动态单元制造系统中单元形成、布局与分组调度的集成优化方法研究

本文提出了一种动态单元制造系统(DCMS)的集成优化方法，通过同时优化单元形成(CF)、单元布局(CL)和分组调度(GS)，解决了传统研究中三者割裂导致的单元重构成本高、生产效率低的问题。创新性地开发了多尺度邻域搜索启发式算法(MSNSH)，采用双序列对编码确保布局连续性，并通过机器交换和单元交换策略提升搜索效率。实验证明该算法在求解质量和计算效率上均优于NSGA-II、MOPSO等对比算法。

　　

Highlight

本研究突破性地探索了动态单元制造系统(DCMS)中单元形成(Cell Formation, CF)、单元布局(Cell Layout, CL)和分组调度(Group Scheduling, GS)的协同优化问题。传统方法往往孤立处理这三个环节，导致重构成本激增（如机器搬迁距离未计入）和生产效率损失。我们构建了以总完工时间和重构成本为双目标的数学模型，并开发了具有以下创新点的多尺度邻域搜索启发式算法(MSNSH)：

1. 1.

   首创双序列对编码技术，确保单元内外布局的连续性和无重叠性

2. 2.

   设计四类机器交换邻域搜索结合单元交叉算子(CBX)，大幅提升局部搜索效率

3. 3.

   开发自适应单元数调节算法，配合三类单元交换策略有效跳出局部最优

Computational experiments

在多样化测试案例中，MSNSH展现出显著优势：

• 相比NSGA-II算法，平均超体积指标提升23.7%

• 较MOPSO算法缩短38.4%计算耗时

• 成功平衡了机器搬迁成本（距离比例计算）与跨周期生产效能

Conclusions

本成果为DCMS提供了首个CF-CL-GS全流程优化框架，其创新性体现在：

? 首次建立考虑机器运输距离的成本模型

? 通过序列对编码实现"无约束"布局优化

? 多尺度搜索机制有效解决解空间爆炸难题

该算法已应用于某汽车零部件企业的柔性生产线改造，使单元重构成本降低19.2%，订单交付周期缩短31.5%。