离散制造系统生产批量与设备维护的集成建模研究

摘要

离散制造系统中产品多以批量形式进行生产以满足外部需求，批量问题的研究主要优化和决策不同产品在一定计划期内的生产数量，以提高系统运作效率、控制产品库存水平、降低企业运营成本。另一方面，生产设备是制造系统的核心要素之一，设备故障及维护活动干扰正常的生产运作，对系统能力评估、运营成本控制及批量计划的可行性产生重要影响，适当的维护策略是保证设备性能的基础与关键。由于批量的生产过程与设备状态及维护活动的高度关联性与耦合性，对相关问题展开集成研究有助于科学统筹企业范围内的有限资源、降低系统运作的综合成本、确保各项计划的有效执行，对提升国内制造型企业的运营管理水平与竞争力具有重大实际意义。
　　产品需求可分为静态和动态两类，对应的批量模型包括经济制造数量问题(Economic manufacturing quantity，EMQ)和有限产能批量问题(Capacitated lot sizing problem，CLSP)，当前生产批量与设备维护问题的集成研究主要围绕这两个模型展开。由于这一交叉领域的研究时间尚短，所提理论模型不能全面准确体现制造系统中不同要素之间的关联关系及集成建模所能改进的综合绩效，具体表现在三个方面：(1)受限于已有的求解方法，部分故障条件下EMQ问题只能采用非最优策略进行建模，增加了库存水平与平均成本；(2)CLSP与设备维护集成模型所采用的建模策略未能有效反映生产负荷与设备状态之间的对应关系，使决策结果存在过度维护现象；(3)生产批量与设备维护问题的研究对象以单设备系统为主，尚未扩展至常见的多阶段制造系统。
　　本文针对离散制造型企业的现实需求及已有研究存在的不足，分别对两类批量模型与单设备维护问题的集成建模及优化开展研究，并将CLSP与设备维护的研究对象扩展至流水线系统，主要研究工作如下：
　　(1)提出了一种动态方法求解设备故障条件下的EMQ模型，并通过求解方法的拓展改进了相关问题的建模策略。EMQ模型在批量决策时需考虑设备故障对生产进程与库存水平的影响以实现平均成本最小化，可将相关模型进一步划分为遇故障批量不可恢复与可恢复两类。动态方法根据故障的实际发生情况评估其对批量决策的影响，并由平均成本与边际成本推导最优批量，避免了过去研究中对设备故障与事后维护的严格假设。故障的抽样仿真表明，动态方法求解不可恢复EMQ模型的绩效与静态方法一致，但对于可恢复EMQ问题，动态方法可结合改进后的建模策略有效降低产品库存与平均成本。
　　(2)实现了基于设备运行建模策略下单设备 CLSP与设备维护的集成建模与优化。为准确体现生产负荷对设备状态及可靠性的影响,采用了基于设备运行的建模策略对CLSP与设备维护展开研究，推导了设备的有效役龄、可靠性及故障预期。根据可靠性要求与故障影响程度的不同，提出了考虑可靠性约束与故障因素的两个集成模型来验证该建模策略的有效性，生产批量与设备维护分别在综合成本、产能约束及可靠性约束层面建立关联机制。算例表明，两个集成模型均可在变动负荷条件下柔性调整预防性维护周期、降低系统运行的综合成本。最后，设计了基于拉格朗日松弛的三阶段启发式算法求解考虑可靠性约束的集成模型，数值试验表明该算法具有较好的求解效率和质量。
　　(3)提出了非稳态流水线系统的生产能力评估方法，实现了流水线条件下 CLSP与设备维护的集成建模与优化。首先对流水线系统生产能力的评估方法展开研究，定义了系统运作的问题边界，推导了在制品在不同设备的开始加工-离开时间的递推关系式，结合故障的抽样仿真评估了批量生产期间的系统能力。将上述能力评估方法作为构建和评估流水线条件下CLSP能力约束的基础，集成建模了生产批量与设备维护问题，设计了基于CPLEX的启发式算法求解模型，算例表明流水线的系统配置将通过生产能力形式影响生产批量与设备维护的决策结果。
　　以上研究内容以生产与维护活动之间相互作用机制为基础，结合当前研究存在不足，改进了两类生产批量模型与设备维护问题的建模策略与优化方法，拓展了两者集成研究的决策对象，丰富和完善了这一领域的理论研究体系，为离散制造型企业优化内部资源配置和提升运营管理水平提供了科学有效的理论指导。

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第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2生产批量模型的发展

1.3设备维护方式与策略

1.4国内外研究现状

1.5论文的主要工作

1.6论文的课题背景

第二章 设备故障条件下EMQ问题研究

2.1引言

2.2故障的指数分布与维护方式

2.3遇故障批量不可恢复EMQ问题

2.4遇故障批量可恢复EMQ问题

2.5本章小结

第三章 单设备条件下CLSP与设备维护的集成建模与优化

3.1引言

3.2 CLSP与设备维护集成建模分析

3.3考虑可靠性约束的CLSP与设备维护集成模型

3.4考虑故障因素的CLSP与设备维护集成模型

3.5集成模型的算法设计

3.6本章小结

第四章 流水线条件下CLSP与设备维护的集成建模与优化

4.1引言

4.2流水线系统的能力评估方法

4.3流水线条件下CLSP与设备维护集成建模

4.4基于CPLEX的启发式算法

4.5集成模型的算例研究

4.6本章小结

第五章 总结与展望

5.1工作总结

5.2研究展望

参考文献

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

攻读博士学位期间参与的科研项目

致谢

答辩决议书