人机协同双边装配线平衡：模型、算法及应用

作者简介

武汉科技大学机械自动化学院博士生导师、国家二级教授、生产系统工程研究所所长。1992年毕业于东北大学机械系，2000年于武汉科技大学获工学硕士学位，2005年于武汉理工大学获工学博士学位，2008年赴美国普林斯顿大学复杂系统实验室交流访问。主持三项国家自然科学基金面上项目及高等学校博士学科点博导类课题等，参与国家级或省级项目多项。在《Applied Mathematical Modeling》、《Energy》、《机械工程学报》等国内外重要学术期刊和会议上发表论文100余篇，被SCI/EI/ISTP收录50余篇、合作发表论著2部、取得国家发明专利2项。现为美国ASME会员、计算机集成制造系统理事、湖北省运筹学学会理事、湖北省工业工程学会理事、EJOR等权威期刊的审稿专家。获“三八红旗手标兵”、“巾帼十佳”、武汉市优秀论文奖、武汉市科学技术成果奖、中国机械工程学会优秀论文、机械工程学会嘉奖等荣誉，列入2017 年《机械工程学报》高被引作者榜单，2017年12月获国家自然科学基金委机械工程学科2016 年度结题优秀奖。

内容简介

区别于现有的论文和专著，本书的主要特色如下： (1) 课题为科研前沿，迎合了智能装配的工业需求。人机协同装配线是随着协作机器人的发展而形成的新型装配线，当前的研究尚处于起步阶段。本书按照员工装配线、机器人装配线和人机协同装配线平衡问题的顺序逐步深入，对装配线的装配方式和人机协同模式进行了全面的总结和归纳；同时，在现有研究的基础上对问题进行了拓展，以进一步满足汽车装配线的实际生产需求。 (2) 求解方法新颖且全面，便于企业选择和应用。区别只采取单一或者少量求解方法的论文和书籍，本书覆盖了大多数高效且新颖的求解方法，包括布谷鸟搜索算法、人工蜂群算法和候鸟优化算法等。同时，本书为每个算法提供了详细的介绍和流程说明，有助于读者快速实现所介绍的算法，同时也便于企业基于调度需求选择合适的方法。特别地，本书在算法设计中采取了高效的解码机制，以实现产线的平衡和缩短工位的空闲时间。新的解码可有效提升算法的性能，帮助算法在更短的时间内获得更优的调度方案。 基于作者和国内外同行在双边装配线平衡问题方面所获得的研究成果，本书依次讨论了员工装配线平衡优化、机器人装配线平衡优化、考虑人机独立协同的人机协同双边装配线平衡优化、考虑人机合作协同的人机协同双边装配线平衡优化，以及考虑成本和效率的人机协同双边装配线的多目标优化等的问题特征、数学模型及智能优化算法。本书分为7章，每章的主要内容简要说明如下。 第1章为绪论，主要介绍人机协同双边装配线的问题描述和优化算法。 第2章介绍了以最小化生产节拍为优化目标的员工双边装配线平衡优化问题。 第3章介绍了以最小化生产节拍为优化目标的机器人双边装配线平衡优化问题。 第4章介绍了考虑人机独立协同的人机共线双边装配线平衡优化问题。 第5章介绍了以最小化生产节拍为优化目标，考虑人机合作的人机协同双边装配线平衡优化问题。 第6章介绍了考虑成本和效率的人机协同双边装配线的多目标优化问题。 第7章采用本书中介绍的智能算法，对取自某汽车总装厂的人机协同双边装配线平衡案例进行优化。 随着机器人技术和制造业的发展，人机协同装配以其在成本、效率和智能化方面的优势，逐步应用于装配制造业，并成为复杂产品装配的首选方式。人机协同装配并不是简单粗暴的“机器换人”，而是将工业革命以来极度细化的人工流水线工作，拉回到“以人为本”的组织模式，让机器人和员工分别从事自己更擅长的事：机器承担更为重复、枯燥、负重及危险的工作，员工承担更多具有创造性和灵活性的工作。基于员工和机器人之间的优势互补，人机协同装配更宜于人性化操作设计，更有利于提升装配效率，提高经济效益，稳定产品质量，及时响应市场波动，故而人机协同装配也成为未来智能化生产的重要基础。 人机协同双边装配是汽车、摩托车等大型复杂产品装配时所采用的装配方式。由于装配线上每一成对工位中可布局左、右两个工位，因此装配线长度更短，物料搬运成本更低，在制品数量更少。同时，部分设备能被更多工位共用，不同工位之间更易于合作，生产过程的柔性更强，且企业运营成本更低。然而，在人机协同双边装配的操作模式下进行装配线平衡时，必须考虑人机操作匹配、人机布局、操作分配等多个子问题，这也导致装配线平衡问题复杂度显著提高。 本书结合汽车装配企业的需求，针对人机协同双边装配的能力规划与作业调度，挖掘人机装配能力特性、系统特有约束，构建了问题的模型和智能算法。研究成果将丰富现有的装配调度理论，有望提升我国汽车装配的管理水平，促进我国装配制造业的自动化和智能化升级。本书可作为机械工程、管理科学和工程、计算机科学和技术等学科的教师、学生和相关研究人员的参考书，书中提供的模型和算法也可协助装配线优化工程师实现双边装配线的持续改进。