生产系统的多目标分析与优化.docx

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生产系统的多目标分析与优化

摘要

随着产业结构的调整,我国成为全球制造中心的趋势将越来越明显，但作为一个“劳动密集型”为主的国家，我国人均劳动生产率和产品合格率与国外相比存在着较大的差距。

本文正是在这种背景下，结合系统工程、基础工业工程、人因工程、运筹学等学科的理论和方法展开研究的。

本文以天津耀华机械厂生产系统为研究对象，首先，利用系统工程的的方法对生产系统中生产效率、作业环境、成本、产品质量、安全多个目标进行分析，根据分析结果建立影响生产系统效率因素的结构模型图。

其次，对影响生产系统因素运用层次分析法，对各因素进行排序，找出主要问题因素。

最后，运用工业工程和人因工程学中的方法（如方法研究）对生产系统进行改善，得出改善结果，并进行改善后的评价，得到一个最优、满意、高效的生产系统。

关键词：

生产系统；多目标；系统工程；层次分析法；方法研究

Abstract

Withtheadjustmentofindustrialstructure,Chinahasbecometheworld'smanufacturingcenterofthetrendwillbecomeincreasinglyevident,butasa"labor-intensive"basedcountry,China'spercapitalaborproductivityandproductqualificationratecomparedwithothercountriestherearelargegap.Thisarticleisinthiscontextthatcombinessystemsengineering,basicindustrialengineering,humanfactorsengineering,operationsresearchandotherdisciplines,theoriesandmethodsforResearch.

Inthispaper,TianjinYaohuamachineryfactoryproductionsystemastheresearchobject,firstofall,theuseofsystemsengineeringapproachtoproductionefficiencyproductionsystem,operatingenvironment,cost,productquality,safetyanalysisofmultipletargets,accordingtotheresultsoftheanalysistoestablishaffectingproductionsystemsefficiencyfactorstructuralmodeldiagram.Secondly,thefactorsaffectingtheproductionsystemusingAHPtosortthevariousfactorstoidentifykeyissuesfactor.Finally,theuseofindustrialengineeringandhumanfactorsengineeringmethodsin（suchasamethodof）theimprovementoftheproductionsystem,toimprovetheresultsobtained,andmakeimprovementsafterevaluation,togetanoptimalandsatisfactoryandefficientproductionsystems.

Keywords:

productionsystems;multi-objective;systemsengineering;AHP;Methods

目录

摘要I

AbstractII

目录III

1绪论1

1.1选题背景和意义1

1.2国内外现状研究2

1.3文章结构简介2

2生产系统分析与优化的相关概念与理论3

2.1多目标规划的基本概念3

2.1.1多目标规划的定义3

2.1.2多目标规划的产生与发展3

2.2生产系统的基本概念5

2.2.1生产系统的定义及主要要素5

2.2.2系统改进的原因6

2.2.3系统分析定义及主要内容7

2.3层次分析相关理论8

2.3.1层次分析法的基本原理与步骤8

2.3.2递阶层次结构的建立与特点8

2.4方法研究9

2.4.1方法研究的定义与内容9

2.4.2方法研究的层次10

2.4.3程序分析10

3生产系统多目标分析与结构模型12

3.1企业概况12

3.1.1公司基本情况12

3.1.2公司组织结构图13

3.2多目标分析14

3.3生产系统结构模型17

3.2.2生产系统各要素可达矩阵的建立17

3.2.3可达矩阵R的区域与级别划分18

3.2.4生产系统分析解析结构模型的建立19

4层次分析法对生产系统的分析21

4.1建立层次结构模型21

4.2建立判断矩阵并计算22

4.2.专家打分22

4.2.2构造判断矩阵及一致性检验24

4.2.3层次总排序及一致性检验28

4.2.4运用排列图找出关键因素30

5生产系统的多目标优化31

5.1方法研究对生产系统的优化31

5.1.1轴承套圈磨加工工艺程序的分析与优化32

5.1.2轴承套圈车加工流程程序的分析与优化35

5.1.3热处理车间布置和路径的分析与优化39

5.1.4外购件接收管理事务的分析与优化41

5.2设备性能优化43

5.2.1设备的故障规律44

5.2.2设备更新45

5.2.3制定耀华机械厂设备维修保养制度47

5.3工作环境改善49

5.3.1噪声环境改善49

5.3.2微气候环境改善52

5.4其他方案优化53

结论54

致谢56

参考文献57

附录A59

TheABCsofSupplyChainManagement59

附录B67

供应链管理ABC67

1绪论

1.1选题背景和意义

对于许多规划问题,常常需要考虑多个问题,即多个目标的优化,如企业经济效益、生态效益、社会效益以求出对企业最有利的实施方案。

这就需要用到多目标规划方法来解决问题。

多目标分析作为系统分析的一种，是为了发挥系统的功能及达到系统的目标，利用科学的方法和工具，对系统的目的、功能、结构、环境、费用与效益等问题进行周详的分析、比较、改进和实验。

采用系统工程思想对事物进行探讨时，决策者可以获得对问题的综合的和整体的认识，既不忽略内部各因素的相互关系，又能顾全外部环境变化所可能带来的影响，特别是通过信息，及时反映系统的作用状态，随时都能了解和掌握新形势的发展。

在已知的情况下，以最有效的策略解决复杂的问题，一期顺利地达到系统的各项目标。

本论文研究的对象是一个制造企业，制造业直接体现了一个国家的生产力水平，是区别发展中国家和发达国家的重要因素，制造业在世界发达国家（developedcountries）的国民经济中占有重要份额。

同时，制造业是我国的核心力量和支撑行业，我国的制造业发展迅速，但是大而不强，存在生产率低，浪费严重等不足，作为经济社会发展的重要依托，制造业是我国城镇就业的主要渠道和国际竞争力的集中体现。

2012年下半年由于日货在国内被第二次抵制，加上国内爆发的大规模抵制日货行为。

因此，中国制造业感受到了来自外界和内界的巨大生存压力，包括员工的分配压力，员工数量上的缺失双重压力，因此，中国开始注重培养制造业的员工，并大力扶植中国的制造产业。

本文在参阅有关多目标规划学研究和应用文献的基础上,阐述和归纳了多目标规划的基本概念、基本研究方法和研究内容。

从系统工程的角度出发运用了目标规划理论和方法完成了企业生产系统改善方案的整体设计,确定了生产系统改善方案的设计目标和设计原则,在降低生产成本和提高经济效益等方面提出了具体的方案设计,并提出了相应的整改措施,对改善后的预期效果进行了分析。

从车间现场现状入手,对企业生产系统中的各种因素,作了详细调查和分析,总结并归纳了目前存在的问题，在实践中探索如何利用工业工程的方法减少制造过程中的浪费，提高生产率，提高产品质量，提升企业整体效益。

1.2国内外现状研究

本学科起源于欧洲，形成于美国，是数学规划的一个分支。

研究多于一个的目标函数在给定区域上的最优化,又称多目标最优化。

通常记为MOP（multi-objectiveprogramming）。

在很多实际问题中，例如经济、管理、军事、科学和工程设计等领域，衡量一个方案的好坏往往难以用一个指标来判断，而需要用多个目标来比较，而这些目标有时不甚协调，甚至是矛盾的。

因此有许多学者致力于这方面的研究。

1947年，J.冯·诺伊曼和O.莫根施特恩从对策论的角度提出了有多个决策者在彼此有矛盾的情况下的多目标问题。

1951年，T.C.库普曼斯从生产和分配的活动中提出多目标最优化问题，引入有效解的概念，并得到一些基本结果。

同年，H.W.库恩A.W.塔克尔从研究数学规划的角度提出向量极值问题，引入库恩-塔克尔有效解概念，并研究了它的必要和充分条件。

1963年，L.A.扎德从控制论方面提出多指标最优化问题，也给出了一些基本结果。

1968年，A.M.日夫里翁为了排除变态的有效解，引进了真有效解概念，并得到了有关的结果。

虽然前辈们为之付出了巨大的努力，但是至今关于多目标最优解尚无一种完全令人满意的定义，所以在理论上多目标规划仍处于发展阶段。

1.3文章结构简介

图1.1结构框架

2生产系统分析与优化的相关概念与理论

2.1多目标规划的基本概念

2.1.1多目标规划的定义

多目标是数学规划的一个分支。

研究多于一个目标函数在给定区域上的最优化。

又称多目标最优化。

通常记为VMP。

在很多实际问题中，例如经济、管理、军事、科学和工程设计等领域，衡量一个方案的好坏往往难以用一个指标来判断，而需要用多个目标来比较，而这些目标有时不甚协调，甚至是矛盾的。

因此有许多学者致力于这方面的研究。

1896年法国经济学家V.帕雷托最早研究不可比较目标的优化问题，之后，J.冯•诺伊曼、H.W.库恩、A.W.塔克尔、A.M.日夫里翁等数学家做了深入的探讨，但是尚未有一个完全令人满意的定义。

求解多目标规划的方法大体上有以下几种：

一种是化多为少的方法，即把多目标化为比较容易求解的单目标或双目标，如主要目标法、线性加权法、理想点法等；

另一种叫分层序列法，即把目标按其重要性给出一个序列，每次都在前一目标最优解集内求下一个目标最优解，直到求出共同的最优解。

对多目标的线性规划除以上方法外还可以适当修正单纯形法来求解；

还有一种称为层次分析法，是由美国运筹学家沙旦于70年代提出的，这是一种定性与定量相结合的多目标决策与分析方法，对于目标结构复杂且缺乏必要的数据的情况更为实用。

2.1.2多目标规划的产生与发展

多目标最优化思想，最早是在1896年由法国经济学家V.帕雷托提出来的。

他从政治、经济学的角度考虑把本质上是不可比较的许多目标化成单个目标的最优化问题，从而涉及了多目标规划问题和多目标的概念。

1947年，J.冯•诺伊曼和O.莫根施特恩从对策论的角度提出了有多个决策者在彼此有矛盾的情况下的多目标问题。

1951年，T.C.库普曼斯从生产和分配的活动中提出多目标最优化问题，引入有效解的概念，并得到一些基本结果。

同年，H.W.库恩和A.W.塔克尔从研究数学规划的角度提出向量极值问题，引入库恩-塔克尔有效解概念，并研究了它的必要和充分条件。

1963年，L.A.扎德从控制论方面提出多指标最优化问题，也给出了一些基本结果。

1968年，A.M.日夫里翁为了排除变态的有效解，引进了真有效解概念，并得到了有关的结果。

自70年代以来，多目标规划的研究越来越受到人们的重视。

至今关于多目标最优解尚无一种完全令人满意的定义，所以在理论上多目标规划仍处于发展阶段。

1、劣解和非劣解

（1）劣解：

如某方案的各目标均劣于其他目标，则该方案可以直接舍去。

这种通过比较可直接舍弃的方案称为劣解。

（2）非劣解：

既不能立即舍去，又不能立即确定为最优的方案称为非劣解。

非劣解在多目标决策中起非常重要的作用。

单目标决策问题中的任意两个方案都可比较优劣，但在多目标时任何两个解不一定都可以比较出其优劣。

如图1.2，希望f1和f2两个目标越大越好，则方案A和B、方案D和E相比就无法简单定出其优劣。

但是方案E和方案I比较，显然E比I劣。

而对方案I和H来说，没有其它方案比它们更好。

而其它的解，有的两对之间无法比较，但总能找到令一个解比它们优。

I、H这一类解就叫非劣解，而A、B、C、D、E、F、G叫作劣解。

如果能够判别某一解是劣解，则可淘汰之。

如果是非劣解，因为没有别的解比它优，就无法简单淘汰。

倘若非劣解只有一个，当然就选它。

问题是在一般情况下非劣解远不止一个，这就有待于决策者选择，选出来的解叫选好解。

对于m个目标，一般用m个目标函数f1（x）,f2（x）,fm（x）刻划，其中x表示方案，而x的约束就是备选方案范围。

最优解：

设最优解为x*，它满足

（3）选好解：

在处理多目标决策时，先找最优解，若无最优解，就尽力在各待选方案中找出非劣解，然后权衡非劣解，从中找出一个比较满意的方案。

这个比较满意的方案就称为选好解。

单目标决策主要是通过对各方案两两比较，即通过辨优的方法求得最优方案。

而多目标决策除了需要辩优以确定哪些方案是劣解或非劣解外，还需要通过权衡的方法来求得决策者认为比较满意的解。

权衡的过程实际上就反映了决策者的主观价值和意图[1]。

2.2生产系统的基本概念

2.2.1生产系统的定义及主要要素

生产系统是将输入资源转换为期望输出的过程，转换的过程可分为下列几种类型：

实体的：

如制造业

位置的：

如运输业

交换的：

如零售业

储存的：

如仓储业

生理的：

如医疗照护

资讯的：

如通讯业

研究企业生产系统应从六大主要要素着手：

人、机、料、法、环、检。

人：

指在现场的所有人员，包括主管、司机、生产员工、搬运工等一切存在的人，人是生产系统管理与开发中的难点，如何提高生产效率，就首先从现有的人员中去发掘，尽可能的发挥他们的特点，激发员工的工作热情，提高工作的积极性。

机：

就是指生产中所使用的设备、工具等辅助生产用具。

生产中，设备的是否正常运作，工具的好坏都是影响生产进度，产品质量的又一要素。

一个企业在发展，除了人的素质有所提高，企业外部形象在提升，公司内部的设备也在更新。

料：

物料，半成品、配件、原料等产品用料。

现在的工业产品的生产，分工细化，一般都有几种几十种配件或部件是几个部门同时运作。

当某一部件未完成时，整个产品都不能组装，造成装配工序停工待料。

法：

指生产过程中所需遵循的规章制度。

它包括：

工艺指导书，标准工序指引，生产图纸，生产计划表，产品作业标准，检验标准，各种操作规程等。

他们在这里的作用是能及时准确的反映产品的生产和产品质量的要求。

严格按照规程作业，是保证产品质量和生产进度的一个条件。

环：

指环境。

对于某些产品（电脑、高科技产品）对环境的要求很高。

环境也会影响产品的质量。

比如：

音响的调试时，周围环境要求应当很静。

食品行业对环境也有专门的规定，否则，产品的卫生不能达到国家规定的标准。

检：

指质量检测和考核测评。

产品质量的好坏与生产任务的完成能否必须要有检做保证[2]。

2.2.2系统改进的原因

1、企业生产系统改进的内部原因：

生产系统在经过了一段时间的运转后，一方面系统本身的缺陷会暴露出来需要改进完善；另一方面，系统本身的设计功能会因系统某些要素的老化使系统指标变劣，竞争能力减弱，这时必须采取改革的手段。

具体表现在以下方面：

产品老化、设备老化、质量指标下降、成本上高；系统内部工作效率低下、员工士气不高。

在这里，企业重要的是如何发现种种不良倾向，及时采取改进措施。

以上列出的几条，有些是可以很容易定量计算的，如废品率，单位产品成本，员工的缺勤率，辞职率等。

对可以计算的指标，要确定企业标准，以规定的形式定期记录下来，经常与标准作比较分析，以便发现问题。

但是，有些因素却难以计算，如服务质量、员工的不满情绪等。

在这种情况下，那些潜在的问题发展到能够被发现以前，是不可能采取改进措施的。

而当发现了问题再采取措施，则代价又是比较大的，这全靠各级管理人员对生产现场的熟悉程度。

所以，生产经理要做的工作比检查考核指标，批阅工作汇报要多得多，他们必须深入到生产第一线，和基层员工交换情况和意见，了解并理解员工的心情，从中去发现隐藏在表面现象背后的不良因素，及早采取改进措施。

2、企生产系统改进的外部原因:

企业是一个复杂的系统，有自身的特定功能。

它又是个开放系统，是外部更大的系统——社会系统的一个子系统，与外部大系统有着大量的信息、能量和物质的交换。

企业之所以能存在下去，完全取决于它能否与外部环境成功地进行信息、能量和物质的交换。

企业的功能就是从外部获取所需要的资源，按市场需求将资源转换成产品或劳务，返回市场进行交换。

交换成功，则进行下一轮循环过程，如交换不成功，则意味着企业无法继续从外部获取维持再生产所必需的资源，生产不能继续，经营就会陷入困境。

企业必须要生产适销对路的产品。

除此以外，企业的外部系统是社会系统，还有一些更复杂因素要适应。

这样就对生产系统提出了改进的要求。

（1）顾客需求爱好变化

在竞争日益加剧的销售市场上，顾客的偏好变得很快，企业能否敏锐地觉察顾客的需求变化，并采取措施满足这种变化，取得经营的主动权，显得十分重要。

这就涉及到生产系统的改进，使它具有提供新产品的能力。

（2）技术原因

技术的发展呈现出加速度规律，每当新技术的产生，都会对企业产生较大的推动力。

一项新的技术问世可能会使企业的现有产品变得落后过时，也可能使现有的加工手段变得很不经济，这时生产系统的改进迫在眉睫。

（3）竞争对手原因

在市场经济中，竞争对手之间始终存在着一股无形的压力，在无情的竞争中，不进则退，对手的任何一项改进都会提高它的竞争优势，而给对方以新的压力，这样就迫使企业不敢有丝毫的怠慢，不断地改进完善自己的生产系统，保持自己的竞争实力。

（4）政治和法律的原因

社会的价值观念方面的变化，会反映在新制订的法律和政府的某些规定之中。

如关于环境保护方面的政策与法规，对大多数企业的生产系统都会提出改进的要求[3]。

2.2.3系统分析定义及主要内容

系统分析最早是由美国兰德公司在二战结束前后提出并加以使用的。

1945年，美国的道格拉斯飞机公司，组织了各个学科领域的科技专家为美国空军研究“洲际战争”问题，目的是为空军提供关于技术和设备方面的建议，当时称为“研究与开发”（ResearchandDevelopment，缩写为R&D）计划。

1948年5月，执行该计划的部门从道格拉斯公司独立出来，成立了兰德公司，“兰德”（RAND）是“研究与开发”英文的缩写。

长期以来，兰德公司发展并总结了一套解决浮渣问题的方法和步骤，他们称之为“系统分析”。

系统分析的定义有广义狭义之分。

广义的解释是把系统分析作为系统工程的同义语，认为系统分析就是系统工程。

狭义的解释是把系统分析作为系统工程的一个逻辑步骤，系统工程在处理大型浮渣系统的规划、研制和运用问题时，必须经过的这个逻辑步骤。

所谓系统分析，就是为了发挥系统的功能及达到系统的目标，利用科学的分析方法和工具，对系统的目的、功能、结构、环境、费用、效益与效益等问题进行周详的分析、比较、考察和实验，制定一套经济有效的处理步骤或程序，为决策提供所需的科学依据和信息。

具体的讲系统要明确主要问题，确定系统目标，开发可行方案，建立系统模型，进行定性与定量结合的分析，全面评价和优化方案，从而为领导者选择最优方案或满意方案提供可靠的依据。

系统分析的主要内容有收集与整理资料，开展环境分析；进行目的分析，明确系统的目的、要求、功能，判断其合理性、可行性与经济性；剖析系统的组成要素，了解他们间的相互关系，及其与实现目标间的关系（结构分析），提供合适的解决方案集；塑造模型、仿真分析和模拟实验；经济分析、计算个方案的费用与效益；评价、比较和系统优化；提出结论和建议等等。

2.3层次分析相关理论

2.3.1层次分析法的基本原理与步骤

人们在进行社会的、经济的以及科学管理领域问题的系统分析中，面临的常常是一个由相互关联、相互制约的众多因素构成的复杂而往往缺少定量数据的系统。

层次分析法为这类问题的决策和排序提供了一种新的、简洁而实用的建模方法。

运用层次分析法建模，大体上可按下面四个步骤进行：

1、建立递阶层次结构模型；

2、构造出各层次中的所有判断矩阵；

3、层次单排序及一致性检验；

4、层次总排序及一致性检验。

2.3.2递阶层次结构的建立与特点

应用AHP分析决策问题时，首先要把问题条理化、层次化，构造出一个有层次的结构模型。

在这个模型下，复杂问题被分解为元素的组成部分。

这些元素又按其属性及关系形成若干层次。

上一层次的元素作为准则对下一层次有关元素起支配作用。

1、最高层：

这一层次中只有一个元素，一般它是分析问题的预定目标或理想结果，因此也称为目标层。

2、中间层：

这一层次中包含了为实现目标所涉及的中间环节，它可以由若干个层次组成，包括所需考虑的准则、子准则，因此也称为准则层。

3、最底层：

这一层次包括了为实现目标可供选择的各种措施、决策方案等，因此也称为措施层或方案层。

递阶层次结构中的层次数与问题的复杂程度及需要分析的详尽程度有关，一般地层次数不受限制。

每一层次中各元素所支配的元素一般不要超过9个。

这是因为支配的元素过多会给两两比较判断带来困难。

2.4方法研究

2.4.1方法研究的定义与内容

1、方法研究[1]就是运用各种分析技术对现有工作（加工、制造、装配、操作、管理、服务等）方法进行详细的记录、严格的考察、系统的分析和改进，设计出最经济、最合理、最有效的工作方法，从而减少人员、机器的无效动作和资源的消耗，并使方法标准化的一系列活动

2、方法研究以生产过程中的瓶颈环节和工作作为重点对象，着眼于全局，是从宏观到微观，从整体到局部，从粗到细的研究过程[2]。

其具体研究内容如图2.1所示。

图2.1方法研究的内容

2.4.2方法研究的层次

方法研究的分析过程具有一定的层次性。

一般首先进行程序分析，使工作流程化﹑优化﹑标准化，然后，作业分析，最后再进行工作分析。

程序分析是对整个过程的分析，研究的最小单位是工序；作业分析是对某项具体的工序进行的分析，研究的最小单位是操作；动作分析是对作业者操作过程中动作的进一步分析，研究的最小单位是动素。

方法研究的分析过程是从粗到细，从宏观到微观，从整体到局部的过程。

2.4.3程序分析

1、程序分析的概念

程序分析是依照工作流程，全程全面地分析有无多余、重复、不合理的作业，程序是否合理，搬运是否过多，延迟等待是否太长等问题，通过对整个工作过程的逐步分析，改进现行的作业方法及空间布置，提高生产效率。

也可以说，程序分析是通过调查分析现行工