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原文传递混流装配系统的复杂性评价与优化方法研究

论文题名：	混流装配系统的复杂性评价与优化方法研究
关键词：	高速列车;混流装配系统;复杂性评价;产品族设计;装配顺序规划;分流生产调度
摘要：	市场竞争的日益激烈促进了产品多样化趋势不断发展，多产品共线生产的混流装配模式正在发挥越来越重要的作用。但混流装配系统中的零件多样化、选装多样化、操作流程多样化使制造过程变得非常复杂，显著影响着系统的性能，包括制造成本、生产效率和产品质量等，已经成为制约多品种混线生产的重要问题之一。以往大量研究侧重于如何对成本、产能和质量进行直接的优化，这类研究的局限性在于在多产品环境下难以准确获取优化所需的基本制造信息，如单件制造成本、单件加工时间等，无法保证优化的有效性。制造复杂性是复杂性科学在制造领域的重要应用，通过建立复杂性评价模型能够从宏观角度描述产品多样化对装配系统性能的影响，为解决上述问题提供了新思路。然而，现有装配系统制造复杂性评价模型不仅忽略了产品模块间的相关性信息对复杂性的影响，也不能适用于并联和混联结构装配系统的复杂性表达，而如何从装配系统制造复杂性角度优化装配工艺更有待深入研究。　　本文引入复杂性科学理论，综合考虑产品模块间相关性和装配系统结构对系统复杂性的影响，建立混流装配系统复杂性评价的广义模型，以制造复杂性为目标，提出多品种产品的产品族设计、装配顺序规划和生产调度规划等优化方法，通过算例验证上述方法的可行性和有效性，最后在某CRH3型高速列车的侧墙装配系统中进行了工程应用，有效地提升了系统的整体性能。论文主要的研究内容和创新点如下：　　(1)基于信息熵的混流装配系统复杂性广义评价模型　　混流装配系统具有串联、并联和混联等多种结构形式，并且所装配的产品模块间往往存在选择相关性，现有模型不仅忽略了产品模块间相关性信息对系统复杂性的影响，也不适用于并联和混联结构系统的复杂性表达。本文将信息熵理论应用于混流装配系统的复杂性评价中，用产品模块间的互信息熵描述模块相关性对复杂性的影响，用并联结构中产品分流后的离散信息熵描述并联结构系统的复杂性，建立了广义的混流装配系统复杂性评价模型，通过算例验证了模型的合理性。该模型弥补了原有模型在面临相关性模块和复杂系统结构时的局限性，能够更加准确和全面的反应产品多样化对装配系统性能的影响。以该模型为基础，进一步分析了复杂性的影响因子，论证了最大复杂性的出现条件，提出了相对复杂性度量指标。该指标不仅更加直观，也利于将复杂性与其他指标进行多目标优化。　　(2)面向混流装配系统制造复杂性的产品族优化方法　　产品多样化在给企业带来更强市场竞争力的同时，也引发了装配系统的制造复杂性，两者之间为对立平衡关系，如何通过产品组合设计寻找到同时满足产品多样化和制造复杂性双方面需求的产品投入生产是产品族设计过程中必须要考虑的问题。本文以相对复杂性作为复杂性的度量指标，基于“乌托邦点”多目标优化方法，建立了面向产品组合设计过程的“制造复杂性-产品多样化”多目标优化模型，考虑到多产品环境下的产品组合爆炸问题，采用遗传算法对问题进行求解，最后通过数字算例进行了示范和验证。该方法能够通过合理地规划产品组合实现制造复杂性和产品多样化的同步优化，是产品设计阶段过程中降低装配系统复杂性的有效方法。　　(3)面向混联结构装配系统复杂性的多产品装配顺序规划　　产品模块间的相关性信息能够帮助降低系统的复杂性，在给定装配系统结构的前提下，产品的装配顺序规划决定了产品模块间的相对装配位置和各工作站中的装配任务布置，从而影响到模块间相关性信息能否得到有效利用。本文基于混流装配系统复杂性的广义评价模型，以制造复杂性最小为目标，建立了面向混联结构装配系统的多品种装配顺序规划非线性优化模型，与传统TSP邮递员投递问题相比，该问题的求解过程不仅要考虑装配任务间的顺序约束，又要考虑模块间互信息熵的计算量最小，针对上述问题，采用改进的动态规划方法对问题进行求解，最后通过数字算例进行了示范和验证。该方法能够通过科学的规划产品装配顺序有效地降低混联结构装配系统的制造复杂性，是装配系统设计过程中降低制造复杂性的有效方法。　　(4)混流装配条件下混联工位间的产品分流调度优化　　在混流装配条件下，混联工位间的产品分流调度允许不同类型产品模块分流进入不同的工作站中进行装配，通过合理的分流调度，可以调整各工作站中操作可选项的数量和混合比例，降低系统的制造复杂性，但上述优化过程必须建立在保证高系统平衡效率的基础上。本文以混流装配系统复杂性的广义评价模型为基础，考虑系统平衡效率的约束，建立了面向制造复杂性的混联工位间产品分流调度调度优化模型，针对该模型实数变量和非线性的特征，采用遗传算法对问题进行求解，通过数字算例进行了验证。该方法能够通过合理的分流调度，在保证高平衡效率的前提下大幅度降低混联型混流装配系统的制造复杂性，是生产调度过程中降低制造复杂性的有效方法。　　(5)高速列车侧墙装配系统的复杂性评价及工艺优化　　将上述研究成果在某CRH3型高速列车的侧墙混流装配系统中进行了工程应用。CRH3型高速列车车厢功能的多样化导致多种类型侧墙的存在，近二十种不同类型侧墙在非柔性工装条件下共线生产，严重影响了侧墙产品的质量。本文基于混流装配系统复杂性的广义评价模型对该系统的制造复杂性进行了评价，并针对侧墙产品和装配系统的特点，从产品设计、装配系统设计和生产调度三个阶段对现有装配系统的复杂性进行了优化。优化方案在企业成功应用实施，工程效果表明：通过优化制造复杂性，产品多样化所引发的各类制造问题得到了有效控制，装配系统整体性能尤其是产品质量得到显著提高。　　本文的研究是复杂性科学在制造领域的应用实例，通过建立广义装配系统复杂性模型来定量描述产品多样化对装配系统性能的影响，研究相关优化方法通过降低制造复杂性以提高装配系统的整体性能。工程应用效果表明，本文所提出的方法可行、有效，为解决产品多样化引发的装配系统制造问题提供了新思路。
作者：	王贺
专业：	机械工程
导师：	林忠钦;S.JackHu
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文