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《东北大学 》 2009年
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面向单元制造企业的单元构建和调度方法的研究

王晓晴  
【摘要】:随着少量生产、多样化消费时代的到来,制造企业面临着产品生命周期和交货期进一步缩短、产品种类逐渐增多、个性化要求不断提高等问题的考验。在这种情况下,如何保证并不断提高生产效率、快速反应不断变化的市场需求成为制造企业在日趋激烈的市场竞争中占领世界市场最有力的战略武器和立于不败之地的关键。单元生产方式是随需而变的生产方式,综合了单件生产的高柔性与大批量生产的高效率的优点,并克服了单件生产成本高和批量生产过度刚性的缺点,使制造系统达到了效率和柔性的统一,使企业组织内实现了自律和自主的统一。目前单元生产方式已经越来越受到人们的重视。实践证明,单元生产系统具有在制品库存少、成品库存少、订单响应时间短、运输时间短、设备调整时间短、以及生产费用低等优点。 目前我国绝大多数制造企业采用大批量生产的粗放经营方式,过分关注生产产量,忽略了多品种小批量的市场需求,且忽视了这种大批量生产方式下存在的库存、人力、物料、时间、空间和搬运等大量浪费。这导致了企业在成本和交付以及质量方面都存在巨大压力,难以适应当今买方市场的新特点,缺乏竞争力。为此,通过生产革新和生产方式的改造,来建立因需而变的满足个性化需求的单元生产系统,是国内制造企业向集约化经营迈进,提升企业核心竞争力,保持与世界先进制造水平同步的重要途径。 作为国家杰出青年科学基金和国家创新研究群体科学基金的重要组成部分,本文以离散制造企业单元生产方式的实施和运作为研究背景,在对单元生产方式研究现状,特别是单元构建和调度问题进行深入分析的基础上,研究了单元生产方式实施和运作过程中的单元构建和调度的若干重要问题。本文的研究成果及核心内容主要有以下五个方面: (1)研究了市场需求变化情况下生产单元内部配置可调整的多周期多目标动态单元构建问题。考虑了设备重置费用、设备利用率和零部件跨单元移动数目,提出了非线性多目标动态单元构建的数学模型。根据问题和模型的特点,开发了一种基于启发式的分散搜索算法。该算法采用了多样性产生方法、全局判断方法和参考集更新方法等多种改进机制来实现单元生产系统的动态构建。 (2)研究了设备冗余情况下的多周期多目标动态单元构建问题。考虑了同一计划期内多个生产单元中可能存在相同类型设备的情况,通过对单元生产构建过程中的总费用、设备负载与能力之间最大偏差以及零部件跨单元移动数目这三个目标进行权衡,建立了该问题的非线性多目标数学规划模型。采用自适应小生境技术、惩罚技术、双轮盘赌法和精华选择策略,提出了基于精华保留策略的随机权重多目标遗传算法来求解设备冗余情况下的多目标动态单元构建问题。 (3)研究了单元制造环境中零部件生产工艺不相同情况下零部件跨单元生产的调度问题。分别以最小化单元制造系统的总生产时间和拖期惩罚为目标,对单元内设备上的零部件进行生产调度,提出了该问题的非线性数学规划模型,开发了针对该问题的分散搜索算法。该算法改进了多样性产生器,使算法生成一系列多样性好的初始解,并针对该零部件调度问题的特点,开发了参考集更新方法、子集产生方法、子集合并和解改进方法等多种机制来实现对单元制造系统中零部件调度的有效管理。 (4)研究了单元构建和调度的联合决策问题,以最小化单元制造系统的总拖期费用为目标,建立了嵌入计算规则的整数规划模型。为了有效地求解该模型,提出了基于启发式的拉格朗日松弛分解算法。采用该算法将联合决策问题分解为单元构建子问题和单元调度子问题。对单元构建子问题进行线性化,并采用CPLEX进行求解;同时采用分散搜索算法求解单元调度子问题。通过合并拉格朗日乘子,使调度子问题在对零部件进行生产调度时考虑到设备和零件族在单元中的分配情况,以此来求解单元构建和调度的联合决策问题。 (5)研究了设备冗余情况下的单元构建和调度的联合决策问题。考虑了单元生产系统中每种设备和零部件数量为多个、零部件分批量调度的情况,为该联合决策问题建立了包含整数变量和连续变量的非线性数学规划模型。为了有效地求解该模型,提出了一个嵌入调度规则的分散搜索算法,该算法引入了一个合并的调度规则,考虑了两种不同的合并方法和改进方法,扩充了分散搜索算法的框架来更好的适应该联合决策问题。提出的算法对整数变量进行搜索,并采用合并调度规则来求解整数解对应的调度子问题。最终通过该分散搜索算法求解了这个设备冗余情况下的单元构建和调度的联合决策问题。
【学位授予单位】:东北大学 
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:F224;F273

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【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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10 宋开胜;基于遗传算法的二维排样研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
【同被引文献】
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10 黄英杰;姚锡凡;颜亮;;基于目标级联法和遗传算法的多学科设计优化研究[J];机械设计与制造;2010年09期
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1 慕继武;基于虚拟制造单元的混流制造模式研究与应用[D];华中科技大学;2007年
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【二级参考文献】
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