面向精益生产的传送带式流水线生产高度关键技术研究

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(Flow shop)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RFID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:
　　 ①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。
　　 ②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RFID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RFID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RFID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。
　　 ③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RFID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。
　　 ④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。
　　 ⑤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。
　　 ⑥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。
　　 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。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 引言

1.2 相关领域国内外研究现状

1.2.1 流水线调度问题

1.2.2 精益生产

1.2.3 生产调度问题中的优化算法

1.3 论文的主要研究工作

1.4 论文主线与章节安捧

2 信息理想情况下的传送带式流水线生产调度模型

2.1 传送带式流水线

2.2 流水作业调度模型的研究情况

2.3 面向精益生产的传送带式流水线调度模型

2.3.1 问题的分析与描述

2.3.2 数学模型

2.3.3 CBFS-JHT调度模型的特点

2.4 面向精益生产的并行传送带式流水线调度模型

2.4.1 并行调度问题

2.4.2 数学模型

2.4.3 IPCBFS-JIT调度模型的特点

2.5 本章小结

3 传送带式流水线生产信息采集的研究

3.1 实施面向精益生产的生产调度所需的信息支持

3.1.1 实施精益生产所需的信息支持

3.1.2 实施生产调度所需的信息支持

3.2 基于:RFID与条码结合的对象标识与信息采集框架

3.2.1 条码与RFID标识技术的优缺点

3.2.2 对象标识粒度的研究现状与需求

3.2.3 一种基于RFID与条码相结合的对象标识与信息采集框架

3.3 基于RFID与条码结合的对象标识与信息采集技术

3.3.1 标识技术提出的思路及其构架

3.3.2 物理层结合模式

3.3.3 数据层结合模式

3.4 基于RFID与条码结合的对象标识与信息采集技术的具体应用

3.4.1 摩托车成车制造流水线的特点

3.4.2 自动标识技术在摩托车成车制造线中的应用

3.4.3 应用效果以及分析

3.5 本章小结

4 信息非理想情况下的传送带式流水线生产调度模型

4.1 问题的提出

4.1.1 准时采集工件信息

4.1.2 工件信息漏读

4.1.3 传送带运行速度限制

4.2 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

4.2.1 问题的分析与描述

4.2.2 数学模型

4.2.3 CFJ-NC调度模型的特点

4.3 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

4.3.1 数学模型

4.3.2 PCFJ-NC调度模型的特点

4.4 本章小结

5 基于极坐标编码的改进人工鱼群算法

5.1 经典寻优方法在求解传送带式流水线调度模型中的缺陷

5.1.1 编码方式存在的缺陷

5.1.2 迭代方式存在的缺陷

5.2 人工鱼群算法简介

5.2.1 人工鱼群算法的思想和原理

5.2.2 人工鱼群算法的描述

5.2.3 人工鱼群算法的应用和改进

5.3 极坐标编码方式

5.4 基于极坐标编码的改进人工鱼群算法

5.4.1 算法描述

5.4.2 各参数对收敛性能的影响

5.4.3 仿真实验研究和算法对比

5.5 PC-AFSA在生产调度问题求解中的研究

5.5.1 PC-AFSA在生产调度问题求解中的优势

5.5.2 类生产调度问题的实验

5.6 本章小结

6 生产调度模型的求解

6.1 CBFJ-JIT调度模型的求解

6.1.1 求解过程中的关键技术

6.1.2 实验结果

6.2 IPCBFJ-JIT调度模型的求解

6.2.1 编码方式

6.2.2 约束违反度策略

6.2.3 实验结果

6.3 CFJ-NC调度模型的求解

6.4 PCFJ-NC调度模型的求解

6.5 不同环境下调度模型求解效果的比较

6.6 本章小结

7 传送带式流水线重调度问题研究

7.1 重调度问题的提出和特点

7.2 传送带式流水线重调度的方法

7.2.1 传送带式流水线静态重调度的方法

7.2.2 传送带式流水线动态重调度的方法

7.3 传送带式流水线重调度问题求解

7.3.1 静态重调度问题求解

7.3.2 动态重调度问题求解

7.4 本章小结

8 总结与展望

8.1 主要工作与贡献

8.2 下一步的研究工作

致谢

参考文献

附录

A.作者在攻读博士学位期间发表的论文

B.作者在攻读博士学位期间申请的专利

C.作者在攻读博士学位期间参加的科研项目

D.求解调度问题时超前、延后以及漏读情况表