非确定需求下的单元装配系统构建问题研究

　　本书的创新性工作主要包括以下四个方面：（1） 研究考虑工人合作关系差异的单元装配系统构建问题。在产品组合服从特定分布规则的情境下，鉴于单元装配系统构建问题没有考虑工人合作关系的现实状况，描述了合作关系对工人工作效率的影响方式，提出了工人合作系数的概念，在产品组合随机分布的情境下考虑工人合作关系差异对装配时间的影响及其对系统整体性能的影响。基于单元装配系统构建的一般问题，以小化总加工时间和小化工人工作时间为目标，建立了多目标优化模型。针对模型的特征，开发并应用了基于NSGA-Ⅱ的多目标优化算法进行求解。通过数值实验表明考虑员工合作关系的必要性；分析了员工合作系数的均值和方差的变化对单元系统构建的组成和性能的影响。结果表明，工人整体合作度较高、工人间合作关系差异较大时，单元系统的性能会有更明显的提升。（2） 研究基于场景需求的单元装配系统构建问题，旨在建立相对稳定的生产系统以应对市场需求的变化，提升需求波动情境下系统对需求波动的应变能力。针对现有单元装配系统构建问题没有充分考虑需求场景变化因素的特点，考虑基于场景的需求情境下流水线装配向单元装配系统转化的问题。本研究将基于场景的需求定义为一系列服从某种概率分布的需求场景，每个需求场景中包含了产品组合和批次大小、顺序等信息。以小化总加工时间的期望和方差为优化目标，建立了单元装配系统转化的多目标优化模型，决策构建单元的数量、工人的组合方式以及批次的分配方案，旨在通过构建相对稳定的生产系统以应对变化的市场需求，提升需求非确定情境下系统对需求变化的应变能力和稳定性。根据模型和变量特点设计基于NSGA-Ⅱ的启发式算法求解模型，通过小规模算例的应用验证了算法对模型求解的准确性，并通过多次运行算法的方式验证其对大规模问题求解的有效性。同时，通过对比未考虑需求场景变化的单元装配系统构建方法，验证了考虑基于场景需求的单元系统构建可以提升生产系统在基于场景的非确定需求下的稳定性。（3） 鉴于现有研究很少考虑工人技能水平对单元装配系统构建方案的影响，研究需求按概率分布情境下单元装配系统构建过程中的多能工技能优化配置问题。现有研究多假设工人具备装配全部产品的能力，而大规模的培训会造成较高的培训成本和能力资源浪费。本书中，作者将工人的技能水平描述为所有产品共用的基本技能和以产品区分的特定技能，并考虑工人技能提升所需付出的技能培训成本。针对单元装配系统构建的基本问题，作者考虑了需求的非确定性和技能培训成本、产能不足和产能过剩的惩罚成本，以小化系统总成本为目标，建立了随机优化模型；基于有限柔性原则开发了启发式算法，结合了场景聚合法求解该模型。此外，作者还设计了大量数值实验，分析了模型特征和参数影响。实验结果表明，通过适当地增加技能培训，只需要较少的技能培训也可以使系统在满足市场需求方面达到完全技能培训的性能。产品技能与工人之间的对应关系通常以闭合的长链形式存在。随着产品间需求均值差异的增加、产品需求的波动幅度增加、总产品类别的增加，系统总成本会上升且特定培训数量也会上升。随着单位技能培训成本的增加，总成本呈上升趋势且更多的员工培训为低技能水平培训。随着产能过剩惩罚成本和产能不足惩罚成本的增加，总成本呈上升趋势且需要更多高技能水平的员工。（4） 以订单随机到达场景为研究背景，考虑基于技能水平的工人雇用成本和服务水平的单元装配系统构建问题。鉴于现有单元系统构建方式无法满足订单随机到达场景的需求，将非确定需求的场景定义为由各类产品按一定的时间间隔和批次大小的分布规则随机产生，将工人的工资定义为由基本工资和技能工资组成，将系统的服务水平定义为可以在目标时间内完成交货的订单数量占所有订单数的比例。考虑到工人工资与技能水平相关，以小化工人雇用成本和化系统服务水平为目标，建立了多目标随机优化模型，以构建单元的数量、工人的数量、分配方案和技能水平。此外，还证明了模型的解空间性质，开发了基于NSGA-Ⅱ的启发式算法结合场景聚合法求解模型，设计了大量数值实验以表明模型的应用方法，并进行相关参数分析。实验结果表明：①系统的服务水平随用工成本投入的增加而提升，但在用工成本投入增加到一定程度后，系统服务水平的提升速度会有所减缓；②为达到服务水平提高的目的，系统内将提升高技能水平工人的占比，提升工人整体技能水平；③当基于技能水平的成本增加时，为达到相同的服务水平，单元装配系统的成本和低技能水平工人的比重都有所增加；④当系统维持相同服务水平时，系统的用工成本会随着批次容量均值的增加而增加；⑤当产品类型的数量和产品批次大小发生变化时，系统的用工成本和服务水平并不发生改变。

暂缺《非确定需求下的单元装配系统构建问题研究》作者简介

第1 章导言／1
1.1 研究背景／1
1.2 研究目的和意义／4
1.3 研究目标与研究内容／6
1.4 研究方法和技术路线／9
1.5 本章小结／11
第2 章单元装配系统构建问题及算法的研究综述／14
2.1 相关文献检索分析／14
2.2 先进生产组织管理方式的演进／18
2.3 单元装配系统概述／22
2.4 单元装配系统构建问题的综述／32
2.5 本章小结／42
第3 章产品组合随机情景下考虑工人合作关系的单元装配系统构建／45
3.1 子问题背景介绍／45
3.2 考虑工人合作关系的单元构建问题描述与模型建立／47
3.3 NSGA-Ⅱ算法的研究综述／51
3.4 基于顺序编码的NSGA-Ⅱ算法／55
3.5 数值实验分析／58
3.6 本章小结／64
第4 章基于场景需求下考虑系统稳定性的单元装配系统构建／66
4.1 子问题背景介绍／66
4.2 基于场景需求的单元构建问题描述与模型建立／68
4.3 基于顺序编码的NSGA-Ⅱ算法／72
4.4 数值实验分析／74
4.5 本章小结／82
第5 章概率分布需求下单元装配系统构建中的多能工配置／84
5.1 子问题背景介绍／84
5.2 交叉培训方法的研究综述／86
5.3 多能工技能配置问题的描述与模型建立／87
5.4 基于场景聚合和有限柔性原则的启发式算法／93
5.5 数值实验分析／96
5.6 本章小结／107
第6 章随机订单情景下考虑技能成本和服务水平的单元装配系统构建／109
6.1 子问题背景介绍／109
6.2 考虑技能成本和服务水平的单元构建模型／110
6.3 求解单元构建问题的NSGA-Ⅱ算法设计／117
6.4 数值实验分析／119
6.5 本章小结／127
第7 章结论与展望／129
7.1 研究结论／129
7.2 理论贡献／131
7.3 管理启示／132
7.4 未来研究展望／133
主要参考文献／134