文献综述生产线平衡的仿真优化和方法研究

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1、专业文献综述题 目: 生产线平衡的仿真优化和方法研究 姓 名: 欧阳小奇 学 院: 工学院 专 业: 工业工程 班 级: 工业工程54 学 号: 3115419 指导教师: 马开平 职称: 讲师 2008年12月10日南京农业大学教务处制推荐精选生产线平衡的仿真优化和方法研究指导教师：马开平 作者：欧阳小奇摘要：阐述了生产线平衡的相关内容及研究现状，讨论了生产线平衡问题的解决方法，主要包括工业工程方法、数学分析方法、启发式方法和仿真优化技术。介绍了基础工业工程工作研究技术、5W1H提问技术和ECRS原则，遗传算法、蚁群算法、模拟退火等启发式算法和Flexsim、Witness和eM-plant

2、仿真软件在生产线平衡问题的应用。关键词：生产线平衡；工业工程；工作研究；仿真优化；启发式算法Simulated Optimization and Methods Study for Production Line balanceOuyang xiaoqiAbstract: The production line balancing problem and its studies are generally introduced. This thesis introduces the applications of production line balance methods comprise

3、 Basic Work Research technology in Industrial Engineering, 5W1H technology, ECRS principle, and meta-heuristic approaches such as Genetic Algorithms, Simulated Annealing, Ant Algorithms. Using simulation software Flexsim, Witness, eM-plant to model and simulate the product flow, in order to balance

4、streamline. Key words: Production Line Balance; Industrial Engineering; Work Research; Simulation Optimization; Heuristic Approach1 引言随着经济的全球化，制造业面临新的挑战。制造模式和制造技术的变革深刻地影响着制造系统的规划、设计和运作管理。一方面，制造企业必须根据市场需求以及企业现有和潜在生产能力，选择、确定合适的制造方式，应用先进制造技术提高企业的核心竞争力；另一方面，又要求企业加强生产与运作管理，是企业的人员、资源、信息、设备和能源得到合理优化配置，减少浪费

5、，节约成本，运用工业工程的管理手段提高企业持续改善和应对变化的能力1。 现国内外正经历着新的产业革命精益生产, 重新定义企业价值, 消除一切不必要的浪费。在实际加工生产中, 浪费主要表现在：不必要的工序； 原料或半成品或成品盲目地搬运； 因上道工序的不及时,下一道工序只能等待等。这些会造成无谓的工时损失, 生产线平衡即是衡量产线工序水平的重要指标之一, 也能反映出企业综合管理水平的高低2。生产线平衡问题直接关系到设施利用率和生产效率，且影响到产品的质量，此外，生产线平衡给员工带来的公平感，有助于员工间的合作，因此也是企业关注的热点推荐精选3。2 课题研究目的和意义生产线平衡，就是对作业的内容和

6、方法进行详细的分析和研究，综合应用工业工程(Industrial Engineering)的改善手法、启发式算法以及计算机仿真技术，寻找瓶颈，降低工序作业时间，提高工序作业效率，并调整各工序优先顺序，使工序间的作业时间差距最小，以提高生产线的效率，解决企业资源优化配置。对于流水生产线而言，节拍时间是衡量生产线的生产能力，各个生产工位的作业时间不可能完全一样才造成各个工位的生产节拍不同, 即产生作业负荷不均衡的结果。实现均衡生产, 有利于保证设备, 人力的负荷平衡, 从而能提高设备和工时的利用率, 同时还有利于建立正常的生产秩序和管理秩序, 以保证产品质量和安全生产； 均衡地进行生产还有利于节约

7、物资消耗, 减少在制品, 加速流动资金的周转, 从而降低生产成本；通过平衡生产线，可以综合运用程序分析、操作分析、动作分析、设备布局分析、时间分析等全部工业工程相关方法，以及精确算法，启发式方法，智能算法，仿真优化等方法，提高员工的综合素质。生产线平衡包括选择分配到各个工作站的恰当工作任务组合，这样工作可以以一个合理的次序进行，而且每个工作站执行工作的时间也相当。这样做的目的就是要使完成既定产出所需的劳动输入和工厂投资最小化4。这个目标可以通过以下两个方法实现：1) 将达到给定工作周期（既预期的生产能力）所需的工作站（工人人员）的数量最小化。2) 将工作站完成预期工作所需的周期时间最小化（最大

8、化产出率）。3 国内外研究现状 流水线生产一般可分为两种：加工生产线、装配线。加工生产线是一系列机器上制造与加工零件，例如汽车轮胎或冰箱的金属部件。装配线则是在一系列工作台上将制造出的零件组合在一起，包括部件装配线与产品总装线。生产线平衡是这种生产方式评价的重要指标，因此，研究人员对其进行了大量的研究工作。生产线平衡问题（Line Balancing Problem,简称LBP）伴随着流水生产线的产生而产生，至今已有近百年的时间。但这一问题的正式提出是在1954年，美国人B.Bryton在他的硕士论文连续生产线平衡中第一次提出生产线平衡的问题并着手解决这一问题，在此之后，许多科研人员都研究了这

9、个方面的问题，并发表了各种各样的求解方法1。生产线平衡问题是典型的NP-Hard组合优化难题，目前，针对生产线平衡问题，主要的解决方法可以分为四类：工业工程方法、数学分析法、启发式方法和仿真优化方法。3.1 工业工程方法工业工程（Industrial Engineering,简称IE）思想最早是由科学管理之父泰勒在20世纪初提出的，它是对人员、物料、设备、能源和信息组成的集成系统进行设计、改善和实施的工程技术，它综合运用数学、物理学和社会科学的专门知识和技术，结合工程分析和设计的原理与方法，对该系统所取得的成果进行确定、预测和评价5。推荐精选以工业工程为主的生产线平衡方法分为方法研究和作业研究

10、两类，该方法的优点是使企业在不增加投资或减少投入的情况下，对生产过程的作业程序、作业方法、物料配置、空间布局及作业环境等方面的改善，达到平衡生产线并提高生产效率、提高经济效益的目的。3.1.1 工作研究5工作研究包括方法研究与作业测定两大技术。方法研究在于寻求经济有效的工作方法；作业测定是确定各项作业科学合理的工时定额。方法研究着眼于对现有工作方法的改进，其实施效果要运用作业测定来衡量，而作业测定是努力减少生产中的无效时间，为作业制定标准时间。1.方法研究：通过使用各种图表如流程程序图、路线图、人机作业图、双手动作图等，从流程、工序和动作三个层次分析现有的生产过程及方法，利用提问技术（5W2H

11、），澄清各项作业的目的和方法，应用取消、合并、重排和简化的ECRS四大原则，完善工作方法。它主要包括程序分析、作业分析和动作分析。1）程序分析：依照工作流程，从第一个工作地到最后一个工作地，全面地分析有无多余、重复、不合理的作业，程序是否合理，搬运是否过多，延迟等待是否太长等问题，通过对整个工作过程的逐步分析，改进现行的作业方法及空间布置，提高生产效率。2）作业分析：通过对以人为主的工序的详细研究，使作业者、作业对象、作业工具三者科学合理地布置和安排，达到工序结构合理，减轻劳动强度、减少作业工时消耗、缩短整个作业的时间，以提高产品的质量和产量为目的而作的分析。3）动作分析：按操作者实施的动作顺

12、序观察动作，用特定的记号以手、眼为中心的人体各部位的动作内容，并记录图表化，以此为基础，判断动作的好坏，找出改善点的一套分析方法。程序分析、作业分析和动作分析分别从宏观到微观、从粗略到具体的步骤介绍生产线平衡的实施要点和实务。2.作业测定：是运用各种技术来确定合格工人按照规定的作业标准，完成某项工作所需时间的过程。通过制定和贯彻作业标准时间，促使生产者有效地利用工作时间，减少无效时间，最大限度地提高劳动生产率。作业测定的主要方法有：1） 时间研究（秒表时间研究）：采用抽样技术，以生产过程中的工序为研究对象，在一段时间内，按照预定的观测次数利用秒表连续不断地观测操作者的作业，然后一次为依据计算该

13、作业的标准时间。2） 工作抽样：对作业者和机器设备的工作状态进行瞬时观测，调查各种作业活动事项的发生次数及发生率，进行工时研究，并用统计方法推断各观测项目的时间构成及变化情况。3） 预定时间标准法（Predetermind Time System,简称PTS）：利用预先为各种动作制定的时间标准来确定进行各项操作所需的时间。其中模特排时（MOD）法，是在PTS技术的基础上，使动作和时间融为一体的，而精度又不低于传统PTS技术的更为简单、易掌握的PTS技术。4） 标准资料法：是将直接由秒表时间研究、工作抽样、预定时间标准法所得的测定值，根据不同的作业内容，分析整理为某作业的时间标准，以便将该数据应

14、用于同类工作的作业条件上，推荐精选使其获得标准时间的方法。工作研究的技术实际运用组合方式为：1） 作业分析、动作分析与秒表时间研究结合，得出现有工作流程动作时间观测表。2） 将时间观测表转化为可目视话的山积表。3） 通过平衡率及瓶颈时间分析，确定改善方向。4） 综合运用ECRS原则与作业分析、动作分析技术，构建实施方案以达成目标。在平衡生产线时，采用5W1H（何因、何事、何地、何时、何人、何法）提问技术和ECRS（取消、合并、重排、简化）分析原则进行作业改善。合并相关工序，删减不必要工序，重新排列工序6。通过动作研究、时间研究和模特法等，分析各个工序的人员动作，减少不必要的动作，使操作员工的动

15、作合理化。3.1.2 IE方法的应用生产线平衡是现场IE的一种管理手法，也是解决生产线负荷平均化这一影响生产线效率关键问题的重要方法之一。运用该方法的优点在于企业在不投资或者少投资的情况下，不增加工人劳动强度甚至是降低劳动强度，通过实施一系列的合适的方法，达到企业平衡生产线提高生产效率的目的。目前该方法的应用主要在一些电脑生产企业的SMT生产线上应用较多1。兰秀菊，陈勇等人在分析生产线平衡原理及改善方法基础上，以计算机主板生产线的SMT段为研究对象，以作业测定为依据，结合生产线实际问题进行了系统分析，提出了可行的持续改进方案，并对改进前后的方案进行对比分析，达到了提升产能、优化生产线的目的7。

16、通过生产线平衡分析，应用5W1H提问技术和ECRS分析原则，经过三次改善，SMT段改善前后的节拍时间CT、平衡率及产能有了很大的提高。李雷介绍了工作研究技术与ECRS原则相结合的生产线平衡技术在制造业生产力提高过程中的应用。将工作流程中的动作分，制成时间观测表，对比改善目标，确定关键改善作业，运用山积表将改善方向清晰化，确定出效益最大的生产线改善方案8。郭伏分别针对H-S准备段生产线存在的问题，运用工作研究理论的方法研究、作业测定技术及流水线平整的理论方法进行分析、改善，使生产线的生产能力提高61.6%9。以某企业轿车内饰工段生产线为研究对象，运用作业测定技术中的时间研究方法，测定了流水线各工

17、位的作业时间，找出了影响流水线生产能力的瓶颈工位；运用5W1H提问技术分析流水线存在的问题；根据ECRS（取消、合并、重排、简化)原则及流水线平整理论设计了流水线平整方案。新方案的实施使产线平衡率提高11.1%，生产能力提升11.8%10。除此之外，还运用MOD分析法对工段各主要工位进行记录,分析工段在任务分配、操作方法、工时定额、人员配置及标准产量制定等方面存在的问题11。并详细介绍了一种新的人机操作分析、联合操作分析的新方法SIMOGRAMS工具的使用方法，针对某轮胎公司装配线存在的问题进行了分析和应用12。3.2 数学分析法数学分析方法就是通过建立数学模型来寻找问题的最优解，主要有线性规

18、划、整数线性规划模型、动态规划模型、网络模型以及排队模型等等。推荐精选F1aI1ciszek M areck(波兰)讨论了装配线平衡问题，详细介绍了多阶段规划方法的应用13。尽管数学分析方法可以找到最优解，但是运算量都普遍较大而减少了数学分析方法的实用性，而且由于生产线平衡问题的复杂性，实际应用时十分繁琐，在很多情况下这些方法得到的最优解并不符合生产的实际情况1。3.3 启发式方法14启发式方法（Heuristic Method）中启发一次来源于希腊字（Heruriskein）,意思是发现。它虽然是一个古老的概念，但自1958年被诺贝尔获得者H.A.Simon在研究人工智能中提出，尔后被作为解

19、决管理决策中的一种特殊方法开始受到人们的重视。其解题的思路，一种是用一些相对简单的准则，多次重复应用于决策过程，直到问题最后满意的解决为止。计算机技术的发展，有利于解决这种多次重复的运算和比较。另一种思路是将问题分解，如在装配生产线平衡中将整个系统的平衡问题转化成为单个工作地的平衡问题，运用启发式方法求解，然后，再用解析方法来处理。此种方法具有高度浓缩简化问题的能力，能提高处理大量数据的速度，判别准则带有直观和经验性质，可以总结有经验的人们的思维逻辑而得到。一旦总结后可以扩大用于处理更大系统的问题，这也是这种方法之所以吸引人之所在。加上这种方法是以满意解为目标，无论在时间和费用上均可在支出较少

20、的情况下得到满意的策略与方案。启发式方法主要有位置权重法、凯尔布里奇和韦斯特方法、Moodie-Young的启发式方法、霍夫曼的矩阵法、IUFF方法和分级指派法等。然而基于简单启发式规则的传统算法仅按某种规则求得一种可行方案，由于生产线平衡问题的结构特征，如任务问优先顺序关系、作业时间长短分布等的差异，至今尚无某一优先规则能确保对该类所有问题都能够求得最优解，因而难以提供具有普适性的实用算法。随着智能优化算法的发展，遗传算法、禁忌搜索、模拟退火法和蚁群算法等亚启发式方法在生产线平衡问题中得以应用，并表现出良好的性能。然而像遗传算法也存在着一些不足之处，如生产线平衡问题相关约束的处理较为复杂3。

21、近年来，一些新型的启发式算法得到了飞快的发展，并在优化求解方面取得了突出的成绩，不少研究人员通过将这些新型的算法应用到生产线平衡问题的求解过程中，取得不错的效果。王秋芳综合运用启发式算法和数学分析法，在Hoffman的优先矩阵法和Johnson的分支定界法基础上提出了一种算法，能同时求出满足模型约束条件的多个最优方案或可行方案，并且能求出多个目标属性值15。这给决策者选择可行方案提供了很大的灵活性。 何洋林，叶春明等人讨论了装配生产线问题研究现状，建立了生产线平衡模型，并运用DNA遗传算法求解。DNA-GA基于DNA编码策略，结合了遗传算法的寻优特性及DNA进化操作方法。通过编程模拟仿真，表明

22、该算法解决生产线平衡问题的可行性，此算法用于解决更大规模的生产线平衡优化问题也有很大的潜力16。宋华明，韩玉启针对U型生产线的特点，设计了一种基于遗传算法的平衡优化方法，这种遗传算法以分配作业元素到工作站的先后顺序为问题的编码，按照最大分配原则进行译码，算法简洁，能够适应不同约束条件和优化目标的需要通过对经典生产线平衡问题的测试与比较表明，这种算法是一种高效的解决U型生产线平衡的工具17。推荐精选Ugur zcan Bilal Toklu介绍了单一对象装配线平衡问题（SALB）和U型装配线平衡问题（SULB），基于自适应（adaptive learning approach）算法和模拟退火（s

23、imulated annealing）算法提出了一种改进的混合式启发式算法（new hybrid improvement heuristic approach）18。F. Jolai M. Jahangoshai Rezaee A. Vazifeh综合运用数据包络（data envelopment analysis，简称 DEA）算法和COMSOAL方法解决多目标装配线平衡问题19。3.4 仿真优化生产线仿真线仿真是以计算机支持的仿真技术为前提，对生产线的各个元素和生产过程进行统一的建模，在虚拟的环境中反映出装配生产的全过程，从而更有效地组织生产计划。主要的可视化仿真软件有Flexsim、Wi

24、tness和eM-plant。Flexsim是Flexsim美国公司开发的迄今为止世界上第一个在图形环境中集成了和编译器的仿真软件,面向中小企业,可以直接在个人电脑上运行。Witness软件是由英国公司推出的面向工业和商业流程的动态系统建模用的仿真软件平台。eM-plant(simple+)是Tecnomatix公司开发的主要用于生产系统与生产过程的建模与仿真软件。仿真过程主要包括三个阶段系统实体的定义和可视化显示；程序设计，确定实体元素之间的相关关系；设定运行时间，运行模型和分析仿真结果。周铭华的硕士论文针对轻型客车装配生产线，利用Flexsim系统仿真软件建立了装配线仿真模型，结合启发式平

25、衡方法,通过仿真平衡仿真，再平衡再仿真，对轻型客车装配生产线进行了初次平衡、二次平衡，使得装配生产线平衡率及各工位利用率和空闲率得到了极大的改善,生产率得到较大提高20。刘光富,马婷婷运用eM-plant仿真建模技术建立某压缩机装配线的仿真模型，并基于仿真数据分析装配线瓶颈，运用生产线平衡优化方法设计装配线平衡优化方案。通过对压缩机厂装配线的改进，达到了提高装配线产能、平衡各工序负荷的效果。实际数据和仿真数据吻合，验证了仿真技术的有效性和生产线平衡优化方法的可靠性21。4 总结通过对以上文献的学习总结，可以看出工业工程方法、启发式方法、数学分析法和仿真优化方法各有优缺点：工业工程方法面向企业的

26、执行层面，便于改善措施的实施，然而该方法受限于管理人员自身的经验和管理水平；数学分析方法能建立合理的数学模型并求得最优解，但是运算量太大影响了其应用；启发式算法通过利用计算机的计算能力解决了数学分析方法运算量太大的问题，但是得出的解是理想解，而并非最优；可视化仿真的应用满足了人们对生产状况的实时再现和预先模拟的要求，不仅能够实时跟踪显示仿真，而且要求能够对仿真过程进行实时干预，但在仿真优化中需应用启发式方法和工业工程等相关的方法来实现更切合实际的生产平衡。 本人将综合运用上述方法对具体的实例进行分析，找出生产线的瓶颈，对生产线的不平衡问题，运用工业工程的方法进行分析优化，以达到平衡生产线，提高

27、生产效率的目的。参考文献：1 朱琼,陈雪芳,田世勇,张洁.基于仿真技术的生产线平衡优化研究与应用J.工业工程与管理，2008，13(4)：110-113.推荐精选2 吴晓艳.装配生产线平衡的研究D. 上海交通大学,2007.3 张则强.基于蚁群生态模型的大规模定制生产线平衡问题J.学术动态（成都），2008(1)：17-18. 4 詹姆斯.B.迪尔沃思.运作管理 M.北京：中信出版社.2006.5 易树平，郭伏.基础工业工程 M.北京：机械工业出版社.2006.6 吴永程,徐克林. 生产线平衡持续改善分析研究J精密制造与自动化, 2008,(03) .7 兰秀菊,陈勇,汤洪涛.SMT生产线平衡

28、的持续改善方析J.工业工程与管理，2006，11(2)：109-111.8 李雷.生产线平衡技术在自动化装配线改善中的应用研究J.襄樊职业技术学院学报，2008，7(3)：16-18. 9 郭伏,张国民. 工作研究在流水线平整中的应用J工业工程与管理, 2005,(02) .10 郭伏,张国民,温婕. 工作研究在轿车装配流水线能力平整中的应用J工业工程与管理, 2006,(02) .11 郭伏. 模特法在生产线能力平整中的应用J东北大学学报(社会科学版), 2003,(01) .12 郭伏,张国君. 应用SIMOGRAMS方法解决装配生产线瓶颈J工业工程与管理, 2006,(06) . 13

29、Marck.,F, 张金良.多阶段规划方法在装配线平衡问题上的应用J.武汉钢铁学院学报，1989，12(2)：1-12.14 陈良猷, 郭鑫. 启发式方法及其在生产线平衡中的应用J. 航空学报, 1987,(06)15 王秋芳. 流水生产线平衡模型及算法的设计J武汉科技大学学报(自然科学版), 1992,(01)16 何洋林 叶春明 马明.装配生产线平衡问题DNA遗传算法研究J.机械设计与制造，2008(3)：68-70.17 宋华明 韩玉启.基于遗传算法的U型生产线平衡J.系统工程学报，2002，17(5)：424-429.18 F. Jolai, M. Jahangoshai Rezaee

30、 and A. Vazifeh.A new hybrid improvement heuristic approach to simple straight. Journal of Intelligent Manufacturing J. 200819 Ugur zcan Bilal Toklu. Multi-criteria decision making for assembly line balancing. Journal of Intelligent Manufacturing J.200820 周铭华.基于Flexsim系统仿真的轻型客车装配线平衡研究D. 西华大学,200821 刘光富,马婷婷. 基于eM-plant的水洗机装配线平衡分析J工业工程与管理, 2007,(03) .推荐精选专业文献综述成绩评阅表学院工学院专业工业工程姓名欧阳小奇题目生产线平衡的仿真优化与方法研究指导教师意见(包括选题是否恰当、文字表达水平、论文的难度和创新性、参考文献质量、格式是否规范等方面，请使用钢笔书写或打印)：推荐精选论文评定成绩： 指导教师签名： 年 月 日 （注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!） 推荐精选