摘 要

随着科学技术的快速进步与制造业的不断发展，装配流水线的生产方式已经成为现今制造业中不可或缺的关键环节。装配线平衡率的高低决定企业的生产效率，影响经济效益。因此，近年来装配线平衡问题引起了学者广泛的关注。

本文提出一种考虑作业超时因素的装配线平衡问题数学模型，并且设计了一种基于遗传算法的装配线平衡问题求解方法。首先，介绍了装配线平衡问题中的相关术语概念以及平衡率评价指标，对ALB问题进行分类并做简要说明；其次，分析作业超时因素在生产中的影响，提出超时作业时间测定的方法以及作业超时概率确定的方法，最终将作业超时因素考虑到装配线平衡中进行处理；建立综合考虑装配线平衡率E和平滑指数SI的装配线平衡问题数学模型，确定目标函数和约束条件；然后，设计了一种基于遗传算法的适用于装配线平衡问题求解方法，能够简单高效的完成装ALB问题的求解，得出相应的作业分配方案；最后，使用提出的遗传算法，对现实的装配线平衡问题进行分析求解，验证算法的有效性和实用性。

关键词：装配线平衡；作业超时；平滑指数；遗传算法

Abstract

With the continuous development of industry and the gradual progress of technology, the assembly line production method has become an indispensable key link in today's manufacturing industry. The level of assembly line balance rate determines the company's production efficiency, affecting the economy benefit. Therefore, the problem of assembly line balance has attracted extensive attention from scholars in recent years.

In this paper, a mathematical model of assembly line balancing problem considering the operation time-out factor is proposed, and a solution method of assembly line balancing problem based on genetic algorithm is designed. First, introduces the related term concepts and balance evaluation indicators in the assembly line balance problem, classifies the ALB problem and briefly explains; second, it analyzes the influence of operation timeout factors in manufacture, and proposes a method for measuring operation timeout and a measure of the probability of it, then consider the operation time-out factor in the production line balance; deal with assembly line balance problems to establish a mathematical model which determine the constraints and objective function; then, design a genetic algorithm based on the application The algorithm for solving the assembly line balance problem can solve the assembly line balance problem simply and efficiently, and obtain the corresponding work allocation plan. Finally, use the proposed algorithm to analyze and solve the actual assembly line balance problem, which verifies the effectiveness and Practicality of the proposed genetic algorithm.

Key Words：assembly line balance; operation timeout; smoothing index; genetic algorithm

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的及意义 1

1.3 国内外研究现状 2

1.3.1 工业工程法 3

1.3.2 数学模型法 3

1.3.3 启发式算法 4

1.4 研究内容 5

1.5 本章小结 5

第2章 相关理论及术语 6

2.1装配生产线 6

2.2 装配线平衡问题 6

2.2.1相关术语 6

2.2.2 评价指标 8

2.3 装配线平衡问题分类 9

2.4 本章小结 10

第3章 装配线平衡数学模型建立 11

3.1 前提与假设 11

3.2 考虑作业超时的装配线平衡问题 11

3.2.1 经典模型不足分析 11

3.2.2 时间测量 12

3.2.3 作业超时时间分析 13

3.2.4 作业时间确定 14

3.3 数学模型建立 15

3.3.1 目标函数 16

3.3.2 约束条件 17

3.3.3 数学模型表达 17

3.4 本章小结 18

第4章 求解ALB问题的遗传算法设计 19

4.1 遗传算法简介 19

4.2 遗传算法基本流程 19

4.3 求解ALB的遗传算法设计 20

4.3.1 编码方法设计 20

4.3.2 解码方法设计 21

4.3.3适应度函数构造 23

4.3.4 选择算子设计 24

4.3.5 交叉算子设计 25

4.3.6 变异算子设计 26

4.3.7 控制参数选择 28

4.4 遗传算法实现 28

4.5 本章小结 30

第5章 装配线平衡案例分析 31

5.1 装配线概况简介 31

5.1.1 作业元素内容 31

5.1.2 优先级关系 32

5.1.3 作业元素时间 33

5.2 控制参数选择 33

5.3 算法求解 35

5.3.1 最大适应度值 36

5.3.2作业分配情况 37

5.4 结果分析 40

5.5 本章小结 42

第6章 总结与展望 43

6.1 主要研究成果总结 43

6.2 不足与展望 43

参考文献 44

附 录 46

致 谢 53

第1章 绪论

1.1 研究背景

随着科学技术的进步和社会经济的发展，制造业的生产方式也不断推陈出新。传统的手工工艺制造方式已不能满足人们日益增长的物质需求，因此，大批量流水线生产方式被越来越广泛的应用在制造业，在汽车制造行业表现的更加明显。1913年，美国“福特”汽车公司首先利用装配流水线的生产方式组织生产。其最显著的成效就是将当时著名的T型车装配时间由最初的单人操作12.5小时缩短到了装配线操作93分钟，生产率提高了八倍之多，生产成本也大幅度下降^[1]。装配流水线的出现使企业的生产效率和产能得到了极大提升，彻底改变了传统制造业以手工工艺为主的生产方式。随后，装配流水线在制造业得到了广泛的应用，现已成为最广泛利用的生产制造方式。

在现代制造业中，尤其是汽车行业，装配作业所消耗的生产资源约占产品总生产资源的15% - 40%，装配成本约占产品生产总成本的25% - 45%，因此，装配线在整个生产系统中的地位十分重要^[2]。装配操作作为汽车制造的末端环节，为满足客户订单多样的个性化需求，普遍采用多品种大批量的柔性生产方式，导致装配线生产管理的难度很高，如装配线设施布局困难、作业分配不合理等。装配线具有各工位同时作业，工人随工件在移动中作业的特点。由于流水线的传递装置具有固定的移动速度，因此各工位的作业时间需控制在一定的生产节拍要求内，从而避免导致工件在某一工位堆积，使得作业无法完成；而其他工位却在等待工件的到达，造成劳动时间的浪费。因此，装配线平衡问题（Assembly Line Balancing, ALB）伴随着装配流水线的在制造业的出现与大规模使用应运而生。装配线平衡是指在满足各个作业元素优先顺序约束的情况下，按照生产工艺流程将工序合理的分配到各工作站上，并且保证各工作站的作业时间尽可能相近且小于或等于节拍时间，以减少工件在装配线上堆积、机器停工以及工人等待时间等浪费生产资源的状况发生，使工人和机器的工作时间得到最大化的利用，提高生产率。