丁祥海，田吉蓮

（杭州電子科技大學(xué) 管理學(xué)院，浙江 杭州 310018）

一、引言

裝配作為增值鏈中最后的分支必須能夠在經(jīng)濟(jì)可行的方案的基礎(chǔ)上滿足市場變化的需求量。針對(duì)大規(guī)模定制批量化與定制化的生產(chǎn)組織要求，文獻(xiàn)[1]建立了以重構(gòu)成本最小為目標(biāo)函數(shù)的動(dòng)態(tài)單元裝配系統(tǒng)重構(gòu)的規(guī)劃模型。針對(duì)生產(chǎn)過程中的訂單不確定等因素，文獻(xiàn)[2]建立了一個(gè)魯棒調(diào)度模型，并提出了對(duì)模型進(jìn)行求解的混合優(yōu)化算法。針對(duì)面向資源的工程訂貨生產(chǎn)方式下柔性裝配生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)備配置問題，文獻(xiàn)[3]建立了具有雙重約束的優(yōu)化模型。朱劍剛[4]在面向裝配的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上對(duì)虛擬裝配技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，開發(fā)了基于AutoCAD環(huán)境的定制家具虛擬裝配系統(tǒng)（VASCF）。此外，高度自動(dòng)化的裝配系統(tǒng)在這個(gè)背景下，特別是在低投入和短安裝時(shí)間的人員密集型裝配中的表現(xiàn)并不理想。手工裝配系統(tǒng)因其具有較高的柔性和較低的投入的特點(diǎn)，更加適用于此種類型的裝配。

大批量產(chǎn)品的裝配基本采用完全自動(dòng)的，可以選擇的范圍很窄。對(duì)于中小批量的小型產(chǎn)品的裝配，有許多可供選擇的手工裝配系統(tǒng)。但系統(tǒng)的多樣性并沒有在很多企業(yè)中得到應(yīng)用。主要原因是決策者在尋找最佳裝配系統(tǒng)上會(huì)耗費(fèi)太多的時(shí)間和精力。決策者傾向于現(xiàn)存的裝配系統(tǒng)。因此，如何敏捷高效地針對(duì)特定目標(biāo)，選擇合適的裝配系統(tǒng)，是企業(yè)急需解決的難題。

二、裝配時(shí)間估算的研究背景

準(zhǔn)確地估算裝配時(shí)間是選擇合適的裝配系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是在大規(guī)模定制和變動(dòng)的生產(chǎn)環(huán)境中取得競爭優(yōu)勢的關(guān)鍵。所以對(duì)于裝配時(shí)間的確定國內(nèi)外有很多相關(guān)的研究。

國內(nèi)，劉濱等人[5]提出了產(chǎn)品相似實(shí)例檢索規(guī)則和算法。該算法應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲取實(shí)例產(chǎn)品的工時(shí)規(guī)律，并按此預(yù)測當(dāng)前產(chǎn)品的裝配作業(yè)工時(shí)。最后開發(fā)了船舶裝配作業(yè)工時(shí)智能估算系統(tǒng)（IMHEAS）。楊青海等人[6]提出零件工時(shí)估算的相似性機(jī)理與過程模型。并在此基礎(chǔ)上，提出一種基于案例推理和事物特性表的零件工時(shí)估算方法。魯香珍等人[7]研究了柔性參數(shù)水平對(duì)產(chǎn)品族加工時(shí)間的影響機(jī)理，構(gòu)建了產(chǎn)品族各工時(shí)模塊加工時(shí)間模型，以柔性參數(shù)水平的匹配搜索算法實(shí)現(xiàn)定制產(chǎn)品加工時(shí)間的估算。陳友玲等人[8]應(yīng)用粗糙集的方法對(duì)企業(yè)現(xiàn)有產(chǎn)品的配置進(jìn)行分析，定義了一個(gè)時(shí)間系數(shù)，并用回歸分析的方法建立起該系數(shù)與裝配時(shí)間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型。此模型可通過新產(chǎn)品的時(shí)間系數(shù)對(duì)其裝配時(shí)間進(jìn)行估算。

國外，Pedro，Pérez V.等人[9]通過使用模糊進(jìn)化方法改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以預(yù)測和優(yōu)化新產(chǎn)品的裝配時(shí)間。文獻(xiàn)[10-11]提出了基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度度量的系統(tǒng)裝配時(shí)間預(yù)測模型。Miller，Michael.等人[12]考慮到車輛的組裝取決于產(chǎn)品的信息和描述過程的信息。提出將安裝流程步驟說明作為自動(dòng)化裝配時(shí)間的估算工具。Miller,Michael G.等人[13]根據(jù)組件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性創(chuàng)建了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的裝配時(shí)間預(yù)測模型。Erohin，O.等人[14]利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)來預(yù)測產(chǎn)品的裝配時(shí)間。Namouz，Essam Z.等人[15]將兩種不同的圖形生成方法（干涉檢測方法和裝配配對(duì)方法）用于復(fù)雜連通性方法的輸入，以估計(jì)產(chǎn)品的裝配時(shí)間。

以上文獻(xiàn)都是從產(chǎn)品的角度進(jìn)行考慮，而沒有考慮到裝配系統(tǒng)之間的聯(lián)系。德國弗勞恩霍夫研究所根據(jù)裝配系統(tǒng)的特征，并基于近似計(jì)算的方法，實(shí)現(xiàn)快速確定各裝配系統(tǒng)的裝配時(shí)間[16]。本文參考該研究所的近似計(jì)算的思想，建立了各時(shí)間組件的計(jì)算模型，并通過編程實(shí)現(xiàn)了基于Web的決策支持系統(tǒng)的開發(fā)。

三、介紹

（一）八種手工裝配系統(tǒng)

本文涉及的裝配系統(tǒng)主要是表1所示的八大基礎(chǔ)裝配系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)這八種裝配系統(tǒng)的特征信息進(jìn)行了簡略的描述。

（二）時(shí)間組件

單工位的裝配時(shí)間（以單工位為基準(zhǔn)），因?yàn)檐浖哪繕?biāo)，不是確定輸入非常精確或詳細(xì)的信息，而是快速估算所需的裝配時(shí)間作為經(jīng)濟(jì)效率計(jì)算的基礎(chǔ)，以便選擇最佳的裝配系統(tǒng)。所以，使用各時(shí)間組件的標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)來進(jìn)行粗略計(jì)算。

為了以盡可能少的時(shí)間和精力為每個(gè)特定的裝配任務(wù)快速獲得所有裝配系統(tǒng)的裝配時(shí)間。文獻(xiàn)[17]在“簡化的裝配時(shí)間計(jì)算”模型中做出了一組假設(shè)，實(shí)現(xiàn)了只需少量的必要的數(shù)據(jù)即可計(jì)算裝配時(shí)間。它根據(jù)一個(gè)員工在單工位中裝配一個(gè)產(chǎn)品的假定的裝配時(shí)間作為參照，其值即為每件產(chǎn)品的預(yù)設(shè)時(shí)間。其他裝配系統(tǒng)的裝配時(shí)間根據(jù)與參照系統(tǒng)的時(shí)間組件的差異來間接獲得。時(shí)間組件模型如表2所示，時(shí)間組件分為積極的（-）和消極的（+）。根據(jù)相應(yīng)的裝配系統(tǒng)，列中標(biāo)有“+”的時(shí)間組件將被添加，例如，手工U型生產(chǎn)線需要傳輸單個(gè)半成品到下一工位，這個(gè)時(shí)間就需要加上；標(biāo)有“-”的時(shí)間組件需要減去，例如，轉(zhuǎn)位工作臺(tái)對(duì)一個(gè)工件載體上的待裝配對(duì)象只用抓取一次物料，對(duì)照單工位節(jié)省的時(shí)間就需要減去。

表1 八種裝配系統(tǒng)特征信息表

表2 計(jì)算裝配時(shí)間的時(shí)間組件模型

四、決策支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于企業(yè)以盈利為目的。因此，本文對(duì)各裝配系統(tǒng)的決策目標(biāo)是時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)效率，其中經(jīng)濟(jì)效率由設(shè)備成本和工資成本組成。針對(duì)上述目標(biāo)，本文的重點(diǎn)是建立各裝配系統(tǒng)的時(shí)間組件計(jì)算模型，以下就對(duì)各模型進(jìn)行論述。

（一）模型假設(shè)

裝配系統(tǒng)的選擇是個(gè)復(fù)雜的過程，考慮過多的因素會(huì)使模型的建立難度加大。而合理的模型假設(shè)可以抓住主要因素拋開次要的因素，既能很好地簡化模型又能得到需要的結(jié)果，從而準(zhǔn)確反映決策的本質(zhì)問題。具體假設(shè)如下：（1）工位數(shù)與人員需求量相等，即一站一人；（2）產(chǎn)品可由其中一種裝配系統(tǒng)裝配完成；（3）時(shí)間均為標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)（工位的安排一定，各種物料工具的所放位置確定）；（4）采用固定聯(lián)結(jié)；（5）設(shè)備和人員都能滿足生產(chǎn)能力需求；（6）不考慮廢品率（沒有廢品，都是合格品）；（7）只加工一樣產(chǎn)品，即不用進(jìn)行作業(yè)排序；（8）工位之間均進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，則在單工位上裝配一件產(chǎn)品的翻轉(zhuǎn)次數(shù)為（工位數(shù)-1）次；（9）裝配一件產(chǎn)品只抓取一次工具；（10）裝配一件產(chǎn)品需拿取物料的次數(shù)與工位數(shù)相等。

（二）符號(hào)體系

模特法相較于其他PTS法有2點(diǎn)優(yōu)勢：（1）模特法將動(dòng)作歸納為21種，不像其他方法有幾十種，甚至100多種；（2）采用模特法不需要測時(shí)，也不用進(jìn)行評(píng)比，就能根據(jù)其動(dòng)作決定正常時(shí)間。因此，使用它來分析動(dòng)作和制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。

1.標(biāo)記。對(duì)系統(tǒng)決策過程中涉及的員工需求量、1MOD的時(shí)間、模特法的動(dòng)作記錄方式和寬放率進(jìn)行標(biāo)記，具體如下：m為員工需求量；mod為1MOD的時(shí)間，mod=0.1431秒；模特法的動(dòng)作記錄方式如：M3G1表示伸手抓取；k為寬放率，k=0.17。

2.輸入?yún)?shù)。對(duì)決策過程中涉及時(shí)間成本計(jì)算的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)記，包括產(chǎn)品日需量、系統(tǒng)使用度、每件產(chǎn)品的預(yù)設(shè)時(shí)間、員工每日出席時(shí)間、員工每日自由時(shí)間、員工負(fù)載率、工件載體容量和緩沖容器容量，具體如下：n為產(chǎn)品應(yīng)以n件/天的速度生產(chǎn)；Sn為系統(tǒng)使用度；Te為每件產(chǎn)品的預(yù)設(shè)時(shí)間；Ta為員工每日出席時(shí)間；Tp為員工每日自由時(shí)間；Lg為員工負(fù)載率；p為工件載體容量；b為緩沖容器容量。

3.決策變量。裝配系統(tǒng)的決策變量為：各裝配系統(tǒng)在相應(yīng)的時(shí)間組件的裝配時(shí)間，用Ti表示，其中i=1，2，…，7。各裝配系統(tǒng)的裝配時(shí)間表示具體如下：Tsj為單工位的裝配時(shí)間；Tram為手工排裝的裝配時(shí)間；Tfam為手工流組件的裝配時(shí)間；Topm為手工U型生產(chǎn)線的裝配時(shí)間；Tosm為手工一組流系統(tǒng)的裝配時(shí)間；Tit為轉(zhuǎn)位工作臺(tái)的裝配時(shí)間；Tca為卡爾帶的裝配時(shí)間；Tco為傳送帶的裝配時(shí)間。

（三）數(shù)學(xué)模型

通過以上假設(shè)、輸入?yún)?shù)和決策變量的設(shè)定，建立了如下數(shù)學(xué)模型：

式（1）為手工流組件傳輸單個(gè)半成品到下一工位的時(shí)間，也表示手工排裝將半成品取出和放入緩沖容器的時(shí)間；式（2）為手工U型生產(chǎn)線傳輸單個(gè)半成品到下一工位的時(shí)間；式（3）為手工排裝傳輸緩沖容器到下一工位的時(shí)間；式（4）為手工U型生產(chǎn)線的員工從最后一個(gè)工位回到第一個(gè)工位的時(shí)間；式（5）為手工排裝、手工流組件、手工U型生產(chǎn)線、卡爾帶和傳送帶這幾個(gè)裝配系統(tǒng)由于不用在傳輸過程中翻轉(zhuǎn)產(chǎn)品而節(jié)省的時(shí)間；式（6）為手工一組流系統(tǒng)和轉(zhuǎn)位工作臺(tái)由于對(duì)一個(gè)工件載體上的待裝配對(duì)象只需抓取一次工具而節(jié)省的時(shí)間；式（7）為手工一組流系統(tǒng)和轉(zhuǎn)位工作臺(tái)由于對(duì)一個(gè)工件載體上的待裝配對(duì)象只需抓取一次物料而節(jié)省的時(shí)間。表3給出了八種基礎(chǔ)裝配系統(tǒng)的裝配時(shí)間模型。

表3 八種裝配系統(tǒng)的裝配時(shí)間模型

五、系統(tǒng)開發(fā)與演示

該系統(tǒng)操作流程圖如圖1所示，系統(tǒng)軟件環(huán)境客戶端選擇了Windows 10操作系統(tǒng)，用IntelliJ IDEA 2017.3.5x64為開發(fā)平臺(tái)，以mysql-connectorjava-5.1.36為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)操作流程圖

（一）數(shù)據(jù)庫完整設(shè)計(jì)圖

圖2為該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)圖，主要由四張表構(gòu)成。

圖2 數(shù)據(jù)庫完整設(shè)計(jì)圖

（二）演示

現(xiàn)以生產(chǎn)筆記本電腦為例，有以下信息如表4和表5所示。

表4 輸入信息

根據(jù)這些信息生成的報(bào)表如圖3所示，可以看出針對(duì)該目標(biāo)產(chǎn)品，八種裝配系統(tǒng)的時(shí)間成本差別不大，但經(jīng)濟(jì)效率差別明顯。決策者可以根據(jù)實(shí)際情況，選擇合適的裝配系統(tǒng)。

表5 數(shù)據(jù)庫信息

圖3 報(bào)表管理界面

六、結(jié)語

企業(yè)面臨著越來越大的價(jià)格壓力，產(chǎn)品生命周期的縮短，每種產(chǎn)品數(shù)量的減少和銷量的難以預(yù)測。生產(chǎn)環(huán)境的這些變化增強(qiáng)了智慧規(guī)劃和選擇合適的裝配系統(tǒng)的重要性。小型產(chǎn)品的手工裝配系統(tǒng)的多樣性提供了足夠的范圍來尋找經(jīng)濟(jì)的解決方案。通過本文的決策支持系統(tǒng)，能夠輕松地比較各裝配系統(tǒng)。即使用戶對(duì)裝配系統(tǒng)只了解一點(diǎn)點(diǎn)也能使用該系統(tǒng)。其可以幫助決策者在早期規(guī)劃階段選擇合適的裝配系統(tǒng)，來應(yīng)對(duì)快速變化的產(chǎn)品需求量，并確保選擇的裝配系統(tǒng)是有效的。本文的假設(shè)前提是產(chǎn)品可由一種裝配系統(tǒng)裝配完成，在后續(xù)的研究中，將對(duì)八種裝配系統(tǒng)進(jìn)行組合，并快速生成更加滿足決策者需求的候選裝配方案。此外，本文在決策目標(biāo)中沒有考慮面積成本，在接下來的研究中需要將決策目標(biāo)進(jìn)行完善。