单元制造系统中利用零件访问数据和操作序列数据解决单元成组和单元内部设备布置设计的有效方法外文翻译资料

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单元制造系统中利用零件访问数据和操作序列数据解决单元成组和单元内部设备布置设计的有效方法

S.RaJa.V.Anbumalar

接收日期：2014.5.23/接受日期：2014.12.12/线上出版日期：2014.12.30

巴西社会机械科学与工程2014

摘要： 在一个生产制造环境中，单元制造是一种能有效实现集成技术原则的方法。很多以前关于CMS（Cellular Manufacturing System）方面的研究都主要集中在单元构造的问题上。然而，只有少数研究同时讨论了CFP(Cell Formation Problem)和CLP（Cell Layout Problem）。在本文中，我们提出了一种基于改进流动矩阵的新的启发式方法，它在CMS的设计中，使用了序列数据和数台机器之间的零件访问数据，同时考虑了单元构造，内部设施布置，异常和无效的元素。以上提的数据提供了一个制造系统中关于一系列工作的有价值的信息。为了达到这个目标，我们提出的方法是组合相似的零件、相同单元的不同设备并且要额外考虑设备、特殊元素和无效元素的排序。此外，我们提出的方法考虑了单元之间的运动、反向运动、无效元素的数量和运算的数量。一个新的绩效测试方法改进了集成技术的绩效，它能对以前提出的理论方法进行评价。我们用这个方法来考虑文献中的两个知名问题，并根据结果来与其他已经存在的方法进行比较。结果清楚地表明我们提出的方法优于以前提出的方法。

技术编辑：Fernando Antonio Forcellini,

S.Raja

PSNA工程与技术大学机械工程系，Dindigul 624622，印度

E-mail:maduraisraja@gmail.com

V.Anbumalar

Velammal工程与技术大学机械工程系，Madurai 625009,印度

关键词 单元构造问题 单元布置设计 零件访问数据 排列数据 单元制造系统

符号列表

P 零件指数 (P=1,2,...,P)

I 设备指数（i=1,2,...,M）

K 单元指数（k=1,2,...,C）

S=[S_ip] 表示使用序列数据的设备零件事故矩阵

S_ip 如果第P个零件排在了第i台设备上，=0；如果零件不需要设备，gt;0；

序数代表在完整序列中的位置

P_K 零件在单元k中的数量

M_K 设备在单元k中的数量

V_k 无效因素在单元k中的数量

N_op 系统中的总操作数量

N_t 单元内的可能运动总数量

N_opc 在单元内的操作总数量

P 零件数量

1 简介

单元制造是集成技术理论的一次很成功的应用，它能确定并集成相似的生产制造属性和设计属性。单元制造系统的主要目标涉及到创造新单元的零件族的分辨和设备成组。由生产属性方面有相似点且在同一类型设备上加工的零件组成的叫做零件族。一个单元也许由很多相似的设备组成，在这些设备上加工的零件在单元内部都要经过最大的运动，而在单元之间的运动却是最小的。设备成组的用处伴随着最小的单元内部运动。单元内部运动包含了物料搬运成本、 加工时间、 计划时间和库存的减少。这些用处有利于准时交货、 提升客户满意度和产品质量。

单元组成和单元布置（单元与单元之间的布置和单元内部的布置）是单元生产制造过程中存在的两个问题。过去三十年在单元组成的研究方面上，研究者们使用了很多解决方法，如启发式算法、成群技术、数学模型和优化过程。以上所提到的方法可以通过二元设备零件事故矩阵划分设备单元成组、通过操作数据的顺序划分单元成组。很多基于二进制数据的研究被提议拿来处理单元成组，比如文献^[1-4]中的分层法，文献^[5,6]中的非分层法。文献^[7-10]中提出了一些基于数学模型的研究提议，另外还有其他用来解决单元成组问题的方法，例如文献^[11,12]的产品流分析，文献^[13,14]中的遗传算法。在近十年关于单元成组的研究中，研究者们大多用0-1设备零件事故矩阵作为问题的输入数据。在一个CFP中，给定一个0-1的设备零件事故矩阵，单元成组需要将他们的行列进行重新排布，从而产生零件家族和设备成组。对角化后的结果就是单元。无效因素和异常因素的消除是CMS设计的特点，所以单元设计者们必须将无效和异常因素最小化。CMS中0-1设备零件事故矩阵的输入是不充分的。单元设计者们只考虑了单元成组方面，而没有考虑单元布置。另一方面，单元布置设计者也没有考虑单元成组方面的问题。

在这个研究中，同时考虑了单元成组，设备布置设计，单元之间的运动，单元内部的运动，异常因素和无效因素。为了解决这些问题，我们提出了一个新的启发式方法CLASSPAVI(用排列数据和零件访问数据解决单元成组和布置问题)。它基于流动模型，通过使用机器之间的操作顺序数据和零件访问数据来确定设备单元以及这些单元内的设备排列（单元内部排列）。这些信息可以用来确定零件家族和设备成组。它也可以提供单元内部的设备布置。另外，它还减少了单元之间的运动，单元内部的运动，异常因素和无效因素。利用以上的数据，设备单元首先成形，然后通过给定的单元成组，单元内部的布置也构造成形。这个新的方法利用著名的例子进行实施，并且与Nair和Narendran的事例演算法^[15]、Mahadavietal的分类演算法^[16]进行了比较。我们也提出了一个新的测试绩效和效率的技术（MGTE），它通过同时合并实际的单元之间的运动、单元的紧密度和单元的反向运动来衡量我们这个新方法。

这篇文章的其他内容如下：第二部分介绍了文献综述；第三部分描述了包括顺序数据下的单元成组和单元内部的设备布置在内的问题定义；第四部分展现了单元之间的运动、反向运动和单元内部的紧密度的绩效测试；第五部分介绍了CLASS算法和流动矩阵的概要；第六部分提出了新方法CLASSPAVI及其优点；第七部分用新方法来评估文献中的解决方法；第八部分记录了一些测试问题的计算结果；最后第九部分为对研究的总结与展望延伸。

2 文献综述

操作序列数据和经过多个设备加工的零件数量为CFP的单元设计者提供了额外的信息。在单元生产制造系统的设计中，一个很重要的生产因素是零件的操作顺序。操作顺序指的是零件需要按照设备的排列顺序进行有序的加工。经过多个设备加工的零件数量指的是一个零件经过了两台设备加工，从而提升了两台设备的价值系数。Vakharia和Wemmerlov^[17]介绍了关于CFP的一种启发式算法，这种情况下每个单元设备都沿着流水线排列。Selvam和Balasubramanian^[18]首先报告了关于以相似加工顺序来确定设备成组和零件家族的单元成组问题。他们用启发式步骤代替技术来确定单元。Tam^[19]和Choobineh^[20]利用顺序数据开发了一种新的相似系数来解决单元成组问题。他们基于操作顺序提出了一种两阶段步骤来解决单元成组设计问题。相似系数用来在第一阶段建立零件家族。为了获得设备单元，在第二阶段开发了一个整数规划模型。Sarker和Xu^[21]基于操作顺序做出了一次关于单元成组方法的评论。他们探讨了大量基于操作顺序的相似系数，数学项目，物料流动分析方法，网络分析和启发。Boulif和Atif^[22]利用图表分割开发了一种分支和限度提升的遗传算法来解决单元成组问题。他们考虑了实际生产数据。Liao^[23]开发了一个三阶段步骤来寻找最有路径，单元之间的布置和设备单元。Heragu和Kakutur^[24]开发了一种模拟退火算法来整合设备成组和单元布置问题。Lee和Chian^[25]介绍了设备成组和布置问题的结合。Chiang和Lee^[26]基于遗传算法对单元成组问题进行了考虑。Houshyar和McGinnis^[27]描述了一种图表方法来解决单元布置中的设施分配，并使WIP旅行距离最小。Afentakis^[28]测试了单向单元布置问题。Kinetal^[29]开发了一种两阶段的启发式算法来解决单元成组问题。他们测试了另外的零件路线和设备排序。Yin和Yasuda^[30]利用排列比例重新考虑了普遍的相似系数。Yinetal^[31]基于物料流动解决了生产单元成组。Xambre和Vilarinho^[32]利用多个相同的设备设计了一种模拟退火方法来解决制造单元成组。Nair和Narendran^[15]利用序列数据开发了一种新的种群算法CASE来解决单元成组。在最近几年，一些研究综合了单元成组问题和单元布置问题来适应现实的生产系统。Huetal^[33]利用遗传算法同时考虑了单元布置设计和流动运动结构。Nourietal^[34]利用序列数据提出了一种细菌觅食算法来解决单元成组问题。Mahdavi,Shirazi和Paydar^[35]开发了一种基于流动矩阵的启发式算法来确定最佳的单元成组和设备单元布置。Ahietal^[36]基于TOPSIS解决了多属性决策概念，从而确定单元成组和单元内部设备排列的问题。Wuetal^[37]开发了一种分层的GA来解决单元成组和单元布置模型。同时他们还开发出一种多目标模型来解决单元成组问题。Wuetal^[38]介绍了一种能合并单元构造、设备布置和日程安排的遗传算法。Wuetal^[39]利用模拟退火算法，通过另外的路线解决了单元成组问题。Chanetal^[40]开发了两阶段的方法来解决单元成组和单元布置问题。Chanetal^[41]同时也整合了CFP、设备布置和单元布置问题。他们考虑了生产因素如操作顺序、另外的加工路线和产量。Fabriborzetal^[42]开发了一种类电磁算法来解决单元成组和布置问题。Changetal^[43]设计了两阶段的数学模型来整合单元成组、单元布置和操作顺序。Mahdavietal^[44]介绍了一种新的整合数学模型，它同时考虑了单元成组和单元布置。Mahdavi和Mahadevan^[16]开发了一种新的算法CLASS，它能同时找出单元成组和单元布置。他们利用操作序列数据作为输入来确定设备单元和单元内的设备布置。他们没有关注单元之间的运动、异常和无效的因素。他们只考虑了特殊的情况.Lee和Ahn^[45]提出了一种叫做成组技术效率的新的绩效测试方法，它基于序列数据来评估方法。他们同时合并了实际的单元之间的运动和单元内部的紧密度，将GT效率作为目标数量标准。他们没有考虑零件在单元内部的反向运动。在这篇文章中将提出一种新的启发式方法CLASSPAVI，它将用来合并CIS中单元成组问题和布置设计，同时还将最小化设备单元成组问题中的无效因素数量、异常因素数量、单元内部的运动和单元之间的运动。

3 问题定义

3.1 有序数据的单元成组问题

CFP涉及到它的行和列的重新排列，从而形成设备成组和零件家族。P是一组零件，M是一组设备。每个零件都有各自的排列，所有的零件加工计划都可以表述成为一个零件设备事故矩阵的大小（n x m）,n表示一行（零件），m表示一列（设备）。每个零件都必须基于操作顺序运动。零件的频繁运动将提高物料处理的成本，设备超前时间，物料移动距离和库存，这些都将导

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