多产品多阶段制造系统的生产计划研究

发布时间：2017-12-08 02:27

  本文关键词：多产品多阶段制造系统的生产计划研究

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【摘要】：激烈的全球化竞争和快速变化的市场需求,促使工业制造朝着多品种、小批量、短周期的方向演进,制造企业也越来越重视客户满意度和生产经济性。为了适应这些新的变化,大部分制造企业逐步建立具有复杂柔性拓扑结构的多产品多阶段制造系统。针对此类制造系统的生产计划进行优化将有效改善生产和交付的灵活性和效率,是应对日益复杂的客户个性化需求和多元化生产方式等挑战的有效方法,对有效配置生产资源、按时高质量地完成客户订单、实现企业战略战术目标等具有十分重要的作用。本文在综述了制造企业生产计划问题的国内外研究现状的基础上,针对新形势下制造企业在生产运营过程中面临的问题和挑战,从优化生产经济性和提高客户满意度的角度,通过数学规划的方法对多产品多阶段制造系统的生产计划建模与优化进行了深入的分析和探讨,并通过案例研究验证了所提策略的可行性和有效性,为制造企业优化生产以及提升对市场响应的效率提供了重要指导。本文的主要研究工作和创新点如下：1)针对多品种小批量生产的特性和实际生产运营条件,提出了一种多产品多阶段制造系统的生产计划优化模型,充分考虑了原材料供应、各个生产阶段和产品交付的提前期,通过集合的方式定义了各种产品的生产路径,建立了各个环节之间的交互约束关系,并构建了原材料到产品之间的超结构。该优化模型以最小化计划周期内的总成本为目标,充分考虑了生产加工、生产准备、原材料供应、库存占用和拖期交货等因素,以及现有条件下的库存能力、生产能力、生产逻辑、原材料供应批量和生产批量等约束。此外,针对模型的动态特性设计了一种基于滚动时域的优化策略。案例研究表明,该生产计划模型能够有效减少库存占用和拖期交货现象；同时,基于滚动时域的优化策略保证了求解的高效性和准确性。2)针对缺货情境下多产品多阶段制造系统生产计划问题,深入分析了缺货情境下的三种客户响应方式,即拖期交货、失销、以及同时允许拖期交货和失销。对这三种情况下的问题分别建立了混合整数非线性规划(MINLP)优化模型,提出有效应对缺货和客户要求的生产计划方案。优化模型在考虑了物料流和信息流平衡、生产能力、库存能力、生产批量、原材料供应批量等约束条件的基础上,考虑了多周期拖期交货、失销等因素；同时,针对第三种情况构建了描述拖期交货和失销时间临界点的分段函数。提出了线性化重构策略,通过变量替换和约束重构,将原MINLP问题转化为对应的混合整数线性规划(MILP)问题求解。最后,对比分析了缺货情境下不同客户响应方式对生产计划优化的影响,为企业在缺货情境下权衡生产与交付提供了重要指导。3)针对产品定制化和制造柔性化的需求,以钢铁轧制多产品多阶段的生产过程为对象,深入分析了原材料钢坯和产品钢板的可替代性对生产和交付的影响,考虑了钢板之间的三种可行替代方案,在钢坯和钢板之间构建了允许物料替代的多路径匹配关系,并基于此对生产计划方案进行优化设计,建立了多周期优化的MINLP模型。此外,提出了一种线性化策略和一种基于模型分解的迭代策略,对模型进行求解,降低了问题的求解难度。案例研究对比分析了模型通过不同求解策略的计算效率和结果,验证了所提两种求解策略的有效性。优化后的生产计划方案通过物料替代策略提高了生产和交付的柔性。4)针对生产计划方案受多重不确定性因素影响的问题,以多产品多阶段制造系统为对象,充分考虑了产品需求和原材料供应带来的系统外部不确定性因素,以及生产效率、拖期交货和偏离安全库存惩罚系数引起的系统内部不确定性因素,基于机会约束规划建立了一种生产计划优化模型,在原有约束条件基础上附加考虑了物料族和带有惩罚项的安全库存约束。引入置信度水平,采用直接和间接积分法,将不确定条件下的机会约束规划模型转化为确定性模型。通过与传统的均值法和裕量法对比,所提方法可以通过设定合理的置信度水平在收益和风险之间作出最佳权衡,在不确定环境下获得满意的生产计划优化方案。5)针对模糊环境下多产品多阶段制造系统的生产计划问题,从生产运营实际出发,考虑了决策者对多个优化目标的偏好,提出了一种模糊多目标优化设计策略,构建了以运营成本最小化以及平均安全库存水平和平均服务水平最大化的目标函数,充分考虑了制造系统内部和外部存在的多重不确定性因素,建立了模糊多目标优化模型。根据决策者的主观偏好构建了目标函数优先级,通过加权平均法和模糊排序法对约束条件进行等价转换,采用基于两阶段模糊模型的分步法处理该多目标优化问题,并提出了一种交互式求解策略。根据决策者对目标重要性差异程度要求,通过交互式求解过程可以确定满意的生产计划优化方案。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：F425;O221;F273
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本文编号：1264720