专业文献综述 题 目: 生产线平衡的仿真优化和方法研究 姓 名: 欧阳小奇 学 院: 工学院 专 业: 工业工程 班 级: 工业工程54 学 号: ******* 指导教师: 马开平 职称: 讲师 2008年12月10日 南京农业大学教务处制 专业文献综述 1 生产线平衡的仿真优化和方法研究 指导教师：马开平 作者：欧阳小奇 摘要：阐述了生产线平衡的相关内容及研究现状，讨论了生产线平衡问题的解决方法，主要包括工业工程方法、数学分析方法、启发式方法和仿真优化技术。介绍了基础工业工程工作研究技术、5W1H提问技术和ECRS原则，遗传算法、蚁群算法、模拟退火等启发式算法和Flexsim、Witness和eM-plant仿真软件在生产线平衡问题的应用。
关键词：生产线平衡；工业工程；工作研究；仿真优化；启发式算法 Simulated Optimization and Methods Study for Production Line balance Ouyang xiaoqi Abstract: The production line balancing problem and its studies are generally introduced. This thesis introduces the applications of production line balance methods comprise Basic Work Research technology in Industrial Engineering, 5W1H technology, ECRS principle, and meta-heuristic approaches such as Genetic Algorithms, Simulated Annealing, Ant Algorithms. Using simulation software Flexsim, Witness, eM-plant to model and simulate the product flow, in order to balance streamline.
Key words: Production Line Balance; Industrial Engineering; Work Research; Simulation Optimization; Heuristic Approach
1 引言 随着经济的全球化，制造业面临新的挑战。制造模式和制造技术的变革深刻地影响着制造系统的规划、设计和运作管理。一方面，制造企业必须根据市场需求以及企业现有和潜在生产能力，选择、确定合适的制造方式，应用先进制造技术提高企业的核心竞争力；另一方面，又要求企业加强生产与运作管理，是企业的人员、资源、信息、设备和能源得到合理优化配置，减少浪费，节约成本，运用工业工程的管理手段提高企业持续改善和应对变化的能力[1]。
现国内外正经历着新的产业革命—精益生产, 重新定义企业价值, 消除一切不必要的浪费。在实际加工生产中, 浪费主要表现在：不必要的工序； 原料或半成品或成品盲目地搬运； 因上道工序的不及时,下一道工序只能等待等。这些会造成无谓的工时损失, 生产线平衡即是衡量产线工序水平的重要指标之一, 也能反映出企业综合管理水平的高低[2]。生产线平衡问题直接关系到设施利用率和生产效率，且影响到产品的质量，此外，生
产线平衡给员工带来的公平感，有助于员工间的合作，因此也是企业关注的热点[3]。 专业文献综述 2 2 课题研究目的和意义 生产线平衡，就是对作业的内容和方法进行详细的分析和研究，综合应用工业工程(Industrial Engineering)的改善手法、启发式算法以及计算机仿真技术，寻找瓶颈，降低工序作业时间，提高工序作业效率，并调整各工序优先顺序，使工序间的作业时间差距最小，以提高生产线的效率，解决企业资源优化配置。对于流水生产线而言，节拍时间是衡量生产线的生产能力，各个生产工位的作业时间不可能完全一样才造成各个工位的生产节拍不同, 即产生作业负荷不均衡的结果。实现均衡生产, 有利于保证设备, 人力的负荷平衡, 从而能提高设备和工时的利用率, 同时还有利于建立正常的生产秩序和管理秩序, 以保证产品质量和安全生产； 均衡地进行生产还有利于节约物资消耗, 减少在制品, 加速流动资金的周转, 从而降低生产成本；通过平衡生产线，可以综合运用程序分析、操作分析、动作分析、设备布局分析、时间分析等全部工业工程相关方法，以及精确算法，启发式方法，智能算法，仿真优化等方法，提高员工的综合素质。
生产线平衡包括选择分配到各个工作站的恰当工作任务组合，这样工作可以以一个合理的次序进行，而且每个工作站执行工作的时间也相当。这样做的目的就是要使完成既定产出所需的劳动输入和工厂投资最小化[4]。这个目标可以通过以下两个方法实现：
1) 将达到给定工作周期（既预期的生产能力）所需的工作站（工人人员）的数量最小化。
2) 将工作站完成预期工作所需的周期时间最小化（最大化产出率）。
3 国内外研究现状 流水线生产一般可分为两种：加工生产线、装配线。加工生产线是一系列机器上制造与加工零件，例如汽车轮胎或冰箱的金属部件。装配线则是在一系列工作台上将制造出的零件组合在一起，包括部件装配线与产品总装线。生产线平衡是这种生产方式评价的重要指标，因此，研究人员对其进行了大量的研究工作。
生产线平衡问题（Line Balancing Problem,简称LBP）伴随着流水生产线的产生而产生，至今已有近百年的时间。但这一问题的正式提出是在1954年，美国人B.Bryton在他的硕士论文《连续生产线平衡》中第一次提出生产线平衡的问题并着手解决这一问题，在此之后，许多科研人员都研究了这个方面的问题，并发表了各种各样的求解方法[1]。
生产线平衡问题是典型的NP-Hard组合优化难题，目前，针对生产线平衡问题，主要的解决方法可以分为四类：工业工程方法、数学分析法、启发式方法和仿真优化方法。
3.1 工业工程方法 工业工程（Industrial Engineering,简称IE）思想最早是由科学管理之父泰勒在20世纪初提出的，它是对人员、物料、设备、能源和信息组成的集成系统进行设计、改善和实施的工程技术，它综合运用数学、物理学和社会科学的专门知识和技术，结合工程分析和设计的原理与方法，对该系统所取得的成果进行确定、预测和评价[5]。
以工业工程为主的生产线平衡方法分为方法研究和作业研究两类，该方法的优点是使企业在不增加投资或减少投入的情况下，对生产过程的作业程序、作业方法、物料配置、空间布局及作业环境等方面的改善，达到平衡生产线并提高生产效率、提高经济效益的目的。 专业文献综述 3 3.1.1 工作研究[5] 工作研究包括方法研究与作业测定两大技术。方法研究在于寻求经济有效的工作方法；作业测定是确定各项作业科学合理的工时定额。方法研究着眼于对现有工作方法的改进，其实施效果要运用作业测定来衡量，而作业测定是努力减少生产中的无效时间，为作业制定标准时间。
1.方法研究：通过使用各种图表如流程程序图、路线图、人机作业图、双手动作图等，从流程、工序和动作三个层次分析现有的生产过程及方法，利用提问技术（5W2H），澄清各项作业的目的和方法，应用取消、合并、重排和简化的ECRS四大原则，完善工作方法。它主要包括程序分析、作业分析和动作分析。
1）程序分析：依照工作流程，从第一个工作地到最后一个工作地，全面地分析有无多余、重复、不合理的作业，程序是否合理，搬运是否过多，延迟等待是否太长等问题，通过对整个工作过程的逐步分析，改进现行的作业方法及空间布置，提高生产效率。
2）作业分析：通过对以人为主的工序的详细研究，使作业者、作业对象、作业工具三者科学合理地布置和安排，达到工序结构合理，减轻劳动强度、减少作业工时消耗、缩短整个作业的时间，以提高产品的质量和产量为目的而作的分析。
3）动作分析：按操作者实施的动作顺序观察动作，用特定的记号以手、眼为中心的人体各部位的动作内容，并记录图表化，以此为基础，判断动作的好坏，找出改善点的一套分析方法。
程序分析、作业分析和动作分析分别从宏观到微观、从粗略到具体的步骤介绍生产线平衡的实施要点和实务。
2.作业测定：是运用各种技术来确定合格工人按照规定的作业标准，完成某项工作所需时间的过程。通过制定和贯彻作业标准时间，促使生产者有效地利用工作时间，减少无效时间，最大限度地提高劳动生产率。作业测定的主要方法有：
1）时间研究（秒表时间研究）：采用抽样技术，以生产过程中的工序为研究对象，在一段时间内，按照预定的观测次数利用秒表连续不断地观测操作者的作业，然后一次为依据计算该作业的标准时间。
2）工作抽样：对作业者和机器设备的工作状态进行瞬时观测，调查各种作业活动事项的发生次数及发生率，进行工时研究，并用统计方法推断各观测项目的时间构成及变化情况。
3）预定时间标准法（Predetermind Time System,简称PTS）：利用预先为各种动作制定的时间标准来确定进行各项操作所需的时间。其中模特排时（MOD）法，是在PTS技术的基础上，使动作和时间融为一体的，而精度又不低于传统PTS技术的更为简单、易掌握的PTS技术。
4）标准资料法：是将直接由秒表时间研究、工作抽样、预定时间标准法所得的测定值，根据不同的作业内容，分析整理为某作业的时间标准，以便将该数据应用于同类工作的作业条件上，使其获得标准时间的方法。
工作研究的技术实际运用组合方式为： 1）作业分析、动作分析与秒表时间研究结合，得出现有工作流程动作时间观测表。