基于改進粒子群算法的裝配線優化方法研究

蔣菡　張蘭英

【摘 要】針對單一確定型裝配線平衡問題，建立裝配線平衡模型，該模型以最小節拍和最小均衡指數為目標函數，并運用改進的粒子群算法對模型進行求解，采用基于優先權重的編碼方式對粒子位置進行編碼，確保粒子在解碼后總是可行的作業序列。最后，通過實例證明該方法使裝配均衡性更高，同時驗證其有效性和可行性。

【關鍵詞】裝配線優化；粒子群算法；均衡

中圖分類號：TH185，TP205 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）36-0121-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.36.051

Research on assembly line optimization method based on Improved Particle Swarm Optimization

JIANG Han ZHANG Lan-ying

（School of Mechanical & Electrical Engineering，Xian Polytechnic University，Xian Shaanxi 710048， China）

【Abstract】Establish an assembly line balance model for a single-determined assembly line balancing problem. The model takes the minimum beat and minimum equilibrium index as the objective function， and uses the improved particle swarm optimization algorithm to solve the model. The particle position is encoded using a priority-based coding scheme to ensure that the particle is always a feasible sequence of operations after decoding. Finally， it is proved by examples that the method makes the assembly more balanced and verifies its effectiveness and feasibility.

【Key words】Assembly Line Optimization； Particle Swarm Optimization； Equilibrium

0 引言

據統計，我國企業裝配線的平衡率普遍不是很高。所以，裝配線平衡也是制造企業一直關注的熱點問題，它直接關系到設施利用率和生產效率[1-2]。近些年，人們對裝配線平衡問題進行了大量的研究，文獻[3]對遺傳算法進行改進，解決了ALBP；文獻[4]以完工率作為約束條件，以各工位空閑時間最少和未完工率最小為優化目標，使用蟻群算法進行求解。粒子群算法精度高收斂快，在解決實際問題中展現了它的優越性。本文針對已給定工作站數的裝配線平衡問題，首先建立裝配線平衡模型，為使裝配線負荷均衡，除最小節拍外使用最小裝配線均衡指數作為優化目標，并運用改進的粒子群算法對模型進行求解。最后，結合實例對模型和方法的有效性進行檢驗和分析。

1 問題描述與建模

裝配線平衡問題是在滿足約束條件的前提下，將一系列的作業任務分配到一定數量的工作站，以使各工作站工時盡可能相等或各相關指數最優[5]。本文以單一確定型裝配線平衡問題為研究對象，以最小節拍和最小裝配線均衡指數為目標進行優化研究。其數學模型一般為：已知工作站數k，確定作業元素集E={1，2，…，n}的一個劃分E=∪=1Sj，使一定的目標得到優化，同時滿足一定的約束條件，如下：

2 算法設計

粒子群算法是從鳥類和魚群的覓食行為中抽象出來的一種群體智能算法。粒子群算法的步驟如下：

步驟1：隨機初始化種群中各粒子的位置和速度，對粒子編碼。

步驟2：解碼并計算每個粒子的適應值。

步驟3：對每個粒子將其適應值和其經歷過的最：好位置的適應值進行比較，若較好，則將其作為當前的最好位置。對每個粒子將其適應值和全局經歷過的最好位置的適應值進行比較，若較好，則將其作為當前的全局最好位置。

步驟4：分別對粒子的速度和位置進行更新。

步驟5：如果滿足終止條件，則輸出解，否則返回步驟2。

粒子位置的編碼和解碼：一個粒子是由N個0-1的隨機數依次排列組成。粒子各維生成方式采用優先權重的方式編碼。解碼規則是將粒子位置中的各作業元素分配到若干工作站內，輸出一個工作站劃分集合，得到分配方案，本文采用通過不斷迭代，使得n個作業幾乎均勻地分配給m個工作站，完成解碼。

3 應用算例

下面以某玩具裝配為例進行實例求解，該玩具由16個工序構成，車間有6個裝配工作站，目標是尋求最小節拍，最小工作站負荷的分配方案。其作業時間和作業順序如圖1所示。

在MATLAB中編程求解，算法的參數設定為：初始粒子數mp=20，迭代次數N=100，慣性權重ω=0.8，自身學習因子c1=2，社會學習因子c2=2；按工作站數目m=6，優化后的分配方案為：{1，2，3}{4，5，6}{10，7，11}{8，12，14}{9，13}{15，16}，節拍CT=60s，工作站均衡指數為13.93

根據以上結果，優化前節拍為62s，均衡指數為16.34。在裝配過程中，裝配線波動嚴重，導致平衡方案有效性降低。優化后，節拍減小2s，工作站負荷減少17%，各工作站均衡程度明顯提升，使裝配過程更加平穩。

4 結束語

本文的方法針對傳統裝配線裝配過程中的不足，以節拍最小和均衡指數最小為目標構建多目標優化模型，通過改進的粒子群算法求解得到了裝配作業的最優劃分方案。該方法從系統角度出發，比傳統方法減少了節拍，均衡了各工作站負荷，從而使裝配系統更加均衡，實現裝配系統的平衡。

【參考文獻】

[1]SAIF U，GUSN Z，LIU W，et al.Pareto based artificial bee colony algorithm for multi objective single model assembly line balancing with uncertain task times [J].Computers&industrial Engineering，2014，76（c）：1.

[2]NILS Boysen，MALTE Fliedner，ARMIN Scholl. Assembly line balancing： Which model to use when[J].Int.J.Production Economics， 2008（111）：509-528.

[3]范維博，周俊，許正良.應用遺傳算法求解第一類裝配線平衡問題[J].計算機技術與發展，2010（2）：194-201.

[4]鄧福平.基于蟻群算法的裝配線平衡問題研究[D].武漢：華中科技大學，2011.

[5]岳磊.基于精益生產的裝配線平衡分析與改善應用研究[D].重慶：重慶交通大學，2013.