飞机装配系统产能的非线性建模与优化方法研究

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：飞机装配系统产能的非线性建模与优化方法研究作者：辛博学科专业：航空宇航制造工程指导教师：李原教授2017年5月ResearchonNonlinearModelingandOptimizingofCapacityforAircraftAssemblySystemByXinBoUndertheSupervisionofProfessorLiYuanADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfi

2、llmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofAeronauticalandAstronauticalManufacturingEngineeringXi’anP.R.ChinaMay2017摘要摘要产能是衡量制造系统装配加工能力的重要指标。对于飞机装配系统，合理科学地分析并优化控制系统的产能，是提高航空制造企业的管理水平和市场竞争力的重要保证。随着脉动化、准时化等精益生产模式逐渐从简单工业产品推广到飞机制造业，飞机装配系统的生产组织模式发生了大幅变化，对系统产能的准确分析预测及优化控制也

3、提出更高的要求。然而，现阶段我国航空业对飞机装配系统产能的分析及优化手段及方法相对粗放、滞后，方法的有效性和时效性依赖于管理人员的经验水平及统计分析能力，对影响及制约产能的诸多关键要素的选取及描述上也难以做到定量化、动态化。同时，由于飞机装配系统属于典型的大规模多输入单输出型生产系统，系统运作模式具有明显的非线性特征，引发了对系统产能进行建模与优化的多层次、多维度复杂性。因此，考虑飞机装配系统的非线性特性，准确地提取和量化影响系统产能的关键控制量，建立装配系统产能分析和优化的模型及方法，用于描述系统的运行状态、优化控制系统的产能具

4、有重要的理论及工程价值。基于上述分析，本文研究了面向飞机装配系统的产能非线性建模及分析优化若干关键技术，旨在提高装配系统的产能和生产平衡性。全文主要研究内容和创新性工作如下：1）分析并阐述了飞机装配系统产能的非线性建模与分析优化的研究意义和面临的挑战，总结了大规模制造系统的非线性建模、产能分析以及系统平衡优化等方面的相关国内外研究现状，指出了本文亟待研究的关键问题。2）建立了基于决策量分析的产能非线性耦合动力学模型。首先，面向产能建模及优化的需求，分析了飞机装配系统的非线性特征及产能约束；然后建立了系统产能的PRL（生产率/可靠度

5、/学习效应）和PCL（生产率/成本/学习效应）耦合动力学模型，通过提取影响系统产能的关键决策量，定量化描述系统的装配生产率在决策量的非线性耦合作用下的动态发展规律，分析了系统的宏观运行状态并求解系统进入混沌态的分岔点，计算出系统稳态运行的决策量控制边界；最后，实验分析验证了PRL和PCL模型的有效性。3）提出了基于有效工时计算的产能动态分析方法，建立了面向系统装配单元级的产能分析模型。针对装配人员，提出了基于多因素非线性修正的人员有效工时计算方法，提取多重影响作业能力的主导因素后定量化修正理论工时，计算出装配单元的有效工时；针对自

6、动化装备，提出了基于动态混合威布尔模型的装备有效工时计算方法，分析了自动化装备中各类子系统对设备总体可用度的影响，建立装备可用度的动态混合三参数威布尔模型计算装配单元的有效工时。最后，实例分析验证了两种有效工时求解方法I西北工业大学博士学位论文的有效性。4）提出了基于人员动态配置的飞机装配系统平衡优化方法，研究了装配人员的差异性及流动性对系统平衡性的影响。以系统稳态运行的决策量控制边界为约束，以产能分析的有效工时参数为输入量，从装配系统内的固定多技能水平人员和可跨站位流动人员的动态配置两方面对系统进行平衡优化，分别建立了基于多技能

7、人员动态配置、人员跨站位流动的系统平衡模型，设计了两种自适应二进制粒子群算法，提高了算法在本文环境中的适应性。最后，结合实例验证了平衡优化模型和算法的有效性。5）设计开发了飞机装配过程产能管理系统的部分功能模块。基于某飞机制造公司现有的制造执行系统平台，以装配履历数据为基础，以论文各项关键技术为理论依据，根据企业实际需求搭建了有效数据采集、产能动态分析、产能平衡优化和产能可视化动态仿真四组模块，实现了对飞机装配系统产能的动态计算和优化控制管理。关键词：飞机装配系统，产能，非线性耦合建模，关键决策量，有效工时，人员动态配置，系统平衡

8、优化注：本论文研究得到国家基础科研项目（编号：A0520132009）、国家留学基金项目（编号：留金发[2015]3022）资助。IIAbstractAbstractCapacityisoneoftheimportantindexestoevalu