CN113341902B - 平衡生产线的设计方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种平衡生产线的设计方法及其系统，该方法包括：获取生产线优化之前的生产线数据；对生产线数据进行处理，计算生产线作业时间的可靠性和标准作业时间，及根据当前生产线的规模选择相应的平衡优化算法；利用选择的平衡优化算法优化生产线，结合可靠性计算后的生产线作业时间得到生产线优化后的平衡率、平滑指数与工序方案；比较生产线预设的平衡率与平滑指数和优化后的平衡率、平滑指数，根据比较结果确定是否成功优化生产线平衡。通过实时计算当前的生产线的平衡率、平滑指数，即使生产线处于动态变化中，也能够实时比较优化前后的平衡率、平滑指数，根据比较结果动态平衡生产线，从而实现快速地对变化后的生产线进行平衡优化。

Description

平衡生产线的设计方法及其系统

技术领域

本发明涉及智能制造技术领域，特别是涉及一种平衡生产线的设计方法及其系统。

背景技术

在智能制造领域，生产线中各个设备作业时间的一致性难以保证，会造成各个设备的工作节拍不一致，产生工时浪费和产品堆积，甚至会造成生产被迫中止的不良后果。

目前，传统平衡生产线的方法主要包括：精确求解法，例如，常用线性规划法和枚举法；启发式算法，如遗传算法和变邻域搜索算法；人工智能方法，如蚁群算法和混沌算法。然而，由于现有的生产线由串联结构过渡到串并混联结构，生产线由单线变为混线生产，意味着生产线是动态变化的，对生产线的平衡也需要动态变化。因此，亟需一种平衡生产线的方法来适应生产线动态变化造成的对生产线快速平衡的要求。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种平衡生产线的设计方法及其系统，用于解决现有技术中生产线发生动态变化时，无法适应生产线动态变化实现快速平衡的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种平衡生产线的设计方法，包括：

获取生产线优化之前的生产线数据，所述生产线数据包含优化之前的生产线作业时间与作业优先级矩阵；

对所述生产线数据进行处理，计算生产线作业时间的可靠性和标准作业时间，以及根据当前生产线的规模选择相应的平衡优化算法；

利用选择的所述平衡优化算法优化生产线，结合可靠性计算后的生产线作业时间得到生产线优化后的平衡率、平滑指数与工序方案；

比较生产线预设的平衡率与平滑指数和优化后的平衡率、平滑指数，根据比较结果确定是否成功优化生产线平衡。

本发明的另一目的在于提供一种平衡生产线的设计系统，包括：

数据获取模块，用于获取生产线优化之前的生产线数据，所述生产线数据包含优化之前的生产线作业时间与作业优先级矩阵；

数据处理模块，用于对所述生产线数据进行处理，计算生产线作业时间的可靠性和标准作业时间，以及根据当前生产线的规模选择相应的平衡优化算法；

数据优化模块，利用选择的所述平衡优化算法优化生产线，结合可靠性计算后的生产线作业时间得到生产线优化后的平衡率、平滑指数与工序方案；

优化判断模块，用于比较生产线预设的平衡率与平滑指数和优化后的平衡率、平滑指数，根据比较结果确定是否成功优化生产线平衡。

如上所述，本发明的平衡生产线的设计方法及其系统，具有以下有益效果：

通过实时计算当前的生产线的平衡率、平滑指数，即使生产线处于动态变化中，也能够实时比较优化前后的平衡率、平滑指数，根据比较结果来判断是否能够动态平衡生产线，从而实现快速地对变化后的生产线进行平衡优化，有利于提高企业的生产效率，也有利于为企业创造更多的价值。

附图说明

图1显示为本发明提供的一种平衡生产线的设计方法流程图；

图2显示为本发明提供的一种平衡生产线的设计框架图；

图3显示为本发明提供的一种优化前作业时间实施例图；

图4显示为本发明提供的一种优化前作业优先级矩阵实施例图；

图5显示为本发明提供的一种平衡优化后的工序方案实施例图；

图6显示为本发明提供的一种优化前后对比分析实施例图；

图7显示为本发明提供的一种平衡生产线的设计系统结构框图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1，为本发明提供的一种平衡生产线的设计方法流程图，包括：

步骤S1，获取生产线优化之前的生产线数据，所述生产线数据包含优化之前的生产线作业时间与作业优先级矩阵；

其中，如图3所示，输入生产线所有设备优化前作业时间，例如，优化前的时间作业为[15.23、7.23、10.69、14.00、12.48、11.48、10.41、14.22、11.49、12.12、14.11、6.89、10.12、12.12、11.46、7.74、14.95、9.87、8.52、12.34、15.54、8.45、12.43、12.48、15.48、8.74、10.23、11.00、12.50、11.46、16.00、7.11、12.47、12.14、12.34、11.45、12.34、5.66、18.23、10.50、13.00、15.60、8.10、13.80、8.80、15.00、10.00、9.00、13.00、16.00、5.23、17.20、5.00]，通过上述方式，能够轻易获取到生产线所有设备(作业单元)的作业时间。

如图4所示，优化前作业优先级矩阵，通过优先级排列确定作业单元的执行工序，即，在优化之前，作业单元按照上述优先级排列的顺序进行工序执行。

另外，所述生产线优化之前的生产线数据还包括评比系数、宽放率与各个作业单元作业的节拍(节拍就是顺序生产两件相同制品之间的时间间隔，它表明了流水线生产率的高低，是流水线最重要的工作参数)，该节拍能够反映装配线上各工位中的瓶颈，即，节拍的最大值。

步骤S2，对所述生产线数据进行处理，计算生产线作业时间的可靠性和标准作业时间，以及根据当前生产线的规模选择相应的平衡优化算法；

其中，需要说明的是，该步骤还包括计算图2中的原始评价指数--当前生产线未优化之前的平衡率与平滑指数，相当于生产线当前预设的平衡率与平滑指数；

步骤S3，利用选择的所述平衡优化算法优化生产线，结合可靠性计算后的生产线作业时间得到生产线优化后的平衡率、平滑指数与工序方案；

其中，优化目标主要包括平衡率、平滑指数；

所述平衡率的表达式为：

式中，η--平衡率，T(S_k)--第k(k＝1,2,…,m)个设备的工作时长；maxT(S_k)--装配线上各工位中的瓶颈；m--工作站的数目。

所述平滑指数的表达式为：

式中，SI--平滑指数，m--工作站的数目，T(S_k)--第k(k＝1,2,…,m)个设备的工作时长，CT--装配线上各工位中节拍。

平滑指数表达式反映了各个作业元素的工作负荷之间的关系，SI越小说明各个作业元素工作负荷的差距越小，生产线也就越均衡。

采用上述平衡率、平滑指数的公式能够计算优化前的平衡率、平滑指数，即，生产线当前预设的平衡率、平滑指数，同时，还能按照工序方案计算生产线优化后的平衡率、平滑指数。

步骤S4，比较生产线预设的平衡率与平滑指数和优化后的平衡率、平滑指数，根据比较结果确定是否成功优化生产线平衡。

若生产线预设的平衡率低于优化后的平衡率，且生产线预设的平滑指数高于优化后的平滑指数，则确定成功优化生产线平衡，且生产线的作业单元按优化后的工序方案执行；

若生产线预设的平衡率不低于优化后的平衡率，且生产线预设的平滑指数不高于优化后的平滑指数，则确定优化生产线平衡不成功。

参照图2，通过比较(对比分析)，能够确定优化方案是否成功，是否可以满足用户，从而能够根据动态生产线需求，实时优化目标，实现生产线的动态平衡。

在本实施例中，通过实时计算当前的生产线的平衡率、平滑指数，即使生产线处于动态变化中，也能够实时比较优化前后的平衡率、平滑指数，根据比较结果来判断是否能够动态平衡生产线，从而实现快速地对变化后的生产线进行平衡优化，有利于提高企业的生产效率，也有利于为企业创造更多的价值。

在另一些实施例中，利用三倍标准差法来判断生产线相应作业单元是否在预设作业时间范围内，若是，则该生产线上的相应作业单元的作业时间可靠；若否，则该生产线上的相应作业单元的作业时间异常。例如，计算数据的可靠性，主要是作业时间的可靠性计算，目前，数据的统计测量往往是人工测量，对于明显异常的数据会人为剔除，但是这种方法的主观性太大，数据的可靠性难以保障。故采用经典的异常数据去除方法，即，三倍标准差法(法)，主要计算公式如下：

其中：

指每个作业单元三次作业时间测量的均值；n表示现在的测量次数，本文中n＝3；t_i代表第i(i＝1,2,…,n)次测量的时间值。

正常值的应该在±3σ范围内，即平均值

不在预设作业时间

范围内，则平均值

被判定为异常；平均值

在预设作业时间

范围内，则平均值

被判定为作业时间可靠(正常)。

通过上述方式，能够有效避免人为主观因素的影响，同时，提高了作业单元的作业时间获取的准确性，有利于后续准确平衡优化生产线。

在另一些实施例中，采用如下公式计算生产线的标准作业时间：

TS(S_k)＝T(S_k)·γ·(1+θ)

式中，TS(S_k)--生产线的标准作业时间，T(S_k)--第k(k＝1,2,…,m)个设备的工作时长；γ—评比系数；θ—宽放率。

其中，标准作业时间是指在一定生产环境下，一个熟练工人按规定作业标准生产一个单位合格产品所消耗的时间。

具体地，评比系数和宽放率可根据需求设置，例如，评比系数，是校正正常作业时间的差异的系数。由于工作者和机械需要一定的休息时间，故在作业时间基础上加上一定的宽放时间，宽放时间的多少由公司决定，宽放时间的大小由宽放率来反映。

在本实施例中，通过标准作业时间可反映出生产线上正常的操作条件、熟练程度、作业方法、劳动强度与速度以及质量标准；通过标准作业时间能够制定生产计划、人员工时计划，从而有利于后续工序方案的优化和制定。

在另一些实施例中，所述生产线的规模按大、中、小依次选择精确求解法、启发式算法与人工智能方法作为平衡优化算法，来计算优化前生产线的平衡率和平滑指数。例如，设置不同的优化算法：精确求解方法，如线性规划法和枚举法；启发式算法，如遗传算法和变邻域搜索算法；人工智能方法，如蚁群算法和混沌算法，对优化前生产线进行优化。

在本实施例中，一方面，能够准确获得当前动态变化的生产线的规模；另一方面，能够根据当前动态变化的生产线的规模，准确选择与其匹配的平衡优化算法，从而提高生产线平衡优化的准确性，实现了动态优化平衡生产线的目的。

得到优化后的生产线数据，如附图5所示，一种平衡优化后的工序方案实施例图，包括：工作站序号(S1～S13)、作业单元序号以及标准作业时间，生产线上的作业单元按照上述工序以及标准作业时间完成工作，通过计算该种工序方案所对应的优化后的生产线平滑指数和平衡率，确定优化后的工序方案是否满足优化需求。

例如，执行该工序方案，即优化后平衡率及平滑指数为：

例如，优化之前平衡率及平滑指数为：

进行对比分析，将优化前后的平衡率和平滑指数进行对比分析，评价系统是否成功优化生产线平衡问题，例如，优化后生产线的平衡率从73.58％上升至90.58％，平滑指数由10.02下降至2.99，生产效率提升效果显著，为企业创造更多价值。

在本实施例中，由于生产线动态变化进行生产，当检测到生产线发生变化时，根据变化后的生产线计算当前的优化平衡方案，从而实现适应生产线动态变化造成的对生产线快速平衡的要求。

请参阅图7，为本发明提供的一种平衡生产线的设计系统结构框图，包括：

数据获取模块1，用于获取生产线优化之前的生产线数据，所述生产线数据包含优化之前的生产线作业时间与作业优先级矩阵；

数据处理模块2，用于对所述生产线数据进行处理，计算生产线作业时间的可靠性和标准作业时间，以及根据当前生产线的规模选择相应的平衡优化算法；

数据优化模块3，利用选择的所述平衡优化算法优化生产线，结合可靠性计算后的生产线作业时间得到生产线优化后的平衡率、平滑指数与工序方案；

优化判断模块4，用于比较生产线预设的平衡率与平滑指数和优化后的平衡率、平滑指数，根据比较结果确定是否成功优化生产线平衡。

其中，需要说明的是，平衡生产线的设计系统与平衡生产线的设计方法为一一对应关系，其对应的技术细节、技术效果请参照上述平衡生产线的设计方法，在此不在一一赘述。

在上述实施例中，参照图6，生产线的平衡率从73.58％上升至90.58％，平滑指数由10.02下降至2.99，生产效率提升效果显著，为企业创造更多价值，由此可见，上述生产线平衡系统，即使生产线发生动态变化，该系统可以快速地对变化后的生产线进行平衡优化。

综上所述，本发明通过实时计算当前的生产线的平衡率、平滑指数，即使生产线处于动态变化中，也能够实时比较优化前后的平衡率、平滑指数，根据比较结果来判断是否能够动态平衡生产线，从而实现快速地对变化后的生产线进行平衡优化，有利于提高企业的生产效率，也有利于为企业创造更多的价值。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种平衡生产线的设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

获取生产线优化之前的生产线数据，所述生产线数据包含优化之前的生产线作业时间与作业优先级矩阵；

对所述生产线数据进行处理，计算生产线作业时间的可靠性和标准作业时间，以及根据当前生产线的规模选择相应的平衡优化算法；其中，利用三倍标准差法来判断生产线相应作业单元是否在预设作业时间范围内来确定生产线作业时间的可靠性；

利用选择的所述平衡优化算法优化生产线，结合可靠性计算后的生产线作业时间得到生产线优化后的平衡率、平滑指数与工序方案；

所述平衡率的表达式为：

式中，η--平衡率，T(S_k)--第k(k＝1,2,…,m)个设备的工作时长；maxT(S_k)--装配线上各工位中的瓶颈；m--工作站的数目；

所述平滑指数的表达式为：

式中，SI--平滑指数，m--工作站的数目，T(S_k)--第k(k＝1,2,…,m)个设备的工作时长，CT--装配线上各工位中节拍；

比较生产线预设的平衡率与平滑指数和优化后的平衡率、平滑指数，根据比较结果确定是否成功优化生产线平衡。

2.根据权利要求1所述的平衡生产线的设计方法，其特征在于，所述生产线优化之前的生产线数据还包括评比系数、宽放率与各个作业单元作业的节拍。

3.根据权利要求2所述的平衡生产线的设计方法，其特征在于，还包括：采用如下公式计算生产线的标准作业时间：

TS(S_k)＝T(S_k)·γ·(1+θ)

式中，TS(S_k)--生产线的标准作业时间，T(S_k)--第k(k＝1,2,…,m)个设备的工作时长；γ—评比系数；θ—宽放率。

4.根据权利要求1所述的平衡生产线的设计方法，其特征在于，所述生产线的规模按大、中、小依次选择精确求解法、启发式算法与人工智能方法作为平衡优化算法。

5.根据权利要求1所述的平衡生产线的设计方法，其特征在于，所述比较生产线预设的平衡率与平滑指数和优化后的平衡率、平滑指数，根据比较结果确定是否成功优化生产线平衡的步骤，包括：

若生产线预设的平衡率低于优化后的平衡率，且生产线预设的平滑指数高于优化后的平滑指数，则确定成功优化生产线平衡，且生产线的作业单元按优化后的工序方案执行；若生产线预设的平衡率不低于优化后的平衡率，且生产线预设的平滑指数不高于优化后的平滑指数，则确定优化生产线平衡不成功。

6.一种平衡生产线的设计系统，其特征在于，所述系统包括：

数据获取模块，用于获取生产线优化之前的生产线数据，所述生产线数据包含优化之前的生产线作业时间与作业优先级矩阵；

数据处理模块，用于对所述生产线数据进行处理，计算生产线作业时间的可靠性和标准作业时间，以及根据当前生产线的规模选择相应的平衡优化算法；其中，利用三倍标准差法来判断生产线相应作业单元是否在预设作业时间范围内来确定生产线作业时间的可靠性；

数据优化模块，利用选择的所述平衡优化算法优化生产线，结合可靠性计算后的生产线作业时间得到生产线优化后的平衡率、平滑指数与工序方案；

所述平衡率的表达式为：

式中，η--平衡率，T(S_k)--第k(k＝1,2,…,m)个设备的工作时长；max T(S_k)--装配线上各工位中的瓶颈；m--工作站的数目；

所述平滑指数的表达式为：

式中，SI--平滑指数，m--工作站的数目，T(S_k)--第k(k＝1,2,…,m)个设备的工作时长，CT--装配线上各工位中节拍；

优化判断模块，用于比较生产线预设的平衡率与平滑指数和优化后的平衡率、平滑指数，根据比较结果确定是否成功优化生产线平衡。

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