CN102930073A - 一种高压开关产品装配过程优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压开关产品装配过程优化方法，属于信息技术和先进制造技术领域。本发明针对目前高压开关产品装配过程中存在的调度问题，基于时间约束建立了一种0-1混合整数规划模型，并采用启发式算法对模型进行求解得到了优化可行解，得到了优化的调度方案，通过改变高压开关产品装配厂房的布局，产品装配过程中各零部件运输方式，以及各装配区域的起始装配时间，从而在保证生产任务要求的前提下，最大程度减少生产成本。

Description

一种高压开关产品装配过程优化方法

技术领域

本发明涉及一种高压开关产品装配过程优化方法，属于信息技术和先进制造技术领域。

背景技术

物流成本在制造企业总成本中占有较大比重，尤其对于汽车、高压开关等行业，减少物流成本已成为企业的重要利润来源。合理优化产品装配过程对降低物流成本、增加企业利润具有至关重要作用，也成为各大型制造企业关注的焦点。为了提高企业的市场竞争力，很多国际大型制造型企业已经开始致力于有关生产装配过程优化的研究。

采用建立数学模型以及利用计算机编程求解的方法来解决生产装配过程优化问题是一种重要的研究方向。人们在这方面进行了一些的研究，目前已申请的有关生产调度方法，如200810228928号专利《一种炼钢连铸生产在线多模式时间优化调度方法》提出一种以炼钢行业生产规则和订单合同交货期为约束条件的基于在线多模式动态调度方法，该方法在不借助数学规划的情况下充分利用了生产规则，具有一定的调度实用性。201110072350.5号专利《基于时间约束的机械加工生产过程优化调度方法》提出一种适用于机械加工生产过程的优化调度方法，该方法建立了机械加工生产过程系统模型并对该模型进行求解，得到了一般的机械加工生产过程的优化方案，减少了机械加工生产过程中的生产成本。但以上研究成果中，并未发现有关减少装配过程中生产成本总和的问题。据规定的技术要求，将零件或部件进行配合和连接，使之成为半成品或成品的过程，称为装配，机械装配是机械制造中最后决定机械产品质量的重要工艺过程。即使是全部合格的零件，如果装配不当，往往也不能形成质量合格的产品。简单的产品可由零件直接装配而成，复杂的产品则须先将若干零件装配成部件，称为部件装配；然后将若干部件和另外一些零件装配成完整的产品，称为总装配。产品装配完成后需要进行各种检验和试验，以保证其装配质量和使用性能；有些重要的部件装配完成后还要进行测试。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压开关产品装配过程的优化方法，以解决目前高压开关产品装配过程中存在的调度问题所导致的装配效率低，成本高的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种高压开关产品装配过程的优化方法，该优化方法的步骤如下：

1）.将高压开关产品装配过程设定在一个矩形车间内完成，根据实际高压产品装配过程确定各个装配区域和存放区域的的大小以及装配过程的工艺参数，并限定加工完成所述批次的总加工时间；

2）.根据步骤1）中给出的限定条件建立高压开关产品装配过程优化的数学模型；

3）.采用启发式算法求解出所建立的高压开关产品装配过程优化数学模型，得到高压开关产品装配过程中所有区域的位置，

4）.根据所建立的高压开关产品装配过程优化数学模型的求解结果，采用仿真软件模拟所述批次高压开关产品的装配过程；

5）.根据仿真软件模拟结果制定高压开关产品装配厂房优化布局图、运输方式安排表和装配区域作业图，完成高压开关产品装配过程中的优化。

所述步骤1）中的装配工艺参数包括装配过程工作区域的形状、存放的零部件类型、装配区域之间零部件运送方式、运送速度和运送成本。

所述的步骤2）中建立的装配过程优化数学模型为：

目标函数：

$\mathrm{Min}\underset{h\∈M_k}{\mathrm{\Σ}}\underset{k\∈P}{\mathrm{\Σ}}\left(\right|y_{{\mathrm{Det}}_k}+\frac{{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{Det}}_k}}{2}-(y_{{\mathrm{Org}}_k}+\frac{{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{Org}}_k}}{2})|+|x_{{\mathrm{Det}}_k}+\frac{{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{Det}}_k}}{2}-(x_{{\mathrm{Org}}_k}+\frac{{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{Org}}_k}}{2})\left|\right)\×{\mathrm{CSM}}_h\×{\mathrm{TIMES}}_{\mathrm{hk}}---\left(1\right);$

约束条件为：

θ_ij+σ_ij≥1,    i,j∈S    i<j    （2）；

x_i≤x_jθ_ij(α_i+Dh_ij)+Hor(1-X_ij),  i,j∈S  i<j    （3）；

x_j≤x_iθ_ij(α_j+Dh_ij)+HorX_ij,  i,j∈S  i<j    （4）；

y_i≤y_j-σ_ij(β_i+De_ij)+Ere(1-Y_ij),  i,j∈S  i<j    （5）；

y_j≤y_i–σ_ij(β_j+De_ij)+EreY_ij,  i,j ∈S  i<j    （6）；

θ_ij∈{0,1},i,j ∈S,i<j    （7）；

σ_ij∈{0,1},i,j ∈S,i<j    （8）；

X_ij∈{0,1},i,j ∈S,i<j    （9；

Y_ij∈{0,1},i,j ∈S,i<j    （10）；

α_iβ_i≥Sq_i,i∈S    （11）；

$\underset{h\&Element;M_k}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{MP}}_{\mathrm{hk}}=N_k,k\&Element;P---\left(12\right);$

MP_hk≥1,h∈M_k,k∈P    （13）；

${\mathrm{TIMES}}_{\mathrm{hk}}=\frac{{\mathrm{MP}}_{\mathrm{hk}}}{{\mathrm{CSMP}}_{\mathrm{hk}}},$ h∈M_k,k∈P    （14）；

${\mathrm{CSMT}}_{\mathrm{hij}}=\frac{|y_j+\frac{{\mathrm{\&beta;}}_j}{2}-(y_i+\frac{{\mathrm{\&beta;}}_i}{2})|+|x_j+\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_j}{2}-(x_i+\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_i}{2})|}{V_h},$ i,j∈S-BW，h∈M_k    （15）；

Org_k∈S-BW,k∈P    （16）；

$\underset{k\&Element;P}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{TIMES}}_{\mathrm{hk}}\&times;{\mathrm{CSMT}}_{h,{\mathrm{Org}}_k,{\mathrm{Det}}_k}\&le;{\mathrm{TC}}_h,h\&Element;M_k---\left(17\right);$

其中各参数表示：

S：区域的集合，S={1,2,…,n}；

BW：非工作区域的集合，

M：运送方式的集合，M={1,2,…,m}；

P：零部件类型的集合，P={1,2,…,p}；

Sqi：区域i的最小面积，i ∈S；

Hor：车间布置面积的x轴向总长度；

Ere：车间布置面积的y轴向总长度；

WT_i：区域i的工作时间，i ∈S；

CSM_h：运送方式h运行单位距离的成本，h∈M；

V_h：运送方式h的运行速度，h∈M；

L_k：零部件k的数目，k∈P；

CSMP_hk：运送方式h单次能承载的零部件k的数目，h∈M，k∈P；

N_k：需要零部件k的数目，k∈P；

Num：一个批次需要完成的产品数目；

T：完成一个批次产品的规定时间；

Org_k：零部件k的出处，Org_k∈S，k∈P；

Det_k：零部件k送达的区域，Det_k∈S，k∈P；

Dh_ij：x轴向上区域i和区域j之间的最小距离，i，j∈S，i＜j；

De_ij：y轴向上区域i和区域j之间的最小距离，i，j∈S，i＜j；

M_k：可以运送零部件k的运送方式的集合，

U_j：运送到区域j的零部件种类集合,U_j={k|Det_k=j}，j∈S；

TC_h：运送方式h运送总时间，h∈M；

变量表示为：

x_i：区域i的x轴向左下角坐标，i∈S；

y_i：区域i的y轴向左下角坐标，i∈S；

α_i：区域i的x轴向的长度取值，i∈S；

β_i：区域i的y轴向的长度取值，i∈S；

i,j∈S，i<j；

i,j∈S，i<j；

i,j∈S，i<j；

i,j∈S，i<j；

MP_hk：运送方式h运送零部件k的数目，h∈M，k∈P；

TIME_hk：运送方式h运送零部件k的次数，h∈M，k∈P；

CSMT_hij：运送方式h从区域i到区域j所需的时间，i,j∈S，h∈M。

所述的步骤3）中采用启发式算法求解装配过程优化数学模型的步骤如下：

a.初始化，确定不可移动区域的位置；

b.求解如下模型：目标函数为：

$\mathrm{Min}\underset{i\&Element;S-\mathrm{BW}}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{j\&Element;S-\mathrm{BW}}{\mathrm{\&Sigma;}}{u}_{\mathrm{ij}}+v_{\mathrm{ij}}---\left(18\right);$

c.对于每一个区域j∈S-BW，求解

${\mathrm{Cost}}_j=\mathrm{Min}\underset{h\&Element;M}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{k\&Element;P}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{i\&Element;S-\mathrm{BW}}{\mathrm{\&Sigma;}}(u_{\mathrm{ij}}+v_{\mathrm{ij}})\&times;{\mathrm{CSM}}_h\&times;{\mathrm{TIMES}}_{\mathrm{hk}};$

d.得到

的值以及所有NCC_j，j∈S-BW的值；

e.若 $\underset{j\&Element;S-\mathrm{BW}}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{NCC}}_j\&le;T+\underset{i\&Element;S-\mathrm{BW}}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{WT}}_i+(\mathrm{Num}-1)\&times;\mathrm{WTIME},$ 转到步骤g，否则转到f；

f.对应

中的j，求解

对应

中的i，将CSMT_hij全部替换为

根据新的CSMT_hij的值，修改

和

的值，返回步骤e)；

g.得到目标函数值，即

的值就是得到的优化解对应的目标函数值。

所述步骤4）是采用Arean仿真软件动态模拟高压开关产品装配过程。

所述步骤5）中高压开关产品装配过程中的优化包括根据得到的高压开关装配厂房的优化布局图改进装配厂房的布局，将运输方式安排表和装配区域作业票发放给对应操作加工的工作人员，工作人员根据该运输方式安排表和装配区域作业票进行对应的零部件运输和产品装配操作。

本发明的有益效果是:本发明针对目前高压开关产品装配过程中存在的调度问题，基于时间约束建立了一种0-1混合整数规划模型，并采用启发式算法对模型进行求解得到了优化可行解，得到了优化的调度方案，通过改变高压开关产品装配厂房的布局，产品装配过程中各零部件运输方式，以及各装配区域的起始装配时间，从而在保证生产任务要求的前提下，最大程度减少生产成本。

附图说明

图1是本发明高压开关产品装配过程装配厂房的布局图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本发明的一种高压开关产品装配过程优化方法主要包括以下步骤：

工艺分析；

根据工艺分析，对问题进行描述；

根据对问题的描述，建立能反映实际问题的数学模型；

根据工艺分析的调研结果，获取求解数学模型所需的数据；

根据获得的数据，对已建立的数学模型进行求解；

根据求解结果，模拟装配过程；

制定高压开关产品装配过程优化改进方案。

其具体的过程如下：

步骤1）工艺分析：

根据规定的技术要求，将零件或部件进行配合和连接，使之成为半成品或成品的过程，称为装配，机械装配是机械制造中最后决定机械产品质量的重要工艺过程。即使是全部合格的零件，如果装配不当，往往也不能形成质量合格的产品，简单的产品可由零件直接装配而成。复杂的产品则须先将若干零件装配成部件，称为部件装配；然后将若干部件和另外一些零件装配成完整的产品，称为总装配，产品装配完成后需要进行各种检验和试验，以保证其装配质量和使用性能；有些重要的部件装配完成后还要进行测试。

常用的装配工艺有：清洗、平衡、刮削、螺纹联接、过盈配合联接、胶接、校正等，此外，还可应用其他装配工艺，如焊接、铆接、滚边、压圈和浇铸联接等，以满足各种不同产品结构的需要。

按照装配过程中装配对象是否移动，分为固定式装配和移动式装配两类。本发明涉及的高压开关产品的装配方式属于移动式装配。所谓移动了装配是指：把装配工作划分成许多工序，产品的基准件用传送装置支承，依次移动到一系列装配工位上，由各工序的装配工分别在各工位上完成，按照传送装置移动的节奏形式不同，有自由节奏装配和强制节奏装配。前者在各个装配工位上工作的时间不均衡，所以各工位生产节奏不一致，工位间应有一定数量的半成品贮存以资调节；后者的装配工序划分较细，各装配工位上的工作时间一致,能进行均衡生产。移动式装配生产率高,适用于大批量生产的机械产品。

步骤2）问题的描述：

在高压开关产品装配过程优化问题中，整个装配过程在一个矩形车间内完成，将该车间的平面图放在平面坐标中，如附图1所示为高压开关产品装配过程优化问题平面坐标简化图，令Hor表示车间布置面积的x轴向总长度，Ere表示车间布置面积的y轴向总长度。

每一步装配过程，均对应有一个专门的装配区域，如附图1所示。令S={1,2,…,n}表示对应于工作区域以及各工作区域之间的通道区域1的集合，其中，区域1是零部件存放的区域，区域n是高压开关产品成品存放的区域。为了能够满足各个装配工艺过程的实际需求，每个区域的平面图均为一个矩形，且其长和宽的值已确定，因此，可令α_i，i∈S表示区域i的x轴向的长度取值，β_i，i∈S表示区域i的y轴向的长度取值。令P={1,2,…,p}表示零部件类型的集合，每类零部件的数目用L_k，k∈P表示。在整个装配过程，根据装配工艺的需要，所有的零部件通过吊车，叉车，拖车等几种运送方式，在各个工作区域之间进行传递，令M={1,2,…,m}表示运送方式的集合。由于本问题的目标是在满足生产时间的要求下，通过改进高压开关产品装配车间的空间布置和合理选择各装配区域之间零部件的运送方式，最小化整个装配过程的物流成本，因此，需要定义每种运送方式的几个重要属性，令V_h，h∈M表示运送方式h的运行速度，CSM_h，h∈M表示运送方式h运行单位距离的成本。同时，为了描述运送方式在装配区域之间传递零部件的过程，需要定义以下几个参数，CSMP_hk，h∈M  k∈P表示运送方式h单次能承载的零部件k的数目，TIMES_hk，h∈M  k∈P表示运送方式h将零部件k的次数，一般地，在高压开关产品的装配任务是按照批次为计量单位的，某个批次有若干个产品的生产任务，要求在规定的时间内完成。因此，令Num表示一个批次需要完成的产品数目，T表示完成一个批次产品的规定时间。

步骤3）模型的建立

根据以上对问题的描述，可以建立如下的高压开关产品装配过程优化模型。

各个参数表示为：

S：区域的集合，S={1,2,…,n}；

BW：非工作区域的集合，

M：运送方式的集合，M={1,2,…,m}；

P：零部件类型的集合，P={1,2,…,p}；

Sqi：区域i的最小面积，i∈S；

Hor：车间布置面积的x轴向总长度；

Ere：车间布置面积的y轴向总长度；

WT_i：区域i的工作时间，i∈S；

CSM_h：运送方式h运行单位距离的成本，h∈M；

V_h：运送方式h的运行速度，h∈M；

L_k：零部件k的数目，k∈P；

CSMP_hk：运送方式h单次能承载的零部件k的数目，h∈M，k∈P；

N_k：需要零部件k的数目，k∈P；

Num：一个批次需要完成的产品数目；

T：完成一个批次产品的规定时间；

Org_k：零部件k的出处，Org_k∈S，k∈P；

Det_k：零部件k送达的区域，Det_k∈S，k∈P；

Dh_ij：x轴向上区域i和区域j之间的最小距离，i，j∈S，i＜j；

De_ij：y轴向上区域i和区域j之间的最小距离，i，j ∈S，i＜j；

M_k：可以运送零部件k的运送方式的集合，

U_j：运送到区域j的零部件种类集合,U_j={k|Det_k=j}，j∈S；

TC_h：运送方式h运送总时间，h∈M；

各个变量表示为：

x_i：区域i的x轴向左下角坐标，i∈S；

y_i：区域i的y轴向左下角坐标，i∈S；

α_i：区域i的x轴向的长度取值，i∈S；

β_i：区域i的y轴向的长度取值，i∈S；

i,j∈S  i<j；

i,j∈S  i<j；

i，j∈S，i<j；

i，j∈S，i<j；

MP_hk：运送方式h运送零部件k的数目，h∈M，k∈P；

TIME_hk：运送方式h运送零部件k的次数，h∈M，k∈P；

CSMT_ij：运送方式h从区域i到区域j所需的时间，i,j∈S  h∈M；

目标函数为：

$\mathrm{Min}\underset{h\&Element;M_k}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{k\&Element;P}{\mathrm{\&Sigma;}}\left(\right|y_{{\mathrm{Det}}_k}+\frac{{\mathrm{\&beta;}}_{{\mathrm{Det}}_k}}{2}-(y_{{\mathrm{Org}}_k}+\frac{{\mathrm{\&beta;}}_{{\mathrm{Org}}_k}}{2})|+|x_{{\mathrm{Det}}_k}+\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{{\mathrm{Det}}_k}}{2}-(x_{{\mathrm{Org}}_k}+\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{{\mathrm{Org}}_k}}{2})\left|\right)\&times;{\mathrm{CSM}}_h\&times;{\mathrm{TIMES}}_{\mathrm{hk}}---\left(1\right)$

约束条件为：

θ_ij+σ_ij≥1,  i,j∈S  i<j    （2）；

x_i≤x_j–θ_ij(α_i+Dh_ij)+Hor(1-X_ij),  i,j∈S  i<j    （3）；

x_j≤x_i–θ_ij(α_j+Dh_ij)+HorX_ij,  i,j∈S  i<j    （4）；

y_i≤y_j–σ_ij(β_i+De_ij)+Ere(1-Y_ij),  i,j∈S  i<j    （5）；

y_j≤y_i–σ_ij(β_j+De_ij)+EreY_ij,  i,j∈S  i<j    （6）；

θ_ij∈{0,1},i,j∈S,i<j    （7）；

σ_ij∈{0,1},i,j∈S,i<j    （8）；

X_ij∈{0,1},i,j∈S,i<j    （9）；

Y_ij∈{0,1},i,j∈S,i<j    （10）；

α_iβ_i≥Sq_i,i∈S    （11）；

$\underset{h\&Element;M_k}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{MP}}_{\mathrm{hk}}=N_k,$ k∈P    （12）；

MP_hk≥1,h∈M_k,k∈P    （13）；

${\mathrm{TIMES}}_{\mathrm{hk}}=\frac{{\mathrm{MP}}_{\mathrm{hk}}}{{\mathrm{CSMP}}_{\mathrm{hk}}},$ h∈M_k,k∈P    （14）；

${\mathrm{CSMT}}_{\mathrm{hij}}=\frac{|y_j+\frac{{\mathrm{\&beta;}}_j}{2}-(y_i+\frac{{\mathrm{\&beta;}}_i}{2})|+|x_j+\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_j}{2}-(x_i+\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_i}{2})|}{V_h},$ i,j∈S-BW，h∈M_k    （15）；

Org_k∈S-BW,k∈P    （16）；

$\underset{k\&Element;P}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{TIMES}}_{\mathrm{hk}}\&times;{\mathrm{CSMT}}_{h,{\mathrm{Org}}_k,{\mathrm{Det}}_k}\&le;{\mathrm{TC}}_h,$ h∈M_k    （17）。

约束条件(1)-(6)规定了在高压开关产品装配过程优化问题中，所有的工作区域和工作区域之间的通道区域都必须在装配车间内，约束条件(7)和(8)规定了所有工作区域之间的通道的宽度，约束条件(11)规定了每个工作区域所需要的最小面积，约束条件(12)规定了采用各种运送方式将指定的零部件k从区域i运送到区域j的数目之和等于实际装配过程中所需要的从区域i运送到区域j的零部件k的数目，约束条件(13)对各种运送方式将指定的零部件k从区域i运送到区域j的数目的取值范围作了规定，约束条件(14)和(15)分别对参数TIMES_hk和CSMTh_ij进行了定义，约束条件(16)是时间约束，即所有产品必须在规定的生产时间内完成，约束条件(17)规定了在整个装配过程中，每种运送工具的实际工作时间之和不能超过该运送工具的运送总时间要求。

步骤4）获取求解数学模型所需的数据：

根据不同产品的生产要求，我们需要得到一个批次的需要加工的产品数目，以及该批次要求完成的时间(天)，按照正常工作状况，每天工作两个班次，一个班次8个小时，为了计算精确，要求完成时间可折合成分钟。由此可以得到，WTIME和Num的值。同时需要搜集所有CSM_h，h∈M和WT_i，i∈S的值。

步骤5）求解结果：

采用启发式算法求解本文提出的数学模型，并得到优化解，求解问题的算法流程：

a.初始化，确定不可移动区域的位置；

b.求解如下模型：目标函数为：

θ_ij+σ_ij≥1,  i,j∈S  i<j    （2）

x_i≤x_j-θ_ij(α_i+Dh_ij)+Hor(1-X_ij),  i,j∈S  i<j    （3）

x_j≤x_i-θ_ij(α_j+Dh_ij)+HorX_ij,  i,j∈S  i<j    （4）

y_i≤y_j–σ_ij(β_i+De_ij)+Ere(1-Y_ij),  i,j∈S  i<j    （5）

y_j≤y_i–σ_ij(β_j+De_ij)+EreY_ij,  i,j∈S  i<j    （6）

θ_ij∈{0,1},i,j∈S,i<j    （7）

σ_ij∈{0,1},i,j∈S,i<j    （8）

X_ij∈{0,1},i,j∈S,i<j    （9

Y_ij∈{0,1},i,j∈S,i<j    （10）

得到所有区域的位置：

c.对于每一个区域j∈S-BW，求解

${\mathrm{Cost}}_j=\mathrm{Min}\underset{h\&Element;M}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{k\&Element;P}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{i\&Element;S-\mathrm{BW}}{\mathrm{\&Sigma;}}(u_{\mathrm{ij}}+v_{\mathrm{ij}})\&times;{\mathrm{CSM}}_h\&times;{\mathrm{TIMES}}_{\mathrm{hk}};$

d.得到的值以及所有NCC_j，j∈S-BW的值；

e.若 $\underset{j\&Element;S-\mathrm{BW}}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{NCC}}_j\&le;T+\underset{i\&Element;S-\mathrm{BW}}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{WT}}_i+(\mathrm{Num}-1)\&times;\mathrm{WTIME},$ 转到步骤g)，否则转到步骤f；

f.对应

中的j，求解

对应

中的i，将CSMT_hij全部替换为

根据新的CSMT_hij的值，修改和

的值，返回步骤e)；

g.得到目标函数值，即

的值。

表示利用启发式算法得到的优化解对应的目标函数值。根据优化前的生产状况，对其目前一个批次的生产成本进行估算，按照每个零部件在每种运输方式上进行随机分布的方式进行运输，可以得到一个批次目前生产成本总和用Mt表示。因此我们可以得到优化之后节省成本的百分比为

步骤6）模拟生产过程

Arean仿真软件能够详细地分析任何制造业装配系统，移动台的动画方式将仿真结果显示出来，采用Arena仿真软件动态模拟高压开关产品装配过程，可以分别得到产品装配开始之前，装配过程中以及装配结束时，其详细过程可见Arena仿真软件的模拟演示过程。

步骤7）制定改进方案：

根据上述得到的计算结果，可以得到高压开关装配厂房的优化布局方案，装配过程中每种零部件的优化运输方式，和每个工件对应于每个装配区域的装配开始时间以及装配结束时间。由此，可以形成高压开关装配厂房的优化布局图，运输方式安排表和装配区域作业票。根据得到的高压开关装配厂房的优化布局图改进装配厂房的布局，将运输方式安排表和装配区域作业票发放给对应操作加工的工作人员，工作人员便可根据运输方式安排表和装配区域作业票进行对应的零部件运输和产品装配操作。

下面以ZF11-252产品高九路变电站在平高电气股份有限公司四厂厂房内的装配过程为例，分析整个装配工艺过程，获得装配区域的工艺连接，现有厂房装配区域布局图(不可移动区域，如表1所示)，作为建立数学模型的基础。

表1不可移动区域的位置

区域名称	i	xi	yi	αi	βi
						清洗	4	0	72.327	27.818	15.382
烘干	5	0	61.200	45.490	11.127
						母线	6	45.490	42.545	27.491	18.655
灭弧	7	0	42.545	24.545	18.655
						分装	10	0	25.200	72.981	17.345
断路器	12	27.163	13.745	10.473	11.455
						管道试验	13	103.418	13.745	13.745	11.455
断路器实验	14	94.254	0	9.164	11.127
						总装	16	0	0	145.636	25.200
总装试验	17	79.200	0	7.527	11.127
						气体	20	143.018	17.481	42.095	19.173
800(D2-D4)	22	86.727	87.709	20.945	15.381
						涂漆	23	24.545	61.200	20.618	16.363

求解模型得到的第一个结果即为改进后的产品装配厂房优化布局方案，如表2所示：

表2所有区域的位置

区域名称	i	xi	yi	αi	βi
						生产库房	1	20.945	96.570	52.509	6.520
四厂库房	2	73.454	77.563	90.182	25.527
						配套	3	27.818	72.327	45.636	15.382
清洗	4	0	72.327	27.818	15.382
						烘干	5	0	61.200	45.490	11.127

母线	6	45.490	42.545	27.491	18.655
						灭弧	7	0	42.545	24.545	18.655
CT班	8	45.490	61.200	24.661	11.127
						管道	9	86.727	0	24.218	36.654
分装	10	0	25.200	72.981	17.345
						液压机构	11	64.145	25.200	12.585	16.170
断路器班	12	27.163	13.745	10.473	11.455
						断路器试验	13	103.418	13.745	13.745	11.455
管道试验	14	94.254	0	9.164	11.127
						配线	15	76.730	25.200	9.997	52.363
总装	16	0	0	145.636	25.200
						总装试验	17	79.200	0	7.527	11.127
包装存栈	18	110.945	17.481	42.095	19.173
						未知区域	19	0	87.709	20.945	15.381
气体	20	143.018	61.200	20.618	16.363
						800(D1,D5,D6)	21	86.727	36.654	56.291	25.751
800(D2–D4)	22	24.545	42.545	20.945	18.655
						涂漆	23	145.636	0	18.000	11.127

从表2得到结果对装配厂房布局进行调整。根据已测量的数据以及高九路变电站的要求，可以得到CSM_h，h∈M和WT_i，i∈S的值，Num=12，WTIME=38368分钟，将已知数据带入以上算法，可以得到结果如表3所示:

表3算法的求解结果

从表3中我们可以得到

分钟，

分钟，(Num-1)×WTIME=38368分钟，而T的值为60天，按照1天两班倒16个小时计算，T=57600分钟， $\underset{i\&Element;S-\mathrm{BW}}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{WT}}_i+\underset{j\&Element;S-\mathrm{BW}}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{NCC}}_i+(\mathrm{Num}-1)\&times;\mathrm{WTIME}\&le;T,$ 满足原模型的约束条件。同时得到，目标函数值为

元。根据四厂目前的生产状况，对其目前一个批次的生产成本进行了估算，现有的装备过程物流成本总和为17413.59元，由此可得，通过该方法进行装配节省的物流成本比例为(17413.59–6730.65)/17413.59=61.348%。

采用Arena仿真软件动态模拟ZF11-252产品高九路变电站批次的装配过程，其详细过程可见Arena仿真软件的模拟演示过程。

根据上述表3中的计算结果，可以得到四厂高压开关装配厂房的优化布局方案，ZF11-252产品高九路变电站批次装配过程中每种零部件的优化运输方式，和每个工件对应于每个装配区域的装配开始时间以及装配结束时间。由此，可以形成四厂高压开关装配厂房的优化布局图，ZF11-252产品高九路变电站批次装配过程的运输方式安排表和装配区域作业票。根据得到的四厂高压开关装配厂房的优化布局图改进四厂装配厂房的布局，将ZF11-252产品高九路变电站批次装配过程的运输方式安排表和装配区域作业票发放给对应操作加工的工作人员，工作人员便可根据运输方式安排表和装配区域作业票进行对应的零部件运输和产品装配操作。

Claims (6)

1.一种高压开关产品装配过程优化方法,其特征在于：该优化方法的步骤如下：

1）.将高压开关产品装配过程设定在一个矩形车间内完成，根据实际高压产品装配过程确定各个装配区域和存放区域的的大小以及装配过程的工艺参数，并限定加工完成所述批次的总加工时间；

2）.根据步骤1）中给出的限定条件建立高压开关产品装配过程优化的数学模型；

3）.采用启发式算法求解出所建立的高压开关产品装配过程优化数学模型，得到高压开关产品装配过程中所有区域的位置和装配过程中每种零部件的优化运输方式；

4）.根据所建立的高压开关产品装配过程优化数学模型的求解结果，采用仿真软件模拟所述批次高压开关产品的装配过程；

5）.根据仿真软件模拟结果制定高压开关产品装配厂房优化布局图、运输方式安排表和装配区域作业图，完成高压开关产品装配过程中的优化。

2.根据权利要求1所述的高压开关产品装配过程优化方法，其特征在于：所述步骤1）中的装配工艺参数包括装配过程工作区域的形状、存放的零部件类型、装配区域之间零部件运送方式、运送速度和运送成本。

3.根据权利要求2所述的高压开关产品装配过程优化方法，其特征在于：所述的步骤2）中建立的装配过程优化数学模型为：

$\mathrm{Min}\underset{h\&Element;M_k}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{k\&Element;P}{\mathrm{\&Sigma;}}\left(\right|y_{{\mathrm{Det}}_k}+\frac{{\mathrm{\&beta;}}_{{\mathrm{Det}}_k}}{2}-(y_{{\mathrm{Org}}_k}+\frac{{\mathrm{\&beta;}}_{{\mathrm{Org}}_k}}{2})|+|x_{{\mathrm{Det}}_k}+\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{{\mathrm{Det}}_k}}{2}-(x_{{\mathrm{Org}}_k}+\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{{\mathrm{Org}}_k}}{2})\left|\right)\&times;{\mathrm{CSM}}_h\&times;{\mathrm{TIMES}}_{\mathrm{hk}};$

约束条件为：

θ_ij+σ_ij≥1,  i,j∈S  i<j；

x_i≤x_jθ_ij(α_i+Dh_ij)+Hor(1-X_ij),i,j∈S  i<j；

x_j≤x_iθ_ij(α_j+Dh_ij)+HorX_ij,i,j∈S  i<j；

y_i≤y_j-σ_ij(β_i+De_ij)+Ere(1-Y_ij),i,j∈S  i<j；

y_j≤y_i–σ_ij(β_j+De_ij)+EreY_ij,i,j∈S  i<j；

θ_ij∈{0,1},i,j∈S,i<j；

σ_ij∈{0,1},i,j∈S,i<j；

X_ij∈{0,1},i,j∈S,i<j；

Y_ij∈{0,1},i,j∈S,i<j；

α_iβ_i≥Sq_i,i∈S；

$\underset{h\&Element;M_k}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{MP}}_{\mathrm{hk}}=N_k,k\&Element;P;$

MP_hk≥1,h∈M_k,k∈P；

${\mathrm{TIMES}}_{\mathrm{hk}}=\frac{{\mathrm{MP}}_{\mathrm{hk}}}{{\mathrm{CSMP}}_{\mathrm{hk}}},$ h∈M_k,k∈P；

${\mathrm{CSMT}}_{\mathrm{hij}}=\frac{|y_j+\frac{{\mathrm{\&beta;}}_j}{2}-(y_i+\frac{{\mathrm{\&beta;}}_i}{2})|+|x_j+\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_j}{2}-(x_i+\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_i}{2})|}{V_h},$ i,j∈S-BW，h∈M_k；

Org_k∈S-BW,k∈P；

$\underset{k\&Element;P}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{TIMES}}_{\mathrm{hk}}\&times;{\mathrm{CSMT}}_{h,{\mathrm{Org}}_k,{\mathrm{Det}}_k}\&le;{\mathrm{TC}}_h,$ h∈M_k；

其中各参数表示：

S：区域的集合，S={1,2,…,n}；

BW：非工作区域的集合，

M：运送方式的集合，M={1,2,…,m}；

P：零部件类型的集合，P={1,2,…,p}；

Sqi：区域i的最小面积，i∈S；

Hor：车间布置面积的x轴向总长度；

Ere：车间布置面积的y轴向总长度；

WT_i：区域i的工作时间，i∈S；

CSM_h：运送方式h运行单位距离的成本，h∈M；

V_h：运送方式h的运行速度，h∈M；

L_k：零部件k的数目，k∈P；

CSMP_hk：运送方式h单次能承载的零部件k的数目，h∈M，k∈P；

N_k：需要零部件k的数目，k∈P；

Num：一个批次需要完成的产品数目；

T：完成一个批次产品的规定时间；

Org_k：零部件k的出处，Org_k∈S，k∈P；

Det_k：零部件k送达的区域，Det_k∈S，k∈P；

Dh_ij：x轴向上区域i和区域j之间的最小距离，i，j∈S，i＜j；

De_ij：y轴向上区域i和区域j之间的最小距离，i，j∈S，i＜j；

M_k：可以运送零部件k的运送方式的集合，

U_j：运送到区域j的零部件种类集合,U_j={k|Det_k=j}，j∈S；

TC_h：运送方式h运送总时间，h∈M；

变量表示为：

x_i：区域i的x轴向左下角坐标，i∈S；

y_i：区域i的y轴向左下角坐标，i∈S；

α_i：区域i的x轴向的长度取值，i∈S；

β_i：区域i的y轴向的长度取值，i∈S；

i,j∈S，i<j；

i,j∈S，i<j；

i,j∈S，i<j；

i,j∈S，i<j；

MP_hk：运送方式h运送零部件k的数目，h∈M，k∈P；

TIME_hk：运送方式h运送零部件k的次数，h∈M，k∈P；

CSMT_hij：运送方式h从区域i到区域j所需的时间，i,j∈S，h∈M。

4.根据权利要求3所述的高压开关产品装配过程优化方法，其特征在于：所述的步骤3）中采用启发式算法求解装配过程优化数学模型的步骤如下：

a.初始化，确定不可移动区域的位置；

b.求解如下模型：目标函数为：

$\mathrm{Min}\underset{i\&Element;S-\mathrm{BW}}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{j\&Element;S-\mathrm{BW}}{\mathrm{\&Sigma;}}{u}_{\mathrm{ij}}+v_{\mathrm{ij}};$

c.对于每一个区域j∈S-BW，求解

${\mathrm{Cost}}_j=\mathrm{Min}\underset{h\&Element;M}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{k\&Element;P}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{i\&Element;S-\mathrm{BW}}{\mathrm{\&Sigma;}}(u_{\mathrm{ij}}+v_{\mathrm{ij}})\&times;{\mathrm{CSM}}_h\&times;{\mathrm{TIMES}}_{\mathrm{hk}};$

d.得到

的值以及所有NCC_j，j∈S-BW的值；

e.若 $\underset{j\&Element;S-\mathrm{BW}}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{NCC}}_j\&le;T+\underset{i\&Element;S-\mathrm{BW}}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{WT}}_i+(\mathrm{Num}-1)\&times;\mathrm{WTIME},$ 转到步骤g，否则转到f；

f.对应

中的j，求解

对应中的i，将CSMT_hij全部替换为

根据新的CSMT_hij的值，修改

和

的值，返回步骤e)；

g.得到目标函数值，即

的值就是得到的优化解对应的目标函数值。

5.根据权利要求4所述的高压开关产品装配过程优化方法，其特征在于：所述步骤4）是采用Arean仿真软件动态模拟高压开关产品装配过程。

6.根据权利要求5所述的高压开关产品装配过程优化方法，其特征在于：所述步骤5）中高压开关产品装配过程中的优化包括根据得到的高压开关装配厂房的优化布局图改进装配厂房的布局，将运输方式安排表和装配区域作业票发放给对应操作加工的工作人员，工作人员根据该运输方式安排表和装配区域作业票进行对应的零部件运输和产品装配操作。