生产车间设施布局优化方法研究

发布时间：2020-03-20 22:57

【摘要】： 生产制造企业的设施布局是设施规划领域的一个重要问题。它研究如何按照一定的原则,在预先给定的生产车间内,将生产系统所使用的机器、仓库等的位置以及与之相关的物料流和人员流进行合理地组织与布置,以达到最优的设计目标(如物流成本最低、设备利用率最高等)。一个设计良好的设施布局能加快物料处理效率,减少在制品的停留时间,显著提高企业的生产效率。在理论上,本问题属组合优化问题,NP-hard问题,本文讨论的车间设施布局问题与一般的布局优化问题(如Packing问题和Cutting问题)相比,在问题描述、数学建模、数值求解等方面更困难,在工程应用上,本文研究的生产制造系统的设施布局问题是实际生产中存在的尚未很好解决的难题,具有重要的工程实用价值。本文在国家自然科学基金项目的资助下,以生产车间设施布局为研究对象,研究该类布局问题的有效求解方法。车间设施布局可分为块状布局和详细布局,前者不考虑设备的尺寸形状,只确定其在车间内的相对位置,而后者考虑设备的尺寸形状等信息,并确定其在车间内的坐标和方位。与块状布局相比,详细布局的优化目标与约束条件更多,求解也更加复杂。本文重点讨论后者。论文的主要工作如下： (1)针对一类块状布局问题——环形布局问、题的求解,提出一种称之为设施相对位置编码的方法,并基于差异演化(DE)算法,构成相对位置编码的DE算法,用于环形布局问题的求解。编码方式是决定用进化算法求解问题效率和质量的关键,该编码方式利用环形布局序列问题的解具有设施的位置排序的特点,省去实数编码算法求解该类问题时需要进行实数到整数序列的映射过程,解决了用实数编码算法求解时编码空间远大于环形布置解空间的缺点,并且减少无效编码。 (2)提出一种基于图论的求解设施之间避障曼氏最短路经的连接图生成方法,用于求解详细布局问题的设施间的最短曼氏距离。设施间的物流量是设施布局优化的一个最主要的目标,而物流量的大小又与选择的设施之间的路径长度直接相关,因而设施间的路径会直接影响布局优化算法求解的质量,对于详细布局问题尤其重要。本文连接图生成方法利用了曼氏距离不同于欧氏距离的特点,可较快计算设施间的最短路径及其距禺。 (3)建立了更加贴近于实际的设施详细布局数学模型并且给出一种基于满意度的差异演化算法求解该详细布局问题。建模方面,与以往详细布局文献中仅考虑设施的外形尺寸不同,该数学模型还额外考虑了设施的装卸点、设施间的连通性、设施间的最短路径、设施布置的整齐美观性等要求。求解方面,针对设施详细布局问题的多约束、多目标且具有NP难度的特点,以及求解最优解难以实现的问题,本文提出用满意解代替最优解,将满意优化原理与差异演化算法相结合,用综合满意度函数作为差异演化算法的目标函数,并且在运行过程中综合考虑满意求解,从而完成详细布局问题的求解。 (4)给出开发设施详细布局优化与仿真的系统原型及其关键技术,包括：①从设施的CAD几何图形数据库中检索给定设施的检索方法,本文给出一种基于三维几何模型局部缩放的三维CAD模型检索方法；②基于Pro/E的实体简化技术,用于设备几何外形数据提取；③干涉量计算模块,用于详细布局算法求解过程中设备间干涉量的计算；④基于Pro/E二次开发的布局仿真,用于将求解获得的设施布局结果在Pro/E环境中进行三维仿真,便于设施规划人员进行综合评判。本文给出车间设施的环形布局和详细布局的数学模型和相应的求解方法,并且给出开发一类设施详细布局优化与仿真的关键技术及其系统原型实现,可为设施规划人员提供设计参考。本文方法可望推广应用于其他类型的设施规划应用领域,如机场、医院、办公室等的设施布局问题。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TH18

【引证文献】