摘 要

Abstract II

1.绪论 1

2. 问题建模及求解 3

2.1 拆卸系列相关拆卸线平衡问题建模 3

2.2 拆卸系列相关拆卸线平衡问题LINGO求解 7

3. 进化算法设计及仿真分析 11

3.1 NSGA-III算法原理 11

3.2 使用NSGA-III算法解决SDDLBP问题 13

3.2.1 种群初始化 13

3.2.2 适应度函数和选择过程 14

3.2.3 交叉过程 14

3.2.4 变异过程 15

3.2.5 运算数值结果 16

4. 小结与展望 27

4.1 小结 27

4.2 展望 27

参考文献 29

摘要

为了在工业生产过程中实现产品的回收再利用，生产者在设计工业系统时，既要考虑产品装配过程，也要考虑废旧产品的拆卸过程。在拆卸系统的设计中，需要实现通过拆卸线从待拆卸产品中选择性地分离产品各零件和材料。其中拆卸线具有较高的拆卸效率和自动适应性，是拆卸产品的最有效方式。拆卸序列相关拆卸线平衡问题（SDDLBP）是以优化资源的使用以及尽可能减少拆卸污染为目的，涉及将拆卸任务分配给一组有序的拆卸工作站，同时需要满足各部件的优先级关系约束，考虑序列相关部件拆除的若干措施的有效性时间增量的问题。本文针对SDDLBP的特点，构建了拆卸线平衡问题的多目标优化模型，并使用LINGO软件和NSGA-III算法对模型进行了求解。本文从拆卸和装配线平衡文献中收集和调整了大量的拆卸数据实例，并使用这些数据实例对NSGA-III的性能进行了考察。

关键字：产品回收 拆卸 拆卸系列相关拆卸线平衡 多目标优化 NSGA-III算法

Abstract

In order to recycle products in the industrial production process, when designing industrial systems, producers must consider not only the product assembly process but also the disassembly process of used products. In the design of the disassembly system, it is necessary to achieve selective separation of parts and materials of the product from the product to be disassembled by disassembling the wire. The disassembly line has a high disassembly efficiency and automatic adaptability, and is the most effective way to disassemble the product. Disassembly sequence-related disassembly line balance (SDDLBP) is aimed at optimizing the use of resources and minimizing disassembly. It involves assigning disassembly tasks to an ordered group of dismantling stations, and at the same time, it must satisfy the priority constraints of each component. Consider the problem of the time increment of the effectiveness of several measures of sequence-related part removal. In this paper, according to the characteristics of SDDLBP, a multi-objective optimization model for the disassembly line balance problem is constructed. The model is solved using LINGO software and NSGA-III algorithm. This article collects and adjusts a large number of disassembly data examples from the disassembly and assembly line balance literature, and uses these data examples to examine the NSGA-III energy.

Keywords: Product recycling, Disassembly, Sequence-dependent disassembly line balancing problem, many-objective optimization, NSGA-III.

1.绪论

为了解决资源短缺和废弃产品污染等问题，世界各国相继立法规定生产者需要对寿命将终结（End of Life，EOL）的产品进行拆卸并进行回收再利用，从而达到资源的循环利用和保护环境的目的。制造企业为了实现利润最大化，也纷纷综合考虑废旧产品的回收再利用过程，以降低生产成本，提高企业的营收。因此，近年来许多制造业企业纷纷参与到废旧产品回收利用的实践过程中^[1]。

产品拆卸过程即从废旧产品中选择性地分离各部件、零件、组件或其他部件件集合体的过程，它与产品回收的每个阶段相互作用，包括回收、再制造、再利用和最终处理。拆卸过程之后，部件将被清洁、翻新、测试并定向到部件库存以用于再制造过程。因此只有首先经过拆卸过程，生产者才能最终达到零件和材料的回收再利用的目的，拆卸过程是实现废旧产品的回收再利用的重要手段，也是实现产品的生命周期完整性的重要环节。^[2]

拆卸操作可以在单个工作站、拆卸单元或者拆卸线上执行。虽然使用单个工作站和拆卸单元进行拆卸更加灵活，但是其拆卸效率并不高。使用拆卸线进行产品拆卸具有最高的拆卸效率，因此它是自动拆卸过程的最佳选择，这一特性在未来的拆卸系统设计中至关重要。^[3]

产品的拆卸过程与其装配过程相比，有一些独特的性质，因而并不能将拆卸过程简单的看做是装配的反向过程。在产品的装配过程中，我们可以根据自己的需要在每一个工作站中添加适当数量和质量的部件，并且通过严格的数学条件来限定。但是，在拆卸问题中，我们所处理的是寿命终结（EOL）产品，无法通过严格的数学条件来限定。在拆卸线中，流水线作业过程是不断变化的，单一产品将被拆卸为各种不同的组件和部件；而在装配问题中，流水线作业情况则是不变的。在拆卸过程中，拆卸所得部件的结构、品质、可靠性和状况都具有极高的不确定性。此外，产品的某些部件可能具有辐射、污染或毒性，需要特殊处理，这必将影响拆卸工作站的使用^[4]。拆卸线造价昂贵，因而拆卸线的平衡问题对于最大限度地减少投入拆卸的资源并最大限度地提高自动化水平具有重要意义。

拆卸线平衡问题（DLBP）是由学者Gungor和学者Gupta ^[5]提出的多目标优化问题，在数学上被McGovern和Gupta证明是NP完全的^[6]。穷举搜索为许多问题提供了最佳解决方案，其中包括NP完全问题。然而，NP完全问题的时间复杂度为指数函数，这便大大降低了穷举搜索算法的实用性，也使得应用其他更加高级的技术来解决该问题以及类似的具有巨大的解集空间的复杂问题的方法变得尤为重要。因此，需要采用有效的搜索方法来获得（接近）最佳条件。尽管一些研究人员已经使用数学方法对DLBP问题进行了初步解决[7-9]，但是由于该问题的组合性质，他们仍然无法解决实际规模的DLBP问题。因此，越来越多的研究者开始使用元启发式技术，如遗传算法^[10]，蚁群优化（ACO）^[11-16]，模拟退火^[17]，禁忌搜索（TS）^[18]和人工蜂群^[19]，来解决这一问题。有关DLBP的更多信息，请参阅McGovern和Gupta ^[19]的论文。Scholl^[20]等人在流水线中引入了序列依赖的概念。在本文中，我们研究的是系列相关拆卸线平衡问题（SDDLBP），这是DLBP的推广，并分别使用LINGO软件进行该问题的初步求解以及使用NSGA-III算法来进行深入求解。