唐海波， 吳 斌， 王正蘭

(上海電機學(xué)院 商學(xué)院, 上海 201306)

啟發(fā)式算法的裝配線的平衡改善應(yīng)用

唐海波， 吳 斌， 王正蘭

(上海電機學(xué)院 商學(xué)院, 上海 201306)

裝配線是普遍存在的一種制造系統(tǒng)，裝配線的均衡與否直接關(guān)系到生產(chǎn)體系的生產(chǎn)率。通過對某空調(diào)主控制板裝配線工序的時間研究，利用動作經(jīng)濟原則、“5W1H”的方法對生產(chǎn)線進行優(yōu)化改善，制定一個合理的操作方法和標準作業(yè)時間，采用啟發(fā)式算法原理對裝配線的平衡計算，達到勞動強度的降低和運行時間最小化，提高生產(chǎn)線的均衡率，從而能適應(yīng)產(chǎn)品消費市場的變化。

生產(chǎn)線平衡; 啟發(fā)式算法; 工序節(jié)拍

隨著時代的發(fā)展，制造業(yè)成為產(chǎn)品生產(chǎn)的主體，其中生產(chǎn)線是生產(chǎn)產(chǎn)品的主要方式，企業(yè)希望通過調(diào)整生產(chǎn)線，最大限度地挖據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)線的效率，縮小節(jié)拍；同時，制定一個合理的操作方法和標準作業(yè)時間，通過生產(chǎn)線的平衡改善，最終提高生產(chǎn)力，以滿足產(chǎn)能和低成本的要求。

裝配作為產(chǎn)品生產(chǎn)鏈的最后環(huán)節(jié)，具有工作專業(yè)化程度高以及按照一定節(jié)拍生產(chǎn)的特征，是企業(yè)關(guān)注其生產(chǎn)效率的主要地方，其中裝配線的平衡是重點，已經(jīng)有多種方法應(yīng)用在裝配線的平衡上，例如多目標決策算法[1]、遺傳算法[2-3]等算法[4-8]，取得了較好的效果[9-10]。

由于生產(chǎn)線裝配平衡與其要裝配的產(chǎn)品密切相關(guān)[10-14]；因此，采用空調(diào)主控板裝配線作為研究對象，先對該裝配線工序的時間研究，對生產(chǎn)線進行優(yōu)化改善，制定出合理的操作方法和標準作業(yè)時間，用啟發(fā)式算法原理對裝配線的平衡計算[15]，以達到提高生產(chǎn)線的均衡率，從而能適應(yīng)產(chǎn)品消費市場的變化。

1 問題的提出

由于人們生活水平的提高，空調(diào)逐漸成為日常生活的必需品，面對空調(diào)產(chǎn)品需求的增長，作為空調(diào)的主要控制部件空調(diào)主控板理所當然地成為生產(chǎn)的關(guān)鍵，此外，空調(diào)的品種繁多，與之對應(yīng)的主控板的型號也較多，從而增加了裝配線的復(fù)雜性與平衡的難度，如何提高企業(yè)對市場變化的反應(yīng)能力，在需要的時候，按需生產(chǎn)，就需要重視裝配線的平衡問題。平衡裝配線不僅要求最大限度減少勞動力和其他設(shè)備資源地浪費，也要求各裝配節(jié)拍達到一致，這樣才能保持裝配線連續(xù)流動地均衡，獲取期望輸出。

正是在這種需求背景之下，本文選擇了一家專門經(jīng)營空調(diào)主控板的電子元器件企業(yè)進行產(chǎn)品的生產(chǎn)線平衡研究。根據(jù)空調(diào)市場的銷售特點，其空調(diào)產(chǎn)品及主控板組成也有相似的特點，通過找出影響生產(chǎn)能力各因素之間的關(guān)系，來確定影響裝配線不均衡的主要因素，明確后重新對生產(chǎn)線進行均衡；以改變工作節(jié)拍，調(diào)整人員配置，達到降低成本的目的。

該公司的主控板裝配線是手工裝配流水線，是一個由多個呈直線排列的裝配工作站和相應(yīng)的操作者組成，每個工作站上有一個或多個裝配工完成規(guī)定的一部分裝配任務(wù)。流水線傳動裝置是以一定速率轉(zhuǎn)移，工人跟著半成品在流水線上移動，只有部分單一操作是坐著完成的。同時，對移動各站的裝配時間也必須滿足一定的時序要求。裝配的生產(chǎn)過程主要工作是零部件的檢查、安裝、固定等基本操作，要求是在各操作站容量確定的情況下，生產(chǎn)線上員工根據(jù)產(chǎn)品的流動方向時間上按一定速度完成正常的操作。

該公司主要采取手動操作的方式將其他生產(chǎn)部門所加工的零件進行組裝封箱，通過實地操作發(fā)現(xiàn)，該公司的裝配生產(chǎn)線存在著以下問題: ① 生產(chǎn)線平衡失調(diào)；② 作業(yè)不規(guī)范，工序等待時間長；③ 作業(yè)條件不穩(wěn)定。

針對以上問題，本文將采用理論與實踐相結(jié)合的方法，對空調(diào)控制電路板組裝線進行分析研究，期望在實現(xiàn)標準化的同時采用啟發(fā)式算法原理進行平衡計算及改善，以提高現(xiàn)場管理水平、企業(yè)的裝配效率。

2 求解裝配線平衡問題的方法

啟發(fā)式算法(Heuristic Algorithm)的提出是相對于最優(yōu)化算法，最優(yōu)算法是要求得問題的每個實例的最優(yōu)解，而啟發(fā)式算法是給出可行解。對日益復(fù)雜的系統(tǒng)來說，啟發(fā)式算法擁有相當大的優(yōu)勢。啟發(fā)式算法實質(zhì)是一個采用直觀或經(jīng)驗構(gòu)造出來的算法，在計算時間和空間可接受的范圍內(nèi)給出待解決問題的每一個實例的一個可行解的算法。

啟發(fā)式算法原理是試圖在合理時間內(nèi)通過一次計算提供一個或者全部目標的答案。算法通常能發(fā)現(xiàn)較理想的解，但不一定能得到問題的最優(yōu)解；也不能保證不得到較壞的解；同時，無法保證算法每次能以同樣的速度去求解。在某些特殊情況下，啟發(fā)式算法有可能會得出很差的結(jié)果或計算效率極低，然而造成那些特殊情況的數(shù)據(jù)組合，也許永遠不會在現(xiàn)實世界出現(xiàn)。因此，現(xiàn)實中啟發(fā)式算法常用來解決問題。由于現(xiàn)實中的求解問題往往是復(fù)雜問題，而啟發(fā)式算法恰恰在處理這些問題的時候可以在合理時間內(nèi)得到滿意的答案。所以，啟發(fā)算法得到了廣泛的應(yīng)用，主要分為2類: ① 通用啟發(fā)式策略稱為元啟發(fā)式算法；② 超啟發(fā)式算法的算法類型。隨著啟發(fā)式算法研究的深入，例如遺傳算法[2]、DNA算法[3]等啟發(fā)式方法在生產(chǎn)線平衡問題中常被采用，并顯示出良好的效果。遺傳算法存在算法較為復(fù)雜、用于計算的附加成本高等缺點。

本文根據(jù)生產(chǎn)線平衡問題的特點，結(jié)合啟發(fā)式算法原理，給出基于啟發(fā)式算法原理的裝配線平衡算法流程圖，見圖1。

圖1 算法流程圖Fig.1 Flowchart of the algorithm

3 裝配線平衡計算及實施

3.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

該公司某系列主控板裝配線在沒有進行平衡前的標準產(chǎn)能是7.5萬臺/a，最大日產(chǎn)300臺，流水線按單線雙班生產(chǎn)布置，班產(chǎn)150臺，每班工作8h，生產(chǎn)節(jié)拍是192s/臺。

主控板裝配線雖然是多品種裝配線。但同系列的不同機種，除了顏色和品種名不同外，主控板的組成結(jié)構(gòu)還是一樣的。其主要部件有: 白色固定板、束線、小基板、散熱片、基線座、扎帶、繞線、防炎板、大基板、延緩線、插線、接線座、SWP板、熱敏線、FG線、貼紙、螺絲，使用的工具主要是電動螺絲刀。原裝配流程及裝配人數(shù)如表1所示，生產(chǎn)工序及作業(yè)時間通過實際工作研究測量得出。

表1 工序操作表Tab.1 Operation sequence

3.2裝配線平衡優(yōu)化

根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)工序數(shù)設(shè)定為10步，作業(yè)時間的寬放系數(shù)為1.5，CT調(diào)整規(guī)則為增加或減少0.1s。由表1可知，t>CT的作業(yè)為工序4、5、6和9，用啟發(fā)式算法原理，平衡計算流程并對原有工序進行優(yōu)化處理，通過算法流程的運作，形成的具體優(yōu)化措施如下:

(1) 減少作業(yè)內(nèi)容，將現(xiàn)行方案中的檢查基板、插線、貼紙、束線、螺絲固定狀態(tài)以及測量插線長度都放在前期固定階段之后或放在測試工位之前專門增加一個工位進行檢查。

(2) 增加一個工位，專門在測試之前檢查電裝成品的板、插線、貼紙、束線、螺絲固定狀態(tài)和插線長度；再將電裝成品固定于測試機進行測試器基板的狀態(tài)。

(3) 簡化重排4、5、6工位，將固定FG線放在4工位上，并將書束扎帶的工序內(nèi)容放在工位5上，這樣整個裝配線還是10個工位，不需要再為之前新增的一個工位安排新的工作場地，也減少了類似工序多占用工作場地的浪費，減少物料的搬運和堆積，一次性做完類似工作，減少重復(fù)操作。

通過以上具體的優(yōu)化措施，經(jīng)過具體實施后，再進行工序的工作研究，測得的相應(yīng)數(shù)據(jù)達到了算法流程的要求，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 優(yōu)化后的工序操作表Tab.2 Optimized operation sequence

3.3平衡率計算

(1) 計算班產(chǎn)能(每班8h)

N=裝配工作時間/節(jié)拍

沒有標準化之前的節(jié)拍是192s/臺，N=150臺。

標準化之后的節(jié)拍是180s/臺，N=160臺。

(2) 計算裝配線的平衡率

生產(chǎn)線平衡率=總的工序時間/人或機器數(shù)×CT×100%

式中，CT為節(jié)拍；Ti為各工序號為i的工序的作業(yè)時間；P為生產(chǎn)線平衡率。

裝配線平衡優(yōu)化之前，

P=(9.46+9.23+9.10+10.76+11.04+

10.89+8.60+9.42+14.55+9.25)/

(10×14.55)×100%=

102.30/(10×14.55)×100%=70%

失衡率d=1-P=1-70%=30%。

裝配線平衡優(yōu)化之后，

P=(9.71+8.67+9.09+9.82+10.36+

10.10+8.54+9.20+12.54+8.97)/

(10×12.54)×100%=

96.99/(10×12.54)×100%=77%

失衡率d=1-P=23%。

3.4優(yōu)化實施后結(jié)果對比

經(jīng)過啟發(fā)式算法原理的裝配線平衡優(yōu)化后，生產(chǎn)產(chǎn)能得到提升，生產(chǎn)節(jié)拍降低，平衡率得到提升，相對應(yīng)的失衡率下降了，從而很好地提高生產(chǎn)效率。

裝配線平衡改善后，標準時間比之前縮短了 6min，作業(yè)人員數(shù)量較之前減少了1人，但工位數(shù)沒有改變，在降低產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍的同時，不僅降低了工人數(shù)量，也提高了班產(chǎn)量。具體效果如表3所示。

表3 優(yōu)化對比表Tab.3 Optimization comparison

4 結(jié) 語

通過運用啟發(fā)式算法原理對某生產(chǎn)空調(diào)主控板裝配線的平衡展開研究，歸納了其現(xiàn)行生產(chǎn)方案的情況，并對存在的問題、不足展開了分析和計算，依據(jù)相關(guān)理論知識，提出了優(yōu)化改善方案。通過方案的實施，得到滿意的結(jié)果。本研究對流水線的改進，不僅可促使公司提高生產(chǎn)效率，還能為公司在不斷競爭取得一定優(yōu)勢。

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Balance Improvement of Assembly Lines Based on Heuristic Algorithm

TANGHaibo，WUBin，WANGZhenglan

(School of Business, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

An assembly line is a common manufacturing system. Whether an assembly line is balanced is directly related to productivity. By a time study of the assembly line process, a production line is optimized using the motion economy principle and a 5W1H approach. A rational method of operation and standard operating time are developed. Heuristic principles are then used to balance the assembly line. In practical applications, a conditioned main control panel is produced on the assembly line to achieve lower labor intensity, minimize the run-time, and improve equilibrium rate of the production line. It can adapt to changes in the consumer products market.

line balance; heuristic algorithm; process the beat

2014 - 08 - 26

教育部人文社會科學(xué)研究青年基金項目資助(10YJC630274)；上海市教育委員會科研創(chuàng)新項目資助(13YS124)；上海電機學(xué)院重點學(xué)科資助(13XKJC02)；上海電機學(xué)院科研項目資助(13C422)

唐海波(1976- )，男，副教授，博士，主要研究方向為工業(yè)工程、生產(chǎn)調(diào)度、智能算法優(yōu)化， E-mail: chthb@163.com

2095 - 0020(2014)05 -0306 - 05

F 406.2

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