摘要

目前，混合型装配线广泛应用于各种行业，以批量生产定制产品，如汽车行业。在这一背景下，一个重要的决策问题受到了研究者和实践者的广泛关注，即排序问题，它决定了工件的连续性。但是，如果要通过多个具有不同排序目标的部门，或发生诸如机器故障或材料短缺等不可预见的干扰，则重新排序给定的生产顺序往往同样重要。本文综述了在混合模型装配线环境下重排序的研究现状。描述了重要的问题设置、可选缓冲区配置以及由此产生的决策问题。最后，指出了一些相关的现实世界中的重排序设置目前尚未在文献中得到解决。

第一章 背景介绍

混合模型装配线允许在单个装配线上以临时生产顺序（批量为1）生产通用基础产品的不同模型。这样，亨利福特基于流水线的大规模生产的传统模式可以与装配到订单流程相结合，因此，现在，混合模型装配系统应用于各种行业，例如汽车或电子装配（参见Boysen等人，2008）。在这种情况下，一个重要的决策问题是排序问题，它决定了模型沿着这条线启动的顺序。从Wester和Kilbridge（1964）的开创性工作开始，这一研究领域吸引了大量研究人员和Boysen等人最近的一篇评论论文。（2009）列出了200多篇研究这一主题的论文。此研究流处理初始序列规划，其中根据给定模型组合对规划范围的生产周期的分配存在所有自由度。然而，在实际应用中，重排序问题，即在有限的重排序灵活性的前提下，对给定的初始序列进行重新排序，通常是同样重要的。例如，考虑从德国汽车工业中获取的以下两个重新排序设置。

示例A：由于85%的返工率，一家德国主要卡车生产商面临着一系列驾驶室在离开油漆车间后被严重搅动的情况。注意，对于其他油漆店，首次通过率约为65%（Ulgen和Gunal，1998年）。一方面，这些改变的序列通常违反序列规则。例如，由于一些卡车的长度是其他卡车的两倍多，因此车站的空间限制要求这些长卡车中没有一辆是连续的。另一方面，将原计划顺序传播给供应商，并根据计划顺序组织材料供应。有些零件已经按照按顺序供应订购，因此生产更改的序列需要对存储在生产线旁边的材料进行短期重新排序。为了避免这两种不必要的后果，原始设备制造商安装了一个大型的自动存储和检索系统（AS/RS），有118个缓冲区。这些缓冲区允许随机访问中间存储的驾驶室，以便重新调整模型，并将更理想的生产顺序输入到最终组装中。

示例B.尽管在汽车行业执行准时制（JIT）概念时有所有的安全程序，但迟早会出现丢失或有缺陷的零件。为了缩小差距，直到随后交付各自的零件，主要汽车生产商允许在离开车身车间和喷漆车间后将客户订单重新分配给汽车模型，同时保持工件（物理）顺序不变。最终和不可撤销的订单约束在工件进入最终装配之前执行。这样，需要丢失或有缺陷的零件的订单可以推迟到以后的生产周期，而离开车身车间（或喷漆车间）的相应车身可以重新分配给另一个客户订单，该订单要求相同的车身，但显示所有零件都可用的替代部件规格。

一般来说，重排序包括根据排列可行性的某些限制对给定对象序列进行重新排列，从而优化某些目标函数。例如，著名的重排序应用出现在基因组测序领域（见，例如，Stratton，2008年）、机器调度（见，例如，Vieira等人，2003年）、飞机着陆（见，例如，Balakrishnan和Chandran，2006年；Lee和Balakrishnan，2008年）或多阶段生产系统的协调（见Hall和Potts，2003年；Chen和VaiRaktarakis，2005年；Agnetis等人，2001年；Dawande等人，2006年；Chen和Hall，2007年；Manoj等人，2008年、2010年）。此调查仅限于在混合模型装配线的上下文中重新排序。然而，为了精确地指定要重新排列的对象和有限的重排序灵活性，需要区分混合模型装配线重排序的两种一般形式：

在物理重排序中，应用某种重排序缓冲区来物理更改模型序列（示例A）。在这种情况下，要重新混合的对象是工件，重新排序的灵活性受特定缓冲区组成的限制。

如果应用虚拟重排序，模型序列将保持不变，并且仅更改将工件分配给客户订单（示例B）。因此，要重新排列的对象是客户订单。可能重新分配给特定工件的一组客户订单仅限于那些型号，这些型号的规格要求在各自的工件中完全实现那些已经无法恢复的产品属性。

这两种重新排序定义了我们的审查范围，并且在混合模型装配线的实际应用中非常常见。特别是，在汽车装配中，几乎所有的生产设备都采用了任何一种形式的重新排序。本文的目的是建立一个结构化重排序研究的概念框架。在这个框架的帮助下，对现有研究进行了审查，并确定了未来的研究需求。为此，本文的其余部分结构如下。第2节建立了该领域的结构框架。然后，通过应用该框架，对现有研究进行了回顾（第3节），并讨论了未来的研究需求（第4节）。第5节结束论文

第二章 结构重排序的框架

重组领域的基本结构如图1所示。尤其是，（i）重排序的触发因素，（ii）缓冲区的类型，（iii）决策问题，（i v）所追求的重排序目标，（v）所采用的解决方法需要加以区分，并在以下章节中进行描述。因此，一些初始定义可能是有用的。沿直线发射的物体被表示为工件，例如车身，这通常是通用基础产品的变体，例如车辆类型。在访问站点时，产品属性（表示为选项，例如，天窗）通过装配不同的零件来实现。客户要求的具有完整选项规范的工件请求表示为客户订单。如果工件被（临时）分配给客户订单，定义了各自工件的蓝图，那么它也被表示为一个模型。最后，物理上改变模型序列的环境被标记为缓冲区，而单个存储位置被表示为缓冲区位置。

2.1 重排序触发器

在装配系统中，存在两种启动重排序的替代原因，因此我们区分（i）反应重排序和（ii）主动重排序。反应性重排序是由不可预见的干扰触发的，如材料短缺、紧急订单、机器故障或工件或材料缺陷。在汽车生产中，尤其是油漆车间，在那里，最小的颜色缺陷需要对汽车进行重新润色或完全重新喷漆，这是导致模型序列混乱的普遍原因（Boysen等人，2010年）。显然，无序序列将以最大的概率违反初始序列规划所追求的目标，因此需要应用重排序来恢复理想的模型序列。在实例A和B中给出了两个不同的反应性重排序示例。

与缓冲器安装相关的反应性重排序和投资成本的另一种选择（或补充）是启动改进项目，这将导致更可靠的过程和更少的顺序干扰。然而，改进项目的成本可能比安装缓冲区的成本要高，特别是如果需要完全可靠的过程。因此，在可预见的未来，重新排序缓冲区将保持其重要性。

主动重排序允许根据多个测线段的各自需求对单个模型序列进行特殊重新排序。例如，在汽车生产中，这种重新排序允许在油漆车间和最终装配中生成不同的序列。而在油漆车间，制造颜色相同的汽车块是有利的，这样在清洁油漆喷嘴时就可以避免安装成本（参见，例如，Lahmar等人，2003年），最终装配旨在避免由于直接连续的劳动密集型选项而导致的工作人员超载。因此，通过在油漆车间和最终装配（部分）之间应用物理或虚拟重排序，可以实现两个部门的冲突目标。在文献中，到目前为止已经提出了相当多的各自的方法（参见第3节）。

作为替代方案，可以生成一个同时考虑多个线段目标的独特且不变的折衷序列。在德国汽车生产商，这个概念被称为“珍珠项链”。例如，Bergen等人介绍了确定初始生产顺序的顺序程序，以寻求油漆车间和最终装配之间的适当折衷。（2001），Bolat（1994），Chew等人（1992年），Cordeau等人（2008年）、David和Chew（1995年）、Gagn_等人（2006），Hyun等人（1998），Mansouri（2005），McMullen（1998），McMullen（2001a，b，c），McMullen等人（2000年）、McMullen和Frazier（2000年）、McMullen和Tarasewich（2005年）、Mohammadi和Ozbayrak（2006年）、Ponnambalam等人（2003年）、Prandtsetter和RAIDL（2005年、2008年）、Ribeiro等人（2008）以及Risler等人（2004）。显然，折衷的解决方案在每个部门中保证了不太有利的顺序，但没有安装缓冲区（因此，超出了我们的审查范围）。另一种选择是减少某些线段中序列的不利后果。例如，汽车装配中大多数最新的喷漆设备都将清洁要求降低到了如此程度，以至于临时的模型序列可以通过喷漆车间而无需进行大量的设置工作。

从规划者的角度来看，反应式和主动式重排序之间的主要区别是，可以用于派生修改序列的时间跨度。在汽车工业中，最初的模型序列通常在生产开始前三到四天进行规划，以便在足够的时间内将零件需求传达给JIT供应商。因此，主动重排序为确定不同部门的生产顺序留出了足够的时间，因此应该有足够的计算时间来确定最佳解决方案。相比之下，反应式重排序需要在单个生产周期内（或仅几个）进行即时反应，这大大限制了计算时间，需要在线决策（见第2.3节）。

2.2 缓冲器类型

显然，虚拟重排序不需要缓冲，只需要一个信息系统，在合理的时间内识别合适的易货客户订单。然而，在物理重排序中，存在不同的缓冲区设置，其布局对重排序的灵活性有很大影响。图2中给出了不同缓冲区类型的示意图。

自动存储和检索系统（AS/RS）是一个由多个缓冲区组成的重排序缓冲区，每个缓冲区可以单独和独立地访问，以存储和检索工件，从而将缓冲区内容重新转换为临时模型序列（参见图2（a））。福特（Maloney，2002年）和Rover（Jina，1996年）报告了支持随机访问的AS/RS的实际应用，在德国汽车行业也很常见。例如，大众汽车的一个生产设施采用了1000多个位置的巨大随机存取缓冲器，用于车身与喷漆车间以及喷漆车间与总装之间的接口处对车身进行重组。

混合料组（也称为平行线缓冲器或选择性组）由多个平行线组成，没有装配操作，每个平行线具有限制（通常相等）的工件存储能力（参见图2（b））。每一条车道都被组织成一个队列，这样离开前一个路段的模型就被推到其中一条车道的最后一个具有自由通行能力的位置。在每个车道的第一个模型中，一个模型被释放到下一个线段中。释放一个元件后，各通道中的所有其他工件向前移动到下一个位置。显然，在混合库环境中重新排序需要两个相互依赖的决策问题：填充问题为每个离开前一个生产部门的工件选择一个可访问的通道。释放问题在所有通道的第一位置工件中选择要从缓冲区释放到后续部门的工件。文献中报告了油漆车间前混合料库的不同实际应用（例如，Spieckermann等人，2004年；Ding和Sun，2004年）和最终组装（Choi和Shin，1997年）。请注意，在混合组的某些实现中，所谓的loopbuffer使得可以首先在通道中移除工件，通过反馈通道重新定向，并将工件作为（另一个或同一个）通道的最后一个元素排队（moon等人，2005）。

由多个牵引台组成的缓冲器直接位于线路旁边（参见图2（c））。一个模型通过一个空的拉拔表可以被拉下线，以便其他模型可以向前移动之前，离线模型被重新插入到后面的序列位置。这样，每个模型都可以向后移动到临时序列位置，但最多只能向前移动n个位置（n是安装的表数）。现实世界中的应用，例如福特卡车总成，尤其是在油漆车间前面，以构建具有相同颜色要求的子序列（见Lahmar等人，2003；Lim和Xu，2009）。请注意，下拉表允许对当前离线的工件进行随机访问。因此，尽管拉表和AS/RS系统在技术实现上有很大的不同，但在相同的容量下，它们允许相同的重新排序灵活性。然而，在现实世界中，与现代AS/R的数百个缓冲位置相比，通常只安装了一个手边满的牵引台。

另一种文献中尚未考虑的缓冲器类型是所谓的插入式缓冲器，尽管它存在于德国主要卡车制造商的装配线上。在这里，在两个线路段之间的重叠区域中，两台输送机以相反的方向相互通过（参见图2（d））。在将要送入后继线段的模型队列传递时，可以在任何位置将离开前一段的模型插入到队列中，从而获得重叠区域中模型的临时排序。

2.3 规划范围与关联决策问题

与供应链管理中的典型问题一样，与重排序相关的决策问题可以细分为重排序设计的长期（战略）问题和实际重排序初始序列的短期（操作）问题。设计（然后安装）重排序设置的战略决策问题必须确定三个相互关联的基本决策变量：位置、类型和大小。

地点：第一个问题是如何定位沿线的重排序设施。现有研究只考虑油漆车间前后的重新排序点。然而，在最终装配过程中可能会有多个其他的重新排序位置，应该调查除汽车生产以外的其他行业，以便进行进一步的研究。

对于正确类型的重排序问题，必须在物理重排序和虚拟重排序中进行选择。一方面，缓冲区安装的投资成本通常比识别可交换客户订单的信息系统高出很多。另一方面，虚拟重排序面临这样一个事实：找到合适的易货模型的概率随着装配的选项数量的增加而降低。因此，虚拟重排序似乎特别适用于（少数）上游生产线段后，造成很少的产品差异，而物理重排序可以应用，而不考虑工件的装配状态。如果选择了物理重排序，则应在第2.2节中讨论的不同缓冲区类型之间进行选择。同样，投资成本和重新排序灵活性之间的基本权衡也需要权衡。

大小：显然，缓冲区中正确的位置数量与所选缓冲区的类型有很大的依赖关系。一般来说，增加缓冲区的大小可以增加重新排序的灵活性——这种效果在只添加几个缓冲区后会迅速减弱，见Lahmar等人（2003）和Boysen等人（2010）。另一方面，任何额外的缓冲位置都会导致额外的投资成本。

给定重排序设置，将永远解决重新排序客户订单（虚拟重排序）或工件（物理重排序）的操作问题。在信息可用性方面，我们区分了静态和动态重排序。

在静态重排序中，在执行计划运行之前，所需的所有信息都是（假定是）可用的。这意味着要重新洗牌的完整初始序列作为输入数据给出。通常，这样的初始序列由当前位于两个相邻线段之间重叠区域的所有工件组成。考虑到稳定连续工件的动态特性，该问题可以分解为滚动规划范围内的一系列静态问题。在这里，当前重叠区域中的所有n个模型都被重新

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资料编号：[4167]