啟發式算法的裝配線的平衡改善應用

唐海波， 吳 斌， 王正蘭

(上海電機學院 商學院, 上海 201306)

啟發式算法的裝配線的平衡改善應用

唐海波， 吳 斌， 王正蘭

(上海電機學院 商學院, 上海 201306)

裝配線是普遍存在的一種制造系統，裝配線的均衡與否直接關系到生產體系的生產率。通過對某空調主控制板裝配線工序的時間研究，利用動作經濟原則、“5W1H”的方法對生產線進行優化改善，制定一個合理的操作方法和標準作業時間，采用啟發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，提高生產線的均衡率，從而能適應產品消費市場的變化。

生產線平衡; 啟發式算法; 工序節拍

隨著時代的發展，制造業成為產品生產的主體，其中生產線是生產產品的主要方式，企業希望通過調整生產線，最大限度地挖據現有生產線的效率，縮小節拍；同時，制定一個合理的操作方法和標準作業時間，通過生產線的平衡改善，最終提高生產力，以滿足產能和低成本的要求。

裝配作為產品生產鏈的最后環節，具有工作專業化程度高以及按照一定節拍生產的特征，是企業關注其生產效率的主要地方，其中裝配線的平衡是重點，已經有多種方法應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]。

由于生產線裝配平衡與其要裝配的產品密切相關[10-14]；因此，采用空調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，對生產線進行優化改善，制定出合理的操作方法和標準作業時間，用啟發式算法原理對裝配線的平衡計算[15]，以達到提高生產線的均衡率，從而能適應產品消費市場的變化。

1 問題的提出

由于人們生活水平的提高，空調逐漸成為日常生活的必需品，面對空調產品需求的增長，作為空調的主要控制部件空調主控板理所當然地成為生產的關鍵，此外，空調的品種繁多，與之對應的主控板的型號也較多，從而增加了裝配線的復雜性與平衡的難度，如何提高企業對市場變化的反應能力，在需要的時候，按需生產，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備資源地浪費，也要求各裝配節拍達到一致，這樣才能保持裝配線連續流動地均衡，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營空調主控板的電子元器件企業進行產品的生產線平衡研究。根據空調市場的銷售特點，其空調產品及主控板組成也有相似的特點，通過找出影響生產能力各因素之間的關系，來確定影響裝配線不均衡的主要因素，明確后重新對生產線進行均衡；以改變工作節拍，調整人員配置，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的操作者組成，每個工作站上有一個或多個裝配工完成規定的一部分裝配任務。流水線傳動裝置是以一定速率轉移，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，生產線上員工根據產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部門所加工的零件進行組裝封箱，通過實地操作發現，該公司的裝配生產線存在著以下問題: ① 生產線平衡失調；② 作業不規范，工序等待時間長；③ 作業條件不穩定。

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

2 求解裝配線平衡問題的方法

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

啟發式算法原理是試圖在合理時間內通過一次計算提供一個或者全部目標的答案。算法通常能發現較理想的解，但不一定能得到問題的最優解；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，啟發式算法有可能會得出很差的結果或計算效率極低，然而造成那些特殊情況的數據組合，也許永遠不會在現實世界出現。因此，現實中啟發式算法常用來解決問題。由于現實中的求解問題往往是復雜問題，而啟發式算法恰恰在處理這些問題的時候可以在合理時間內得到滿意的答案。所以，啟發算法得到了廣泛的應用，主要分為2類: ① 通用啟發式策略稱為元啟發式算法；② 超啟發式算法的算法類型。隨著啟發式算法研究的深入，例如遺傳算法[2]、DNA算法[3]等啟發式方法在生產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雜、用于計算的附加成本高等缺點。

本文根據生產線平衡問題的特點，結合啟發式算法原理，給出基于啟發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基礎數據

該公司某系列主控板裝配線在沒有進行平衡前的標準產能是7.5萬臺/a，最大日產300臺，流水線按單線雙班生產布置，班產150臺，每班工作8h，生產節拍是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，主控板的組成結構還是一樣的。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如表1所示，生產工序及作業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裝配線平衡優化

根據現場作業工序數設定為10步，作業時間的寬放系數為1.5，CT調整規則為增加或減少0.1s。由表1可知，t>CT的作業為工序4、5、6和9，用啟發式算法原理，平衡計算流程并對原有工序進行優化處理，通過算法流程的運作，形成的具體優化措施如下:

(1) 減少作業內容，將現行方案中的檢查基板、插線、貼紙、束線、螺絲固定狀態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。

(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，減少重復操作。

通過以上具體的優化措施，經過具體實施后，再進行工序的工作研究，測得的相應數據達到了算法流程的要求，具體數據如表2所示。

表2 優化后的工序操作表Tab.2 Optimized operation sequence

3.3平衡率計算

(1) 計算班產能(每班8h)

N=裝配工作時間/節拍

沒有標準化之前的節拍是192s/臺，N=150臺。

標準化之后的節拍是180s/臺，N=160臺。

(2) 計算裝配線的平衡率

生產線平衡率=總的工序時間/人或機器數×CT×100%

式中，CT為節拍；Ti為各工序號為i的工序的作業時間；P為生產線平衡率。

裝配線平衡優化之前，

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優化實施后結果對比

經過啟發式算法原理的裝配線平衡優化后，生產產能得到提升，生產節拍降低，平衡率得到提升，相對應的失衡率下降了，從而很好地提高生產效率。

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

表3 優化對比表Tab.3 Optimization comparison

4 結 語

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

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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研究青年基金項目資助(10YJC630274)；上海市教育委員會科研創新項目資助(13YS124)；上海電機學院重點學科資助(13XKJC02)；上海電機學院科研項目資助(13C422)

唐海波(1976- )，男，副教授，博士，主要研究方向為工業工程、生產調度、智能算法優化， E-mail: chthb@163.com

2095 - 0020(2014)05 -0306 - 05

F 406.2

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