本文是一篇工程管理论文，本文考虑了机器租赁、多技能工人、机器能耗和多个工厂间运输等多种生产因素，构建了虚拟共享单元制造系统和微型共享单元制造系统两个模型，通过智能优化算法进行求解，展现了虚拟共享单元制造系统和微型共享单元制造系统可有效降低企业生产成本，并验证了所提出的GAVDO算法和MOPSO算法求解性能。
第1章绪论
1.1研究背景及意义
1.1.1研究背景
自18世纪第一次工业革命以来，历次工业革命都向着生产过程更集中、高效、批量化的方向前进。以成组技术理论[1]为基础的单元化制造已在许多国家得到迅速推广应用，取得了令人瞩目的成就。与传统的批量生产方式相比，单元化制造在缩短产品生产周期、降低制造成本等方面具有明显优势。日资、韩资、美资的在华工厂，单元生产方式更是遍地开花。东莞伟易达电子公司在引入单元生产的第一年便产生了5000万元的经济效益，美的引入大规模定制柔性生产线，将供货周期缩短为三分之二。航天529厂以太阳翼基板、结构板等典型产品为试点，规划建设了精密机加、电装、管路等一批单元化生产线，在没有大量投入制造资源的情况下，使基板的单件工时平均缩短15%以上，使结构板生产量在2年内翻倍。
但现阶段消费者对个性化的需求日益增加，对制造企业灵活性、敏捷性要求越来越高。现阶段产品迭代速度明显加快，同一时期各产品需求量各异，并且产品工艺路径也不尽相同，单个产品批量生产需要配置机器数量较多，对产品依据加工工艺相似性聚类，并按一定策略混流生产，可大大提高生产线均衡性，从而缩短加工周期，同时减少所需机器数量。另外，产品需求因各种因素影响，存在巨大波动性，根据某一时期需求量配置机器，会存在资金和能源浪费，或者无法满足需求造成损失，可见，构建工厂时机器数量配置及其合理布局，对生产中降低成本至关重要。因此，根据各时期产品需求，动态调整虚拟单元配置和布局可降低物流成本，同时提高生产效率。但是，某一个制造单元仅加工一种类型产品或产品族时，可能存在产能冗余，从而造成资源浪费。在产能利用率未满的制造单元中加入其它相似产品族，将制造单元产能分配给多产品族使用，从而构建共享单元制造系统，无疑会大大提高机器利用效率，帮助制造企业提升生产灵活性，快速响应市场需求。
1.2研究内容与方法
1.2.1研究内容
本文从虚拟单元和微型单元两方面研究了共享单元制造优化问题，并分析了多个需求市场、多个生产工厂、多个生产周期、多种类型多批次产品等复杂场景，构建了0-1非线性规划模型，并提出了智能优化算法进行求解，具体内容如下：
（1）虚拟共享单元制造系统。将不同类型产品聚类形成产品族，将各产品族灵活组合进行混流生产，构建虚拟制造单元并配置多平行机，将共享单元的产能灵活分配给各个产品族，以总成本最小化为目标，建立该问题数学模型，并提出一种基于遗传的阻尼振动算法（GAVDO）来寻求模型最优解。通过大规模数值实验，对比GAVDO、遗传算法和阻尼振动算法，得出GAVDO具有更优异的性能。
（2）微型共享单元制造系统。在多类产品、差异需求、多地建厂等生产场景下，通过合理划分加工的工艺流程将机器组合为微型单元，并在分布式制造中集成多个微型制造单元。以总成本最小化和最大完工时间最小化为目标，提出了一个集成模型，求解微型单元构建、生产调度方案、工人和机器配置、及各批次产品的生产策略。针对该模型本文提出了多目标粒子群优化算法（MOPSO）进行求解，通过大规模数值实验与应用最广泛的多目标优化算法——非支配排序遗传算法II（NSGA-II）进行比较，得出该算法性能较优。
第2章 国内外研究现状
2.1制造单元虚拟化研究
单元制造系统的虚拟化研究受到了学界广泛关注。Liu等人[7]在资源约束条件下，综合考虑零件转运、加工能耗等成本，提出了一种虚拟单元制造模型。Rostami等人[8]提出了一种虚拟单元制造模型，并将该模型集成到供应链中，以最大化总利润、分组效率和新产品开发量为目标函数，通过实例验证模型可行性。Bortolini等人[9]以最小化产品加工、流转时间为目标函数，提出一种虚拟可重构单元制造模型，通过多场景实验证明该模型可降低加工时间。Liang等人[23]提出虚拟单元的实时调度协调模型，提出一些新的优先规则，来解决串行调度问题，同时最优化任务排序和资源负载均衡两个子问题。还有很多学者在单元构建问题中，同时与单元生产调度问题相结合，建立一种集成单元构建组合模型，从而降低生产过程中产生的管理成本。Liu等人[24]提出一种虚拟单元构建模型，并基于一种动态加工调度规则，使得运营成本成本最小化。Xue等人[25]提出一种虚拟可重构生产单元，将动态虚拟单元构建与分层生产计划相结合，在机器数量限制条件下满足动态需求，实现最大限度地降低运营成本。Kesen等人[32]比较了虚拟制造单元和传统单元，通过平均流时间和平均延误等性能指标，基于蚁群优化的元模型，证明所提出虚拟制造单元存在明显优势。Aalaei等人[40] 在不确定产品需求情况下下，结合劳动分配、多周期生产等因素，提出了一个动态虚拟单元制造系统和供应链设计的双目标优化模型。
2.2制造单元动态化研究
市场剧烈变化的今天，在需求高度波动的情况下，单元的需求可能会发生很大的变化，一些学者提出动态单元制造系统（DCMS），Nouri[10]考虑了动态环境中机器容量、工人可用性、单元数量、利用率水平以及库存短缺平衡等问题，提出多目标集成模型，实现运营成本最优的动态单元制造系统。Aalaei等人[11,12]提出动态调整虚拟单元中多平行机以适应市场需求，他们考虑了多个工厂和设施位置、多市场分配、劳动力分配、变动工厂容量水平等条件下的成本控制。Sarayloo等人[13]在成组技术基础上提出动态单元制造模型，以成本最小化为目标，确定各个不同时期生产调度和单元构建。Ajmal等人[14]对比动态产量和静态产量下，单元组合策略的机器维护和间接费用、机器采购、机器设置和内部/内部材料移动成本的最小化模型。Almasarwah等人[15]以最小化机器数量为目标，考虑了移动瓶颈机器以适应产品需求量的变化。他们提出一种柔性流水化单元制造模型，结果表明，柔性流水作业化设计能有效地减少机器的数量，提高单元制造系统的效率。Delgoshaei等人[16]提出变化市场需求下，生产能力受限的多平行机模型，以实现内部生产和外包结合后利润最大；另外，通过动态调整单元工作量，以实现平行机单元负荷均衡。Elmi等人[22]考虑了需要访问不同单元中的机器的异常部件和需要以非连续方式访问多台机器的可重入部件，以最小化最大完工时间为目标函数建立了一个动态单元调度模型，并开发了一种基于模拟退火（SA）的求解该模型。Ghosh等人[34]提出一种二次分配规划模型，解决动态生产环境中单元间布局设计问题，建立考虑物料搬运成本和制造单元间修正的邻近关系。Kia等人[36]提出动态环境下，多并行机、不等大小设备单元布局集成模型，使用模拟退火求解，证明该模型可有效节约工厂运营成本。
第3章 虚拟共享制造单元优化研究 ................... 12
3.1 虚拟共享制造情景描述................. 12
3.2 产品族聚类方法 ................................ 13
第4章 微型共享制造单元优化研究 ..................... 29
4.1 微型共享制造情景描述................................... 29
4.2 微型共享制造单元模型构建 ..................... 30
第5章 总结和研究展望 ........................... 45
5.1 研究总结 .................................. 45
5.2 研究展望 .................................. 46
第4章 微型共享制造单元优化研究
4.1微型共享制造情景描述
随着人工智能的发展，微型化分布式生产也受到越来越广泛关注。GE（美国通用电气公司）应用3D打印技术，在南卡罗来纳州、宾夕法尼亚、印度等多地构建微型工厂，并首次合并石油和天然气生产线，使用新型微型工厂可实现生产燃气轮机的复杂元件，同时大大降低成本、提高性能，还能减少废料的排放。与此同时，诞生了许多在线制造服务商如Xometry，吸引了全球数百万用户参与制造。在新冠疫情蔓延初期，个人防护物资与设备供不应求，批量生产的速度太慢，无法应对突然激增的需求。此时，大规模分布式生产的潜力就立刻凸显。在全球范围内，数百万人（其中绝大多数人没有制造防护产品的经验）使用台式3D打印机和其他小型制造设备参与了防护罩和其他个人防护产品的生产制造。可见，分布式生产对于制造企业应对疫情风险、保障市场竞争力至关重要。企业在多地区建厂也会存在人力和转运等成本的差异，需要通过合理决策来提升制造企业的稳定性和适应性。
传统制造单元多是依据产品制造全流程形成，随着产品更加多元，制造单元亟待提升灵活性以适应生产需要。传统制造单元会使得加工等待时间延长，需要将加工过程合理划分为多阶段加工，将机器分阶段组合为微型制造单元，合理配置平行机提升生产线平衡率，进而提高生产效率，适应大规模定制时代小批量生产模式。
本文拟研究的优化问题将微型单元和分布式生产结合，形成一个集成模型解决多平行机的微型制造单元构建、分布式生产工厂构建和生产调度问题。此问题基于以下假设：
1)市场：已知市场数量、市场中包含的产品需求来源、加工工厂、加工所需人力和机器等资源。不同市场对不同类型产品需求量存在差异，不同市场间距各异，劳动力雇佣成
