典型风电总装企业装配车间设施布局优化研究与应用-夏茜.pdf

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1、 典型风电总装企业装配车间设施布局 优化研究与应用 重庆大学硕士学位论文 （专业学位） 学生姓名：夏 茜 指导教师：刘 胜 副教授 兼职导师：何利志 高工 学位类别 ： 工程硕士（ 工业工程 领域） 重庆大学机械工程学院 二 O一三年 五 月 Optimization Research and Application on Facilities Layout in Typical Wind Power Assemblers Workshop A Thesis Submitted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requ

2、irement for the Professional Degree By Xia Qian Supervised by Ass. Prof. Liu Sheng Pluralistic Supervised by sen.eng. He Lizhi Specialty: ME(Industrial Engineering Field) College of Mechanical Engineering Chongqing University， Chongqing， China May,2013 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 I 摘 要 在大型制造企业中，设施布局是生产管理的一项重要内容

3、，合理的设施布局不仅 对控制物流成本 、 降低工作负荷，实现企业生产的高效运转有着重要影响，而且，还与产品质量、企业经济效益息息相关。 本论文以典型风电总装企业装配车间的设施布局为主要研究对象，针对案例车间的特点， 研究与之适应的 设施布局优化模型及其算法，并 将该研究成果加以应用 且取得较好的效果 。论文 主要做了以下工作： 首先，本文阐述了论文的研究背景，并对国内外研究现状与发展趋势进行分析，为后文设施 布局模型及算法的研究奠定了理论基础。 其次，研究装配车间设施布局的总体技术，分析典型风电总装企业装配车间设施布局存在的问题，提出基于遗传思想的改进粒子群算法 以 避免传统方法过于依赖经验、

4、约束过多及复杂难解的缺点。 再次，以总体技术研究思路为指导，详细分析设施布局现状确定基础数据建立实用于案例车间设施布局的数学模型；利用改进粒子群算法 对该 模型 加以 求解，实现对案例车间设施布局设计与优化工作。 最后，在以上研究的基础上，将本文的研究成果应用于 H 企业装配车间，降低物流量，节约物流成本，验证 优化方案 的可行性与实用性。 关键词： 风电总装企业 ， 设施布局 ， 改进粒子群算法 ， 设计与优 化重庆大学硕士学位论文 英文摘要 II ABSTRACT In the large-scale manufacturing enterprises, the facility layo

5、ut is an important element for production management. The rationality of facility layout have an important impact on control logistics costs, reduce workload, and achieve the efficient functioning for enterprise production, meanwhile, related to product quality and economic efficiency of the enterpr

6、ise. Aiming at the characteristics of the workshop, this thesis used the facility layout of assembly plant for a typical wind power enterprise as the main research object, and studied on the optimization model and algorithm for facility layout. The research results had good results. The main researc

7、h contents as follows: First of all, the research background was described in this thesis. Meanwhile, the research status and development trend were analyzed, the theoretical foundation was set up for the model research and algorithm for facilities layout. Secondly, the overall technology for facili

8、ty layout of assembly shop was researched. This thesis analyzed the existing problems of the facility layout of assembly plant for a typical wind power enterprise, and put forward an improved particle swarm optimization which based on genetic ideology to avoid some shortcomings. For example， the tra

9、ditional method depends on experience, the number of constraints are large. Thirdly, this thesis was guided by the ideas of the overall technical research. To determine the basic data and establish the mathematical model for the facilities layout of workshop, current situation was analyzed in detail

10、. To achieve the work of design and optimization for facilities layout of workshop, the improved particle swarm algorithm was used to solve the model, Finally, the results of the study were applied to H enterprise which based on the above studies. The implementation shows that the optimization plan

11、reduced the amount of logistics, saved logistics cost, verified the feasibility and practicality of algorithm. Keywords: Wind power enterprise, Facility layout, Improved particle swarm Optimization, Design and optimize 重庆大学硕士学位论文 目 录 III 目 录 中文摘要 . I 英文摘要 . II 1 绪论 . 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 国内外研究现状与发展趋势

12、. 2 1.3 研究目的及意义 . 3 1.4 论文研究的主要内容 . 3 1.5 本章小结 . 4 2 典型风电总装企业装配车间设施布局总 体技术研究 . 5 2.1 设施布局概述 . 5 2.1.1 设施布局的概念 . 5 2.1.2 设施布局的范围 . 5 2.2 典型风电总装企业装配车间的特点及其布局问题 . 7 2.2.1 典型风电总装企业装配车间的特点 . 7 2.2.2 典型风电总装企业装配车间布局存在的 问题 . 7 2.3 典型风电装配车间设施布局基本目标及方法 . 8 2.3.1 设施布局基本目标 . 8 2.3.2 装配车间设施布局方法 . 9 2.4 装配车间设施布局的

13、总体技术框架 . 14 2.5 本章小结 . 15 3 典型风电总装企业装配车间设施布局优化研究 . 16 3.1 典型风电总装企业装配车间设施布局的数学优化模型 . 16 3.1.1 设施布局的相关模型 . 16 3.1.2 建模方法及要求 . 17 3.1.3 车间设施布局模型分析 . 19 3.1.4 典型风电总装企业装配车间设施布局优化模型研究 . 20 3.2 典型风电总 装企业装配车间设施布局优化模型算法研究 . 23 3.2.1 设施布局优化模型的求解算法分析 . 23 3.2.2 粒子群算法的原理及应用 . 25 3.2.3 粒子群算法的改进 . 28 3.2.4 基于改进 P

14、SO 的设施布局优化模型求解的运行原理及流程 . 30 重庆大学硕士学位论文 目 录 IV 3.3 本章小结 . 32 4 应用案例 . 33 4.1 背景介绍 . 33 4.2 装配产品及其工艺概述 . 33 4.2.1 产品组成分析 . 33 4.2.2 装配工艺流程 . 34 4.2.3 作业单位划分 . 34 4.3 装配车间物流、非物流及综合关系分析 . 35 4.3.1 作业单位物流相关分析 . 35 4.3.2 作业单位非物流相关分析 . 36 4.3.3 确定作业单位综合关系 . 37 4.3.4 作业单位面积确定 . 38 4.4 改进粒子群算法在该装配布局中的应用 . 38

15、 4.4.1 编码设计 . 38 4.4.2 适应度函数设计 . 38 4.4.3 参数设计 . 39 4.4.4 运用 MATLAB 进行布局算法求解 . 40 4.4.5 改进粒子群算法的优化结果分析 . 42 4.5 本章小结 . 43 5 结 论 . 44 致 谢 . 45 参考文献 . 46 附 录 . 49 作者在攻读硕士学位期间参加的主 要项目 . 49 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 研究背景 伴随着生产制造的发展，车间设施布局问题也随之产生。作为生产管理中的一个重要要素，其作用日益受到人们的重视。在美国泰勒提出科学管理后，管理工程师们就开始着眼于车间

16、设施的布局问题，同时也将这一问题提到了一定的地位来重视。世界各国急速的发展，工厂的规模日益增大，车间内部管理也变得越来越复杂 ， 车间区域布局是工业工程的重要分支，是研究如何按照一定的原则，在给定的车间内部空间约束下，将生产系统所使用的各 种制造资源进行合理地组织与布置，以达到某种设计目标的最优。 制造业作为一个传统的领域已经发展了很多年，积累了不少理论和实践经验，但由于经济技术的不断发展以及全球化信息网络和全球化市场的全面形成，制造业发展机遇与挑战并存。技术的发展、市场需求的变化、客户多样化，各个方面的个性化需求越加强烈，使制造业市场在发展过程中出现新的特征 ， 产品生命周期越来越短，市场竞

17、争日趋激烈 ， 在这种大的行业背景下，企业如何面对挑战，如何提升核心竞争力和生存能力，是制造业面临的一个紧迫且现实的问题，受到了学术界和企业界的重视。从生产与管 理模式的改变来审视制造业存在的问题，首先应用当代先进的生产和管理模式来思考、处理和解决。 首先，新的理念和制造技术如单元制造系统 (CMS)、敏捷制造 (JIT) 、成组技术 (GT)、柔性制造系统 (FMS)和工业机器人等用到现代制造系统中越来越频繁。运用这些理念和技术的制造系统需有新的布局模型来与它们的设计和使用问题相匹配。例如制造车间采用的单元布局形式，不仅需要解决单元在车间平面上的布局问题，还需要解决单元内部的设施布局问题。虽

18、然传统的方块布局和设施布局与之相似，但是若直接用已建立的模型及方法可能会导致设计的 布局方案无法正常使用。 其次，激烈的市场竞争要求企业有快速响应市场变化的能力，减少产品生产制造周期，在市场中抢占先机，然而，一旦产品批量、品种出现大变化，原有车间设施区域布局很难满足需求，从而导致生产装配的低效，增加企业生产管理运作成本，使企业在竞争中处于劣势地位。若在此基础上再添置新设施，那么，车间设施布局的重构或调整就会变得更加复杂和频繁，造成生产装配过程中出现停工误工等现象。由此可见，现代制造工业中的车间设施布局设计的合理性举足轻重 ， 从以上叙述中，我们容易的看到，车间设施布局设计对于生产管理极其重要，

19、小的改进也能够在复杂的生产系统中产生巨大的影响和提高经济效益。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 本论文主要来源于重庆某典型风电总装企业（下文中简称 H 企业）与重庆大学共同合作的 “H 企业生产管理项目 ”的研究课题，经过多次对 H 企业调研并与各级领导沟通交流，得知 H 企业各级领导非常重视设施规划工作，给予大力关注和支持，迫切希望重新规划设施布局以有效解决生产管理中存在的问题，因此，将重点研究该项目中的 H 企业装配车间的设施布局问题。 1.2 国内外研究现状与发展趋势 第二次世界大战后，世界经济进入高速发展期，工厂的规模越来越大且趋于复杂化，增加生产管 理的难度，设施规划中也应用运

20、筹学、概率论和统计数学等理论，车间设施布局问题也开始由定性分析转向定量分析。车间设施布局规划随着工业的发展而不断成熟，其发展历程大体如下： 1911 年，以 Taylor 的科学管理方法和 Ford 的流水线生产方法为标志，布局规划问题进入了萌芽期，其观点具有前瞻性，为工厂管理的科学化开启了一扇大门，在 20 世纪 40 年代至 60 年代，随着关于车间设备布局问题的研究范围扩大，其相关理论也得到了一定的发展，形成了具有独立学科体系的学科。一些传统的规划方法，如割平面法和分支定界法也可解决这一类问题。 Muther 提出了代表性方法 -系统布置设计理论；随着计算机技术的发展，应用计算机技术开始

21、解决平面布置及其优化的问题，并用高级语言开发出关于平面布置的程序，如用 ALDEP、CORELAP 程序于新建设施上和用 CRAFT、 COFAD 程序在改建布置上，形成了计算机辅助设施布局方法，为生产系统的重新布局规划提供了有力的帮助和支持，且节省人力和财力。二十世纪七十年代后，计算机在生产管理领域中的广泛应用标志着进入了现代发展阶段。在这个时期，出现解决设施布局规划问题的技术手段和方法，可以归纳为以下几类：二次分配问题 QAP 模 型、线性整数规划模型、二次布置占有 QSP 模型、图论模型和混合整数规划模型。 汪一筇、米智伟用经典的系统布置设计结合遗传算法求解车间设备布局，以高效率获得满意

22、的设计结果，弥补传统 SLP 设计过程中手工操作的繁琐迭代、易受主观影响、结果不稳定等缺点 1。于瑞峰，王永县 ,彭海提出一种对数学编码方式、变异操作等方面进行改进的遗传算法解决工作地中设施布局问题 2。黄国萍、陈定方出了三个求解层：布局的概念设计层、布局装配的几何建模层和数学建模的详细设计层解决空间布置设计问题 3。赵川遗传算法与模拟退火算法结合，形成混合算法应用于解决机械加工车间设施布局问题 4。经小川 ,古钟壁将遗传算法应用到布局设计中 5。 国外学者也在不断变化和发展设施布局的理论研究。 Balakrishnan 等提出混合遗传算法去解决 DPLP 的优化问题 6。 Alan R 和

23、Jin Shang 提出混合蚁群算法去解重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 3 决设施规划问题 7。 Ertay 等人用 VisFactory 软件包对设施布局仿真且将 Factory FLOW 和 Factory PLAN 模块作为输入数据 8。 D Banerjee 对各种布局形式用仿真软件 Factory Plan 进行定性分析 9。 结合上述设施规划的研究现状，可总结出设施规划理论与实践的发展新趋势： 将传统方法与人工智能算法相结合，可提高优化质量和优化效率，如粒子群算法（ PSO）、模拟退火算法（ SA）、遗传算法（ GA）、禁忌搜索算法（ BA）、蚁群 算法 （ ANT）等。 将计算

24、机与人工智能算法相结合，并基于人工智能算法开发出相应的计算机辅助设施布置软件，如 FactoryCAD、 FactoryFLOW 和 FactoryVIEW 等。 研究适应生产系统变化的柔性设施布置方法，使之能对快速变化的内外部环境做出快速响应。 1.3 研究 目的及意义 本文主要通过研究典型风电总装企业生产车间的特点，建立一种适应于此种生产类型的车间布局模型及求解算法，使之适应于现实中的车间布局问题，以节省物料搬运费用、缩短生产周期、降低生产成本，最终达到提高企业竞争力，扩大企业生存空间的目的。 本文研究的主要意义在于： 设施布局是否合理对生产效率、物流成本等会造成一定的影响，对整个制造系统

25、总体功效最大化起着重要的影响，一个设计合理的生产或制造系统能够减少半成品的停留时间，提高物料的处理效率，从而提高企业的生产效率，缩短生产周期，然而，我国大部分企业的生产或 者装配系统都由经验决定或采用传统简单的设计方法进行粗糙设计，没有科学合理的规划安排，导致设施布局不合理，面积利用率不高，经常出现物料不畅、路线迂回等现象，不符合现代先进企业的生产或装配要求。故而，对装配企业的设施布局问题的探索具有很重要的理论价值和实践意义。 将计算机技术与智能算法相结合，提出了设施布局优化的新方法，开拓了设施布局的新算法，改变了企业由经验决定或采用传统简单的设计方法对设施布局规划的历史，也为其它存在较大物流

26、活动的类似企业、生产或装配车间等设施布局提供了参考。 1.4 论文研究的主要内 容 本文研究了设施布局的理论与方法，分析了典型风电总装企业装配车间的特点及其车间布局的相关问题，建立针对典型风电总装企业装配车间布局数学模型重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 4 并提出解决算法，最后将研究的方法与理论应用于工程案例中，验证本文的研究价值。论文主要内容如下： 第一章为绪论。首先介绍本文的研究背景，并针对国内外研究现状与发展趋势进行分析；其次说明本课题的研究目的及意义；最后对本文研究的主要内容做概况性介绍。 第二章是总体技术研究。首先对设施布局进行了概述，其次分析典型风电车间设施布局的特点及其存在的问题

27、，并介绍了解决这些问题要达到的 目标， 阐述达到这一目标的方法 ，最后总结出总体技术框架 。 第三章主要对典型风电总装企业装配车间设施布局进行优化研究。首先建立设施布局的数学模型； 然后 对此数学模型 提出适合装配车间设施布局的算法，即改进粒子群算法。 第四章主要是将改进粒子群算法应用于 H 企业，验证该方法的有效性和可行性。首先介绍 H 企业装配车间的基本情况，其次概述其装配产品及工艺，并分析H 企业物流、非物流及平面位置关系，整理出设施布局基础数据；采用改进粒子群算法求解设施布局的优化方案；最后分析改进粒子群算法的优化结果。 第五章主要是对本论文所研究的内 容进行总结，并 阐述不足之处 ，为以后的研究提供借鉴意义。 1.5 本章小结 本章首先介绍了本论文的研究背景，对国内外研究现状与发展趋势进行了分析；其次说明了本课题的研究目的及其意义；最后概括了本论文研究的主要内容，为下一章 总体技术 研究作铺垫。