专利名称：生产线布局优化设计方法
技术领域：
本发明涉及工程制造领域，具体涉及一种生产线布局优化设计方法。
背景技术：
为了提高生产效率或减员增效，在制造加工的领域经常会根据投入的经济资源和 要完成的订单量从头设计车间生产线布局，以及对生产线进行改装和优化。生产线布局主 要包括各功能段之间的关联方式、各段内子线之间的关联方式、各子线内部的工位排布方 式等。制造加工领域中，生产系统中的生产线、工位、工序等有几种常见的布局方式，如在大 规模制造流水线布局方式中，每个工位对应一个操作较为简单的工序，工位与工位之间通 过串联的方式布局成一条生产线；在单元式布局方式中，生产线上的工位数较少，每个工位 对应多个工序，工位与工位、生产线和生产线之间存在相互协调的关系。
生产要素布置方法是在组织方式确定的条件下，通过生产线平衡等规划方法，以 产量、成本、生产时间等为优化目标，对人员、工序、设备等进行布置安排(参见参考文献 I 3)。
生产线平衡的主要方法是将人员、工序、设备按照产品确定的生产周期进行组织， 使流水线上每个工位的操作时间尽量一致，以期降低生产线的节拍。
生产线的节拍是指连续完成相同的两个产品之间的间隔时间，通常把一个流程中 生产节拍最慢的工位叫做瓶颈工位。生产线的产能与生产节拍直接相关，而生产节拍受制 于瓶颈工位的时间。生产线平衡规划即是将生产的全部工序分配到工位中去，调整各工位 的操作时间使其尽可能相近，降低生产节拍、提高产能。
现有生产线平衡规划方法包括精确优化方法和启发式优化方法两种。精确优化方 法使用数学规划求解，能够得到最优解，但是计算时间慢；启发式方法(如蚁群算法、遗传算 法)不能保证得到最优解，但是能够快速得出可行解(参见参考文献4 7)。以上为目前本 领域常用方法。
生产过程中，生产要素会随着时间发生变动，造成生产线制造过程不均匀。这种不 均匀会导致生产线产能降低，如原先均衡的生产线中出现空闲等待和在制品堵塞等情况。 其原因如人员的操作时间、机器失效/修复时间、生产准备时间、产品质量等变化，并且变 化的时间和大小存在着不确定性。但是上述生产线布局设计优化技术没有考虑这些变化对 生产效率的影响，也未提出相应的解决办法。
[参考文献]
1、D. D. Spinellisj C. T. Papadopoulos. A simulated annealing approach forbuffer allocation inreliable production lines.Annals of Operations Research, 93 (I) : 373 - 384，2000.
2、J. Li，S. M. Meerkov. Production systems engineering. Springer, 2008.
3、C. T. Papadopoulos, M. EJ. 0，Kelly, M. J. Vidalisj D. Spinellis. Analysis and design ofdiscrete part production lines.Springer,2009.
4、刘晋浩，侯东亮.装配线平衡问题的求解方法浅析[J].森林工程，22(4) :21-23, 2006.
5、杜运普，杨月新.装配生产线的平衡问题研究[J].机械设计与制造，2:104-106，2003.
6、皮兴忠，范秀敏，严隽琪.用基于作业序列的遗传算法求解装配线平衡问题 [J] ·机械科学与技术，22 (I) : 35-38，2003.
7、张玲，曹敏，彭鸿广，周碎兰.动素分析法在装配线平衡中的应用[J].浙江科技学院学报· 22 (2) :89-93, 2010.发明内容
本发明要解决的技术问题是现有的生产线平衡规划方法存在的无法减少生产波动对生产效率影响，从而降低了企业效益的问题。解决技术问题的技术方案是提供一种新的生产线布局优化设计方法。
该方法包括以下步骤
a、按目标产品制造要求分解制造过程为原子工序，采集每个原子工序的工时数据，进行Y次试验采集，形成原子工时库；
b、按照目标产品实际制造工艺，将生产线分为L个功能段，采用线平衡规划方法得到每段每工位包含的原子工序，使各功能段内子线的节拍·时间最小，形成工序库；
C、根据步骤a和b，将各功能段的子线条数形成矩阵N: [N1, N2, , Nj，各功能段内每子线的工位数量形成矩阵s: [S1, S2,..., SJ ;总投入资金C为N和S的函数，在总投入资金C确定时，使用枚举法找出不超过总投入资金C对应的各个N、S组合[N，S] : [N1, N2,...,Nl, S1, S2,, Sl],该组合表不一个布局方案,定义为[N, S]方案,所有[N, S]方案形成一个可行布局方案集合{[N，S]}；
d、利用原子工时库和工序库，计算每一 [N，S]方案中的每一单工位实际操作时间 Xlji, Xlji表示第I功能段、第j子线、第i工位的实际操作时间；
Xiji=Tlj^rX δ ^47Tlji (I彡j彡N1,1彡i彡S1)是通过线平衡规划方法计算得到的第I功能段、第j子线、第i工位的设计加工时间，即将工时库中该工位包含的原子工序的平均操作时间相加；δ ln是将该工位包含的各原子工序当次试验操作时间相加后，共Y 次试验得到的Y个操作时间值的标准差；r为采样生成的的随机数，服从标准正态分布；
e、计算每一 [N, S]方案的整体节拍时间，首先计算得到各功能段的节拍时间P1, I彡I彡L ;则整体节拍时间p=max {p” p2, · · ·，pj ,多次采样计算取平均值P;
f、按前述步骤计算在总投入资金C确定时，所有[N，S]方案各自的整体节拍时间平均值P，选择P最小的[N，S]方案，作为目标生产线优化布局方案。
上述功能段通过总体加工性质和顺序划分，可以是装配段、老化段、调试段和包装段等；上述的原子工序是指按照产品设计要求，将加工加工过程分解为若干不可再分解基本操作，这些基本操作即原子工序；上述试验次数Y越大，结果的精确度越高，Y取值最好符合工业工程的测时次数的计算要求。
显然，总投入资金C是与N、S相关，即C是关于N和S的函数。
具体为C=设备成本+人力成本；人力成本=每工人工资· N · St ;设备成本=每段每线设备价格· Ντ。
其中，上述方法步骤e中所述的各功能段的节拍时间的计算方法为第I段第j子线的节拍时间为第I段总的节拍时间P1为丄+丄+…+=max{w"·，、.,』，tn tl2 ,Ν/ o
其中，上述方法步骤a中所述的工时采集具体为利用计时器，对工人操作进行计时；将每原子工序的每次操作采集的工时进行编号，记录该工时与编号，形成工时库。
其中，上述方法步骤d中的采样次数为M次，M范围I 102°，以计算机寿命为上限。
其中，上述方法中各功能段之间采用汇流道衔接。
其中，上述方法中在生产排程中对每一个待制品赋予唯一的ID号,将该ID号实时下载到产线控制PLC中；在各功能段汇流处由PLC进行自动判断，将待制品转移到相邻功能段合适的子线线体上。
本发明法的有益效果在于针对工位操作时间的波动对生产线效率带来的影响， 创造性地引入新的变量对波动进行了表征，并据此开发出新的生产线布局优化设计方法。使用本发明方法设计生产线布局，能将有限的生产资源进行优化配置，得到受波动影响最小、产能最高的生产线混联布局方案。在人力成本与设备成本投入一定，以及其他条件不变的情况下，能明显提升单位时间产量，更好地提高生产效率。本发明方法既能用于新的生产线布局的设计，也能用于现有生产线布局的改造，具有很好的应用前景。
图1、生产线串联，并联和混联的布局示意图。
图2、按线平衡规划法的第I次工序调整。
图3、按线平衡规划法的第2次工序调整。
图4、传统方法得到的电视生产线布局。
图5、本发明方法得到的电视生产线布局。
图6、传统方法得到的电冰箱生产线布局。
图7、本发明方法得到的电冰箱生产线布局。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施方式
对本发明进行详细的说明。
本发明技术方案主要相对于现有技术而言，考虑了各工位加工时间波动对总体产能的影响，建立了新的生产线布局优化方法。可在投资固定时将有限的人力和设备等生产资源进行优化配置，能得到产能最高的生产线混联布局方案。
每一个产品都有自身的加工方式，按照加工顺序逐个拆分得到每一项加工内容, 即工序。在产品的总加工工序保持不变的前提下，对产线上每个工位所要执行的工序进行重新组合或拆分。一般情况下，同一条生产线上的工位数量愈多，每工位需要完成的工序就愈少，生 产节拍愈短,单位时间产量愈高；反之工位越少时,每个工位需要完成的工序就愈多，生产节拍愈长，单位时间产量愈低。
如图1所示，当并联子线条数愈小，子线的工位数愈大，每个工位需要完成的工序越少，生产线布局的串联形态愈明显；反之，每个工位需要完成的工序越多，生产线布局的并联形态愈明显。
对于单条生产线(共S个工位)，一件产品要从一个工位移动到下一个工位，需要等上一工位上的人员都加工完成后才可以移动。用Ti表示产品在第i个工位的平均加工时间，Σ7:是一个确定的值，即平均每台产品t产所要的时间τ。采用现有·技术即线平衡夫见i=\划方法对工序进行拆分和重组，使得maxIT1, T2,…，TJ最小，同时得到每个工位的加工工序和加工时间。
本发明前期工作还发现，各工位的加工时间不完全稳定，会有一定程度的波动，最终体现为产能波动(单位时间产量起伏)。而工位的不同排布，即由子线之间的关联方式和各子线内部的工位排布方式(即生产线布局)对产能波动有显著影响。
对于上述串联结构中，前一工位的停滞，会使后面所有工位等待；另一方面，即使前工位比后工位快，在制品也无法及时通过，造成在制品的堆积。即一个工位的波动会对其他工位造成影响，从而拉低整条线的平均产能。而全并联结构，其设备和人力的投入过大， 难以进行实际应用。
为了解决上述问题，本发明引入串联与并联混合的混联结构。但是不同的混联结构布局对资金投入有不同的要求，在考虑波动的情况下，不同布局获得的生产效益也有很大的差别。
现有技术由于不考虑波动，所以认为改变布局结构不会影响产能，即总人力不变， 且产品加工总工序不变，产能就不会变。因此在产能不足时，现有技术做法主要是增加人力，辅助瓶颈工位的工作(缩短节拍)，以此提升产能。
而发明在解决波动影响产能问题时发现，如引入混联结构并且考虑波动影响能够取得较好的效果。
混联结构将生产线按总体工艺分段，如装配段、调试段等，功能段总数为L，段与段之间用汇流道连接。每段包含若干配置相同的并行生产线体(子线)，第I段的子线数量可记为N1，作为N的第I个成员；子线的工位数可记为S1，作为S的第I个成员。
令Xlji表示工人在第I功能段，第j条生产线，第i个工位上的加工时间。本发明研究表明Xlji的波动概率服从正态分布，在此引入服从标准正态分布的随机数r，利用计算机对r进行采样后计算Xlji，计算公式为Xlji=TljJrX δ υ 。
第I个功能段的各条子线均为S1 (S1 ^ I)个工位，则子线生产节拍受制于节拍最长的工位，即第I功能段的第j子线的节拍为
权利要求
1.生产线布局优化设计方法，其特征在于包括以下步骤 a、按目标产品制造要求分解制造过程为原子エ序，采集每个原子エ序的エ时数据，进行Y次试验采集，形成原子エ时库； b、按照目标产品实际制造エ艺，将生产线分为L个功能段，采用线平衡规划方法得到每段每エ位包含的原子エ序，使各功能段内子线的节拍时间最小，形成エ序库； C、根据步骤a和b，将各功能段的子线条数形成矩阵N: [N1, N2，...，NJ，各功能段内每子线的エ位数量形成矩阵SJS1^2, . . . , SJ ;总投入资金C为N和S的函数，在总投入资金C确定时，使用枚举法找出不超过总投入资金C对应的各个N、S组合[N，S] : [N1, N2,. . , Nl, S1, S2,. . , Sj ,一个组合表不一个可行布局方案,定义为[N，S]方案,所有[N，S]方案形成一个可行布局方案集合{[N，S]}； d、利用原子エ时库和エ序库，计算每ー[N，S]方案中的每ー单エ位实际操作时间xUi，Xlji表示第I功能段、第j子线、第iエ位的实际操作时间； xiji=Tiji+rX 5 Iji^Tlji (I彡j彡N1,1彡i彡S1)是通过线平衡规划方法计算得到的第I功能段、第j子线、第iエ位的设计加工时间，即将エ时库中该エ位包含的原子エ序的平均操作时间相加；S Ui是将该エ位包含的各原子エ序当次试验操作时间相加后，共Y次试验得到的Y个操作时间值的标准差；r为采样生成的的随机数，服从标准正态分布； e、计算每一[N，S]方案的整体节拍时间，首先计算得到各功能段的节拍时间pl，II 5 L ;则整体节拍时间P=Hiaxfe1, P2, , pL},多次采样计算取平均值P ； f、按前述步骤计算在总投入资金C确定时，所有[N，S]方案各自的整体节拍时间平均值豆，选择P最小的[N，S]方案，作为目标生产线优化布局方案。
2.根据权利要求1所述的生产线布局优化设计方法，其特征在于步骤e所述的各功能段的节拍时间的计算方法为第I段第j子线的节拍时间为& =Inaxh1,i ；[第I 段总的节拍时间P1为
3.根据权利要求1或2所述的生产线布局优化设计方法，其特征在于步骤a所述的エ时采集为利用计时器，对工人操作进行计吋；将每原子エ序的毎次操作采集的エ时进行编号，记录该エ时与编号，形成エ时库。
4.根据权利要求1或2所述的生产线布局优化设计方法，其特征在于步骤e的采样次数为M次，M范围I 102°，以计算机寿命为上限。
5.根据权利要求3所述的生产线布局优化设计方法，其特征在于步骤e的采样次数为M次，M范围I 102°，以计算机寿命为上限。
6.根据权利要求1或2所述的生产线布局优化设计方法，其特征在于各功能段之间采用汇流道衔接。
7.根据权利要求6所述的生产线布局优化设计方法，其特征在于在生产排程中对每一个待制品赋予唯一的ID号，将该ID号实时下载到产线控制PLC中；在各功能段汇流处由PLC进行自动判断，将待制品转移到相邻功能段合适的子线线体上。
全文摘要
本发明涉及工程制造领域，具体涉及一种生产线布局优化设计方法。本发明要解决的技术问题是现有方法无法减少生产波动对生产效率影响，从而降低了企业效益的问题。解决该问题的方案是提供一种新的生产线布局优化设计方法，该方法主要步骤为采集原子工序工时数据；采用线平衡规划方法生成功能段和工位数，使各功能段单线的节拍时间最小；在总投入C确定时，使用枚举法找出所有满足这个约束条件的N、S所有组合；计算各功能段节拍时间；计算每一[N,S]方案的整体节拍时间；按前述步骤计算在总投入C确定时，所有[N,S]方案的方案的节拍时间节拍时间最小的即为目标方案。本发明方法可用于新的生产线布局的设计和现有生产线布局的改造。
文档编号G06Q10/04GK103049801SQ20121055925
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月20日 优先权日2012年12月20日
发明者赵勇, 潘晓勇, 李春川, 姚国红, 巫江, 符欣, 赖冬, 李冬, 张泉伟 申请人:四川长虹电器股份有限公司