本文是一篇工程管理论文，本文针对A企业的发动机混流装配线的生产周期过长、作业时间不均衡和操作者工作负荷差异过大等问题，设计了考虑工作负荷的优化方案，建立了考虑操作者脑力负荷和体力负荷的混流装配线平衡模型，以实现均衡操作者的工作负荷的同时，合理分配工序，降低生产节拍并均衡工作站间的空闲时间，进而提高装配线平衡率和生产效率。
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.1.1 研究背景
混流装配线（Mixed-model Assembly Line, MMAL）是指能够同时生产出多种不同型号、规格产品的装配线，具有混合投产、连续和柔性等特点，汽车等以装配为主的企业为满足客户日益多样化的需求，逐渐由单品种、大批量向多品种、小批量生产模式转型，因此混流装配线成为了该类企业的主要装配方式之一。在现代制造中，装配工作量占产品研制总工作量的20%-70%，装配时间占制造总时间的40%-60%，装配占用的手工工作量大、成本高，且是产品生产的后端环节，提高产品的装配质量和效率对于制造企业具有重要意义[1]。装配线平衡率在很大程度上决定了混流装配线的效率和资源利用率，因此，优化混流装配线的平衡状态，对于提高企业的核心竞争力发挥着至关重要的作用。
现有的混流装配线平衡研究侧重于从布局设计和任务分配等方向消除非增值时间以提高装配线平衡率，却常常忽略了操作者疲劳等因素。随着客户的需求日益多变，混流装配线的柔性和复杂度也随之提高，操作者的工作负荷日趋增大，患职业疾病的概率持续上升，在汽车制造业中，由于工作负荷累积导致劳动损伤，进而诱发的工作相关肌肉骨骼疾患（Work-related Muscular Skeletal Disorders, WMSD）是造成操作者缺勤并影响装配效率的主要原因[2]。操作者作为混流装配线的核心，其工作状态对于装配线平衡率的提高至关重要。近年来，减少人因风险成为了装配车间的优先议题，考虑工作负荷的混流装配线平衡研究成为了汽车制造企业的主要研究方向。在此背景下，测评装配过程中操作者的工作负荷水平、合理分配工作内容，以实现作业时间和工作负荷整体均衡，进而提高装配线平衡率，既有助于企业保证操作者身体健康、提高操作者的工作积极性和生产效率，又为提升汽车制造业的制造水平提供了有力保障。
1.2 国内外研究现状
19世纪初，福特公司设计出装配流水线并应用于生产中，装配线提高了企业的生产效率、降低了装配成本，随着装配线在制造业中被广泛应用，装配线平衡问题应运而生[3]。1954年，美国学者Bryton[4]首次提出装配线平衡问题（Assembly Line Balancing Problem，ALBP）；1955年，Salveson[5]首次针对装配线平衡问题，建立其线性规划模型并求解。装配线平衡是指在给定的约束条件下，根据优化目标，将产品的所有装配工序任务合理地分配到各个工作站，最小化工作站间在工作周期内的空闲时间，以完成最多的操作量，属于典型的NP-hard问题[6]。
装配线平衡问题根据装配线的阶段，可分为以下三类问题，第一类问题：装配线的设计初期阶段，给定生产节拍，最小化工作站数量。第二类问题：装配线的优化阶段，给定工作站数量，最小化节拍时间。第三类问题：生产线的完善阶段，给定工作站数量和生产节拍，最小化平滑系数。根据装配线布局方式分类：直线型、U型、L型装配线问题。根据装配线作业方式分类：单边装配线、双边装配线。根据作业时间是否确定分类可分为确定型、随机型装配线平衡问题[7]。根据装配线上待装配产品的品种可分为单一品种装配线、多品种混流装配线。相比于刚性的单一品种装配线，混流装配线具有柔性，装配的产品可根据订单需求在一定范围内变化[8]。
第2章 A企业发动机混流装配线现状与问题分析
2.1 企业概况
A企业汽车发动机公司是中国领先的独立品牌汽车发动机生产商，专注于为各类汽车和其他机械设备提供高效、环保、节能的发动机产品，该公司目前拥有超过3000名员工，在全国建立了多个生产基地，具备70万台动力总成产能，发动机市场保有量超过200万台。自A公司成立以来，始终坚持“持续创新、客户第一”的企业价值观，以客户需求为导向，持续加大研发力度、提高发动机性能、提升生产效率，致力于生产满足全球市场需求的动力强、品质好的发动机。
随着市场竞争持续加剧，汽车发动机的质量和生产速度伴随着市场需求的变化而日益严格。近年来，A企业的发动机产品处于行业领先地位，其需求量和订单也日益增多，因此，A企业的发动机混流装配线正处于急需优化生产效率的阶段。同时，A企业将“以人为本”作为企业文化，强调人的核心地位和价值，A企业的管理人员认为，工人是直接参与生产过程的关键力量，培养工人成为熟练工是企业保证生产效率的基础，保障工人的健康是企业长期稳定发展的途径。因此，混流装配线的产能提升不仅要体现在优化生产节拍，对工人的健康状态的把控也尤为重要。
2.2 发动机混流装配线问题分析
通过在A公司的发动机混流装配线进行现场调查，记录了工序与工作站的分配情况，结合秒表时间研究测定的时间数据，总结现有的工序分配与标准时间统计表如表2.9所示。
由表2.9可知，该发动机混流装配线的实际生产节拍为278.8s，经计算该混流装配线的装配线平衡率为75.25%。75.25%的装配线平衡率与其他装配线相比，仍处于较低的水平，管理人员认为装配线平衡率应达到85%才可认为该装配线处于合格状态，因此，需对该发动机混流装配线进行优化以提高装配线平衡率。
此外，A企业的汽车发动机作为一种结构复杂和精密的产品，其装配过程中的工序繁多、技术要求严格、质量控制标准高。同时，混流装配生产模式使操作者要同时应对多种型号产品的装配任务，这对操作者的身心状态提出了更高要求。在混流装配线现场进行走访和调研的过程中，主要对操作者的作业过程进行观察，发现部分工作站的作业内容较为复杂和繁琐，同时作业时间也较长，而部分工作站内的作业内容则相对简单，这一工序分配不合理的问题直接导致一些操作者长期面临相对较大的工作负荷，而其他一些操作者则有较长的休息时间，进而使操作者的工作满意度降低，影响生产效率和稳定性。
为进一步分析A企业的发动机混流装配线的平衡率低进而导致生产效率较低的原因，将基于现场调研得到的信息与发现的问题，采用因果图方法，从人员、机器、材料、方法、环境和测量六个方面对生产效率较低的问题进行分析，具体如图2.7所示。
第3章 考虑工作负荷的混流装配线平衡模型的建立 ..................... 27
3.1 脑力负荷模型的建立 ........................... 27
3.1.1 脑力负荷评价方法的选择 ................................. 27
3.1.2 基于任务刚度法的脑力负荷模型的建立 ....................... 29
第4章 改进的NSGA-II算法设计 ..................................... 47
4.1 NSGA-II算法的原理及特点 ............................. 47
4.2 算法设计 .............................. 50
第4章 改进的NSGA-II算法设计 ............................. 47
4.1 NSGA-II算法的原理及特点 ................................... 47
4.2 算法设计 ................................ 50
第5章 A企业发动机混流装配线平衡优化研究
5.1 基础数据
在先前的章节中，已经对A企业的发动机混流装配线的装配流程、工序优先关系等现状进行了描述，并对该混流装配线平衡问题进行了理论分析及数据测定。汇总3种类型发动机的各道工序的操作时间、综合作业时间、任务刚度、疲劳系数和恢复系数如表5.1所示。
第6章 结论与展望
6.1 结论
本文针对A企业的发动机混流装配线的生产周期过长、作业时间不均衡和操作者工作负荷差异过大等问题，设计了考虑工作负荷的优化方案，建立了考虑操作者脑力负荷和体力负荷的混流装配线平衡模型，以实现均衡操作者的工作负荷的同时，合理分配工序，降低生产节拍并均衡工作站间的空闲时间，进而提高装配线平衡率和生产效率。论文的结论如下：
(1)针对工作负荷评价方法中脑力负荷与体力负荷结合协同考虑不全面、以及忽视宽放时间对恢复过程的影响的问题，提出一种基于脑力刚度以及相对心率的工作负荷评价模型。首先，基于考虑休息时间的加权任务刚度法建立脑力负荷评价模型。其次，设计心率测试实验以获得操作者在进行装配作业时的心率数据，并基于白化权函数建立适用于该发动机混流装配线操作者的体力负荷评价模型。最终，建立工作负荷评价模型，为评价操作者的工作负荷状态提供理论支持。
(2)针对工作负荷分配不均衡的问题，提出一种考虑操作者的工作负荷的混流装配线平衡优化模型，并设计改进的NSGA-II算法进行求解。首先，基于企业现状，将本文研究的问题归为第II类装配线平衡问题。其次，以最小化生产节拍、最小化空闲时间平滑指数和最小化工作负荷均衡指数作为优化目标，并将工作负荷评价模型引入进装配线平衡模型中，以综合构建平衡模型，在避免工作站之间的作业时间和工作负荷差距较大的同时，降低生产节拍、提高生产效率和装配线平衡率。最后，对原始的NSGA-II算法的初始化种群方法、选择、交叉和变异操作进行改进，以维持种群多样性、避免算法过早陷入局部最优、提高算法在搜索初期的全局搜索能力和后期的局部搜索能力，为有效解决混流装配线平衡问题提供技
