非確定需求下的單元裝配系統(tǒng)構(gòu)建問題研究

　　本書的創(chuàng)新性工作主要包括以下四個(gè)方面：（1） 研究考慮工人合作關(guān)系差異的單元裝配系統(tǒng)構(gòu)建問題。在產(chǎn)品組合服從特定分布規(guī)則的情境下，鑒于單元裝配系統(tǒng)構(gòu)建問題沒有考慮工人合作關(guān)系的現(xiàn)實(shí)狀況，描述了合作關(guān)系對工人工作效率的影響方式，提出了工人合作系數(shù)的概念，在產(chǎn)品組合隨機(jī)分布的情境下考慮工人合作關(guān)系差異對裝配時(shí)間的影響及其對系統(tǒng)整體性能的影響。基于單元裝配系統(tǒng)構(gòu)建的一般問題，以小化總加工時(shí)間和小化工人工作時(shí)間為目標(biāo)，建立了多目標(biāo)優(yōu)化模型。針對模型的特征，開發(fā)并應(yīng)用了基于NSGA-Ⅱ的多目標(biāo)優(yōu)化算法進(jìn)行求解。通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)表明考慮員工合作關(guān)系的必要性；分析了員工合作系數(shù)的均值和方差的變化對單元系統(tǒng)構(gòu)建的組成和性能的影響。結(jié)果表明，工人整體合作度較高、工人間合作關(guān)系差異較大時(shí)，單元系統(tǒng)的性能會有更明顯的提升。（2） 研究基于場景需求的單元裝配系統(tǒng)構(gòu)建問題，旨在建立相對穩(wěn)定的生產(chǎn)系統(tǒng)以應(yīng)對市場需求的變化，提升需求波動(dòng)情境下系統(tǒng)對需求波動(dòng)的應(yīng)變能力。針對現(xiàn)有單元裝配系統(tǒng)構(gòu)建問題沒有充分考慮需求場景變化因素的特點(diǎn)，考慮基于場景的需求情境下流水線裝配向單元裝配系統(tǒng)轉(zhuǎn)化的問題。本研究將基于場景的需求定義為一系列服從某種概率分布的需求場景，每個(gè)需求場景中包含了產(chǎn)品組合和批次大小、順序等信息。以小化總加工時(shí)間的期望和方差為優(yōu)化目標(biāo)，建立了單元裝配系統(tǒng)轉(zhuǎn)化的多目標(biāo)優(yōu)化模型，決策構(gòu)建單元的數(shù)量、工人的組合方式以及批次的分配方案，旨在通過構(gòu)建相對穩(wěn)定的生產(chǎn)系統(tǒng)以應(yīng)對變化的市場需求，提升需求非確定情境下系統(tǒng)對需求變化的應(yīng)變能力和穩(wěn)定性。根據(jù)模型和變量特點(diǎn)設(shè)計(jì)基于NSGA-Ⅱ的啟發(fā)式算法求解模型，通過小規(guī)模算例的應(yīng)用驗(yàn)證了算法對模型求解的準(zhǔn)確性，并通過多次運(yùn)行算法的方式驗(yàn)證其對大規(guī)模問題求解的有效性。同時(shí)，通過對比未考慮需求場景變化的單元裝配系統(tǒng)構(gòu)建方法，驗(yàn)證了考慮基于場景需求的單元系統(tǒng)構(gòu)建可以提升生產(chǎn)系統(tǒng)在基于場景的非確定需求下的穩(wěn)定性。（3） 鑒于現(xiàn)有研究很少考慮工人技能水平對單元裝配系統(tǒng)構(gòu)建方案的影響，研究需求按概率分布情境下單元裝配系統(tǒng)構(gòu)建過程中的多能工技能優(yōu)化配置問題?，F(xiàn)有研究多假設(shè)工人具備裝配全部產(chǎn)品的能力，而大規(guī)模的培訓(xùn)會造成較高的培訓(xùn)成本和能力資源浪費(fèi)。本書中，作者將工人的技能水平描述為所有產(chǎn)品共用的基本技能和以產(chǎn)品區(qū)分的特定技能，并考慮工人技能提升所需付出的技能培訓(xùn)成本。針對單元裝配系統(tǒng)構(gòu)建的基本問題，作者考慮了需求的非確定性和技能培訓(xùn)成本、產(chǎn)能不足和產(chǎn)能過剩的懲罰成本，以小化系統(tǒng)總成本為目標(biāo)，建立了隨機(jī)優(yōu)化模型；基于有限柔性原則開發(fā)了啟發(fā)式算法，結(jié)合了場景聚合法求解該模型。此外，作者還設(shè)計(jì)了大量數(shù)值實(shí)驗(yàn)，分析了模型特征和參數(shù)影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過適當(dāng)?shù)卦黾蛹寄芘嘤?xùn)，只需要較少的技能培訓(xùn)也可以使系統(tǒng)在滿足市場需求方面達(dá)到完全技能培訓(xùn)的性能。產(chǎn)品技能與工人之間的對應(yīng)關(guān)系通常以閉合的長鏈形式存在。隨著產(chǎn)品間需求均值差異的增加、產(chǎn)品需求的波動(dòng)幅度增加、總產(chǎn)品類別的增加，系統(tǒng)總成本會上升且特定培訓(xùn)數(shù)量也會上升。隨著單位技能培訓(xùn)成本的增加，總成本呈上升趨勢且更多的員工培訓(xùn)為低技能水平培訓(xùn)。隨著產(chǎn)能過剩懲罰成本和產(chǎn)能不足懲罰成本的增加，總成本呈上升趨勢且需要更多高技能水平的員工。（4） 以訂單隨機(jī)到達(dá)場景為研究背景，考慮基于技能水平的工人雇用成本和服務(wù)水平的單元裝配系統(tǒng)構(gòu)建問題。鑒于現(xiàn)有單元系統(tǒng)構(gòu)建方式無法滿足訂單隨機(jī)到達(dá)場景的需求，將非確定需求的場景定義為由各類產(chǎn)品按一定的時(shí)間間隔和批次大小的分布規(guī)則隨機(jī)產(chǎn)生，將工人的工資定義為由基本工資和技能工資組成，將系統(tǒng)的服務(wù)水平定義為可以在目標(biāo)時(shí)間內(nèi)完成交貨的訂單數(shù)量占所有訂單數(shù)的比例?？紤]到工人工資與技能水平相關(guān)，以小化工人雇用成本和化系統(tǒng)服務(wù)水平為目標(biāo)，建立了多目標(biāo)隨機(jī)優(yōu)化模型，以構(gòu)建單元的數(shù)量、工人的數(shù)量、分配方案和技能水平。此外，還證明了模型的解空間性質(zhì)，開發(fā)了基于NSGA-Ⅱ的啟發(fā)式算法結(jié)合場景聚合法求解模型，設(shè)計(jì)了大量數(shù)值實(shí)驗(yàn)以表明模型的應(yīng)用方法，并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①系統(tǒng)的服務(wù)水平隨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，系統(tǒng)服務(wù)水平的提升速度會有所減緩；②為達(dá)到服務(wù)水平提高的目的，系統(tǒng)內(nèi)將提升高技能水平工人的占比，提升工人整體技能水平；③當(dāng)基于技能水平的成本增加時(shí)，為達(dá)到相同的服務(wù)水平，單元裝配系統(tǒng)的成本和低技能水平工人的比重都有所增加；④當(dāng)系統(tǒng)維持相同服務(wù)水平時(shí)，系統(tǒng)的用工成本會隨著批次容量均值的增加而增加；⑤當(dāng)產(chǎn)品類型的數(shù)量和產(chǎn)品批次大小發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)的用工成本和服務(wù)水平并不發(fā)生改變。

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