本文是一篇企业管理论文，本文基于自组织生产线，利用 Plant-Simulation 仿真软件构建了 3 条 U 型自组织生产线模型（引入非自组织生产线-Tr 线是为了与自组织生产线 BB 线、CBB 线和 CO 线在同等条件下进行产能对比）。使用实验设计、数学建模的方法研究了构型因素和员工指派策略对 U 型自组织生产线产能的影响。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景
上世纪 70 年代初，自组织系统理论开始使用并逐渐发展为一种系统理论，主要内容是系统开始运行后，不受外界干扰情况下，依靠系统内部的某种逻辑各尽其责自发地从无序状态走向有序状态[1]。自然界中，随处可见自组织现象，如蚂蚁搬家、蜜蜂采蜜等都是高度的自组织现象，它们在无外界干扰情况下，自发协调群体成员实现觅食和防御等行为。此外，萤火虫同步扇动翅膀也同样具有高度自组织性[2]。除自然界以外，在人类社会中，也同样存在高度自组织性。早期科技不发达，为了灭火，消防队员通常需要彼此之间传递水桶以实现救火目的，其中的水桶传递就是典型的自组织现象。
与自组织相对应的是他组织，早在自组织引入生产领域之前，以流水线为典型代表的他组织存在生产节拍控制和生产线平衡等 NP 难问题。具体表现为生产管理人员需要通过提前计算好生产节拍和周期，控制系统平衡以及有序生产情况，平衡流水线。若外界需求发生变化，生产线管理人员则需要对系统进行反复的生产平衡。为了解决传统流水线存在的 NP 难问题，20 世纪 70 年代具有部分自组织特性的生产线开始在纺织品生产车间出现，这种生产线所在系统被命名为“丰田缝纫制造管理系统”（以下简称“TSS 线”）[1]，TSS 线的典型特点是管理人员无需进行反复的生产任务平衡，就能实现加工任务的部分自组织，但不一定能实现自平衡[3,4]。受 TSS 线部分自组织现象的启发，1996 年佐治亚理工学院 Bartholdi教授和芝加哥大学 Eisenstein 教授将“Bucket Brigades”（以下简称“BB 线”）规则引进生产线平衡问题的研究中，发现在不需要外界干预情况下，系统能够实现自组织，而且能够实现自平衡，解决了以往生产系统中的生产线平衡难题[1]。
1.2 研究目的与意义
1.2.1 研究目的
（1）运用 Plant-Simulation 仿真平台模拟真实的 U 性自组织生产线，建立贴合生产实际的模拟场景，保证生产线真实性、可靠性和可视性。相对而言，本文避免了以往研究中为了研究方便，对生产系统进行简化并且忽略一定生产条件，造成简化后的生产系统无法真实准确还原生产现场的问题。
（2）利用实验设计方法设计生产环境，运用仿真模型探究构型因素中过道宽度变化以及员工加工速度/行走速度变化对 U 型自组织生产线产能的影响。具体需要在仿真模型中设置不同参数，运行仿真模型，收集仿真数据，对数据进行统计分析，得出统一生产构型下过道宽度和员工速度比分别对生产线产能的影响。
（3）利用实验设计方法设计生产环境，通过仿真模型探究员工异质性和工序不平衡性下 U 型自组织生产线产能最大化的员工指派策略。具体需要在仿真模型中设置不同参数，运行仿真模型，获得实验数据结果，并对数据进行统计分析，得出统一生产构型下员工异质性和工序不平衡性下 U 型自组织生产线产能最大化的员工指派策略。
1.2.2 研究意义
（1）理论意义
以往研究多数利用数学建模来研究不同的自组织生产线，且为了计算简便，搭建模型时会简化一些条件，从而使实际值与计算值之间存在较大差距，无法反映真实的生产线运作情况。本文采用西门子模拟仿真软件 Plant-Simulation，通过实验设计方法对比分析自变量（构型因素和员工指派策略）对 U 型自组织生产线产能的影响，通过参数设置，模型运行，数据收集等方式得到不同自组织生产线的运行状态以及适应能力数据，更加贴合实际生产。从理论上进一步指导生产实践，减少实验成本；此外，首次在 U 型自组织生产线统一实验水平下，开展了以构型因素为自变量、产能为因变量的实验，扩展和补充了 U 型自组织生产线的研究内容及理论基础，提供了理论层面参考。
第 2 章 文献综述
2.1 自组织理论概述
20 世纪 70 年代初，自组织理论兴起并逐渐发展成为一种系统理论。主要内容为：在不需要外界干预的情况下，系统能够按照自身内部的某种默契从无序状态走向有序状态[1]。自组织生产系统则是将自组织理论运用在生产系统中，主要是生产线的设计中。引入自组织理论后，生产线不需要外界管理人员人为平衡，员工会根据生产线的运行规则动态合理划分加工任务以应对外界需求的变化，这就是生产线的自组织过程。生产制造领域的唯一成功应用的自组织生产线是 BB线。以 BB 线为代表的自组织生产线能够实现自组织和自平衡，原因在于员工不是被安排在固定工序上，而是能够通过位置移动的方式动态合理的分担生产任务，这种生产系统又被称为“工作分享系统”[7]。
2.2 工作分享系统文献综述
工作分享系统中，需要重点考虑员工和设备是否是影响生产线产能的限制性资源。当员工和设备是生产系统中的限制性资源时，减少限制性资源造成的空闲时间是提高生产系统产能的关键。例如，实际生产线中，当员工是限制性资源时，减少员工的空闲时间是提高生产效率的重中之重；当设备是限制性资源时，提高设备利用率是增加产能的关键。由于员工在每台设备上的加工时间不确定（员工异质性—加工效率差异）、设备数与员工数的比值、加工速度/行走速度差异会造成员工饥饿和堵塞，进而导致空闲时间增加等问题。为了减少时间浪费，企业和研究人员做了大量探索和努力，后来研究人员发现工作分享能有效解决这个问题。在生产线上，当设备不是唯一分配给某个员工的时候，工作分享就发生了。例如“3 工站 2 员工”系统中，2 个员工通过交替使用中间工站上的设备，完成中间设备上（部分或者全部）的任务来实现工作分享。具体而言，员工 W1 负责工站 M1、M2，员工 W2 负责工站 M3，由于 W1 加工效率低，W2 只能在 M2 后等待，如果W2 也掌握了 M2 上的部分或全部任务技能，那么 W1 浪费的产能则会被 W2 在M2 上加工的任务弥补，反之亦然。实行工作分享两个好处，首先，工作分享的灵活性减少了加工过程中因新员工加入、产品工序改变或设备临时故障而带来的多变性；其次，工作分享通过员工交替执行特定工站上的任务平衡了生产线，减少了过程的波动性。事实上，这就是生产线的自平衡和自组织过程。Bartholdi 和Eisenstein (1996)介绍了发生自平衡的一个环境，将“Bucket-Brigade”规则引入生产系统后，在确定加工时间和员工效率排序满足从最慢到最快的情况下，员工能够通过动态划分最优工作量使 BB 线达到自平衡状态[1]。Chen 和 Askin（2006）指出通过移动员工模块（Moving Worker Modules-MWM）可以实现工作分享[8]。廖世龙等（2012）将该模式称为员工行走生产线（Worker Walking-WW 线），此系统中员工数比设备数少，每个设备上都有确定的加工任务类型。员工在 WW 线中携带工件沿生产线行走加工，并在两员工相邻区域的共享设备上根据具体情况发生共享任务行为。WW 线表现出良好的效应：员工利用率高、工作兴趣高、责任感强、在制品少、生产线容易平衡等，因此在实践中被广泛应用[5]。典型的 WW线包括樱桃拣选策略（Cherry Picking-CP）、技能链（D-skill chaining-DSC）、丰田缝纫生产系统（Toyota Sewn Product Management System-TSS）、桶队模型（Bucket-Brigades-BB）、“追逐-超越”生产线（Chasing-Overtaking-CO）、蜂窝式桶队模型（Cellular Bucket Brigades-CBB）[9]。
第 3 章 U 形自组织生产线仿真平台的建立 ............................ 27
3.1 离散生产系统建模方法与分类 .................................... 27
3.1.1 离散事件系统仿真建模方法 .......................... 27
3.1.2 离散事件系统仿真内容和作用 ............................. 28
第 4 章 构型对 U 型自组织生产线产能影响仿真研究 ................. 43
4.1 U 型自组织生产线构型参数 ................................... 43
4.2 考虑构型的 U 型自组织生产线产能数学模型建立 .......................... 43
第 5 章 员工指派对 U 型自组织生产线产能影响研究 ................................... 52
5.1 U 型自组织生产线中的员工异质性 ........................... 52
5.1.1 员工的异质性的概念 ....................................... 52
5.1.2 员工异质性的数学模型构建 ....................... 52
第 5 章 员
