提出结合与条码技术的对象标识与信息采集技术。分析生产信息对实施面向精益生产的传送带式流水线生产调度的重要性,提出一种基于与条码相结合的对象标识与信息采集框架,按照种类和信息支持程度的需求,将生产过程中的零部件和工件按照不同的标识粒度进行管理从物理层和数据层两个方面进行研究,建立一种与条码结合的对象标识和信息采集技术,为保证生产信息的可靠性和准确性提供支持。在标识技术应用的背景下,研究考虑生产信息不稳定情况下的生产调度问题,提出一种信息非理想情况下,面向精益生产的传送带式流水线调度模型,并根据并行调度思想,建立并行调度模型。针对与条码相结合的对象标识与信息采集技术在传送带式流水线上应用过程中,出现的信息采集时间偏移和漏读的情况,结合传送带运行速度的限制,提出一种考虑信息非理想情况下的单流水线生产调度模型,以及并行流水线调度模型。在求解传送带式流水线调度问题时,针对传统算法在求解过程中存在的缺陷,提出一种基于极坐标编码的改进人工鱼群算法。针对传统算法在求解传送带式流水线生产调度问题时,编码和迭代方式方面存在的缺陷,研究一种基于极坐标编码的改进人工鱼群算法。借鉴概率编码思想,提出一种基于极坐标的概率编码方式在此基础上,对人工鱼群算法的觅食、聚群和追尾行为进行改进,并根据生产调度求解过程中的特点提出一种格雷码译码方式最后分析了该算法在求解调度问题中的优势,并通过实验验证算法的有效性和稳定性。使用基于极坐标的改进人工鱼群算法对调度模型进行求解。详细分析求解过程中所用到的编码方式、迭代方式、人工鱼个体距离、最优保留机制和约束违反度策略等关键技术对不同参数的算法求解效果进行比较,选取最优参数的改进算法与人工鱼群算法进行对比实验,对生产调度方案进行优化。实验验证表明:使用理想情况下的调度模型描述生产过程会产生明显偏差,信息非理想情况下建立的模型则更能准确地描述传送带式流水线上实施面向精益生产的生产调度。根据调度方案执行过程中出现的设备故障或订单变动等带来的不确定性因素,研究了传送带式流水线上实施重调度的方法。中文摘要分别从静态和动态两个方面分析传送带式流水线上的重调度问题,针对并行流水线中的设备故障和订单变化的问题进行研究,提出了进行重调度的方法通过比较实验验证了提出的方法在此类流水线上进行重调度的有效性。上述研究工作及结果为在传送带式流水线上实施有效的生产调度和精益生产管理提供了理论和实际应用方面的支持,丰富了流水线调度问题的研究内容、技术和方法,并为制造企业实施精益生产,改善生产调度水平,进而提高生产效率及减低制造成本提供了一条有效的途径。关键词:生产调度,精益生产,调度模型,改进人工鱼群算法重庆大学博士学位论文英文摘要,,,谢,,,,勰,谢,,,,,,,,,:重庆大学博士学位论文,,‘,’,’,,,、析廿,,,,,:,,,,、析,,,英文摘要,,,,,,,、析,,廿,,重庆大学博学位论文目录目录中文摘要英文摘要绪论。弓言相关领域国内外研究现状流水线调度问题精益生产生产调度问题中的优化算法论文的主要研究工作论文主线与章节安捧信息理想情况下的传送带式流水线生产调度模型传送带式流水线流水作业调度模型的研究情况面向精益生产的传送带式流水线调度模型问题的分析与描述数学模璎。调度模型的特点。面向精益生产的并行传送带式流水线调度模型并行调度问题数学模型调度模型的特点本章小结传送带式流水线生产信息采集的研究实施面向精益生产的生产调度所需的信息支持实施精益生产所需的信息支持实施生产调度所需的信息支持基于与条码结合的对象标识与信息采集框架条码与标识技术的优缺点对象标识粒度的研究现状与需求一种基于与条码相结合的对象标识与信息采集框架基于与条码结合的对象标识与信息采集技术重庆大学博十学位论文标识技术提出的思路及其构架物理层结合模式。数据层结合模式。基于与条码结合的对象标识与信息采集技术的具体应用摩托车成车制造流水线的特点。自动标识技术在摩托车成车制造线中的应用。应用效果以及分析本章小结。信息非理想情况下的传送带式流水线生产调度模型问题的提出准时采集工件信息工件信息漏读。传送带运行速度限制信息非理想情况下面向精益生产的传送带式流水线调度模型问题的分析与描述。数学模型。调度模型的特点信息非理想情况下面向精益生产的并行传送带式流水线调度模型数学模型。调度模型的特点本章小结基于极坐标编码的改进人工鱼群算法经典寻优方法在求解传送带式流水线调度模型中的缺陷编码方式存在的缺陷迭代方式存在的缺陷。人工鱼群算法简介人工鱼群算法的思想和原理人工鱼群算法的描述人工鱼群算法的应用和改进极坐标编码方式基于极坐标编码的改进人工鱼群算法算法描述各参数对收敛性能的影响仿真实验研究和算法对比。目录在生产调度问题求解中的研究在生产调度问题求解中的优势类生产调度问题的实验本章小结生产调度模型的求解调度模型的求解求解过程中的关键技术实验结果调度模型的求解编码方式约束违反度策略实验结果调度模型的求解调度模型的求解不同环境下调度模型求解效果的比较本章小结传送带式流水线重调度问题研究重调度问题的提出和特点传送带式流水线重调度的方法。传送带式流水线静态重调度的方法传送带式流水线动态重调度的方法传送带式流水线重调度问题求解静态重调度问题求解动态重调度问题求解本章小结总结与展望主要工作与贡献下一步的研究工作致谢参考文献附录丸作者在攻读博士学位期间发表的论文作者在攻读博士学位期间申请的专利作者在攻读博士学位期间参加的科研项目重庆大学博七学位论文求解调度问题时超前、延后以及漏读情况表绪论绪论本章首先对当前制造业的发展情况进行了介绍和分析,指出制约制造业发展的问题关键然后从流水线调度问题、精益生产以及生产调度问题中的优化算法这三个方面介绍国内外的研究现状,接着提出论文的课题来源和主要的研究工作,最后给出了本文的组织结构。引言制造业是中国的支柱性产业之一,是我国经济增长的主要部门和经济转型的基础,在国民经济的发展中占有非常重要的地位。从上个世纪年代改革开放开始,凭借着低廉的劳动成本和优惠的政策,中国的制造业渐渐成为了世界的主力军,被公认为“世界工厂’’。因此研究制造业中的生产管理具有很大的现实意义。随着经济和社会的发展,国内和国际的形势发生了巨大的变化,对制造业造成了很大的冲击。其主要表现在以下几个方面:市场需求呈现出个性化和多样性的特点,客户对产品的需求波动很大,企业需要根据市场实时调整生产计划来满足客户的需求新技术、新思想日新月异,稍微落后于时代的发展就会很快被淘汰掉产品的生命周期明显缩短,新的产品新的需求层出不穷,为了满足快速变化的市场需求,企业需要经常更新产品的种类市场竞争加剧,且由以前的局部或国内竞争转变为全球化的竞争经济的发展由以前的“粗放型’’逐渐转向“节约型’’的发展模式,企业必须对原材料和能源的使用、各种设备和人力资源做精心的调配,最大限度地压缩生产成本,提高企业的利润空间。面对这些变化,如何提高企业的生产效率、压缩企业生产成本,满足日益波动的市场需求,提升企业在市场竞争中的实力,成为中国制造业所必须面对的严峻问题。学习并消化吸收国外先进的科学技术和管理思想,并将其与本国制造企业的实际情况相结合,是中国制造企业在激烈的市场环境中提高竞争能力的捷径所在。精益生产方式是继工厂手工生产方式和大批量生产方式之后的全新生产方式,对世界制造业来说是一个革命性的变革。精益生产是由日本丰田生产方式演化过来的。它首先在汽车业广泛使用,后来逐步推广到许多其他的制造行业,并扩展到了产品开发、协作配套、销售服务、财务管理等各个领域,贯穿于企业生产经营活动的全过程【】,。基于传送带的流水线模式是制造业中典型的一种生产方重庆大学博士学位论文式。在这种生产方式中,传送带上安装有盛放或固定工件或零部件的吊篮或台架传送带旁的工人和设备在传送带传输过程向传送带吊篮中放置所需的零部件,或对传送带上运输的待制品或组件进行装配、加工等操作且传送带的速度根据线上产品及其加工工位的不同适时进行调节。这种基于传送带的流水线生产模式被广泛地应用于汽车、家电等许多制造行业,但国内外对这种流水线的研究却相对较少。这种情况使得在此类流水线上应用先进的技术和管理思想缺乏必要的理论研究和实践探索,直接影响了企业降低其生产成本、提高生产效率和市场竞争力的可能性。本文的课题正是基于这样的背景,以精益生产思想和先进的标识技术为手段,根据传送带的流水线生产模式的特点,研究在该类流水线上实现面向精益生产方式的生产调度问题,从不同生产信息获取环境出发,重点解决其中调度模型研究缺乏、信息支撑能力薄弱等关键性问题。相关领域国内外研究现状流水线调度问题生产调度问题是世纪初产生的一类经典的优化调度问题。最初只是一些简单的想法,并没有理论方面的支撑,仅仅是通过感性的认识对企业的工作进行分配并对人员进行一些管理。到上个世纪中叶,科学家开始使用应用数学、运筹学和工程技术的知识研究调度优化问题,并解决了一系列有代表性的问题。到了年代底,为了解决生产规模扩大、复杂性提高、市场竞争愈发激烈的问题,美国人约瑟夫哈林顿于年提出了计算机集成制造的概念,并得到了广泛的应用。对于调度问题来说,按照加工模式的不同可分为以下五种类型:单机调度问题并行机调度问题调度问题调度问题调度问题其中的调度问题是具有特殊工件特性和加工环境的最和典型和最重要的调度问题,学者们研究讨论的调度问题也大都限于这两种类型。的调度问题研究的都是多个工件在多个工位上加工的过程,和并根据已设定好的工件加工工艺即各工件在各工位的加工顺序,排列所有工件的加工顺序,使加工的性能达到最佳。其中是情况的一种特例,是指各工件的加工工艺相同的情况。若各工位上各工件的加工顺绪论序也相同的话,则问题就变成了置换调度问题,。由于问题和实际生产联系较为紧密,此类调度问题便成为了学者们研究的一个热点。在传统的调度问题中,各个工位上工件的加工顺序可以任意调整,且各工位的临时库存缓冲区是无限的,工件可在临时库存中等待。针对无临时库存的问题生产过程中工件的加工顺序不能改变,是中的一种特殊情况,学者们进行了大量的研究。】等人描述了一种阻塞的模型,即工件在当前工位完成以后直接送到下一个工位进行加工,在后续工位繁忙的时候该工件在当前工位停留。和研究了一种非等待模型,其中的工件一旦进入第一个工位必须进行连续地加工直至完成下线。除此之外国外学者和【,和及国内学者常俊林和邵惠鹤,徐震浩和顾幸生【等人也进行了类似问题的研究工作。传送带式流水线是一种无临时库存的置换流水线。在的研究中有一种强调工位调整时间的调度问题,等对此类模型的研究情况作了一个较为详细的综述。对此类问题的调度模型可分为四种情况:调整时间与工件单品的加工顺序无关,、刘静【、赵传立等【刁对。问题进行了分析和研究。调整时间与工件单品的加工顺序相关,。研究此类问题的学者有、韩锐等等。调整时间与工件批次的加工顺序无关,。对问题的研究有下列学者:等【、等【】。调整时间与工件批次的加工顺序相关,、王书。等【、锋和李荣【】等人对问题进行了研究。传送带式流水线属于问题,但现有调度模型不能准确描述其特殊的线上加工速度以及工位调整时间。同时现在的大多数关于生产调度的研究,都是在生产信息理想的流水线的假设条件下进行的。由于信息、人员、设备等实际因素的影响,这些研究与实际生产情况存在较大的差异,使得现有的大部分研究不能得到有效地利用。重庆大学博十学位论文精益生产生产方式是指社会生活所必需的物质资料的谋取方式,是在生产过程中形成的人与自然界之间、人与人之间的相互关系的体系。从世界近现代工业的发展史上看,生产方式大致可分为三个阶段:工厂手工生产方式、大批量生产方式和精益生产。工厂手工生产方式工厂手工生产方式是在手工作坊的基础上发展起来的,是手工工业生产向机器大工业过渡的一个准备阶段。与以前的手工作坊相比,它具有简单协作和协同劳动的特点,在生产规模和技术分工上都有了进步。大批量生产方式大批量生产方式又称重复生产,于世纪年代引入到工业生产中,引起了制造业的一场重大变革,彻底颠覆了当时流行的手工作业生产方式。这种大批量的生产方式以劳动专业分工为特征,并基于产品或零件的互换性、标准化和系列化的应用,具有产品结构稳定、自动化程度较高等特点。这是一种刚性的生产方式,一条流水线只生产一种单一的产品。在当时,这种生产方式的引入大大提高了生产效率,降低了生产成本,适应了当时生产的需要。然而随着社会的发展,市场的环境发生了剧烈的变化。市场需求呈现出了个性化、多样化的特点,产品的生命周期越来越短,新产品层出不穷,市场的竞争则更加剧烈了。这些特点使得大批量生产方式越来越不适应市场的需求。例如当时的福特汽车在长达年的时间内只生产型车,其生产齐备完全没有柔性可言,如果需要改变品种,需要花费大量的资金,并且要停工年之久。精益生产第二次世界大战以后,社会进入了一个市场需求向多样化发展的新阶段,相应地要求工业生产向多品种、小批量的方向发展,单品种、大批量的流水生产方式的弱点日渐明显。例如在大批量生产方式中,对市场采用的是预测的方式,然而越来越大的市场波动严重影响了这种预测式的生产方式的准确性,往往会无法满足市场需求,导致大量的库存浪费。从世纪年代开始,以精益生产为代表的先进生产方式逐渐成为工业界的主流。精益生产是由日本丰田公司首创的生产模式,是在多品种、小批量混合生产条件下的高质量、低消耗进行生产的方式在实践中摸索、创造出来的。这种生产方式的最大特点就是采取市场导向,能灵活应对市场变化。精益生产的原型是日本丰田汽车公司在战后资金和市场匮乏,设备和管理思想相对落后的条件下,向西方发达国家汽车制造行业学习、吸收、消化的过程中创造出来的。这种新型的生产方式完全不同于西方当时流行的大批量生产方式,绪论更加注重市场的需求和波动以及现代市场多样性、个性化的特点。精益生产正式的提出最早是在年,由麻省理工学院沃麦克教授等人撰写的《改变世界的机器》一书中正式提出的,并在书中命名为,即精益生产。书中同时还指出精益生产是一种生产管理技术,能大幅度减少工作切换时间、库存、不良品率以及生产设计周期。精益生产是一种生产管理思想,如何将这种先进的思想应用到实际生产过程中,是企业面临的重大的问题。在传送带式流水线上实施面向精益生产方式的生产调度可具体分为人员因素和技术支持因素两个部分,技术支持因素面临的问题主要有如下两点:现有信息采集技术难以满足精益生产的要求精益生产是通过看板信息进行推动,看板信息的准备性和实时性直接决定了精益生产能否真正实施而企业上层管理者也需要实时了解生产现场的各种生产信息,才能及时对生产过程中出现的问题进行分析和调整,改进作业方法、完善生产条件、提高生产效率。然而当今流行的信息采集方式,如条码、磁卡、卡等技术,并不能满足精益生产对信息采集的需求。面向精益生产调度模型的研究相对匮乏企业需要根据符合流水线实际情况的调度模型来制定生产调度的方案,在实施精益生产的过程中准确的调度模型显得更加重要。企业在精益生产的实施初期需要根据模型仿真的情况,对流水线的生产节拍、零部件的供应速度、工件和产品的库存警戒线、产品的生产周期等生产中涉及到的具体参数和数据进行了解和调整。在精益生产正式实施的时候,企业也需要使用调度模型制定详细的生产计划和调度计划。在国内外关于精益生产调度模型的研究中多数都是仅针对理想环境或是实验室条件下进行研究,而且针对的生产制造方式有限,在一些制造环境下这些调度模型并不适用,不能真实反映生产的实际情况。在上述两个问题中,信息采集技术能否满足精益生产调度的需求是核心问题,它决定了精益生产能否顺利实施,生产调度能否顺利制定和执行的关键因素之一。调度模型研究相对缺乏是关键技术问题,此问题会影响精益生产方式的生产调度的效果,限制精益生产在工业界的大面积推广。本文重点针对面向精益生产的生产调度在传送带式流水线上实施中存在的信息采集和调度模型两个问题进行研究。看板管理是精益生产的重要手段,精益生产能否顺利进行和看板信息的准确性、实时性都有着紧密的联系。针对看板管理的研究看板管理被称为精益生产的管理工具,在保证适时适量生产中起到了至关重要的连接作用。其主要的作用表现在以下几点:重庆大学博士学位论文发送生产和搬运的作业指令。这是看板最基本的作用。生产计划下达到生产流水线以后,各个前工序的生产都是通过看板来指导进行的。其中包括生产的产量、时间、关键技术、注意事项等,以及搬运过程中的搬运量、运送时间和地点、搬运工具等信息。可通过看板的指示防止过量或延迟生产和搬运。在精益生产中,工人必须遵守的一点就是:没有看板指示不能生产和搬运。这使得各工序的工人如果没有得到看板的指示既不能生产也不能搬运,而在得到指令的时候需要马上进行生产。这样能够有效避免过量生产或者延迟生产等事件的发生。进行“目视管理的工具。看板使用规定看板必须和实物放在一起,前工序按收到看板的顺序进行生产。按照这一规则,现场的管理人员可以很清楚地了解生产的情况,便于管理。改善生产过程的工具。在生产中某个工位如果出现了不合格品,根据看板管理的规则,则不能将该不合格品交到后续工序,而后续工序得不到所需的原材料就会引起整条流水线的连锁反应,导致生产的全线停工。这样出现的问题能马上暴露出来,并立即进行整改,对生产过程进行改善。对于看板管理的研究主要是针对看板的数量和看板分配情况这两个方面进行的。在精益生产过程中,各个工位的看板数量可以较为直接地反映该工位的工件库存量。精益生产的目标之一就是减少工件,从而才能减少仓库的存储,甚至实现“零库存。出【】中第一次提出了定性的方法来确定精益生产中看板的数量。和】在分析了生产加工时间的基础之上建立了模型,并以最低库存与惩罚费用为目标,求出了最优看板数。等人在分析了多产品的生产系统基础之上,以最小化成本为目标求出其所需的看板数。和通过计算取货频率和批量来求解看板的需求量。等阱】贝通过分析一般性的孤立工序来确定看板的数量。除此之外还有、和等人也进行了类似问题的研究。看板的分配情况会直接影响整个精益生产过程的性能。许多文章都对看板的分配对生产性能的影响进行了分析和研究。【】。和通过建立半马尔科夫过程模型,研究阻塞机制下缓冲区的情况来确定看板的分配。和】则通过调整看板分配使系统的生产率达到最大的算法来给出看板的最佳分配,并证明算法收敛于看板的最优分布。这些对于精益生产中的看板管理的研究都是针对看板管理中看板的数量和看板分配进行的,而对于看板的信息采集,即看板的信息来源研究甚少。部分学者通过条码扫描的方式来为看板提供信息支持,然而这种方式无论是从采集速度、绪论使用过程中的方便程度以及工业环境的适应能力等方面都难以满足精益生产实时性、可靠性和有效性的要求。针对准时制调度模型的研究生产调度是为了解决生产过程中的时间和资源合理安排的问题,是一类复杂的组合优化问题。生产调度计划的制定是基于实际的生产计划和调度模型,运用适当的算法进行运算,求解出最适合生产实际的调度方案,并将调度方案下发到生产现场执行。准时,思想是精益生产中的一个核心内容,学习国内外学者关于准时制思想的生产调度模型,对建立符合实际生产过程的调度模型,为企业提供更加准确的生产调度方案都是至关重要的。准时制是精益生产中的一个核心内容,其基本思想可以做如下描述“只在需要的时候,按需要的量,生产出所需的产品交送到适当的地点,即通过对生产计划和生产过程的控制,追求一种“零库存或库存量最小的生产方式【。因此学者们对问题的模型的特点、设计以及建模方法进行了大量的研究。和【、和对的系统建模方法进行了分析。邓修权等圜分了拉动式生产方式在支撑条件并对其程序设计进行总结和研究魏大鹏【】则研究了拉动式生产方式在支撑体系和各项技术中的关系。等【】和等【】通过仿真实验从理论的角度对进行了研究。这些针对不同种类生产系统所研究的生产系统与本文提出的流水线调度模型都不相同,都是针对传统的和问题进行的分析、建模以及求解。由于传送带式流水线在加工速度、调整间隔等方面的特殊性,现有的模型并不能较好地对其进行描述。生产调度问题中的优化算法问题。对于此类问题,学者经典算法、近似算法和智能算法三大研究和使用情况进行一定的总结和分候,通过将优化目标与约束条件用线法求得最优解的方法。此方法的应用解决策过程最优化的数学方法。最早提出的。动态规划方法是一种有较高重庆大学博学位论文求解精度的求解方法,在求解的过程中既可以采用广度优先搜索也可采用深度优先搜索,。动态规划方法的算法原理是把多阶段过程转化为一系列单阶段问题,利用各阶段之间的关系,逐个求解,创立了解决这类过程优化问题的新方法。和对利用动态规划法求解调度问题做了小结。不过动态规划法采用类似枚举的方式进行搜索,对求解大规模的优化问题比较困难。分支定界法分支定界法是由和以及于世纪年代提出的。这种算法首先利用分支技术将问题分解成多个子问题,并采用相同的方法将子问题再细化然后通过对每个子问题进行定界的方法寻找最优解,是一种系统地搜索解空间的方法。使用分支定界法求解生产调度问题的有、等【和篁’这些经典的优化算法在一定程度上能够求解最优化问题,但对于生产调度、生产计划之类的大规模难题难以达到理想的求解效果。近似算法仿真法仿真法是在计算机技术高速发展的基础之上发展出来的一种寻优方法。仿真法首先需要建立系统的数学模型并将其转化为计算机上的仿真模型,然后对模型进行仿真实验的方法。鉴于连续系统和离散事件系统的数学模型差别较大,仿真法基本上可分为连续系统仿真方法和离散时间系统仿真方法两大类。仿真方法往往是在缺乏理论基础的条件下采用的,直接对系统在实际中的输入、输出、状态等参数进行模拟,是实际应用中较为常见的一种方法。使用仿真法求解生产调度问题的有吉中智和汤俊【】。算法算法是提出的一种启发式算法。此种方法对求解以最小化为目标的问题有较好的效果。和、等【将算法应用到求解问题中。拉格朗日松弛法拉格朗日松弛法是将拥有大量约束条件的问题中的部分约束条件吸收到目标函数中,从而大大降低该问题的求解难度。其得到的解并不一定是原问题的合法解,但是与原问题的解有密切关系,并可通过一些方法使其变成原问题的合法解。和在年对拉格朗日松弛法应用到作业车间调度进行了研究。此外等【蛔、和、轩华和唐立新【】也研究了拉格朗日松弛法在中的应用。绪论智能算法模拟退火算法模拟退火算法的思想最早由于年提出,并在年由首次应用于求解组合优化问题中。模拟退火算法是将热力学的理论用在了统计学上,是一种通用的概率算法,基于局部搜索并有一定的概率搜索其邻域。等人通过实验验证了模拟退火算法的性能相比其他邻域搜索算法效果最好。等、陈雄等【将模拟退火算法应用于的优化问题中。禁忌搜索算法禁忌搜索算法是一种亚启发式随机搜索算法,最先由和提出。禁忌搜索算法从一个初始可行解出发,选择一系列的特定搜索方向作为试探,选择实现让特定的目标函数值变化最多的移动,并采用了表的形式进行记录以避免陷入局部最优。”】将禁忌搜索算法应用于解决柔性制造系统的机器装载问题。等人【、和】、李材峰等【、唐立新和赵任【等人则将禁忌搜索算法应用于问题的求解中。遗传算法遗传算法是通过模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算方法,是一种通过模拟自然界进化过程的寻优方法。它最初是由大学的教授于年首次提出的,并发表了一本系统阐述遗。遗传算法的运算过传算法的专著程首先是选择一批初始化种群,重复对种群进行选择、交叉、变异等操作,直到寻优到满意的解。遗传算法由于其良好的寻优性能,被广泛地应用到许多组合优化问题中。包括、调度问题【】。【、背包问题【】,【等。世纪年代后期,一些学者将量子计算中的一些思想引入到遗传算法中,开辟了一个新的研究领域量子遗传算法,。量子遗传算法是建立在量子的态矢量表达基础之上的,使用量子比特的概率表示应用于染色体的编码,使得一条染色体可以表达多个态的叠加,并利用量子旋转门和量子非门实现染色体的更新,最终寻找到最优解。由于量子遗传算法的优良的寻优能力,被广泛地应用与许多优化领域内【删【矧。人工鱼群算法人工鱼群算法是李晓磊年模仿鱼类行为方式提出的一种基于群智能的优化方法。它具有对目标函数、初始值和参数设定要求不高,具备并行处理能力和全局搜索能力等方面的特点。人工鱼群算法的基本流程是:首先建立一些初始化鱼群然后通过觅食、聚群、追尾三种行为对鱼群进行迭代、更新最后寻找到问题的最优解。由于人工鱼群算法在迭代过程中表现出很强的方向性和目的性,重庆大学博十学位论文非常适合求解生产调度问题,加之算法表现出来的收敛速度较快和跳出局部最优的能力较强的特点,本文重点针对人工鱼群算法进行研究。除此之外,常见的智能算法还包括蚁群算法、粒子群算法、混合算法等,本文在此不再详解介绍。论文的主要研究工作本文的主要工作是以传送带式流水线为研究对象,基于精益生产管理思想研究生产调度问题,工作重点是其中的生产调度模型、信息支持、求解算法等关键技术问题。本文的研究工作主要集中在以下六个方面:研究传送带式流水线及其生产过程的实际情况,分析流水线的物理特性和生产中的实际需求以及在该流水线上实施精益生产中存在的准时制生产与生产“零’’停滞问题,建立理想情况下的调度模型面向精益生产的传送带式流水线调度模型并引入并行调度思想,建立理想情况下的并行调度模型。以传送带式流水线作为研究对象,从实施生产调度和精益生产管理的角度分析生产信息获取的重要性。根据传送带式流水线在实施面向精益生产的生产调度的实际需求,提出一种基于与条码相结合的对象标识与信息采集框架,按照种类和信息支持程度的需求,将生产过程中的零部件和工件进行不同标识粒度的管理。在此框架的基础之上,从物理层结合与数据层结合两个层次进行研究,提出了基于与条码结合的对象标识和采集技术最后介绍了该对象标识与信息采集框架和技术在实际摩托车流水线中的应用情况。研究自动标识技术在传送带式流水线上应用过程中出现的信息采集不稳定的情况,结合传送带运行速度的限制,提出一种信息非理想情况下面向精益生产的传送带式流水线调度模型,并在此基础之上建立生产信息非理想情况下面向精益生产的并行传送带式流水线模型。在介绍和分析人工鱼群算法的基础上,提出了人工鱼群算法及其现有改进方法的不足。根据概率编码的思想,提出一种极坐标的编码方式,并将其应用于人工鱼群算法中:并对人工鱼群算法的觅食、聚群和追尾行为进行改进,并去掉随机行为,设计出一种基于极坐标编码的改进鱼群算法分析在求解生产调度问题时所表现出来的优越性最后通过对测试函数和背包问题的求解,并与遗传算法、量子遗传算法、人工鱼群算法及其一些改进算法进行对比实验,验证本算法的有效性和稳定性。采用某传送带式流水线的实际数据,包括加工时间、产品信息、生产计划等,使用基于极坐标的改进人工鱼群算法对调度模型进行求解对不同参数的算绪论法求解效果进行比较,选取最优参数的改进算法与人工鱼群算法进行对比实验。通过仿真实验验证该模型能够更准确地描述传送带式流水线上实施面向精益生产的生产调度。根据传送带式流水线制造过程中可能出现的不确定性因素,从静态和动态两个重调度的角度分析传送带式流水线中的重调度问题研究流水线设备故障以及临时订单所导致的重调度问题,给出传送带式流水线上实施重调度的方法,并根据比较实验,验证了重调度对提升流水线生产效率的重要性。论文主线与章节安排论文主要研究生产信息非理想环境下的生产调度问题,针对其中传送带式流水线调度模型、模型的求解算法以及精益生产的信息支持技术三个方面进行分析和研究。文章的主线如图所示。非理下生的研想产究一图文章的主线具体章节的安排方式如下:第章绪论阐述论文的研究背景和研究目的并介绍相关领域的研究现状、课题来源以及论文的主要内容。重庆大学博士学位论文第章信息理想情况下的传送带式流水线生产调度模型根据实际情况以及精益生产的特点,建立生产信息理想情况下的传送带式流水线的调度模型。第章传送带式流水线生产信息采集的研究分析精益生产实施过程中对象标识与信息采集的需求,提出结合与条码技术的标识框架和标识技术,并介绍该框架和技术在实际摩托车流水线上的应用情况。第章信息非理想情况下的传送带式流水线生产调度模型研究信息非理想情况下的传送带式流水线生产调度问题,建立信息非理想情况下的生产调度模型,比较调度模型对生产过程描述的准确性。第章基于极坐标编码的改进人工鱼群算法在分析人工鱼群算法性能的基础之上,提出极坐标编码方式,并对原算法进行改进通过对测试函数和经典问题的求解,测试算法性能。第章生产调度模型的求解利用基于极坐标编码的改进人工鱼群算法求解第章和第章提出的调度模型,并对其参数选择进行研究。第章传送带式流水线重调度问题研究分析并研究传送带式流水线上出现的设备故障和临时订单对生产调度方案的影响,进行静态和动态两种重调度研究。第章总结与展望对论文研究的创新点及主要贡献进行总结,并对研究中存在的不足进行简要分析,对后续研究进行展望。信息理想情况下的传送带式流水线生产调度模型信息理想情况下的传送带式流水线生产调度模型本章首先介绍并分析了传送带式流水线的生产模式,并研究了当前流水作业调度模型的种类以及研究情况根据传送带式流水线的物理构造以及生产方式,提出了在信息理想情况下面向精益生产的传送带式流水线调度模型,并引入并行调度思想,建立一种并行的调度模型。传送带式流水线传送带式流水线生产方式是一种在制造业中广泛使用的流水作业方式。在这种生产方式中,传送带上安装有盛放或固定工件或零部件的吊篮或台架传送带旁的工人和设备在传送带传输过程向传送带吊篮中放置所需的零部件,或对传送带上运输的待制品或组件进行装配、加工等操作传送带的速度根据线上产品及其加工工位的不同实时进行调节,如图所示。吊篮操图传送带式流水线示意图与传统的流水线生产方式相比,传送带式流水线生产方式主要存在如下三点特殊的物理结构和生产模式:线上工件加工速度统一在生产过程中,由于采用传送带对工件进行运输,并在运输过程中对工件进行加工,因此传送带上的所有工件的实际加工速度并不一定等于其额定加工速度,而当时的传送带的运输速度,且线上工件的速度在任何时刻都是统一的。重庆大学博士学位论文不同工件之间存在调整间隔传送带式流水线是一种典型的混装流水线,多种工件都可以在这种流水线上混合加工。在更换工件种类的时候,由于各工位的设备和零部件需要调整,工人也需要准备时间,因此在不同种类工件之间需要空一个台架或吊篮的距离作为调整间隔。无临时库存由于工件使用传送带进行传输,在产品没有加工完成之前,原则上是不准将工件取下流水线的。因此线上工件之间的距离是固定的,工件在任何工位都不会停留,也不会产生任何临时库存。一条流水线上的同类工件连续加工考虑到更换工件时设备的调整以及工人加工的适应性问题,实际的生产过程中往往习惯于将相同类型的工件进行连续加工,直至此条流水线上的该类产品加工完毕,才会加工其他种类的工件。流水作业调度模型的研究情况流水作业问题是由于年提出的,他提出的流水作业问题讨论的是一批作业按照一定的顺序在一系列设备上顺序地加工,且每个阶段都只有一台设备。随着工业制造的进步和研究的发展,流水作业问题变得越来越复杂,其中混装流水作、,是当前应用和研究的重要发展方向。混装流水作业调度问题可以分为两种特殊的调度问题来进行研究:并行调度,题和流水线调度,题。并行调度问题中研究的对象是将工件分配到各个设备上而流水线调度问题研究的则是工件在整个生产过程中的加工顺序。因此混装流水作业调度主要研究的问题就是在流水线结构固定的前提下,如何将工件分配到各条流水线各个阶段的设备上进行】,【。在中我们介绍了基于传送带的作业方式,在流水线生产方式中,基于传送带的流水线模式被广泛地应用于装配制造行业。在这种生产方式中,传送带上安装有盛放或固定工件或零部件的吊篮或台架传送带旁的工人和设备在传送带传输过程中向传送带吊篮中放置所需的零部件,或对传送带上运输的待制品或组件进行装配、加工等操作传送带的速度根据线上产品及其加工工位的不同实时进行调节。这种基于传送带的作业方式属于置换流水作业方式,对此类问题的研究可分为线上工件加工、装配速度不刚】【和相刚硎的两种类型。在基于传送带的作业方式中,放置零部件的吊篮以及固定工件的台架都是安信息理想情况下的传送带式流水线生产调度模型装在传送带上,因此属于线上工件加工速度相同的情况。文献【】基于汽车总装车间,提出一种跨工位式的调度模型,在该模型中不仅考虑工人可以前后跨工位操作还考虑了在生产过程中停线的操作。其模型描述主要包括四个部分的内容:当本工位加工任务已经完成但节拍未到,则工件停留在当前位置等待节拍达到时进入下个工位并允许工位在此空闲时段进入前工位进行提前操作当节拍时间到,但本工位任务未完成时,工件进入下个工位,而工人则可随工件进入下工位,继续完成任务若在下个节拍结束时仍然未完成,则停线操作假设工人进入临近工位时不影响其他工位的操作只允许工人进入相邻的工位进行操作。该模型中,工件,,,刀在工位歹歹,,,肌上的加工时间记为岛节拍时间为工件在工位上所需要的跨工位操作时间为,乃则为工件在在工位,上所拥有的加工时间,。,的定义如式所示。一欺』嘞以』欺一,一叭欺圮慨嘶圮,在式中,第一排表示当工件一在工位,上的操作时间正好等于节拍时,工件在,工位上的加工时间等于节拍时间第二排表示当工件,一在工位,上的操作时间小于或等于节拍时,对于工件可实施向前跨工位操作第三排表示工件一在工位,上的操作时间大于节拍时,工件一会到,工位上继续加工,导致工人在加工工件时候时间缩短第四排表示工件一在向前跨工位加工时加工时间大于节拍时间,工件工位,上的操作时间为,第五排表示当向后跨工位加工时间大于节拍时间时需停线。虽然文献中提出的调度模型也是针对线上工件加工速度统一的情况,与本文提出的传送带式流水线类似,但从模型的四点描述以及工件在工位上的加工时间上分析,文献中的调度模型与本文提出的传送带式流水线还是存在很大的差异,主要表现在以下几点:文献提出的模型研究的对象虽然也是使用传送带运输工件,但在整个加工的过程中,传送带的运行速度是不变的,即文献中的节拍时间并不会根据流水线的实际需求进行实时调整,而是在生产前就已经设定好了。由于采用的固定的加工节拍,当出现加工时间不够的情况时则采用停线的操作方式。而本文提出的传送带式流水线,其传输速度则会根据当前线上工件的额定加工速度实时进行调重庆大学博十学位论文整,除非出现如设备故障之类的突发性事件,否则不会停线。文献提出的模型中工人可以跨到相邻的工位进行加工,并假设工人进入临近工位时不影响其他工位的操作。这是一种非常理想的情况,对于工位长度长且工人密度小的流水线或许能够实现这种不干扰的加工方式。但是在传送带式流水线中,存在大量加工工位的距离都很短且工人的密度很大的情况,若采用这种跨工位的加工方式,势必会影响相邻工位的加工过程,甚至导致整条流水线的混乱。文献提出的模型中所有的工件都是连续加工的,没有考虑在更换加工工件类型时,工人和设备所需要的调整时间。而在本文提出的传送带式流水线生产模式中,这种调整是必须的,需要在不同种类工件之间空一个工位的距离作为调整间隔。由于文献提出的模型未考虑调整时间的问题,因此也不存在一条流水线上的同类工件连续加工的问题,与本文提出的这种生产模式考虑的情况不同。由此可见,文献【】提出的调度模型不能准确描述本文提出的传送带式流水线。面向精益生产的传送带式流水线调度模型问题的分析与描述针对传送带式流水线的特点,本文提出一种在信息理想情况下面向精益生产的传送带式流水线调度模型,。针对这种特殊的流水线上实施面向精益生产的生产调度,我们在建立该调度模型的时候需要考虑传送带式流水线的物理和生产特征以及精益生产方式的特点这两个部分的内容。调度模型中针对传送带式流水线的特点基于传送带式流水线特殊的物理结构和生产模式,在建立调度模型时需主要考虑以下四点内容:线上工件加工速度统一由于采用传送带对工件进行运输,并在运输过程中对工件进行加工,因此传送带上的所有工件的实际加工速度在任何一个时刻都是统一的。因此在建立模型的过程中,虽然各种工件都有其额定的最大速度,但该工件在流水线上实际的加工速度即此时传送带的运行速度并不一定是这个值。此时传送带的运行速度等于线上所有工件最大额定加工速度的最小值。不同工件之间存在调整问隔传送带式流水线是一种典型的混装流水线,多种工件都可以在这种流水线上混合加工。然而在更换工件种类的时候,各工位上的设备和零部件需要调整,工信息理想情况下的传送带式流水线生产调度模型位上的工人同样需要时间对新的加工指标进行准备。因此在建立模型的过程中,需要判断前后两个工件是否属于同一类工件,若不同则需要在其间插入一个空的台架,即调整间隔。所有工位均无临时库存由于工件使用传送带进行传输,因此线上工件之间的距离是固定的,工件不会产生任何临时库存。因此在建立模型的过程中,不需要考虑工位临时库存的问题。一条流水线上的同类工件连续加工考虑到更换工件时设备的调整以及工人加工的适应性问题,实际的生产过程中往往习惯于将相同类型的工件进行连续加工,直至此条流水线上的该类产品加工完毕,才会加工其他种类的工件。因此在建立的时候,流水线上的同类工件需要设置为连续加工。调度模型中针对精益生产方式的特点考虑到实施面向精益生产方式的生产调度问题,结合传送带式流水线特殊的生产模式,在建立调度模型时,需考虑的精益生产的特点主要表现在以下两点上:准时制生产精益生产是一种建立

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