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| 編輯推薦： |
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《双边装配线平衡算法及其应用》可作为机械制造、工业工程和管理科学等专业的研究生及高年级本科生参考教材，也可以作为从事相关领域研究的科研人员和工程技术人员的参考书籍.
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| 內容簡介： |
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《双边装配线平衡算法及其应用》以新型的双边装配线为对象，结合装载机和发动机等装配线规划的实例，论述了双边装配线平衡问题的算法理论.《双边装配线平衡算法及其应用》共分为6章，主要内容包括:双边装配线平衡的启发式规则、遗传算法、分支定界算法、基于分解策略的双边装配线平衡算法和基于仿真的双边装配线平衡方法研究等.
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| 目錄：
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前言
第1章 绪论
1.1 装配线的功能与特点
1.2 装配线平衡问题
1.3 装配线平衡算法
1.4 本书的主要内容
参考文献
第2章 双边装配线平衡的启发式规则
2.1 双边装配线平衡模型
2.2 基于有阶位置权重的启发式算法
2.3 基于先序任务数量的启发式算法
2.4 快速更新最优分配启发式算法
2.5 Hoffmann算法
2.6 应用案例
参考文献
第3章 双边装配线平衡的遗传算法
3.1 现有遗传算法的应用及不足
3.2 基于序列组合编码的遗传算法
3.3 应用案例
参考文献
第4章 双边装配线平衡的分支定界算法
4.1 基于任务枚举的分支定界平衡算法
4.2 基于工位枚举的分支定界平衡算法
参考文献
第5章 基于分解策略的双边装配线平衡算法
5.1 基本概念
5.2 算法的执行与改进
5.3 应用案例
参考文献
第6章 基于仿真的双边装配平衡方法研究
6.1 双边装配线的仿真建模
6.2 基于仿真的随机双边装配线稳定性分析
6.3 面向产量波动的发动机双边装配线再平衡
参考文献
附录 装配线仿真程序代码
附录A 初始化代码
附录B 装配线的仿真运行代码
附录C 仿真数据采集和数据分析代码
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| 內容試閱：
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第1章 绪 论
1913年10月7日，亨利??福特在密执安州海兰帕克的汽车制造厂建成了世界上第一条装配生产线（简称为装配线），当时，所有汽车制造工厂都是装配的汽车固定，工人走动完成装配作业.而在福特公司，则是汽车沿着250 英尺（1ft=3.048×10-1m）长的装配线慢慢传送过去，工人们站在装配线旁边进行装配作业.这样做的结果就是在不到3小时内，一台汽车就能被制造出来.当时市场对汽车的需求呈几何倍数增长，这样的生产效率使得福特在市场上有了巨大的竞争力，仅在1914年，就生产出了近25万辆“T型”汽车，价格的下降和产量的提升使得福特汽车在世界上打响了品牌，获得了巨额的利润和巨大的影响力.
装配线为现代汽车生产打下了扎实的基础，而且随着装配线的不断完善和推广应用，它极大地提升了企业的生产效率，提高了实际产量，优化了人们的生活.装配线的出现不仅使管理层有了巨大的进步，也为标准化零件的产生提供了实践依据.由于当时大批量生产技术上也已经达到了一定的水平，所以说装配线的实现可谓是水到渠成.随着科学技术的不断发展，人们对装配线的研究与重视程度不断提高，随之带来的是装配线的原理以及实践经验等领域的不断发展.从最初福特公司的单一品种生产线到丰田公司创造的“准时化生产”，以及至今还在发展的柔性装配生产.
近年来，随着世界制造业中心向中国转移，我国制造的汽车?工程机械和发动机等产品在市场上的需求量日益增加.?金融时报?的调查结论称，保守估计，到2020年，中国家用轿车保有量将达到7200万辆.家用轿车将成为轿车乃至整个汽车工业增长最重要的拉动力量.为适应市场需求，提高市场竞争力，企业纷纷采用各种方法:提高产品的生产能力，使生产达到规模效应，从而降低产品生产成本;设计和引进新品种，满足消费者的不同需求，等等.这些都需要新建?改建或扩建装配线.据不完全统计，2007年国内各大汽车新建?改建或扩建各类装配生产线20余条[1].
像汽车?装载机等大型产品的生产装配往往采用双边装配线.该类装配线的投资很大，少则几千万元，多则上亿元（目前在建的福州戴姆勒汽车厂NCV2装配线，投资约需2亿元人民币;上海大众为引进ModelS车型而对Passart生产线的改造，投入约需7000万元人民币）.因此，如何规划设计一条高效?低成本的装配生产线，正越来越受到人们的关注.
据统计，装配线的规划设计成本一般占装配线总投入的9%~12%，因此，生产装配线规划具有重要的地位.然而长期以来，我国装配线规划设计水平相对较弱，装配线的规划和设计方法比较落后，大多借助经验进行装配线设计，难以求得较优或最优的设计方案.这使得设计的装配线生产能力或效率偏低，主要表现为:装配线上各工位的负荷相差很大，不仅产生大量的闲置时间，而且还会造成不必要的资源浪费，使得整条装配线的效率低下.因此，迫切需要研究如何提高装配线的设计水平.特别是对于目前应用广泛但研究较少涉及的双边装配线，亟须进行深入的研究.
通过研究?设计较优或最优的装配线方案，可以减少装配线的闲置时间，提高装配线的生产能力或效率;可以最大限度地挖掘现有制造资源的生产能力，满足市场的需要，避免盲目新建装配线，减少装配线的重复建设，等等.这对降低企业的生产成本，提高企业的竞争力具有重要的意义.
1.1 装配线的功能与特点
1.1.1 装配线的基本特征
在生产制造过程中，装配线是一种被广泛使用的生产方式.装配线通常由若干个工位以及连接这些工位的传动装置组成，被加工对象按照一定的工艺路线，顺序通过装配线的各个工位，并按照一定的生产速度完成各自的装配作业.装配线的形式多样，可分成多种类型.按被加工件在工位中的移动方式，可分为同步装配线（pacedassemblyline）和异步装配线（unpacedassemblyline）;根据被加工对象的种类，可分为单一品种装配线（singleGmodelassemblyline）?多品种混批装配线（multiGmodelassemblyline）和混合品种装配线（mixedGmodelassemblyline），等等.
装配线一般具有以下基本特征[2]:
（1）专业化程度较高.在装配线上固定地生产一种或者几种产品，在每个工位上固定地完成一道或者几道工序.
（2）生产具有明显的节奏性.被加工（装配）对象在各个工位上按一定的时间间隔投入及产出，即按节拍进行生产.
（3）工序过程是封闭的.工位按照工艺顺序排列成链状，加工对象在工位间做单向移动，接受连续的加工.
装配线作为流水生产的一种常见方式，常用于汽车?家电等大批量生产.在组织生产之前，需要对装配线进行规划设计.装配线平衡是装配线规划设计的一项重要内容，它是组织连续流水生产的必要条件，也是缓解生产瓶颈?减少空闲时间?提高劳动生产率和缩短产品生产周期等的重要方法[3].
1.1.2 双边装配线的特点
双边装配线，顾名思义，就是将装配线分成左?右两边，即两个独立的操作区，工人在各自区域内并行?独立地进行装配作业.与传统单边作业的装配线相比，双边装配线具有“能缩短装配线长度”等优点;然而，装配方式的变化（双边装配），也产生了许多附加的约束条件，使得在进行任务分配（平衡）过程中需要考虑更多的影响因素，增加了装配线平衡的复杂性.
与传统单边装配线相比，双边装配线具有诸多优点，包括:
1）能缩短装配线的长度，从而缩短产品的下线时间对于给定产品的一组装配任务，如果不考虑任务在装配时的约束（如任务之间的优先顺序关系约束等），理论上，采用双边装配线安排生产将比传统的单边装配线最多可缩短一半的装配线长度.
对于企业来讲，在保证产品生产率的前提下（给定节拍时间），所需的装配线长度越短，意味着车间占地越少，单位面积的利用率越高;而且，装配线长度越短，表示产品在线上停留的时间越短，下线速度越快，等等.这些可以有效地降低企业的生产成本，增强企业对市场的反应力，提高企业的竞争力.
2）能提高工装?夹具等的利用率，减少设备投资
对于双边装配线来讲，左右两边的工位只需一次夹装，工人们即可同时进行装配作业.因此，与传统单边装配线相比，它不仅可以减少夹具开?关的次数，节省花在夹具装夹上的无效劳动时间，提高工人的劳动生产率;而且，它还将减少夹具的需求数量，减少企业的投入.
另外，在双边装配线中，通过合理的安排与调度，左右两边工位可以共用某些工装设备，这不仅可以提高工装设备的利用率，也将减少企业在设备上的投入.
3）能减少工人的无效劳动时间，提高工人的劳动生产率，等等在双边装配线中，工人固定在装配线的一边进行装配作业，他们无需围绕装配体（产品）来回走动，这将减少工人的移动时间，提高工人的劳动生产率.而且，由于双边装配线中左右两边的工人可方便地进行交流?沟通和协作，因而可以更有效地完成装配作业，以及应付一些突发的情况.因此，与传统单边装配线相比，工人往往具有较高的工作满意度.
1.2 装配线平衡问题
装配线平衡，就是在满足一定的约束条件下（生产工艺约束和节拍时间约束等），将一组装配任务尽可能均匀地分配到各个工位上，追求一个或多个目标的优化.装配线平衡实质上是一种组合优化问题.然而，与一般的组合优化问题（如装箱问题）不同，在装配线平衡中任务分配需要满足任务之间的优先顺序约束.因为产品结构和工艺的限制，任务之间存在一定的先后装配顺序关系，这种顺序约束关系被称为“优先关系”或“先序关系”（precedencerelation）. 一个产品的所有装配任务及其先序关系可构成该产品的“装配优先顺序图”（precedencegraph），如图1.1所示.在图中，一个圆圈表示一个任务;圆圈内数字表示该任务的编号;圆圈右上角的数字表示该任务的装配作业时间;圆圈之间的箭头表示任务之间的优先顺序关系（图1.1中，任务2?3?4与5都必须等任务1完成之后才能被装配）.
图1.1 装配优先顺序图
在装配线平衡中，任务之间的优先顺序关系约束，使得任务分配变得相对复杂;而且，随着问题规模的增加，任务分配方案的数量会急剧增加，以至于难以在有限时间内获得平衡的近优解（最优解）.因此，如何快速有效地实现装配线平衡，一直备受学术界的关注.
1.2.1 简单装配线平衡问题
根据研究的对象?内容，以及约束条件等不同，可将装配线平衡问题分成多种类型.根据2006 年德国FriedrichGSchiller大学教授Becker和Scholl在Asurveyonproblemsand methodsingeneralizedassemblylinebalancing 一文中给出的最新分类方法，将装配线平衡问题划分为两大类:简单装配线平衡问题（simpleassemblylinebalancingproblem，SALBP）和一般装配线平衡问题（generalassemblylinebalancingproblem，GALBP）[4].
简单装配线平衡问题通常有较为严格的假设[5]:
（1）装配品种单一，装配工艺确定;
（2）装配线的节拍固定，工件在工位间同步移动;
（3）装配任务的作业时间确定，且与工位无关;
（4）除优先顺序约束外，任务分配无其他约束限制;
（5）装配线呈直线布置，工人单边作业;
（6）装配任务可在任何一个工位上完成.
由于在简单装配线平衡问题中，工人单边作业（或视同单边作业），因此，通常又称其为“单边装配线平衡问题”.虽然简单装配线平衡问题的假设条件不符合大多数生产实际情况，但它是研究装配线平衡问题的基础.一般装配线平衡问题则是通过对简单装配线平衡问题中约束条件的细化?松弛等，使平衡问题更符合实际的生产状况.一般装配线平衡问题包括双边装配线平衡?U 形装配线平衡等.
根 据优化目标的不同，简单装配生产线平衡问题一般又分成两类[6]:
（1）第一类平衡问题（SALBPG1）:给定节拍时间，求最短装配线长度;
（2）第二类平衡问题（SALBPG2）:给定装配线长度，求最小化节拍时间.
SALBPG1问题一般出现在装配线的设计阶段.在大规模生产方式下，装配线设计主要考虑的是生产能力要满足市场需求，减少系统投资和追求装配线的高效率.在预期的生产目标下（给定节拍时间），所需装配线越短（即工位数量越少）就意味可以减少设备和人员的投入，提高厂房的利用率及单位面积的产出，等等，这对于动辄需要数百万元至上千万元投入的装配线而言，具有重要的意义.
SALBPG2问题一般出现在装配线的运行阶段.由于设备与人员基本固定，以及存在“学习效应”，装配线上工人的操作技能会越来越熟练，装配作业时间也越来越短;而且，随着技术发展，产品结构和工艺也可能发生变化，这均需要对已有装配线进行调整?优化，提高工人的劳动生产率?最大化装配线的产出，等等.另外，在装配线设计阶段，场地或生产设备的限制，使得装配线长度相对固定，而企业对产品产量?生产时间等有相对较大弹性时，该设计问题亦可转化为第二类平衡问题来处理.实际上，这两类平衡问题是相通的.
如不考虑装配任务之间的优先顺序约束时，简单装配线平衡问题可以退化为装箱问题（binpackingproblem）.装箱问题属于公认的NP难类组合优化问题，因此简单装配线平衡问题也一定属于NP难类问题[6].
随着问题规模的增加，NP难类问题的组合数目将会急剧增加，计算时间呈指数方式增长，从而使寻优过程变得十分复杂.对于简单装配线平衡问题而言，影响其平衡复杂性的因素很多，主要包括以下几个方面[7]:
1）装配任务的数量
简单装配线平衡问题在某种程度上可以看成是装配任务的排列组合问题，如果不考虑任务之间的优先顺序约束，对于具有n个装配作业任务的装配线而言，任务的组合排列数就有n!种.因此，随着装配任务数量的增加，组合数量将呈指数方式增长，这使平衡寻优过程变得十分复杂.
2）任务作业时间的分布
对一组装配任务来讲，如果它们作业时间的分布比较集中，而且数值上比较接近节拍时间，那么就很难将它们组合分配到装配线上.对于装配线而言，各工位上将存在大量的空闲时间，装配线平衡的效果较差;反之，如果任务作业时间的分布比较均匀，则相对容易组
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