混线生产系统典型干扰情境下基于仿真优化的批调度方法

In hybrid line-seru production system, market-, production equipment-, and shop-floor worker-related disruptions interrupt the normal system operations, degrading schedule performance as well as causing system deviations. To address the practical need of effectively handling disruptions, in this project we use simulation-based optimization approach to study batch schedule planning from the perspective of disruption management. First, system deviation measuring methods are proposed for disruptions. Then based on production factors such as hybrid seru-line structure, worker’s learning effect and batch setup times, batch scheduling models are built up. And market-related dynamic batch arrival, equipment-related random breakdown, and worker-related random batch processing duration are considered respectively. By analyzing model properties, we design simulation-based multi-objective evolutionary algorithm, with surrogate model for fitness estimation to reduce computational burden and distribution estimation model to balance between exploration and exploitation. Finally policy implications for line-seru production management are proposed through numerical and application verifications. In this project, we extend researches on disruption management into hybrid line-seru system. From the theoretical aspect we establish production management methods for batch scheduling under typical disruption scenarios, whereas from the practical aspect we provide theory, method and technology support for enterprises adopting line-seru production system.

流水-单元混线生产系统中市场需求、生产设备或装配工人相关的典型干扰事件中断了系统的正常运营，恶化调度性能的同时造成系统扰动。面对干扰事件有效应对的现实需求，本项目采用仿真优化从干扰管理的视角研究产品批次调度计划的制定。首先针对干扰事件的影响，提出系统扰动的度量方法。基于单元和流水工序结构、装配工人学习效应和批次安装时间等生产因素，构建考虑市场需求相关动态批次到达、生产设备相关随机故障、装配工人相关随机批次处理时间的批调度模型。通过模型性质分析，设计基于仿真优化的多目标进化算法，建立适应度值的代理模型从而降低运算代价，建立分布估计模型从而权衡广度搜索和深度搜索。最后通过数值实验和应用检验为混线系统生产管理提供政策启示。本项目将干扰管理研究延伸至流水-单元系统，不仅在理论上提出典型干扰情景下批调度的生产管理方法，也为实施混线生产方式的企业应对典型干扰事件提供理论、方法和技术支持。

作为制造业的一个新兴领域，Seru生产系统被认为比丰田生产系统更灵活，代表了最近引入运营的下一代精益生产。Seru生产系统的演化过程为：流水线的部分工序转化为单元(seru)，形成混线生产系统。进而经过全能工培训，全部工序都转化为单元，形成多人构成的巡回式单元(rotating seru)或者单人构成的货摊式单元(yatai)。面对有效应对干扰事件的现实需求，按照项目申请书中拟定的研究方案，项目组完成了如下工作：(1) 研究了设备随机故障或批次动态到达的流水-单元混线生产系统的调度方法，从企业管理者、装配工人和客户的不同角度进行扰动度量，采用仿真优化方法计算调度方案的鲁棒性目标和稳定性目标，建立基于支持向量机回归的代理模型来引导进化算法搜索；(2) 研究了巡回式单元的多策略动态调度优化算法，提出四种优化策略(启发式规则初始化策略、图规划初始化策略、启发式局部搜索策略、和动态预测调度策略)来提高进化算法的搜索能力；(3) 货摊式单元的加工主体为单个工人，因此可以建模为单台机器。考虑生产过程中工人累计工作时间导致的疲劳、任务的成组调度或交货期指派等因素，研究了单人货摊式单元的产品批次调度方法；(4) 混线生产系统具有Flowshop模型的特征，而巡回式单元的子模型为Flowshop模型，因此深入研究了具有学习效应、生产运输协同或交货期窗口等特征的基础Flowshop模型；(5) 受干扰事件的影响，采纳Seru生产系统的供应商的产能出现不确定性。市场需求的不确定也是长期困扰企业运营决策的难点之一。研究供应商产能或市场需求不确定场景下的供应链管理，成为项目组基本完成预设研究目标之后研究工作的自然延伸。本项目将干扰管理研究延伸至Seru生产系统，不仅在理论上提出典型干扰情景下批调度的生产管理方法，也为实施Seru生产系统的企业应对典型干扰事件提供理论、方法和技术支持。